朱仁良

（宝山钢铁股份有限公司炼铁厂）

摘  要  简述了当前我国钢铁行业和炼铁工艺面临的形势、国内外炼铁生产技术现状及进展，由此分析研判了今后炼铁技术发展方向，短期内是适应城市钢厂建设的技术研发与应用，中长期是低碳、低成本的工艺技术及智慧制造装备技术的研发与应用，并指出了与此相关的需重点关注及研发的装备、工艺和技术，重点介绍了宝武钢铁在产城共融、低碳冶炼、智慧制造和低成本冶炼方面的己取得进展和为促进我国未来炼铁技术发展所规划、设计的“宝钢方案”。

关键词  炼铁；低碳；城市钢厂；智慧制造

１前言

当前，我国钢铁行业处正处在“一严两高”的局面：“一严”是环保政策越来越严；党的十九大和习近平总书记明确指出，要坚决打好污染防治攻坚战，环境治理首次上升到政治的高度列入党和政府重要工作目标，国务院印发了《打贏蓝天保卫战三年行动计划》，今年4月22日，五部委联合印发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，进一步提高了我国工业行业的排放要求。“两高”是钢产量高企、钢铁原燃料价格高企；2018年钢铁行业在尽管要求去产能、加大环保治理和执法力度，但钢铁产量仍高达9.28亿吨，2019年受结构调整和利益驱动，钢铁月均产能屡创历史新高，资源供求关系出现了结构性的转变，原燃料价格大幅上涨。随国际贸易环境持续恶化，国内外钢铁产品需求可能减少，同时产品价格不可避免将进一步降低，钢铁企业铁水成本压力加大，企业效益受到严峻考验。可以预见：今后5-10年内，我国钢铁行业可能很少会有2018年一样效益的机会了；钢材总产量必然要逐步缩减，企业间的竞争将更加激烈。炼铁作为钢铁制造业“龙头’工序，不仅是能耗和排放大户，也是制造成本最高的单元，炼铁能否既适应城市钢厂的要求，又具有强大的成本竞争力，很大程度上决定了钢铁企业的生存和去留问题。因此，在国家环保政策收紧、钢铁行业减量提质的背景下，探讨和分析未来炼铁技术发展趋势，对广大炼铁工作者正确选择技术技术路线，确定研发重点和主攻方向，实现炼铁转型升级和可持续发展，具有非常重要的现实意义。

2  炼铁生产技术现状

2.1工艺型式及对比

目前炼铁的主要工艺仍是高炉炼铁、直接还原和熔融还原三种。

（1）效率和规模对比

从总量占比看，2018年全球钢铁产量达到18.08亿吨，其中，中国钢铁产量为9.283亿吨；铁水产量共计约13.3亿吨，其中高炉炼铁12.39亿吨，占总铁水产量93.0%，占绝对优势；直接还原铁8410.2万吨，占总铁水产量6.3%；熔融还原铁约850万吨，占总铁水产量0.6%；从单体设备最高年产看，非高炉炼铁装备只能达到最大高炉炼铁的40％左右；从作业率来看，非高炉炼铁最高不超过95%％，而高炉则最高能达到99%以上。

（2）能耗与排放对比

国外研宄了“高炉＋转炉”，“Finex＋转炉”，“直接还原竖炉＋电炉”三种流程中均配加25％的废钢的能耗和CO2排放情况，得出的结论是：包括煤气发电的能量转换在内，“直接还原竖炉＋电炉”流程的净能耗最高（15.34GJ/t钢水），“高炉＋转炉”流程的净能耗最低（14.03GJ/t钢水）；“高炉＋转炉”和“Finex＋转炉”流程的直接CO2排放量相当，约1700kg/t钢水，而“竖炉＋电炉”流程的直接CO2排放为600kg/t钢水，仅为前二者的35%。但当包括间接CO2排放时，“竖炉＋电炉”的CO2总量为1200kg/t钢水，是前两者的65%。

（3）成本竞争力对比

已工业化的培融还原工艺中，HIsmelt工艺成本最低，Finex工艺次之，Corex成本最高，但基本都高于同等规模高炉成本。浦项虽然声称其新投产Finex工艺生产成本只比同规模高炉下降5%，同时还强调Finex与高炉两种流程结合可以发挥合成的作用，使铁水综合成本更低。这些以克服高炉使用焦炭和块状炉料为目标的熔融还原工艺，虽证明了原理的可行性，但为避开使用焦炭和块状炉料所采取的各种新的工艺流程和方法，都在过程能量利用率和工艺及设备条件等方面付出了额外代价，因此无法体现在生产运行方面比高炉炼铁更具突出优势，另外，仅生产供给炼钢用的普通铁水，其经济价值难以体现。

从以上对比，目前高炉工艺和非高炉工艺的主要优劣势是：高炉炼铁工艺在产量规模和全球普及程度上绝对领先，但在碳排放、污染物及颗粒物排放上不及直接还原（竖炉）工艺；竖炉（气基）炼铁工艺和熔融还原炼铁工艺短板在规模和经济性。因此，考虑到直接还原的发展局限性和熔融还原的经济性等问题，结合我国的资源条件，在可预见的未来，高炉炼铁仍将是最主要的炼铁工艺；而从长期看，必须要关注、研发更少碳排放、污染物排放的直接还原、熔融还原炼铁工艺技术。

2.2  行业技术现状及未来发展研判

2.2.1我国炼铁技术发展情况

我国拥有世界最大的铁水生产量和最多的炼铁工艺装备，2018年我国粗钢产量占世界粗钢总产量51.3%，除少数非高炉炼铁、短流程炼钢外，其中绝大部分粗钢是使用高炉炼铁铁水生产的。目前我国炼铁技术发展现状是：

（1）随环保政策日益加严，有些甚至远高于发达国家标准，炼铁排放及烟气治理工艺技术得以大规模研发与应用，部分工艺、技术已经步入世界先进行列。当前很多企业都在投入巨量资金进行环保改造，以尽可能达到“超净排放”，并获得环境污染天气时的“限产豁免权”。

（2）总体水平有提升，但差异较大，部分炼铁厂燃料消耗、碳排放长期偏高。有部分企业铁前操作指标已处于世界一流或领先水平，但多数钢厂落后于国外先进水平。炼铁厂多而分散，高炉平均炉容小，劳动生产率低，技术发展水平不平衡；高炉平均燃料比较发达国家平均高20kg/t~30kg/t，焦炭灰分及入炉矿石品位较差、不稳定，另外，部分企业盲目追求高冶炼强度超过了高炉稳定而且经济生产所允许的范围，导致燃料比升高，严重影响高炉寿命，国内高炉平均一代炉龄在10-15年。近年来，随着环保加严，小高炉迅速减少、关停，高炉大型化趋势明显，但煤气利用率低、燃料比高的状况并未根本改变。

（3）多数企业开始推进炼铁智慧制造，但水平和层次不平衡，高端的己经进入自动化、智能化、模型化阶段，低端的仅仅是逐步实现基础自动化，还谈不上智慧制造。

2.2.2国外炼铁技术发展情况

（1）基于现有主体工艺进行技术创新和研究。

烧结工艺上，主要是节能减排的操作、工艺改进、革新等新技术，如日本JFE公司开发的超级烧结工艺（Super-Sinter）、竖式炉冷却烧结矿余热发电技术、微波烧结技术等；炼焦工艺上，主要是多种工艺优化、装备改进的节能减排技术，如日本多家研究单位及钢铁厂联合开发的大幅提高弱粘结煤炼焦新技术、焦炉无组织排放治理、清洁高效梯级筛分内置热流化床煤调湿技术等；高炉工艺上，主要有各种以节能减排、提高效率为目的工艺装备改进、新型炉料及喷吹物等技术，如低CO2排放高炉炼铁新技术、新工艺等。

（2）大规模开展低碳冶炼工艺、技术研宄。

近年来，为应对气候变暖、降低CO2等温室气体排放量，以及为降低生产过程的碳排放成本或实现碳交易增值，国外先进同行纷纷推出了面向未来的炼铁减碳规划，典型工艺代表有欧洲的超低二氧化碳炼钢项目(ULCOS)、日本的环境和谐型炼铁工艺技术项目（COURSE50）、韩国的COREA2030项目、瑞典的HYBRIT项目和美国的MOE项目等。

（3）智能与智慧制造有了新的进步与发展。

主要是炼铁生产过程的可视化、自动化、智能化技术得到进一步的研发与应用，尤其操作控制的模块化。

3  未来炼铁技术发展方向和重点应关注技术

3.1  炼铁技术发展方向研判

从行业发展形势看，短期内我国钢铁行业目前面临最大的挑战是环保排放问题，而从长远看，一是减碳是大势所趋，二是成本竞争力仍是可持续发展的根本保证。因此，未来炼铁技术发展方向，短期是适应城市钢厂建设的技术研发与应用，如烟气粉尘排放、固废消纳等工艺技术等；丰长期是低碳、低成本的工艺技术及智慧制造装备技术的研发与应用，如全系统铁水成本最优的配煤配矿技术，无人化、智能化、模型化的装备与系统，以及降低碳排放的新工艺、新技术。具体实现途径是：

（１）立足现有工艺进行改进、革新通过技术及局部工艺革新改进高能耗、高排放的缺点、实现环境友好生产；通过炼铁工艺装备升级改造，提高效率，降低成本，实现炼铁生产全流程的智能化、数字化、可视化，即智慧制造，也将是后续的技术发展方向；加快城市钢厂建设，实现低碳清洁生产，研发节碳减排、资源循环利用与废弃物消纳技术。

（２）研发全新的低碳、低排放的非高炉炼铁工艺、技术高炉炼铁工艺需消耗大量煤基化石能源，占企业煤耗的70%以上，是钢铁生产过程最大的碳排放工序，炼铁系统的粉尘排放占比例40%以上，烟气排放占比约60-70%，虽然先进高炉的燃料消耗水平已降低到500kg/thm以下，但在现有的工艺条件下，进一步降低燃料消耗的潜力己十分有限，因而，探索低碳新工艺、降低碳素消耗是实现钢铁工业煤炭减量化、降低碳排放成本的关键途径；非高炉炼铁工艺较传统高炉炼铁在原燃料要求与排放上有优势，一旦在规模、成本上获得突破，将对传统高炉造成极大挑战与冲击。

3.2  应重点关注、研究的工艺技术

3.2.1产城共融工艺、技术

世界领先钢铁企业经验表明：建设城市钢厂、与城市深度融合是企业发展的必由之路，国外日本、德国、韩国等国的钢铁厂也都有很好的实践经验，如日本千叶制铁所建设了“热分解气化改质资源再生利用设备”，处理城市垃圾，将热分解的气体改质后供钢厂作能源使用，实现与城市融合；浦项年建成固体废物发电厂，进军生活废弃物燃料化事业等。目前我国炼铁行业对烟气、粉尘治理与排放方面比较重视，技术先进度、成熟度也较好，但对城市固废消纳方面基本处于探索阶段，距离社会需求差距较大。炼铁目前己有和未来需要探索的产城共融技术见表1。

3.2.2  低碳冶炼相关工艺、技术

我国政府在巴黎气候大会承诺2030年左右单位GDP的CO2排放降低60%-65%。钢铁行业CO2排放占我国总排放量的16.02%，其中，铁前系统碳排放约占11.7%，钢铁行业尚无明确的应对技术方案；碳排放权交易系统已首次在发电行业启动，初期每吨碳价将在30~40元，专家预测2020年中国碳交易市场碳价为人民币74元／吨，2025年碳价为108元／吨，若钢铁业纳入碳排放权交易系统，过高的碳排放必然使企业付出沉重的成本代价。因此，炼铁工作者必须要关注与研发低碳炼铁技术，重点应关注工艺、技术是：

(1)为消除预处理工序的污染及应对原燃料质量变差的工艺、技术，以非高炉炼铁技术为主。如欧盟HIsarna/UL-CORED；日本COURSE50；浦项Finex；宝钢欧冶炉；希尔HYL法、MIDREX法工艺等。

(2)采用其它能源代替碳的新型炼铁工艺、技术，主要研宄方向是以氢代替碳和电解炼铁。如日本氧气高炉炉身喷吹COG改质富氢煤气技术和氢气高炉技术；奥地利“H2Future”；美国氢闪速熔炼（HFS）和熔融氧化物电解技术（MOE）；欧盟碱性熔池直接电解铁矿石等。

(3)提高高炉炉身效率的高效炼铁技术，主要研究方向是改变高炉还原平衡以大幅降低消耗。如欧盟高炉炉顶煤气循环（TGGRBF）、全氧＋真空变压吸附（VPSA）；日本COURSE50碳铁复合炉料生产和使用技术。

3.2.3智慧制造装备及技术

智慧制造是实现炼铁未来转型升级、改善作业人员劳动负荷、生产条件的重要手段，具体应结合装备现状，分层、分步策划与实施，可推进步骤及区域见下图1。

3.2.4  低成本冶炼工艺、技术

产城共融、低碳冶炼是保证企业从环保的角度（合规合法市场）生存下来；而要从市场的角度（竞争力）生存下来，必须要推进智慧制造、实现低成本冶炼。企业长期没有利润，是不可能长期存在于发展的。“低成本冶炼”需要重点关注的工艺、技术是：

（1）高效生产技术：即立足己有工艺条件提高单机容量或提高单机产能，以提高生产效率，降低消耗、固定成本。如高炉高利用系数生产、超高厚料层（1000mm以上）烧结、不同冶炼条件下高炉的稳定生产技术等。

（2）高性价比矿煤资源的使用：主要是提高炼焦弱粘结煤、低品位矿的使用比例。如大比例弱粘煤配煤炼焦技术、低价非主流铁矿资源使用技术等。

4  宝钢炼铁未来发展

在探索未来炼铁技术发展方面，宝钢也已经或即将进行多方面的尝试，并逐步形成了面对未来可持续发展“宝钢方案”。宝钢规划未来发展之路是：比超低排放更清洁的城市钢厂；适应能源结构调整的低碳炼铁；依靠工艺和技术创新的成本变革；以数字化和数模化为基础的智慧制造。目标是：重点研发基于低成本条件下的低碳、环保、智慧、高效炼铁技术，形成一批有较大影响力的、引领炼铁行业发展的核心技术，使铁区环保指标、主要经济技术指标、自动化和智能化程度达到行业领先水平，铁水成本在国内处于先进水平，助推宝钢炼铁成为业内最好的炼铁。

4.1  产城共融

以在行业内率先实施生产过程超低排放和实现固废不出厂为主要目标，深入研究源头和末端协同治理技术及厂内固废、城市废弃物的预处理和减量化处理技术，以超低排放和与城市共融为标志的绿色炼铁工艺。

（1）环保改造：原料场及输送系统实现全封闭改造，烧结和炼焦烟气实现脱硫脱硝改造，达到烟气超净排放。

（2）固废消纳：高炉和炼焦工序消纳化工废弃物（焦油渣、氧化铁皮、环氧片、萘油渣、轻油渣等）；烧结工序消纳轧钢酸碱污泥、焦化废弃物、城市生物污泥等；高炉喷吹消纳废塑料、废轮胎等。

（3）转底炉建设：计划2019年年底投产，从而实现高锌灰和厂内含铁固废的全量回收与利用。

（4）推进超低排放研究：铁前系统策划超低排放的研究，已立项“烟气超低排放技术研究与生产应用”科研大项目，聚焦钢铁生产超低排放技术及新型污染因子治理。

4.2  低碳冶炼

以提高炉身还原效率、使用富氢还原剂、高炉Corex化、电加热代替碳加热为主要方向，重点研究顶煤气循环氧气高炉、高炉复合喷吹富氢物质、碳铁复合及预还原新型炉料开发、微波电加热烧结新工艺四大低碳炼铁技术。在分析业界主流技术方向，结合未来发展需要的基础上，宝钢正在策划建立具有多功能顶煤气循环氧气高炉工业化试验示范平台，期望形成顶煤气循环高炉富氧冶炼、氢冶金和微波烧结等宝钢独有的未来炼铁核心工艺技术，实现减碳15%的目标。

（1）顶煤气循环氧气高炉的研发与建设

以脱除CO2顶煤气循环氧气高炉工艺为核心，以八钢430m3高炉为原型，建设工业规模试验基地，探索还原剂利用率100%、大幅降低碳排放的炼铁新工艺，主要内容包括：采用高富氧鼓风（富氧率最高可达到100%）；顶煤气自身循环利用，煤气脱除CO2、加热后从炉身和风口喷入高炉；采用高炉煤气CO2脱除技术；采用煤气加热技术。下图2是顶煤气循环氧气高炉工艺示意图。

（2）氢及富氢冶金的研发

目前处于项目论证阶段。项目技术路线及目标：近期以第一阶段为主要目标，并开展第二、第三阶段的预研究。第一阶段：低碳冶金。即以高温堆制氧＋高炉富氢冶炼＋核电取代燃煤自备电站，实现低碳冶金；第二阶段：零碳排放冶金。即以高温堆制氢＋高炉富氢冶炼＋核电＋冶金气加氢制化工原料，在第一阶段技术基础上，结合煤化工技术，将其转化为化工原料，从而实现零碳排放冶金；第三阶段：无碳冶金。即以高温堆制氢＋纯氢还原气基竖炉炼铁＋核电＋电炉炼钢，实现无碳炼钢、冶金行业的产业升级，摆脱对化石燃料的依赖。图3是核氢冶金技术耦合的总体技术路线图。

4.3   智慧制造

使用大数据与人工智能技术，建立大型工艺智能控制模型，建成多基地高炉远程诊断控制中心、智能烧结黑灯工厂、四大车及炉顶无人化智慧炼焦生产线、堆取料机无人化生态智慧型料场等行业领先的智慧制造生产示范线。2016年以三号高炉炉前自动化示范性改造为起点，2017年全面启动智慧制造建设，从自动化、无人化、设备在线监测三大方向尝试推进智慧制造。目前，开始从先行先试的示范产线向其他产线复制推广，实现由线向面拓展，最终，宝钢炼铁厂将建成以环保智慧型料场为起点，包括智慧炼焦、智慧烧结、智慧高炉组成的智慧产线，以及确保智慧产线稳定运行的智慧型设备管理体系。下图4是宝钢炼铁厂智慧制造历程。

未来5-10年的规划与设想是：

（1）操作无人化、少人化：机器人替代“3D”人工作业、机器视觉识别替代人工监控、机器深度学习替代人工决策；到2024年，炼铁厂“3D”作业场所100%实现无人化、少人化。

（2）过程控制运用成分大数据与数模：高炉生产实现全自动闭环控制，闭环控制率大于90%；焦炉生产实现智慧炼焦；烧结生产实现“黒灯”。

（3）全面推进设备在线监测诊断：设备在线监测、诊断模型、智能运维平台及移动端互联；到2024年，炼铁厂所有关键设备智能监测覆盖率100%。

（4）操控集中化、远程化：当前正在开展铁前系统的深度整合，即将高炉、原料、烧结、炼焦全部在炼铁控制中心集中管控；同时己经实现了对沪外基地的远程操作与控制，今后将具备对宝钢股份多生产基地具有远程监视与智能诊断的系统。下图５是宝钢多基地远程监控网络示意图。

4.4  低成本冶炼

以“资源宽口径、铁水低成本”为目标，重点研宂低价矿煤使用、高炉高利用系数冶炼及稳定顺行长寿技术，形成以灵活的大比例弱粘煤配煤技术、低价非主流铁矿资源使用技术、稳定高效长寿的高炉控制技术为标志的低成本铁水冶炼技术。

5  结论

（1）在国家环保政策收紧、钢铁行业减量提质的背景下，炼铁工作者必须要准确把握未来炼铁技术发展趋势，正确选择技术技术路线，确定研发重点和主攻方向，才能助力企业生存并实现炼铁转型升级发展、可持续发展。

（2）从工艺型式看，在可预见的未来，高炉炼铁仍将是最主要的炼铁工艺；而从长期看，必须要关注、研发更少碳排放、污染物排放的直接还原、熔融还原炼铁工艺技术。

（3）未来炼铁技术发展方向，短期是适应城市钢厂建设的技术研发与应用，中长期是低碳、低成本的工艺技术及智慧制造装备技术的研发与应用。实现途径一是在立足现有工艺上进行改进、革新，二是探索、研发全新的低碳、低排放的非高炉炼铁工艺、技术。

（4）基于我国行业及炼铁水平现状，今后应重点关注与研发的工艺、装备和技术是：产城共融工艺、技术；低碳冶炼相关工艺、技术；智慧制造装备及技术；低成本冶炼工艺、技术。

（5）宝钢结合自身特点和发展经历，在探索未来炼铁技术发展方面，形成自己的“宝钢方案”，助推宝钢炼铁成为业内最好的炼铁，即比超低排放更清洁的城市钢厂；适应能源结构调整的低碳炼铁；依靠工艺和技术创新的成本变革；以数字化和数模化为基础的智慧制造。