轉(zhuǎn)底爐節(jié)能技術(shù)發(fā)展路徑與行業(yè)趨勢研究：政策驅(qū)動(dòng)下的創(chuàng)新實(shí)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(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)底爐在金屬化球團(tuán)生產(chǎn)、含鋅粉塵處理及資源綜合利用領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。在國家“雙碳”戰(zhàn)略深入實(shí)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(zhuǎn)底爐的能效提升已成為行業(yè)綠色轉(zhuǎn)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(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》明確要求，到2025年底，轉(zhuǎn)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(gè)百分點(diǎn)。這一政策背景為轉(zhuǎn)底爐節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新提供了強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。本文將從關(guān)鍵技術(shù)措施、國家政策支持、發(fā)展趨勢及典型案例四個(gè)維度，系統(tǒng)分析轉(zhuǎn)底爐節(jié)能領(lǐng)域的最新進(jìn)展，為行業(yè)低碳發(fā)展提供技術(shù)參考和實(shí)施路徑。

1 轉(zhuǎn)底爐節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)措施

1.1 熱工系統(tǒng)優(yōu)化與精準(zhǔn)控制

熱工系統(tǒng)的優(yōu)化是轉(zhuǎn)底爐節(jié)能的基礎(chǔ)，核心在于實(shí)現(xiàn)能源輸入與工藝需求的精準(zhǔn)匹配。寶鋼股份寶山基地通過風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造，對(duì)兩套25萬噸轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)區(qū)域的21套大中型風(fēng)機(jī)開展節(jié)能評(píng)估，最終選取18套實(shí)施改造。項(xiàng)目采用二元流葉型優(yōu)化技術(shù)，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(duì)稱翼型，并增設(shè)6套變頻調(diào)速裝置。改造后風(fēng)機(jī)機(jī)組平均小時(shí)能耗下降1129kW，綜合節(jié)電率超過30%，年節(jié)電量達(dá)800萬度，同時(shí)解決了預(yù)處理烘干除塵風(fēng)機(jī)易超電流運(yùn)行的問題。

在燃燒控制方面，蓄熱式燃燒技術(shù)的應(yīng)用顯著提升了熱效率。我國首臺(tái)金屬化球團(tuán)轉(zhuǎn)底爐（100m²爐底）采用預(yù)熱助燃風(fēng)技術(shù)，將煤氣加熱至400℃、助燃風(fēng)預(yù)熱至800℃，使高溫廢氣余熱梯級(jí)利用于烘干生球，有效降低了外部能源輸入。永鋼集團(tuán)則在智能轉(zhuǎn)底爐工廠中構(gòu)建了專屬能源管理平臺(tái)，通過5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)采集與公司級(jí)能源調(diào)度系統(tǒng)的無縫對(duì)接，使工序、班組、產(chǎn)品的能源精細(xì)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(shù)

轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量中高溫?zé)煔馓N(yùn)含著豐富的余熱資源，傳統(tǒng)濕法回收技術(shù)因存在煤氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)且能源利用率低，正逐步被全干法技術(shù)取代。中科院力學(xué)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(shí)現(xiàn)突破：采用煤氣成分實(shí)時(shí)監(jiān)測與惰性氣體注入聯(lián)動(dòng)控制的防爆抑爆系統(tǒng)；開發(fā)耐塵涂層換熱管，適應(yīng)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(shù)。該技術(shù)在示范項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)噸鋼蒸汽產(chǎn)量增加60kg，年經(jīng)濟(jì)效益超1200萬元/100噸轉(zhuǎn)爐，推動(dòng)工序能耗降低3-5kgce/t。

在余熱發(fā)電領(lǐng)域，技術(shù)集成模式不斷創(chuàng)新。津西鋼鐵的12MW轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組利用煙氣余熱產(chǎn)生飽和蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，年節(jié)能量達(dá)16.1萬噸標(biāo)煤，獲得國家財(cái)政獎(jiǎng)勵(lì)4840萬元?！朵撹F行業(yè)節(jié)能降碳專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》特別強(qiáng)調(diào)推廣燃?xì)?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(shù)，鼓勵(lì)將鋼鐵低品位余熱用于城鎮(zhèn)供暖供冷，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用。

表1：轉(zhuǎn)底爐主要余熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

1.3 智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用

轉(zhuǎn)底爐的智能化控制是節(jié)能領(lǐng)域的新興方向，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)控制大幅降低能源浪費(fèi)。永鋼5G固廢利用智能轉(zhuǎn)底爐工廠構(gòu)建了多維度數(shù)字控制系統(tǒng)：大屏駕駛艙系統(tǒng)實(shí)時(shí)展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)保參數(shù)；基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)故障預(yù)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(shè)備數(shù)字化、智能化覆蓋率高達(dá)99%，自動(dòng)化信息采集率達(dá)到95%，大幅降低了非計(jì)劃停機(jī)導(dǎo)致的能源損失。

在工藝控制層面，激光氣體分析技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。NextGen®、LASIRTM-R等原位激光分析儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)爐煙氣成分，響應(yīng)速度較傳統(tǒng)萃取法提升3倍，維護(hù)成本降低40%，為轉(zhuǎn)底爐還原氣氛的精準(zhǔn)控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。鞍鋼260t轉(zhuǎn)爐應(yīng)用的數(shù)字孿生系統(tǒng)通過一級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化與二級(jí)過程控制協(xié)同，優(yōu)化了氧氣供應(yīng)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(zhuǎn)底爐在鋼鐵固廢資源化領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢，通過有價(jià)元素回收實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗雙重效益。西寧特鋼開發(fā)的轉(zhuǎn)爐渣回用工藝針對(duì)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(zhuǎn)爐渣中的釩（含量達(dá)3%）、錳（含量達(dá)8%）得以高效回收。應(yīng)用顯示，添加500kg轉(zhuǎn)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(tuán)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(shù)將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)化為三價(jià)鉻，實(shí)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(yīng)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(jià)金屬。中國金屬學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)認(rèn)為該技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，系統(tǒng)能效更是處于國際領(lǐng)先地位。

2 國家政策支持體系

2.1 節(jié)能降碳專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)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(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》，構(gòu)建了轉(zhuǎn)底爐節(jié)能的頂層政策框架。計(jì)劃設(shè)定了明確的量化目標(biāo)：2024-2025年通過節(jié)能改造和設(shè)各更新形成節(jié)能量2000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤、減排二氧化碳5300萬噸；到2025年底，轉(zhuǎn)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(gè)百分點(diǎn)以上；到2030年主要用能設(shè)備能效基本達(dá)到先進(jìn)水平。

該計(jì)劃提出七大重點(diǎn)任務(wù)，直接關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)底爐節(jié)能的包括：加快用能設(shè)備更新（要求淘汰低效風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備）；推動(dòng)全流程余能利用（推廣煤氣發(fā)電與余熱利用技術(shù)）；提升數(shù)字化管理水平（要求2025年關(guān)鍵工序數(shù)控化率達(dá)80%）。特別是針對(duì)余熱發(fā)電領(lǐng)域，計(jì)劃明確要“落實(shí)支持余熱余壓發(fā)電的價(jià)格政策”，為轉(zhuǎn)底爐余能利用項(xiàng)目創(chuàng)造了有利的經(jīng)濟(jì)環(huán)境。

2.2 財(cái)稅金融激勵(lì)措施

國家層面構(gòu)建了多維度激勵(lì)政策體系，降低企業(yè)技改成本與風(fēng)險(xiǎn)：

財(cái)政直接獎(jiǎng)勵(lì)：對(duì)余熱余壓利用類技改項(xiàng)目按節(jié)能量給予補(bǔ)貼，如津西鋼鐵轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)電項(xiàng)目因?qū)崿F(xiàn)年節(jié)能量16.1萬噸標(biāo)煤，獲4840萬元國家獎(jiǎng)勵(lì)。

稅收優(yōu)惠：節(jié)能節(jié)水、環(huán)保專用設(shè)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(kuò)大制造業(yè)中長期貸款投放專項(xiàng)工作，為節(jié)能降碳項(xiàng)目提供優(yōu)先信貸支持，并發(fā)展綠色債券、轉(zhuǎn)型金融產(chǎn)品等多元化融資工具。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)與技術(shù)推廣

政策體系強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)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(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，合理提高能效指標(biāo)。對(duì)能效未達(dá)到基準(zhǔn)水平或環(huán)?？冃、D級(jí)的鋼鐵項(xiàng)目，將依據(jù)差距執(zhí)行階梯電價(jià)制度，形成倒逼機(jī)制。

同時(shí)，國家建立了技術(shù)推廣平臺(tái)，工信部定期發(fā)布《國家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄》，中國金屬學(xué)會(huì)組織評(píng)選“綠色低碳先進(jìn)技術(shù)”，如2021年“綠色高效轉(zhuǎn)底爐協(xié)同處理鋼鐵廠固危廢成套工藝”被列為推廣技術(shù)。行業(yè)協(xié)會(huì)則通過案例征集，將永鋼5G智能轉(zhuǎn)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(jìn)最佳實(shí)踐共享。

表2：轉(zhuǎn)底爐節(jié)能國家扶持政策體系

3 技術(shù)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(lǐng)轉(zhuǎn)底爐工藝革命，通過改變還原劑本質(zhì)降低碳排放。歐洲ULCOS項(xiàng)目驗(yàn)證噴吹富氫物質(zhì)可降低碳排放15%-20%，為轉(zhuǎn)底爐氫還原提供技術(shù)儲(chǔ)備。國內(nèi)示范項(xiàng)目逐步展開，寶武集團(tuán)在湛江基地開展的富氫碳循環(huán)氧氣高爐試驗(yàn)，通過噴吹焦?fàn)t煤氣（含氫55%-60%），實(shí)現(xiàn)減碳15%的階段性目標(biāo)，為轉(zhuǎn)底爐氫冶金提供了工程經(jīng)驗(yàn)。

工藝耦合創(chuàng)新方面，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)底爐預(yù)還原后進(jìn)入電爐熔分，較傳統(tǒng)高爐流程降低能耗30%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)鐵、釩、鈦綜合回收?！秾ｍ?xiàng)行動(dòng)計(jì)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(dá)3億噸，為轉(zhuǎn)底爐-電爐協(xié)同工藝創(chuàng)造了廣闊前景。

3.2 設(shè)備大型化與模塊化設(shè)計(jì)

大型轉(zhuǎn)底爐工程應(yīng)用成為行業(yè)主流趨勢，永鋼25萬噸/年含鐵鋅塵泥處理項(xiàng)目（2020年投產(chǎn)）采用多頭水冷螺旋出料機(jī)和振動(dòng)布料機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備利用率達(dá)95%，處理規(guī)模較早期項(xiàng)目提升3倍以上。設(shè)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(zhuǎn)底爐比100m²級(jí)熱效率提高約12%。

中天鋼鐵集團(tuán)2025年獲得的新型轉(zhuǎn)底爐出料裝置專利代表了模塊化設(shè)計(jì)方向。該專利采用“第一驅(qū)動(dòng)油缸+活動(dòng)推桿+刮料板”設(shè)計(jì)，刮料板整塊結(jié)構(gòu)與爐底接觸磨損控制在同一接觸線內(nèi)，既提高出料效率，又降低維護(hù)成本。海陸重工開發(fā)的緊湊型余熱鍋爐則通過模塊化設(shè)計(jì)，適應(yīng)轉(zhuǎn)爐間歇運(yùn)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(tái)成為轉(zhuǎn)底爐智能化的核心載體。永鋼項(xiàng)目構(gòu)建的“一總部多基地”智能化運(yùn)營管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)底爐群集中監(jiān)控與協(xié)同優(yōu)化，使設(shè)備故障率降低25%，非計(jì)劃停機(jī)減少40%，能效提升8.3%。該平臺(tái)集成設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)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(qū)動(dòng)工藝優(yōu)化進(jìn)入實(shí)用階段。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建轉(zhuǎn)底爐還原過程的溫度-氣氛-能耗多目標(biāo)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(zhuǎn)底爐運(yùn)行狀態(tài)，提前20分鐘預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，使金屬化率標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)底爐工廠

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

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

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

5G能源管理平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)工序級(jí)能耗追溯，班組能源績效可視化考核。

.項(xiàng)目投產(chǎn)后，金屬化率達(dá)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(biāo)桿。

表3：永鋼轉(zhuǎn)底爐項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4.2 寶鋼轉(zhuǎn)底爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造

寶鋼股份寶山基地針對(duì)兩座25萬噸轉(zhuǎn)底爐的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)開展系統(tǒng)性節(jié)能診斷，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率僅60%-65%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。改造方案采用三重技術(shù)路徑：

1、氣動(dòng)性能優(yōu)化：應(yīng)用二元流葉輪設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)18套風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提升氣動(dòng)效率；

2、變頻調(diào)速控制：增設(shè)6套高壓變頻器，根據(jù)工況實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

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

項(xiàng)目實(shí)施后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)綜合節(jié)電率達(dá)30% 以上，年節(jié)電量800萬度，相當(dāng)于減少標(biāo)煤消耗980噸，減排二氧化碳6200噸。項(xiàng)目投資回收期僅2.1年，展示了設(shè)備改造在轉(zhuǎn)底爐節(jié)能中的顯著效益。

5 結(jié)論與展望

轉(zhuǎn)底爐節(jié)能技術(shù)正處于從單一設(shè)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(zhuǎn)型的關(guān)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(shù)集成，現(xiàn)代轉(zhuǎn)底爐已實(shí)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(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》的驅(qū)動(dòng)下，以永鋼智能工廠、寶鋼風(fēng)機(jī)改造為代表的實(shí)踐案例，驗(yàn)證了技術(shù)創(chuàng)新與政策引導(dǎo)協(xié)同的巨大潛力。

未來轉(zhuǎn)底爐節(jié)能發(fā)展將聚焦三大方向：一是氫基還原規(guī)?；?，開展富氫燃?xì)庵苯舆€原工業(yè)試驗(yàn)，將碳排放強(qiáng)度再降低15%-20%；二是數(shù)字孿生深度應(yīng)用，構(gòu)建轉(zhuǎn)底爐能效優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)控制，使金屬化率波動(dòng)控制在0.5%以內(nèi)；三是標(biāo)準(zhǔn)體系完善，制定《轉(zhuǎn)底爐能效限定值及能效等級(jí)》等標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)行業(yè)規(guī)范發(fā)展。

隨著2025年國家能效約束目標(biāo)的臨近，轉(zhuǎn)底爐節(jié)能技術(shù)將加速迭代。只有通過工藝革新、設(shè)備升級(jí)、智能管控的多維協(xié)同，轉(zhuǎn)底爐才能在鋼鐵行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更重要的作用，為國家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。建議企業(yè)結(jié)合《專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》要求，優(yōu)先實(shí)施風(fēng)機(jī)、水泵等高耗能設(shè)備更新，探索氫冶金與數(shù)字化融合創(chuàng)新，充分利用財(cái)稅金融政策降低技改成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏。

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