煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)
節(jié)能減排不僅關(guān)系到氣候變化，而且影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。本文對(duì)迄今為止主要煉鐵工藝的單位能耗和主要節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了綜述和評(píng)價(jià)。
1. 減少溫室氣體排放是大勢(shì)所趨
一份聯(lián)合國(guó)報(bào)告說(shuō)，全球氣候變暖已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，并已超出了地球自身的變化范圍，而人類(lèi)活動(dòng)尤其是化石燃料的使用是氣候變暖的主要原因。
發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是防止氣候變暖的重要途徑。低碳經(jīng)濟(jì)實(shí)質(zhì)是能源高效利用、清潔能源開(kāi)發(fā)，核心是新能源發(fā)展和節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化。環(huán)保部發(fā)布了《中國(guó)碳平衡交易框架研究》報(bào)告，建議國(guó)家對(duì)鋼鐵產(chǎn)品征收二氧化碳排放稅，鋼企能否承受二氧化碳排放稅對(duì)成本的影響？企業(yè)如何加快調(diào)整轉(zhuǎn)型，防止跌入被動(dòng)局面？指望別人廉價(jià)轉(zhuǎn)讓最好的低碳技術(shù)是不可能的，我們自己能否搶得低碳發(fā)展先機(jī)，關(guān)鍵還在于制造業(yè)低碳技術(shù)取得突破！我們必須整合科技資源，研究制約鋼鐵工業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。
根據(jù)國(guó)務(wù)院的總體安排，國(guó)家有關(guān)部門(mén)正在全力推進(jìn)低碳替代能源研發(fā)和推廣工作。我們現(xiàn)在要主動(dòng)探索低碳工業(yè)生產(chǎn)有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品的途徑，找出低碳經(jīng)濟(jì)下的技術(shù)解決方案，這些解決方案應(yīng)使中國(guó)站到世界領(lǐng)先的地位，要加速低碳煉鐵關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)。企業(yè)要在目前的核心技術(shù)高爐煉鐵進(jìn)入成熟期以前就要研發(fā)新的技術(shù)，在現(xiàn)有的核心技術(shù)進(jìn)入衰退期之前，研發(fā)的新技術(shù)要開(kāi)始起到好的替代作用，這樣企業(yè)才能夠可持續(xù)發(fā)展。
2. 鋼鐵工業(yè)是我國(guó)工業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)大戶(hù)
鋼鐵工業(yè)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化的重要支柱產(chǎn)業(yè)。由于產(chǎn)鋼規(guī)模大，2007年鋼鐵行業(yè)的總產(chǎn)值約2.5萬(wàn)億元，約占全國(guó)GDP的8％。2007年鋼鐵工業(yè)的CO2直接排放量約為10.3億t，約占我國(guó)CO2排放量的16%左右，是我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域中僅次于電力行業(yè)的高能耗CO2排放大戶(hù)。國(guó)家提出“十一五”期間單位GDP能源消耗要降低20%，污染物排放減少10％，鋼鐵工業(yè)對(duì)于完成這一硬指標(biāo)責(zé)任重大，要理清節(jié)能減排的思路，采取有效的針對(duì)性措施。鋼鐵工業(yè)未來(lái)的發(fā)展應(yīng)著重解決減少CO2排放問(wèn)題。
受廢鋼資源缺乏和能源以煤為主的制約，與國(guó)際主要產(chǎn)鋼國(guó)的噸鋼CO2排放量相比，我國(guó)噸鋼CO2排放量一直處在高位，使我國(guó)在“后京都協(xié)議”的相關(guān)國(guó)際談判中面臨巨大的壓力，我國(guó)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展遇到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
目前和今后20年我國(guó)鋼鐵企業(yè)的主力流程高爐－轉(zhuǎn)爐流程的噸鋼CO2排放量約2t，盡管已經(jīng)投入巨資實(shí)施了各種節(jié)能減排措施，這種基于碳熱還原的傳統(tǒng)流程的減排效果已接近理論極限，繼續(xù)減排CO2的潛力十分有限，隨著我國(guó)廢鋼積蓄量的增加，逐步擴(kuò)大廢鋼-電爐短流程是解決鋼鐵工業(yè)減排CO2和減少使用進(jìn)口鐵礦石的一條重要的工藝途徑，因?yàn)樽鳛樵蠌U鋼的能值為零，高爐直接加入100kg/t低等級(jí)廢鋼或金屬化率70％的DRI，可節(jié)省還原劑25kg/t，并使高爐增產(chǎn)5％。歐洲鋼鐵業(yè)把增加煉鋼工序中廢鋼的比例、減少鐵水比例作為最有效的減排CO2措施。2004年歐洲噸鋼鐵水比例已經(jīng)下降到51％，相應(yīng)每噸粗鋼的CO2排放量也減少了30%～50％。在1994年和1998年煉鐵科技國(guó)際會(huì)議上都有專(zhuān)家撰文提出，今后高爐煉鐵應(yīng)該直接循環(huán)利用含鐵粉塵（轉(zhuǎn)底爐脫鋅）預(yù)還原爐料和利用劣質(zhì)廢鋼（如鋼渣磁選回收的鐵粉粒，機(jī)加工碎屑）來(lái)降低燃料消耗減少CO2排放、降低成本。
我國(guó)鋼產(chǎn)量是以鐵礦、焦炭資源為基礎(chǔ)的焦化－燒結(jié)－高爐－轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程為主，2007年電爐短流程鋼的比重僅占11%。 而焦化－燒結(jié)－高爐－轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程比電爐短流程的CO2直接排放量約高達(dá)30%～50%。與國(guó)際主要產(chǎn)鋼國(guó)相比，我國(guó)噸鋼CO2排放量一直處在高位徘徊。必須尋找新的突破性創(chuàng)新工藝才能解決鋼鐵工業(yè)CO2排放高的問(wèn)題。
國(guó)家科技部在“十一五”提出了科技支撐計(jì)劃“新一代可循環(huán)鋼鐵流程工藝技術(shù)”項(xiàng)目，依托曹妃甸和中國(guó)現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)技術(shù)改造工程，開(kāi)發(fā)大型焦?fàn)t能源高效轉(zhuǎn)換技術(shù)、超大型高爐系統(tǒng)工藝技術(shù)、全量鐵水“三脫”預(yù)處理技術(shù)、高速連鑄、干法除塵、爐渣干法粒化回收余熱等重大工藝技術(shù)和關(guān)鍵節(jié)能環(huán)保技術(shù)，全面提升現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)的技術(shù)裝備水平。開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于氫冶金的熔融還原煉鐵新工藝。
氫冶金也是解決鋼鐵工業(yè)CO2排放高問(wèn)題的有效途徑之一。在探索到更經(jīng)濟(jì)和大規(guī)模可再生能源制氫方法之前，氫冶金的氫氣來(lái)源可由現(xiàn)有焦?fàn)t的輸出煤氣COG提供，因?yàn)橹袊?guó)是一個(gè)產(chǎn)焦大國(guó)，我國(guó)焦化廠產(chǎn)出的焦?fàn)t煤氣每年達(dá)到240億Nm3，相當(dāng)于 “西氣東輸”的天然氣量的兩倍，有效利用現(xiàn)有焦?fàn)t的COG是現(xiàn)階段氫冶金獲得富氫煤氣的一種可行的方法。焦?fàn)t煤氣中的H/C比高于天然氣，用它制備富氫還原氣用于煉鐵將比以天然氣為原料的流程CO2排放更少。用于基于煤冶金的傳統(tǒng)流程如高爐噴吹或豎爐直接還原煉鐵，煤中的碳?xì)浣M分將得到更充分合理COG的利用，有文獻(xiàn)報(bào)道說(shuō)，煉鐵工藝每利用50kg COG，可以減排40kg CO2，將對(duì)現(xiàn)有鋼鐵聯(lián)合企業(yè)降低CO2排放量起到重大作用。
也可通過(guò)粉煤加壓氣化制氫作為過(guò)渡。直接用煤制氫或富氫還原氣體技術(shù)可以采用粉煤加壓氣化工藝獲得高生產(chǎn)率的富氫煤氣，但如何提高其生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力還需進(jìn)行有針對(duì)性的深入研究。
不僅要重視對(duì)將來(lái)有潛在應(yīng)用前景的新工藝研究，把握鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排主攻方向，更要特別重視對(duì)目前約占我國(guó)鋼鐵行業(yè)鐵產(chǎn)量99%，約占目前鋼鐵行業(yè)CO2排放80%以上的高爐-燒結(jié)-煉焦冶金流程大幅度減排CO2問(wèn)題的工程學(xué)基礎(chǔ)研究。如現(xiàn)有鋼鐵聯(lián)合企業(yè)如何實(shí)施將焦?fàn)t煤氣從軋鋼燃料中置換出來(lái)，用于向高爐噴吹焦?fàn)t煤氣或富氫還原氣體，降低單位鋼鐵產(chǎn)品的CO2排放和燃料消耗，對(duì)當(dāng)前基于煤冶金的傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)流程降低CO2排放量能夠起到積極的推動(dòng)作用。
3. 現(xiàn)有煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)評(píng)述
對(duì)迄今為止主要煉鐵工藝的單位能耗和主要的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了綜述和評(píng)價(jià)。研究表明，目前能耗最低，排放最少的是大型豎爐直接還原煉鐵工藝，其余依次為轉(zhuǎn)底爐，特大型高爐煉鐵流程，COREX熔融還原，回轉(zhuǎn)窯。詳見(jiàn)表1。
表1 煉鐵工藝比較表
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煉鐵工藝名稱(chēng) 還原劑 反應(yīng)器類(lèi)型 能耗 單爐產(chǎn)能 總產(chǎn)能
GJ/t鐵 萬(wàn)t/a 萬(wàn)t/a
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MIDREX 天然氣/合成氣 豎爐 11 180 3792
HYL 3 天然氣/合成氣 豎爐 11 190 1170
FINMET 天然氣 流化床 14 50 200
轉(zhuǎn)底爐 煤\天然氣 轉(zhuǎn)底爐 15 14～50 200
高爐+燒結(jié)+煉焦 焦\煤 BF+燒結(jié)+煉焦 16.25 320～400 90000
(4000m3)
COREX 煤\焦 COREX 17 150 500
SL/RN回轉(zhuǎn)窯 煤 回轉(zhuǎn)窯 18 15 1440
隧道窯 煤 隧道窯 25～30 1～4 20
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對(duì)現(xiàn)有主要煉鐵方法的生產(chǎn)率的比較見(jiàn)表2。
表2 現(xiàn)有主要煉鐵方法的生產(chǎn)率比較
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項(xiàng)目 HYL－Ⅲ MIDREX 大型 小高爐 COREX FINEX HISMELT
豎爐 豎爐 高爐
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工作壓力，MPa 0.8 0.3 0.25 0.1 0.4 0.4 0.08
最大產(chǎn)鐵能力，萬(wàn)t/a 190 170 400 80 150 150 60
最大利用系數(shù)，t/m2d 162 112 70 63 60 60 50
生產(chǎn)率比較 2.3 1.6 1.0 0.9 0.9 0.9 0.7
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現(xiàn)有煉鐵工藝節(jié)能減排包括減少能源消耗和增加回收兩個(gè)部分。按照2008年全國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)能耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算，高爐煉鐵、焦化、燒結(jié)和噴煤等工序占單位熱軋產(chǎn)品能耗的比重分別約為70%、12%、7%和0.7%。煉鐵工序的總能耗接近熱軋產(chǎn)品總能耗的90％。因此，鋼鐵企業(yè)減少能源消耗和污染排放的重點(diǎn)應(yīng)從源頭抓焦化－燒結(jié)－高爐工序用能減量化。鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的主攻方向主要應(yīng)以降低高爐煉鐵燃料比和焦比為核心，抓好生產(chǎn)全過(guò)程節(jié)能控制。其中精料是高爐煉鐵減量化用能的基礎(chǔ)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源降低成本。隨著淘汰落后煉鐵產(chǎn)能、逐步優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程和能耗的不斷下降，節(jié)能空間變得越來(lái)越小，使回收余熱、余能資源愈發(fā)重要。推廣和普及燒結(jié)礦余熱回收、高爐爐頂余壓發(fā)電、高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵等先進(jìn)節(jié)能技術(shù)與裝備，大力回收占企業(yè)用能總量的15％的生產(chǎn)過(guò)程中副產(chǎn)的二次能源（包括余熱和副產(chǎn)煤氣等）進(jìn)一步提高鋼鐵生產(chǎn)的能源利用效率。
作者根據(jù)近期生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)目前煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)的貢獻(xiàn)值估算列入表3。
表3 現(xiàn)有主要煉鐵工藝節(jié)能減排技術(shù)貢獻(xiàn)比較表 kgce/t
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節(jié)能減 BF超大 直接加廢鋼或 BF噴煤200kg/t TRT發(fā)電 CDQ回收 煤氣干 燒結(jié)蒸
排技術(shù) 型化 DRI 200kg/t 法除塵 汽回收
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節(jié)能貢獻(xiàn) 55 50 17 11.5 7.6 4.8 4.1
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對(duì)高爐節(jié)能減排的技術(shù)按貢獻(xiàn)從大到小排序依次為高爐超大型化（將2座以上容積2600m3以下高爐拆除，改造成一座4000m3級(jí)超大型高爐），直接加入200kg/t低等級(jí)廢鋼粒子、機(jī)加工碎屑或金屬化率70％以上的DRI，采用用噴吹粉煤200kg/t代替焦炭的技術(shù)（PCI），爐頂煤氣余壓回收技術(shù)（TRT），干熄焦工藝（CDQ）,煉鐵煤氣干法除塵，燒結(jié)余熱蒸汽回收等。
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