一、研究的背景与问题
我国是世界上最大的钢铁生产国，2024年粗钢产量10.05亿吨，占世界粗钢总产量的50%以上。钢铁行业是我国国民经济支柱型产业，同时作为高耗能、高污染行业，钢铁行业的污染物治理长期以来备受关注，在钢铁长流程生产过程中，转炉炼钢是能源消耗和污染物排放的核心工序。在立项之初，转炉一次烟气干法净化回收技术在国内尚属空白，主要依赖进口，投资和运维成本较高。随着我国环保标准日趋严格和转炉大型化趋势加速，国外技术表现出严重的“水土不服”，对国内复杂的原料条件和快节奏冶炼工艺适应性差，运行中易发生泄爆，影响生产连续性。目前，钢铁行业面临超低排放和“双碳”战略的双重政策要求，其原有设计标准已无法满足我国更为严格的超低排放指标，致使部分投入巨资引进的项目在投产后即陷入不达标或需再次改造的被动局面。此外，国内200吨及以上大型转炉在一次烟气净化上面临核心装备处理能力不足的困境，行业普遍依赖直径不超过12.6m的电除尘器，其处理能力已无法匹配大型转炉在吹炼时产生的瞬时超大烟气量，导致排放波动，难以稳定达标排放。与此同时，为求达标而简单叠加后端除尘设施的技术路线，又带来了系统冗杂、能耗攀升等问题，与节能减排的根本理念相违背。
转炉一次烟气净化与回收技术是实现转炉工序负能炼钢、节能减排与资源回收的核心环节。基于上述问题，项目团队在充分借鉴和吸收国外技术的基础上，通过“产、学、研、用”协同攻关，完成转炉一次烟气干法净化回收系统自主研发并成功推广应用。2018年起，聚焦200吨以上大型转炉与高品质特殊钢生产需求，以超低排放和节能降碳为核心目标，研发出一套具有完全自主知识产权、适用于200吨及以上大型转炉的“高效、智能、大直径”电除尘系统，实现烟气粉尘长期稳定达标排放（≤10mg/Nm3）与煤气高效回收（≥150Nm3/吨钢）。自立项开始，相关成果已成功应用于60多台套工程项目中，在2024年3月，转炉一次烟气高效智能大直径电除尘系统成功应用于山东钢铁集团永锋临港有限公司250吨转炉，标志着该项目成果的全面落地。该技术有助于全面提升烟气治理综合能效，降低运行成本，具备极强的行业推广价值，为钢铁行业污染物的治理提供了可靠的技术支撑和良好的工程示范。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目紧扣国家“双碳”战略与钢铁行业超低排放要求，针对大型转炉瞬时烟气量大、传统电除尘系统调控精度不足、运行安全稳定性欠缺、智能运维水平滞后等行业痛点，项目团队联合攻关，确立“装备大型化突破+控制智能化升级+系统绿色化集成”的核心研发路径，秉持“消化吸收+自主创新”的核心研发理念，在充分借鉴国外先进技术的基础上，聚焦关键技术开展自主攻关，以大直径电除尘器高效除尘核心装备研制、冷却器精准控制模型的开发与装备优化、安全生产与智慧运维新模式构建三大核心创新，通过示范工程的实践验证，成功构建起拥有完全自主知识产权的转炉烟气净化回收系统成套装备技术体系，全面提升了我国在大直径圆筒形炼钢转炉烟气高效电除尘器系统的工艺开发、装备设计、产品制造及成套供应能力，最终实现系统“高效净化、安全稳定、资源循环、节能降碳”四位一体目标，为大型转炉一次烟气高效净化与回收提供可复制、可推广的全流程解决方案，该技术成果的落地不仅显著提升我国转炉炼钢行业的整体技术水平，更有力推动行业科技进步与绿色转型升级。
图1 转炉一次烟气高效智能大直径电除尘系统技术路线图
首先针对大直径电除尘器核心装备开展针对性研制，完成电场内部极配形式、极板极线电流密度、流场的协同优化，开发转炉除尘专用变抗全直流电源，同时实现适配大尺寸设备的机械结构系统性创新设计，从装备层面筑牢除尘效能与运行稳定性的基础；在此基础上，推进冷却器精准控制模型与配套装备的优化，构建多阶段智能喷雾冷却温度精准控制系统，研发炉口微差压精准调控与测点智能自清堵一体化技术，研制适配工况波动的柔性调节设备，稳定烟气入口工况、提升煤气回收品质；最终构建转炉干法除尘系统的安全生产与智慧运维新模式系，形成“监测预警-主动抑制-结构防护”三位一体的防爆安全体系，落地“时空耦合+多模态融合”的全流程智能状态监测技术，打造“工业大模型+AR沉浸式交互”的全流程智能运维赋能模式，实现系统全链路的安全、智能与可靠运行。
综上所述，通过多维度技术攻关与实践验证，整套干法除尘工艺对应的转炉烟气净化回收系统成套装备技术体系得以成型，全面提升了大直径圆筒形炼钢转炉烟气处理的工艺水平、装备性能与运行连续性，为转炉一次烟气的超净排放、能源高效回收，以及行业的绿色稳定转型升级提供了有力支撑。
三、主要创新性成果
1、大直径电除尘器高效除尘核心装备自主研制，突破大型转炉烟气超低排放与长周期稳定运行瓶颈，为钢铁行业节能降碳提供核心技术支撑。
图2 大直径电除尘器高效除尘核心装备自主研制技术难点、解决路径与应用效果
（1）大直径电除尘器内部多物理场协同优化研究，针对传统极配形式除尘效率有限，在大烟气量条件下粉尘难以达标排放难题，完成电场内部极配形式、极板极线电流密度、气流场的协同优化，显著提升电除尘器的工况适应性与除尘效率。
图3 大直径电除尘器内部多物理场协同优化研究
（2）转炉一次烟气除尘系统新型高效专用变抗全直流电源研制，针对传统电源容量不足、输出纹波大、除尘效率低及能耗高的痛点，研制适配大型电除尘器的专用变抗全直流电源，实现超净排放与节能降碳的协同目标。
图4 新型高效转炉专用变抗全直流电源在转炉除尘中的应用
（3）大直径电除尘器适配机械结构系统性创新设计，针对大尺寸设备在重载高温、长周期运行下的结构可靠性痛点，完成大直径电除尘器适配机械结构的系统性创新设计，从结构层面保障设备除尘效率与运行连续性，为恶劣工况下的长期稳定超低排放提供坚实支撑。
图5 大直径电除尘器适配的机械结构系统性创新设计
2、冷却器精准控制模型的开发与装备优化，通过全流程动态调控，提升煤气热值和品质，助力大型转炉煤气高质回收，全面提升能源管控的经济性。
图6 冷却器精准控制模型的开发与装备优化技术难点、解决路径与应用效果
（1）针对大型转炉吹炼烟气热负荷剧变、控制响应滞后的行业痛点，创新研制多阶段智能喷雾冷却温度精准控制系统，为全周期超低排放与系统节能提供稳定入口工况保障。
图7 多功能智能型喷雾除尘系统与装备
（2）创新研制了炉口微差压精准调控与测点智能自清堵一体化保障技术，攻克了因取样孔堵塞导致核心参数失准、进而影响系统自动控制的行业共性难题，为煤气回收优化与超低排放提供了高可靠性的数据基础与调控前提。
图8 炉口微差压精准调控与测点智能自清堵一体化保障技术
（3）针对转炉不同工艺阶段排放浓度波动的技术难题，创新研制具备精细喷雾控制技术的柔性调节设备，集成在线粉尘监测与精细喷雾控制技术，实现喷水量智能动态调节，确保转炉炼钢烟气超净长期稳定排放。
图9 柔性调节设备研制
3、构建转炉干法除尘系统的安全生产与智慧运维新模式，确保在转炉长周期恶劣工况下实现系统的安全稳定运行。
图10 安全生产与智慧运维新模式技术难点、解决路径与应用效果
（1）创新研制了一套“监测预警-主动抑制-结构防护”三位一体的防爆安全体系，实现泄爆概率大幅降低，保证火花关断时间＜10μs，系统可快速恢复。
图11 “三位一体”防爆安全体系
（2）创新研发了一套“时空耦合+多模态融合”的全流程智能状态监测技术，实现多源数据精准匹配与低延时预警，提升系统智能化管控与安全稳定运行能力。
图12 除尘全流程状态监测图
（3）创新构建了一套“工业大模型+AR沉浸式交互”的全流程智能运维赋能体系，实现运维模式数字化转型，降低检修成本与人工强度，保障设备长周期可靠运行。
图13 除尘智能运维系统
四、应用情况与效果
自2009年项目立项以来，项目核心技术成果已陆续在多家钢铁企业实现规模化应用与迭代升级，共计完成62台套工程应用。应用场景覆盖200吨及以上大型转炉及不同规模钢铁企业核心生产场景，行业适配性与规模化应用能力突出，显现出稳定的超低排放效果与显著的资源回收效益，具体应用情况和实施效果如下：
（1）核心装备首次验证：2019年，“世界最大直径圆筒形炼钢电除尘器”等核心装备，首次在某钢铁公司2座200吨转炉一次烟气净化回收系统成功落地，成功解决了电除尘系统对国内快节奏冶炼及大型转炉超大瞬时烟气量的适配难题。
（2）系统装备迭代升级：2023年，“冷却器精准控制模型”首次应用于煤气降温系统，在某钢铁公司5座210吨转炉完成规模化推广。验证了成果在多炉座、连续生产场景的适配性与稳定性，实现烟气粉尘排放浓度长期稳定≤10mg/Nm3，显著提升煤气回收率和品质，同步降低放散煤气燃烧带来的碳排放与能源浪费。
（3）全面落地：2024年3月，转炉一次烟气高效智能大直径电除尘系统首次在山东钢铁集团永锋临港有限公司250吨转炉工序全面应用，实现环保指标与资源回收效率的双重跃升，成为行业可复制、可推广的标杆案例。助力永锋钢铁成功入选工信部“绿色工厂”“智能制造示范工厂”以及中国钢铁工业协会“双碳最佳实践能效标杆示范厂培育企业”。
（4）行业推广价值凸显：所有应用案例均实现环保达标、能源回收与安全稳定多重目标。项目制定国家标准1项、行业标准2项，成果先后入选“2023年度国内钢铁行业绿色低碳引领十大事件”、工信部《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录2023版》和国家发改委《绿色技术推广目录（2024年版）》，为钢铁行业超低排放改造与“双碳”目标落地提供关键支撑，推广前景广阔。
信息来源：中国重型机械研究院股份公司
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