转底炉节能技术发展路径与行业趋势研究：政策驱动下的创新实践

路永

河北津西钢铁

0  引言

作为现代钢铁冶金流程中的关键设备，转底炉在金属化球团生产、含锌粉尘处理及资源综合利用领域发挥着不可替代的作用。在国家“双碳”战略深入实施的背景下，钢铁行业面临着前所未有的节能减排压力，2023年我国钢铁行业碳排放量约占全国总量的15%，能源消耗占工业总能耗的25% 。转底炉的能效提升已成为行业绿色转型的核心环节。2024年6月，国家发改委等部门联合发布的《钢铁行业节能降碳专项行动计划》明确要求，到2025年底，转炉工序单位产品能耗需较2023年降低1% 以上，余热余压余能自发电率提高3个百分点。这一政策背景为转底炉节能技术创新提供了强大驱动力。本文将从关键技术措施、国家政策支持、发展趋势及典型案例四个维度，系统分析转底炉节能领域的最新进展，为行业低碳发展提供技术参考和实施路径。

1 转底炉节能关键技术措施

1.1 热工系统优化与精准控制

热工系统的优化是转底炉节能的基础，核心在于实现能源输入与工艺需求的精准匹配。宝钢股份宝山基地通过风机系统节能改造，对两套25万吨转底炉生产区域的21套大中型风机开展节能评估，最终选取18套实施改造。项目采用二元流叶型优化技术，以样条曲线叶型取代后向直板叶型，CLARK-Y翼型替代双凸面非对称翼型，并增设6套变频调速装置。改造后风机机组平均小时能耗下降1129kW，综合节电率超过30%，年节电量达800万度，同时解决了预处理烘干除尘风机易超电流运行的问题。

在燃烧控制方面，蓄热式燃烧技术的应用显著提升了热效率。我国首台金属化球团转底炉（100m²炉底）采用预热助燃风技术，将煤气加热至400℃、助燃风预热至800℃，使高温废气余热梯级利用于烘干生球，有效降低了外部能源输入。永钢集团则在智能转底炉工厂中构建了专属能源管理平台，通过5G技术实现能耗数据采集与公司级能源调度系统的无缝对接，使工序、班组、产品的能源精细化管理成为可能，从系统层面优化了能源使用效率。

1.2 余热余能高效回收技术

转底炉生产过程中产生的大量中高温烟气蕴含着丰富的余热资源，传统湿法回收技术因存在煤气爆炸风险且能源利用率低，正逐步被全干法技术取代。中科院力学研究所开发的全干法余热回收系统通过三重创新实现突破：采用煤气成分实时监测与惰性气体注入联动控制的防爆抑爆系统；开发耐尘涂层换热管，适应煤气含尘量>100g/Nm³工况的高效换热装置；以及通过大容量蓄热器平衡间歇性煤气产出的蒸汽蓄热稳流技术。该技术在示范项目中实现吨钢蒸汽产量增加60kg，年经济效益超1200万元/100吨转炉，推动工序能耗降低3-5kgce/t。

在余热发电领域，技术集成模式不断创新。津西钢铁的12MW转炉饱和蒸汽发电机组利用烟气余热产生饱和蒸汽驱动汽轮机，年节能量达16.1万吨标煤，获得国家财政奖励4840万元。《钢铁行业节能降碳专项行动计划》特别强调推广燃气-蒸汽联合循环发电（CCPP）、超高温超高压发电等高效利用技术，鼓励将钢铁低品位余热用于城镇供暖供冷，实现能源的梯级利用。

表1：转底炉主要余热发电技术经济效益对比

1.3 智能化控制系统应用

转底炉的智能化控制是节能领域的新兴方向，通过数据驱动的精准控制大幅降低能源浪费。永钢5G固废利用智能转底炉工厂构建了多维度数字控制系统：大屏驾驶舱系统实时展示设备运行状态和环保参数；基于工业物联网的设备状态监控实现故障预测与微检修；人员定位健康监控系统保障作业安全。该工厂设备数字化、智能化覆盖率高达99%，自动化信息采集率达到95%，大幅降低了非计划停机导致的能源损失。

在工艺控制层面，激光气体分析技术的应用实现了质的飞跃。NextGen®、LASIRTM-R等原位激光分析仪可实时监测转炉烟气成分，响应速度较传统萃取法提升3倍，维护成本降低40%，为转底炉还原气氛的精准控制提供了数据基础。鞍钢260t转炉应用的数字孪生系统通过一级基础自动化与二级过程控制协同，优化了氧气供应与温度曲线配合，成功降低氧气消耗2.5Nm³/t，提高金属收得率0.8%。

1.4 固废协同处理与资源回收

转底炉在钢铁固废资源化领域具有独特优势，通过有价元素回收实现节能降耗双重效益。西宁特钢开发的转炉渣回用工艺针对铁水含钒量（0.12%-0.18%）、含锰量（0.70%-0.90%）特征，优化炉底渣添加比例，精确控制温度和供氧制度，使冶炼后富集于转炉渣中的钒（含量达3%）、锰（含量达8%）得以高效回收。应用显示，添加500kg转炉渣经LF精炼还原后，钢中回钒0.015%、回锰0.08%，合金成本节约20元/吨钢，月产量9万吨条件下年节约成本2160万元。

宝武集团开发的协同处置含铬废水工艺则解决了重金属污染难题。该技术将六价铬转化为三价铬，实现含铬废水与含锌尘泥的协同处置，在湛江和宝山钢铁基地应用后，作业率超过90%，既降低了危废处理能耗，又回收了有价金属。中国金属学会评价认为该技术达到国际先进水平，系统能效更是处于国际领先地位。

2 国家政策支持体系

2.1 节能降碳专项行动计划

2024年6月，国家发改委等五部门联合印发《钢铁行业节能降碳专项行动计划》，构建了转底炉节能的顶层政策框架。计划设定了明确的量化目标：2024-2025年通过节能改造和设各更新形成节能量2000万吨标准煤、减排二氧化碳5300万吨；到2025年底，转炉工序能耗比2023年降低1% 以上，余热余压余能自发电率提高3个百分点以上；到2030年主要用能设备能效基本达到先进水平。

该计划提出七大重点任务，直接关联转底炉节能的包括：加快用能设备更新（要求淘汰低效风机、水泵等设备）；推动全流程余能利用（推广煤气发电与余热利用技术）；提升数字化管理水平（要求2025年关键工序数控化率达80%）。特别是针对余热发电领域，计划明确要“落实支持余热余压发电的价格政策”，为转底炉余能利用项目创造了有利的经济环境。

2.2 财税金融激励措施

国家层面构建了多维度激励政策体系，降低企业技改成本与风险：

财政直接奖励：对余热余压利用类技改项目按节能量给予补贴，如津西钢铁转炉蒸汽发电项目因实现年节能量16.1万吨标煤，获4840万元国家奖励。

税收优惠：节能节水、环保专用设备投资额按10% 抵免企业所得税，并将数字化改造纳入优惠范围。

绿色金融支持：依托扩大制造业中长期贷款投放专项工作，为节能降碳项目提供优先信贷支持，并发展绿色债券、转型金融产品等多元化融资工具。

2.3 标准引导与技术推广

政策体系强调标准引领作用，要求加快制修订《粗钢生产主要工序单位产品能源消耗限额》等强制性标准，合理提高能效指标。对能效未达到基准水平或环保绩效C、D级的钢铁项目，将依据差距执行阶梯电价制度，形成倒逼机制。

同时，国家建立了技术推广平台，工信部定期发布《国家工业节能技术装备推荐目录》，中国金属学会组织评选“绿色低碳先进技术”，如2021年“绿色高效转底炉协同处理钢铁厂固危废成套工艺”被列为推广技术。行业协会则通过案例征集，将永钢5G智能转底炉工厂列为“工业互联网赋能绿色低碳发展优秀案例”，促进最佳实践共享。

表2：转底炉节能国家扶持政策体系

3 技术发展趋势

3.1 氢冶金与低碳工艺融合

氢基直接还原正在引领转底炉工艺革命，通过改变还原剂本质降低碳排放。欧洲ULCOS项目验证喷吹富氢物质可降低碳排放15%-20%，为转底炉氢还原提供技术储备。国内示范项目逐步展开，宝武集团在湛江基地开展的富氢碳循环氧气高炉试验，通过喷吹焦炉煤气（含氢55%-60%），实现减碳15%的阶段性目标，为转底炉氢冶金提供了工程经验。

工艺耦合创新方面，转底炉-电炉短流程模式展现出显著优势。钒钛铁矿经转底炉预还原后进入电炉熔分，较传统高炉流程降低能耗30%，同时实现铁、钒、钛综合回收。《专项行动计划》明确提出，到2025年电炉钢产量占比提升至15%，废钢利用量达3亿吨，为转底炉-电炉协同工艺创造了广阔前景。

3.2 设备大型化与模块化设计

大型转底炉工程应用成为行业主流趋势，永钢25万吨/年含铁锌尘泥处理项目（2020年投产）采用多头水冷螺旋出料机和振动布料机关键技术，设备利用率达95%，处理规模较早期项目提升3倍以上。设备大型化显著降低了单位能耗，根据热平衡测算，300m²以上转底炉比100m²级热效率提高约12%。

中天钢铁集团2025年获得的新型转底炉出料装置专利代表了模块化设计方向。该专利采用“第一驱动油缸+活动推杆+刮料板”设计，刮料板整块结构与炉底接触磨损控制在同一接触线内，既提高出料效率，又降低维护成本。海陆重工开发的紧凑型余热锅炉则通过模块化设计，适应转炉间歇运行特性，使安装周期缩短40%，为老旧车间改造提供了便利。

3.3 数字孪生与AI优化

基于工业互联网的能效管理平台成为转底炉智能化的核心载体。永钢项目构建的“一总部多基地”智能化运营管控平台，实现了转底炉群集中监控与协同优化，使设备故障率降低25%，非计划停机减少40%，能效提升8.3%。该平台集成设备状态监控、故障预测、VR检修等功能，形成“感知-分析-决策”闭环控制。

人工智能驱动工艺优化进入实用阶段。通过机器学习算法分析历史生产数据，构建转底炉还原过程的温度-气氛-能耗多目标优化模型，实现动态寻优控制。宝钢开发的RHF-DT系统在数字空间中映射物理转底炉运行状态，提前20分钟预测产品质量波动，使金属化率标准差从1.8% 降至0.6%，能源稳定性显著提升。

4 典型案例分析

4.1 永钢5G智能转底炉工厂

永钢集团年处理25万吨含铁锌尘泥项目总投资3亿元，于2020年8月投产，是全球领先的固废利用智能工厂。项目采用“配料→混碾→压球→转底炉还原（20-30min）→两级冷却”技术路线，核心创新点包括：

智能布料系统：振动布料装置确保生球单层均匀分布，减少温度分布不均导致的能源浪费；

水冷合金螺旋出料机：解决1300℃高温出料难题，使用寿命达传统设备的3倍；

5G能源管理平台：实现工序级能耗追溯，班组能源绩效可视化考核。

.项目投产后，金属化率达75%-86%，ZnO粉尘富集度>25%，年回收铁锌资源18万吨。智能化管控使能耗降低12.5%，2022年入选工信部“工业互联网赋能绿色低碳发展优秀案例集”，成为行业标杆。

表3：永钢转底炉项目主要技术经济指标

4.2 宝钢转底炉风机系统节能改造

宝钢股份宝山基地针对两座25万吨转底炉的风机系统开展系统性节能诊断，发现风机实际运行效率仅60%-65%，远低于设计值。改造方案采用三重技术路径：

1、气动性能优化：应用二元流叶轮设计技术，对18套风机叶轮进行重新设计，提升气动效率；

2、变频调速控制：增设6套高压变频器，根据工况实时调整风机转速；

3、系统匹配改造：优化管网结构，减少弯头和变径管导致的压力损失。

项目实施后，风机系统综合节电率达30% 以上，年节电量800万度，相当于减少标煤消耗980吨，减排二氧化碳6200吨。项目投资回收期仅2.1年，展示了设备改造在转底炉节能中的显著效益。

5 结论与展望

转底炉节能技术正处于从单一设备改造向系统能效提升、从传统工艺优化向低碳冶金转型的关键阶段。通过热工优化、余热回收、智能控制与固废协同的技术集成，现代转底炉已实现能耗降低12%-30% 的显著成效。在国家《钢铁行业节能降碳专项行动计划》的驱动下，以永钢智能工厂、宝钢风机改造为代表的实践案例，验证了技术创新与政策引导协同的巨大潜力。

未来转底炉节能发展将聚焦三大方向：一是氢基还原规模化，开展富氢燃气直接还原工业试验，将碳排放强度再降低15%-20%；二是数字孪生深度应用，构建转底炉能效优化模型，实现动态寻优控制，使金属化率波动控制在0.5%以内；三是标准体系完善，制定《转底炉能效限定值及能效等级》等标准，引导行业规范发展。

随着2025年国家能效约束目标的临近，转底炉节能技术将加速迭代。只有通过工艺革新、设备升级、智能管控的多维协同，转底炉才能在钢铁行业绿色转型中发挥更重要的作用，为国家“双碳”目标的实现提供关键技术支撑。建议企业结合《专项行动计划》要求，优先实施风机、水泵等高耗能设备更新，探索氢冶金与数字化融合创新，充分利用财税金融政策降低技改成本，实现经济效益与环境效益的双赢。

参考文献

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