鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排

鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排張騰飛摘要鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是能源消耗和大氣污染物排放大戶，是我國節(jié)能減排工作的重點。調(diào)查了我國目前鋼鐵行業(yè)能源消耗及污染物排放的實際情況，分析與國際先進水平在技術(shù)應(yīng)用方面的差距，從技術(shù)的可行性和節(jié)能減排效果的角度，有針對性地提出當(dāng)前我國鋼鐵行業(yè)應(yīng)優(yōu)先采取的節(jié)能減排具體措施。新技術(shù)的研究與應(yīng)用為節(jié)能減排提供新思路。關(guān)鍵詞鋼鐵工業(yè);節(jié)能減排;技術(shù);應(yīng)用ABSTRACTIronandsteelindustryisanimportantbasisindustryforChinanationaleconomyandamainstaytoachieveanewindustrialization,alsothemajorconsumerofenergyandthesourceofairpollutantemissions，thekeytoChinaenergyconservationandemissionreductionwork.Thispaperinvestigatedtherealityofcurrentenergyconsumptionandpollutantemissions，analyzedthetechnologygapfrominternationaladvancedlevel，andproposedthespecifictechnicalmeasuresthatshouldbefirsttakenfromthefeasibilityandeffects.Theresearchandapplicationofnewtechnologyprovidesanewapproachforenergyconservationandemissionsreduction.KEYWORDS ironandsteelindustry;energyconservationandemissionreduction;technology;application《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》提出了"十一五"期間(2006?2010年)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%的約束性指標。鋼鐵工業(yè)是能耗大戶，同時也是排污大戶。目前我國鋼鐵工業(yè)總能耗約占全國總能耗的15.18%,二氧化硫排放量占全國的6.6%，水量占工業(yè)總量的14%,是耗能、耗水和排污的大戶，更是我國當(dāng)前節(jié)能減排的主要行業(yè)之一。［1］近年來我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排工作取得了顯著的成績。2009年全國重點鋼鐵企業(yè)鋼產(chǎn)量為4.659億噸，2005年為2.9939億噸,2009年鋼產(chǎn)量比2005年增長68.96%；2009年全國重點鋼鐵企業(yè)能源消耗總量為23832萬噸標準煤，2005年為19427萬噸，2009年能源消耗比2005年增長22.67%。全國重點鋼鐵企業(yè)能源消耗總量增幅要比鋼產(chǎn)量增幅低46.29%。2009年全國重點鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗由2005年的694Kgce/t，降到2009年的619.43Kgce/t，下降10.74%，相應(yīng)各工序能耗均有不同程度的下降。全國重點鋼鐵企業(yè)各主要生產(chǎn)工序能耗情況見表1。表1 重點鋼鐵企業(yè)各主要生產(chǎn)工序能耗情況單位：KGCE/T年噸鋼綜合能耗噸鋼可比能耗燒結(jié)球團焦化煉鐵轉(zhuǎn)爐電爐軋鋼2005694714.1264.8339.96142.21456.7936.3496.9376.222006645623.0455.6133.08123.11433.089.0981.2664.982007628614.6155.2130.12121.72426.846.0381.3463.082008629.93609.6155.4930.49119.97427.725.7480.8159.582009619.43595.3854.9529.96112.28410.653.2472.5257.665年增減-74.57-118.74-9.88-10.00-29.93-46.14-33.10-133.76-32.722010年前5個月608.44588.3954.3029.89110.57409.551.2471.0861.65一我國鋼鐵工業(yè)能耗問題鋼鐵廠集中度低、企業(yè)規(guī)模小而分散據(jù)統(tǒng)計,2005年我國粗鋼產(chǎn)量500萬t以上的企業(yè)有18家，僅占全國粗鋼總量46.36%，而2004年日本粗鋼總量的73.22%由4家企業(yè)完成，美吃家企業(yè)的鋼產(chǎn)量占全國的61.09%，俄羅斯78.69%的鋼產(chǎn)量是由5家鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)，而韓國兩家鋼鐵企業(yè)的鋼產(chǎn)量占全國總鋼鐵量的82%。我國具有煉鐵、煉鋼生產(chǎn)能力的871家鋼鐵企業(yè),2005年粗鋼產(chǎn)量為35239億t，比2000年的12850萬t增加了174.2%，但主要是由各企業(yè)在原地或異地建廠擴大經(jīng)營規(guī)模完成的,而產(chǎn)鋼1000萬t的鋼鐵集團（8個）合計產(chǎn)鋼10540萬t，只占全國鋼產(chǎn)量的30.2%左右,500萬t以上的企業(yè)有18家，鋼產(chǎn)量占約占全國總量的47%。⑵鋼鐵企業(yè)裝備大型化同發(fā)達國家有明顯差距據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2004年底我國高爐多達1131座，1000m3及以上高爐只有18座，產(chǎn)能占總產(chǎn)能的31.96%其余均為1000m3以下的小高爐，產(chǎn)能占總產(chǎn)能的68.04%。2004年底我國煉鋼轉(zhuǎn)爐有553座，300t以上轉(zhuǎn)爐只有3座，120?299t轉(zhuǎn)爐51座，產(chǎn)能分別占總產(chǎn)能的2.17%和22.57%;120t以下的小轉(zhuǎn)爐多達499座，其產(chǎn)能占總產(chǎn)能的75.26%。近年來裝備大型化有了長足進步，到2007年1000m3以上大型煉鐵高爐增加到120座，100t以上煉鋼轉(zhuǎn)爐增加到140座。［3］但與裝備總數(shù)比仍只占10%左右。在冶金生產(chǎn)裝備大型化方面，我國鋼鐵行業(yè)發(fā)達國家相比還有較大的差距。二次資源回收利用率低傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)流程會消耗大量的能源，幾乎每一道生產(chǎn)工序都不斷反復(fù)加熱，造成熱能大量的流失。據(jù)報道每生產(chǎn)1t鋼材要消耗716kgce,而生產(chǎn)過程中能源有效利用率為27%,73%的熱能都在各工序中白白地損失掉了,［2］其中44%的熱能是以煙氣的形式存在，含有極高的熱值。節(jié)能技術(shù)、裝備的普及率低、能耗差異大2006年底對大中型鋼鐵企業(yè)進行統(tǒng)計，高爐安裝爐頂煤氣余壓發(fā)電裝置（TRT）的座數(shù)，僅占總數(shù)的31%;安裝高爐煤氣回收裝置的高爐，占總數(shù)的77%;安裝轉(zhuǎn)爐煤氣回收裝置的轉(zhuǎn)爐，占總數(shù)的64%;安裝轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽回收裝置的轉(zhuǎn)爐，占總數(shù)的68%。⑶因此，我國鋼鐵行業(yè)存在著全行業(yè)能耗指標落后于國際先進水平，各企業(yè)間能耗水平差異很大。二鋼鐵企業(yè)節(jié)能工作包括結(jié)構(gòu)節(jié)能和技術(shù)節(jié)能兩個部分。1鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)節(jié)能調(diào)整鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)和用能結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)節(jié)能。如提高煉鐵噴煤比、增加球團配比、采用連續(xù)鑄鋼工藝，采用薄板坯連鑄連軋工藝，軋鋼坯料熱裝工藝等技術(shù)均可實現(xiàn)節(jié)能效果。焦化工序能耗是142.21kgce/t,噴吹煤粉工序能耗為20?35kgce/t,多噴吹煤粉，改變了高爐煉鐵用能源結(jié)構(gòu)，少用焦炭可節(jié)能1.5%。這是高爐煉鐵工序結(jié)構(gòu)調(diào)整中心環(huán)節(jié)。球團工序能耗42kgce/t，燒結(jié)工序能耗66.38%，多用球團，少用燒結(jié)就可節(jié)能。同時球團含鐵品位高于燒結(jié)，又可以實現(xiàn)提高入爐礦品位的效果。連鑄比模鑄減少能耗25%?50%，薄板坯連鑄連軋要比傳統(tǒng)的模鑄一開坯一熱軋節(jié)能70%,連鑄坯熱裝熱送和直接軋制技術(shù)可節(jié)能35%。2鋼鐵工業(yè)節(jié)能技術(shù)2.1減少燃料消耗1） 蓄熱式燃燒技術(shù)：蓄熱式燃燒技術(shù)是對助燃空氣和煤氣先進行加熱，達到500?1000°C,再進行燃燒時其能值可達到工業(yè)爐所需要的標準。用蓄熱式燃燒技術(shù)之后，高爐煤氣可以在烘烤鐵水包、鋼包、連鑄中間包和軋鋼加熱爐，以及熱處理爐上得到廣泛應(yīng)用。蓄熱式燃燒技術(shù)的經(jīng)濟效益:a.高爐煤氣得到合理利用;b.燒重油的加熱爐改燒高爐煤氣后，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益;c?煙氣的物理熱充分回收。⑶2） 高爐噴吹煤粉技術(shù)：高爐噴吹煤粉是煉鐵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中心環(huán)節(jié)，是國內(nèi)外高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展的大趨勢，也是我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)之一。高爐噴吹煤粉的好處:a.代替焦炭，減少煉焦過程對環(huán)境的污染;b.緩解我國主焦煤的短缺，優(yōu)化煉鐵系統(tǒng)用能結(jié)構(gòu)；c.高爐噴煤可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)節(jié)能。⑶2007年我國重點鋼鐵企業(yè)焦化工序噸鐵能耗為123.4kg標煤，噴煤的制粉和噴吹所需的噸鐵能耗在20?35kg標煤。高爐每噴吹1000kg煤粉，就可以使煉鐵系統(tǒng)用能結(jié)構(gòu)噸鐵節(jié)約100kg標煤。3）煤調(diào)濕（CMC）技術(shù)煤調(diào)濕是將煉焦煤料在裝爐前去除一部分水分，保持裝爐煤水分穩(wěn)定在6%左右，然后裝爐煉焦。按2007年全國的焦炭生產(chǎn)規(guī)模推算，若在全國的焦化企業(yè)推廣實施煤調(diào)濕，年可節(jié)約300萬噸標準煤，年可減少焦化污水約1500萬噸，CO排放量減少約1600萬噸。⑷2.2加強對二次能源的回收1） 干熄焦技術(shù)。干法熄焦技術(shù)（CokeDryQuenching,CDQ）是利用冷的惰性氣體，在干熄爐中與熾熱紅焦換熱冷卻紅焦。吸收了熱量的惰性氣體將熱量傳給干熄焦鍋爐產(chǎn)生蒸汽被冷卻的惰性氣體由循環(huán)風(fēng)機鼓入干熄爐冷卻紅焦。干熄焦技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保和改善焦炭質(zhì)量的作用。在干熄焦過程中,80%的紅焦顯熱被回收，每噸焦炭可產(chǎn)生15t（4MPa、450°C）的中壓蒸汽；每噸焦炭可省去15?18m3的熄焦水，⑸干熄焦過程不向大氣排放含有酚、氰化物、硫化物及粉塵的水蒸氣，改善了環(huán)境質(zhì)量;焦炭強度提高，從而可以改善高爐的技術(shù)經(jīng)濟指標。2） 高爐煤氣余壓透平發(fā)電技術(shù)。高爐爐頂煤氣余壓回收發(fā)電裝置（TopGas-PressureRecoveryTurbine,TRT）是利用高爐爐頂排出的高爐煤氣中的壓力能及熱能轉(zhuǎn)化為機械能并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電?，F(xiàn)代高爐大都采用高壓爐頂，從爐頂排出的高爐煤氣除具有化學(xué)能外，還具有一定的物理能，為促進這些可燃廢氣的綜合利用，通常采用高爐煤氣余壓透平發(fā)電節(jié)能裝置，將煤氣的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。干式TRT裝置是鋼鐵企業(yè)重要的節(jié)能降耗技術(shù)，是國家重點支持、鼓勵和發(fā)展的節(jié)能環(huán)保效益型創(chuàng)新技術(shù)。這種技術(shù)發(fā)出的電量是相當(dāng)可觀的，寶鋼TRT技術(shù)噸鐵發(fā)電量為3617kWh，相當(dāng)于節(jié)約1418kgce/t鐵。⑸3） 高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）技術(shù)：在不外供熱時熱電轉(zhuǎn)換效率可達40%?45%，比常規(guī)鍋爐蒸汽轉(zhuǎn)換效率高出近一倍。相同的煤氣量，CCPP又比常規(guī)鍋爐蒸汽多發(fā)70%?90%的電。且此發(fā)電技術(shù)C02排放比常規(guī)火力電廠減少45%?50%，無SO2、飛灰及灰渣排放，NOx排放低，回收了鋼鐵生產(chǎn)中的二次能源，且為同容量常規(guī)燃煤電廠用水量的1/3左右。⑶4） 轉(zhuǎn)爐負能煉鋼技術(shù)：轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，當(dāng)煤氣中CO含量大于30%、氧氣含量小于2%時可以進行煤氣回收，轉(zhuǎn)爐煤氣噸鋼回收大于100m3、蒸汽大于60kg/t,并使回收的物質(zhì)得到充分利用，就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐負能煉鋼。⑶5） 燒結(jié)低溫余熱回收技術(shù)燒結(jié)余熱余能約占整個流程余熱資源的10%左右，余熱溫度在300?500°C之間，是低溫余熱資源應(yīng)用的重點。燒結(jié)余熱發(fā)電是利用低溫余熱的一個有效途徑，但目前存在一些問題，在運行過程中，由于燒結(jié)機和環(huán)冷機工況發(fā)生變化時，余熱回收系統(tǒng)的工作參數(shù)也將隨之變動，輸出的蒸汽壓力、溫度、流量也將發(fā)生變化，從而影響發(fā)電機組的運行效率。而且由于存在漏風(fēng)率高導(dǎo)致廢氣溫度降低，又要保證進入除塵器前廢氣溫度在露點以上等原因，回收利用燒結(jié)余熱較困難。如果開發(fā)此技術(shù)將燒結(jié)礦余熱充分利用，則鋼鐵行業(yè)年可節(jié)約能源約900萬噸標準煤。⑷6） 轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽發(fā)電技術(shù)在提高轉(zhuǎn)爐煙氣余熱回收量的基礎(chǔ)上，重點開發(fā)低壓（飽和）蒸汽發(fā)電技術(shù)。如噸鋼發(fā)電量按照15kWh計算，全國年產(chǎn)鋼5億噸，則每年可以發(fā)電75億kWh,折合300萬tce左右，產(chǎn)生效益40多億元。同時，所發(fā)電可以供居民電，從而實現(xiàn)社會減排C02630萬噸，減排SO26萬噸，社會環(huán)境效益顯著。⑷三鋼鐵行業(yè)減排技術(shù)3.1燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)：燒結(jié)煙氣S02的控制方法主要有低硫原料配入法，高煙囪擴散稀釋法和煙氣脫硫法。燒結(jié)煙氣中的S02是燒結(jié)原料中的硫在高溫?zé)Y(jié)過程中被空氣氧化而成的。因此，在確定燒結(jié)原料方案時，按照規(guī)定的S02允許排放量來適當(dāng)?shù)剡x擇、配入含硫低的原料，以實現(xiàn)對排放S02量的控制。上世紀70年代建設(shè)的大型燒結(jié)廠采用了燒結(jié)煙氣脫硫法，脫硫工藝多為濕式吸收法。目前主要采用鋼渣石膏法、氨硫銨法、活性焦吸附法、電子束照射法等。32高爐煤氣干式除塵技術(shù).干式除塵即布袋除塵，該技術(shù)可以使TRT發(fā)電能力提高36%，投資僅為濕法投資的70%,占地面積不到濕法的50%。自萊鋼開發(fā)了高爐煤氣采用干法布袋除塵的關(guān)鍵技術(shù)“高爐煤氣快速升降溫”技術(shù)，解決了由于煤氣溫度突然升高而燒毀布袋的問題后，高爐煤氣凈化采用全都是干法布袋除塵。⑶3.3轉(zhuǎn)爐煤氣干式除塵技術(shù)：轉(zhuǎn)爐煤氣干式除塵技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)電、除塵效率高的優(yōu)點。同時可以提高能源利用率，煤氣回收量約為100mg/i%，煉鋼噸鋼工序能耗可達10kg標準煤，實現(xiàn)負能煉鋼。轉(zhuǎn)爐煤氣LT干法電除塵系統(tǒng)，相對濕法除塵而言，其最大的優(yōu)點是：除塵后的煤氣排放含塵濃度在30me,/m3以下；煤氣回收含塵濃度在10mg/m3以下，可直接供用戶使用；風(fēng)機使用壽命長；系統(tǒng)阻力低；耗電約濕法為除塵系統(tǒng)的40%。⑹3.4鋼渣的綜合利用1） 作鋼鐵冶煉熔劑。鋼渣可用作燒結(jié)劑，不僅回收了鋼渣中的Ca、Mg、Mn、Fe等元素，而且提高了燒結(jié)機利用系數(shù)和燒結(jié)礦的質(zhì)量，降低了燃料消耗。2） 鋼渣作水泥。高堿度鋼渣有很好的水硬性，把它與一定量的高爐水渣、煅燒石膏、水泥熟料及少量激發(fā)劑配合球磨，即可生產(chǎn)鋼渣礦渣水泥。鋼渣水泥具水化熱低、后期強度高、抗腐蝕、耐磨等特點，是理想的大壩水泥和道路水泥。3） 作筑路與回填工程材料。鋼渣碎石具有密度大、強度高、表面粗糙、穩(wěn)定性好、耐磨與耐久性好、與瀝青結(jié)合牢固等特點，因而廣泛用于鐵路、公路、工程回填。4） 作農(nóng)肥和酸性土壤改良劑。鋼渣含Ca、Mg、Si、P等元素，當(dāng)鋼渣中的P2O5超過4%時，可以磨細作為低磷肥使用。鋼渣磷肥可以用于酸性土壤與缺磷堿性土壤，也適于水田與旱地耕作，具有很好的增產(chǎn)效果。5） 回收廢鋼。鋼渣一般含7%?10%廢鋼，加工磁選后，可回收其中90%的廢鋼。四新技術(shù)研究與應(yīng)用前景近幾年研究開發(fā)的不使用昂貴焦炭或很少使用焦炭的新煉鐵工藝來替代能耗高、污染大的傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝，如直接還原煉鐵和COREX、FINEX、HISMELT等熔融還原煉鐵工藝，即降低了能耗又對環(huán)境有益，實現(xiàn)“綠色冶金”。另外，微波加熱作為一種發(fā)展迅猛的新型綠色冶金方法，微波加熱在磨礦、預(yù)處理、預(yù)還原、干燥、焙燒、金屬提取和煙塵等廢料的處理和利用等領(lǐng)域也受到了廣泛重視，某些研究成果正逐步轉(zhuǎn)入實用階段。微波加熱在冶金中的應(yīng)用4.1微波對礦石預(yù)處理利用微波選擇性加熱的特點，可以用微波對鐵石進行預(yù)處理。被微波輻射以后的黃鐵礦礦石，黃鐵礦和石英完全裂開，黃鐵礦和石英本身也產(chǎn)生了許多裂縫，裂縫的產(chǎn)生可以有效地促進有用礦物的單體解離和增加有用礦物的有效反應(yīng)面積，對于降低磨礦成本、提高選礦回收率和加快冶金速率具有重要的實際意義。⑺4.2微波加熱還原碳鐵礦粉鐵礦石的微波輻射加熱碳熱還原可以解決傳統(tǒng)加熱方法無法解決的“冷中心”問題，而且金屬氧化物的碳熱還原速率明顯提高。鋼鐵研究總院這方面也做了大量試驗，結(jié)果表明磁鐵礦粉、赤鐵礦粉、無煙煤粉均對微波具有良好的吸收性能，石灰粉和石灰石粉對微波的吸收能力較差。在無保護氣氛條件下，微波加熱還原含碳鐵礦粉效果十分明顯，金屬還原率可達90%以上。⑺4.3微波加熱球團利用微波加熱均勻、升溫速率快、加熱效率高的特點，微波加熱磁鐵礦球團時球團礦的溫度變化規(guī)律、干燥特點、生球強度和焙燒后球團的巖相特征與普通干燥焙燒方法相比，利用微波對球團礦進行干燥焙燒，其溫度上升迅速，內(nèi)部溫度分布均勻；干燥速度快，干燥過程中沒有出現(xiàn)裂紋和爆裂現(xiàn)象；焙燒后的磁性球團礦主要由連晶充分的Fe2O3組成；每個成品球的強度為170?230千克，并且焙燒時不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。⑺4.4微波輔助磨礦粉碎是礦物加工過程中最消耗能源的工序，它占整個礦物加工過程總能耗的50%70%.

通常粉碎工序的能源效率約為1%。⑻由于組成礦石的各種礦物具有不同的吸收微波性質(zhì)，它們在微波場中的升溫速率各不相同，同一時間內(nèi)被加熱到不同的溫度(微波的選擇性加熱)，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，致使礦物之間的界面產(chǎn)生裂縫。這種處理使礦石更易粉碎，提高物料的磨礦效率。這對于降低磨礦成本、提高選礦回收率和加快冶金反應(yīng)速率具有可觀前景。4.5微波在廢物處理上的應(yīng)用礦石冶煉過程伴隨有大量的S02和NOx等氣體，嚴重污染環(huán)境?微波作用下活性炭還原這些污染物的方法，在活性炭吸附這些有害氣體的同時，用微波加熱吸附CO,CO2和N2等還原產(chǎn)物排放到大氣中，而硫磺則用噴霧室收集后作為產(chǎn)品出售，脫硫率高達95%以上.[8]在微波輻射下，懸浮在溶液中的煙塵顆粒表面的水會迅速過熱，急劇汽化，從而促進ZnO和Fe2O4等物質(zhì)的溶出.總結(jié)煉鐵工序占鋼鐵工業(yè)總能耗的70%，因此，該工序應(yīng)作為節(jié)能工作的重點。目前，針對煉鐵工序較成熟有效的節(jié)能技術(shù)有:蓄熱式燃燒技術(shù)、高爐