王国栋院士：建设跨系统运行的工业互联网系统，彻底解决钢铁行业的碳排放问题

 

巴黎协议规定的减少温室气体排放和限制全球变暖的目标对许多高排放行业来说，均是一个重大挑战。近年来，世界各国在这方面做出了广泛的努力，使能源需求和温室气体排放稳步下降。在基础原材料生产领域，一些措施已经达到热力学极限，尚没有找到更可持续的新工艺用于生产种类繁多的基础原材料。例如，绝大多数钢是通过碳密集型高炉-转炉流程生产的，尽管在替代方法方面进行了大量的开发工作，但是沿此方向在未来难有突破性、可持续发展的新进展。

碳捕集与封存（CCU）技术是一项具有大规模CO2减排潜力的技术，有望实现化石能源的低碳利用，被广泛认为是应对全球气候变化、控制温室气体排放的重要技术之一。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将“主要行业CO2、甲烷等温室气体的排放控制与处置利用技术”列入环境领域优先主题，并在先进能源技术方向提出“开发高效、清洁和CO2近零排放的化石能源开发利用技术”；《国家“十二五”科学和技术发展规划》提出“发展CO2捕集、利用与封存等技术”。

中国钢铁企业聚焦钢铁流程煤气高效清洁利用，也在积极探索钢铁+化工绿色发展新模式。2009年5月四川达州钢铁集团公司在国内首次投产了以转炉煤气（经变温吸附法净化处理）和焦炉煤气为原料年产10万t甲醇装置，2010年4月年产20万t甲醇装置再次顺利投产，填补了国内转炉煤气制甲醇的空白，标志着国内转炉煤气制甲醇技术走向成熟，在全国钢铁行业废气综合利用方面跨出了重要一步。2012年1月，黑龙江建龙钢铁有限公司转炉煤气和焦炉煤气经变温吸附和变压吸附制备20万t/年的甲醇项目正式投产，将钢铁产业链延伸至化工领域，以实现节能环保。2010年6月，宝钢与新西兰朗泽公司合作，引进新微生物气体发酵技术，同时结合中国科学院膜分离和发酵工艺技术，在宝钢罗泾开展COREX 煤气制备乙醇项目。2012年4月10日，宝钢年产300 t乙醇示范项目正式投产，成功生产无水乙醇样品，随后由于罗泾COREX停产而试验中止。2012年，首钢京唐公司与朗泽公司合资成立北京首钢朗泽新能源科技有限公司，将宝钢300 t燃料乙醇示范装置整体搬迁至首钢，进行工艺优化和技术改造，以高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气及其混合气为原料，通过微生物发酵工艺，生产汽车及航空用燃料乙醇产品；2012年12月竣工运行，产出浓度为99.5% 以上的合格燃料乙醇。在此基础上，2017年12月首朗公司在京唐建成全球首套4.5万t/年钢厂尾气生物发酵法制清洁能源商业化装置，设备国产化率97%以上。目前，首朗公司在宁夏的6万t矿热炉尾气制乙醇项目正在进行中。2017年11月，山西立恒钢铁公司利用北大先锋的钢厂尾气创新利用4.0技术，采用转炉煤气和焦炉煤气作为生产原料，建设30万t/年乙二醇的“钢化联产”项目。另外，石横特钢集团阿斯德科技有限公司利用北大先锋技术，建成世界首套转炉煤气制甲酸生产装置，以转炉煤气为基础原料，年产甲酸20万t和草酸5万t。每年可减少碳排放32万t，节约原料煤消耗100万t。2018年4月投产以来，该生产线一直稳定运行。以上这些项目为中国钢铁行业发展钢铁-化工联产、实现节能减排奠定了良好基础。

中国近年在钢化联合方面的有益探索和巨大进展，以及德国钢铁巨头蒂森-克虏伯牵头的Car⁃bon2Chem 项目取得的成果都表明，通过钢铁、化工、能源三大行业的跨工业生产网络协作，可以为中国CO2减排提供全面、彻底、可持续发展的解决方案。

首先是钢铁行业和化工行业的联产协作。长期以来钢铁生产不可避免的CO2排放，给钢铁行业套上了一副沉重“枷锁”，严重制约了钢铁工业的发展。如果将含有N2、CO、CO2和H2为主要成分的钢铁厂的尾气进行捕集、处理成为合成气体，并提供给化工厂用于制备燃料、塑料、肥料等化工产品，既可减少CO2排放，缓解钢铁生产的碳排放压力，同时为化工行业输入了原本需要消耗化石能源或生物质资源才能获得的含有碳的资源。

其次，在钢化联合的基础上，将能源行业并入钢化生产网络。由于钢铁企业排放的废气中所含的H2无法满足化工产品的需求，尚需第3个行业的支撑。能源行业利用可再生能源制氢，来弥补钢铁企业废气中氢含量的不足。

需要注意的是，钢铁、化工和能源三大系统的耦合，以及各个系统的巨型规模和高度复杂性、波动性、动态性，是跨工业网络实施过程中必须应对的最严峻的挑战。经过国内相关领域专家的共同努力，钢铁工业全流程的动态数字孪生和信息物理系统已经在顺利开发中，并渐入佳境，有望为该系统的可靠、安全、稳定、高效、智能运行提供保证。利用加载到工业互联网平台的钢铁、化工、能源3个智能制造系统，将可以稳定地对全流程进行协调和控制，做到三大工业产线在工业互联网平台框架下协调运行，最终真正体现协同、全局的优势，实现绿色、智能、协调、和谐发展。

以冶金废气制造化工产品的神威CCU 项目（steel-chemicals-energy networking integration CCU，SCENWI CCU）是一项钢铁-化工-能源一体化网络集成的CCU项目。该项目是在保持高炉流程主体地位的前提下，钢铁与化工、能源和谐共存，绿色发展。该项目把多年发展起来的高炉-转炉流程从碳排放的阴霾中解放出来，又留出了继续发展的空间。可将高炉-转炉排放的CO2变为有用资源，推进钢铁、化工、能源工业的协同发展，还世界百花盎然、绿水蓝天。就如同十几年前的“高炉渣制造水泥”的神来之笔，将“污染源”变成了炙手可热的“抢手货”，既改善了钢厂的环境，又为硅酸盐工业提供了优质的原料。体现了科学技术、工业系统集成、联合、协同的力量。

当然，钢铁-化工-能源一体化的SCENWICCU项目存在如下需要迫切解决的技术难题：（1）高效低成本地实现钢铁厂废气净化处理和CO2、CO、H2、N2 成分捕集分离是本项目的关键问题之一，需开发新型高效气体吸附材料或吸收材料，并确立相应的净化分离工艺技术；（2）CO2 分子十分稳定，加氢反应转化率最高仅为30%左右，而且加氢反应产物分布广，包括CO、甲烷、甲醇、甲酸和汽柴油等，反应选择性差，需通过开发高效催化剂和

优化加氢催化工艺，进一步提高转化率和降低反应产物分离成本；（3）廉价氢气来源是本项目的又一重要难题，需解决大规模低成本制氢工艺技术；（4）研发高附加值化工产品及其生产工艺技术，提高本项目的经济性；（5）利用工业互联网平台，开发钢铁、化工、能源的智能制造系统，有效解决三大流程工业系统的高度复杂性、波动性、动态性，实现深度耦合。因此，在今后一定阶段，建议从以下方面着手积极推进SCENWI CCU项目。

1）研究内容的确立。项目将完成一系列重要研究开发内容：钢铁工业废气捕集、净化、处理制合成气技术与装备（含废气波动性调控）；可再生能源与P2G电解水技术与装备（含供氢波动性调控）；利用合成气制取化工产品技术与装备；基于工业互联网平台跨行业的流程工业（冶金、化工、能源）智能制造系统。

2）研究队伍的组织。成立由钢铁、化工、能源、信息等行业、企业集团、研究机构、高校、风险投资公司等组成的神威CCU联盟，有组织地汇聚队伍，筹集来自政府、行业、社会各方的政策与财政支持，调动产学研用各方面的力量，开展可行性研究、基础理论研究、工艺装备与网络控制系统研究、工业装备研究。

3）研发基地建设。建设联合研究基地，即行业联合创新中心。基地应位于现有钢铁企业内部或邻域，目前阶段利用钢铁工业提供的废气进行近工业化或准工业化试验研究，为未来对不同规模钢铁企业改造成钢铁-化工-能源网络化集成的CCU联合企业提供可靠的、可信的支持。基地研究设施主要含可再生能源研究设施与P2G研究设施、工业废气净化-处理设施、化工-冶金-能源联动模拟仿真平台。该基地可以提供真实的钢厂气体，验证实验室测试结果，也可以依据实际情况利用模拟仿真平台进行研究，以了解化学过程及催化剂如何在工业条件下对实际气体条件的变动做出反应。与钢厂的直接连接，可以在动态界面条件下对钢厂与化工厂之间的互动关系与耦合控制进行研究，为未来联合企业的设计、管理、调整、控制提供理论与实践基础。

4）工业示范。汇聚国内优势单位，进行系统设计、设备制造，并选择有条件、有积极性的钢铁企业作为SCENWI项目的试点，实施工业示范目。

5）推广应用。示范项目取得成功后，向钢铁全行业和其他碳排放密集行业推广应用。 本*文@内-容-来-自；中_国_碳^排-放*交-易^网 t an pa i fa ng . c om