炼铁工艺绿色低碳及智能化技术研究进展

苑鹏　刘艺媛　王雪娇　王珲　滕艾均　武兵强　沈伯雄

0 引言

面对化石资源紧缺、环境污染和全球变暖等问题，可持续发展理念已成为国际社会的共识。作为CO2、NOx和SO2等污染物排放以及能源与资源消耗的主要源头之一，钢铁工业在很大程度上加剧了生态环境问题。鉴于此，开展以绿色低碳为目标的转型升级成为钢铁工业持续健康发展的迫切需求。近年来，中国及世界的钢铁产业正在以前所未有的力度推动行业绿色低碳及智能化发展。围绕钢铁生产工艺技术的原理和特征来积极开展节能减排潜力的挖掘，研发利用绿色低碳冶炼工艺技术，以及工艺流程智能化升级改造等方面，已成为开发和推广兼具经济性、环境友好性和可行性优势的先进钢铁生产技术的重点。在国内钢铁生产工艺流程中，以“焦化-烧结-高炉”为主的炼铁流程占总能耗的60%，占生产成本的70%，污染物排放占比则高达90%。随着碳达峰、碳中和远景目标的提出，以及国家、地方和行业超低排放标准日趋严苛，对炼铁工序进行升级改造已逐步成为支撑中国钢铁工业整体可持续发展的关键抓手和重要基础之一。

本文首先从炼铁工艺涉及的原料、设备和过程3方面对其节能减排潜力开展分析。随后，系统梳理了烧结、球团、高炉和典型非高炉工艺中的绿色低碳技术研究现状。然后，对既有研究或已有应用的代表性智能化炼铁技术的发展现状进行了简要评述。最后，凝练出绿色低碳和智能化炼铁技术研发进程中的关键性结论，并对低碳及智能化炼铁的发展方向进行展望。旨在为炼铁工艺技术转型升级提供有价值的科学建议和经验参考，以期促进国内炼铁技术及钢铁全流程的绿色低碳化发展。

1 高炉炼铁的节能减排潜力分析

1.1 能耗及污染物排放概况

传统的高炉炼铁流程能源消耗所占比例较大。据统计，中国钢铁工业能源消耗约占全国能源消耗总量的15%。从中国钢铁协会2018年发布的数据来看，由焦化、烧结、球团、高炉等工序构成的炼铁系统能耗占钢铁流程总能耗的75%以上。此外，传统的高炉炼铁流程中产生的粉尘、CO、SO2和H2S等一直是大气治理的重点对象。国内钢铁工业CO2排放占全国的12%～16%，其中炼铁系统占钢铁总排放量的80%～90%。高炉渣等固体废弃物同样也是污染物治理及资源化利用所需要重点关注的对象。由于传统炼铁工艺涉及的工序流程较多且各工序的反应过程复杂，有必要对其潜在的节能减排突破点进行初步梳理，为寻求相应的升级策略提供参考。

1.2 潜在的节能减排突破点

1.2.1 原料方面

目前大多采用铁矿石、烧结矿或球团矿等含铁原料，以及助溶剂和还原剂等。中国炼铁原料以低品位原矿经富选后得到的精细矿粉为主，不利于烧结，但有利于造球。因此，含铁原料的筛选与合理化利用对于降低能耗有着潜在的作用；另外，中国目前仍大量使用煤、焦等碳质还原剂，而在煤炭焦化和焦炭使用过程中会释放大量的CO2和SO2等污染物。因而，炉料结构的调整和还原剂的优选将有助于提升传统炼铁工艺的节能减排水平。根据宝钢实践，通过炉料结构和燃料结构优化、还原剂优选等措施，炉顶煤气总量可降低10%～15%，其中CO、CO2排放总量可降低8%～10%。

1.2.2 设备方面

炼铁过程中产生的一系列污染物会直接接触设备，如在原料入炉、煤粉制备喷吹及热风炉工作时会产生粉尘，高炉炉顶均压放散会产生CO，高炉煤气点火放散产生SO2等，这些污染物可能会对设备产生磨损或者腐蚀。因此，如何从源头降低污染物排放，以及如何增强设备的耐候性是节能减排的关注点。另外，在优化相关节能减排装置的运行效率和成本上，可以考虑提高废气的回收回用效率，适当减小装置的体积等。为确保高炉炼铁过程能够满足日趋严格的节能减排要求，关于燃料优化喷吹、烟气在线监测、炉况精准调控等设备和系统的需求也日渐迫切，新旧工艺设备和系统的及时更替，将在炼铁工序节能减排方面发挥积极作用。

1.2.3 过程方面

高炉炼铁生产过程是集物理和化学变化为一体的复杂反应体系，因此，开发和应用先进的炼铁工艺过程管理技术，提高高炉生产效率并延长炉役，对于节能减排具有潜在的积极意义；并且，在高炉炼铁过程中会产生大量余热，其在炼铁过程能源浪费中占据较大比例。因而，优化高炉余热回收过程，提升余热的循环利用效率，将对进一步削减炼铁流程的综合能耗起到促进作用；此外，在高炉炼铁过程中会产生大量的固体废渣，对其进行科学的资源化循环利用也是助力炼铁工艺绿色低碳发展的另一思路。如美国伯利恒钢铁公司博恩哈博分厂，2座高炉年产生铁450万t，烧结配料外购矿只有25%，其他都是本厂的含铁粉尘、轧钢铁鳞及钢渣等，即节约了不可再生的矿石资源，降低了成本，又在一定程度上解决了环保问题。

综上所述，调整炉料结构、选择适合的还原剂、完善并确保相关节能减排设备高效运行，以及开发科学的、先进的过程管控策略，进一步完善节能减排工艺体系，可以有效提升传统高炉炼铁工艺的节能减排水平。近年来，围绕梳理出的上述节能减排关键点，对炼铁技术进行的绿色低碳化及智能化升级改造已受到广泛关注。

2 绿色低碳炼铁技术研究现状

2.1 烧结技术

我国高炉炼铁对烧结矿的依赖性较高，由燒结工序产生的能源消耗量约占钢铁工业总能耗的18%。因此，烧结工艺的先进性直接关系到中国钢铁工业的经济效益和产品质量，对烧结工艺进行绿色化清洁化升级具有重要的现实意义。从减少燃料消耗和优化烧结技术路线2个维度，已开展了如超厚料层烧结、生物质烧结燃料、烧结显/潜热回用、微波烧结、烟/煤气循环烧结、基于烧结烟气中CO的选择性催化还原脱硝等先进烧结技术的研发与应用探索，本节将选取几种典型的烧结节能减排技术加以概述。

2.1.1 生物质烧结燃料替代技术

生物质能是指由光合作用产生的储存在各种有机物中的太阳能，是一种清洁的可再生能源，目前，我国可代替化石类燃料用于铁矿烧结的农林固废等生物质能资源丰富。国内外对生物质燃料在烧结中的应用及利弊展开了相关的研究。结果表明：生物质代替煤/焦等传统化石燃料，由于其低S低N的特性，可以从源头上降低烧结工序CO2、SO2和氮氧化物的产生，是减少烧结工序温室气体排放的主要潜力之一。然而，生物质的反应性敏捷也使燃料的不完全燃烧程度增加，进而使烧结矿成品率降低，利用系数下降，因此在生物质燃料的制备技术以及改性处理技术等方面仍需有较大的提高。

2.1.2 超厚料层烧结技术

在超厚料层（≥850 mm）烧结技术中，料层厚度的增加可减缓垂直烧结速度，使得料层保持高温的时间得以延长（自蓄热作用），有效促进了烧结矿中硅铝复合铁酸盐的生成，从而提高了烧结矿的强度和成品率。通过在调控燃料粒度、偏析布料、优化水分、料温、料层透气性等参数，以及提升相关设备水平的基础上继续开展深入的科研攻关与实践检验，有望实现对烧结机漏风率、垂直烧结速度和烟气组分等的严控，在降低燃料消耗以及抑制烧结烟气中CO2、NOx和SO2等污染物排放方面表现出较高的科学性和可行性。

2.1.3 微波烧结技术

在传统的烧结技术中，需要燃烧大量化石燃料以提供固化所需热量，此过程会产生大量的CO2。微波烧结技术是指利用频率在

300 MHz～300 GHz的电磁波所具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生的热量，材料的介质损耗能够使材料整体升温至烧结温度而实现致密化。与传统方式相比，其加热速度快，加热效率高，可以大幅减少烧结过程中由于化石燃料燃烧带来的碳排放。以铁矿石微波烧结方法为例，该工艺设置了预热一段、预热二段、微波加热段、微波烧结段、冷却一段、冷却二段和冷却三段，避免了化石燃料的使用，大部分烟气可以实现循环利用，为解决烧结工艺碳排放较高的问题提供了解决思路。

2.1.4 烧结烟气治理技术

烧结烟气量大、烟温区间较宽、污染物含量较高、成分波动较大，是钢铁行业烟气治理的重点。针对烧结产生的粉尘、SO2和卤化物等，国内外绝大部分烧结厂都采取了先进的烟气净化技术加以治理，如太钢烧结烟气采用的活性碳脱硫脱硝+SCR脱硝技术，已取得较好的应用效果。在机尾除尘方面，以移动电极静电和布袋除尘技术应用最为广泛。如表1所示，湿法烟气脱硫以及半干法烟气脱硫等相关技术也随着环境标准的提高而不断地完善。近年来，为进一步降低烧结工序的污染物排放量和能源消耗量，活性炭烟气净化技术、液密封环冷机技术、多污染物联合脱除技术等的研发及应用备受关注。例如，基于活性焦/炭的脱硫脱硝一体化技术依靠活性焦/炭良好的物理吸附及催化反应能力，可有效降低SO2、NOx的排放，并对HCI、HF等污染物有较显著的脱除效果。

2.1.5 超级烧结技术

超级烧结技术由日本JFE钢铁公司开发，并于2009年首次应用。其主要技术流程为天然气从烧结机上部喷吹到烧结料面，从而减少能耗，提高烧结矿质量。据统计，在JFE钢铁公司京滨厂使用该技术后，其每年的CO2减排量可达到6万t。对比传统烧结工艺，该技术的应用显著降低了烟气生成量及固体燃料消耗，有利于烧结工序的低碳化和绿色化发展。

2.1.6 余热资源梯级利用技术

烧结机烟气量大，冷却机废气较多，且烧结点火、烧结保温、混匀和区域制冷有着不同的能源需求，余热资源温度呈梯级分布。因此，基于“温度对口、梯级利用”的原则，应用和优化烧结烟气循环、热风点火、热风烧结、烧结矿竖式冷却和低温余热回收等技术，使其具备实现烧结余热综合梯级利用的潜力，对削减整个炼铁流程的能耗起到积极作用。以国内常用的烧结烟气内循环技术为例，烧结烟气从烧结机特定风箱支管引入并循环至烧结机料面进行热风烧结，通过在循环风机出口设置O2补充装置来合理调控烟气循环烧结风氧平衡，根据节省燃料和降低排放的特定需求有针对性地科学选取风箱，形成烧结烟气选择性循环节能减排技术，从而实现在保障烧结矿高效生产的同时达到降低燃料消耗和污染物排放的效果。

2.2 球团技术

2.2.1 冷压球团技术

冷压球团是指将粉料施加一定的压力从而破坏其拱桥效应，使团块内部颗粒重排，进行冷压制，再经低温干燥后制成球团。由于该技术中矿粉与还原剂属于面接触，加快了含碳球团的反应速率与熔化效率，节约了还原剂并有助于能耗降低。通过合理调控水分、成型压力和粉料粒度等参数，可将冶金废料、高炉烟尘等压制成满足入炉要求的冷压球团，实现资源循环利用，具有广阔的发展前景。目前，冷压球团技术也存在一定的局限性，难以大规模生产以及黏结剂的优选都是该技术需要重点突破的问题。

2.2.2 熔剂性球团矿技术

熔剂性球团矿是指用添加生石灰、石灰石等的混合料生产的球团矿。国内冶金行业权威机构调研数据显示，球团矿能耗是烧结矿的48.2%，粉尘排放是烧结矿的14.3%，且球团矿还原度高、膨胀率低、含铁品位高。虽然加入CaO的熔剂性球团矿还原度高，但是仍须采取控制温度波动范围的方法进一步弱化其在焙烧时对温度的敏感性，维持焙烧顺利进行。此外，Mg O的加入会对熔剂性球团矿的抗压强度、还原性指数、低温还原粉化指数和还原膨胀指数带来积极影响。球团矿生产方面，链篦机-回转窑生产工艺具有较好的密封性，且烟气循环利用，减少烟气的产生，SO2、NOx等污染物气体浓度也远低于烧结生产，从源头上削减污染物的产生量；应用效果方面，高比例镁质熔剂性球团炼铁技术可抑制低熔点矿物的大量生成，有利于提高炉况的稳定性，降低高炉燃耗，契合炼铁工艺绿色低碳化的发展趋势。

2.2.3 新型有机黏结剂技术

在钢铁冶炼过程中，提高球團矿的含铁品位，是提升生态效益的重要途径。传统的有机黏结剂面临着水分较高、余热球团强度不能满足后续回转窑要求等问题。嵇建国等研发出一种新型无土有机黏结剂，可以促进亚铁的氧化以及Fe2O3晶须的生长扩散，从而提高预热球团的强度。同时，这种有机黏结剂在高温下烧损，球团矿的铁品位大大提高，Si O2的质量分数得到降低，减少了CO2排放，固体排放物也大量减少。由于本黏结剂能够促进球团的氧化，在焙烧时不需要很高的温度，可降低燃料的消耗，从而实现绿色低碳。

2.3 高炉技术

2.3.1 高炉喷吹燃料优化技术

高炉喷吹焦炉煤气技术是指将焦炉煤气经过净化和加压，使其压力高于高炉风口压力而经风口直吹管喷入高炉。焦炉煤气主要由H2及某些碳氢化合物组成，其中，H2为其主要成分，是一种清洁的还原剂，可降低高炉中焦炭等碳基还原剂的使用量，铁矿石被还原后产生H2O，其CO2减排效果更为显著。目前，由于焦炉煤气成分较为复杂，在既有的焦炉煤气H2提纯技术（变压吸附法、深度冷冻法、膜分离法和蒸汽重整法等）基础上，进一步开发或优化更为高效的H2提纯方法是该技术需要克服的关键问题。

高炉喷吹废塑料技术的研发及应用，不仅可以对“白色污染”进行有效地无害化处理，还能够降低高炉炼铁过程对煤炭等化石资源的依赖，减少30%的CO2排放量，且能量利用率超80%；废塑料中的碳氧化物可在高炉下方转变为煤气（＞2000℃），煤气在上升过程中可将铁矿石加热并发生铁氧化物的还原反应，有助于高炉生产效率的提升。有研究表明：秸秆等生物质混入高炉喷煤中表现出较高的助燃性能，二者混合后的燃烧率大于加权计算值，显著改善燃烧和燃尽温度，提升了燃烧性能。然而，由于塑料和生物质种类繁多且成分复杂，须进一步深化研究以增强该技术对不同废塑料和生物质原料的适应性，进而提升其在高炉喷吹燃料优化中的可行性。

2.3.2 高比例球团矿技术

高比例球团矿技术是指通过提高球团矿在炉料结构中所占的比例，对炉料结构进行优化。如2.2.1节所述，球团矿比烧结矿在生产过程节能减排方面更占优势，因此提高球团矿的比例有利于实现炼铁流程在源头和过程中的绿色化。目前，瑞典SS-AB厂几乎采用100%的球团矿入炉进行冶煉，美国的平均炉料结构则由“92%球团+7%烧结矿+1%块矿组成。生产数据表明，球团矿代替烧结矿在节省燃料和降低高炉燃料比2方面有着较大的优势。采用高球比技术前后吨铁碳排放量和能耗比较如表2所示，高比例球团矿技术具有较为显著的降低炼铁能耗和CO2排放的优势。

2.3.3 高炉炉顶煤气循环技术

高炉炉顶煤气循环技术是指将除尘和脱除CO2后的炉顶煤气重新喷入高炉，充分利用其中的还原性组分（CO和H2），实现对C和H的循环利用。目前多国已经在炼铁工序中提出或应用这项技术，其中，以欧洲提出的TRG-BF工艺较为典型，其工艺流程如图1所示。在2007年，瑞典矿业公司采用TRG-BF技术在实验高炉上开展了单一喷吹和复合喷吹2种模式的实验研究，同时也进行了复合风口模式下的喷煤水平实验。结果表明，TRG-BF的吨铁CO2排放量比传统高炉下降了24%。综合既得实验和生产数据来看，此项技术相较传统高炉炼铁在降低能源消耗以及减少CO2排放方面效果明显。此外，日本COURSE50计划和韩国POSCO公司已对高炉煤气中CO2的分离和捕集技术开展了相关研究工作，可有效抑制高炉炼铁过程中的碳排放，有望为CO2向高附加值化学品的转化提供原料，但考虑该技术在成本和能耗等方面的弊端，目前仍处于探索阶段。

2.3.4 高炉热风炉节能技术

旋切式高风温顶燃热风炉节能技术采用高效能燃烧器，可以实现在很小的过剩空气系数条件下煤气的完全燃烧，废气中NOx、O2和CO等含量较低，在提高燃料利用率的同时减少助燃空气的消耗量。同时，旋切式顶燃热风炉炉壳的散热面积较小，热风炉高温区和热风管道的保温隔热效果较好，减少散热损失，实现了节能技术的进步。此外，高炉热风炉双预热技术以高炉煤气为燃料，将燃烧产生的高温烟气与烟道废气混合形成高温气体，高温气体通过空气交换器预热助燃空气，低温气体则通过煤气换热器预热高炉煤气。攀钢钒1号高炉热风炉采用附加前置燃烧炉的高低温双预热技术，使风温提高40℃以上。结果表明：该技术可以实现助燃空气和高炉煤气的同时预热，在不改造热风炉本体的情况下即可提高风温以节约能源；该技术也减少了高炉煤气的放散，一定程度上降低了有害气体的排放，具有显著的节能减排优势。

2.3.5 全氧高炉冶炼技术

全氧高炉冶炼技术是指将鼓入高炉的预热空气替换为常温氧气，炉顶煤气中除去CO2和H2O后返回高炉进行循环利用，图2为全氧高炉工艺示意。该技术降低了焦炭消耗，增加了喷煤比，大大减少了NOx、SO2等排放，与传统高炉相比更为清洁环保。结合炉顶煤气循环利用技术，可进一步降低全氧高炉能耗和CO2排放量。此外，该工艺流程中产生的CO2更为集中，有利于后续的高效捕集及处理。目前，富氧或全氧高炉已得到业内越来越多的重视，其与CO2捕集利用技术结合将有可能在绿色炼铁或钢化联产的长远发展中发挥出重要作用。同时，全氧高炉技术也面临一些技术难点，如炉内温度不均匀、理论燃烧温度过高、高硅、顺行差等，未来在此方面仍面临较大的挑战。

2.4 非高炉炼铁技术

除了高炉炼铁技术外，非高炉炼铁工艺近年来也得到广泛关注，相关研究成果或应用案例层出不穷。非高炉炼铁技术通常可分为熔融还原炼铁和直接还原炼铁2个方面。与高炉炼铁相比，非高炉炼铁大幅度减少了焦煤的使用量，不仅可以降低生产成本，而且SO2、NOx和粉尘等污染物排放也得以削减。从长远来看，非高炉炼铁技术可以有效降低对焦炭等化石资源的依赖，为氢冶金技术的研发与优化提供有力支撑（富氢熔融还原、氢基竖炉直接还原等），在炼铁技术可持续发展的趋势下表现出潜在的应用优势。

2.4.1 熔融还原炼铁

1）COREX工艺。

熔融还原炼铁技术是非高炉炼铁技术的1个重要分支，目前应用最多的是二步法工艺。如图3所示，以COREX工艺为代表的二步法熔融还原技术主要包括竖炉和熔融气化炉2部分。先在竖炉中进行铁矿预还原，煤粒在熔融气化炉上部经焦化、气化后产生含有95%CO和H2的高品质还原煤气，返回预还原竖炉中与持续下落的还原料层反应，获得金属化率90%以上的海绵铁，经进一步还原、融化、渗碳后最终产出铁水和渣相。COREX是目前为数不多的实现了工业化生产的熔融还原炼铁工艺。相较于高炉，其优势主要在于焦煤和焦炭的使用量较少，燃料利用率较高，每吨产品可以减少约20%的CO2排放，同时也降低了炉渣产量，可减少能源的过度消耗。

2）Hlsmelt工艺。

Hlsmelt炼铁工艺是典型的一步法熔融还原炼铁工艺，其工艺流程如图4所示。1）该工艺的动态熔融过程的原料适应性较强，非焦煤和含铁废料可作为原料使用，削减了对焦煤等紧缺资源的依赖性；2）该工艺的流程较短、工厂占地面积较小，建设要求较为简单；3）与传统高炉技术完全不同的是，该工艺取消了焦化、烧结过程，温室气体排放可降低60%左右，并且有效遏制了二噁英、呋喃、焦油和酚类等的排放，环保优势明显。表3为山东墨龙改进后的Hlsmelt工艺与高炉炼铁工艺的对比。可见，Hlsmelt工艺在节能环保等方面有着很大的优势，但在使用寿命方面仍有着较大的差距，未来仍需从提高SRV炉炉衬寿命、提高预还原度、提高热能利用率等方面加以改进。

2.4.2 直接还原炼铁

直接還原炼铁工艺是指含铁原料在气体或固体还原剂的作用下被还原，无须熔化和造渣，最终获得直接还原铁（DRI）的技术。按所还原剂的种类可分为煤基和气基2种。

1）ITmk3工艺。

煤基法直接还原工艺的1个代表流程是ITmk3工艺。其工艺流程主要分为4步：原料处理、还原熔分、粒铁产出和废气处理，其转底炉炉床结构如图5所示。

如图6所示，含碳球团的直接还原过程主要由碳直接还原铁氧化物的“固-固”反应（低温时）和借助气体还原剂的直接还原反应（达到碳的气化温度时）构成，反应路径如表4所示。

如表5所示，与传统高炉炼铁相比，基于含碳球团的ITmk3工艺的优势表现突出，吨铁CO2排放量相较于高炉可降低约39%，NOx和CO等的排放量也有明显降低。

2）气基直接还原。

气基直接还原法是以竖炉、固定床罐式炉或流化床为主体设备，通入天然气或催化裂化反应制取的CO和H2对铁矿进行还原。其中，围绕Midrex和HYL/Energiron2种竖炉气基直接还原工艺开展的研究较为广泛。Midrex工艺中还原竖炉和制气设备相互影响，H2/CO比高达5.6～5.9，还原气还原铁矿石的反应为吸热反应；HYL/Energiron工艺中还原竖炉和制气设备相互独立，H2/CO比仅为1.55，还原气还原铁矿石的反应表现为放热反应。如表6所示，上述2种典型气基竖炉法区别于其他直接还原工艺的优点在于单个设备的产能较高、能耗较低且污染物排放少。

3 炼铁智能化技术研究现状

传统的高炉炼铁流程污染排放以及能量消耗较大，绿色低碳技术的研发正是为了缓解这些问题。此外，由于高炉炼铁流程具有非线性、时滞性和高纬度等特点，同样也面临着黑箱不可视等难题，对其进行智能化升级转型刻不容缓。当下，互联网+、大数据和人工智能等技术的兴起及其与工业的深度融合，也为炼铁工艺的转型升级提供了更多可能性，推动着高炉炼铁向集自动化、可视化、科学管理于一体的先进工业流程方向发展。

3.1 烧结全过程节能减排智能辅助诊断决策系统

于晗等根据烧结全流程的物质流和能量流节点特征将烧结过程分为源头、过程和末端处理3部分。采用精读更高的深度置信网络开展“配料-成矿”预测模型的训练，选取热平衡和元素平衡作为约束条件，进一步提高了模型训练效率和精度。该模型有助于提升配料的智能化控制水平，源头降低燃料消耗（18.9%）和污染物排放（NOx：43.6%，SO2：14.0%，PM：20.1%）；通过风箱负压和温度预测耦合模型的建立与解析，可有效节约烧结过程的电耗达到21.9%；此外，通过将源头和过程中污染物产排信息及时反馈至末端系统，综合研判当前生产状态以指导尾气净化工艺参数的优化，实现操作人员对烧结机运行情况及成矿情况的预测诊断，有助于形成具有显著的节能减排属性的控制策略。

3.2 炉料结构智能优化系统

高炉炉料结构智能优化系统是指在实际高炉生产的基础上，遵循高炉炼铁原理，采用遗传算法，以吨铁配料成本为目标函数，将铁水成分、炉渣成分、有害元素负荷、原燃料加入量和加入比例作为约束条件，计算满足条件的最低成本的配料方案。借助此智能系统的优化技术，准确性、成功率高，可以在满足要求的条件下，在提高铁水质量的同时，降低生产成本。应用改进的遗传算法优化高炉配料结构，吨铁成本由原厂的2050.9元降低到2031.5元，入炉品位提高0.5%，渣量降低27 kg，效果明显。

3.3 高炉模拟技术

高炉是1个巨大的复杂冶炼系统，对于炉内的反应以及可能出现的情况都存在一定的未知性。目前，高炉数学模拟技术成果主要趋向于基于流体力学和离散元法有效结合而形成的数学模型。采用数学模型对高炉进行分析研究，从而推演高炉的内部情况。三维VENUS系统成功显示了高炉炉身的压力波动在时空上的变化，向高炉操作可视化迈出了一大步，为实现高炉精确操作、稳定运行以及降低燃料比提供了有力的帮助。由北京科技大学与北京神网公司合作开发的用于监测高炉冶炼状况、指导高炉操作的多项高炉可视化和仿真技术，取得了良好的效果，并已在国内外推广应用。研发具备特定学习性能和高精确度的神经网络数据预测模型，解析数据自动捕捉到输入输出之间的隐藏关系，对高炉冶炼过程及铁水质量进行科学预测，将有利于提升“铁水一罐制”命中率，进一步挖掘高效生产和节能减排潜力。在高强度连续化的高炉炼铁作业过程中，从降低突变情况对模型拟合度和精准度的影响角度考虑，仍需进一步对高炉模拟技术进行不断的迭代和优化。

3.4 高炉专家系统

高炉是1个封闭的高温高压反应器，生产过程十分复杂，炉况波动较大，炉长依靠经验对高炉进行操作，但并不能保证精准，存在影响高炉顺行的不确定性。以韶钢8号高炉智能专家系统为例（图7），高炉专家系统是以数学模型为基础，结合专家经验和高炉的实时数据判断高炉运行的进程，并贴合实际提出操作建议的一种人工智能系统。该系统的研发可以及时自动地判断冶炼过程中的突发情况，减少因疏忽造成的错误，提高了工作效率，为实现高炉精细精准化操作提供了时间和经验。结果表明：高炉专家系统应用后炉况更加稳定，对于防止炉况失常，减少铁水成分波动以及增铁节焦等方面的效果十分明显。

3.5 电气自动化技术

电气自动化技术早在20世纪80年代在中国得到了广泛应用，其在钢铁工业中也发挥着颇为关键的作用。我国炼铁的电气设备自动化技术主要体现在设备方面、过程方面以及控制系统方面。在设备方面，自动化仪表技术可以提前预警污染物的产生和排放，从而实现节能减排，自动化仪表技术也可以将生产过程中设备内部产生的有毒物质进行分离。目前，大部分高炉设备已完成了自动化改造，既顺应了员工对作业环境和劳动舒适度的要求，又对提高生产效率和降低污染及能耗大有裨益；在过程方面，自动化技术的使用可以使高炉处于一种相对持续和稳定的状态，使得炼铁生产过程更加高效和节能环保。

在控制系统方面，多數企业均开始建立高炉过程自动化控制系统，对高炉炼铁生产过程进行实时监测和科学调控，可随时了解设备的运行情况，及时预判故障的信息，促进高炉冶炼的平顺运行。其中，分布式控制技术（DCS）可以对钢铁的生产现场进行智能指挥，开放式控制技术（OCS）可以帮助控制管理系统利用互联网技术解决钢铁生产过程中的网络问题。此外，计算机集成制造系统（CIMS）与自动化仪表协同可以更多地了解钢铁生产过程中的数据信息，以促进资源的合理配给与充分利用，提升企业的生产效率及产品质量。综上，电气自动化技术的研发与应用显著提升了钢铁行业的智能化发展进程，从而为实现钢铁工业的可持续发展奠定基础。

3.6 工业互联网智慧管控技术

工业互联网是工业向数字化、网络化、智能化发展的基础。目前，以南京钢铁集团的智能化生产管理系统以及沙钢钢铁研究院的智能化炼铁系统大数据平台（图8）较为典型。基于互联网+、5G、大数据云平台和人工智能等，使得各部门之间的大数据相互融合，打破信息封闭的情况，全面获取多源数据样本；再利用信息管理系统对数据进行处理，通过相关数学模型，提高管理信息化、操作智能化水平，使得高炉冶炼可视化，从黑盒子向白盒子过渡。该技术的研发与应用，将有助于操作员对原料、设备运行状态、高炉炉况和产品质量等进行在线监测和实时分析，进而做出科学预警或给出生产方案调整建议，进一步强化处置实际生产过程中多种突变工况的能力，提高高炉的冶炼效率和产品质量。

上述技术的开发和应用使得我们向可视化智能炼铁迈进了一大步，高炉操作人员可以更好地对高炉进行掌控，及时发现异常，提高冶炼效率和高炉使用寿命，保持高炉长期稳定运行。当前，世界钢铁行业加速推进智能化变革，积极引入智能化技术和装备将有助于提升企业综合竞争力。

4 结论与展望

本文系统概述了炼铁工序绿色低碳化和智能化的发展状况，并展望了未来炼铁工序乃至整个钢铁行业的绿色低碳以及智能化发展前景，以期为炼铁行业转型升级提供有价值的科学建议，促进中国钢铁工业技术进步和可持续发展。

4.1 结论

目前，中国高炉炼铁工艺的能源消耗以及环境污染问题仍未得到完全解决。从整个流程来看，需从原料、设备和流程等方面继续挖掘节能减排的突破点，以满足严格、刚性的节能环保政策要求。总体来说，中国在炼铁工艺绿色低碳化以及智能化方面已开展了广泛的研究及应用，在控碳降耗以及提高控制的精准性上均取得了明显效果。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还原剂来减少CO2排放量，三是提高炼铁精料水平。在智能化方面，建立并完善生产工艺的数学模型，将经验值和实时数据带入模型，对运行情况进行预测并给出预判性的优化建议；此外，建立运行状态监管系统，实现操作的智能化和关键生产过程的可视化，与模型预测高效配合，保障各工序的稳定高效运行。

4.2 展望

1）传统炼铁工艺的升级改造方面。进一步优化高炉炉料，强化焦炉/高炉煤气循环利用，提高余热回收利用效率等，有望在炼铁流程的源头和过程中降低能耗和污染物排放。

2）非高炉炼铁技术的优化与应用方面。非高炉炼铁技术大大降低了污染物的排放量，但在降低技术的能耗以及提高生产效率等方面仍有较大的提升空间；深入探索绿氢高效低成本合成、生物质等替煤代焦以及“非高炉-电炉”协同减排等工艺，将有利于形成绿色低碳的钢铁生产模式。

3）炼铁工序的智能化管控方面。在数据的标准化、应用范围的广泛化等方面仍存在不足。未来可以在炼铁大数据平台和参数格式上增强统一规范性，进一步提高炼铁的智能化水平，以科技创新助力炼铁乃至钢铁冶炼技术的绿色低碳化发展。

总之，上述措施形成合力将对进一步推进炼铁工艺乃至整个钢铁行业的绿色低碳化及智能化转型升级提供有力支撑，进而有利于碳达峰、碳中和目标的实现。

本文摘自《环境工程》2023年第S2期