我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排及環(huán)境保護發(fā)展現(xiàn)狀與展望

我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排及環(huán)境保護發(fā)展現(xiàn)狀與展望

在“五”期間，鋼鐵工業(yè)顯著增加了粗鋼產量，大力推進節(jié)能減排，能耗指標顯著提高。根據中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計,“十一五”末和“十五”末相比,有能源指標統(tǒng)計的鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗下降12.9%,實現(xiàn)節(jié)能總量4600萬噸標煤,萬元增加值能耗下降23.2%,有利保證了國家“十一五”提出的GDP能耗下降20%目標的實現(xiàn)。近年來鋼鐵行業(yè)粗鋼產量快速增長并屢創(chuàng)新高,能源、資源及環(huán)境保護的壓力越來越大。工信部《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確要求,到2015年鋼鐵企業(yè)平均噸鋼綜合能耗降低到580kg標煤以下,這將使很多鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有的節(jié)能措施難以滿足新的能耗標準要求,部分鋼鐵企業(yè)將面臨如何進一步實現(xiàn)節(jié)能、達標排放的問題?？梢哉f,今后節(jié)能減排、環(huán)境保護發(fā)展越來越成為鋼鐵企業(yè)生存發(fā)展的關鍵問題。一、能降耗技術及節(jié)能潛力十年來,我國鋼鐵工業(yè)在鋼產量增加的同時,積極貫徹國家鋼鐵產業(yè)政策,通過生產裝備大型化、現(xiàn)代化改造,淘汰落后,持續(xù)增加在節(jié)能環(huán)保領域方面的投資,整體工藝裝備水平得到快速提升,同時推廣了一批切實有效的節(jié)能裝備技術,對我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能降耗起到了積極的推動作用。這類技術主要有干熄焦技術、小球燒結技術、厚料層燒結技術、噴煤技術、高風溫技術、鼓風脫濕富氧技術、高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電技術(TRT),高爐、轉爐、焦爐煤氣回收技術,負能煉鋼技術、鑄坯熱裝熱送技術、加熱爐蓄熱式燃燒技術和能源管控技術等。另外我國鋼鐵企業(yè)針對目前鋼鐵生產過程節(jié)能尚未解決的關鍵環(huán)節(jié),正在推廣使用一批新的節(jié)能技術,包括焦化煤調濕、焦爐荒煤氣顯熱回收、低溫廢氣循環(huán)利用燒結余熱利用、高爐噴吹還原氣技術、冶金渣顯熱回收、電爐廢鋼預熱、新一代控軋控冷等一批關鍵節(jié)能技術。這些技術的先進性和可行性得到了初步證實,但有的還處于實驗室階段或工業(yè)試驗階段,應用范圍較小,還需進一步完善及產業(yè)化、推廣。鋼鐵行業(yè)相關企業(yè)、科研院所、大學對一些新型節(jié)能減排技術開展了前期研究工作,如轉爐噴吹CO二、回收利用水平低根據計算分析可以看出(見表1),目前我國鋼鐵工業(yè)二次能源產生量較大,主工序二次能源理論產生量約為396kgce/t鋼,其中高爐工序二次能源產生量最大,約占50%以上。如果充分利用現(xiàn)有的成熟技術,二次能源回收利用率可以達到85%以上(其中焦爐煤氣22%,高爐煤氣44%,轉爐煤氣9%,合計75%),但是根據國內大中型鋼鐵企業(yè)42個大轉爐(≥120噸)調研結果分析,轉爐煤氣回收水平有待提升,噸鋼煤氣量回收低于90m另外高爐渣、鋼渣顯熱尚無有效回收利用技術;焦爐荒煤氣顯熱、燒結和焦化煙氣顯熱由于技術原因,尚未很好地回收利用。國內鋼鐵工業(yè)研究者已經開始積極關注這些余熱的利用,預計“十二五”期間將會取得重大突破。三、綠色節(jié)能技術進步1.焦爐荒氣帶出炭化室,cdq裝置已運行通過對干餾煉焦生產的能源平衡分析,其中由950～1050℃高溫紅焦帶出的熱量為焦爐供熱的37%,180～230℃的加熱煙氣帶走焦爐加熱能量的17%左右,焦爐爐體散熱為10%,還有約36%的焦爐供熱量是由溫度達700～750℃的焦爐荒煤氣帶出炭化室。目前,紅焦帶出的焦炭顯熱已通過成熟可靠的干熄焦(CDQ)工藝技術回收,每噸焦炭可回收能源達30kg標煤,約占紅焦帶出的焦炭顯熱80%。截止到2010年底,我國煉焦企業(yè)已有320座CDQ裝置在運行,其中大型鋼鐵企業(yè)78%的焦爐配備的干熄焦裝置,已成為世界上最大的干熄焦技術應用國家。但煙氣的顯熱和焦爐荒煤氣的顯熱目前還未得到充分利用,有效可靠地把這部分能源回收并加以利用是今后煉焦工序節(jié)能技術所關注并必須解決的重要課題。(1)回收荒煤氣中的蒸汽荒煤氣是煉焦過程產生的未經凈化處理的煤氣,溫度達700～750℃,約占焦爐供熱量的36%。目前國內煉焦工藝中,這部分氣體從炭化室?guī)С龊?還需噴灑65～75℃循環(huán)氨水來降溫使荒煤氣溫度達到80～100℃,滿足工藝輸送的要求。這部分熱量隨著循環(huán)氨水的大量蒸發(fā)而浪費,不僅造成能量損失,又要耗費大量的降溫介質輸運動力(每噸裝爐煤需5～6噸循環(huán)水降溫)。荒煤氣余熱的回收與利用,歷來是焦化企業(yè)關注的技術,國內外一直對于荒煤氣顯熱回收進行著廣泛的探索和研究。上世紀70～80年代,首鋼、馬鋼、武鋼、鞍鋼和原北京焦化廠等諸多企業(yè)以水為介質,產生低壓蒸汽等方式回收荒煤氣中的顯熱,由于回收裝置材質與制造質量、運行管理,尤其是低壓蒸汽的出路問題等因素影響而相繼停了下來。國外日本鋼鐵企業(yè)則以導熱油為熱載體介質進行回收焦爐荒煤氣中的部分熱量,用于蒸氨、煤焦油的蒸餾或入爐煤的干燥(煤調濕),但由于荒煤氣中含有焦油蒸汽、水蒸氣、苯蒸汽等,其溫度不能太低,溫度過低會使荒煤氣中的煤焦油蒸汽凝析,造成其在上升管壁凝結,堵塞上升管通道,并且利用效率僅30%左右。國內重鋼、濟鋼也開展了相關工業(yè)試驗研究,但由于裝置結構、導熱油選取、運行管理等原因,難以適應長期高溫(700℃)下的安全可靠運行。新世紀以來,日本COURSE50項目中也把高溫荒煤氣直接無催化氧化重整技術作為重點研究內容之一,該技術利用焦爐煤氣自身顯熱和夾帶的水分,直接鼓入純氧,使其發(fā)生重整,氫氣等還原性含量提高后配吹入高爐。國內寶鋼梅鋼通過以液態(tài)金屬為導熱介質的熱管進行換熱試驗研究,可產生蒸汽壓力1.6MPa,平均蒸汽流量66kg/h,熱管換熱后降至500℃,該技術具有熱管熱傳導率高優(yōu)勢,但熱管材質受高溫荒煤氣腐蝕,容易損壞,仍需進一步研究解決工業(yè)生產的可靠性、穩(wěn)定性問題。中冶焦耐工程公司在2011年1月新建無錫焦化廠進行半導體換熱試驗,該工藝通過脫硫貧液與高溫荒煤氣間接換熱,脫硫貧液換熱后通過閃蒸裝置產生蒸汽,作為脫硫液再生熱源,可回收利用約30%荒煤氣顯熱,但其水管保護和電力轉換以及運行實效還需觀察。武鋼則以特殊粉末材料為導熱介質,采用內壁材質進行表面處理的換熱管,產生熱蒸汽,并以蒸汽為動力源,配套建設蒸汽螺桿膨脹動力機和以蒸汽廢熱與溴化鋰介質換熱的二級R123螺桿膨脹動力機,實現(xiàn)焦爐煤氣顯熱的有效回收,利用率達40%,目前已經完成中試試驗,正在進行工業(yè)化試驗。(2)提高焦炭質量,降低原料成本煤調濕(CMC)是利用外熱將煉焦煤料在裝爐前進行干燥、脫水,調節(jié)裝爐煤水分,保持裝爐煤水分穩(wěn)定在6%左右,然后裝爐煉焦的一種煤預處理工藝。煤調濕有嚴格的水分控制措施,能確保入爐煤水分恒定。我國焦化廠煉焦煤含水量普遍偏高,年平均含水在11%左右,如含水量從11%降到6%,可降低2.2kgce/t干煤消耗,同時提高4%～11%焦爐生產能力,焦炭冷態(tài)強度提高1%～1.5%,反應后強度CSR提高1%～3%,并且在保證焦炭質量不變的情況下,可多配弱黏結煤8%～10%,降低原料成本。目前,世界上采用較多的主要有兩種煤調濕工藝流程:以干熄焦蒸汽發(fā)電后的背壓汽或工廠內其他低壓蒸汽為熱源的蒸汽管式回轉干燥機技術,適用于用焦爐煤氣加熱焦爐的獨立焦化廠;以焦爐煙道廢氣為熱源和載氣流化床(含氣流床)干燥器技術,適用于用高爐煤氣加熱焦爐的鋼鐵企業(yè)焦化廠。煤調濕技術受到國內外鋼鐵企業(yè)普遍重視。美國、前蘇聯(lián)、德國、法國、日本和英國等都進行過不同形式的煤調濕試驗和生產,尤其是日本發(fā)展最為迅速。2009年底,日本現(xiàn)有的16個焦化廠51座焦爐中,其中有36座焦爐配置了煤調濕裝置,占焦爐總數(shù)的70.5%。我國的寶鋼、太鋼、攀鋼、濟鋼、昆明焦化廠的煤調濕裝置也已相繼投產。截止2010年底,全國在建或投運煤調濕裝置共有7套以上,其中以煙道廢氣為熱源流化床干燥4套,處理能力1800t/h。但需要注意的是,由于煤氣水分的降低,煤料皮帶輸送過程中,散發(fā)的粉塵量較濕煤增加1.5倍,炭化室荒煤氣中的夾帶物增加,造成粗焦油中的渣量增加2～3倍,炭化室爐墻和上升管結石墨有所增加,需要添加額外的設施保證正常生產。2.燒結機余熱利用技術燒結工序能耗占鋼鐵企業(yè)生產能耗的12%,是僅次于高爐煉鐵的第二大耗能工序,其中燒結機主煙道煙氣余熱占燒結工序能耗的13%～25%左右,冷卻機(環(huán)冷機、帶冷機)廢氣余熱占19～35%,圖1為國內某鋼鐵企業(yè)燒結機熱平衡實測數(shù)據圖。這兩部分余熱中,冷卻機廢氣余熱主要用于熱風燒結、熱風點火、熱風保溫、蒸汽鍋爐及發(fā)電,如寶鋼、濟鋼等企業(yè)利用燒結冷卻機廢氣代替燒結機點火器的助燃空氣或用于預熱助燃空氣、武鋼冷卻機廢氣用于預熱燒結混合料、馬鋼,濟鋼環(huán)冷機余熱鍋爐產生的蒸汽透過透平及其他裝置轉換成電力。其中環(huán)冷機余熱發(fā)電技術已和主體設備已實現(xiàn)國產自主化,應用趨于成熟,截止到2011年底我國已有67臺燒結機配建燒結環(huán)冷機余熱發(fā)電機組,國內推廣率不足20%,“十二五”期間應繼續(xù)推廣燒結環(huán)冷機余熱利用技術。燒結機主煙道煙氣余熱的回收利用方面國內還是空白,與發(fā)達國家差距較大。為充分利用煙氣余熱,日本、德國開發(fā)了燒結廢氣余熱循環(huán)利用工藝,主要有SVAI開發(fā)的選擇性燒結廢氣循環(huán)及余熱回收發(fā)電技術(見圖2)、德國HKM鋼鐵公司燒結廢氣循環(huán)利用技術等。這些技術利用了燒結主煙道廢氣顯熱、煙氣中CO化學熱,使工序能耗降低5%以上,同時減少外排廢氣總量20%以上,減少二惡英類持久性有機污染物排放量30%以上,實現(xiàn)了節(jié)能、低碳、減少有毒有害污染物排放(SO3.高爐鋼鐵行業(yè)高溫煙氣余熱利用技術的研究及示范應用我國鋼鐵工業(yè)每年產生冶金渣溫度高達1400-1500℃,余熱品質較高,極具開發(fā)利用價值,但是據統(tǒng)計,我國鋼鐵工業(yè)熔渣的余熱回收率不足2%。隨著能源、環(huán)保問題的日益加劇,近年來,國內的有關單位及科研院校都在積極的進行著高溫冶金渣顯熱利用方面的研究,已成為我國鋼鐵行業(yè)未來幾年內重要的節(jié)能環(huán)保技術之一。其中,首鋼、寶鋼、中冶建筑研究總院和中國京冶工程技術有限公司等單位分別開展了此方面的基礎研究工作,有些技術已完成了中試,并即將進行工業(yè)化建設。首鋼采用自主研發(fā)的鋼渣余熱回收與封閉式連續(xù)處理及穩(wěn)定化技術在北京地區(qū)建設一條1萬噸級的鋼渣余熱回收處理試驗線,試驗結果表明,該技術可實現(xiàn)噸渣節(jié)約水耗1噸,熱回收率50%～60%,噸渣回收熱量相當于節(jié)標煤30kg,相應減少CO4.高爐噴吹還原性氣體技術高爐噴吹還原氣是指將焦爐、高爐煤氣經過凈化、改質處理,通過設備加壓至高于高爐風口的壓力,然后利用噴吹設施,通過各個風口直吹管噴入高爐。高爐噴吹還原性氣體技術廣泛受到國內外煉鐵界的關注。歐洲鋼鐵技術論壇指導委員會在2004年實施超低CO5.碳、可持續(xù)發(fā)展的計算大力發(fā)展節(jié)約型高性能產品及可協(xié)助下游用戶實現(xiàn)綠色制造的鋼材品種,從而實現(xiàn)大幅度節(jié)能、節(jié)材,減少對合金元素的過度倚賴和資源的過度消耗,使有限資源得到合理利用,是我國鋼鐵工業(yè)實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)低碳、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。為實現(xiàn)上述目標,國內外開發(fā)了新一代TMCP工藝技術,原理為采用熱軋后急速快冷(帶鋼冷卻速度150～400K/s)與常規(guī)軋后冷卻系統(tǒng)相結合工藝路線,實現(xiàn)軋后冷卻路徑和相變過程的精確控制,在保持塑韌性和使用性能的前提下,強度指標提高100～200MPa,或鋼中主要合金元素用量節(jié)省25%～30%,實現(xiàn)鋼鐵材料性能的全面提升,鋼材節(jié)約用量可達到5～10%,突破了現(xiàn)有TMCP技術需要提高鋼中微合金元素含量或進一步提高軋機能力,進而造成材料碳當量提高,焊接性能惡化,鋼材成本提升和資源消耗大的限制,實現(xiàn)鋼材生產、應用全生命周期的CO四、余熱回收利用技術工信部《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確要求,到2015年鋼鐵企業(yè)平均噸鋼綜合能耗降低到580kg標煤以下,這將使很多鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有的節(jié)能措施難以滿足新的能耗標準要求。“十二五”期間鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排仍要依靠技術進步,仍需進一步完善推廣干熄焦(CDQ)、燒結余熱回收、負能煉鋼、轉爐煤氣余熱回收、連鑄坯熱裝熱送等技術,提高利用效率和普及率,充分發(fā)揮節(jié)能技術應有的節(jié)能潛力。高爐渣、鋼渣顯熱國內目前尚無有效回收利