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引领钢铁行业迈入“以氢代煤”绿色冶炼的时代——记东北大学“2011钢铁共性技术协同创新中心”低碳炼铁团队
发布者: 发布时间:2024-4-17 阅读:77

现阶段,我国仍以高炉炼铁为主,新一代低碳高炉、数字化智能化炼铁、低碳炼铁炉料等新技术是推动炼铁工序向低碳高质量发展转型的重要途径;未来,主要依托氢冶金、碳捕集利用和绿色铁源废钢高效循环实现碳快速减排。同时,低碳炼铁将基于工业互联网的全流程数字化、规模化绿氢制备、产品高质化和工艺绿色化等技术贯穿全程,实现钢铁碳中和这一伟大目标。

中国工程院院士王国栋以战略科学家的担当,对低碳钢铁技术研发进行了精准前瞻和深度布局。东北大学教授储满生带领东北大学“2011钢铁共性技术协同创新中心”低碳炼铁团队(以下简称低碳炼铁团队),在王国栋的带领和指导下,将科研方向聚焦氢冶金、低碳高炉、数字化炼铁等低碳关键共性技术,几十年如一日,深耕前沿基础研究与关键技术开发工作。

由“高炉炼铁”向“绿色炼铁”迭代升级,从传统“碳冶金”向新型“氢冶金”华丽转身。在建设人与自然和谐共生的现代化实践中,低碳炼铁团队把绿色低碳作为团队最重要的价值创造源泉,以践行双碳战略为牵引,充分发挥“绿色制造”和“制造绿色”双重效能,打造更加丰富多元的低碳炼铁应用场景,推动炼铁行业释放更具引领性、更有竞争力的“绿动能”,引领钢铁行业迈入“以氢代煤”绿色冶炼的时代。

目前,我国钢铁冶炼主要依赖煤基化石能源,产生了大量二氧化碳,其排放量占我国碳排放总量的15.7%左右。其中,炼铁系统能耗、二氧化碳排放分别占整个钢铁生产流程的83.3%73.1%以上。研发和应用低碳炼铁工艺与装备技术,是炼铁产业发展的迫切要求。

针对炼铁低碳智能化转型升级的国家重大需求,低碳炼铁团队在炼铁领域深入研究和工程化应用的多年积累,为勇挑时代重担、破解行业难题打下了良好的基础。

在回首此间心路历程时,储满生感慨颇多:“在低碳炼铁的漫长科研道路上,从刚开始的信心十足、踌躇满志,到遇见困难时的耕耘求知、愈挫愈勇,再到解决问题时的重拾信心、豁然开朗,不知经历了多少个日日夜夜。”

“总觉得科研问题一直在前面牵着我们,让我们不得不去面对且最终战胜它,也正是这种勇于面对的精神和不断求知的思想碰撞,帮助我们团队实现了低碳炼铁领域一个又一个科研成果的重大突破。”该团队教师唐珏回忆道。

瞄准我国钢铁低碳发展前沿,该团队聚焦氢冶金、低碳高炉、数字化炼铁等低碳关键共性技术,经过多年的潜心攻关,形成了完整的低碳智能化炼铁工艺理论与技术体系,研究成果在企业得到广泛应用。

——在新一代低碳高炉前沿技术上取得突破。该团队优化高炉炼铁工艺,提高高炉炼铁生命力和竞争力。该团队研发熔剂性球团和复合铁焦等低碳高炉炉料,将富氢介质喷吹(焦炉煤气、天然气、氢气等)、炉顶煤气循环、高富氧冶炼等操作高效匹配和耦合集成,形成富氢喷吹、全氧冶炼、顶煤气循环等新一代低碳高炉技术与理论,获得炼铁降碳30%以上的技术途径。

该成果广泛应用于国内钢铁企业,为抚顺新钢铁、中国宝武、攀钢集团、山钢集团、河钢集团等提供了明晰的高炉炼铁降碳工艺途径。新一代低碳高炉炼铁技术可将化学能利用率提升至93.6%,吨铁二氧化碳减排32.5%,该技术研发与应用有助于探索现阶段高炉主流程的极致能效,从而促进国内钢铁企业在实现碳中和过程中稳步前进。同时,该团队与黑龙江建龙钢铁有限公司、承德建龙特殊钢有限公司、河钢承钢、四川德胜钒钛、攀钢集团等钢企合作,研发钒钛磁铁矿高炉高效低碳冶炼技术,推广应用效果显著。

——自主研发数字化炼铁技术。针对高炉冶炼过程复杂,高炉数据难表征、状态难描述、操作难调控等难题,该团队将大数据、人工智能与冶炼机理、经验知识相结合,建立高效率、低成本、高保真的高炉冶炼先进数字孪生模型,形成炉况智能预测评价与操作自主优化决策的良好互动,研发机理、数据、知识多维驱动的国内首个铁前—高炉信息物理系统,实现多维信息融合的铁区一体化智能化炼铁,建立以高炉为中心的铁区一体化智能化闭环赋能体系。

该成果应用于抚顺新钢铁、中国宝武、太钢集团、河钢集团、昆明钢铁控股有限公司、本钢集团等钢企,关键指标在线预测命中率高于90%,炉温稳定率提升30%,高炉赋能降碳3%~6%。应用期间,抚顺新钢铁高炉年创效8000余万元,并牵头申报获批国家重大低碳专题项目;太钢集团高炉年创效1400余万元,河钢唐钢高炉年创效1200余万元。

该团队与抚顺新钢铁合作开发的数据与机理双驱动的智能化炼铁关键技术,依托辽宁雄厚的钢铁工业基础,将丰富的钢铁冶炼场景资源转化为振兴优势,为辽宁省“围绕产业链部署创新链、围绕创新链布局产业链”乃至全国推进“数据支撑极致能效、算法驱动智慧运营”树立典范,推动数字经济和实体经济深度融合,加快促进我国钢铁行业的“数字蝶变”。

——在氢冶金前沿技术上取得重大突破。针对高炉—转炉长流程碳排放高、产品纯净度无法满足高端装备制造需求的现状,该团队立足发展氢冶金短流程,优化钢铁工艺流程、能源结构和产品结构。

氢基竖炉直接还原,是目前国内外重点研发和应用的主流氢冶金新工艺。而我国氢气竖炉直接还原技术研发和应用,总体上还处于起步阶段,与国外先进产钢国差距显著,且由于国外技术知识产权保护,在氢冶金应用方面严重受制于人。

该团队勇做“弄潮儿”,推动能源结构变革,突破氢气安全高效加热、氢基竖炉直接还原技术与装备等关键难题,力争加快关键共性技术研发、工程转化和推广应用,为未来实现氢冶金核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越提供良好基础。

该团队系统研究了氢基竖炉—电炉短流程新工艺技术和重大装备,设计了拥有自主知识产权的国内首台套氢气竖炉系统,并筹措资金3000多万元,正在辽宁省沈抚改革创新示范区东大工业技术研究院建设全国首个基于氢冶金、绿色电炉和高端钢制品铸锻轧的万吨级新一代零碳钢铁冶金短流程中试基地,推动辽宁省占据氢冶金前沿理论研究与工程转化的制高点。

在突破氢基竖炉短流程技术和装备的基础上,该团队进一步研发钒钛矿氢基直接还原—电炉熔分新工艺技术,实现铁、钒、铬、钛等有价组元的高效回收,形成特色冶金资源低碳绿色利用共性技术。该团队在氢冶金领域成果位居全球研究机构排名前列,相继承担河钢集团、中国宝武、攀钢集团等国内钢企的大部分氢冶金项目,并与必和必拓公司、巴西淡水河谷公司等国际矿业公司合作。

技术创新是推动钢铁行业低碳发展的关键所在,而关键技术的突破和应用,离不开科技创新平台的支撑。该团队深刻意识到科研平台在科技创新中的引领作用,并牵头组建了低碳钢铁前沿技术教育部工程研究中心。该中心围绕钢铁产业碳中和重大需求,将新能源科学与工程、钢铁冶金、热能工程、化学工程、控制科学与工程等学科交叉融合、协同创新,集合东北大学各学科的优势学术力量,在氢能制备与氢冶金、高性能钢铁材料绿色冶金、全流程数字冶金与加工、碳捕集利用等领域实现突破。

依托东北大学矿冶学科群的雄厚基础,该团队与抚顺新钢铁等钢铁企业合作,共建高炉—转炉长流程以及氢基竖炉短流程的碳中和中试基地,开展低碳钢铁前沿技术及工程化创新链研究,建成“基础研究—小试突破—中试验证—工业应用”一体化的“国内领先、国际一流”的碳中和共性技术研发平台和成果转化基地,成为东北大学服务钢铁行业高质量发展和东北地区振兴发展、推进学科建设、加快科技成果转化、培养聚集创新人才及开展国际合作交流的重要基地。

针对我国氢气竖炉氢冶金技术体系中亟待突破的核心技术、关键装备和工程示范等重大需求,该团队通过政产学研用金深度融合和协同创新,研发氢气竖炉短流程前沿技术与重大装备,突破一系列具有自主知识产权的关键技术及装备,推动构建完整的氢冶金和零碳钢铁技术体系,完成产业化建设;与东北大学特钢团队合作建成了我国首个氢冶金短流程关键共性技术与装备研发、成果转化和工程应用的创新平台,弥补了国内工程示范空白,实现了核心技术、关键装备、标准体系、研发平台和人才队伍的全面超越,为我国低碳乃至零碳钢铁冶炼提供全新途径,推动钢铁行业低碳、零碳化和高质量创新发展。

人间万事出艰辛。在回忆起创新平台及基地建设时,储满生感慨颇深:“平台建设是个大工程,特别是对于万吨级氢气竖炉示范线的建设,更是有诸多波折,投入如此大的人力、物力和财力,团队老师其实犹豫了很久。对于建设可行性方案,我们常常讨论到深夜,不断去修改、验证和完善,让构想逐渐落地、变成现实。这个过程虽然艰辛,但是我们能深切感受到团队在不断收获和成长,同时也坚信我们能在低碳炼铁领域走出自己的特色之路。”

先行一步,领跑变革。作为钢铁行业绿色转型的探路者,储满生带领团队坚定地与国家战略同向同行,深耕氢能、大数据与钢铁行业的融合创新、协同发展,超前跟踪世界氢冶金和数字化钢铁技术的研发动态,以正在建设的钢铁长流程碳中和中试基地和氢冶金短流程中试基地为起点,把氢能利用、智能化与钢铁低碳发展协同作为重点发展方向,积极突破氢冶金和智能化冶金技术瓶颈,加快推进低碳冶金技术的革命性创新与突破,为钢铁行业绿色低碳数字化发展提供更多更好的智慧和方案。

回首过往的科研历程,储满生感慨道:“从碳能源到氢能源,从经验操作到智能冶炼,炼铁犹如一次新生。目前团队虽在低碳炼铁前沿技术方面取得一定进展,但未来仍要跳出舒适区,继续以钢铁行业绿色低碳发展为出发点,深耕低碳高炉、数字化炼铁、氢冶金等低碳钢铁前沿领域,走绿色发展之路,筑生态文明之基,不断学习、创新和锤炼技术,开展更高水平、更广范围、更深层次的研究,与各方携手同心,将碳中和这条造福世界的路铺得更宽更远,用颠覆性技术引领炼铁行业的发展。”

 

来源:中国冶金报社

 

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