钢铁流程绿色化、智能化应用与分析

供稿|周翔

内容 导 读

近年来我国钢铁工业实现了快速发展，并取得了长足进步。全面总结行业发展趋势以及对比国内外相关指标，未来一段时间绿色化、智能化的应用仍将是重要的努力方向。本文着重分析我国钢铁工业在绿色化、智能化以及交叉领域的技术应用和创新，提出了钢铁工业推进绿色智能转型升级的路径原则，并就建立相关体系提出建议。

近年来，我国钢铁工业实现了突飞猛进的发展。2020年，我国粗钢产量10.65亿t，占全球产量的56.7%。钢铁工业的工艺技术装备、高端产品研发与供给、产品自主供给能力在全球已处于先进水平，尤其是单体设备的生产效率和绿色环保水平更是居于全球领先地位，钢铁产业成为名副其实的、中国最具全球竞争力的产业。然而，根据我国钢铁工业生产规模实际和生产流程特点，对比日韩、欧美国家相关指标，我国钢铁工业的污染物排放总量、劳动生产效率仍存在一定差距，实现绿色化、智能化是未来一段时间内我国钢铁工业发展的必由之路和努力方向。

绿色化应用

钢铁流程绿色化即钢铁产品在生产制造过程中，通过低能源消耗、低污染排放、低资源消耗的工艺技术及相关应用，实现工序环节过程的节能低碳、环保减排和循环利用。钢铁流程绿色化应用的重点技术应用路径主要体现如下。

烧结微负压点火技术

烧结矿的生产是在点火和强制抽风的作用下，烧结料经过充分的燃烧而形成的。烧结微负压点火技术是通过点火时采取适宜、稳定的微负压控制技术，增加助燃风预热。对点火炉烧嘴进行改进，既能减少漏风、节约能源、实现绿色减排，同时也能提高烧结矿的质量，利于整个工序的节能降耗。目前在南钢、湘钢等企业烧结机有应用实践。

厚料层烧结、降低漏风率技术

烧结使用厚料层时可以通过料层燃烧时产生的自动蓄热效应进而减少能耗，提升烧结矿的品质[1]。保持较高的铺料厚度，采取改善料层透气性的相应操作措施，同时对烧结机台车、头尾部密封板以及烧结环冷机进行密封改造。采用新型销齿传动水密封环冷机，密封翻车卸料，台车上部采用水密封形式，下部采用弹性机械密封，并对高温段进行二次密封。采取厚料层烧结技术，降低漏风率措施，可实现增产、节能减耗以及提高烧结矿质量等效果，目前在全国90%以上企业的烧结生产过程中有所应用。

烧结烟气循环技术

烧结过程中会产生大量热废气，经除尘脱硫脱硝处理后排出既浪费能源又污染环境，烧结烟气循环技术将机头、机尾风箱和环冷机部分烧结含热烟气再次引入到烧结料面，进行循环利用，既能有效降低能耗，又可以有效的改善烧结矿质量[2]，具有明显的节能减排效果，目前在宁波钢铁、沙钢等企业的应用效果突出。

烧结烟气综合治理技术

烧结烟气污染治理是整个钢铁流程实现超低排放最重要的环节之一。生态环境部发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》中提出：烧结机头烟气在基准含O2量(体积分数)16%条件下，颗粒物、SO2和NOX的小时均值排放质量浓度分别不得高于10、35和50 mg/m3。目前烧结工序脱硫脱硝一体化技术的应用从末端治理的方式来达到上述要求。应用较为广泛的工艺路线如：电除尘器+活性焦脱硫脱硝技术工艺和循环流化床脱硫+选择性催化还原(SCR)脱硝技术等。从山钢日照公司、首钢京唐公司、新兴铸管等企业应用实施后，相关监测机构开展的连续性有组织污染源评估监测结果显示，完全可以达到超低排放有关要求。

高炉煤气精脱硫技术

高炉煤气中的有机硫含量较高，是环保治理中的难点。在生产环节中，其用户分布于钢铁厂各个区域，采用常规末端治理的方式会存在点位多、投资高、影响高炉炼铁生产等弊端，为解决以上问题，采取源头控制方式，实施高炉煤气精脱硫，是有效的治理技术路径之一。目前较常见的工艺技术有：将经过布袋除尘后的高炉煤气通过旁路管道进入催化水解反应器，在水解剂的作用下将羰基硫转化为硫化氢；水解后的高炉煤气进入高炉煤气余压透平发电装置(TRT)系统或减压阀组后通过旁路管道进入吸收塔，与雾化后的氢氧化钠溶液接触，酸碱中和后，经过除雾装置去除煤气中的大部分水汽，保证装置出口总硫浓度满足相关要求。

降低返矿率、提高喷煤比技术

高炉炼铁过程中杜绝烧结矿的落地，减少中间仓转运，改造卸料转运装置，可有效降低高炉返矿率。同时优化喷煤结构，发挥混合喷吹优势，提升高炉喷煤比，节约焦炭，也是实现节能降耗、高效生产的有效手段[3]，对于整体铁前工序的绿色化应用实践有着十分重要的意义。

余热余能回收技术

余热余能回收是全厂性的节能减排、绿色发展的重要手段。从钢铁全流程分析，包括焦炉荒煤气、烧结大烟道、环冷机、转炉烟气、电炉烟气、轧钢加热炉烟气等余热回收，高炉渣、钢渣热焖显热回收利用、全厂能源动力工序低温余热发电、空压机余热回收技术等已在行业内得到了较为普遍的应用。将生产工序中产生的热量能源或高效地利用在其他相关用能环节，或采取集中发电、生活供暖等方式，真正实现能源的高效、循环利用，符合绿色化的理念。

厂区清洁运输方式

清洁运输方式应用，对于钢铁企业实现绿色化发展具有十分重大的意义。目前除了实现铁路运输，管带机、封闭皮带通廊等，钢铁企业着重加强清洁运输体系建设，从建立门禁识别监控系统、运输车辆管理到采用新能源车辆等方式，有效提升清洁运输比例，显著提升绿色化水平。

资源综合利用技术

开展资源综合利用，多种方式回收利用工业副产品如高炉渣、除尘灰等是烧结、炼铁工序实现绿色发展的重要途径之一。高炉渣是炼铁工序产生量最大的固体废弃物资源，通过水冲冷却是目前常用的炉渣处理方式，将炼铁产生的大量水渣制成矿渣微粉替代水泥使用是废渣利用的重要手段。通常将水渣加入高压微粉磨内烘干、粉磨和选粉，经过多次循环粉磨后收集输送至水渣粉库，将高活性的水渣微粉加入到混凝土中等量代替水泥，与石子、沙子搅拌混合后可有效提高混凝土的综合性能，具有强度高、耐磨性好、黏结性强等优点，可满足各类建筑工程的相关要求。对于各类除尘灰，由于其产生的工序环节不同，综合利用的方式也有所区别。一般烧结除尘灰经收集后经过再次配料进行循环利用。高炉产生的除尘灰除上述方式外，还有除尘灰冷压球团调配使用、先进行脱锌处理后采取高炉喷吹循环利用、制造泡沫渣替代焦粉降成本、优化配料生产水泥熟料等方式。

低碳冶炼、固碳捕集封存技术

钢铁行业十分重视在低碳领域前沿技术的研发和应用，如在低碳技术方面开展的钢化联产项目研究与应用，碳捕集与封存技术、氧气高炉、富氢冶金、直接还原炼铁、碳捕获、利用与封存(CCUS)等低碳冶炼技术研究开发等。可结合企业自身情况，加快成熟、高能效技术实施进度，推进多工序集成优化技术应用，布局并推进低碳技术研发与创新，挖掘企业进一步降碳潜力，积极适应钢铁行业绿色转型升级实践。

智能化应用

随着自动化、信息化的手段日益成熟，钢铁生产流程中充分推行各类智能化技术的应用。在确保生产过程连续、稳定的基础上，实现精细操作、精准管控、精益生产，达到高效、低耗等良好效果。

原料准备环节

采用先进的自动控制和智能管理系统实现均衡进料、供料，保证料量稳定，实现原料成分、粒度、水分均匀。合理安排作业，确定最佳流程，避免人为因素导致生产波动。实现无人化作业，提高设备运行效率，降低故障停机率，降低原料库存，提高利用率，推动实施料场智能化升级。

烧结配矿环节

采用神经网络技术和遗传优化技术，建立烧结矿质量模型，寻找最优配矿组合，开发烧结配矿智能优化系统，提升生产工序对不同原料供应来源的适应能力，优化烧结矿的质量指标，实现炼铁过程的综合节能减排和降本增效。在此基础上，进一步采用大数据采集技术和分布式信息传输技术，建立整个烧结生产全工序数据库，融合生产工艺和大数据挖掘原理，将智能化的技术手段扩展到烧结生产全工序，提取原料质量、配矿操作、生产工艺、质量控制以及生产成本等指标参数，研究相互之间的规律，开发基于大数据技术的烧结全生产线智能生产控制系统，建立完善的决策体系。

炼铁操作环节

在炼铁过程中，高炉热风温对节能降耗具有十分重要的意义。采用高炉热风炉智能烧炉系统，将热风炉燃烧过程实现自动控制，使燃烧时煤气流量和空气流量长时间处于最佳配比状态，稳定拱顶温度，减轻劳动操作强度，提高设备使用寿命，从而达到提高热风温度、节约煤气消耗、降低高炉炼铁燃耗。随着自动控制水平和信息化技术的进步，高炉操作过程应用专家控制系统[4]，对涵盖高炉冶炼关键操作条件、炼铁工艺技术原理和数学工具等因素的高炉数学模型进行扩展和补充。在高炉冶炼过程主要操作要求基础上，将操作者长期积累的有益经验总结为相应信息化规则，运用数字逻辑推理技术判断冶炼过程，并对操作过程提出相应操作建议和优化指令，稳定高炉炉况，改善高炉炼铁过程指标，实现高炉顺行、降耗、高效的目的。

炼钢控制环节

与高炉专家系统类似，在炼钢工序“一键炼钢”智能技术也有长足的进步，该冶炼控制技术基于工艺理论模型计算、专家操作经验和相关在线监测手段等，采取转炉全自动冶炼副枪技术，显著提升转炉终点碳和温度的双命中率，对转炉炉渣终渣进行预判，自动按目标调控，完成溅渣护炉作业，实现吹炼过程和终点的操作标准化。同时通过传感器和监控系统，自动调整转炉倾角，与钢包、渣罐车、出钢检测、控制等系统联动实现炼钢全过程的无人干预自动控制。

全过程智能决策系统

近年来，钢铁企业在全流程智能管控、执行及决策优化系统方面实现了较为普遍的应用。数据采集系统(DAS)完成全过程数据采集及实时监控，为后续相关系统提供支撑。智能制造管理与执行系统(MES)实现了生产环节的实时监控，对重点环节进行制造管理执行、检化验管理和远程计量，把控设备运行情况，构建全流程质量管理体系。决策优化与支持系统(DOSS)以计划为核心，对资源平衡及原料采购、配料进行集成优化，合理制定指标，供产销联动，实现成本最优，不断改进提升经营绩效。高级计划排产系统(APS)以满足客户交货要求为目标，综合订单属性和制造资源调配，实现交货期应答等功能，解决产供、产销矛盾，满足大规模个性化定制需求。

综合性交叉应用

钢铁流程实现绿色化、智能化的应用技术分布在节能、环保、低碳、资源综合利用以及信息化系统等多个领域，未来的发展方向更多地体现在交叉应用领域，同时不拘泥于某单一工序环节，而更多地体现在全工序环节的应用。

目前在绿色化、智能化交叉应用较为成熟普遍的场景包括：能源管控中心的推广和应用，其将能源节约利用与信息化系统结合起来，对能源系统的生产、输配和消耗环节实施集中统一扁平化、数字化管理。综合能源动力介质的监控和调配，预测高炉煤气等关键介质的产出，并实时开展平衡调度。对过程数据进行分析和管理，反向给予生产主工艺运行，提供优化操作参考和决策支持。能源管控中心开展集中监控、调配、管理和分析，可以有效提高企业能源利用效率，确保能源系统稳定，充分利用二次能源，实现最优、持续、高效。

将信息化手段与环保减排绿色化结合起来的典型实践是环保无组织管控治一体化平台的应用与推广。其以平台架构为核心，采用大数据分析技术，将原料场、烧结、炼铁等区域无组织排放源实现可视化、清单化。对全厂物料装卸过程开展智能化图像识别，运用集中控制系统，将识别模块与相对应的污染治理手段形成闭环联动，实现精准治理，既提高了环保治理的效率，也降低了对应的能源消耗，实现了经济效益和社会效益的双提升。

此外，国家提出降低碳排放强度，支持有条件的地方和行业率先达到碳排放峰值，制定碳排放达峰行动方案，努力争取2060年前实现碳中和。钢铁行业是我国碳排放量最高的制造行业，是落实碳减排目标的重要责任主体。将绿色减碳行为与信息化智能化手段结合起来成了当务之急。加快碳排放数据管理体系建设，明确碳排放总量和排放结构特点，挖掘降碳潜力。以智能采集核算技术、优化分析模型及云环境部署设计，构建“数据监测—集成化对标—工序目标考核分解—预测及潜力分析”相耦合的动态碳排放全过程管控与评估平台。基于生产实时数据及能源数据资源，实现监测、报告与核查全过程管控，加快新一代信息技术和先进低碳技术的深度融合，贯穿钢铁全生命周期优化集成，可以有效推动钢铁企业实现数字化、智能化、低碳化转型升级。

结论与建议

结合钢铁流程在绿色化、智能化应用实践中的技术和手段，可以看到行业未来发展的方向和趋势更多的还是集中在综合性交叉应用。充分利用好数字化工具、研究透工艺技术原理、优化好交叉应用模式、配套强工程实施基础，是实现钢铁流程绿色化、智能化发展的有效途径。同时就建立相关体系提出几点建议：

(1)强调整体性的效果。绿色化与智能化的技术应用之间存在相互支撑、相互促进与相互提升。节能减碳、绿色环保、资源综合利用与智能化手段之间是整体性的关系。烧结、炼铁工序之间以至钢铁全流程也是整体性、全过程的应用。应用过程中要确保实现互联互通，避免形成信息化或者绿色发展的孤岛，未实现真正意义上的绿色化、智能化高效发展。

(2)关注经济性的指标。交叉性工艺技术的研发和应用都是基于工序环节生产服务，在实现有关效果要求的前提下，如何实现经济性是确保应用实践长期稳定的重要衡量手段，必须引起高度重视。不能把相关应用实践变成了“中看不中用”的花架子，让企业实实在在在应用中受益，提升企业主体在推进行业绿色化智能化过程中的积极性。

(3)确保可靠性的技术。行业的发展进步是一个逐步提升的过程，其中有层出不穷的新技术、新工艺。鼓励前沿性的技术创新和研发，但是在大规模的应用实践推广时，要确保应用工艺原理、操作过程、工程实践的成熟、可靠，做到大胆创新、谨慎试验、高效推广，促进行业高质量转型升级。

(4)配套强有力的保障。新工艺技术的研发应用是漫长而艰巨的过程。研发过程中要对创新主体给予充分的资金倾斜和试验工程保障。一旦工艺流程打通，进入到示范应用过程，要大力提供政策支持保障措施，迅速将成熟、可靠、高效的应用技术推广到全行业发展进步的实践中。