朱仁良

（宝山钢铁股份有限公司中央研究院）

摘　要  准确把握未来炼铁技术发展方向，对钢铁企业实现转型升级和可持续发展具有重要意义。通过系统总结、对比分析当前中国钢铁行业和炼铁工艺面临的形势、国内外炼铁生产技术现状及进展、钢铁行业的一般发展规律，判断今后炼铁技术发展方向短期为厂城共融技术的研发与应用，中长期为低碳、低成本的工艺技术以及智慧制造装备技术的研发与应用。为此，宝钢炼铁厂已经开展了一些尝试与实践，并对未来发展进行了远景规划，以尽快探索出一整套自己独有的、有核心竞争力的未来炼铁工艺技术，助推宝钢炼铁成为行业内最好的炼铁企业。

关键词  炼铁；低碳冶炼；厂城共融；智慧制造

当前，中国钢铁行业处正处在“一严两高”的局面,“一严”是环保政策越来越严；“两高”是钢产量过高、钢铁原燃料价格偏高。从政策来讲，党的十九大和习近平总书记明确指出，要坚决打好污染防治攻坚战。环境治理已经上升到政治高度，并列入党和政府重要工作目标。国务院印发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》；2019年4月22日，五部委联合印发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，进一步提高了中国工业行业的排放要求。从国内行业形势来讲，尽管国家要求去产能、加大环保治理和执法力度，但2019年中国粗钢产量、生铁产量仍分别高达9.96亿t、8.09亿t，同比分别增长8.3%、5.3%。2019年受结构调整和利益驱动，钢铁月均产能屡创历史新高，资源供求关系出现了结构性的转变，原燃料价格大幅上涨，虽然2020年因世界性的“新冠肺炎”疫情影响，原燃料价格回落，但长期来看，钢铁产品出口量大概率将减少，同时产品价格不可避免将进一步降低，钢铁企业铁水成本压力加大，企业效益受到严峻考验。可以预见，今后5~10年内，中国钢材总产量必然要减量化，企业间的竞争将更加激烈。

炼铁作为钢铁制造业“龙头”工序，不仅是能耗和排放大户，也是制造成本最高的单元，炼铁能否既适应城市钢厂的要求，又具有强大的成本竞争力，很大程度上决定了钢铁企业的生存和去留问题。因此，在国家环保政策收紧、钢铁行业减量提质的背景下，探讨和分析未来炼铁技术发展趋势，对广大炼铁工作者正确选择工艺技术路线，确定研发重点和主攻方向，实现炼铁转型升级和可持续发展，具有非常重要的现实意义。

1  炼铁生产技术现状

1.1  主要工艺形式及效能对比

纵观目前世界范围内的炼铁工艺技术，仍是高炉炼铁、直接还原和熔融还原3种。3种工艺流程各有优缺点，对比如下。

1.1.1  效率和规模对比

从总量占比来看，2019年全球铁产量共计约13.77亿t，其中高炉铁水12.78亿t，占比92.8%，占绝对优势；直接还原铁9 006.7万t，占比 6.5%；熔融还原铁约900万t，占总铁水产量的0.7%。

从单体设备最高年产来看，非高炉炼铁装备只能达到最大高炉炼铁的40%左右；从作业率来看，非高炉炼铁最高不超过95%，而高炉最高则能达到99%以上。

1.1.2  能耗与排放对比 

国外研究了“高炉+转炉”、“FINEX+转炉”、“直接还原竖炉+电炉”3种流程中均配加25%废钢的能耗和CO2排放情况，结果见表1。

由于Finex公开的能耗数据有限，难以知晓“Finex+转炉”流程的净能耗，但由表1可知，“直接还原竖炉+电炉”流程并不占优；从碳排放来看，“直接还原竖炉+电炉”占优，直接CO2排放仅为前两者的35%，即使包括间接CO2排放时，也约为前两者的65%。

1.1.3  成本竞争力对比

已工业化的熔融还原工艺中，HIsmelt工艺成本最低，FINEX工艺次之，COREX成本最高，但基本都高于同等规模高炉成本。韩国浦项公开的文献虽然声称其新投产FINEX工艺生产成本只比同规模高炉下降5%，但其同时还强调FINEX与高炉两种流程结合可以发挥合成的作用，使铁水综合成本更低。但迄今为止，在生产运行方面，相对于高炉炼铁，直接还原和熔融还原炼铁工艺仍然没有成本竞争优势。另外，在生产供给炼钢用的普通铁水方面，直接还原和熔融还原炼铁工艺的经济价值也难以体现。

由以上对比分析可知，目前高炉工艺和非高炉工艺的主要优劣势为：高炉炼铁工艺在产量规模和全球普及程度上处于绝对领先地位，但在碳排放、污染物及颗粒物排放上不及直接还原(竖炉)等非高炉工艺，而竖炉(气基)炼铁工艺和熔融还原炼铁工艺在规模和经济性上处于不利地位。

1.2  中国技术发展现状

(1)炼铁排放及烟气治理工艺技术走在世界前列。随着环保政策日益严格，有些排放指标甚至远高于发达国家标准，炼铁排放及烟气治理工艺技术得到大规模研发与应用，部分工艺、技术已经步入世界先进行列。当前很多企业都在投入巨量资金进行环保改造，以尽可能达到“超净排放”，并取得污染天气时政府许可的“不限产或少限产”优惠政策。

(2)高炉炼铁工艺得到了飞跃发展。从新中国建国以来，特别是改革开放以来，高炉生产技术得到了飞速发展，无论是炉容、产量规模、操作水平、技术经济指标，以及与高炉生产相配套的原料、烧结、炼焦技术，都取得了长足进步和发展。目前，中国铁产量世界最高，并拥有世界最大体量的炼铁工艺装备，其中绝大部分是高炉生产工艺。2019年中国高炉铁水产量为8.09亿t，占全球高炉铁水产量的63.3%。

(3)工业化非高炉炼铁发展相对缓慢。虽然中国开展非高炉炼铁技术研究起步较早，但总体来看，近10多年来研发投入和重视程度还是不够，取得的突破性成就也较少，目前较具规模的非高炉炼铁只有宝武八钢的欧冶炉、山东墨龙HIsmelt等工艺，且原创技术都是源于国外。

(4)技术、管理水平发展不平衡。总体水平有提升，但不同地域、钢厂之间差异巨大。部分企业铁前操作指标已处于世界一流或领先水平，但多数铁厂燃料消耗、碳排放长期偏高，高炉平均燃料比较发达国家平均高50～100 kg/t，焦炭灰分及入炉矿石品位较差、不稳定，落后于国外先进水平；炼铁厂多而分散，高炉平均炉容小，劳动生产率低；部分企业盲目追求高冶炼强度，严重影响高炉寿命，国内高炉平均一代炉龄为5~10年，而国外先进水平超过15年。另外，虽然很多企业都宣称在推进铁前系统智慧制造，但实际水平和层次差别较大，一些起步早的企业已经进入自动化、模型化、智能化的阶段，但多数企业仍在基础自动化、信息化阶段，还谈不上智慧制造。

2  未来炼铁技术发展方向研判

2.1  钢铁行业发展规律及新的发展要求

世界钢铁业的发展规律为：随经济发展到一定程度，钢材需求逐步减少并趋向稳定；同时由于废钢量增加，铁水产量必然是减量化趋势。中国粗钢产量增长率及GDP增长率趋势对比如图1所示。由图1可以看出，中国5年移动平均GDP增长率(取5年主要考虑中国经济发展规划均是以5年为周期)及5年移动平均粗钢增长率均进入低速、平稳区间，未来5~10年，保持该趋势是大概率事件。

钢铁业发展到今天，又面临着新的挑战。随着人类对气候变暖的担忧，严格控制温室气体排放成为要求。钢铁行业是碳排放大户，必将是重点监管的对象，国际能源署按照国别及行业统计的CO2排放比例情况如图2所示。

中国政府在巴黎气候大会承诺2030年左右单位GDP的CO2排放降低60%~65%，而钢铁行业CO2排放占中国总排放量的16.02%。另外，发电行业已启动碳排放权交易系统，初期每吨碳价将在30~40 元，专家预测2020年中国碳交易市场碳价为人民币51元/t，2025年为86元/t。由此判断，低碳排放有可能成为中国下一个环保政策要求，一旦执行，高于政策规定或行业平均水平的碳排放必将极大推高铁水成本，因此，低碳炼铁也是决定未来钢铁企业竞争力的关键。

2.2  国外同行趋势及中国形势

国外发达国家同行的研发方向主要聚焦于3个方面：一是基于现有主体工艺进行技术创新和研究；二是大规模开展低碳冶炼工艺和技术研究；三是进一步发展智能与智慧制造，重点是炼铁生产过程的可视化、自动化、智能化技术，尤其是操作控制的模块化，如高炉操作专家系统、生产操作的远程监控与诊断等。

中国钢铁行业由于严格、刚性的环保排放政策，短期内炼铁面临最大的挑战是环保排放问题，但从长远来看，成本竞争力仍是可持续发展的根本保证。前者是保证企业从法律、法规层面生存下来；后者是保证企业从市场层面生存下来。但企业要长久生存，归根到底还是要有成本竞争力。

综合国内外的情况来看，未来炼铁工艺技术必须具备4个方面的特征：一是清洁生产，环保、低排放，与城市共融；二是低碳、节能生产；三是生产过程智慧化；四是生铁成本具有较强竞争力。从时间维度来研判，未来炼铁新工艺、新技术发展方向是：短期内是厂城共融技术的研发与应用；中长期是低碳、低成本的工艺技术以及智慧制造装备技术的研发与应用。

3  宝钢的探索与实践

3.1  推进环保治理，打造与城市共融的绿色炼铁生产线

世界领先钢铁企业经验表明，建设城市钢厂，实现钢厂与城市深度融合是企业发展的必经之路。宝钢炼铁厂以实现生产过程超低排放和固废不出厂为主要目标，深入研究源头和末端协同治理技术，以及厂内固废、城市废弃物的预处理和减量化处理技术，努力打造以超低排放和与厂城共融为标志的绿色炼铁工艺。具体措施有：

(1)对环保设备和设施进行大规模改造。在原来场地上，分步对整个原料场进行了封闭改造；以超低排放为目标，对烧结、炼焦烟气进行治理，目前烧结综合脱硫效率为96.71%，综合脱硝效率为 59.45%；炼焦综合脱硫效率为 92.71%，综合脱硝效率为87.14%，均实现超低排放。

(2)消纳厂内外固废，尽一切努力承担社会责任。高炉和炼焦工序消纳化工废弃物(焦油渣、氧化铁皮、环氧片、萘油渣、轻油渣等)；烧结工序消纳轧钢酸碱污泥、焦化废弃物等；高炉喷吹消纳废塑料、废轮胎等。2019年厂内固废返生产利用总量为114.16万t，取得经济效益2.21亿元，吨铁利用量为76.61 kg/t，返生产利用率为15.2%。另外，2座转底炉已于2020年1月建成投产，可进一步提升固废消纳量。

(3)技术进步减排。聚焦钢铁生产超低排放技术及新型污染因子治理，立项“烟气超低排放技术研究与生产应用”大科研项目，系统策划超低排放的研究。宝钢炼铁厂目前已运用或计划研发的厂城共融技术见表2。

3.2  提高碳利用效率，降低化石燃料消耗，追求低碳冶炼

3.2.1  现有铁前工艺的低碳生产运行

近年来，宝钢炼铁厂在可用总煤量一定条件下，坚持“铁前全系统碳耗最低”为原则组织生产，尤其是注重降低以煤为基础的化石燃料的消耗。高炉采用“平台+漏斗”为主的布料模式，注重降低总焦比,维持较高煤气利用率，控制燃料比在合适水平；同时对铜冷却壁高炉操作进行攻关，克服了铜冷却壁渣皮不稳定、磨损漏水等不利影响，实现了低燃料消耗冶炼；烧结、炼焦等单元也通过系列技术措施将固体燃料消耗控制在较低水平。宝钢炼铁厂高炉、烧结、炼焦单元燃料消耗情况见表3，宝钢高炉燃料消耗与国外先进同行的对比情况如图3所示。

3.2.2  研发未来低碳冶炼技术及工艺

在分析业界主流技术方向并结合未来发展需要的基础上，宝钢正在策划建立具有多功能顶煤气循环氧气高炉工业化试验示范平台，期望形成顶煤气循环高炉富氧冶炼、氢冶金和微波烧结等宝钢独有的未来炼铁核心工艺技术，实现减碳15%的目标。

(1)研发与建设顶煤气循环氧气高炉。以脱除CO2顶煤气循环氧气高炉工艺为核心，以八钢430 m3高炉为原型，建设工业规模试验基地，探索还原剂利用率100%、大幅降低碳排放的炼铁新工艺，主要内容包括：高富氧鼓风(富氧率最高100%)；顶煤气循环利用，煤气脱除CO2、加热后从炉身和风口喷入高炉；高炉煤气CO2脱除技术;煤气加热技术。顶煤气循环氧气高炉工艺示意图及特点说明如图4所示。

(2)开展氢冶金及富氢冶炼研究。氢冶金项目技术路线及目标：第一阶段为低碳冶金，即以高温堆制氢+高炉富氢冶炼+核电取代燃煤自备电站，实现低碳冶金；第二阶段为零碳排放冶金，即以高温堆制氢+高炉富氢冶炼+核电+冶金气加氢制化工原料，在第一阶段技术基础上，结合煤化工技术，将其转化为化工原料，从而实现零碳排放冶金；第三阶段为无碳冶金，即以高温堆制氢+纯氢还原气基竖炉炼铁+核电+电炉炼钢，实现无碳炼钢、冶金行业的产业升级，摆脱对化石燃料的依赖。目前正围绕实现第一阶段目标开展研发，同时也在开展第二、第三阶段的预研究。设想的核氢冶金技术耦合的总体技术路线如图5所示。

3.3  系统策划，阶段实施，建设全流程智慧化炼铁示范基地

宝钢炼铁厂将智慧制造作为实现转型升级、改善作业人员劳动负荷、生产条件的重要手段。从2016年开始，以三号高炉炉前自动化示范性改造为起点，2017年全面启动智慧制造建设，从自动化、无人化、设备在线运维3大方向尝试推进智慧制造。目前进展到先行先试的示范产线向其他产线复制推广、实现由“线”向“面”拓展的阶段，最终，宝钢炼铁厂将建成以环保智慧型料场为起点，包括智慧炼焦、智慧烧结、智慧高炉组成的智慧产线，以及确保智慧产线稳定运行的智慧型设备管理体系。宝钢炼铁厂智慧制造历程如图6所示。

未来5~10年的，宝钢炼铁厂在智慧制造方面的规划与设想如下。

(1)操作无人化、少人化。包括机器人替代“3D”人工作业、机器视觉识别替代人工监控、机器深度学习替代人工决策；到2024年，炼铁厂“3D”作业场所100%实现无人化、少人化。

(2)过程控制运用大数据与数模。包括高炉生产实现全自动闭环控制，闭环控制率大于90%；焦炉生产实现智慧炼焦；烧结生产实现“黑灯”。

(3)全面推进设备在线监测诊断。包括设备在线监测、诊断模型、智能运维平台及移动端互联；到2024年，炼铁厂所有关键设备智能监测覆盖率达100%。

(4)操控集中化、远程化。包括铁前系统的深度整合，即将高炉、原料、烧结、炼焦操作控制全部集中在炼铁控制中心；实现对沪外基地的远程操作与控制，同时将具备对宝钢股份多生产基地具有远程监视与智能诊断的功能。宝钢多基地远程监控网络示意图如图7所示。

3.4  技术、管理措施并举，努力降低铁水成本，提升铁水成本竞争力

3.4.1  立足现有工艺，降低物料消耗及故障损失

(1)优化配煤配矿结构，如开发煤、矿新品种及非主流煤、矿；在保证产品实物质量基础上，优化烧结、炼焦、高炉的用煤、用矿结构。

(2)改善操作指标，降低物料消耗，主要是均衡组织生产，在总用煤量一定基础上，焦炉、高炉联动降低焦比，减少甚至不用外购焦；各工序提升操作水平，降低能介消耗。

(3)强化设备管理，降低故障损失，主要是强化设备管理，降低非计划休风率。

(4)分层级、项目化策划与运作降本增效项目，如策划与运作公司级(本厂或跨部门)、厂部级、分厂级、作业区级降本增效项目等。

3.4.2  推进研发与技术进步，实现技术降本

以“资源宽口径、铁水低成本”为目标，重点研究低价矿煤使用、高炉高利用系数冶炼及稳定顺行长寿技术，形成以灵活的大比例弱黏煤配煤技术、低价非主流铁矿资源使用技术、稳定高效长寿的高炉控制技术为标志的低成本铁水冶炼技术。

(1)高利用系数生产技术，即立足已有工艺条件，提高单机容量或提高单机产能，以提高生产效率，降低消耗、固定成本。如高炉高利用系数生产、超高厚料层(1000 mm以上)烧结、不同冶炼条件下高炉的稳定生产技术等。

(2)高性价比矿煤资源的使用，主要是提高炼焦弱黏结煤、低品位矿的使用比例。如大比例弱黏煤配煤炼焦技术、低价非主流铁矿资源使用技术等。

宝钢炼铁厂近2年来主要物料消耗指标情况见表4。

4  宝钢未来炼铁发展规划

宝钢规划未来发展之路为：比超低排放更清洁的城市钢厂；适应能源结构调整的低碳炼铁；依靠工艺和技术创新的成本变革；以数字化和数模化为基础的智慧制造。

目标为：研发基于低成本条件下的低碳、环保、智慧、高效炼铁技术，形成一批有较大影响力的、引领炼铁行业发展的核心技术，使铁区环保指标、主要经济技术指标、自动化和智能化程度达到行业领先水平，铁水成本在国内处于先进水平，助推宝钢炼铁成为业内最好的炼铁企业。

5  结论

(1)新时代，新要求，在国家环保政策收紧、钢铁行业减量提质的背景下，炼铁工作者必须要准确把握未来炼铁技术发展趋势，才能确定研发重点和主攻方向，结合自身情况选择合适的技术路线，助力企业生存并实现转型升级和可持续发展。

(2)目前炼铁工艺形式各有优劣势，在可预见的未来，高炉炼铁仍将是最主要的炼铁工艺，应充分发挥、挖掘高炉的优势，同时也要努力改善长流程炼铁在排放方面的不足。

(3)研发未来炼铁工艺技术，必须要从社会责任、成本竞争力、可稳定规模化运行的角度综合考虑，否则将难以生存、发展及应用。

(4)为尽快占领未来炼铁新技术的战略高地，中国炼铁业同仁需要精准判断未来发展方向，制订研发规划，加紧研发进度，加大投入，并尽快实现研发到工业生产的应用。