煉鐵工藝綠色低碳及智能化技術(shù)研究進展

苑鵬　劉藝媛　王雪嬌　王琿　滕艾均　武兵強　沈伯雄

0 引言

面對化石資源緊缺、環(huán)境污染和全球變暖等問題，可持續(xù)發(fā)展理念已成為國際社會的共識。作為CO2、NOx和SO2等污染物排放以及能源與資源消耗的主要源頭之一，鋼鐵工業(yè)在很大程度上加劇了生態(tài)環(huán)境問題。鑒于此，開展以綠色低碳為目標的轉(zhuǎn)型升級成為鋼鐵工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的迫切需求。近年來，中國及世界的鋼鐵產(chǎn)業(yè)正在以前所未有的力度推動行業(yè)綠色低碳及智能化發(fā)展。圍繞鋼鐵生產(chǎn)工藝技術(shù)的原理和特征來積極開展節(jié)能減排潛力的挖掘，研發(fā)利用綠色低碳冶煉工藝技術(shù)，以及工藝流程智能化升級改造等方面，已成為開發(fā)和推廣兼具經(jīng)濟性、環(huán)境友好性和可行性優(yōu)勢的先進鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的重點。在國內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)工藝流程中，以“焦化-燒結(jié)-高爐”為主的煉鐵流程占總能耗的60%，占生產(chǎn)成本的70%，污染物排放占比則高達90%。隨著碳達峰、碳中和遠景目標的提出，以及國家、地方和行業(yè)超低排放標準日趨嚴苛，對煉鐵工序進行升級改造已逐步成為支撐中國鋼鐵工業(yè)整體可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵抓手和重要基礎(chǔ)之一。

本文首先從煉鐵工藝涉及的原料、設(shè)備和過程3方面對其節(jié)能減排潛力開展分析。隨后，系統(tǒng)梳理了燒結(jié)、球團、高爐和典型非高爐工藝中的綠色低碳技術(shù)研究現(xiàn)狀。然后，對既有研究或已有應用的代表性智能化煉鐵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要評述。最后，凝練出綠色低碳和智能化煉鐵技術(shù)研發(fā)進程中的關(guān)鍵性結(jié)論，并對低碳及智能化煉鐵的發(fā)展方向進行展望。旨在為煉鐵工藝技術(shù)轉(zhuǎn)型升級提供有價值的科學建議和經(jīng)驗參考，以期促進國內(nèi)煉鐵技術(shù)及鋼鐵全流程的綠色低碳化發(fā)展。

1 高爐煉鐵的節(jié)能減排潛力分析

1.1 能耗及污染物排放概況

傳統(tǒng)的高爐煉鐵流程能源消耗所占比例較大。據(jù)統(tǒng)計，中國鋼鐵工業(yè)能源消耗約占全國能源消耗總量的15%。從中國鋼鐵協(xié)會2018年發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，由焦化、燒結(jié)、球團、高爐等工序構(gòu)成的煉鐵系統(tǒng)能耗占鋼鐵流程總能耗的75%以上。此外，傳統(tǒng)的高爐煉鐵流程中產(chǎn)生的粉塵、CO、SO2和H2S等一直是大氣治理的重點對象。國內(nèi)鋼鐵工業(yè)CO2排放占全國的12%～16%，其中煉鐵系統(tǒng)占鋼鐵總排放量的80%～90%。高爐渣等固體廢棄物同樣也是污染物治理及資源化利用所需要重點關(guān)注的對象。由于傳統(tǒng)煉鐵工藝涉及的工序流程較多且各工序的反應過程復雜，有必要對其潛在的節(jié)能減排突破點進行初步梳理，為尋求相應的升級策略提供參考。

1.2 潛在的節(jié)能減排突破點

1.2.1 原料方面

目前大多采用鐵礦石、燒結(jié)礦或球團礦等含鐵原料，以及助溶劑和還原劑等。中國煉鐵原料以低品位原礦經(jīng)富選后得到的精細礦粉為主，不利于燒結(jié)，但有利于造球。因此，含鐵原料的篩選與合理化利用對于降低能耗有著潛在的作用；另外，中國目前仍大量使用煤、焦等碳質(zhì)還原劑，而在煤炭焦化和焦炭使用過程中會釋放大量的CO2和SO2等污染物。因而，爐料結(jié)構(gòu)的調(diào)整和還原劑的優(yōu)選將有助于提升傳統(tǒng)煉鐵工藝的節(jié)能減排水平。根據(jù)寶鋼實踐，通過爐料結(jié)構(gòu)和燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化、還原劑優(yōu)選等措施，爐頂煤氣總量可降低10%～15%，其中CO、CO2排放總量可降低8%～10%。

1.2.2 設(shè)備方面

煉鐵過程中產(chǎn)生的一系列污染物會直接接觸設(shè)備，如在原料入爐、煤粉制備噴吹及熱風爐工作時會產(chǎn)生粉塵，高爐爐頂均壓放散會產(chǎn)生CO，高爐煤氣點火放散產(chǎn)生SO2等，這些污染物可能會對設(shè)備產(chǎn)生磨損或者腐蝕。因此，如何從源頭降低污染物排放，以及如何增強設(shè)備的耐候性是節(jié)能減排的關(guān)注點。另外，在優(yōu)化相關(guān)節(jié)能減排裝置的運行效率和成本上，可以考慮提高廢氣的回收回用效率，適當減小裝置的體積等。為確保高爐煉鐵過程能夠滿足日趨嚴格的節(jié)能減排要求，關(guān)于燃料優(yōu)化噴吹、煙氣在線監(jiān)測、爐況精準調(diào)控等設(shè)備和系統(tǒng)的需求也日漸迫切，新舊工藝設(shè)備和系統(tǒng)的及時更替，將在煉鐵工序節(jié)能減排方面發(fā)揮積極作用。

1.2.3 過程方面

高爐煉鐵生產(chǎn)過程是集物理和化學變化為一體的復雜反應體系，因此，開發(fā)和應用先進的煉鐵工藝過程管理技術(shù)，提高高爐生產(chǎn)效率并延長爐役，對于節(jié)能減排具有潛在的積極意義；并且，在高爐煉鐵過程中會產(chǎn)生大量余熱，其在煉鐵過程能源浪費中占據(jù)較大比例。因而，優(yōu)化高爐余熱回收過程，提升余熱的循環(huán)利用效率，將對進一步削減煉鐵流程的綜合能耗起到促進作用；此外，在高爐煉鐵過程中會產(chǎn)生大量的固體廢渣，對其進行科學的資源化循環(huán)利用也是助力煉鐵工藝綠色低碳發(fā)展的另一思路。如美國伯利恒鋼鐵公司博恩哈博分廠，2座高爐年產(chǎn)生鐵450萬t，燒結(jié)配料外購礦只有25%，其他都是本廠的含鐵粉塵、軋鋼鐵鱗及鋼渣等，即節(jié)約了不可再生的礦石資源，降低了成本，又在一定程度上解決了環(huán)保問題。

綜上所述，調(diào)整爐料結(jié)構(gòu)、選擇適合的還原劑、完善并確保相關(guān)節(jié)能減排設(shè)備高效運行，以及開發(fā)科學的、先進的過程管控策略，進一步完善節(jié)能減排工藝體系，可以有效提升傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝的節(jié)能減排水平。近年來，圍繞梳理出的上述節(jié)能減排關(guān)鍵點，對煉鐵技術(shù)進行的綠色低碳化及智能化升級改造已受到廣泛關(guān)注。

2 綠色低碳煉鐵技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 燒結(jié)技術(shù)

我國高爐煉鐵對燒結(jié)礦的依賴性較高，由燒結(jié)工序產(chǎn)生的能源消耗量約占鋼鐵工業(yè)總能耗的18%。因此，燒結(jié)工藝的先進性直接關(guān)系到中國鋼鐵工業(yè)的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量，對燒結(jié)工藝進行綠色化清潔化升級具有重要的現(xiàn)實意義。從減少燃料消耗和優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)路線2個維度，已開展了如超厚料層燒結(jié)、生物質(zhì)燒結(jié)燃料、燒結(jié)顯/潛熱回用、微波燒結(jié)、煙/煤氣循環(huán)燒結(jié)、基于燒結(jié)煙氣中CO的選擇性催化還原脫硝等先進燒結(jié)技術(shù)的研發(fā)與應用探索，本節(jié)將選取幾種典型的燒結(jié)節(jié)能減排技術(shù)加以概述。

2.1.1 生物質(zhì)燒結(jié)燃料替代技術(shù)

生物質(zhì)能是指由光合作用產(chǎn)生的儲存在各種有機物中的太陽能，是一種清潔的可再生能源，目前，我國可代替化石類燃料用于鐵礦燒結(jié)的農(nóng)林固廢等生物質(zhì)能資源豐富。國內(nèi)外對生物質(zhì)燃料在燒結(jié)中的應用及利弊展開了相關(guān)的研究。結(jié)果表明：生物質(zhì)代替煤/焦等傳統(tǒng)化石燃料，由于其低S低N的特性，可以從源頭上降低燒結(jié)工序CO2、SO2和氮氧化物的產(chǎn)生，是減少燒結(jié)工序溫室氣體排放的主要潛力之一。然而，生物質(zhì)的反應性敏捷也使燃料的不完全燃燒程度增加，進而使燒結(jié)礦成品率降低，利用系數(shù)下降，因此在生物質(zhì)燃料的制備技術(shù)以及改性處理技術(shù)等方面仍需有較大的提高。

2.1.2 超厚料層燒結(jié)技術(shù)

在超厚料層（≥850 mm）燒結(jié)技術(shù)中，料層厚度的增加可減緩垂直燒結(jié)速度，使得料層保持高溫的時間得以延長（自蓄熱作用），有效促進了燒結(jié)礦中硅鋁復合鐵酸鹽的生成，從而提高了燒結(jié)礦的強度和成品率。通過在調(diào)控燃料粒度、偏析布料、優(yōu)化水分、料溫、料層透氣性等參數(shù)，以及提升相關(guān)設(shè)備水平的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展深入的科研攻關(guān)與實踐檢驗，有望實現(xiàn)對燒結(jié)機漏風率、垂直燒結(jié)速度和煙氣組分等的嚴控，在降低燃料消耗以及抑制燒結(jié)煙氣中CO2、NOx和SO2等污染物排放方面表現(xiàn)出較高的科學性和可行性。

2.1.3 微波燒結(jié)技術(shù)

在傳統(tǒng)的燒結(jié)技術(shù)中，需要燃燒大量化石燃料以提供固化所需熱量，此過程會產(chǎn)生大量的CO2。微波燒結(jié)技術(shù)是指利用頻率在

300 MHz～300 GHz的電磁波所具有的特殊波段與材料的基本細微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生的熱量，材料的介質(zhì)損耗能夠使材料整體升溫至燒結(jié)溫度而實現(xiàn)致密化。與傳統(tǒng)方式相比，其加熱速度快，加熱效率高，可以大幅減少燒結(jié)過程中由于化石燃料燃燒帶來的碳排放。以鐵礦石微波燒結(jié)方法為例，該工藝設(shè)置了預熱一段、預熱二段、微波加熱段、微波燒結(jié)段、冷卻一段、冷卻二段和冷卻三段，避免了化石燃料的使用，大部分煙氣可以實現(xiàn)循環(huán)利用，為解決燒結(jié)工藝碳排放較高的問題提供了解決思路。

2.1.4 燒結(jié)煙氣治理技術(shù)

燒結(jié)煙氣量大、煙溫區(qū)間較寬、污染物含量較高、成分波動較大，是鋼鐵行業(yè)煙氣治理的重點。針對燒結(jié)產(chǎn)生的粉塵、SO2和鹵化物等，國內(nèi)外絕大部分燒結(jié)廠都采取了先進的煙氣凈化技術(shù)加以治理，如太鋼燒結(jié)煙氣采用的活性碳脫硫脫硝+SCR脫硝技術(shù)，已取得較好的應用效果。在機尾除塵方面，以移動電極靜電和布袋除塵技術(shù)應用最為廣泛。如表1所示，濕法煙氣脫硫以及半干法煙氣脫硫等相關(guān)技術(shù)也隨著環(huán)境標準的提高而不斷地完善。近年來，為進一步降低燒結(jié)工序的污染物排放量和能源消耗量，活性炭煙氣凈化技術(shù)、液密封環(huán)冷機技術(shù)、多污染物聯(lián)合脫除技術(shù)等的研發(fā)及應用備受關(guān)注。例如，基于活性焦/炭的脫硫脫硝一體化技術(shù)依靠活性焦/炭良好的物理吸附及催化反應能力，可有效降低SO2、NOx的排放，并對HCI、HF等污染物有較顯著的脫除效果。

2.1.5 超級燒結(jié)技術(shù)

超級燒結(jié)技術(shù)由日本JFE鋼鐵公司開發(fā)，并于2009年首次應用。其主要技術(shù)流程為天然氣從燒結(jié)機上部噴吹到燒結(jié)料面，從而減少能耗，提高燒結(jié)礦質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，在JFE鋼鐵公司京濱廠使用該技術(shù)后，其每年的CO2減排量可達到6萬t。對比傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，該技術(shù)的應用顯著降低了煙氣生成量及固體燃料消耗，有利于燒結(jié)工序的低碳化和綠色化發(fā)展。

2.1.6 余熱資源梯級利用技術(shù)

燒結(jié)機煙氣量大，冷卻機廢氣較多，且燒結(jié)點火、燒結(jié)保溫、混勻和區(qū)域制冷有著不同的能源需求，余熱資源溫度呈梯級分布。因此，基于“溫度對口、梯級利用”的原則，應用和優(yōu)化燒結(jié)煙氣循環(huán)、熱風點火、熱風燒結(jié)、燒結(jié)礦豎式冷卻和低溫余熱回收等技術(shù)，使其具備實現(xiàn)燒結(jié)余熱綜合梯級利用的潛力，對削減整個煉鐵流程的能耗起到積極作用。以國內(nèi)常用的燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)為例，燒結(jié)煙氣從燒結(jié)機特定風箱支管引入并循環(huán)至燒結(jié)機料面進行熱風燒結(jié)，通過在循環(huán)風機出口設(shè)置O2補充裝置來合理調(diào)控煙氣循環(huán)燒結(jié)風氧平衡，根據(jù)節(jié)省燃料和降低排放的特定需求有針對性地科學選取風箱，形成燒結(jié)煙氣選擇性循環(huán)節(jié)能減排技術(shù)，從而實現(xiàn)在保障燒結(jié)礦高效生產(chǎn)的同時達到降低燃料消耗和污染物排放的效果。

2.2 球團技術(shù)

2.2.1 冷壓球團技術(shù)

冷壓球團是指將粉料施加一定的壓力從而破壞其拱橋效應，使團塊內(nèi)部顆粒重排，進行冷壓制，再經(jīng)低溫干燥后制成球團。由于該技術(shù)中礦粉與還原劑屬于面接觸，加快了含碳球團的反應速率與熔化效率，節(jié)約了還原劑并有助于能耗降低。通過合理調(diào)控水分、成型壓力和粉料粒度等參數(shù)，可將冶金廢料、高爐煙塵等壓制成滿足入爐要求的冷壓球團，實現(xiàn)資源循環(huán)利用，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，冷壓球團技術(shù)也存在一定的局限性，難以大規(guī)模生產(chǎn)以及黏結(jié)劑的優(yōu)選都是該技術(shù)需要重點突破的問題。

2.2.2 熔劑性球團礦技術(shù)

熔劑性球團礦是指用添加生石灰、石灰石等的混合料生產(chǎn)的球團礦。國內(nèi)冶金行業(yè)權(quán)威機構(gòu)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，球團礦能耗是燒結(jié)礦的48.2%，粉塵排放是燒結(jié)礦的14.3%，且球團礦還原度高、膨脹率低、含鐵品位高。雖然加入CaO的熔劑性球團礦還原度高，但是仍須采取控制溫度波動范圍的方法進一步弱化其在焙燒時對溫度的敏感性，維持焙燒順利進行。此外，Mg O的加入會對熔劑性球團礦的抗壓強度、還原性指數(shù)、低溫還原粉化指數(shù)和還原膨脹指數(shù)帶來積極影響。球團礦生產(chǎn)方面，鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝具有較好的密封性，且煙氣循環(huán)利用，減少煙氣的產(chǎn)生，SO2、NOx等污染物氣體濃度也遠低于燒結(jié)生產(chǎn)，從源頭上削減污染物的產(chǎn)生量；應用效果方面，高比例鎂質(zhì)熔劑性球團煉鐵技術(shù)可抑制低熔點礦物的大量生成，有利于提高爐況的穩(wěn)定性，降低高爐燃耗，契合煉鐵工藝綠色低碳化的發(fā)展趨勢。

2.2.3 新型有機黏結(jié)劑技術(shù)

在鋼鐵冶煉過程中，提高球團礦的含鐵品位，是提升生態(tài)效益的重要途徑。傳統(tǒng)的有機黏結(jié)劑面臨著水分較高、余熱球團強度不能滿足后續(xù)回轉(zhuǎn)窯要求等問題。嵇建國等研發(fā)出一種新型無土有機黏結(jié)劑，可以促進亞鐵的氧化以及Fe2O3晶須的生長擴散，從而提高預熱球團的強度。同時，這種有機黏結(jié)劑在高溫下燒損，球團礦的鐵品位大大提高，Si O2的質(zhì)量分數(shù)得到降低，減少了CO2排放，固體排放物也大量減少。由于本黏結(jié)劑能夠促進球團的氧化，在焙燒時不需要很高的溫度，可降低燃料的消耗，從而實現(xiàn)綠色低碳。

2.3 高爐技術(shù)

2.3.1 高爐噴吹燃料優(yōu)化技術(shù)

高爐噴吹焦爐煤氣技術(shù)是指將焦爐煤氣經(jīng)過凈化和加壓，使其壓力高于高爐風口壓力而經(jīng)風口直吹管噴入高爐。焦爐煤氣主要由H2及某些碳氫化合物組成，其中，H2為其主要成分，是一種清潔的還原劑，可降低高爐中焦炭等碳基還原劑的使用量，鐵礦石被還原后產(chǎn)生H2O，其CO2減排效果更為顯著。目前，由于焦爐煤氣成分較為復雜，在既有的焦爐煤氣H2提純技術(shù)（變壓吸附法、深度冷凍法、膜分離法和蒸汽重整法等）基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)或優(yōu)化更為高效的H2提純方法是該技術(shù)需要克服的關(guān)鍵問題。

高爐噴吹廢塑料技術(shù)的研發(fā)及應用，不僅可以對“白色污染”進行有效地無害化處理，還能夠降低高爐煉鐵過程對煤炭等化石資源的依賴，減少30%的CO2排放量，且能量利用率超80%；廢塑料中的碳氧化物可在高爐下方轉(zhuǎn)變?yōu)槊簹猓ǎ?000℃），煤氣在上升過程中可將鐵礦石加熱并發(fā)生鐵氧化物的還原反應，有助于高爐生產(chǎn)效率的提升。有研究表明：秸稈等生物質(zhì)混入高爐噴煤中表現(xiàn)出較高的助燃性能，二者混合后的燃燒率大于加權(quán)計算值，顯著改善燃燒和燃盡溫度，提升了燃燒性能。然而，由于塑料和生物質(zhì)種類繁多且成分復雜，須進一步深化研究以增強該技術(shù)對不同廢塑料和生物質(zhì)原料的適應性，進而提升其在高爐噴吹燃料優(yōu)化中的可行性。

2.3.2 高比例球團礦技術(shù)

高比例球團礦技術(shù)是指通過提高球團礦在爐料結(jié)構(gòu)中所占的比例，對爐料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。如2.2.1節(jié)所述，球團礦比燒結(jié)礦在生產(chǎn)過程節(jié)能減排方面更占優(yōu)勢，因此提高球團礦的比例有利于實現(xiàn)煉鐵流程在源頭和過程中的綠色化。目前，瑞典SS-AB廠幾乎采用100%的球團礦入爐進行冶煉，美國的平均爐料結(jié)構(gòu)則由“92%球團+7%燒結(jié)礦+1%塊礦組成。生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，球團礦代替燒結(jié)礦在節(jié)省燃料和降低高爐燃料比2方面有著較大的優(yōu)勢。采用高球比技術(shù)前后噸鐵碳排放量和能耗比較如表2所示，高比例球團礦技術(shù)具有較為顯著的降低煉鐵能耗和CO2排放的優(yōu)勢。

2.3.3 高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)

高爐爐頂煤氣循環(huán)技術(shù)是指將除塵和脫除CO2后的爐頂煤氣重新噴入高爐，充分利用其中的還原性組分（CO和H2），實現(xiàn)對C和H的循環(huán)利用。目前多國已經(jīng)在煉鐵工序中提出或應用這項技術(shù)，其中，以歐洲提出的TRG-BF工藝較為典型，其工藝流程如圖1所示。在2007年，瑞典礦業(yè)公司采用TRG-BF技術(shù)在實驗高爐上開展了單一噴吹和復合噴吹2種模式的實驗研究，同時也進行了復合風口模式下的噴煤水平實驗。結(jié)果表明，TRG-BF的噸鐵CO2排放量比傳統(tǒng)高爐下降了24%。綜合既得實驗和生產(chǎn)數(shù)據(jù)來看，此項技術(shù)相較傳統(tǒng)高爐煉鐵在降低能源消耗以及減少CO2排放方面效果明顯。此外，日本COURSE50計劃和韓國POSCO公司已對高爐煤氣中CO2的分離和捕集技術(shù)開展了相關(guān)研究工作，可有效抑制高爐煉鐵過程中的碳排放，有望為CO2向高附加值化學品的轉(zhuǎn)化提供原料，但考慮該技術(shù)在成本和能耗等方面的弊端，目前仍處于探索階段。

2.3.4 高爐熱風爐節(jié)能技術(shù)

旋切式高風溫頂燃熱風爐節(jié)能技術(shù)采用高效能燃燒器，可以實現(xiàn)在很小的過?？諝庀禂?shù)條件下煤氣的完全燃燒，廢氣中NOx、O2和CO等含量較低，在提高燃料利用率的同時減少助燃空氣的消耗量。同時，旋切式頂燃熱風爐爐殼的散熱面積較小，熱風爐高溫區(qū)和熱風管道的保溫隔熱效果較好，減少散熱損失，實現(xiàn)了節(jié)能技術(shù)的進步。此外，高爐熱風爐雙預熱技術(shù)以高爐煤氣為燃料，將燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與煙道廢氣混合形成高溫氣體，高溫氣體通過空氣交換器預熱助燃空氣，低溫氣體則通過煤氣換熱器預熱高爐煤氣。攀鋼釩1號高爐熱風爐采用附加前置燃燒爐的高低溫雙預熱技術(shù)，使風溫提高40℃以上。結(jié)果表明：該技術(shù)可以實現(xiàn)助燃空氣和高爐煤氣的同時預熱，在不改造熱風爐本體的情況下即可提高風溫以節(jié)約能源；該技術(shù)也減少了高爐煤氣的放散，一定程度上降低了有害氣體的排放，具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢。

2.3.5 全氧高爐冶煉技術(shù)

全氧高爐冶煉技術(shù)是指將鼓入高爐的預熱空氣替換為常溫氧氣，爐頂煤氣中除去CO2和H2O后返回高爐進行循環(huán)利用，圖2為全氧高爐工藝示意。該技術(shù)降低了焦炭消耗，增加了噴煤比，大大減少了NOx、SO2等排放，與傳統(tǒng)高爐相比更為清潔環(huán)保。結(jié)合爐頂煤氣循環(huán)利用技術(shù)，可進一步降低全氧高爐能耗和CO2排放量。此外，該工藝流程中產(chǎn)生的CO2更為集中，有利于后續(xù)的高效捕集及處理。目前，富氧或全氧高爐已得到業(yè)內(nèi)越來越多的重視，其與CO2捕集利用技術(shù)結(jié)合將有可能在綠色煉鐵或鋼化聯(lián)產(chǎn)的長遠發(fā)展中發(fā)揮出重要作用。同時，全氧高爐技術(shù)也面臨一些技術(shù)難點，如爐內(nèi)溫度不均勻、理論燃燒溫度過高、高硅、順行差等，未來在此方面仍面臨較大的挑戰(zhàn)。

2.4 非高爐煉鐵技術(shù)

除了高爐煉鐵技術(shù)外，非高爐煉鐵工藝近年來也得到廣泛關(guān)注，相關(guān)研究成果或應用案例層出不窮。非高爐煉鐵技術(shù)通?？煞譃槿廴谶€原煉鐵和直接還原煉鐵2個方面。與高爐煉鐵相比，非高爐煉鐵大幅度減少了焦煤的使用量，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且SO2、NOx和粉塵等污染物排放也得以削減。從長遠來看，非高爐煉鐵技術(shù)可以有效降低對焦炭等化石資源的依賴，為氫冶金技術(shù)的研發(fā)與優(yōu)化提供有力支撐（富氫熔融還原、氫基豎爐直接還原等），在煉鐵技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的趨勢下表現(xiàn)出潛在的應用優(yōu)勢。

2.4.1 熔融還原煉鐵

1）COREX工藝。

熔融還原煉鐵技術(shù)是非高爐煉鐵技術(shù)的1個重要分支，目前應用最多的是二步法工藝。如圖3所示，以COREX工藝為代表的二步法熔融還原技術(shù)主要包括豎爐和熔融氣化爐2部分。先在豎爐中進行鐵礦預還原，煤粒在熔融氣化爐上部經(jīng)焦化、氣化后產(chǎn)生含有95%CO和H2的高品質(zhì)還原煤氣，返回預還原豎爐中與持續(xù)下落的還原料層反應，獲得金屬化率90%以上的海綿鐵，經(jīng)進一步還原、融化、滲碳后最終產(chǎn)出鐵水和渣相。COREX是目前為數(shù)不多的實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的熔融還原煉鐵工藝。相較于高爐，其優(yōu)勢主要在于焦煤和焦炭的使用量較少，燃料利用率較高，每噸產(chǎn)品可以減少約20%的CO2排放，同時也降低了爐渣產(chǎn)量，可減少能源的過度消耗。

2）Hlsmelt工藝。

Hlsmelt煉鐵工藝是典型的一步法熔融還原煉鐵工藝，其工藝流程如圖4所示。1）該工藝的動態(tài)熔融過程的原料適應性較強，非焦煤和含鐵廢料可作為原料使用，削減了對焦煤等緊缺資源的依賴性；2）該工藝的流程較短、工廠占地面積較小，建設(shè)要求較為簡單；3）與傳統(tǒng)高爐技術(shù)完全不同的是，該工藝取消了焦化、燒結(jié)過程，溫室氣體排放可降低60%左右，并且有效遏制了二噁英、呋喃、焦油和酚類等的排放，環(huán)保優(yōu)勢明顯。表3為山東墨龍改進后的Hlsmelt工藝與高爐煉鐵工藝的對比?？梢?，Hlsmelt工藝在節(jié)能環(huán)保等方面有著很大的優(yōu)勢，但在使用壽命方面仍有著較大的差距，未來仍需從提高SRV爐爐襯壽命、提高預還原度、提高熱能利用率等方面加以改進。

2.4.2 直接還原煉鐵

直接還原煉鐵工藝是指含鐵原料在氣體或固體還原劑的作用下被還原，無須熔化和造渣，最終獲得直接還原鐵（DRI）的技術(shù)。按所還原劑的種類可分為煤基和氣基2種。

1）ITmk3工藝。

煤基法直接還原工藝的1個代表流程是ITmk3工藝。其工藝流程主要分為4步：原料處理、還原熔分、粒鐵產(chǎn)出和廢氣處理，其轉(zhuǎn)底爐爐床結(jié)構(gòu)如圖5所示。

如圖6所示，含碳球團的直接還原過程主要由碳直接還原鐵氧化物的“固-固”反應（低溫時）和借助氣體還原劑的直接還原反應（達到碳的氣化溫度時）構(gòu)成，反應路徑如表4所示。

如表5所示，與傳統(tǒng)高爐煉鐵相比，基于含碳球團的ITmk3工藝的優(yōu)勢表現(xiàn)突出，噸鐵CO2排放量相較于高爐可降低約39%，NOx和CO等的排放量也有明顯降低。

2）氣基直接還原。

氣基直接還原法是以豎爐、固定床罐式爐或流化床為主體設(shè)備，通入天然氣或催化裂化反應制取的CO和H2對鐵礦進行還原。其中，圍繞Midrex和HYL/Energiron2種豎爐氣基直接還原工藝開展的研究較為廣泛。Midrex工藝中還原豎爐和制氣設(shè)備相互影響，H2/CO比高達5.6～5.9，還原氣還原鐵礦石的反應為吸熱反應；HYL/Energiron工藝中還原豎爐和制氣設(shè)備相互獨立，H2/CO比僅為1.55，還原氣還原鐵礦石的反應表現(xiàn)為放熱反應。如表6所示，上述2種典型氣基豎爐法區(qū)別于其他直接還原工藝的優(yōu)點在于單個設(shè)備的產(chǎn)能較高、能耗較低且污染物排放少。

3 煉鐵智能化技術(shù)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的高爐煉鐵流程污染排放以及能量消耗較大，綠色低碳技術(shù)的研發(fā)正是為了緩解這些問題。此外，由于高爐煉鐵流程具有非線性、時滯性和高緯度等特點，同樣也面臨著黑箱不可視等難題，對其進行智能化升級轉(zhuǎn)型刻不容緩。當下，互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的興起及其與工業(yè)的深度融合，也為煉鐵工藝的轉(zhuǎn)型升級提供了更多可能性，推動著高爐煉鐵向集自動化、可視化、科學管理于一體的先進工業(yè)流程方向發(fā)展。

3.1 燒結(jié)全過程節(jié)能減排智能輔助診斷決策系統(tǒng)

于晗等根據(jù)燒結(jié)全流程的物質(zhì)流和能量流節(jié)點特征將燒結(jié)過程分為源頭、過程和末端處理3部分。采用精讀更高的深度置信網(wǎng)絡(luò)開展“配料-成礦”預測模型的訓練，選取熱平衡和元素平衡作為約束條件，進一步提高了模型訓練效率和精度。該模型有助于提升配料的智能化控制水平，源頭降低燃料消耗（18.9%）和污染物排放（NOx：43.6%，SO2：14.0%，PM：20.1%）；通過風箱負壓和溫度預測耦合模型的建立與解析，可有效節(jié)約燒結(jié)過程的電耗達到21.9%；此外，通過將源頭和過程中污染物產(chǎn)排信息及時反饋至末端系統(tǒng)，綜合研判當前生產(chǎn)狀態(tài)以指導尾氣凈化工藝參數(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)操作人員對燒結(jié)機運行情況及成礦情況的預測診斷，有助于形成具有顯著的節(jié)能減排屬性的控制策略。

3.2 爐料結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化系統(tǒng)

高爐爐料結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化系統(tǒng)是指在實際高爐生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，遵循高爐煉鐵原理，采用遺傳算法，以噸鐵配料成本為目標函數(shù)，將鐵水成分、爐渣成分、有害元素負荷、原燃料加入量和加入比例作為約束條件，計算滿足條件的最低成本的配料方案。借助此智能系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)，準確性、成功率高，可以在滿足要求的條件下，在提高鐵水質(zhì)量的同時，降低生產(chǎn)成本。應用改進的遺傳算法優(yōu)化高爐配料結(jié)構(gòu)，噸鐵成本由原廠的2050.9元降低到2031.5元，入爐品位提高0.5%，渣量降低27 kg，效果明顯。

3.3 高爐模擬技術(shù)

高爐是1個巨大的復雜冶煉系統(tǒng)，對于爐內(nèi)的反應以及可能出現(xiàn)的情況都存在一定的未知性。目前，高爐數(shù)學模擬技術(shù)成果主要趨向于基于流體力學和離散元法有效結(jié)合而形成的數(shù)學模型。采用數(shù)學模型對高爐進行分析研究，從而推演高爐的內(nèi)部情況。三維VENUS系統(tǒng)成功顯示了高爐爐身的壓力波動在時空上的變化，向高爐操作可視化邁出了一大步，為實現(xiàn)高爐精確操作、穩(wěn)定運行以及降低燃料比提供了有力的幫助。由北京科技大學與北京神網(wǎng)公司合作開發(fā)的用于監(jiān)測高爐冶煉狀況、指導高爐操作的多項高爐可視化和仿真技術(shù)，取得了良好的效果，并已在國內(nèi)外推廣應用。研發(fā)具備特定學習性能和高精確度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)預測模型，解析數(shù)據(jù)自動捕捉到輸入輸出之間的隱藏關(guān)系，對高爐冶煉過程及鐵水質(zhì)量進行科學預測，將有利于提升“鐵水一罐制”命中率，進一步挖掘高效生產(chǎn)和節(jié)能減排潛力。在高強度連續(xù)化的高爐煉鐵作業(yè)過程中，從降低突變情況對模型擬合度和精準度的影響角度考慮，仍需進一步對高爐模擬技術(shù)進行不斷的迭代和優(yōu)化。

3.4 高爐專家系統(tǒng)

高爐是1個封閉的高溫高壓反應器，生產(chǎn)過程十分復雜，爐況波動較大，爐長依靠經(jīng)驗對高爐進行操作，但并不能保證精準，存在影響高爐順行的不確定性。以韶鋼8號高爐智能專家系統(tǒng)為例（圖7），高爐專家系統(tǒng)是以數(shù)學模型為基礎(chǔ)，結(jié)合專家經(jīng)驗和高爐的實時數(shù)據(jù)判斷高爐運行的進程，并貼合實際提出操作建議的一種人工智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研發(fā)可以及時自動地判斷冶煉過程中的突發(fā)情況，減少因疏忽造成的錯誤，提高了工作效率，為實現(xiàn)高爐精細精準化操作提供了時間和經(jīng)驗。結(jié)果表明：高爐專家系統(tǒng)應用后爐況更加穩(wěn)定，對于防止爐況失常，減少鐵水成分波動以及增鐵節(jié)焦等方面的效果十分明顯。

3.5 電氣自動化技術(shù)

電氣自動化技術(shù)早在20世紀80年代在中國得到了廣泛應用，其在鋼鐵工業(yè)中也發(fā)揮著頗為關(guān)鍵的作用。我國煉鐵的電氣設(shè)備自動化技術(shù)主要體現(xiàn)在設(shè)備方面、過程方面以及控制系統(tǒng)方面。在設(shè)備方面，自動化儀表技術(shù)可以提前預警污染物的產(chǎn)生和排放，從而實現(xiàn)節(jié)能減排，自動化儀表技術(shù)也可以將生產(chǎn)過程中設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的有毒物質(zhì)進行分離。目前，大部分高爐設(shè)備已完成了自動化改造，既順應了員工對作業(yè)環(huán)境和勞動舒適度的要求，又對提高生產(chǎn)效率和降低污染及能耗大有裨益；在過程方面，自動化技術(shù)的使用可以使高爐處于一種相對持續(xù)和穩(wěn)定的狀態(tài)，使得煉鐵生產(chǎn)過程更加高效和節(jié)能環(huán)保。

在控制系統(tǒng)方面，多數(shù)企業(yè)均開始建立高爐過程自動化控制系統(tǒng)，對高爐煉鐵生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測和科學調(diào)控，可隨時了解設(shè)備的運行情況，及時預判故障的信息，促進高爐冶煉的平順運行。其中，分布式控制技術(shù)（DCS）可以對鋼鐵的生產(chǎn)現(xiàn)場進行智能指揮，開放式控制技術(shù)（OCS）可以幫助控制管理系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決鋼鐵生產(chǎn)過程中的網(wǎng)絡(luò)問題。此外，計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）與自動化儀表協(xié)同可以更多地了解鋼鐵生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息，以促進資源的合理配給與充分利用，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。綜上，電氣自動化技術(shù)的研發(fā)與應用顯著提升了鋼鐵行業(yè)的智能化發(fā)展進程，從而為實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3.6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智慧管控技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)。目前，以南京鋼鐵集團的智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及沙鋼鋼鐵研究院的智能化煉鐵系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺（圖8）較為典型?；诨ヂ?lián)網(wǎng)+、5G、大數(shù)據(jù)云平臺和人工智能等，使得各部門之間的大數(shù)據(jù)相互融合，打破信息封閉的情況，全面獲取多源數(shù)據(jù)樣本；再利用信息管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，通過相關(guān)數(shù)學模型，提高管理信息化、操作智能化水平，使得高爐冶煉可視化，從黑盒子向白盒子過渡。該技術(shù)的研發(fā)與應用，將有助于操作員對原料、設(shè)備運行狀態(tài)、高爐爐況和產(chǎn)品質(zhì)量等進行在線監(jiān)測和實時分析，進而做出科學預警或給出生產(chǎn)方案調(diào)整建議，進一步強化處置實際生產(chǎn)過程中多種突變工況的能力，提高高爐的冶煉效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

上述技術(shù)的開發(fā)和應用使得我們向可視化智能煉鐵邁進了一大步，高爐操作人員可以更好地對高爐進行掌控，及時發(fā)現(xiàn)異常，提高冶煉效率和高爐使用壽命，保持高爐長期穩(wěn)定運行。當前，世界鋼鐵行業(yè)加速推進智能化變革，積極引入智能化技術(shù)和裝備將有助于提升企業(yè)綜合競爭力。

4 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)概述了煉鐵工序綠色低碳化和智能化的發(fā)展狀況，并展望了未來煉鐵工序乃至整個鋼鐵行業(yè)的綠色低碳以及智能化發(fā)展前景，以期為煉鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供有價值的科學建議，促進中國鋼鐵工業(yè)技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展。

4.1 結(jié)論

目前，中國高爐煉鐵工藝的能源消耗以及環(huán)境污染問題仍未得到完全解決。從整個流程來看，需從原料、設(shè)備和流程等方面繼續(xù)挖掘節(jié)能減排的突破點，以滿足嚴格、剛性的節(jié)能環(huán)保政策要求?？傮w來說，中國在煉鐵工藝綠色低碳化以及智能化方面已開展了廣泛的研究及應用，在控碳降耗以及提高控制的精準性上均取得了明顯效果。在控碳手段上，一是提高能源的利用效率，二是使用低碳或非碳還原劑來減少CO2排放量，三是提高煉鐵精料水平。在智能化方面，建立并完善生產(chǎn)工藝的數(shù)學模型，將經(jīng)驗值和實時數(shù)據(jù)帶入模型，對運行情況進行預測并給出預判性的優(yōu)化建議；此外，建立運行狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)操作的智能化和關(guān)鍵生產(chǎn)過程的可視化，與模型預測高效配合，保障各工序的穩(wěn)定高效運行。

4.2 展望

1）傳統(tǒng)煉鐵工藝的升級改造方面。進一步優(yōu)化高爐爐料，強化焦爐/高爐煤氣循環(huán)利用，提高余熱回收利用效率等，有望在煉鐵流程的源頭和過程中降低能耗和污染物排放。

2）非高爐煉鐵技術(shù)的優(yōu)化與應用方面。非高爐煉鐵技術(shù)大大降低了污染物的排放量，但在降低技術(shù)的能耗以及提高生產(chǎn)效率等方面仍有較大的提升空間；深入探索綠氫高效低成本合成、生物質(zhì)等替煤代焦以及“非高爐-電爐”協(xié)同減排等工藝，將有利于形成綠色低碳的鋼鐵生產(chǎn)模式。

3）煉鐵工序的智能化管控方面。在數(shù)據(jù)的標準化、應用范圍的廣泛化等方面仍存在不足。未來可以在煉鐵大數(shù)據(jù)平臺和參數(shù)格式上增強統(tǒng)一規(guī)范性，進一步提高煉鐵的智能化水平，以科技創(chuàng)新助力煉鐵乃至鋼鐵冶煉技術(shù)的綠色低碳化發(fā)展。

總之，上述措施形成合力將對進一步推進煉鐵工藝乃至整個鋼鐵行業(yè)的綠色低碳化及智能化轉(zhuǎn)型升級提供有力支撐，進而有利于碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。

本文摘自《環(huán)境工程》2023年第S2期