煉鐵系統綠色發展實踐分析

周翔

（冶金工業規劃研究院 北京 100013）

1 前言

近年來，我國鋼鐵工業實現了突飛猛進的發展。2020年，我國粗鋼產量10.65億噸，占全球產量的56.7%。鋼鐵工業的工藝技術裝備、高端產品研發與供給、產品自主供給能力在全球已處于先進水平，尤其是單體設備的生產效率和綠色環保水平更是居于全球領先，鋼鐵產業成為名副其實的中國最具全球競爭力的產業。由于我國鋼鐵工業生產規模和生產流程特點，2020年鋼鐵行業能源消費總量約5.75億噸標準煤，占全國能耗總量比例達11.6%；碳排放量接近全球鋼鐵碳排放總量的60%以上，是我國碳排放量最高的制造行業；全年鋼鐵行業產生高爐渣、鋼渣和含鐵塵泥量分別約為3.1億噸、1.3億噸和0.8億噸，固廢產生量巨大。展望“十四五”乃至到2035年，鋼鐵行業面臨的能源、環境和碳達峰壓力仍然很大，超低排放改造要向全行業推廣普及，走綠色發展之路是鋼鐵行業發展必然趨勢。

2 發展實踐

2.1 相關政策

2012年6 月發布的《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》（GB28662），對鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準提出了明確的指標要求，其中燒結機、球團焙燒設備各類污染物項目限值分別為：顆粒物50mg／m3、二氧化硫200mg／m3、氮氧化物（以NO2計）300mg／m3；燒結機機尾、帶式焙燒機機尾、其他生產設備顆粒物30mg／m3。執行大氣污染物特別排放限值地區更加嚴格，燒結機、球團焙燒設備各類污染物項目限值分別為：顆粒物40mg／m3、二氧化硫180mg／m3、氮氧化物（以NO2計）300mg／m3；燒結機機尾、帶式焙燒機機尾、其他生產設備顆粒物20mg／m3。同期發布的《煉鐵工業大氣污染物排放標準》（GB28663）則對煉鐵工業大氣污染物排放標準提出了明確的指標要求，其中熱風爐各類污染物項目限值分別為：顆粒物20mg／m3、二氧化硫100mg／m3、氮氧化物（以NO2計）300mg／m3；原料系統、煤粉系統、高爐出鐵場、其他生產設施顆粒物25mg／m3。執行大氣污染物特別排放限值地區熱風爐各類污染物項目限值分別為：顆粒物15mg／m3、二氧化硫100mg／m3、氮氧化物（以NO2計）300mg／m3；高爐出鐵場顆粒物15mg／m3，原料系統、煤粉系統、其他生產設施顆粒物10mg／m3。

2019年12 月，工業和信息化部發布行業標準《鋼鐵行業綠色工廠評價導則》（YB／T4771—2019），該標準于2020年4月1日開始實施。其中，對鋼鐵行業綠色工廠定義為實現了用地集約化、原料無害化、生產潔凈化、廢物資源化、能源低碳化的工廠。涉及煉鐵系統的相關要求包括：工廠燒結、煉鐵等重要工序生產裝備宜無產業機構調整目錄中限制類裝備；工廠燒結（球團）、煉鐵等生產工序應采用先進、適用的節能技術和裝備，減少能源消耗；工廠應加強余熱余壓余能等二次能源回收利用，提高能源效率；工廠的燒結（球團）、煉鐵等工序大氣污染物排放要求應符合GB28662、GB28663等要求。高爐入爐料、高爐燃料比等原材料消耗指標，高爐渣利用率、高爐煤氣利用率等應達到《鋼鐵行業清潔生產評價指標體系》規定的Ⅲ級指標要求，并努力達到Ⅱ級和Ⅰ級指標要求。燒結、球團、高爐煉鐵等工序能耗應達到GB21256等標準限定值要求，并努力達到準入制和先進值指標要求。目前全國鋼鐵行業6批，共有91家鋼鐵企業已達到國家級綠色工廠相關標準要求。

2018年12 月，國家發展和改革委員會、生態環境部、工業和信息化部聯合發布的2018年第17號《關于發布鋼鐵行業等14個行業清潔生產評價指標體系的公告》，其中對燒結、球團、煉鐵工序能耗分別設置了Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級基準值。燒結工序分別為：≤45kgce／t、≤50kgce／t、≤58kgce／t（不含脫硝）；≤49kgce／t、≤54kgce／t、≤62kgce／t（含脫硝）。球團工序分別為：≤15kgce／t、≤24kgce／t、≤36kgce／t。煉鐵工序分別為：≤380kgce／t、≤

390kgce／t、≤400kgce／t。

2019年4 月，生態環境部、國家發展和改革委員會等5部委聯合發布《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》（環大氣［2019］35號）。其對鋼鐵企業煉鐵系統的工序環節分別從有組織排放、無組織排放以及運輸過程提出了具體的排放指標要求，涉及煉鐵系統有組織排放控制指標包括：在16%的基準含氧量條件下，燒結機機頭顆粒物、二氧化硫、氮氧化物小時均值排放濃度分別不高于10mg／m3、35mg／m3、50mg／m3；煉鐵熱風爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物小時均值排放濃度分別不高于10mg／m3、50mg／m3、200mg／m3；高爐出鐵場、高爐礦槽顆粒物小時均值排放濃度不高于10mg／m3。目前，全國鋼鐵企業中已有24家企業完成全工序超低排放公示，10家企業達到環保績效A類企業標準。

2.2 技術應用

鋼鐵流程綠色化即鋼鐵產品在生產制造過程中，通過低能源消耗、低污染排放、低資源消耗的工藝技術及相關應用，實現工序環節過程的節能低碳、環保減排和循環利用。鋼鐵流程綠色化應用的重點技術主要有：

（1）燒結微負壓點火技術。該技術通過點火時采取適宜、穩定的微負壓控制技術，增加助燃風預熱，對點火爐燒嘴進行改進，既能減少漏風，節約能源，實現綠色減排，同時也能提高燒結礦的質量，利于整個工序的節能降耗。目前，在南鋼、湘鋼等企業燒結機有應用實踐。

（2）厚料層燒結、降低漏風率技術。燒結使用厚料層通過料層燃燒時產生自動蓄熱效益，可有效減少漏風，降低能耗，并提升燒結礦的品質［1］。采取厚料層燒結技術和降低漏風率措施，可實現增產、節能減耗以及提高燒結礦質量，目前在全國90%以上企業的燒結生產過程中有所應用。

（3）燒結煙氣綜合治理技術。燒結煙氣污染治理是整個鋼鐵流程實現超低排放最重要的工序之一，生態環境部發布的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》中對燒結機頭煙氣的排放提出嚴格要求。目前，燒結工序脫硫脫硝一體化技術的應用從末端治理的方式來達到相關要求，應用較為廣泛的工藝路線包括電除塵器＋活性焦脫硫脫硝技術工藝和循環流化床脫硫＋SCR脫硝技術等。山鋼日照公司、首鋼京唐公司、新興鑄管等企業應用實施后，相關監測機構開展的連續性有組織污染源評估監測結果顯示，完全可以達到超低排放有關要求。

（4）高爐煤氣精脫硫技術。高爐煤氣中的有機硫含量較高，是環保治理中的難點。在生產環節中，其用戶分布于鋼鐵廠各個區域，采用常規末端治理的方式會存在點位多、投資高、影響高爐煉鐵生產等弊端，為解決以上問題，采取源頭控制方式，實施高爐煤氣精脫硫，是有效的治理技術路徑之一。

（5）余熱余能回收技術。余熱余能回收是全廠性的節能減排、綠色發展的重要手段。回收篩選后焦粉二次利用、利用高爐爐頂煤氣余壓回收透平（TRT）發電、高爐煤氣干法布袋除塵回收煤氣顯熱、水渣余熱回收利用，提升二次能源利用效率［2］等均是節能與循環利用，踐行綠色化發展的理念。

（6）資源綜合利用技術。開展資源綜合利用，多種方式回收利用工業副產品如高爐渣、除塵灰等可助力煉鐵系統實現綠色發展。高爐渣是煉鐵工序產生量最大的固體廢棄物資源，通過水沖冷卻是目前常用的爐渣處理方式，將煉鐵產生的大量水渣制成礦渣微粉替代水泥使用是廢渣利用的重要手段。對于各類除塵灰，由于其產生的工序環節不同，綜合利用的方式也有所區別。一般除塵灰經收集后，或再次配料、或采取冷壓球團調配使用等方式進行循環利用。

3 路徑分析

在長流程鋼鐵生產工序中，煉鐵系統能耗和污染物、碳排放占比較大，占鋼鐵全流程總能耗和排放70%左右［3，4］，其綠色發展指標基本能代表全流程工序的整體水平。進一步提升煉鐵系統的綠色發展水平，探索分析有效路徑，具有十分重要的現實意義。

3.1 利用數字化、智能化工具，實施綠色智能交叉應用

綠色發展需要數字、智能工具來進行支撐、促進與提升。節能減碳、綠色環保、資源綜合利用等綠色發展實踐與數字化、智能化工具之間，煉鐵系統與鋼鐵全流程之間都是整體性關系，不能孤立地對待。

目前，煉鐵系統綠色智能交叉應用較為成熟普遍的場景包括能源管控中心對能源系統的生產、輸配和消耗環節實施集中統一扁平化、數字化管理。例如，高爐操作過程應用專家控制系統［5］，預測高爐煤氣等關鍵介質的產出，并實時開展平衡調度；對過程數據進行分析和管理，反向給予生產主工藝運行提供優化操作參考和決策支持。將數字化手段與環保無組織排放治理結合起來，以管控治一體化平臺架構為核心，采用大數據分析技術，將原料場、燒結、煉鐵等區域無組織排放源實現可視化、清單化，開展智能圖像識別，運用集中控制系統，將識別模塊與相對應的污染治理手段形成閉環聯動，實現精準治理。此外，隨著國家提出雙碳任務目標，鋼鐵行業作為碳排放量最高的制造業行業，煉鐵系統首當其沖。以智能采集核算技術、優化分析模型及云環境部署設計，構建“數據監測—集成化對標—工序目標考核分解—預測及潛力分析”相耦合的動態碳排放全過程管控與評估平臺，可實現監測、報告與核查全過程管控，有效推動鋼鐵企業實現綠色低碳、智能轉型升級。

3.2 鼓勵成熟、可靠的工藝技術路線，走出高效綠色發展路徑

煉鐵系統的工藝技術發展是一個逐步創新、優化提升的過程，其中不乏層出不窮的新工藝、新技術。鼓勵前沿性的技術創新和研發，在大規模的應用實踐推廣時，要確保應用工藝原理、操作過程、工程實踐的成熟可靠，做到大膽創新、謹慎試驗、高效推廣，促進行業高質量轉型升級。

提高入爐品位、優化爐料結構有利于提高生產和能源利用效率，綜合入爐品位升高1%，綜合焦比可降低1% ～1.5%，同時可實現產量提升2%～2.5%。推行動態有序、協同連續、精準高效的現代高爐操作理念，提升高爐操作水平有利于煉鐵系統節能減排。開展關鍵節能減污技術創新，持續優化終端用能結構，通過采用先進生產工藝、技術措施及管理手段，避免或減少生產過程中消耗的不合理能源介質。其他成熟可靠的節能減排技術還有富氧鼓風、脫濕鼓風、低硅冶煉、高爐熱風爐智能燃燒系統、加熱爐黑體強化輻射等。尤其是富氧鼓風技術對于高爐煉鐵節能減排優點眾多，提高高爐富氧率可以有效提高高爐產量和噴煤量，降低焦比，提升高爐生產綜合經濟性。鋼鐵生產具備能源加工轉換功能，煉鐵系統應充分利用廢熱、廢氣和余壓等二次能源，如設置熱風爐余熱利用裝置回收熱風爐煙氣余熱，利用高爐沖渣水余熱產生熱水和蒸汽用于供熱、發電，通過TRT技術回收爐頂煤氣余壓，回收爐頂均壓等。

3.3 探索前沿、突破性技術，打造綠色創新發展模式

探索研究煉鐵系統突破性的綠色發展新技術如新能源可再生能源應用、氫冶金、全氧高爐等，是未來煉鐵綠色發展的方向和趨勢。加快發展新能源和可再生能源的應用，積極推進清潔能源替代，提高使用占比，實現多能互補，是鋼鐵工業推動綠色發展的必要手段。

應積極采用太陽能、氫能等清潔能源，如建設屋頂光伏電站，這樣不僅可以實現能源的就近高效利用，還可以降低環境污染；高爐采用富氫焦爐煤氣噴吹技術，替代部分噴吹煤，可降低碳排放。目前，正在研究并取得一定進展的氫冶金技術路線主要包括：開展焦爐煤氣低成本制富氫、純氫氣體技術，形成適合發展不同氫冶金技術的低成本制氫技術路線。以發展高爐富氫還原煉鐵技術應用為重點，充分利用焦化副產焦爐煤氣資源，開展高爐噴吹焦爐煤氣高效替代噴吹煤工業應用。非高爐煉鐵工藝不依賴于焦炭，能源選擇范圍廣，環境負荷低、流程短，從根本意義上減少燒結、球團、焦化等作業工序中產生和排放各種污染物的現象［6］。迄今為止，全球已實現工業化生產的熔融還原、直接還原等非高爐煉鐵工藝技術有十余種。

3.4 配套強有力的政策保障，提高綠色發展的經濟性和競爭力

開展鋼鐵流程的綠色發展轉型工作，尤其是針對煉鐵系統實現節能減排、綠色發展離不開政策支持，提升其比較優勢和經濟性、競爭力。從政策層面、戰略層面鼓勵支持原始創新以及技術改造，將綠色發展的工藝技術經濟性優勢突出體現出來，提升企業主體的積極性和主動性，更好地促使相關技術落實應用到生產工序一線。

在一系列的引導性、差別化、傾向性政策上，分類施策、差異化引導，讓實現綠色轉型的企業在市場競爭中受到鼓勵和支持，得到實實在在的效益。如部分省區市針對綠色績效企業、綠色工廠實施差別電價、水價政策，錯峰限產方案制定過程中將綠色發展作為重要考核因素，實施綠色信貸，降低發展融資成本等措施手段已經起到了十分明顯的效果，帶動了煉鐵系統以及鋼鐵企業整體綠色發展水平的轉變和提升。

4 結論

綠色轉型是未來一段時間鋼鐵企業實現高質量發展的重要方向之一。作為主要綠色指標占比最高的煉鐵系統，需要結合日益嚴格的綠色發展標準、政策、要求，繼續強化技術創新，在已有綠色技術應用實踐的基礎上不斷探索新的實施路徑。立足于發揮數字化、智能化手段，促進綜合交叉應用的倍增作用；致力于成熟、可靠的工藝技術路線，蹚出經濟高效的實施路徑；面向于前沿、新興研究領域，打造革命性的綠色創新發展模式；基于配套一系列針對性、可落地的政策措施，提升綠色發展的積極性和動力。科技創新、行業引導、企業實施、政策支撐，必將為鋼鐵工業，尤其是煉鐵系統綠色發展描繪出更為清晰、有效、高質量的路線圖。