鋼鐵工業(yè)以碳為主要還原介質(zhì)和能源載體,將其用于氧化物的還原和提供熱能兩個方面:前者主要是化學(xué)消耗,后者主要是物理熱的轉(zhuǎn)化,而所消耗的碳元素,最終大部分都以CO2的形式排放出來.從更廣泛的意義而言,現(xiàn)行的鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝中使用碳素還原劑和燃料,實際上是使用數(shù)千萬年前光合作用“固化”的太陽能的載體,其根本也是在使用“太陽能”,只不過其中以碳素為載體。冶金過程中將這些積累的能量快速釋放,這種快速釋碳過程必然會對整個碳循環(huán)的平衡造成劇烈沖擊,從而帶來環(huán)境污染、全球變暖等一系列平衡失調(diào)的問題。

太陽能光伏非碳冶金借助于材料的光伏效應(yīng)由陽光獲得電能繼而用于冶金,一方面由電能得到煉鋼所必須的1600℃高溫;另一方面,任何一種氧化還原過程其實質(zhì)是電子的得失,由光伏效應(yīng)獲得的電子可以以多種形式參與鐵氧化物的還原反應(yīng).非碳冶金與傳統(tǒng)鋼鐵生產(chǎn)的碳循環(huán)對照見圖1.以碳為介質(zhì)的冶金過程,具有數(shù)以千萬公里計、數(shù)以千萬年計的極長極大的時空尺度;以電子為介質(zhì)的“非碳冶金”過程,具有很小、極快速的時空尺度,其冶金學(xué)特征是鋼的生產(chǎn)過程不涉及化石能源,以求碳的消耗和CO2的排放最低;其技術(shù)特征在于太陽能光伏發(fā)電與煉鋼過程的能量的集成匹配。

太陽能光伏非碳冶金實驗系統(tǒng)為煉鋼工藝過程,電熱轉(zhuǎn)換技術(shù),反應(yīng)器,蓄能方式四個方面的集成,由四個單元技術(shù)構(gòu)成:光電轉(zhuǎn)換單元、蓄能單元、配電控電單元和電熱轉(zhuǎn)換單元。蓄能系統(tǒng)主要包括112kW容量太陽能電池板的光-電轉(zhuǎn)換和2V,1000A·h的蓄電池組的電能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換兩個過程；釋能系統(tǒng)包括蓄電裝置的化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換和1kg公稱容量反應(yīng)器的電-熱轉(zhuǎn)換兩個過程；控制器控制兩個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

太陽光輻射能資源的不連續(xù)性與煉鋼高溫過程的持續(xù)能量集中供給之間的匹配與協(xié)調(diào)是冶煉過程成功實現(xiàn)的核心難點.初步探索實驗以此為基礎(chǔ),借鑒成熟的直流電弧爐生產(chǎn)經(jīng)驗,充分考慮經(jīng)濟性和可行性,經(jīng)能量匹配,電壓、電流、功率整合,自主設(shè)計了1kg容量的直流電弧爐,并以其為反應(yīng)器進(jìn)行了煉鋼實驗.實驗結(jié)果表明太陽能光伏高溫冶煉在技術(shù)上可行,系統(tǒng)可滿足持續(xù)高溫冶煉需求。

以系統(tǒng)工程的方法,將各個領(lǐng)域的成熟技術(shù)有機結(jié)合,形成接口技術(shù)可有效達(dá)到節(jié)能減排的效果。鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展一面追求碳的消耗和CO2的排放最低,一面摸索可行的循環(huán)經(jīng)濟模式。現(xiàn)階段,太陽能光伏非碳冶金處于探索研究階段,過程中出現(xiàn)的問題及解決都將對冶金工業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,其大規(guī)模利用將基于化石能源發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電在成本上出現(xiàn)交叉。