钢铁工业节能减排

钢铁工业节能减排张腾飞摘要钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业和实现工业化的支柱产业，同时也是能源消耗和大气污染物排放大户，是我国节能减排工作的重点。调查了我国目前钢铁行业能源消耗及污染物排放的实际情况，分析与国际先进水平在技术应用方面的差距，从技术的可行性和节能减排效果的角度，有针对性地提出当前我国钢铁行业应优先采取的节能减排具体措施。新技术的研究与应用为节能减排提供新思路。关键词钢铁工业;节能减排;技术;应用ABSTRACTIronandsteelindustryisanimportantbasisindustryforChinanationaleconomyandamainstaytoachieveanewindustrialization,alsothemajorconsumerofenergyandthesourceofairpollutantemissions，thekeytoChinaenergyconservationandemissionreductionwork.Thispaperinvestigatedtherealityofcurrentenergyconsumptionandpollutantemissions，analyzedthetechnologygapfrominternationaladvancedlevel，andproposedthespecifictechnicalmeasuresthatshouldbefirsttakenfromthefeasibilityandeffects.Theresearchandapplicationofnewtechnologyprovidesanewapproachforenergyconservationandemissionsreduction.KEYWORDS ironandsteelindustry;energyconservationandemissionreduction;technology;application《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了"十一五"期间(2006〜2010年)单位国内生产总值(GDP)能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。钢铁工业是能耗大户，同时也是排污大户。目前我国钢铁工业总能耗约占全国总能耗的15.18%,二氧化硫排放量占全国的6.6%，水量占工业总量的14%,是耗能、耗水和排污的大户，更是我国当前节能减排的主要行业之一。［1］近年来我国钢铁工业节能减排工作取得了显著的成绩。2009年全国重点钢铁企业钢产量为4.659亿吨，2005年为2.9939亿吨,2009年钢产量比2005年增长68.96%；2009年全国重点钢铁企业能源消耗总量为23832万吨标准煤，2005年为19427万吨，2009年能源消耗比2005年增长22.67%。全国重点钢铁企业能源消耗总量增幅要比钢产量增幅低46.29%。2009年全国重点钢铁企业吨钢综合能耗由2005年的694Kgce/t，降到2009年的619.43Kgce/t，下降10.74%，相应各工序能耗均有不同程度的下降。全国重点钢铁企业各主要生产工序能耗情况见表1。表1 重点钢铁企业各主要生产工序能耗情况单位：KGCE/T年吨钢综合能耗吨钢可比能耗烧结球团焦化炼铁转炉电炉轧钢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年增减-74.57-118.74-9.88-10.00-29.93-46.14-33.10-133.76-32.722010年前5个月608.44588.3954.3029.89110.57409.551.2471.0861.65一我国钢铁工业能耗问题钢铁厂集中度低、企业规模小而分散据统计,2005年我国粗钢产量500万t以上的企业有18家，仅占全国粗钢总量46.36%，而2004年日本粗钢总量的73.22%由4家企业完成，美吃家企业的钢产量占全国的61.09%，俄罗斯78.69%的钢产量是由5家钢铁企业生产，而韩国两家钢铁企业的钢产量占全国总钢铁量的82%。我国具有炼铁、炼钢生产能力的871家钢铁企业,2005年粗钢产量为35239亿t，比2000年的12850万t增加了174.2%，但主要是由各企业在原地或异地建厂扩大经营规模完成的,而产钢1000万t的钢铁集团（8个）合计产钢10540万t，只占全国钢产量的30.2%左右,500万t以上的企业有18家，钢产量占约占全国总量的47%。⑵钢铁企业装备大型化同发达国家有明显差距据中国钢铁工业协会统计，2004年底我国高炉多达1131座，1000m3及以上高炉只有18座，产能占总产能的31.96%其余均为1000m3以下的小高炉，产能占总产能的68.04%。2004年底我国炼钢转炉有553座，300t以上转炉只有3座，120〜299t转炉51座，产能分别占总产能的2.17%和22.57%;120t以下的小转炉多达499座，其产能占总产能的75.26%。近年来装备大型化有了长足进步，到2007年1000m3以上大型炼铁高炉增加到120座，100t以上炼钢转炉增加到140座。［3］但与装备总数比仍只占10%左右。在冶金生产装备大型化方面，我国钢铁行业发达国家相比还有较大的差距。二次资源回收利用率低传统的钢铁生产流程会消耗大量的能源，几乎每一道生产工序都不断反复加热，造成热能大量的流失。据报道每生产1t钢材要消耗716kgce,而生产过程中能源有效利用率为27%,73%的热能都在各工序中白白地损失掉了,［2］其中44%的热能是以烟气的形式存在，含有极高的热值。节能技术、装备的普及率低、能耗差异大2006年底对大中型钢铁企业进行统计，高炉安装炉顶煤气余压发电装置（TRT）的座数，仅占总数的31%;安装高炉煤气回收装置的高炉，占总数的77%;安装转炉煤气回收装置的转炉，占总数的64%;安装转炉余热蒸汽回收装置的转炉，占总数的68%。⑶因此，我国钢铁行业存在着全行业能耗指标落后于国际先进水平，各企业间能耗水平差异很大。二钢铁企业节能工作包括结构节能和技术节能两个部分。1钢铁工业结构节能调整钢铁工业生产工艺结构和用能结构可以实现节能。如提高炼铁喷煤比、增加球团配比、采用连续铸钢工艺，采用薄板坯连铸连轧工艺，轧钢坯料热装工艺等技术均可实现节能效果。焦化工序能耗是142.21kgce/t,喷吹煤粉工序能耗为20〜35kgce/t,多喷吹煤粉，改变了高炉炼铁用能源结构，少用焦炭可节能1.5%。这是高炉炼铁工序结构调整中心环节。球团工序能耗42kgce/t，烧结工序能耗66.38%，多用球团，少用烧结就可节能。同时球团含铁品位高于烧结，又可以实现提高入炉矿品位的效果。连铸比模铸减少能耗25%〜50%，薄板坯连铸连轧要比传统的模铸一开坯一热轧节能70%,连铸坯热装热送和直接轧制技术可节能35%。2钢铁工业节能技术2.1减少燃料消耗1） 蓄热式燃烧技术：蓄热式燃烧技术是对助燃空气和煤气先进行加热，达到500〜1000°C,再进行燃烧时其能值可达到工业炉所需要的标准。用蓄热式燃烧技术之后，高炉煤气可以在烘烤铁水包、钢包、连铸中间包和轧钢加热炉，以及热处理炉上得到广泛应用。蓄热式燃烧技术的经济效益:a.高炉煤气得到合理利用;b.烧重油的加热炉改烧高炉煤气后，为企业带来巨大的经济效益;c•烟气的物理热充分回收。⑶2） 高炉喷吹煤粉技术：高炉喷吹煤粉是炼铁系统结构优化的中心环节，是国内外高炉炼铁技术发展的大趋势，也是我国钢铁工业发展的重要技术之一。高炉喷吹煤粉的好处:a.代替焦炭，减少炼焦过程对环境的污染;b.缓解我国主焦煤的短缺，优化炼铁系统用能结构；c.高炉喷煤可以实现结构节能。⑶2007年我国重点钢铁企业焦化工序吨铁能耗为123.4kg标煤，喷煤的制粉和喷吹所需的吨铁能耗在20〜35kg标煤。高炉每喷吹1000kg煤粉，就可以使炼铁系统用能结构吨铁节约100kg标煤。3）煤调湿（CMC）技术煤调湿是将炼焦煤料在装炉前去除一部分水分，保持装炉煤水分稳定在6%左右，然后装炉炼焦。按2007年全国的焦炭生产规模推算，若在全国的焦化企业推广实施煤调湿，年可节约300万吨标准煤，年可减少焦化污水约1500万吨，CO排放量减少约1600万吨。⑷2.2加强对二次能源的回收1） 干熄焦技术。干法熄焦技术（CokeDryQuenching,CDQ）是利用冷的惰性气体，在干熄炉中与炽热红焦换热冷却红焦。吸收了热量的惰性气体将热量传给干熄焦锅炉产生蒸汽被冷却的惰性气体由循环风机鼓入干熄炉冷却红焦。干熄焦技术具有节能、环保和改善焦炭质量的作用。在干熄焦过程中,80%的红焦显热被回收，每吨焦炭可产生15t（4MPa、450°C）的中压蒸汽；每吨焦炭可省去15〜18m3的熄焦水，⑸干熄焦过程不向大气排放含有酚、氰化物、硫化物及粉尘的水蒸气，改善了环境质量;焦炭强度提高，从而可以改善高炉的技术经济指标。2） 高炉煤气余压透平发电技术。高炉炉顶煤气余压回收发电装置（TopGas-PressureRecoveryTurbine,TRT）是利用高炉炉顶排出的高炉煤气中的压力能及热能转化为机械能并驱动发电机发电。现代高炉大都采用高压炉顶，从炉顶排出的高炉煤气除具有化学能外，还具有一定的物理能，为促进这些可燃废气的综合利用，通常采用高炉煤气余压透平发电节能装置，将煤气的压力能转化为机械能并驱动发电机发电。干式TRT装置是钢铁企业重要的节能降耗技术，是国家重点支持、鼓励和发展的节能环保效益型创新技术。这种技术发出的电量是相当可观的，宝钢TRT技术吨铁发电量为3617kWh，相当于节约1418kgce/t铁。⑸3） 高炉煤气联合循环发电（CCPP）技术：在不外供热时热电转换效率可达40%〜45%，比常规锅炉蒸汽转换效率高出近一倍。相同的煤气量，CCPP又比常规锅炉蒸汽多发70%〜90%的电。且此发电技术C02排放比常规火力电厂减少45%〜50%，无SO2、飞灰及灰渣排放，NOx排放低，回收了钢铁生产中的二次能源，且为同容量常规燃煤电厂用水量的1/3左右。⑶4） 转炉负能炼钢技术：转炉冶炼过程中，当煤气中CO含量大于30%、氧气含量小于2%时可以进行煤气回收，转炉煤气吨钢回收大于100m3、蒸汽大于60kg/t,并使回收的物质得到充分利用，就可以实现转炉负能炼钢。⑶5） 烧结低温余热回收技术烧结余热余能约占整个流程余热资源的10%左右，余热温度在300〜500°C之间，是低温余热资源应用的重点。烧结余热发电是利用低温余热的一个有效途径，但目前存在一些问题，在运行过程中，由于烧结机和环冷机工况发生变化时，余热回收系统的工作参数也将随之变动，输出的蒸汽压力、温度、流量也将发生变化，从而影响发电机组的运行效率。而且由于存在漏风率高导致废气温度降低，又要保证进入除尘器前废气温度在露点以上等原因，回收利用烧结余热较困难。如果开发此技术将烧结矿余热充分利用，则钢铁行业年可节约能源约900万吨标准煤。⑷6） 转炉余热蒸汽发电技术在提高转炉烟气余热回收量的基础上，重点开发低压（饱和）蒸汽发电技术。如吨钢发电量按照15kWh计算，全国年产钢5亿吨，则每年可以发电75亿kWh,折合300万tce左右，产生效益40多亿元。同时，所发电可以供居民电，从而实现社会减排C02630万吨，减排SO26万吨，社会环境效益显著。⑷三钢铁行业减排技术3.1烧结烟气脱硫技术：烧结烟气S02的控制方法主要有低硫原料配入法，高烟囱扩散稀释法和烟气脱硫法。烧结烟气中的S02是烧结原料中的硫在高温烧结过程中被空气氧化而成的。因此，在确定烧结原料方案时，按照规定的S02允许排放量来适当地选择、配入含硫低的原料，以实现对排放S02量的控制。上世纪70年代建设的大型烧结厂采用了烧结烟气脱硫法，脱硫工艺多为湿式吸收法。目前主要采用钢渣石膏法、氨硫铵法、活性焦吸附法、电子束照射法等。32高炉煤气干式除尘技术.干式除尘即布袋除尘，该技术可以使TRT发电能力提高36%，投资仅为湿法投资的70%,占地面积不到湿法的50%。自莱钢开发了高炉煤气采用干法布袋除尘的关键技术“高炉煤气快速升降温”技术，解决了由于煤气温度突然升高而烧毁布袋的问题后，高炉煤气净化采用全都是干法布袋除尘。⑶3.3转炉煤气干式除尘技术：转炉煤气干式除尘技术具有节水、节电、除尘效率高的优点。同时可以提高能源利用率，煤气回收量约为100mg/i%，炼钢吨钢工序能耗可达10kg标准煤，实现负能炼钢。转炉煤气LT干法电除尘系统，相对湿法除尘而言，其最大的优点是：除尘后的煤气排放含尘浓度在30me,/m3以下；煤气回收含尘浓度在10mg/m3以下，可直接供用户使用；风机使用寿命长；系统阻力低；耗电约湿法为除尘系统的40%。⑹3.4钢渣的综合利用1） 作钢铁冶炼熔剂。钢渣可用作烧结剂，不仅回收了钢渣中的Ca、Mg、Mn、Fe等元素，而且提高了烧结机利用系数和烧结矿的质量，降低了燃料消耗。2） 钢渣作水泥。高碱度钢渣有很好的水硬性，把它与一定量的高炉水渣、煅烧石膏、水泥熟料及少量激发剂配合球磨，即可生产钢渣矿渣水泥。钢渣水泥具水化热低、后期强度高、抗腐蚀、耐磨等特点，是理想的大坝水泥和道路水泥。3） 作筑路与回填工程材料。钢渣碎石具有密度大、强度高、表面粗糙、稳定性好、耐磨与耐久性好、与沥青结合牢固等特点，因而广泛用于铁路、公路、工程回填。4） 作农肥和酸性土壤改良剂。钢渣含Ca、Mg、Si、P等元素，当钢渣中的P2O5超过4%时，可以磨细作为低磷肥使用。钢渣磷肥可以用于酸性土壤与缺磷碱性土壤，也适于水田与旱地耕作，具有很好的增产效果。5） 回收废钢。钢渣一般含7%〜10%废钢，加工磁选后，可回收其中90%的废钢。四新技术研究与应用前景近几年研究开发的不使用昂贵焦炭或很少使用焦炭的新炼铁工艺来替代能耗高、污染大的传统高炉炼铁工艺，如直接还原炼铁和COREX、FINEX、HISMELT等熔融还原炼铁工艺，即降低了能耗又对环境有益，实现“绿色冶金”。另外，微波加热作为一种发展迅猛的新型绿色冶金方法，微波加热在磨矿、预处理、预还原、干燥、焙烧、金属提取和烟尘等废料的处理和利用等领域也受到了广泛重视，某些研究成果正逐步转入实用阶段。微波加热在冶金中的应用4.1微波对矿石预处理利用微波选择性加热的特点，可以用微波对铁石进行预处理。被微波辐射以后的黄铁矿矿石，黄铁矿和石英完全裂开，黄铁矿和石英本身也产生了许多裂缝，裂缝的产生可以有效地促进有用矿物的单体解离和增加有用矿物的有效反应面积，对于降低磨矿成本、提高选矿回收率和加快冶金速率具有重要的实际意义。⑺4.2微波加热还原碳铁矿粉铁矿石的微波辐射加热碳热还原可以解决传统加热方法无法解决的“冷中心”问题，而且金属氧化物的碳热还原速率明显提高。钢铁研究总院这方面也做了大量试验，结果表明磁铁矿粉、赤铁矿粉、无烟煤粉均对微波具有良好的吸收性能，石灰粉和石灰石粉对微波的吸收能力较差。在无保护气氛条件下，微波加热还原含碳铁矿粉效果十分明显，金属还原率可达90%以上。⑺4.3微波加热球团利用微波加热均匀、升温速率快、加热效率高的特点，微波加热磁铁矿球团时球团矿的温度变化规律、干燥特点、生球强度和焙烧后球团的岩相特征与普通干燥焙烧方法相比，利用微波对球团矿进行干燥焙烧，其温度上升迅速，内部温度分布均匀；干燥速度快，干燥过程中没有出现裂纹和爆裂现象；焙烧后的磁性球团矿主要由连晶充分的Fe2O3组成；每个成品球的强度为170〜230千克，并且焙烧时不会出现过热现象。⑺4.4微波辅助磨矿粉碎是矿物加工过程中最消耗能源的工序，它占整个矿物加工过程总能耗的50%70%.

通常粉碎工序的能源效率约为1%。⑻由于组成矿石的各种矿物具有不同的吸收微波性质，它们在微波场中的升温速率各不相同，同一时间内被加热到不同的温度(微波的选择性加热)，从而产生热应力，致使矿物之间的界面产生裂缝。这种处理使矿石更易粉碎，提高物料的磨矿效率。这对于降低磨矿成本、提高选矿回收率和加快冶金反应速率具有可观前景。4.5微波在废物处理上的应用矿石冶炼过程伴随有大量的S02和NOx等气体，严重污染环境•微波作用下活性炭还原这些污染物的方法，在活性炭吸附这些有害气体的同时，用微波加热吸附CO,CO2和N2等还原产物排放到大气中，而硫磺则用喷雾室收集后作为产品出售，脱硫率高达95%以上.[8]在微波辐射下，悬浮在溶液中的烟尘颗粒表面的水会迅速过热，急剧汽化，从而促进ZnO和Fe2O4等物质的溶出.总结炼铁工序占钢铁工业总能耗的70%，因此，该工序应作为节能工作的重点。目前，针对炼铁工序较成熟有效的节能技术有:蓄热式燃烧技术、高炉