对中国炼铁实现高质量发展的思考

炼铁系统能耗、环保投入等占钢铁长流程生产的70%左右，在钢铁长流程生产中重要性凸显。

本文采用下游行业分析预测法和GDP（国内生产总值）消费强度法两种方法，对2020年~2030年中国钢材需求进行预测，从中长期、整体的角度来看，中国钢材实际消费呈现“弧顶”+“下降通道”的走势，但不排除一些年份的波动反复。随着中国经济由高速增长向高质量发展转变，中国逐渐成为制造强国和创新型国家。炼铁业在发展理念、技术创新、降本增效、标准引领、智慧制造和低碳及氢冶金等方面已进入高质量发展的新时代。

减量调整

进入21世纪以来，亚洲地区生铁产量增长尤为突出，中国、韩国和印度等生铁和直接还原铁产量的增长引领全球铁产量的增长。“十五”至“十二五”时期，中国炼铁产量进入两位数的高速增长时期，进入“十三五”时期，炼铁产量增速趋缓，但仍保持个位数的增速。与此同时，中国生铁产量占世界生铁产量的比重趋于稳定，但已超过半壁江山（见图1、图2），产量过高和以长流程钢铁生产方式为主（2018年我国铁钢比为0.83，全球铁钢比平均为0.69，不包括中国的全球平均铁钢比为0.55）给节能减排（减少CO2、烟粉尘、SO2、NOx排放等）和降低成本（铁矿石价格高企）带来巨大压力。

从图1可以看出，“十五”至“十三五”时期，炼铁增长率由两位数增长逐渐下降至个位数，这由经济发展的客观规律（由高速增长向高质量发展转型）所决定。随着我国钢铁积蓄量持续增加，废钢的供应量持续增加，高炉铁水比例相对钢产量逐渐下降或铁水产量绝对下降是一个趋势，但不排除个别地区一段时期内高炉铁水产量增加的情况发生。同时，随着电炉炼钢铁水比例减少，短流程新建电炉投产和转炉废钢比增加，我国高炉炼铁产量逐步下降将是大概率事件。钢铁发展的时代主题已经由“增量、扩能”转变为“减量、调整”，减量调整时代已然来临，但会波动反复。

技术创新

我国钢铁行业自主开发了如下炼铁新技术，通过技术进步、转型升级和创新发展，实现炼铁高质量发展。

节能减排：烧结烟气循环技术

目前烧结烟气循环利用技术已有不同的流程在欧洲、日本和中国等钢厂应用。生产实践应用表明，烧结烟气循环技术可减少烧结烟气的外排总量及外排烟气中的有害物质总量，是减轻烧结厂烟气污染的最有效手段；可大幅降低烧结厂烟气处理设施的投资和运行费用；可减少外排烟气带走的热量，减少热损失、CO二次燃烧，降低固体燃耗。

经过不断地创新和发展，国内外目前主要有5种烟气循环利用的工业化烧结技术方案：EOS、LEEP、EPOSINT、区域性废气循环和烧结废气余热循环技术。烟气循环烧结工艺可使烧结生产的各种污染物排放减少45%~80%，降低固体燃耗2千克/吨~5千克/吨或降低工序能耗5%以上。

烧结竖罐冷却及余热发电技术

竖罐冷却热烧结矿及余热发电装置可替代烧结机环冷机、带冷机作为新建项目的烧结工艺冷却设备，也可替代既有烧结的环冷机、带冷机，实现热烧结矿显热的高效回收；特别是对于既有的步进式烧结机，采用竖冷窑替代机上冷却功能，将原机上冷却段改为烧结段以加大烧结面积，使原烧结机产量提高约70%，同时烧结矿显热可实现高效极限回收。采用竖罐冷却技术代替环冷机或带冷机，冷却风供风总量可减少一半左右；热烟气可100%回收，且温度约可提高至450摄氏度以上，余热回收效率显著提高，余热回收总量与环冷机相比可提高60%~80%。

提质增效：强力混合机技术在烧结的应用

强力混合机在烧结机应用可取得如下效果：混匀效果提高，制粒效果增强，透气性提高10%，焦粉添加比例降低0.5%，烧结速度提高10%~12%，生产能力提高8%~10%。

近年来，全球范围内有不少钢厂在烧结中应用了强力混合机技术。2012年巴西Usiminas公司在200平方米烧结机改造项目中应用了强力混合机；2013年安赛乐米塔尔比利时根特厂在220平方米烧结机改造项目中采用了强力混合机，奥图泰（Outotec）公司近年来在巴西新型联合钢厂、印度塔塔钢铁、印度国家矿业开发公司、印度钢铁管理局等公司的大型烧结项目中采用强力混合机代替圆筒混合机和制粒机进行混合并制粒；2015年本钢板材率先在566平方米新建烧结项目上采用立式强力混合机，中国宝武集团宝钢股份、山西建邦钢铁、江苏长强钢铁等烧结机均在一混前增加强力混合机的应用。

炉料优化：熔剂性球团矿和高比例球团矿冶炼技术

球团生产能耗和污染物排放量远低于烧结。目前，球团矿配比在13%左右，明显偏低，未来应提高至30%以上，从炉料结构上促进高炉炼铁绿色发展。按现有酸性球团矿品质和烧结矿工艺来看，球团矿配比达到30%是可以实现的，但要达到60%以上则需要使用熔剂性球团矿。因此，钢铁行业和企业应重视对熔剂性球团矿技术和高比例球团冶炼工艺技术的研究与技术储备，在未来发展中要重视炉料结构的优化，并配套完善措施。

产城共融：高炉冲渣水余热回收技术

北方地区部分钢厂利用高炉冲渣水进行采暖，将其作为浴池用水或用于钢铁企业的鼓风预热、除盐水预热、混料加热、设备除湿热水等供应。高炉冲渣水余热回收利用回收期短，经济效益显著，为钢厂发展多元产业提供了新的途径；替换燃煤锅炉采暖，解决了燃煤锅炉外排SO2等污染物的问题，从源头上大大减轻了雾霾。同时，使用高炉冲渣水，不需要购买燃气、不需要储存燃煤的仓库，还取消了运输燃煤的物流环节，使得人力、物力成本大大减少，并有效解决了城市供暖资金短缺的问题。

南方地区开发低温余热资源最成熟的技术——有机朗肯低温余热发电技术（ORC），将高炉冲渣水余热回收用于低温余热发电，为加速城市型钢厂绿色转型、融入城市经济圈提供了重要支撑。

创新发展：煤气变压吸附技术

高炉煤气提纯（或浓缩）采用变压吸附（VPSA）方式将高炉煤气中的主要可燃气体CO进行提纯（或浓缩），根据用户需求得到含40%~99.99%CO产品气。该产品气可作为高热值燃烧气体（燃料）、高炉还原性气体，还可用于生产化工产品如合成氨、甲醇、醋酸和二甲醚等。存在富余高炉煤气或放散现象严重的钢企，可将富余高炉煤气采用变压吸附提纯后进行高炉炉顶煤气循环，用于高炉喷吹可大幅度降低入炉焦比，实现低碳炼铁和节能减排；也可将高炉煤气提纯得到的含70%左右的CO替代天然气、液化气使用，缓解煤气资源紧张，用于轧钢加热炉或退火炉，可减少外购天然气，降低企业生产成本。该技术已在国内某钢厂成功投运。FINEX炉顶煤气经变压吸附提纯后循环使用，燃料比（煤比）下降明显，实现了低碳炼铁，降低了生产成本。

降本增效

在产品同质化竞争和市场充分竞争的背景下，成本竞争力逐渐成为核心竞争力。钢企的总成本可分为制造成本、管理费用、财务费用、销售费用4个部分，其中制造成本约占总成本的65%左右，而制造成本中约有70%属于铁前工序。从近期看，成本高低与工艺、技术和管理水平等有关，是可改变的竞争因素。生铁对标挖潜分析可促进企业通过技术进步和管理改善降低成本。铁前系统对标挖潜、降本增效应围绕优化焦化配煤结构、优化烧结混匀料配比、优化球团矿配比、优化高炉入炉原料结构、优化高炉燃料结构、优化原燃料采购结构、优化物流贮运和优化二次能源利用等8个方面进行优化。

标准引领

目前，标准业已成为国际市场竞争的制高点。近年来，冶金工业规划研究院在铁前工序开展标准化工作，引领炼铁业转型升级和创新发展。

《4000立方米及以上高炉入炉原燃料技术要求》（计划号2016-1683T-YB）已通过工信厅科[2016]214号2016年第四批行业标准立项；《烧结烟气循环利用技术规范》（计划号2017-0078T-YB）已通过工信厅科[2017]40号2017年第一批行业标准立项；《强逆流混合机》（计划号2017-0442T-YB）已通过工信厅科[2017]70号2017年第二批行业标准立项；料刮板取料机、烧结用生石灰消化器、烧结球团混合料水分在线检测系统技术规范等标准正在拟定中；未来将有更多炼铁和原燃料、烧结、球团等标准陆续推出。

智慧制造

近年来，中国宝武集团宝钢股份在三高炉炉前作业自动化、焦炉电车无人化、原料场堆取料机远程化、高炉控制中心等智慧制造项目持续推进。宝钢股份通过建成启用的高炉控制中心，积极探索多基地协同的具有世界先进水平的高炉生产管理模式，推行远程信息化支撑体系，实现专家远程指导，有效提高操作协同指挥、远程支持效率，打造高炉“智慧芯”；在以移动技术提高专家对高炉操作指导的效率，做到“全天候”护航的同时，通过不断优化系统功能，实现了报表电子化、4座高炉的操作一体化和高炉专家系统的全覆盖。宝钢股份未来还将以高炉生产智能化为核心，以数值模拟、人工智能、大数据等主要技术，以高炉理论计算和生产状态判断经验为评价标准，以专家系统为实施途径，建设数字化高炉，引领生产技术新革命。高炉控制中心包含集中控制、智慧维检、远程诊断支持及多基地协同中心，不仅实现了4座高炉控制室物理意义上的合一，而且注重有机融合，通过一体化的操作平台统一规范和标准，可强化交流、协作和互补，有效提高生产效率和操作水平。

韶钢智慧中心的建设将42个中控室合并为1个集控中心，为无边界协同奠定基础。目前，已经实现的协同包括以高炉为中心的铁区一体化协同以及铁区和能介跨区域的大协同，从而彻底打破区域和工序间的传递边界，有利于高效管理和生产。集控后，韶钢铁区人事效率提升30%，控制系统运行效率提升60%。

低碳和氢冶金

为应对气候变化，国外冶金行业制订了低碳技术路线图和低碳炼铁研究项目。中国也在低碳炼铁技术作了大量工作，并取得初步成果。

欧洲超低CO2排放技术（ULCOS）

项目分3个阶段实施。

ULCOS Ⅰ（2004年～2010年）：理论研究和中试试验阶段。4个最有前景技术：高炉炉顶煤气循环（TGR-BF）、新型直接还原工艺（ULCOSRED）、新型熔融还原工艺（HIsarna）和电解铁矿石（电解冶金法ULCOWIN、电流直接还原工艺ULCOLYSIS）。

ULCOS Ⅱ（2010年～2015年）：工业示范阶段，通过对欧洲几个综合型炼钢厂的设备进行改造，建立中试装置，并对这些方案的工艺、装备、经济和稳定性等因素进行了检验和完善。

ULCOS  Ⅲ（2015年～）：建设第一条工业生产线，最终实现吨钢CO2减排50%。

日本创新的炼铁工艺技术（COURSE50）

COURSE50目标是通过开发CO2吸收液和利用废热的再生技术，实现高炉煤气的CO2分离和回收，进而通过与地下、水下CO2贮留技术革新相结合，将向大气排放的CO2减至最小。其主要研发的技术包括用氢还原铁矿石的技术开发，焦炉煤气提高氢含量技术开发，CO2分离、回收技术开发，显热回收技术开发等。减排目标如果能够实现，即可使CO2减排30%（使CO2排放从1.64吨CO2/吨粗钢降低到1.15吨CO2/吨粗钢）。但考虑此时需要以某种形式补充焦炉煤气的能量，因此考虑是否可应用核电等不产生CO2的能源。

韩国开发氢还原炼铁

浦项制铁与韩国核能研究所合作，共同开发第四代核反应堆，从而能够产生950摄氏度以上的高温和以低廉的成本生产出大量的氢。

氢还原炼铁法4项核心技术：氢气增幅技术，通过焦炉煤气（COG）改质，提高COG中氢含量，使其达到高炉氢还原要求；实际操作中的全新技术开发，氢气吹入技术、炉内化学反应最佳化技术、难还原矿及低品位矿石还原技术、焦炭烧结矿炉渣品质设计技术等实际操作中需要的全新技术开发非常重要；超耐热超耐腐蚀原材料开发，需要先行开发可以储藏高温、高压氢气和在900摄氏度以上的高温下的超耐腐蚀高温材料；利用氢气的直接还原铁（DRI）生产技术，开发利用氢气，将铁矿石在固体状态下直接还原成DRI的生产技术，从而使用DRI替代在电炉中使用的高级废钢。

美国低碳炼铁技术

美国钢铁协会目前正致力于降低钢铁工业CO2排放的技术研发项目分别是：用氢闪速熔炼生产生铁，用氢或氢和CO混合物做燃料，替代炼铁生产过程中所用的煤和焦炭，目前该研究仍处于初步阶段；熔融氧化物电解研究，由MIT材料科学工程系科研团队在实验室利用环境更加友好的熔融氧化物电解工艺成功地获得了生产铁的新方法；熔融氧化物电解工艺与常规金属生产技术有着明显的不同，是用电流通过液态氧化铁，将其分解成为铁水和氧气，生产完全不含碳的铁，因此不产生二氧化碳；新型悬浮炼铁技术、二氧化碳地质储存研究等。

碳冶金与氢冶金循环

中国宝武根据钢铁行业当前面临的外部环境与发展趋势，及时将工艺技术创新的重点转向绿色、环保领域，根据自身积累的技术研发资源，结合企业的实践探索，从钢铁冶炼的基本原理出发，通过计算各种不同能源品种（碳、氢、电）在炼铁还原和升温过程中所消耗的数量及对应的直接与间接排放量，在考量不同能源品种的市场价格后，综合平衡最优成本与最低排放之间的关系，确定了中国宝武低碳炼铁工艺技术创新路线图：高炉COREX化；最大限度提高还原剂利用率；加热方式改为电加热或其它热源；重点发展四大减碳技术——炉顶煤气循环氧气高炉、复合喷吹、新型炉料、微波烧结，实现从20世纪“氧时代”到21世纪“氢时代”过渡。

新时代，炼铁业通过减量调整、技术创新、降本增效、标准引领、智慧制造、低碳和氢冶金等转型升级及创新发展，实现炼铁高质量发展。

技术创新的方向主要有：烧结烟气循环工艺、强力混合机在烧结机中的应用、烧结竖罐冷却和余热发电技术、高比例球团矿生产和应用、高炉冲渣水余热回收利用技术、煤气变压吸附技术等（如图3所示）。