轉底爐節(jié)能技術發(fā)展路徑與行業(yè)趨勢研究：政策驅動下的創(chuàng)新實踐

路永

河北津西鋼鐵

0  引言

作為現(xiàn)代鋼鐵冶金流程中的關鍵設備，轉底爐在金屬化球團生產(chǎn)、含鋅粉塵處理及資源綜合利用領域發(fā)揮著不可替代的作用。在國家“雙碳”戰(zhàn)略深入實施的背景下，鋼鐵行業(yè)面臨著前所未有的節(jié)能減排壓力，2023年我國鋼鐵行業(yè)碳排放量約占全國總量的15%，能源消耗占工業(yè)總能耗的25% 。轉底爐的能效提升已成為行業(yè)綠色轉型的核心環(huán)節(jié)。2024年6月，國家發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布的《鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳專項行動計劃》明確要求，到2025年底，轉爐工序單位產(chǎn)品能耗需較2023年降低1% 以上，余熱余壓余能自發(fā)電率提高3個百分點。這一政策背景為轉底爐節(jié)能技術創(chuàng)新提供了強大驅動力。本文將從關鍵技術措施、國家政策支持、發(fā)展趨勢及典型案例四個維度，系統(tǒng)分析轉底爐節(jié)能領域的最新進展，為行業(yè)低碳發(fā)展提供技術參考和實施路徑。

1 轉底爐節(jié)能關鍵技術措施

1.1 熱工系統(tǒng)優(yōu)化與精準控制

熱工系統(tǒng)的優(yōu)化是轉底爐節(jié)能的基礎，核心在于實現(xiàn)能源輸入與工藝需求的精準匹配。寶鋼股份寶山基地通過風機系統(tǒng)節(jié)能改造，對兩套25萬噸轉底爐生產(chǎn)區(qū)域的21套大中型風機開展節(jié)能評估，最終選取18套實施改造。項目采用二元流葉型優(yōu)化技術，以樣條曲線葉型取代后向直板葉型，CLARK-Y翼型替代雙凸面非對稱翼型，并增設6套變頻調速裝置。改造后風機機組平均小時能耗下降1129kW，綜合節(jié)電率超過30%，年節(jié)電量達800萬度，同時解決了預處理烘干除塵風機易超電流運行的問題。

在燃燒控制方面，蓄熱式燃燒技術的應用顯著提升了熱效率。我國首臺金屬化球團轉底爐（100m²爐底）采用預熱助燃風技術，將煤氣加熱至400℃、助燃風預熱至800℃，使高溫廢氣余熱梯級利用于烘干生球，有效降低了外部能源輸入。永鋼集團則在智能轉底爐工廠中構建了專屬能源管理平臺，通過5G技術實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)采集與公司級能源調度系統(tǒng)的無縫對接，使工序、班組、產(chǎn)品的能源精細化管理成為可能，從系統(tǒng)層面優(yōu)化了能源使用效率。

1.2 余熱余能高效回收技術

轉底爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量中高溫煙氣蘊含著豐富的余熱資源，傳統(tǒng)濕法回收技術因存在煤氣爆炸風險且能源利用率低，正逐步被全干法技術取代。中科院力學研究所開發(fā)的全干法余熱回收系統(tǒng)通過三重創(chuàng)新實現(xiàn)突破：采用煤氣成分實時監(jiān)測與惰性氣體注入聯(lián)動控制的防爆抑爆系統(tǒng)；開發(fā)耐塵涂層換熱管，適應煤氣含塵量>100g/Nm³工況的高效換熱裝置；以及通過大容量蓄熱器平衡間歇性煤氣產(chǎn)出的蒸汽蓄熱穩(wěn)流技術。該技術在示范項目中實現(xiàn)噸鋼蒸汽產(chǎn)量增加60kg，年經(jīng)濟效益超1200萬元/100噸轉爐，推動工序能耗降低3-5kgce/t。

在余熱發(fā)電領域，技術集成模式不斷創(chuàng)新。津西鋼鐵的12MW轉爐飽和蒸汽發(fā)電機組利用煙氣余熱產(chǎn)生飽和蒸汽驅動汽輪機，年節(jié)能量達16.1萬噸標煤，獲得國家財政獎勵4840萬元?！朵撹F行業(yè)節(jié)能降碳專項行動計劃》特別強調推廣燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）、超高溫超高壓發(fā)電等高效利用技術，鼓勵將鋼鐵低品位余熱用于城鎮(zhèn)供暖供冷，實現(xiàn)能源的梯級利用。

表1：轉底爐主要余熱發(fā)電技術經(jīng)濟效益對比

1.3 智能化控制系統(tǒng)應用

轉底爐的智能化控制是節(jié)能領域的新興方向，通過數(shù)據(jù)驅動的精準控制大幅降低能源浪費。永鋼5G固廢利用智能轉底爐工廠構建了多維度數(shù)字控制系統(tǒng)：大屏駕駛艙系統(tǒng)實時展示設備運行狀態(tài)和環(huán)保參數(shù)；基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設備狀態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)故障預測與微檢修；人員定位健康監(jiān)控系統(tǒng)保障作業(yè)安全。該工廠設備數(shù)字化、智能化覆蓋率高達99%，自動化信息采集率達到95%，大幅降低了非計劃停機導致的能源損失。

在工藝控制層面，激光氣體分析技術的應用實現(xiàn)了質的飛躍。NextGen®、LASIRTM-R等原位激光分析儀可實時監(jiān)測轉爐煙氣成分，響應速度較傳統(tǒng)萃取法提升3倍，維護成本降低40%，為轉底爐還原氣氛的精準控制提供了數(shù)據(jù)基礎。鞍鋼260t轉爐應用的數(shù)字孿生系統(tǒng)通過一級基礎自動化與二級過程控制協(xié)同，優(yōu)化了氧氣供應與溫度曲線配合，成功降低氧氣消耗2.5Nm³/t，提高金屬收得率0.8%。

1.4 固廢協(xié)同處理與資源回收

轉底爐在鋼鐵固廢資源化領域具有獨特優(yōu)勢，通過有價元素回收實現(xiàn)節(jié)能降耗雙重效益。西寧特鋼開發(fā)的轉爐渣回用工藝針對鐵水含釩量（0.12%-0.18%）、含錳量（0.70%-0.90%）特征，優(yōu)化爐底渣添加比例，精確控制溫度和供氧制度，使冶煉后富集于轉爐渣中的釩（含量達3%）、錳（含量達8%）得以高效回收。應用顯示，添加500kg轉爐渣經(jīng)LF精煉還原后，鋼中回釩0.015%、回錳0.08%，合金成本節(jié)約20元/噸鋼，月產(chǎn)量9萬噸條件下年節(jié)約成本2160萬元。

寶武集團開發(fā)的協(xié)同處置含鉻廢水工藝則解決了重金屬污染難題。該技術將六價鉻轉化為三價鉻，實現(xiàn)含鉻廢水與含鋅塵泥的協(xié)同處置，在湛江和寶山鋼鐵基地應用后，作業(yè)率超過90%，既降低了危廢處理能耗，又回收了有價金屬。中國金屬學會評價認為該技術達到國際先進水平，系統(tǒng)能效更是處于國際領先地位。

2 國家政策支持體系

2.1 節(jié)能降碳專項行動計劃

2024年6月，國家發(fā)改委等五部門聯(lián)合印發(fā)《鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳專項行動計劃》，構建了轉底爐節(jié)能的頂層政策框架。計劃設定了明確的量化目標：2024-2025年通過節(jié)能改造和設各更新形成節(jié)能量2000萬噸標準煤、減排二氧化碳5300萬噸；到2025年底，轉爐工序能耗比2023年降低1% 以上，余熱余壓余能自發(fā)電率提高3個百分點以上；到2030年主要用能設備能效基本達到先進水平。

該計劃提出七大重點任務，直接關聯(lián)轉底爐節(jié)能的包括：加快用能設備更新（要求淘汰低效風機、水泵等設備）；推動全流程余能利用（推廣煤氣發(fā)電與余熱利用技術）；提升數(shù)字化管理水平（要求2025年關鍵工序數(shù)控化率達80%）。特別是針對余熱發(fā)電領域，計劃明確要“落實支持余熱余壓發(fā)電的價格政策”，為轉底爐余能利用項目創(chuàng)造了有利的經(jīng)濟環(huán)境。

2.2 財稅金融激勵措施

國家層面構建了多維度激勵政策體系，降低企業(yè)技改成本與風險：

財政直接獎勵：對余熱余壓利用類技改項目按節(jié)能量給予補貼，如津西鋼鐵轉爐蒸汽發(fā)電項目因實現(xiàn)年節(jié)能量16.1萬噸標煤，獲4840萬元國家獎勵。

稅收優(yōu)惠：節(jié)能節(jié)水、環(huán)保專用設備投資額按10% 抵免企業(yè)所得稅，并將數(shù)字化改造納入優(yōu)惠范圍。

綠色金融支持：依托擴大制造業(yè)中長期貸款投放專項工作，為節(jié)能降碳項目提供優(yōu)先信貸支持，并發(fā)展綠色債券、轉型金融產(chǎn)品等多元化融資工具。

2.3 標準引導與技術推廣

政策體系強調標準引領作用，要求加快制修訂《粗鋼生產(chǎn)主要工序單位產(chǎn)品能源消耗限額》等強制性標準，合理提高能效指標。對能效未達到基準水平或環(huán)?？冃、D級的鋼鐵項目，將依據(jù)差距執(zhí)行階梯電價制度，形成倒逼機制。

同時，國家建立了技術推廣平臺，工信部定期發(fā)布《國家工業(yè)節(jié)能技術裝備推薦目錄》，中國金屬學會組織評選“綠色低碳先進技術”，如2021年“綠色高效轉底爐協(xié)同處理鋼鐵廠固危廢成套工藝”被列為推廣技術。行業(yè)協(xié)會則通過案例征集，將永鋼5G智能轉底爐工廠列為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能綠色低碳發(fā)展優(yōu)秀案例”，促進最佳實踐共享。

表2：轉底爐節(jié)能國家扶持政策體系

3 技術發(fā)展趨勢

3.1 氫冶金與低碳工藝融合

氫基直接還原正在引領轉底爐工藝革命，通過改變還原劑本質降低碳排放。歐洲ULCOS項目驗證噴吹富氫物質可降低碳排放15%-20%，為轉底爐氫還原提供技術儲備。國內示范項目逐步展開，寶武集團在湛江基地開展的富氫碳循環(huán)氧氣高爐試驗，通過噴吹焦爐煤氣（含氫55%-60%），實現(xiàn)減碳15%的階段性目標，為轉底爐氫冶金提供了工程經(jīng)驗。

工藝耦合創(chuàng)新方面，轉底爐-電爐短流程模式展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。釩鈦鐵礦經(jīng)轉底爐預還原后進入電爐熔分，較傳統(tǒng)高爐流程降低能耗30%，同時實現(xiàn)鐵、釩、鈦綜合回收。《專項行動計劃》明確提出，到2025年電爐鋼產(chǎn)量占比提升至15%，廢鋼利用量達3億噸，為轉底爐-電爐協(xié)同工藝創(chuàng)造了廣闊前景。

3.2 設備大型化與模塊化設計

大型轉底爐工程應用成為行業(yè)主流趨勢，永鋼25萬噸/年含鐵鋅塵泥處理項目（2020年投產(chǎn)）采用多頭水冷螺旋出料機和振動布料機關鍵技術，設備利用率達95%，處理規(guī)模較早期項目提升3倍以上。設備大型化顯著降低了單位能耗，根據(jù)熱平衡測算，300m²以上轉底爐比100m²級熱效率提高約12%。

中天鋼鐵集團2025年獲得的新型轉底爐出料裝置專利代表了模塊化設計方向。該專利采用“第一驅動油缸+活動推桿+刮料板”設計，刮料板整塊結構與爐底接觸磨損控制在同一接觸線內，既提高出料效率，又降低維護成本。海陸重工開發(fā)的緊湊型余熱鍋爐則通過模塊化設計，適應轉爐間歇運行特性，使安裝周期縮短40%，為老舊車間改造提供了便利。

3.3 數(shù)字孿生與AI優(yōu)化

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能效管理平臺成為轉底爐智能化的核心載體。永鋼項目構建的“一總部多基地”智能化運營管控平臺，實現(xiàn)了轉底爐群集中監(jiān)控與協(xié)同優(yōu)化，使設備故障率降低25%，非計劃停機減少40%，能效提升8.3%。該平臺集成設備狀態(tài)監(jiān)控、故障預測、VR檢修等功能，形成“感知-分析-決策”閉環(huán)控制。

人工智能驅動工藝優(yōu)化進入實用階段。通過機器學習算法分析歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構建轉底爐還原過程的溫度-氣氛-能耗多目標優(yōu)化模型，實現(xiàn)動態(tài)尋優(yōu)控制。寶鋼開發(fā)的RHF-DT系統(tǒng)在數(shù)字空間中映射物理轉底爐運行狀態(tài)，提前20分鐘預測產(chǎn)品質量波動，使金屬化率標準差從1.8% 降至0.6%，能源穩(wěn)定性顯著提升。

4 典型案例分析

4.1 永鋼5G智能轉底爐工廠

永鋼集團年處理25萬噸含鐵鋅塵泥項目總投資3億元，于2020年8月投產(chǎn)，是全球領先的固廢利用智能工廠。項目采用“配料→混碾→壓球→轉底爐還原（20-30min）→兩級冷卻”技術路線，核心創(chuàng)新點包括：

智能布料系統(tǒng)：振動布料裝置確保生球單層均勻分布，減少溫度分布不均導致的能源浪費；

水冷合金螺旋出料機：解決1300℃高溫出料難題，使用壽命達傳統(tǒng)設備的3倍；

5G能源管理平臺：實現(xiàn)工序級能耗追溯，班組能源績效可視化考核。

.項目投產(chǎn)后，金屬化率達75%-86%，ZnO粉塵富集度>25%，年回收鐵鋅資源18萬噸。智能化管控使能耗降低12.5%，2022年入選工信部“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能綠色低碳發(fā)展優(yōu)秀案例集”，成為行業(yè)標桿。

表3：永鋼轉底爐項目主要技術經(jīng)濟指標

4.2 寶鋼轉底爐風機系統(tǒng)節(jié)能改造

寶鋼股份寶山基地針對兩座25萬噸轉底爐的風機系統(tǒng)開展系統(tǒng)性節(jié)能診斷，發(fā)現(xiàn)風機實際運行效率僅60%-65%，遠低于設計值。改造方案采用三重技術路徑：

1、氣動性能優(yōu)化：應用二元流葉輪設計技術，對18套風機葉輪進行重新設計，提升氣動效率；

2、變頻調速控制：增設6套高壓變頻器，根據(jù)工況實時調整風機轉速；

3、系統(tǒng)匹配改造：優(yōu)化管網(wǎng)結構，減少彎頭和變徑管導致的壓力損失。

項目實施后，風機系統(tǒng)綜合節(jié)電率達30% 以上，年節(jié)電量800萬度，相當于減少標煤消耗980噸，減排二氧化碳6200噸。項目投資回收期僅2.1年，展示了設備改造在轉底爐節(jié)能中的顯著效益。

5 結論與展望

轉底爐節(jié)能技術正處于從單一設備改造向系統(tǒng)能效提升、從傳統(tǒng)工藝優(yōu)化向低碳冶金轉型的關鍵階段。通過熱工優(yōu)化、余熱回收、智能控制與固廢協(xié)同的技術集成，現(xiàn)代轉底爐已實現(xiàn)能耗降低12%-30% 的顯著成效。在國家《鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳專項行動計劃》的驅動下，以永鋼智能工廠、寶鋼風機改造為代表的實踐案例，驗證了技術創(chuàng)新與政策引導協(xié)同的巨大潛力。

未來轉底爐節(jié)能發(fā)展將聚焦三大方向：一是氫基還原規(guī)模化，開展富氫燃氣直接還原工業(yè)試驗，將碳排放強度再降低15%-20%；二是數(shù)字孿生深度應用，構建轉底爐能效優(yōu)化模型，實現(xiàn)動態(tài)尋優(yōu)控制，使金屬化率波動控制在0.5%以內；三是標準體系完善，制定《轉底爐能效限定值及能效等級》等標準，引導行業(yè)規(guī)范發(fā)展。

隨著2025年國家能效約束目標的臨近，轉底爐節(jié)能技術將加速迭代。只有通過工藝革新、設備升級、智能管控的多維協(xié)同，轉底爐才能在鋼鐵行業(yè)綠色轉型中發(fā)揮更重要的作用，為國家“雙碳”目標的實現(xiàn)提供關鍵技術支撐。建議企業(yè)結合《專項行動計劃》要求，優(yōu)先實施風機、水泵等高耗能設備更新，探索氫冶金與數(shù)字化融合創(chuàng)新，充分利用財稅金融政策降低技改成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏。

參考文獻

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