刘文权1，宋文刚2，吴记全3

（1. 冶金工业规划研究院，北京   100013；2.  宝山钢铁股份有限公司，上海   201900； 3.  方大特钢科技股份有限公司，江西南昌   330012） 

摘 要  本文从减量调整、创新发展、降本增效、标准引领、智慧制造、低碳和氢冶金等方面论述了炼铁转型升级和创新发展，实现炼铁高质量发展的途径，并指出了炼铁创新发展的方向:烧结烟气循环工艺、强力混合机在烧结机中的应用、烧结竖罐冷却和余热发电技术、高比例球团矿生产和应用、高炉冲渣水余热回收利用技术、煤气变压吸附技术等。 

关键词  智慧制造；低碳；高质量 

2    减量调整 

进入 21 世纪以来，亚洲地区生铁产量增长尤为突出，中国、韩国和印度等生铁和直接还原铁产量的增长引领全球铁产量的增长。“十五”至“十二五”时期，炼铁产量进入两位数的高速增长时期，进入“十三五”时期，炼铁产量增速趋缓，但仍保持个位数的增速。与此同时，中国生铁产量占世界生铁产量的比重趋

于稳定，但已超过半壁江山，而过高生铁产量和以长流程为主（2018 年铁钢比 0.83，全球铁钢比平均 0.69，扣除我国铁钢比为 0.55）给削减 CO2、节能减排（烟粉尘、SO2、NOx排放等）和降低成本（铁矿石价格高企）带来巨大的压力。“十五”至“十三五”时期，炼铁增长率由两位数增长逐渐下降至个位数，这是由经济发展的客观规律（由高速增长向高质量发展转型）所决定的。随着我国钢铁积蓄量持续增加，废钢的供应量持续增加，高炉铁水比例将相对钢产量逐渐下降或铁水产量绝对下降，这应该是一个必然的趋势，但不排除个别地区一段时期的高炉铁水产量增加。同时，随着电炉减少铁水比例，短流程新建电炉投产和转炉增加废钢比，我国高炉炼铁产量开始逐步下降将是大概率事件[1]。钢铁发展的时代主题由“增量、扩能”已经转到“减量、调整”，减量调整时代已然来临，但会波动反复。 

3    创新发展 

我国钢铁企业自主开发如下炼铁新技术，通过技术进步、转型升级和创新发展，实现炼铁高质量发展。 

3.1   节能减排——烧结烟气循环技术 

烧结烟气循环利用技术已有不同的流程在欧洲、日本和中国等钢厂应用。生产实践应用表明，烧结烟气循环技术可减少烧结烟气的外排总量，是减轻烧结厂烟气污染的最有效手段；可大幅降低烧结厂烟气处理设施的投资和运行费用；可减少外排烟气带走的热量，减少热损失，CO 二次燃烧，降低固体燃耗。可减少外排烟气中的有害物质总量。 

烧结烟气循环技术经过不断创新和发展，国内外目前主要有 5 种烟气循环利用的工业化烧结技术方案：EOS、LEEP、EPOSINT、区域性废气循环和烧结废气余热循环技术。烟气循环烧结工艺可使烧结生产的各种污染物排放减少 45%～80%，降低固体燃耗 2～5kg/t 或降低工序能耗 5%以上。 

首钢迁钢 360m2烧结机（循环风量约 20%）和山钢日照 2 台 500m2烧结机（循环风量约 35%）。其中首钢迁钢烟气循环由首钢技术研究院和北科大合作开发，取得了提质、节能和减排的良好效果，烧结矿平均粒径提高 12%，烧结综合返矿率下降 6.6 个百分点，固体燃料降低了 3.35kg/t，高炉粉尘排放降低了 27.3%，SO2减排 15.34%，NOx 减排 22.37%。 

3.2   提质增效——强力混合机技术在烧结的应用 

强力混合机在烧结机应用可取得如下效果：混匀效果提高，制粒效果增强，  透气性提高 10%；焦粉添加比例降低 0.5%；烧结速度提高 10%～12%；生产能力提高 8%～10%。 

2012 年台湾龙钢一期 248m2烧结机、二期 387m2烧结机的新建烧结项目，采用一台强力混合机和一台滚筒制粒机，取代二次料场和一混；2012 年巴西 Usiminas 200m2烧结机改造项目；2013 年安赛乐米塔尔比利时根特厂 220m2烧结机改造项目等均采用强力混合机。奥图泰 Outotec  公司近年来在巴西 CSA、印度TATA、Jindal、NMDC、SAIL 等大型烧结项目采用强力混合机混合并制粒，即由高性能的混合机代替圆筒混合机和制粒机。2015 年本钢板材率先在 566m2新建烧结项目上采用立式强力混合机；宝钢股份、山西建邦钢铁、江苏长强钢铁等烧结机均在一混前增加强力混合机。 

3.3   绿色减排——烧结竖罐冷却及余热发电技术 

竖罐冷却热烧结矿及余热发电装置可替代烧结机环冷机、带冷机作为新建项目的烧结工艺冷却设备，也可替代既有烧结的环冷机、带冷机，实现热烧结矿显热的高效回收；特别是对于既有的步进式烧结机，采用竖冷窑替代机上冷却功能，将原机上冷却段改为烧结段以加大烧结面积，使原烧结机产量提高约 70%，同时烧结矿显热可实现高效极限回收。采用竖罐冷却技术代替环冷机或带冷机，冷却风供风总量可减少一半左右；热烟气 100%全部回收，且温度约可提高至 450℃以上，余热回收效率显著提高；与环冷机余热回收总量相比可提高 60%～80%，增效明显。天津天丰钢铁股份有限公司采用该技术实现烧结余热发电 27k Wh/t，年余热回收效益 4216 万元（0.64 元/k Wh），相当于年减少排放二氧化碳 5.56 万吨；与传统环冷工艺相比减少了冷却风量 50%以上，解决了废气的无组织排放问题，经济效益、环保效益和社会效益显著。兴澄特钢、宝钢股份梅山钢铁、瑞丰钢铁和鞍钢等烧结机采用竖罐冷却技术处于调试阶段或在建中。 

3.4    炉料优化——熔剂性球团矿和高比例球团矿冶炼技术 

球团生产能耗和污染物排放量远低于烧结。目前，球团矿配比 13%左右，明显偏低，未来应提高至 30%以上，从炉料结构上促进高炉炼铁绿色发展。按现有酸性球团矿品质和烧结矿工艺来看，达到 30%球团矿比例是可以实现的，但要达到 60%以上球团矿比例则需要使用熔剂性球团矿。因此，行业、企业应重视对熔剂性球团矿技术和高比例球团冶炼工艺技术的研究和技术储备，在未来发展中要重视炉料结构的优化，并配套完善措施。首钢京唐公司球团厂 2012 年 6 月组织配加 Mg O 球团的工业试验表明，配加 Mg O 粉能改善球团矿冶金性能，降低其还原膨胀率；凌源钢铁公司、津西钢铁公司和河北宣化正朴铁业等曾采用熔剂性球团替代酸性球团冶炼，取得焦比降低，利用系数提高效果；首钢京唐带式焙烧机和湛江钢铁龙腾球团设计有Mg O 配加装置，具备生产含 Mg O 或熔剂性球团的条件。 

3.5    产城共融——高炉冲渣水余热回收技术 

冲渣水余热的回收方式有利用冲渣水采暖、浴池用水和余热发电。北方地区部分钢厂利用冲渣水采暖或作浴池用水或用于钢铁企业的鼓风预热，除盐水预热，混料加热，设备的除湿热水等供应，并给钢企带来可观的经济效益。由于高炉冲渣水余热回收利用回收期短，经济效益显著，为钢厂发展多元产业提供了新的途径；替换燃煤锅炉采暖，彻底解决了燃煤锅炉外排废气、SO2等污染物的排放，从源头上大大减轻或消除雾霾的发生。同时不需要购买燃气或不需要储存燃煤的仓库或取消运输燃煤的物流环节，人力、物力成本也大大减少，给城市运转减少压力，并有效解决长期困扰城市供暖资金短缺问题。南方地区开发低温余热资源最成熟的技术——有机朗肯低温余热发电技术（ORC），将高炉冲渣水余热回收用于低温余热发电，其市场前景广阔；为城市与钢铁企业融合发展提供了新途径和新模式，为加速城市型钢厂绿色转型、融入城市经济圈提供了重要支撑。城市型钢铁企业与城市形成了互相依存、和谐共融的健康发展局面，促进了钢厂与城市融合发展，走出了一条钢厂与环境、城市和谐发展的新道路。 

3.6    创新发展——煤气变压吸附技术 

高炉煤气提纯（或浓缩）采用变压吸附（VPSA）方式将高炉煤气中的主要可燃气体 CO 进行提纯（或浓缩），根据用户需求得到含 40%～99.99%CO 产品气，该产品气可作为高热值燃烧气体（燃料）、高炉还原性气体，还可用于生产化工产品如合成氨、甲醇、醋酸和二甲醚等。对于存在高炉煤气富余或存在放散现象严重的钢铁企业，可将富余高炉煤气采用变压吸附提纯后进行高炉炉顶煤气循环，用于高炉喷吹，可大幅度降低入炉焦比，实现低碳炼铁和节能减排。也可将高炉煤气提纯得到的含 70%左右 CO 替代天然气、液化气使用，缓解煤气资源紧张，用于轧钢加热炉或退火炉，减少外购天然气，降低企业生产成本，该技术已在国内某钢厂成功投运；FINEX 炉顶煤气经变压吸附提纯后循环使用，燃料比（煤比）下降明显，实现了低碳炼铁，节能减排，降低生产成本。 

 4   降本增效 

在产品同质化竞争和市场充分竞争条件下，成本竞争力逐渐成为核心竞争力。生铁成本低则竞争力强，有利润就能发展，反之亏损即会被市场淘汰。钢铁企业的总成本可分为制造成本、管理费用、财务费用、销售费用四个部分，其中制造成本约占总成本的 65%左右，而制造成本中约有 70%属于铁前工序。从近期看，成本高低与工艺、技术和管理水平等有关，这是可改变的竞争因素。通过生铁对标挖潜分析可发现企业的潜力，促进企业通过技术进步和改善管理达到降低成本的目的。铁前系统对标挖潜、降本增效应围绕优化焦化配煤结构、优化烧结混匀料配比、优化球团矿配比、优化高炉入炉原料结构、优化高炉燃料结构、优化原燃料采购结构、优化物流贮运和优化二次能源利用等八个方面进行优化。 

5   标准引领 

目前，标准业已称为国际市场竞争的制高点。国力之争主要是市场之争，市场之争乃企业之争；而企业之争主要是技术之争，技术之争最终归结于标准之争。俗话说：三流企业作产品，二流企业作品牌，一流企业作标准。近年来，冶金工业规划研究院在铁前工序开展标准化工作，引领炼铁业转型升级和创新发展。 

5.1  《4000 立方米及以上高炉入炉原燃料技术要求》 

《4000 立方米及以上高炉入炉原燃料技术要求》（计划号 2016-1683T-YB）已通过工信厅科[2016]214号 2016 年第四批行业标准立项。 

5.2  《烧结烟气循环利用技术规范》 

《烧结烟气循环利用技术规范》（计划号 2017-0078T-YB）已通过工信厅科[2017]40 号 2017 年第一批行业标准立项。 

5.3  《强逆流混合机》 

《强逆流混合机》（计划号 2017-0442T-YB）已通过工信厅科[2017]70 号 2017 年第二批行业标准立项。 

5.4    拟制定的标准 

物料刮板取料机、烧结用生石灰消化器、烧结球团混合料水分在线检测技术规范、高炉炉内成像、激光测料面检测和雷达在线检测技术要求等标准正在拟定中。未来将有更多炼铁和原燃料、烧结、球团等标准陆续推出。 

6    智慧制造 

近年来，宝钢股份在三高炉炉前作业自动化、焦炉电车无人化、原料场堆取料机远程化、高炉控制中心等智慧制造项目持续推进。通过建成启用的高炉控制中心，积极探索多基地协同的具有世界先进水平的高炉生产管理模式，推行远程信息化支撑体系，实现专家远程指导，有效提高操作协同指挥、远程支持效率、打造高炉“智慧芯”；在以移动技术提高专家对高炉操作指导的效率，做到“全天候”护航的同时，通过不断优化系统功能，实现了报表电子化、四座高炉的操作一体化和高炉专家系统的全覆盖。未来还将以高炉生产智能化为核心，以数值模拟、人工智能、大数据等主要技术，以高炉理论计算和生产状态判断经验为评价标准，以专家系统为实施途径，建设数字化高炉，引领生产技术新革命。高炉控制中心包含集中控制、智慧维检、远程诊断支持及多基地协同中心，不仅实现了四座高炉控制室物理意义上的合一，而且注重有机融合，通过一体化的操作平台统一规范和标准，可强化交流、协作和互补，有效提高生产效率和操作水平。 

韶钢铁区一体化智慧集中控制将 42 个中控室合并为 1 个集控中心，为无边界协同奠定基础。核心技术包含顶层设计及系统优化、远距离安全集控和一体化智能管控三大核心技术体系。目前，已经实现的协同包括以高炉为中心的铁区一体化协同以及铁区和能源介质跨区域的大协同，从而彻底打破区域和工序间的传递边界，有利于高效管理和生产。集控后，韶钢铁区人事效率提升 30%，控制系统运行效率提升 60%。 

7   低碳和氢冶金 

为应对气候变化，国外冶金行业制定低碳技术路线图和低碳炼铁研究项目[2]。我国也在低碳炼铁技术作了大量工作，并取得初步成果。 

7.1    欧洲超低 CO2排放技术（ULCOS） 项目分三个阶段实施。 

ULCOS Ⅰ（2004～2010 年）：理论研究和中试试验阶段。4 个最有前景技术：高炉炉顶煤气循环（TGR-BF）、新型直接还原工艺（ULCOSRED）、新型熔融还原工艺（HIsarna）和电解铁矿石（电解冶金法 ULCOWIN、电流直接还原工艺 ULCOLYSIS）。 

ULCOS Ⅱ（2010～2015 年）：工业示范阶段，通过对欧洲几个综合型炼钢厂的设备进行改造，建立中试装置，并对这些方案的工艺、装备、经济和稳定性等因素进行了检验和完善。 ULCOS Ⅲ（2015 年～）：建设第一条工业生产线，最终实现吨钢 CO2减排 50%。 

7.2   日本创新的炼铁工艺技术（COURSE50） 

COURSE50 目标是通过开发 CO2吸收液和利用废热的再生技术，实现高炉煤气的 CO2分离和回收。进而通过与地下、水下 CO2贮留技术革新相结合，将向大气排放的 CO2减至最小。主要研发的技术包括用氢还原铁矿石的技术开发；焦炉煤气提高氢含量技术开发；CO2分离、回收技术开发；显热回收技术开发等。

减排目标如果能够实现即可使 CO2减排 30%（使 CO2排放从 1.64t CO2/t 粗钢降低到 1.15t CO2/t 粗钢）。但考虑此时需要以某种形式补充焦炉煤气的能量，因此考虑是否可应用核电等不产生 CO2的能源。 

7.3    韩国开发氢还原炼铁 

浦项制铁与韩国核能研究所合作，共同开发第四代核反应堆，从而能够产生 950℃以上的高温和以低廉的成本生产出大量的氢。 

氢还原炼铁法四项核心技术：（1）氢气增幅技术：通过焦炉煤气（COG）改质，提高 COG 中氢含量，使其达到高炉氢还原要求；（2）实际操作中的全新技术开发：氢气吹入技术、炉内化学反应最佳化技术、难还原矿及低品位矿石还原技术、焦炭\烧结矿\炉渣品质设计技术等实际操作中需要的全新技术开发非常重要；

（3）超耐热\超耐腐蚀原材料开发：需要先行开发可以储藏高温、高压氢气和在 900℃以上的高温下的超耐腐蚀高温材料；（4）利用氢气的直接还原铁（DRI）生产技术：开发利用氢气，将铁矿石在固体状态下直接还原成 DRI 的生产技术，从而使用 DRI 替代在电炉中使用的高级废钢。 

7.4    美国低碳炼铁技术 

美国钢铁协会目前正致力于降低钢铁工业 CO2排放的技术研发项目包括[3]： 

（1）用氢闪速熔炼生产生铁，用氢或氢和 CO 混合物做燃料，替代炼铁生产过程中所用的煤和焦炭，目前该研究仍处于初步阶段； 

（2）熔融氧化物电解研究，由 MIT 材料科学工程系科研团队在实验室利用环境更加友好的熔融氧化物电解工艺成功地获得了生产铁的新方法。熔融氧化物电解工艺与常规金属生产技术有着明显的不同，是将电流通过液态氧化铁，分解成为铁水和氧气，生产完全不含碳的铁，因此不产生二氧化碳； 

（3）新型悬浮炼铁技术、二氧化碳地质储存研究等。 

7.5    碳冶金与氢冶金循环 

中国宝武根据钢铁行业当前面临的外部环境与发展趋势及时将工艺技术创新的重点转向绿色、环保领域，根据自身积累的技术研发资源，结合企业的实践探索，从钢铁冶炼的基本原理出发，通过计算各种不同能源品种（碳、氢、电）在炼铁还原和升温过程中所消耗的数量及对应的直接与间接排放量，在考量不同能源品种的市场价格后综合平衡最优成本与最低排放之间的关系，确定了中国宝武低碳炼铁工艺技术创新路线图：高炉 COREX 化；最大限度提高还原剂利用率；加热方式改为电加热或其它热源；重点发展四大减碳技术——炉顶煤气循环氧气高炉、复合喷吹、新型炉料、微波烧结。实现从 20 世纪“氧时代”到 21 世纪“氢时代”过渡。 

8    结束语 

新时代，炼铁业通过减量调整、创新发展、降本增效、标准引领、智慧制造、低碳和氢冶金等转型升级和创新发展，实现炼铁创新和高质量发展。 

炼铁创新发展的方向主要有：烧结烟气循环工艺、强力混合机在烧结机中的应用、烧结竖罐冷却和余热发电技术、高比例球团矿生产和应用、高炉冲渣水余热回收利用技术、煤气变压吸附技术等。 

9  参考文献 

[1]  沙永志,  宋阳升  未来高炉炼铁工艺之管见[J].  炼铁, 2018, 37(5): 1-7. 

[2]  刘文权.  低碳炼铁和低碳经济[J].  炼铁, 2010, 29(5): 53-55. 

[3]  胡俊鸽,  郭艳玲,  周文涛,  杨明.美国低碳炼铁新技术的进展及应用前景分析[J].  冶金管理, 2011(2).