歐盟鋼鐵工業廢氣治理技術為藍天“減負”
歐盟是繼中國之后的世界第二大鋼鐵生產國，2012年粗鋼總產量為1.69億噸，主要產鋼國家是德國、意大利、法國、西班牙和英國。在過去29年里，歐盟的轉爐鋼比例幾乎相同，為56%~58%，電爐完全取代了落后的平爐。在德國，高爐-轉爐流程的鋼產量占65.3%，使用廢鋼的電爐鋼產量占34.7%，連鑄比約為97%。
歐盟鋼鐵工業加強污染物排放控制既得益于政府法律法規的約束，同時也與其解決環保技術難題相結合。2002年，德國采用了“大氣質量控制技術規范(TALuft)”所設定的高排放標準。這一標準是歐盟其他國家部分排放水平的升級，對CO2的減排起到了推動作用。如今，歐盟從各個方面開展了CO2的減排工作，并取得了顯著成效。
燒結廠注重除塵技術的應用
電極靜電除塵。對燒結廠廢氣排放的嚴格限制，使歐盟的鋼鐵企業采用多種技術解決廢氣排放的問題。活性炭吸附工藝、移動電除塵、廢氣干法凈化和煙氣循環等技術在生產中得到應用。燒結廢氣中的粉塵有一定的電阻，不能采用傳統的靜電除塵方法使之沉積，脈沖極板不能完全地將黏性很強的粉塵清掃掉。黏附在極板上的粉塵層有絕緣作用，原地反噴會導致二次排放，使下落的粉塵被氣流帶走。而使用移動式極板，粉塵可以被旋轉鋼絲刷清掃干凈，就能避免受到反吹的不良影響，對燒結廢氣更好地除塵。這項移動電極靜電除塵(MEEP)技術設備安裝在安賽樂米塔爾艾森許騰斯塔特廠(Eismhttcllstadt)的燒結機上，取代了原來的傳統電除塵設備。
吸附劑與布袋設備結合減排二英。為了消除燒結煙氣中二英的排放，歐盟有些鋼鐵企業向廢氣管道內噴吹褐煤半焦粉末、環形爐焦粉或活性煤作為吸附劑。環形爐焦粉或活性煤是有效的二英吸附劑，它可以與電磁濾袋和布袋結合起來使用。二英降低的效率與二英濃度、存在時間、粉塵在主煙道和濾袋中的分布有關。燒結粗煙氣中二英的濃度水平一般為1.9ng/Nm3，噴吹褐煤半焦后可以降低到0.4ng/Nm3以下，甚至可達300mg/Nm3，單獨采用此方法或靜電沉積方法都達不到小于0.1ng/Nm3的水平，因此后續工序安裝布袋過濾器是必要的。
歐洲燒結廠使用的布袋除塵設備有不同的形式。例如，迪林根Rogesa燒結廠采用EFA工藝（拖拽流吸收工藝），用于末端凈化處理的布袋設備，其主要部分包括來自電除塵的廢氣管道、調節閥、吸收塔、布袋過濾器、風機、帶給料裝置的消石灰筒、帶給料裝置的環形爐焦倉等。Rogesa的2號燒結機有50萬Nm3/h的廢氣量由EFA工藝處理，入口廢氣溫度為140℃~160℃，SO2濃度在600mg/Nm3~800mg/Nm3范圍，粉塵濃度為60mg/Nm3~90mg/Nm3，二英濃度為2.5ng/Nm3。在初始廢氣閥門之后，廢氣分成兩路進入2個反應器，其中流化床添加消石灰、環形爐焦和回收料。回收料是布袋過濾料的再生固體料。流化床后接2個布袋除塵管路。廢氣經5600個布袋過濾，每個濾袋長7米，采用EFA工藝，能夠達到所有的大氣排放指標，二英排放濃度小于0.4ng/Nm3。消石灰消耗量為550g/t燒結礦，環形焦爐的消耗量為180g/t燒結礦，整個工藝的電耗為4.5kWh/t燒結礦。德國薩爾茨吉特鋼鐵公司2號燒結機和蒂森克虜伯歐洲分公司燒結廠安裝了此濾袋技術設備。
加熱分解去除有害物質。LEEP(低排放和能量優化燒結工藝)的概念，是基于二英和呋喃在燒結機長度方向溫度分布相同而濃度分布不均勻的情況而提出的。溫度高于1000℃時，二英和呋喃的混合物就會發生分解。因此，將含有高濃度二英和呋喃的煙氣循環到燒結機料層上，煙氣加入到燒結前方的燃燒層上，使二英和呋喃分解成無害物質。該工藝的另一個優點是利用煙氣中的CO和廢氣的熱能。燒結煙氣分成冷氣(65℃)和熱氣(200℃)兩路，再在冷氣管路中降溫到露點以下。
為了維持后續設備如靜電除塵和煙囪的正常工作，換熱器要精細控制，使排到煙囪的煙氣溫度達到110℃，循環煙氣溫度為150℃。為降低煙囪一路中煙氣的二英和呋喃濃度，在電除塵之前應噴入環形爐焦粉，使其濃度降低到0.4ng/Nm3以下。
采用LEEP工藝，不僅可使燒結廠廢氣排放量下降45%，廢氣有害成分和粉塵排放減少，環境得到凈化，而且燒結燃料消耗還能下降5kg/t。
高爐煉鐵緊抓污染源注重凈化與減排
高爐區域有害氣體排放的主要污染源是高爐爐頂煤氣、出鐵場和熱風爐。
爐頂煤氣凈化。高爐爐頂煤氣經凈化后，通常用作鋼廠不同加熱設備的燃料，還要盡可能延長煤氣除塵系統的使用壽命。爐頂煤氣凈化系統包括粉塵捕集、旋風除塵和煤氣清洗設備。在粉塵捕集、旋風除塵和文丘里清洗器上都會產生壓力損失。高頂壓操作的高爐，除塵設備容許的壓差也提高，爐頂煤氣除塵系統通常采用粉塵捕集器、旋風除塵器和文氏洗滌器或環縫清洗器。煤氣洗滌后的壓力約為0.2MPa，比鋼廠煤氣系統的壓力高，這部分余壓可用于透平機發電，凈化后的爐頂煤氣含塵量小于10mg/Nm3。濕法除塵產生的廢水，經沉淀池沉淀后再循環使用。
出鐵場多聯除塵系統。德國克虜伯曼內斯曼(HKM)公司B高爐的現代化出鐵場設計包括多聯的除塵系統。粉塵主要排放點在鐵口、主溝、憋渣器、鐵水溝、渣溝以及鐵水和爐渣轉流點。這些除塵設施具有保護員工健康和周邊環境的功能。出鐵場的全部煙塵通過加溝蓋的方法抽盡，每小時處理的廢氣量達到100萬立方米，粉塵通過電除塵或布袋收集。在標準操作條件下，目前粉塵排放最大容許值是20mg/Nm3。
高爐爐渣直接粒化。安賽樂米塔爾不萊梅鋼鐵廠采用在主溝、鐵水溝和擺動溜嘴處加罩并通入氮氣的方法，防止鐵水與大氣中的氧接觸，抑制鐵水氧化和產生煙塵。歐洲許多高爐將高爐渣直接粒化，其中德國高爐渣粒化率達到86%。典型的高爐渣粒化方法是沖水渣。液態爐渣與水快速換熱后，爐渣變成細粉，同時產生蒸汽。高爐水渣代替建筑用石灰作為水泥廠的骨料。在水泥生產中，使用1噸高爐渣可減少1噸CO2排放。
煉鐵新工藝研發CO2減排有新突破
從理論上講，高爐的最低需碳量是每噸鐵水414千克碳或465千克焦炭，其中333千克碳或80%的碳元素用于冶煉過程的化學反應。加入高爐的碳在后續工藝或煤氣發電中全部不可避免地產生CO2排放。就德國近60年來高爐還原劑平均消耗變化情況而言，高爐操作者在降低還原劑消耗量方面取得的成績有目共睹。然而，最近幾年降低還原劑消耗量的潛力不大，下降緩慢。換句話說，高爐操作者在優化工藝成本上日復一日的工作，已經使還原劑的消耗量達到了最小，更進一步的大幅度降低特別是所謂的“巨大突破”是不可預期的。德國和西歐邊境國家的高爐技術已經發展為最佳可用技術，但是否能更進一步降低還原劑的使用量和CO2的排放量，還有待討論。
歐盟的煤鋼研究基金組織(ResearchFundforCoalandSteel，簡稱RFCS)未來研發的重點是鋼鐵生產技術、新鋼種、新的表面涂層技術、創新鋼鐵工藝、改善環境效率以及降低鋼鐵生產的CO2排放量。因為高爐是間接排放CO2的主體，因此要降低CO2的排放量，重點是降低高爐工藝中碳載體的消耗量，特別是焦炭的消耗量。
無氮及氧氣高爐工藝的研發。RFCS的一項大型跨國研究項目的目標是研發無氮及氧氣高爐工藝在工業生產中的應用。該工藝將冷態氧氣噴入風口代替熱風，大部分爐頂煤氣通過一個CO2分離器進行脫除，一部分富含CO的煤氣被加熱至1200℃循環噴入風口，剩余部分被加熱到900℃并通過第2排風口噴入到高爐爐身的下部。針對該工藝進行的模型計算表明，噴煤比最高可達175kg/t，焦比可下降到僅200kg/t。與目前的高爐工藝相比，在如此低的焦比下不會給高爐帶來操作問題，這必將為高爐操作帶來新的突破。
假設爐身下部含鐵爐料的預還原度達到95%，采用這種工藝，貝-波反應所需的焦炭量將由傳統高爐的107kg/t減少到僅15kg/t。在瑞典鋼鐵公司（LKAB）試驗高爐進行的試驗結果顯示，還原劑(焦炭和噴煤)的消耗量降低了24%。目前，建設一套年產鐵水50萬噸的爐頂煤氣循環小型生產性高爐的計劃還在討論中，在大型高爐上開發使用該技術，可能還需要15年~20年。此外須注意，在爐頂煤氣循環高爐工藝中，由于煤氣自循環使用，供工廠管網的煤氣量將下降80%，工廠煤氣平衡問題必須考慮。
HIsarna熔融還原法減排CO2。HIsarna熔融還原法是用粉礦和煤生產液態鐵水，該兩步冶煉工藝使用一個旋風爐將礦粉預還原并熔化，然后在鐵浴反應爐中完成礦粉的終還原。煤的分解在工藝爐外的一個反應器內進行，熱解所需熱量由煤的熱解氣燃燒產生。該工藝也在純氧下操作，制氧所需的能量通過回收熔煉爐的煤氣余熱來提供。考慮到該工藝產生的廢氣中CO2濃度很高，可以直接封存。不采用CCS（二氧化碳封存技術），預期每噸熱軋卷的CO2排放量下降20%，如采用CCS，可減排CO280%。2010年，克魯斯集團（現以被塔塔鋼鐵集團并購）在艾默伊登廠建設了一個設計能力為8t/h的HIsarna半工業試驗工廠。
連鑄與軋制通過節能降耗和提高效率減排CO2
連鑄機快速澆鑄均溫，減少能源消耗。近期，中國臺灣的東和鋼鐵公司出于控制生產成本和CO2減排等環境指標達標的考慮，在新建的鋼廠采用了德國研發的INVEX技術（包括連鑄機和優化軋制技術）。該連鑄機能夠實現高速澆鑄角部呈大半徑圓弧的方坯，并且能夠保證對于規格小于200mm×200mm的方坯，任何鋼種都能獲得最佳的質量。采用INVEX連鑄機是基于以下兩個主要原因：能夠實現穩定的高速澆鑄，這對直接熱裝是必須的；能夠澆鑄角部呈大半徑圓弧的方坯，相對于傳統的角部呈小圓弧半徑的方坯，其鑄坯溫度的分布更有利于在感應爐中均熱。
INVEX鑄機通過采用已被證明性能優越的凸形(Convex)結晶器實現了高速澆鑄。該結晶器在銅管、水套配置和所有澆鑄參數的控制方面都有創新型設計。在INVEX結晶器中，冷卻水能夠最優地分布在坯殼周圍，這樣能夠消除普遍存在的、特別是在高速澆鑄下更加嚴重的不均勻冷卻問題。
該鑄機能夠減少碳排放的另一個因素是采用了INVEX結晶器。除了能夠實現高速澆鑄之外，INVEX還能夠實現連續澆鑄角部圓弧半徑更大的方坯(近似于“預軋制”的方坯)。這種鑄坯的溫度分布特征就是冷角的消除，且相對于傳統方坯，其表面溫度也更加均勻，更接近于圓坯。送往軋機的鑄坯表面溫度不僅較高，而且更重要的是溫度分布均勻，因此只須消耗很少的能源就能夠達到理想的軋制溫度。
感應加熱技術均熱鑄坯。軋機是針對連鑄坯的連續熱裝而設計的，熱鑄坯雖以適當的溫度送來，但其表面溫度比軋制溫度低，而內部溫度又較高，因此需要均熱。在傳統的鋼鐵廠，軋鋼車間是獨立存在的，鑄坯需要冷卻和儲存，當軋制時，多數時候是從常溫加熱到軋制溫度再進行軋制。INVEX設備實現了鑄機和軋機的直接相連，充分利用連鑄坯的余熱，因此也就不需要像傳統軋機一樣對鑄坯進行重新加熱。雖然熱的連鑄坯平均溫度非常接近軋制溫度，但其橫截面上的溫度稍微有點差異，表面溫度較低，而內部溫度又高于軋制溫度。東和鋼鐵通過INVEX技術盡量減少了鑄坯內部和表面的溫度差，因而只須稍微對鑄坯進行均熱就能夠達到理想的軋制溫度。鑄坯的均熱過程包括兩方面：一是對表面的加熱；二是有足夠的時間使鑄坯內部過高的溫度散失，從而達到合適的軋制溫度，均熱后的鑄坯內外溫度差小于25℃。
感應加熱技術很好地完成了鑄坯均熱的任務，其主要優點如下：第一，非常靈活，能夠根據鑄坯的拉速和溫度等條件迅速調整均熱系統；第二，應需利用，感應線圈根據需要隨時通電，而不需要預熱，而軋機速度也是應需控制的；第三，方便操作和安裝，占地空間小；第四，提升能源利用效率，只有軋制和對鑄坯進行均熱時才使用能源，當檢修或發生突發事故時，能源供應能夠隨時關閉；第五，無污染物排放。
粗軋和中軋機靈活更換軋輥，提高生產效率。粗軋和中軋機是HL無牌坊式的，其中第12號軋機是可更換的，以便將來實現縱切操作。無牌坊機座的優點就是能夠靈活地更換軋輥。在粗軋和中軋機組后，安裝有切頭剪和事故剪。高速精軋機組是專門為線材設計的高效率機組，精軋速度達到45m/s~50m/s。由于這些獨立機座的軋機耐用，維護時間短，與傳統同等生產效率的縱向軋制機組相比能生產出更多產品。這座新工廠能夠生產棒材和鋼筋盤卷。棒材生產線裝有安全性能行業領先的HSD高速傳送系統，到冷床上的傳送速度可達到45m/s，精軋設備后安裝帶有橫移系統的倍尺剪，因此鋼棒被交替送往兩個下料產線，分別進入兩個HSD輪轂的轉動凹槽中。在輪轂前設有夾送輥系統，通過夾持鋼棒的尾部和摩擦鋼棒，把鋼棒的速度從軋制速度降低到下料速度。HSD技術的另一大優點，就是冷床上的每一個凹槽只有一根鋼棒。冷床由電動機械驅動控制，具有一個齒條式步進梁。在冷床出料邊，由鏈條和傳送小車將鋼棒堆積成排，然后將鋼棒運至冷剪處，根據所需，裁剪為6米~22米長的棒材。
德國設計開發的這種連鑄和連軋系統，通過感應加熱爐，把鑄機和軋機直接相連，最大限度地利用鑄坯的余熱，通過資源的最大化利用減少有害氣體的排放，同時可以減少廢棄物排放，取得良好的環保效益。據測算，平均每年可減少CO2排放72000m3，減少SO2排放410t，減少NOx產物排放225t。
新聞連接
歐盟一些鋼鐵企業的CO2減排和廢氣污染治理工作得到了多方的認可。其中，德國鋼鐵工業噸鋼材（熱軋卷、無縫管和鍛造件）CO2減排幅度超過20%。我們認為，歐盟能夠取得這樣的成果，在技術方面有三個亮點：第一，注重全流程的減排工藝。減排并不是單獨某一個工序的工作，而要從各個工序入手。歐洲的減排工藝從燒結到高爐，再到煉鋼、連鑄、連軋，各個流程都十分注重CO2和其他有害氣體的減排。第二，注重減排工藝的創新。以高爐煉鐵新工藝為例，他們開展無氮及氧氣高爐工藝的研發和熔融還原法的實踐。第三，通過簡化工藝流程節約能源，進而減排CO2。最突出的例子就是采用感應加熱爐，使連鑄與軋制工序直接相連，縮短了工藝流程，減少了再加熱過程，從能源角度自然減少了碳排放。
相比之下，當前我國鋼鐵企業在廢氣排放治理方面還面臨著市場、布局、設備、工藝、觀念等各方面的困難和不足，起步也相對較晚，但是應該看到經歷多重考驗的中國鋼鐵工業正在向著實現環境友好、與社會和諧發展、可持續發展的方向邁進。歐盟鋼鐵工業CO2和有害氣體減排技術為國內企業提供了借鑒，也為我們樹立起應該趕超的目標。
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