2017-04-20
目前，全球钢铁工业在向绿色工业转型的过程中面临着巨大的挑战———减少温室气体排放、降低能源消耗和提高资源使用效率。与此同时，钢铁企业在严峻的市场形势和愈加沉重的节能环保压力下，如何才能不削弱自身在全球市场的竞争力显得更加迫切。
一方面，激烈的市场竞争使得钢铁企业更加关注现有技术，对其进行升级和改造，以达到节能环保、提高效率的目的；另一方面，钢铁企业也注重开发新的装备技术，研发新的管理控制系统，以迎接资源和环境的挑战。本期《技术空间站》着重介绍了目前国内外重要的节能环保技术、工艺和环境管理模式，以飨读者。
苏鸿英
钢铁工业除了规模庞大之外，其生产过程也极为复杂。从矿石开采到冶炼、铸造、轧制和精整，以及最后到达用户，这个过程中的转变工艺需要使用大量的原材料，如铁矿石、煤、焦炭、石灰石等，因而会造成相当大的能耗和温室气体排放。
当前，钢铁企业炼钢基本上遵循两条路线———以铁矿石为基础的工艺路线（采矿、选矿、高炉冶炼一体化炼钢）和以废钢为基础的工艺路线。铁矿石路线是应用最广泛的炼钢工艺，钢的生产涉及煤、炼焦、高炉炼铁和碱性氧化炉（BOF）技术，而废钢路线则不需要炼焦和炼铁过程。因此，前一种工艺排放更多的温室气体，且更耗能。
认清钢铁污染来源
钢铁工业的空气污染物主要来自于生产过程，包括气态物质（如硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳等）、烟灰和烟尘颗粒、重金属、有机污染物等。烟灰和烟尘可能含有氧化铁、二氧化硫和氮氧化物，颗粒物是一种多变的、有机材料和无机材料复合的复杂混合物，其以尘灰的形式从铁矿石料堆、煤堆、焦炭堆和石灰石堆料中吹出来，或者是在装料和运输过程中吹出来。重金属主要以烟尘的形式从炉子烟雾和蒸汽中排放，如钙、铅、汞、锌、锰、镍和铬等。有机污染物来自于炼钢生产过程和废钢中的放射性材料，如苯、甲苯、二甲苯、PAHs（多环芳烃）、二口恶英和酚等。采用碳作为还原剂使铁矿石在还原为铁的过程中放散出二氧化碳。臭氧的二次污染主要发生在空气中，在阳光照射下，氮氧化物和挥发性有机化合物经由一连串的光化学反应生成臭氧、甲醛、乙醛等多种二次污染物，导致大气氧化性增强，形成光化学烟雾。
钢铁工业的废水污染物主要包括固体悬浮物、重金属、油脂。废水中的固体悬浮物包括铁氧化物、煤、生物渣、金属碳氧化物和其他固体废弃物。重金属包括高百分比的锌、镉、铝、铜、锰和铬等，主要存在于炼钢工艺废水中或冷轧和涂层工序的废水中。油脂主要分为可溶于水的油脂和不可溶于水的油脂。
炼钢时排放的固体废料是煤的衍生物，主要来自焦炭生产的副产品，例如焦炭粉尘、渣、石灰石等。
余压余热回收利用技术
钢铁生产过程中过剩的可燃烧气体可以用来发电，例如高炉煤气和焦炉煤气。
高炉煤气余压透平发电技术（TRT）。TRT技术利用高炉的余热和余压来发电，采用TRT技术每吨铁可发电40千瓦时~60千瓦时。
有机朗肯循环（ORC）和卡林那循环。产生于炼钢和二次冶炼的低品质余热可以用ORC和卡林那循环发电。ORC和卡林那循环是热动力循环，能够促使热能转化为电能。ORC是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其他动力机械。从透平机排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。卡林那循环则是一种以水和氨的非共沸混合物为工质的热力循环。ORC和卡林那循环的发电效率分别为8.1%和12.8%，两种技术都被认为是商业技术，可用于全球地热和余热发电。
热光伏回收方法（Thermophotovoltaic Heat Recovery，TPV）。炼钢过程产生的热辐射可以通过热光伏方法（TPV）回收，由光电二极管电池吸收热辐射来发电。高炉渣和板坯适用于TPV方法，可以回收约4%的总能量。
干熄焦工艺。熄焦气体中的热能可通过回收蒸汽用于发电来实现再利用。采用干式熄焦装置每吨焦炭可以回收400千克~500千克高压、高温蒸汽，这一数量相当于每吨焦炭发电220千瓦时~330千瓦时。采用干熄焦技术，约35%的焦炉总投入能量可以再次利用，伴随能源节省，这一技术还减少了二氧化碳的排放量。
能源技术有效利用
焦炉煤气生产甲醇。焦炉煤气约含25vol%的甲烷和60vol%的氢气，采用该技术可减少钢厂甲烷和二氧化碳的排放量。据国外媒体报道，采用焦炉煤气甲烷生产甲醇的生产转换效率为56.2%~67.2%。
燃料转换。由于焦炭在使用中向环境排放大量的二氧化碳，科技人员努力寻找各种替代材料，其中一个就是生物材料，如木炭、甲烷、氢气、乙醇和甲醇等，而木炭主要用于较小的高炉。全部采用生物材料生产钢铁的二氧化碳排放量明显低于高炉生产工艺。但是，生物材料具有低质量和低能密度的特点，其所需的生物材料数量巨大。为改进生物材料的热值，需要将其转换成合成天然气（SNG）或生物气体，然后入炉。
直接还原铁生产工艺。直接还原铁厂可以作为高炉生产工艺的补充。与高炉—碱性氧气炉工艺相比，以天然气为基础的直接还原铁—碱性电弧炉炼钢工艺可以减少约40%的二氧化碳排放量。
冷却床余热生产热水。可以回收冷却床的对流热和辐射热生产热水，热水可以用作热自来水、钢厂取暖，或者销往生活区和热力公司。对流热可以通过热交换器来回收，辐射热通过收集器回收，如注水铜管或太阳能热水板。如果在同一冷却床把对流热和辐射热综合起来回收，约40%的热量可以作为热水回收。
热能储存。通过热能储存，热能可以通过火车、汽车和船来运输，正在开发的热能储存技术如下：一是吸收技术，热能储存在对热能敏感的液体或固体介质中，储存能力为180千瓦时/吨~400千瓦时/吨。二是潜热储存，该方法是通过相变材料的相变（例如从固体到液体）将热能储存在材料中，储存潜力为80千瓦时/吨~160千瓦时/吨。三是作为化学能储存或采用可逆化学反应，储能为30千瓦时/吨~1000千瓦时/吨。
碱性氧气炉余热和气体回收。碱性氧气炉炼钢工艺要求钢中的碳、一氧化碳和二氧化碳相互发生反应并生成转换气体。可用两个系统从转换气体中回收能源，在第一个系统中，碱性氧气炉气体燃烧于管道中，热量在余热锅炉中回收，第二个系统要求碱性氧气炉的气体经过净化、冷却并储存于气缸中以备将来使用。
连续铸造。对于一些新钢厂，偏向于采用连铸生产钢坯，其优势是减少初轧所需能源，减少材料损失。该工艺使加工过程中产生的废料减少，使收得率提高，从而避免了最终损失。
废料预热。尽管采用电弧炉生产钢提供了比高炉工艺更大的灵活性，但在电弧炉中，所用能源的20%用来熔化废料，预热废料技术帮助减少电弧炉工艺的能源消耗，其原理是利用余热加热入炉废料。
烧结厂废气热回收。有两个途径可以从烧结工艺中回收能源：一是烧结床排放的气体可以作为燃烧气体返回以减少能耗，二是采用烧结矿冷却系统。在烧结床端可以回收热烧结矿中的热量，热空气可以用于生产蒸汽。
最佳烧结—球团比例。高炉的铁矿石主要是烧结矿和球团矿两种，球团矿生产产生的二氧化碳比烧结矿生产多，因此，可以调整每座高炉烧结矿和球团矿的比例为1∶1，以减少二氧化碳排放，节约能源。
氧燃料燃烧器。电弧炉炼钢工艺造成电极之间的高强电能通道，产生电弧熔化废钢，氧燃料燃烧器通过采用燃料取代电能来降低电耗并提高热传导。
粉煤喷吹。焦炭成本比煤成本高得多，粉煤喷吹是向高炉喷吹粉煤降低焦比来节省成本。
热风炉热气回收。废弃热回收系统帮助提高热风炉的效率，来自热风炉的热量部分由外部热交换器回收，回收的热量用于预热高炉煤气和燃烧空气，因而可以减少，甚至避免煤气消耗。采用更多低质量高炉煤气来替代较高质量和成本更高的煤气，可以实现总能耗节约。
新技术立足于碳减排
目前国际钢铁行业的创新技术通常应用于超大型项目，需要较高的投资成本，这些技术主要是基于能源节约和减少二氧化碳排放的目的而上马的。
氢还原工艺。对于传统高炉，铁矿石采用一氧化碳还原，导致了二氧化碳的排放；若用氢还原铁矿石，则生产水和煤气，二氧化碳排放量减少。一氧化碳气体分子较大，而氢气的分子较小，可以轻易地进入铁矿石，渗透率是一氧化碳的5倍，因而可以实现铁矿石的快速还原。
Corex。该工艺有利于从钢水中脱碳，净化和冷却顶部空气，回收部分煤气，在铁矿石还原成海绵铁后，出售剩余煤气。
Finex。该工艺中的铁矿石粉装入流化床反应装置加热并还原，下游获得直接还原铁，还原气体来自熔融气化炉。直接还原铁粉压块形成热压铁块，由于重力关系装进熔融气化炉。
直接板材厂。直接板材厂使铸造和轧制工艺实现一体化生产，不需要中间检查或钢坯处理，避免了运输时的板坯冷却，板带不需要重新加热，但需要监控板材温度，因此比传统工艺消耗更少的能量。
碳捕捉和储存。该工艺通过3个主要技术来分离二氧化碳气体：燃烧后捕捉，预燃烧捕捉和氧燃料燃烧。燃烧后捕捉是在燃烧后分离二氧化碳，主要来自排放气体，借助吸收液体来捕捉二氧化碳，燃气气体被运送到储存地。预燃烧捕捉分离二氧化碳是在燃烧之前，燃料气体形成共生气体，进一步转换成氢气和二氧化碳，利用水煤气反应，然后二氧化碳通过吸收液体从气流中分离出来，运输并储存起来。氧燃料燃烧采用纯氧替代空气燃烧，确保烟道气体中主要是二氧化碳，可以直接运输和储存。
ULCOREO、Midrex和HYL。这3种技术都是从球团矿中生产直接还原铁，在竖炉中采用煤气直接还原，其还原煤气可以是天然气或焦炉煤气，也可以采用煤气化或生物燃料的方式，其决策主要取决于资源的可供性和价格。当基于煤气化装置时，这些方案易于与碳捕捉储存技术相结合，但需要额外增加一道净化工序。因此，即使在如何产生煤气和如何回收热能方面有所不同，上述3种工艺技术总体上是相类似的。
高炉炉顶煤气循环。该技术帮助去除高炉炉顶气体中的二氧化碳并利用、回收有效气体（如一氧化碳和氢气），进而向高炉喷吹一氧化碳和氢气以降低焦比。该系统用纯氧取代热风以除去二氧化碳。
HIsarana（新的熔融还原工艺）。该工艺基于熔池冶炼，该技术结合了煤预热和反应装置里的部分热解，利用相当少的煤来减少二氧化碳排放。该工艺中，熔化旋流器和冶炼熔炉用于矿石的还原和生产。此外，该技术的另一个优势是允许采用部分生物燃料代替煤，也可采用天然气甚至氢气，具有很强的灵活性。
电解铁矿石（ULCOWIN）。该技术采用碱电解从铁矿石中生产直接还原铁，在阴极还原铁，阳极提供电子，但这一工艺需要进一步研究。
环保技术与管理相结合
为减少温室气体排放和能耗，钢铁行业可采取工业协作模式，并引入环境管理系统，使整个环境管理系统与所有工序、项目相接。
环境管理系统的开发始于20世纪90年代，目的是帮助监控和改善环境。该系统通过4个步骤进行环境改善，即计划—实施—检查—行动，主要包括资源管理、水管理和工业废料管理等，这些都包括在一个环境管理系统里。
工业协作。工业协作是指至少两个不相关的产业可以交换材料、水、能源和信息，在一个“双赢”的方式下协作，其集体优势大于单独优势。在这种模式下，其他企业可以利用钢铁企业多余的能源和材料，而钢铁企业可以进口燃料和还原剂。由于不同工业生产过剩能源的构成不同，可以建立各种与能源相关的合作伙伴关系。例如，许多钢铁企业在附近都建有发电厂和工艺相关的气体炉，利用高炉煤气、碱性氧气炉气体和焦炉煤气来发电和生产蒸汽，通过采用新一代现代化蒸汽锅炉和气输机技术取代陈旧的设备，能够提高这些发电厂的能源转换效率。
温室气体碳治理工艺（Greenhouse Gas Carbon Abatement Process，G-CAP）。该工艺在钢铁工业的特定生产过程中实施。G-CAP的方法学原理是在于测量不同生产工序，例如焦炉、烧结厂、高炉等，在炼钢生产过程中现实生产与理论生产的极限，在已确认的差别基础之上，合理整合这些工序，最终达到综合治理。调整工作涉及性能改变、操作改进，甚至战略转型和投资决策。
接下来的工作是风险过滤，解决那些在立法、职业健康、安全和技术等方面不合理的问题。各项治理工作经过处理和排序，其处理需考虑技术开发、投资成本和预计二氧化碳减排量。最终，要确定每一项治理工作的净现值，并将治理每吨二氧化碳所需的资金数额计算出来。要将治理成本边际曲线形成公式，治理成本边际曲线可以确定当特定能源节省多少时，治理工作才具有经济性，同时还可以帮助确认资源、能源用量的“转换点”。每一个治理工作还可以编制为程序进入项目计划，该计划将确定执行这一工作需要多长时间，并创造一个减排目标路线。以上方法可使钢铁行业的环保治理具备可购买性，治理活动变得更加便捷。
（来源：重磅节能环保资讯）
