一个超低环境负荷的高端制造技术的探索实验

大自然是人类赖以生存的基础，科技则是认识世界、挖掘大自然力量为人类服务的门迳，科技的发展使人类社会与大自然更加和谐。北京科技大学李士琦科研团队始终坚持敬畏、顺应自然发展的理念，高瞻远瞩，放眼未来，探求打造超低环境负荷的高端绿色环保制造技术。

釜底抽薪——源于自然的高端制造技术

现行的高炉/转炉流程生产一吨钢大约排放两吨温室气体二氧化碳，用电力炼钢则温室气体大约降至三分之一，但无论哪种方式，对大自然的友好程度都有待改善，因此，国内外的科技工作者一直都在努力探求节能减排的冶金技术，北京科技大学科研团队就是其中的一支极有想象力的科研队伍。

基于深厚的理论基础和丰富的实践经验，北京科技大学科研团队提出了进行“清洁能源非碳冶金实验”的设想，特点是不从现有的电力电网获取电力，完全用独立的清洁能源供给炼钢。

清洁能源冶金技术是一种创新集成，是将四种成熟的技术，即清洁能源发电技术、蓄能技术、控制技术及电冶金技术，按新的理念整合，构成新的极端低碳制造技术。

大胆设想、科学求证、小心实验，团队所进行的清洁能源冶金实验包括了三个内容：太阳能光伏发电冶金探索实验、风-光耦合发电冶金实验、和拓展实验。当然，在实验过程中，免不了要排除质疑和非议，也需要解决资金、制造、实验条件等等种种困难，但团队还是将其一一克服，努力前行。

经反复的设计、研究和评选，最终确定冶金单元是炉容量为一千克的单相直流有衬电渣炉，用废圆钢做自耗电极，炉底用导电的石墨材料；电气工作方式为24伏、直流负极性。2005年的冬至日，在北京科技大学冶金与生态工程学院（北京海淀）进行了首次的太阳能炼钢炼钢热试。实验承受住了北京的冬至日照时间最短、强度最弱、温度寒冷的洗礼，虽然只得到很少的125克钢液，却标志着清洁能源冶金炼钢的理想成为现实。

首次实验成功大大鼓舞了研究团队的士气，坚定了信心，他们乘胜利前进，去进行更深、更广的实验。首先将发电单元升级，在原来的光伏发电系统的蓄电单元上并联一台风力发电装置，构成风-光耦合发电系统，安装在北京科技大学天津学院(天津宝坻)，其纬度南于原址约20千米，两地日照基本相当，而宝坻天津学院的风力较强。该系统白天在太阳光照下由光伏单元发电；夜晚在晚风中由风力单元发电，二者构成二十四小时风-光耦合发电。在完成基础实验后，进行模拟“炼钢生产”实验，2014年6—7月间，每天将风-光耦合发电产生的电能存储于蓄电单元，下午18∶00用20毫米粗的废建筑钢筋为自耗电极炼一炉钢，一连七天，熔化获得0.4-0.5千克重的小钢锭七支，有限模拟了“连续的生产过程”或“连续的发电—用电过程”。

一般说来，清洁能源的致命缺点是极其不稳定，模拟“炼钢生产”实验结果却表明匹配适当容量的蓄电单元就能支持连续工作的负荷。

其后，团队进而进行了水溶液电解提取金属的实验，首先进行水溶液电解制铁，其次，进行了水溶液电解制铜实验，电解析出的金属沉积在阴极板上，新生成的铁表面很容易氧化且容易开裂、性状不佳，新生成的铜性状良好。因实验规模所限，未能进行熔盐电解实验。

三个部分的实验结果表明，所用的清洁能源冶金实验系统具有持续而稳定的工作能力，能够弥补清洁能源极其不稳定的重要技术缺陷。鉴于目前国内无论光伏电站还是风力电站都有强大的发电能力，能够保证一定规模的清洁能源冶金工厂的能源需求，也可以通过直流/交流逆变供应普通的工频用户。

北京科技大学的科研及团队认为，未来完全依靠清洁能源的炼钢企业理想的流程可以是：社会废钢—电炉炼钢—炉外精炼—薄带连铸—冷弯型钢—社会市场。一座足够容量的清洁能源局网有可能支持一家地方小钢厂，有助于消纳社会废钢、满足当地基本需求的钢材，构成区域内“钢”的循环经济，重要的是，几乎没有排放和污染。

无心插柳——电解水制氢   

北京科技大学进行的清洁能源冶金实验还得到了一个意外的收获，就是用风光发电所产生的电力电解水制氢，最初的想法是得到的氢气作为一种“储能”物质。但在实验过程中发现：将清洁能源发电和合适容量的蓄电装置相结合，不仅能够稳定的用于连续高温冶炼，也可以水溶液电解制取金属，同样也可以电解水制取氢气，每立方米氢气大约用 5度（千瓦小时）电。实验结果表明利用废弃的风力、光伏电力电解水制氢，是发展氢经济的领域的又一途径。

值得一提的是，随着科技的进步，氢成为科学家眼中极具应用价值的重要的资源，它是已知最清洁的能源，氢气燃烧产物仅是水蒸汽，氢燃料汽车不产生有害尾气，是能将全球变暖控制在 2 摄氏度所需的能源转换的中心支柱，氢对环境保护意义重大，已引起科学界广泛关注和重视。

与此同时，在促进大规模可再生能源的整合和发电；跨部门和地区分销能源；增加能源系统弹性的缓冲；交通脱碳化；工业能源使用脱碳化；建筑的热量和能源脱碳化；工业清洁原料七个应用领域中，氢能都能提供经济上可行的和有益于社会的解决方案。

由此可见，氢经济必然成为环保理念下的经济发展主角，而北京科技大学团队也定会与时俱进，继续在用废弃能源制氢领域深耕探索。

未来，北京科技大学科研团队，仍将继续秉持环保理念，用超低环境负荷的技术，服务社会，回馈自然。