钢铁工业节能减排技术及其在国内的应用
摘要:钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业和实现新兴工业化的支柱产业，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，并计算节能潜力，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。
关键词:钢铁工业,节能减排,技术,应用
1 钢铁工业能源结构
据统计，目前我国钢铁工业能源结构是: 煤炭 70%、电力26%、石油类3. 5%、天然气0. 5%。钢铁工业所用煤炭的能量中40% 转化为煤气( 高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气) ，其能值占钢铁工业总能耗的 34% 左右。这说明利用好钢铁生产中的副产煤气，对于冶金企业具有重大意义。
此外，炼铁系统( 包括烧结、球团、焦化、炼铁) 的能耗占钢铁工业总能耗的78. 87% 左右，生产1 t 铁约产生CO2 1. 5 t，因此炼铁工序承担了钢铁工业节能降耗的重任。
2 我国钢铁工业能耗问题
2004 年，中国钢铁行业的吨钢综合能耗为756 kg 标准煤，比国际先进水平多了100 kg。而日本钢铁工业吨钢综合能耗为648 kg 标准煤，成为世界上吨钢能耗最低的国家。
2007 年中国主要钢铁企业(79 家) 中有部分企业的重要技术经济指标已达到或超过世界先进水平，但行业间能耗水平相差很大，整体水平仍与国际先进水平有较大差距。
2. 1 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1 131座，1 000 m3 及以上高炉只有18 座，产能占总产能的31. 96% ;其余均为1 000 m3 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，300 t以上转炉只有3 座，120 ～ 299 t转炉51 座，产能分别占总产能的2. 17% ，22. 57% ;120 t 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 1 000 m3 以上大型炼铁高炉增加到120 座，100 t 以上炼钢转炉增加到140 座。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，我国钢铁行业还有较大的差距。
2. 2 二次能源回收利用率低
按钢铁制造工艺，高炉煤气发热值为2 800 ～ 3 500 kJ /m3 ，吨铁发生量为1 700 ～ 2 000 m3 ，转炉煤气发热值为7 000 ～ 8 400 kJ /m3 ，吨钢发生量为80 ～ 120 m3 ，焦炉煤气发热值为17 000 ～ 19 500 kJ /m3 ，吨焦发生量为350 ～ 430 m3。根据这一标准，仅按重点大中型钢铁企业2007 年生铁产量为46 944. 63 万t，粗钢产量为48 924. 08万t，焦炭产量为32 894. 33万t，理论上可分别产生高炉煤气为4 251 ～ 5 000亿m3 ，转炉煤气为227 ～ 340 亿m3 ，焦炉煤气为282 ～ 346 亿m3 ，而实际煤气回收量情况并不理想。
目前，全国重点钢铁企业平均吨钢回收煤气量为 42 m3 ，且尚有部分企业的转炉煤气没有回收。而国外工业发达国家转炉煤气吨钢回收量大于100 m3 ，日本转炉煤气吨钢回收量年平均达110 m3 ，最高的川崎公司煤气吨钢回收量曾达到130 ～ 140 m3。
我国转炉煤气回收利用不好的主要原因是全国转炉平均炉容偏小。对于小转炉来讲，煤气回收设施投资较大，操作管理有一定难度。转炉除尘或管理没有过关和回收的转炉煤气没有得到充分利用是我国部分企业转炉煤气回收工作不好的主要原因。
2. 3 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%。
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，各企业间能耗水平良莠并存，差异很大。
3 钢铁行业污染物排放现状及减排压力
我国全部工业行业中，钢铁行业排放的废气占 17% ，仅次于火力发电业和非金属矿物制品业，高于化工业和石油加工业。排放的废水占10. 75% ，排在造纸、化工、火力发电之后、列第四位。二氧化硫排放量占5. 60% ，次于火力发电业和非金属矿物制品业，与化工行业并列第三。
根据《国家环境保护“十一五”规划》要求，紧紧围绕实现“规划”中“确保到2010 年时全国二氧化硫排放量和化学需氧量比2005 年削减10%。”为实现这一要求，作为排污大户，钢铁行业落实减排工作意义重大。
同时，新的《钢铁工业大气污染物排放标准》即将颁布，征求意见稿中对新建装备要求排放二氧化硫浓度≤100 mg /m3 ，氮氧化物≤300 mg /m3 ，PCDD( 二恶英)≤0. 5 ng-TEQ /m3。按照我国目前的原燃料生产条件，即使全部采用进口矿生产也不能够达到上述要求，因此钢铁行业需要提高污染物治理措施，以满足新的环保要求。
2007 年我国烧结矿产量高达5 亿t，球团矿产量也近1 亿t。同年，我国钢铁行业二氧化硫排放量为 75. 64 万t，比2006 年仅减少了0. 5%。“十一五”头两年均未实现“十一五”规划提出的污染物排放总量减少10% 的约束性减排目标，这将造成钢铁行业后三年减排压力巨大。原国家环保总局已经修订《钢铁工业大气污染物排放标准》，其中将二氧化硫的排放控制作为重要内容，并要求钢铁企业的烧结工序配备烟气脱硫装置。
4 节能减排潜力
据统计，2007 年全国82 家钢铁企业( 即中国钢铁协会会员) 的钢产量约为4. 9 亿t，根据其吨钢可比能耗，计算得到2007 年钢铁行业的能耗约34 300万t 标准煤。
以宝钢的吨钢可比能耗623 kg 标煤的系数计算，全年全行业能耗为30 527 万t 标准煤。如果全行业达到宝钢的清洁生产水平，可减少能耗3 773 万t 标准煤。
2007 年钢铁行业SO2 排放量约85. 18 万t，如果全部烧结机进行脱硫，以90% 的效率计，可以减少其排放量约46 万t。
5 钢铁行业可采用的节能技术
5. 1 减少燃料消耗是炼铁工序节能的重点
高炉炼铁的能量来源83% 是来自焦炭和煤粉， 17% 来自热风，高炉炼铁节能重心是要努力降低炼铁的燃料比和努力提高热风温度。当前我国炼铁企业生产中的主要矛盾是原燃料成分不稳定，焦炭质量不好(焦炭质量对大高炉生产的影响比较大)。另外，我国热风温度偏低( 比国际先进水平低100 ～ 150 ℃) 是炼铁技术经济指标中与国际先进水平差距最大的地方。热风温度每提高100 ℃，可使高炉焦比每吨铁下降35 kg。
以下技术为国际上炼铁工序普遍使用的节能减排技术:
1) 蓄热式燃烧技术:对助燃空气和煤气先进行加热，可以达到500 ～ 1 000 ℃，再进行燃烧时其能值可达到工业炉( 窑) 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。该技术可带来三方面经济效益:a. 高炉煤气得到合理利用;b. 原来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。
2)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三大重要技术路线之一。高炉喷吹煤粉意义如下: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。
2006 年我国重点钢铁企业焦化工序吨铁能耗为 123. 41 kg 标煤，喷煤的制粉和喷吹所需的吨铁能耗在 20 ～ 35 kg 标煤。高炉每喷吹1 t 煤粉，就可以产生炼铁系统用能结构吨铁节约100 kg 标煤的效果。
5. 2 加强对二次能源的回收
1) 高炉煤气余压发电( TRT) 技术:由于炼铁系统能耗一般要占企业总能耗的70% 左右，因此钢铁联合企业是该技术的主要应用对象。从技术上讲，炉顶压力大于120 kPa 的高炉均应当安装TRT 装置。 1989 年酒钢的TRT 装置通过了由冶金部和机械部共同组织的联合鉴定，成为国内第一套TRT 应用装置，迄今为止，国内现有TRT 达220 余台套。
2) 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% ，已接近以天然气和柴油为燃料的类似燃气轮机联合循环发电水平;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CO2 排放比常规火力电厂减少 45% ～ 50% ，无SO2、飞灰及灰渣排放，NOx 排放又低，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。
3) 干熄焦CDQ 技术:日本钢铁企业曾经对钢铁冶炼各个节能环节效果进行分析，结果干熄焦节能占总节能的50% ，其节能效果非常显著，同时减少环境污染。就规模为年产100 万t 焦炭焦化厂而言，采用干熄焦每年减少8 万～ 10 万t 动力煤燃烧对大气的污染。除此之外，干熄焦还改善了焦炭质量，与湿熄焦相比，焦炭M40 提高3% ～ 8% ，M10 改善0. 3% ～ 0. 8%。国际上公认，大型高炉采用干熄焦焦炭可使其焦比降低2% ，使高炉生产能力提高1%。
我国是产焦大国，焦炉多，且炉组生产能力不一，干熄焦装置应同炉组生产能力匹配，才能充分发挥资源和技术优势。起初我国引进的干熄焦装置以 70 t / h和75 t / h 两种规模为主，不能合理地与炉组生产能力匹配，且采用备用干熄焦方式，从而增加了不必要的建设投资，影响干熄焦经济效益。以年产焦量 100 万t 焦化厂为例，配置2 × 75 t / h 一组干熄焦装置，以湿熄焦备用，其处理能力富余20% ;对年产焦量70 万～ 80 万t 焦化厂，仍配置2 × 75 t / h 一组干熄焦，处理能力富余高达50% ，显然不合理，以干熄焦备用，能力富余更多，更不合理。因此，我国干熄焦装置必须根据生产能力形成系列，向大型化发展，开发 100 t / h 以上处理能力的干熄焦成为趋势。
针对以上所述情况，近几年来，在国家冶金技术发展政策引导下，干熄焦作为重点节能推广项目已经得到冶金企业积极响应，继武钢140 t / h 干熄焦项目之后，马钢( 125 t / h)、涟钢( 100 t / h)、本钢( 121 t / h)、包钢(125 t / h) 等十几家企业曾计划在“十五”期间建设100 t / h 以上规模干熄焦装置。从这些在建和拟建项目中可以看出，大型化、高效化、国产化是干熄焦发展的必然趋势。
4) 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100 m3、蒸汽大于 60 kg / 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。
6 钢铁行业可采用的减排技术
6. 1 烧结烟气脱硫技术
目前，我国烧结脱硫的阻力较大，尚缺乏成熟的技术，巨大的投资和高昂的运行费用，以及脱硫建设场地和脱硫副产物的利用问题，造成大多数企业对烧结脱硫持观望态度，但有少数企业取得烧结脱硫技术的良好运行经验:
宝钢:国内目前运行较好的烧结脱硫案例，2006 年5 月启动了烧结烟气脱硫技术研发项目。仅用5 个月的时间，自行设计和制造出一套功能完善的烧结烟气脱硫工业试验系统，可处理烟气9 万m3 / h。与国际相关技术比较，宝钢烧结烟气脱硫技术不仅投资、制造、运行和维护成本低，而且在设备、工艺、副产资源利用等技术上具有局部优势。
广西柳州钢铁( 集团) 公司: 其二烧车间2 台83 m2 烧结机实施烟气氨法脱硫工程，2 台烧结机烟气量为65 万m3 / h，采用“两机合一塔”的脱硫方案。该技术采用柳钢与武汉都市环保工程技术股份有限公司自主开发的“氨－ 硫铵深度脱硫工艺”( 发明专利) 和“双循环三段式脱硫塔”( 发明专利) ，配套“新型真空蒸发结晶”系统。自2008 年6 月投产至今，系统连续稳定运行，取得很好的环保效果。目前，国内诸多企业分别采用不同技术，开始对烧结烟气进行脱硫，预计到“十一五”末，这些技术稳定运行以后，将会极大地推动我国钢铁行业烧结烟气脱硫的进程。我国已将烧结烟气脱硫列为2020 年钢铁行业科技发展指南中的重点开发课题。大力发展烧结烟气脱硫工艺，已成为必然趋势。
6. 2 “三干三利用”
“三干”与“三利用”( 分别指干熄焦、高炉煤气干式除尘、转炉煤气干式除尘;水的综合利用、副产煤气二次能源利用及高炉渣、转炉渣等固体废物综合利用) 技术，可以减少二氧化碳、粉尘、污水对环境的污染。“三干”处理后的煤气在TRT、CCPP 工艺中可以回收更多的电能，减少发电用煤量，提高企业用电自给率。因此“三干三利用”被认为是我国钢铁工业节能环保的发展方向。
1)高炉煤气干式除尘技术:干式除尘即布袋除尘，该技术具有使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，莱钢4 台750 m3 高炉煤气净化采用全干法布袋除尘，并运行良好。
2) 转炉煤气干式除尘技术:该技术具有节水、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100 mg /m3 ，炼钢吨钢工序能耗可达－ 10 kg标准煤，实现负能炼钢。
自1994 年上海宝钢第一次全套引进国外转炉煤气干法除尘系统起，我国就开始了对该技术的全面研究工作，并已将其列为“十五”计划中重点开发推广技术项目。宝钢引进的两套250 t 转炉煤气干法除尘系统于1997 年投运。包钢炼钢厂于2005 年为100 t 转炉移地改造建成了两套100 t 转炉煤气干法除尘系统，于2005 年底两套全部顺利投运。
莱钢铁公司建成了三套120 t 转炉煤气干法除尘系统投运三年多以来，系统运行稳定，并通过环保验收。生产实践表明:三套干法除尘系统净化后的烟气含尘量平均在6. 6 mg /m3 ;吨钢用水量约0. 05 m3 ，为湿式系统的1 /5 左右，整个系统污水零排放;吨钢耗电量为3. 05( kW·h) ，较湿式系统吨钢节电3. 72 ( kW · h ) ; 吨钢可回收热值8360 kJ /m3、煤气 91. 4 m3。
6. 3 料场防风抑尘网
原料场承担着钢铁企业95% 的原、燃料的贮存、加工及运送任务，易产生扬尘。在料场周围建设防风抑尘网，通过减弱风力达到抑尘作用。据测算，风通过防风抑尘网后平均流速将会下降50% 左右，抑制及阻挡粉尘80% 以上。目前先进的大型钢铁企业均开始使用防风抑尘网作为料场的抑尘措施。
7 结语
1) 炼铁工序节能是我国钢铁行业节能工作的重点。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开展技术改造工作。目前，针对炼铁工序较成熟有效的节能技术为:蓄热式燃烧技术、高炉喷吹煤粉技术、高炉煤气余压发电( TRT) 技术、高炉煤气联合循环发电(CCPP) 技术。同时，干熄焦CDQ 技术、转炉负能炼钢技术等也可有效的降低行业能耗。
根据评估经验及调查，以上技术不但适用于新建企业，已建企业也可根据自身运行情况，进行节能技术的改造。在全行业大力推行以上技术，方可完成钢铁行业的节能任务。
2) 烧结机脱硫是钢铁行业减排的重要手段。烧结机脱硫在我国刚刚开始实施，虽然一些钢铁企业在应用中出现一些问题，但宝钢已取得成功运行的经验，并且可保持95% 的脱硫效率。同时，烧结机脱硫工艺还具有50% 的除尘效果。
对于钢铁行业污染物排放量最大的工序－ 烧结机工序进行脱硫，是减少全行业污染物排放的最为重要的手段。国家、地方和企业都应广泛实行该技术，大力推进该技术在我国的应用。
综上，钢铁行业生产发展已经进入成熟期，在目前传统的长流程生产工艺中，上述节能减排技术在国际和国内均得到广泛的应用，在钢铁项目技术评估工作中，应特别重点关注这些节能减排技术的应用，可促进我国钢铁行业清洁生产水平的提高和节能减排工作的落实。
参考文献
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