摘    要：文章围绕高炉炼铁工艺的核心环节进行研究，探索冶金过程能源高效利用新技术途径。研究从能量流平衡、炉料结构与燃料比优化、智能监测体系建设三方面提出能效提升要求，重点分析富氧喷煤与高温热风耦合燃烧优化、高温余热回收和余能综合利用、智能能耗监测和自学习控制的关键技术 。同时针对多能互补系统、绿色燃料替代和智慧能效平台等应用实践展开具体阐述，以期对高炉炼铁节能降碳和绿色冶金转型工作提供技术借鉴和理论支持。

       关键词：高炉炼铁；能源高效利用；富氧喷煤；余热回收；智能能耗控制

       高炉炼铁是冶金工业中能耗最为集中的环节，能源利用效率的高低直接关系到钢铁行业节能减排工作水平 。近年来，随着“双碳”目标及绿色制造的发展，传统高炉冶炼工艺面临着热能损失严重、燃料比过高、过程调控落后等诸多问题 。实现能源的高效利用，已经成为产业升级发展的重点［1］。通过富氧喷煤、高温余热回收和智能能效控制新技术，可有效提高热能利用率和减少单位产铁的能耗，促进高炉系统向着智能化和低碳化的方向发展。

       1   冶金过程中能源高效利用要求

       1.1   高炉能量流动态平衡与热效率最优化

       高炉能效优化首先要求建立覆盖炉壳-炉缸-烟气的能量流闭环管理机制，使热能在分区（燃烧区、还原区、炉缸）间实现动态匹配与梯级利用 。具体需求包括对风口热流密度、风温、风量曲线进行实时监控，并结合顶煤气焓值及炉缸温度场进行建模，根据运行条件即时调节风量、氧浓度及喷煤量，避免局部滞流或者超温现象 。热工参数的控制目标应基于炉膛底部温度1000~1200℃区间的维持，及高温区焓通量的稳定化核心要求 。为提升系统综合能源利用效率，并将炉顶煤气压力能（TRT）与余热回收装置的协同运行参数纳入热平衡决策体系，需依托上述装置将高品位热能转化为电能或蒸汽 。此类能量动态平衡调控能力应嵌入工厂级能量平衡模型，实施在线闭环控制，并同步完成全流程运行数据的归档记录，为后续能效评估及工艺优化提供量化支撑［2］。

       1.2   炉料结构与燃料比一体化节能控制

       燃料源头要确立原材料、配料、燃烧一体化调控要求，对烧结矿、球团矿、块矿和熔剂比例进行在线化成分和粒级监测，保证堆内的密度和透气性均处于设计范围内，以免局部滞气。在确定燃料比时需要以减少比焦率为主要目标，并将固体燃料（PCI/ 喷煤）与富氧的辅助氧源作为可调整的变量，从而确立焦比、PCI 速率与产铁量（tHM）之间的实时约束模型 。例如，工业实践中将 PCI 控制在 100~260kg/tHM 区间，以替代焦耗并影响焦比水平（要根据工厂的测试 / 供应煤的特点，制定特定的对象）。配料与喷煤联动控制要与热平衡模型耦合，使燃烧组织（燃烧深度、风口分布）与还原反应区热负荷匹配，减少不完全燃烧与多余燃料消耗，综合考虑了物料中挥发分和灰分对燃料比例的影响，将其并入过程控制回路［3］。

       1.3   全流程能效监测与智能决策支撑体系

       能源高效利用需构建从现场传感感知到决策调控闭环的全流程智慧能效体系 。其中，核心在线监测参数包括：风温 / 风量、炉缸多点温度、炉顶煤气成分及温度动态变化、煤粉 / 焦炭给料速率、炉料层透气性参数。对应的在线传感器需实现秒级数据采集，采集数据经边缘侧预处理后，输入能流数字孪生模型与自学习优化算法，为能效调控提供支撑［4］。

       智能决策支撑体系包含：①基于物理机理的热平衡引擎作基线校正；②数据驱动的模型估计即时特定能耗指标；③在线优化器提出可执行调节（风温、氧浓度、喷煤速率、装料配比等），并给出预期能耗 / 产量影响 。该体系还应整合余热回收装置（TRT、余热锅炉）与厂网电/蒸汽负荷管理 ，支持能量梯级利用优先级调度，以便在保障生产稳定性的前提下，实现最小单位产铁能耗，并持续生成可追溯的能效报表用于绩效考核与改进。

       2   冶金过程中能源高效利用新技术

       2.1   富氧喷煤与高温热风耦合燃烧优化技术

       富氧喷煤技术通过提高热风中的氧浓度，加快焦炭燃烧区的化学反应速率，使得炉内温度场分布更集中、稳定性更强 。在实际的工业应用场景中，热风的温度通常保持在 1150~1250℃ , 氧浓度控制在 22%~25%可有效地提高煤粉的燃烧充分性，降低不完全燃烧所带来的热损失。喷煤速度和风口布置需要配合风温进行优化，以保证气固反应的时间相匹配和火焰长度的合理性，避免风口因局部过热遭受冲刷侵蚀 。耦合控制系统利用热平衡模型和 PID 协调控制相结合的方式，实现氧量、风量及喷煤速率的联动可调 。基于燃烧区温度场红外监测和炉顶煤气 CO-CO2  比例实时反馈，可持续修正喷煤效率和燃料利用率，推动高炉热能利用的动态稳定与经济性提升。

       2.2   高温余热回收与余能综合利用技术

       高炉工艺产生的尾气、炉顶煤气、热风炉烟气等均具备显著的能量回收潜力 。利用高温换热器和高效余热锅炉系统可以回收上述气体中的显热，用于发电或者热风预热工序，在预热过程中煤气出口温度可以由350℃降至 150℃以下。典型高炉都配置了TRT（炉顶煤气余压透平发电装置），利用炉顶煤气膨胀能量转换为电能，实现动能和热能的双重循环利用 。部分系统中， TRT 回收的电能也与余热蒸汽共同进入厂区的供能环路，分担常规燃气锅炉的负荷 。为了防止高温粉尘和硫化物的侵蚀 ，余热设备一般采用镍基合金换热管和多级除尘结构。该综合能量回收技术可有效构建高炉-热风炉-发电系统能量闭环［5］。

       2.3   智能能耗监测与自学习优化控制技术

       智能能耗监测系统的核心是多维传感网络与数据驱动算法相结合，实时采集高炉风温、风量、煤粉流量、炉顶温度与气体成分等参数 。通过边缘计算单元将数据处理后送入自学习优化模型中，对能耗-产量-运行状态进行多目标预测和调控 。该系统采用了基于神经网络的能效自学习算法，并结合过去的运行数据和当前的偏差趋势来自动调整模型参数，从而将预测误差控制在±2kg 标准煤/tHM 的范围之内。控制端采用分层优化策略动态调节风口分配 ，喷煤速率以及富氧比例等参数，构成一个能够自适应节能决策闭环。

       2.4   高炉余能梯级回收与碳资源循环利用技术

       在冶金过程有效利用能源的系统构架下，碳资源循环利用和余能梯级回收技术构成核心关键环节。该项技术以高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气的协同梯级利用为核心，利用高温、高压、低温等不同能级梯级回收体系将热能，实现热能、电能、化学能的全面转换 。其中，高炉煤气提纯后，作为 TRT 发电和热风炉加热双重能量来源。转炉煤气通过余热锅炉完成显热回收。未在焦炉煤气中发生反应的氢和一氧化碳，可以被重新利用于加热系统或干熄焦设备中，从而形成一个内部的碳循环链 。该系统与 CO2 捕集和回用（CCU）设备相配合，对高炉排放气进行 CO2 化学吸收或者膜分离，以合成甲醇或者制氢反应进行碳资源二次利用和减排 。整个回收体系以能量分级利用、介质耦合协同、碳资源循环为技术主线，构建“余能-余热、余气-余碳”多维协同新模式，为高炉低碳操作及循环经济体系建设提供高效技术支撑。

       3   冶金能源高效利用的新技术应用

       3.1   多能互补系统

       建设以“多能互补”为主线的高炉热能梯级利用体系，并通过整合煤气废热回收、热风炉烟气换热、循环水废热回收、TRT 发电装置等技术，使不同能级热能得到有序利用，如图 1 所示 。系统设计需要构建热能流转路径的多层换热网络，高温段使用板式或壳管式高温换热器，回收炉顶煤气显热加热助燃风，中温段采用废气余热锅炉产生饱和蒸汽，为厂区提供能量，低温段利用吸收式制冷装置或者热泵系统对循环水的余热进行回收，为工厂供暖或者设备预热 。从技术应用角度来看，热能梯级系统运行依赖于准确的温度和流量监控网络 。传感器设置于风口、炉腰、烟道和冷却水出口，采样频率至少为 1Hz，确保热负荷分配的实时可控性 。能流调度中心采用热平衡算法对各个支路的换热功率进行优化 ，从而提高系统的综合热利用率 。工程实践证明，典型高炉生产线通过建设多能互补系统，可以将废气出口温度从原来 340℃降低到 160℃ , 余热利用率得到明显提高 。同时通过热能回收得到的蒸汽能够满足厂区内对工艺蒸汽的需要，降低了额外的燃料投入。

       3.2   绿色燃料替代与燃烧组织控制

       伴随喷煤和富氧燃烧技术进步，高炉燃料体系优化已从“替代型节能”转向“结构性降碳”升级，重点推进生物质碳粉、天然气和氢气联合替代高炉喷吹系统，通过精细化燃烧组织控制均衡分配反应区热负荷，保障炉内反应稳定与降碳目标协同实现。

       从过程层面上看，喷吹燃料需要保证燃烧的稳定性与还原气体组分的可控性 。以富氧喷煤系统为基础，喷入燃料前需进行预混及粒度优化（生物质粉粒径一般控制在 <75μm），同时维持富氧浓度在 23%~25%，以保证燃烧完全度 。该系统利用分区风口控制、温度场红外反馈及煤气 CO/CO2  比监测等技术对各个喷口风速进行实时调整， 以达到火焰长度和热强度均匀分布的目的 。为了确保炉缸热态的稳定性，热风温度和煤粉比也需要同步进行调节 。工程应用表明，综合采用氢气 -煤粉 - 焦炭三元燃料体系时 ，其单位产铁焦比相较于常规系统有所下降 。另外，绿色燃料替代还与燃烧组织精细化控制密不可分 。智能控制系统在气体流场模拟及热平衡模型的基础上，实现了喷口燃烧深度和气流分布动态调整 。数据采集终端将风口热流密度，煤粉流速和炉缸温度作为控制参数，采用模糊控制算法对风口配比进行自动校正 ，将温度波动限制在±15℃以内，有效避免了局部过热和结瘤的风险。

       3.3   建立智慧能效平台

       在数字化冶金背景下，高炉系统能源管理已逐渐从人工调度向智能决策方向发展。智慧能效平台建设是高炉炼铁全流程能耗优化调节的重要依托 。平台融合了多源感知、数据建模、能流追踪及自学习优化功能模块，并通过搭建数字孪生体实现了炉内热态分布、气体还原反应、能耗行为的全域仿真及预测。该系统基于工业物联网架构设计，关键传感器涵盖风温、风量、炉顶压力、煤气成分和热风炉的燃烧状态等，数据采样频率达秒级确保动态响应能力。

       智慧能效平台的核心原理是实时能量平衡，嵌入多目标优化算法将能耗、产量、设备负荷和碳排放指标整合到统一的调控框架中 。在运行时，该平台利用自学习算法不断更新能效模型的参数，并在线评价各个环节的能量转化效率。例如，根据炉顶煤气焓值与 TRT 发电量的对比数据，系统能够自动识别余热回收效率的偏差，并触发热风炉的燃烧调节指令，从而实现能源的自适应调控 。能量分析模块一次性生成可视化的能流图以供操作者介入和策略验证 。在实践中，引入智慧能效平台后，高炉单位产铁整体能耗显著降低，热效率得到了提高，能源利用结构趋于合理 。该平台开放式接口也可以和企业 MES、ERP 系统进行整合，以达到能耗绩效考核，设备运维预警以及节能项目评估。

       3.4   碳资源循环与余能梯级回收系统集成

       优化高炉炼铁能源系统时，将碳资源循环和余能梯级回收进行系统集成应用，是“双碳”工程实施的核心途径 。该应用遵循“多源耦合，一体调节”的原则，将TRT 发电装置、余热锅炉、焦炉煤气回收系统和 CO2 捕集单元整合到一个统一的能流调度平台中 。具体而言，煤气净化高炉煤气先经过 TRT 装置进行压力能回收转换为电能，剩余显热由高温换热器对助燃风进行加热；转炉烟气的余热又供应低压蒸汽网络作为厂区内的工艺热源；焦炉煤气通过再燃系统对热风炉热负荷进行调质补充，以达到能量互补供给 。系统低温端的吸收式热泵的布置回收了循环冷却水中的余热，并将其应用于冬季供暖或者设备余热中，从而形成热能“高度-高度”的三级梯级利用方式 。为了解决碳排放的难题，该体系引入了 CO2 捕集-转化模块 。经过脱硫和脱尘处理后，高炉煤气被送入膜分离设备，从中提取纯度超过90%的 CO2，并通过催化加氢反应产生甲醇，从而实现废气到燃料的碳循环过程 。能流调度中心根据数字孪生模型实时优化各个能量单元的运行参数：在煤气热值发生波动的情况下，系统会自动调节热泵负荷和蒸汽分配以达到能量自适应调控的目的。监测端将物联网平台上的流量 、温度、CO2 浓度数据整合为能流和碳流的可视化界面以方便操作者动态干预和节能分析。

       4   结束语

       综上所述，冶金过程中的能源高效利用是高炉炼铁可持续发展的重要方向。采用富氧喷煤和热风耦合燃烧、高温余热回收和智能能耗优化控制技术等多种技术综合运用，使能量流得到了更合理的分配，系统热效率得到了明显提高 。多能互补、绿色燃料替代与智慧能效平台建设为高炉炼铁能效管理提供精细化和数字化手段 。未来需进一步加强跨系统能量协同和智能决策算法的整合，打造冶金行业绿色高，智能高的能源利用新模式。

参考文献

［1］霍建华.冶金行业废热回收利用与能源效益提升技术［J］.冶金与材料，2025，45（8）：106-108.

［2］魏甲明，邓升安，姚亮，等.关于冶金行业能源管理的研究与思考［J］. 中国有色冶金，2024，53（4）：1-12.

［3］张琦，谢升，沈佳林 .冶金能源高效利用与优化管控［J］.冶金自动化，2022，46（4）：1-10+45.

［4］陈丽云，周继程，上官方钦，等.某钢铁企业能源利用效率探讨［J］.冶金能源，2020，39（2）：3-7+26.

［5］张春霞 .钢铁冶金系统节能技术分析［J］. 中国金属通报， 2020（2）：75+77.