李光宇
在全球钢铁行业加速推进 “双碳” 战略的时代背景下，传统高炉长流程炼铁工艺面临多重现实约束：优质主焦煤资源紧缺、对外依存度居高不下，烧结、焦化工序污染物排放管控压力持续加大，低品位矿、共生复杂矿难以高效经济利用，电炉短流程发展受废钢品质制约，老钢厂改造搬迁面临投资与环保双重考验。作为已经实现商业化稳定运行的短流程非高炉炼铁技术，低碳氢基熔融还原技术取消焦化、烧结、球团工序，具备原料适应性广、低碳排放、铁水品质高、固废协同处置能力强等突出优势，为钢铁企业转型升级提供一条可落地、可复制的技术路径。
北京首钢国际工程技术有限公司（以下简称首钢工程）深耕熔融还原技术20余年，走出了 “技术参股引进—消化吸收—迭代创新—引领发展” 的发展道路，掌握从工艺设计、核心装备开发、生产调试、智能化控制系统到系列化炉型成套输出的全链条工程能力，拥有40余项相关专利，其中发明专利近20项，参编多项行业技术标准，可为国内外钢铁客户提供可行性研究、总体工程设计、核心装备设计、项目总承包、生产调试、技术升级改造、智能化系统开发全周期技术服务。
二十载深耕：从海外参股
到实现中国本土化商业化突破
我国熔融还原技术最早起源于20世纪80年代。2002年，首钢做出前瞻性战略布局，与力拓、美国纽柯、日本三菱共同投资建设澳大利亚奎那那HIsmelt 熔融还原工业化示范工厂，首钢持有项目 5%股权，同时成为当时国内唯一工艺授权工程公司，开启国内对该前沿技术的跟踪研究之路。
奎那那工厂于2005年投产，至2008年底停产累计产出铁水38万吨，在工业规模层面验证熔融还原工艺的可行性，但同时暴露出一系列致命短板：炉缸耐火材料侵蚀速度快，首个炉役寿命仅3个月；流化床设备故障率高，整机作业率偏低；煤气净化系统运行稳定性不足，距离商业化连续生产存在巨大差距。首钢工程派遣多批技术团队全程参与该项目建设、冷热调试、开炉生产，完整吃透工艺逻辑、装备参数，同时系统梳理全部缺陷痛点，完成熔融还原炉基础设计能力建设，开展大量对比研究，厘清工艺 “单体效率高、碳回收率高、传热快、吨铁煤耗低、环境污染小” 核心技术特征，为后续国内落地迭代打下扎实理论与人才基础。
2012年，熔融还原技术迎来本土化落地关键节点——山东墨龙公司引进奎那那全套核心装置搬迁至国内寿光，首钢工程作为授权工程单位，承担该项目技术转化、工程设计、控制模型搭建、建设实施与生产调试工作。该项目总投资超18.5亿元，固定资产投资达11亿元，研发改进投入超过6亿元，历经9次热负荷试车反复调试，于2017年9月实现稳定商业化连续生产，成为全球唯一实现商业化连续运行的熔融还原工厂。截至2022年6月停产时，该项目累计产出高纯铁水在200万吨以上，各项生产指标全面超越奎那那示范厂。2018年，中国金属学会组织成果评价，专家组一致认定，经首钢工程参与创新优化后的墨龙熔融还原技术达到国际领先水平。
针对奎那那工厂暴露的短板，首钢工程从工艺流程、核心设备、操作制度、资源能源利用四大维度完成熔融还原技术系统性创新：工艺流程层面创新两级回转窑矿粉预热预还原工艺，煤气回用作为燃料，作业率提升30%；重构煤气净化回收工艺路线；开发柔性间断出铁工艺，替代原虹吸连续出铁，出铁时间缩短 10分钟~15分钟，铁水温度提升20℃~50℃；配套烟气综合治理系统，SO2（二氧化硫）排放较地方超低标准低50%，NOX（氮氧化物）排放低于超低标准 90%。
首钢工程创新攻克炉衬长寿化难关，开发炉本体渣区冷却器，研发铝铬质耐火材料替代原有镁铬砖，渣区侵蚀速率降至1毫米/万吨铁，炉衬寿命提升至5年以上，对比奎那那工厂炉役仅3个月实现数量级跨越；优化汽化冷却烟道结构，解决磨损积灰换热差的老问题；研发耐磨保温喷枪，寿命达到国外产品2倍，喷吹成本下降20%；高温旋风除尘器由普通入口改为蜗壳式，除尘效率从45%提升至90%以上，设备寿命由5个月延长至5年。
在操作技术上，首钢工程开发矿煤混喷、分模式炉况管控、快速启停炉等一批操作技术，实现炼铁—炼钢工序高效衔接；资源能源方面构建高效烟气余热回收发电体系，吨铁发电量约600千瓦时，除自用外上网率可达40%；建设细粉喷吹系统，厂区全部粉尘回收入炉；熔渣水冲渣磁选回收70%~90%渣中金属铁，铁素资源得到充分回收利用。
2024年，鲁丽钢铁收购该工厂及全部知识产权，首钢工程与鲁丽集团签署战略合作协议，共同推进“熔融还原工业 2.0”全方位技术升级与推广。2025年7月，升级改造后工厂正式投产运行，采用干法布袋除尘替代原有湿法洗涤，煤气含水量由15%降至5%；汽化烟道高度提升至110米、直径扩大至 5米，高温煤气显热回收率提升20%；余热锅炉改造后出口温度≤200℃；实现最大40%细粉铁料配加。升级后该设备作业率为99.8%，连续不休风周期突破4个月，日产量最高2360吨，综合煤耗下降至最低710公斤/吨，吨铁生产成本较同区域1000立方米级高炉低100元~150元，充分证明经过中国创新迭代的2.0工艺具备可靠的商业竞争力。
依托20余年技术沉淀，首钢工程已经落地多项工程业绩：山东墨龙熔融还原项目是全球首套商业化运行装置；邢台钢铁转型升级搬迁改造项目规划3座熔融还原炉，采用“熔融还原 + 电炉”短流程模式，年产生铁165万吨，首钢工程承担其炼铁单元总体设计及热风炉总承包。同时，首钢工程完成加拿大、古巴、老挝等多个海外项目前期可行性研究报告，针对超贫钒钛磁铁矿、红土矿渣资源化利用开展专项方案研究；作为主要参编单位编制《HIsmelt熔融还原炼铁工艺技术规范》等行业标准，为行业技术推广建立统一规范体系。
直面行业痛点：
为客户解决核心难题
当前国内钢铁企业在转型发展中普遍遭遇多重现实困境，首钢工程成套熔融还原工程技术，针对性破解客户生产经营、资源利用、环保低碳、项目建设中的系列痛点，为企业提供差异化解决方案。
破解优质焦煤资源约束，摆脱焦化工序带来的环保与投资压力。目前，焦化厂对外依存度高，建设投资巨大，同时焦化是钢铁行业污染物、二噁英、焦油酚类污染物的重要来源，环保运维成本高昂。该熔融还原工艺完全不需要焦炭，直接喷吹普通烟煤、无烟煤即可作为还原剂与燃料，彻底取消炼焦工序，客户不再受焦煤价格波动、焦煤资源供给不足的制约，规避焦化厂巨额建设、运维、环保治理投入，从源头消除焦化工序特征污染物排放风险。
破解铁矿资源瓶颈，高效利用矿粉、低品位矿、共生难处理矿。传统高炉对入炉原料要求严苛，铁矿必须经过烧结、球团造块，大量细矿粉、低品位矿、高磷矿、钒钛共生矿难以经济利用。该工艺可直接喷吹直径小于8毫米铁矿粉，不需要烧结球团；可以大规模消纳高磷铁矿、钒钛磁铁矿、海砂矿等高炉难以处理的复杂矿产资源；同时，可将厂区钢铁粉尘、氧化铁皮、冶金渣细粉全部喷入炉内回用，实现冶金固废大规模协同处置，拓宽原料采购范围，降低原料采购成本，提升矿产资源综合利用水平。对于拥有难处理共生矿资源的矿山企业、资源地区，提供资源高效转化新路径。
解决电炉短流程发展痛点，补齐优质热态铁水供给短板。目前，国内电炉钢厂普遍面临两大难题：一是废钢资源总量不足，优质废钢紧缺，废钢带入铜、锡、铅等有害残余元素，影响高端钢材产品质量；二是单纯使用冷料直接还原铁，电力消耗高，成本压力大。熔融还原产出高纯热铁水，有害杂质低，可热装供给电炉，稀释废钢中有害元素，显著提升电炉钢水纯净度，适合高端特钢、优质铸件生产；同时，装置副产大量高品质中高温煤气，可供给轧钢加热炉等工序使用，解决独立电炉厂燃气缺口，形成“熔融还原炉+电炉”短流程全新组合模式，助力企业实现长流程向短流程转型升级。
降低环保治理压力，实现多污染物协同深度减排。烧结、焦化是钢铁 SO2、NOX、二噁英、酚氰废水的主要产生源头。熔融还原取消烧结—焦化，从源头规避二噁英、焦油酚类污染物生成；首钢工程配套完整烟气净化、煤气回收、硫资源化回收方案，可实现 SO2、NOX深度超低排放，硫元素以单质硫形式回收资源化，废水产生量大幅减少，环保设施投资与运维成本明显优于传统长流程，更容易满足地方严格环保管控要求，适配环保政策收紧区域钢铁企业新建、技改需求。
优化能耗与成本结构，余热余能充分回收，改善项目建设条件。传统高炉长流程项目占地大，烧结焦化单元设备繁多。熔融还原短流程工艺整体工艺流程大幅缩短，厂区占地面积更小，单元设备数量精简；配套完整高温烟气、煤气余热余压回收系统，实现发电、供热，部分工况下可以实现电力外供；经过2.0迭代后，吨铁综合成本相比同级别高炉具备优势；炉型模块化系列化，既有4米内径中小型炉型，也有6米内径成熟商用炉型，还有8米内径大型化炉型设计方案，可根据客户产能需求灵活定制，既适用于新建项目，也适合老钢厂搬迁改造、产能置换项目，规避大型高炉建设的部分约束条件。
面向未来双碳目标，支持低碳氢基迭代升级，保护客户远期投资。很多钢铁企业新建项目，既需要保障当下的生产盈利，也需要预留远期降碳改造空间。首钢工程熔融还原体系并非固定工艺，从现有2.0版本可以平滑升级到3.0氢基熔融还原工艺；客户现阶段建设2.0商业化装置，未来不需要整体推倒重建，可通过增加氢基流化床预还原单元，逐步提高氢气参与还原比例，实现 “以氢代碳” 持续降碳，避免一次性投入全新氢冶金装置带来巨大投资风险，保障客户固定资产投资的长期价值。
提供全套工程与智能化技术，解决非高炉项目建设技术风险。熔融还原工艺系统复杂，如果缺乏完整工程经验，客户自行开发容易出现设备不匹配、控制逻辑缺失、炉况不稳定等风险。首钢工程具备从可研、总图、工艺、设备、土建、三电自动化到生产调试的全套能力，拥有大量经过工业验证的专利与仿真模型，开发炉缸侵蚀预警、泡沫渣预警、设备寿命监控等智能模块，可帮助客户规避工艺选型、工程设计、生产调试过程中的技术风险，缩短项目达产达效周期。
已验证的技术成效：
工业化运行核心指标
经过国内多年工业实践以及升级改造，熔融还原整套技术的各项技术经济指标已经得到工业化验证，全部来自实际生产运行数据，可作为项目设计测算依据——
生产运行稳定性：6米内径商用熔融还原炉，设备作业率可达99.8%，连续不休风运行周期突破6个月，日产量最高2360吨，月产量最高66398吨，小时喷矿量175吨，具备长期连续商业化生产条件。
原燃料条件：完全取消焦炭，全部使用非焦煤；直接使用铁矿粉，无需烧结球团；细粉矿最大配加比例可达 40%，可协同处置冶金固废，高磷矿可以大比例入炉冶炼。
能耗煤耗：吨铁综合煤耗低至710千克，已经和高炉铁前煤耗水平相当；吨铁余热发电约600千瓦时，除自用外可实现部分电力上网。
铁水品质：产出高纯铁水，磷、硫及微量元素含量低，既可供转炉炼钢，也适合高端铸造、特钢电炉热装原料。
环保排放：无焦化烧结带来二噁英、酚氰污染物；SO2、NOX实现远低于国家及地方超低排放标准；煤气实现高效回收利用；干法除尘改造后煤气品质大幅提升，消除洗涤污泥污染问题。
成本效益：吨铁成本相比1000立方米级高炉低100元~150元；熔渣磁选回收渣中金属铁，厂区粉尘全部入炉，铁素资源充分回收，进一步提升经济效益。
装备寿命：炉衬耐火材料寿命可达5年以上；蜗壳式高温旋风除尘器寿命为5年；耐磨喷枪寿命达到国外产品两倍，关键设备长寿问题得到根本性解决，彻底改变澳洲示范工厂设备频繁检修更换的局面。
面向未来：
低碳氢基熔融还原技术研发与技术方案
立足已经成熟的2.0工业化体系，首钢工程启动3.0低碳氢基熔融还原技术研发，重点围绕氢基预还原、余热余压高效回收、炉型系列化三大方向开展系统攻关，开发两步法氢基熔融还原新工艺，助力钢铁行业深度降碳。
传统熔融还原工艺以碳素直接还原为主，取消焦化烧结工序，但碳消耗还有进一步下降的潜力。首钢工程两步法低碳氢基熔融还原工艺，在熔融还原炉前端配置氢基流化床，铁矿粉先经过氢气预还原，预还原度提升至30%以上，再送入熔融还原炉完成终还原；炉内产出的高温煤气，依次经过高温旋风除尘、余热锅炉、干法布袋除尘，通过余压透平回收压力与热能；煤气再进行脱氯、精脱硫，硫元素以单质硫形式回收，实现硫资源化；工艺还支持复合喷吹氢基能源、生物质炭，实现 “以氢代碳、以非煤代碳”，持续降低碳排放。
首钢工程依托物料—热平衡工艺计算模型，完成不同预还原度工况下的能耗、碳排放测算：在预还原度0%~60%区间，吨铁工序能耗为352千克标准煤~436千克标准煤，仅为传统高炉工序能耗的89.13%、传统铁前工序的70.76%；随着预还原度提升，工艺煤耗有望下降至500千克/吨以下；碳排放相比传统高炉长流程铁前工序下降幅度可达30%~60%；SO2排放降低约90%，NOX排放降低在50%以上，从根源上遏制二噁英、焦油酚类污染物产生，为钢铁企业迈向深度低碳冶炼提供技术路径。
在炉型系列化方面，首钢工程完成4米、6米、8米内径熔融还原炉全套工程设计，成熟商用6米内径炉设计产能在50万吨/年以上，8米内径炉设计产能在130万吨/年以上；对炉体结构、喷枪布置、烟气处理系统做适配优化，可支撑大规模项目落地；依托CFD（计算流体力学）数值仿真、水模型试验、三维设计平台，模拟炉内温度场、流场，研究喷枪旋流角度、插入深度对于熔池搅拌的影响，建立完整工艺计算、生产数据反演模拟系统，为大型炉型放大设计提供坚实理论支撑；全套炉型拥有自主设计能力，专利覆盖炉衬保护、煤气回收、高温除尘灰处理、预热预还原装置和固废处理装备等核心领域。
多元应用场景与广阔市场前景
随着国内钢铁产能置换、超低排放改造、双碳目标推进，以及海外钢铁产业升级，熔融还原技术拥有十分广阔的应用场景，首钢工程可以针对不同客户类型提供定制化成套解决方案——
场景一：钢铁企业新建、搬迁、产能置换项目。对于国内钢厂搬迁、产能置换，既可以采用“熔融还原炉+转炉”模式替代部分高炉产能；也可以采用 “熔融还原炉+电炉”短流程组合，降低对废钢的依赖，提升钢水纯净度；系列化炉型可以适配30万吨~200万吨不同铁水规模，相比大型高炉，项目建设约束更少，同时预留向氢基3.0技术升级的接口，兼顾当下生产效益与远期低碳改造。
场景二：独立电炉钢厂补热铁水、补充燃气资源。大量独立电炉钢厂面临废钢品质差、优质热铁水不足、燃气供给紧张问题，建设熔融还原装置，产出热态高纯铁水热装入电炉，稀释废钢残余有害元素，提高特钢、优质钢产品质量；副产煤气供给加热炉，补齐厂区燃气缺口，优化电炉钢厂原料与能源结构。
场景三：复杂矿产资源综合利用项目（如钒钛磁铁矿、高磷矿、超贫矿）。我国拥有大量钒钛磁铁矿、高磷铁矿等共生矿产资源，传统高炉冶炼难度大，有价元素难以充分利用。熔融还原工艺对复杂矿粉适应性强，可以直接喷吹处理，在冶炼得到铁水同时，推动钒钛等有价组分富集，为资源综合开发开辟新路线；适合矿山配套冶炼项目，实现“矿—冶”一体化开发。
场景四：冶金固废与工业废渣资源化处置场景。熔融还原工艺支持喷吹各类含铁粉尘、氧化铁皮、钢渣细粉，未来3.0技术进一步拓展赤泥、冶炼渣等含铁工业固废处置能力，实现固废减量化、资源化，适合钢铁园区、有色—钢铁耦合产业园项目，实现跨行业固废协同消纳。
场景五：海外钢铁市场技术输出。很多海外国家拥有丰富铁矿粉资源，但优质焦煤资源匮乏，不具备大规模建设焦化—高炉的条件。熔融还原不需要焦炭，直接利用铁矿粉，非常适配非洲、东南亚、美洲等地区炼铁项目。首钢工程可以输出“可研—工程设计—核心装备—调试”整套中国冶金方案，已经完成多个海外项目前期研究，助力中国低碳冶金技术走向全球市场。
熔融还原技术服务体系
首钢工程依托20余年全链条工程实践，面向客户提供全生命周期技术服务：
前期咨询：项目可行性研究、资源条件评估、工艺路线比选、能耗碳排放测算、投资与技术经济分析；工程设计：项目总体设计、熔融还原炉全套工艺与设备设计、公辅系统、煤气净化、余热发电、烟气环保系统、智能化控制系统设计；工程总承包：炼铁单元EPC（设计-采购-施工）总承包，核心装备成套；生产调试服务：开炉方案编制、热负荷试车、生产操作指导，助力项目快速达产达标；技术升级改造：现有装置从1.0向2.0、2.0向氢基3.0迭代升级工程方案设计与实施；智能化系统开发：炉缸侵蚀在线预警、泡沫渣预警、设备寿命监控、数字孪生工厂相关设计。
从澳大利亚的试验探索，到在中国土地上实现商业化稳定运行，熔融还原技术的发展，是我国冶金行业 “引进消化再创新” 的典型缩影。20余年间，首钢工程技术团队持续攻坚克难，解决了炉衬短寿、作业率不足、煤气系统不稳定等一系列技术难题，把一项示范试验技术打磨成为具备商业价值、可对外工程输出的成套技术。
面向未来，首钢工程将继续聚焦技术迭代，加快氢基3.0技术工业化验证，完善全系列炉型产品谱系，深化智能冶炼技术开发，拓展钒钛矿、赤泥、冶金固废综合利用场景。首钢工程将秉持“源自百年首钢，服务世界钢铁”的理念，面向国内以及全球合作伙伴，以全套自主工程技术，为钢铁行业绿色低碳高质量发展贡献中国方案与中国智慧。
（本版图片均由首钢工程提供）