关于CO2强化碱性氧气炉炼钢过程的质量-能量-排放协同优化框架的研究

《Journal of Cleaner Production》：Research on quality–energy–emission collaborative optimization framework for CO2-enhanced basic oxygen furnace steelmaking process

　　•已开发出多物理场耦合的CFD–帕累托优化Q-E-E框架。•建立了经过工业验证的CO2强化转炉炼钢技术路径。•钢材质量显著提升：磷含量降低12.79%，氮含量降低11.97%。•能量回收率提高1.91千克标准煤/吨，氧气消耗量减少3.70立方米/吨。•污染物排放大幅下降：粉尘排放减少2.96克/秒·吨，二氧化碳排放减少13.60%。

引言
随着全球工业化进程的加速，人类活动产生的温室气体排放持续增加，其中二氧化碳排放占比超过75%，成为全球气候变化的主要推手（Jones等人，2023年）。钢铁产业虽是国家经济的支柱产业，但也是高二氧化碳排放行业，其年度排放量约占全球总量的7–9%（Kim等人，2022年），因此在碳减排方面肩负着重要责任（Wang等人，2021年）。然而，在满足严格的产品质量标准的同时，该行业在高温冶炼过程中不可避免地会产生大量粉尘、二氧化硫、氮氧化物及其他污染物（Zhang, J.等人，2023年）。在传统工艺框架下，提升冶炼质量、控制碳排放与减少污染物排放往往存在相互制约的关系，这使得多目标协同优化变得十分困难（Huang等人，2022年）。这一矛盾正是制约钢铁产业实现绿色低碳转型的核心瓶颈（Neumann等人，2025年）。

在此背景下，CO2强化转炉炼钢技术作为一种创新的冶金工艺，使得钢铁行业的多目标协同优化在技术上成为可能（Han等人，2019年）。该技术将二氧化碳作为氧化气体引入碱性氧气炉炼钢过程，利用其独特的热力学特性来增强脱磷和脱氮效果，抑制粉尘生成，减少设备磨损，并直接消耗利用二氧化碳（Zhou等人，2022年；Zhu等人，2020年）。与传统工艺相比，这种技术路径能够在提升冶炼质量和生产效率的同时，减少污染物排放和碳足迹，有望突破传统炼钢过程中各目标之间的制约关系（Xu等人，2023年）。不过，这项技术的工业化应用在机理建模、系统优化及参数调控方面仍面临诸多挑战，亟需对高温冶炼环境中的多物理场耦合过程开展深入研究。

在CO2强化转炉炼钢的机理建模层面，准确揭示多相流的质量传递、热传递与化学反应之间的耦合机制，直接影响系统优化和参数调控的模拟精度。但目前关于CO2强化炼钢机理的研究多聚焦于单一局部过程。Han等人（2019年）通过实验方法证实了二氧化碳注入在减少粉尘和提升二氧化碳利用率方面的宏观效应，但未能分析其背后的物理化学机制以及不同吸热/放热反应之间的耦合效应。Liu等人（2025年）建立了顶吹燃烧的计算流体动力学模型，重点研究了氧枪角度的影响，但未系统分析二氧化碳底吹条件下钢液温度的动态变化。Rout等人（2016年）研究了钢液飞溅行为及其对金属收得率的影响，却未考虑二氧化碳吸热反应对液相流动的影响，也未建立完整的污染物生成模型。Zhao等人（2023年）研究了底吹条件下的搅拌强化效果，但对四组分搅拌力的构成缺乏深入分析。这些研究表明，现有的CFD建模方法通常采用简化处理方式来处理单一物理过程，无法系统解释CO2强化转炉炼钢过程中多物理场之间的耦合效应，因此难以构建质量-能源-排放协同优化的理论框架。

在系统优化层面，构建一个涵盖冶炼质量、能耗及污染物排放的全面优化框架，直接关系到转炉炼钢的整体效率与可持续发展能力。但目前的研究大多缺乏多目标协同优化的系统性三维框架构建。Hu等人（2023年）建立了以能耗最小化和利用效率最大化为目标的多目标优化模型，但仅考虑了能源经济指标，未涉及冶炼质量与污染物排放控制问题。He和Zhang（2018年）提出了一种用于控制转炉终点成分的优化算法，终点碳和磷的达标率为96.67%，但该方法仅优化了钢液质量，未考虑能耗与污染物生成之间的关联。Yao等人（2018年）研究了节能降排优化，重点探讨了二氧化碳减排策略，但将各个目标视为独立目标，未能理解它们之间的三维协同机制。因此，现有的优化方法通常采用分离目标的简化策略，缺乏能够系统分析质量、能源和排放目标之间权衡与协同作用的完整框架。

在参数调控层面，关键工艺参数对CO2强化转炉炼钢实际生产运营效果的影响机制尚不明确，尤其是对于顶吹二氧化碳比例和底吹二氧化碳流量等核心参数，目前缺乏系统的调控指导。例如，Dong等人（2022年）通过300吨级转炉的工业试验，从热力学角度计算出最佳顶吹二氧化碳混合比例为8.1%，证实应在脱碳高峰期注入二氧化碳以提高利用效率。但该研究主要聚焦于二氧化碳混合比例的单参数优化，难以将所采用的数值模型扩展到顶底联合吹炼工艺中。Martín等人（2005年）使用电导率方法研究了不同转炉吹炼方式下的钢液池混合行为，但其研究基于传统的氧气反应特性，无法有效将二氧化碳底吹流量与钢液池搅拌效果联系起来。Z. Liu等人（2024年）提出了一种氧气-氮气混合顶吹控制策略，通过调整氮气比例验证了混合气体吹炼的有效性。但这种方法与二氧化碳通过吸热反应实现主动温度调控的机制不同，因此为二氧化碳顶底联合吹炼工艺的控制策略提供了空白。由此可见，将现有的参数调控策略应用于CO2强化转炉炼钢十分困难，目前缺乏针对顶吹二氧化碳比例和底吹流量的实用协同调控策略，难以为实际操作提供可行的参数范围。

为填补这些关键缺口，本研究提出了CO2强化转炉炼钢中质量-能源-排放协同优化的综合技术方案。本研究的主要创新点如下：
(1)揭示热化学-流体力学耦合机制：开发了高度耦合的CFD模型，用于捕捉多相传输与复杂吸热/放热反应之间的动态相互作用，从而明确了CO2强化炼钢的基本机制，为多目标评估提供了高精度的物理基础。
(2)构建Q-E-E协同优化框架：突破了传统单目标分析的局限，建立了全新的Q-E-E协同优化框架。该框架将机理模型与多目标进化算法相结合，系统分析了各相互冲突目标之间的权衡与协同作用。
(3)提出面向工程的参数调控策略：基于优化框架，制定了顶吹二氧化碳比例和底吹流量的实用协同调控策略，将优化结果有效转化为具体的操作参数范围，为工业生产提供了可操作的指导。

本文的其余结构如下：第2节介绍研究方法，详细阐述基于炼钢过程CFD模型的评价指标计算方法以及协同优化框架的构建策略；第3节介绍模型验证情况，评估其在实际工艺中的应用效果；第4节分析模型结果，探讨工艺参数的影响机制、Q-E-E三维协同优化结果以及工业验证测试情况；第5节总结研究的贡献与局限性，并指出未来研究方向和应用前景。