未来的低碳绿色高炉炼铁技术发展思考

马印亭

（山钢集团济钢复合材料有限公司，山东 济南 250105）

新时期的高炉炼铁具有集约化、大型化的特征，而且冶铁过程长寿化、高效化的优势较为明显。但不可否认的是，即便计算机技术推动了炼铁工艺的智能化发展，但现阶段的炼铁生产依然存在能源消耗大、环境污染严重的问题，这不符合我国绿色、可持续发展战略，基于此，在新时期的高炉炼铁技术发展中，应注重炼铁生产技术朝着低碳绿色化方向的转变。

1 高炉炼铁技术的基本功能

对照其他炼铁技术可知，高炉炼铁技术本身具有结构简单的特点，除还原器和渗碳器、熔炼器外，能源转换器、废弃物消纳出纳处理器等都是其重要的组成部分[1]（见图1）。这四个部分在具体功能上具有一定的差异性。

图1 高炉炼铁技术框架

（1）还原器和渗碳器。高炉炼铁技术框架下，焦炭是重要的燃料、还原剂。在整个冶铁过程中，还原器和渗碳器在液态生铁的获取中发挥着重要作用。在上升煤气流、下降炉料相向运动中，经过还原器和渗碳器的作用，高炉冶金“三传一反”的控制目标得以有效实现。值得注意的是，“三传一反”目标的是实现受高炉高温还原工作的引向，基于此，应充分考虑高炉高温还原工作的实现效果，并在确保骨架稳定的情况下，正确处理生铁渗碳问题。

（2）熔化器与质量调控器。高炉还具有为转炉作业提供原料的作用，经高炉处理后，优质的液态生铁会被转送至转炉；从这一层面来看，高炉起到熔化器的作用。在固态铁氧化物矿物熔化中，整个高炉的生产过程和还原方式还具有连续性、不间断性特点。值得注意的是，在炼铁过程中，通过高炉可实现铁水质量、成分的控制，这样不仅实现了铁水成分的有效控制，而且高精度地把控了铁水的偏差、温度，在该环节中，高炉充当质量调控器的职能。

（3）能源转化器。高炉炼铁过程涉及较多的能源转换，就煤粉、焦炭以及高温热风而言，其在炉内的高温下最终会被转化为熔渣和高炉煤气等；而固态铁氧化物矿物最终被转化成了液态的铁水。在现代生产模式下，除余能显热回收技术外，TRT技术在高炉炼铁中也得到了广泛应用，其使得高炉能源转化器的职能得到了充分发挥，有效地保证了能源转化的效率和质量,TRT技术能源转换率超过90%，这也为高炉拥有生命力奠定了基础。

（4）废弃物消纳出纳处理器。除铁水等主要产物外，高炉也会产生一定的固体废弃物，此时基于高炉炼铁良好的废弃物消纳出纳处理功能，可实现这些废弃物的有效利用，这对于环境保护也有突出作用。从废弃物消纳出纳过程来看，除焦化、烧结工序外，球团工序等也是废弃物消纳出纳的重要环节，其能有效促进钢铁厂循环经济目标的实现。

2 低碳绿色理念下高炉炼铁技术的应用要求

（1）高炉炼铁技术低碳绿色发展的时代环境。第七十五届联合国大会上，习近平总书记承诺我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，并且到2060年前，我国将实现碳中和[3]。基于这一目标，在工业产业发展中，必须坚持走碳中和之路，实现工业生产技术的低碳化绿色化转变。就钢铁行业而言，其在生产中碳排放量较多，基于碳排放峰值的硬约束，应注重钢铁生产减碳管理，高炉环节首当其冲。

（2）高炉炼铁技术低碳绿色发展的新要求。基于“十四五”发展目标，在钢铁产业高质量发展中，必须实现钢铁智能制造与低碳绿色发展的有机结合，继而促进我国向钢铁强国的迈进。在“钢铁智能制造+低碳绿色发展”总目标下，新时期的高炉炼铁技术应用还需满足以下要求：其一，在高炉炼铁技术应用中，应开发“专业化+一体化”的分布式能源利用方案，并在“1+7”系统下，为高效能、低成本的智慧绿色钢铁产业生产提供技术支撑。其二，基于高炉炼铁技术创新需要，在实际生产中应打造“绿色制造”的环保硬科技，深化TRT、BPRT、SHRT等技术的应用，通过高炉炼铁流程、系统、关联等技术的衔接，满足高炉炼铁技术应用的功能需要。其三，针对“制造绿色”的发展要求，应在整个行业内设计并使用绿色生产的“绿方案”，通过智慧绿色系统充当高炉炼铁的“新引擎”，进而解决发展难题，实现能源互联、高效先进和生态环保的有机统一。

3 基于低碳绿色理念的高炉炼铁技术发展设计

（1）技术发展理念设计。双循环格局下，要实现高炉炼铁技术的低碳、绿色化发展，就必须以提升生产技术运行效率为基础，以降低生产运行成本为目标，以减少运行排放为保证，促进高炉炼铁质量效益、经济效益生态协调效益目标的实现，达到促进循环经济发展的目的。值得注意的是，在技术发展理念设计中，还应对高炉运行的过程予以科学控制，继而为合理生产指标的设置与评价创造良好条件。另外，在高炉先进炼铁技术应用中，应协调其与绿色生产技术之间的关系，通过全新的管理体系，实现高炉炼铁的低碳绿色化发展。

（2）生产流程创新设计。基于低碳绿色理念指导，在高炉炼铁技术流程创新中，还应注重以下要点：其一，出于高炉生产动态协同运行目标考虑，在技术流程设计中，应将协同运行目标作为出发点，通过综合研判、合理取舍等方法的应用，对既有的运行流程进行优化和调整，以此来达到生产结构优化、生产流程集约的目的，确保高炉生产网络化整合效果的实现。其二，在全新的高炉炼铁技术流程网络建设中，应系统分析既有流程运行特征，逐渐摒弃既有技术流程中不合理的成分，继而使得高炉炼铁技术结构、功能和生产效率得到全面优化。值得注意的是，在新时期的生产流程优化中，应从物质流、能量流、信息流三个层面入手，进行生产网络系统的全面优化。其三，现代生产模式下，自动化技术、智能技术在高炉炼铁中的应用不断深入，基于现代信息技术的融合应用，还应以“以互联网+”为支撑对高炉炼铁的操作及界面进行持续优化，实现行业大系统资源共享提高智能化自控水平，及厂生产调度的信息化管理（见图2）。

图2 高炉炼铁反应流程

（3）低碳绿色融合后的技术创新设计。将低碳绿色理念融入高炉炼铁技术后，其设计理念、设计方法也得到了进一步的发展。基于此，在新时期低碳绿色高炉炼铁技术应用中，应从流程工程学角度出发，对高炉炼铁的工艺布置、时间关系、空间关系进行优化设计，同时在生产中，应考虑技术体系下几何空间内的能量、物质运行效率，此外新时期的高炉炼铁技术应用设计还需考虑能源少量、产出增量、污染减量要求，以此来实现高效生产与节能减排的有机统一。

4 基于低碳绿色理念的高炉炼铁技术创新应用

（1）高炉精料技术。作为高炉炼铁生产能耗控制的有效手段，高炉精料技术的应用应注重以下要点：其一，在具体炉料使用中，应确保炉料结构的合理性；即为了减少炉料使用，降低生产成本，在炉料使用控制阶段，应注重运筹学理论、数学模型的系统使用，同时应对炉料资源特点和我国生态环境特点进行系统分析，实现炉料使用与企业生产实际情况的有机统一。基于低碳绿色理念控制需要，在我国现阶段的高炉生产中，在重点分析炉料使用情况前提下，充分考虑国际政治因素，无法获取大量高品位铁矿石的应对方案要早做考虑，获取技术的途径。其二，在高炉精料技术应用中应进一步改善炉料冶金性能，在保证炉料经济性、合理性的同时，提升炉料理化性能的稳定性。其三，应进一步优化炉料分布及控制技术，通过高精度的炉料分布，提升炉料的利用效率，降低高炉炼铁能源消耗。

（2）高炉长寿技术。基于高炉长寿技术利用，可有效延长高炉的使用寿命，这对于降低炼铁经济成本具有深刻影响。一方面，针对当前使用的高炉，应通过内型优化技术进行炉体的内型优化，如通过增加死铁层深度的方式，预防炉缸铁水环流、破坏问题，而出于富氧喷煤冶炼考虑，则应该适当增加炉缸的直径和炉缸高度。另一方面，在长寿炉体结构应用中，除使用科学冷却技术，还应注重高效铜冷却壁等单元的应用，进一步延长高炉的使用寿命。此外，在高炉使用中，应对炉体耐火材料技术参数的技术参数进行控制，确保炉体施工满足炼铁需要。

（3）富氧喷煤技术。富氧喷煤技术不仅能实现炉缸风口回旋区工作状态的有效改善，而且能提升煤粉燃烧率，保证喷煤总量；这样炼铁生产中的炉腹煤气量会大大减少，其在保证高炉透气性的基础上，实现了燃料能耗的有效控制。新时期，为及进一步提升富氧喷煤技术应用水平，除考虑精料指数、长寿性能外，还需要对富氧喷煤技术的操作过程进行系统分析，以此来保证技术控制的优良性，以此为特征实现煤比达到200kg/t以上，燃料比达到485kg/t，这将是现代高炉炼铁竞争力的希望所在。

（4）高风温技术。使用高风温技术的目的在于降低高炉运行焦比，同时能起到提升喷煤量的目的，保证能源转换的整体效率。新时期，高风温技术的应用大体可分为以下类型：其一，在低温预热技术下，进行空气与煤气的双预热处理，以此来富化煤气，确保风温达到高炉炼铁的运行要求，且能充分满足低碳绿色控制需要。其二，优化热风炉的燃烧过程，如在考虑气流运动规律的基础上，进行热风炉气流分布情况的优化，确保炉内气流运行的均匀分布，实现均匀传热，提高换热效率的同时可以提高热风炉寿命。其三，结合高效生产需要，对高炉的热风管道进行持续优化，譬如在管道中使用无过热—低应力设计体系，该体系下，管道的应力会进一步降低，管道膨胀问题会得到高效处理；使用纳米涂层技术，降低对外传热，提高热风炉效率。其四，在热风炉操作优化中，操作人员可从整体角度出发，科学设定热风炉的工作周期的燃烧强度，提升热风炉整体的换热效率；该技术对于降低燃烧消耗，减少有害物质排放极有帮助。在期待通过以上系统优化，实现高炉操作不断优化而使得高炉煤气热值不断降低下获得1250℃以上高风温，这将是是实现低品质能源高效利用和高效能源转换优化的综合技术措施。

（5）煤气除尘技术。采用煤气干法除尘技术，能有效降低煤气燃烧的污染物排放，促进节能减排、绿色生产目标的实现。就目前而言，煤气干法除尘—TRT耦合技术得以协调发展，在实际应用中，还应注重煤气温度的在线监控——不过分追求低顶温，以获得最佳的发电量，为碳中和开辟新路，同时应对脉冲喷吹清灰技术应用、煤气含尘量等要素进行监测，以此来提升煤气除尘效果，促进高炉炼铁的低碳化、绿色化发展。

5 结语

高炉炼铁本身是现代钢铁加产业中的关键技术，是钢铁联合企业的黑匣子，在信息技术支撑下，高炉炼铁的技术优势特征进一步明显。针对高炉炼铁技术应用中的能耗与污染问题，炼铁企业只有充分认识到高炉炼铁技术下各结构单元的作用，然后基于新时期低碳绿色理念的发展要求，进行高炉炼铁技术的全面创新，这样才能降低炼铁过程的能源消耗和污染物排放，提升高炉炼铁产业综合效益，促进现代工业产业的绿色、可持续发展。