鋼鐵行業(yè)的超低排放如何煉成

鋼鐵行業(yè)的超低排放如何煉成鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是資金、技術(shù)、資源、能源密集型行業(yè)。我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)20余年保持全球第一。但是，鋼鐵行業(yè)也是耗能和排污大戶，是我國“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。10月13日，《環(huán)境與生活》雜志記者來到北京科技高校能源與環(huán)境工程學(xué)院，采訪了該院院長邢奕教授，聽他介紹了國內(nèi)鋼鐵行業(yè)綠色進(jìn)展的最新動(dòng)向及前沿科技。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439293671.jpg”alt=“1.jpg”width=“489”height=“731”/圖|10月13日，北京科技高校能源與環(huán)境工程學(xué)院院長邢奕教授在其辦公室接受《環(huán)境與生活》雜志記者采訪。許瀾馨攝我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，2019年粗鋼產(chǎn)量9.963億噸，占世界粗鋼總產(chǎn)量的53%。雖然我國在鋼鐵行業(yè)已經(jīng)取得了卓越的成就，但隨之而來的污染問題也是不容輕視的。鋼鐵生產(chǎn)具有工藝流程長、產(chǎn)污環(huán)節(jié)多、污染物排放量大的特點(diǎn)。據(jù)測(cè)算，2018年鋼鐵行業(yè)二氧化硫、氮氧化物和顆粒物排放量分別為105萬噸、163萬噸、273萬噸，約占全國排放總量的6%、9%、19%。隨著近年來我國環(huán)境治理力度不斷加強(qiáng)，特殊是燃煤電廠實(shí)施超低排放以來，火電行業(yè)污染物排放量大幅度下降。2017年，鋼鐵行業(yè)主要污染物排放量已超過電力行業(yè)，成為工業(yè)部門最大的污染物排放來源。鋼鐵是怎樣煉成的？10月13日，在接受《環(huán)境與生活》記者采訪時(shí)，邢奕院長笑著說，想要知道鋼鐵冶煉過程中污染物的來源，就要先明白“鋼鐵是怎樣煉成的”。鋼鐵的冶煉過程是一個(gè)長流程，大致可分為采礦、選礦、燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等環(huán)節(jié)。同時(shí)，鋼鐵冶煉本身也是一個(gè)“三高”過程，即高能耗、高物耗、高排放。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439298035.jpg”alt=“2.jpg”width=“642”height=“518”/邢奕院長急躁介紹，首先，在礦山里開采出品位較高的鐵礦石，將它們破裂并磨成細(xì)粉后進(jìn)行磁選富集。含鐵礦物具有磁性，經(jīng)過磁選得到的鐵精粉含鐵品位會(huì)進(jìn)一步提高。隨后，鐵精粉作為原料進(jìn)入燒結(jié)工序，混以燃料和溶劑，在高溫下燒制成具有肯定強(qiáng)度、粒度的燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，而后再將燒結(jié)礦和球團(tuán)礦運(yùn)輸至高爐內(nèi)煉鐵。煉鐵工序大部分采納高爐煉鐵技術(shù)，但是由于鐵精粉直接加到高爐里會(huì)影響料柱的透氣性，所以需要將它們制成燒結(jié)礦或球團(tuán)礦。舉一個(gè)形象一點(diǎn)的例子，就是把粉末狀鐵礦粉高溫?zé)瞥上裥⊥枳右粯拥男螒B(tài)。無論是燒結(jié)礦還是球團(tuán)礦，雖然工藝不同，但是它們制造出來的產(chǎn)品都是裝入高爐進(jìn)行冶煉。高爐煉鐵后，生成的鐵水進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼，煉鋼后再進(jìn)行連鑄生產(chǎn)鋼坯。當(dāng)鋼坯出爐后，進(jìn)行切割，再將切割好的鋼坯加熱后送入軋機(jī)進(jìn)行軋鋼生產(chǎn)。污染物主要源于燒結(jié)工序邢奕教授解釋：“燒結(jié)是整個(gè)鋼鐵冶煉過程中污染物排放量最大的工序，其排放的污染物可占鋼鐵冶煉過程中污染物總排放的40%至50%。燒結(jié)的整個(gè)過程都伴隨著高溫反應(yīng)，在高溫條件下，燒結(jié)混合料中釋放出大量的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)污染物和一氧化碳、二噁英、氯化氫和氟化氫等特別規(guī)污染物。而煉鐵、煉鋼工序的主要污染物是粉塵，污染物種類較單一。相對(duì)來說，燒結(jié)工序的污染物綜合治理難度較大，投資占比最高?！奔热晃廴九欧帕窟@么大，為什么不簡化步驟，直接用高溫來煉鋼呢?<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439293239.jpg”alt=“3.jpg”width=“548”height=“735”/圖|獲得邢奕教授指導(dǎo)的安徽（六安）金日晟礦業(yè)公司120噸球團(tuán)回?zé)犸L(fēng)SCR脫硝項(xiàng)目邢奕院長接著解釋：“其實(shí)，煉鐵和煉鋼是兩個(gè)過程，具有明顯的不同。煉鐵是一個(gè)還原的過程，將氧化物形式的鐵還原成單質(zhì)態(tài)的鐵。而煉鋼是個(gè)氧化的過程，把高爐生產(chǎn)鐵水里含有的碳氧化掉，由于含碳量高的鋼材，抗壓性很好，但韌性不好，會(huì)比較脆。鋼和鐵的最主要區(qū)分就是含碳量不同，要把鐵的含碳量降下去，就得把其中的碳在煉鋼工序氧化掉。從鐵到鋼這個(gè)過程產(chǎn)生的污染較小，我們要做的主要是除塵?！毙限冉淌谥赋觯骸半m然簡化步驟直接用高溫?zé)掍撌遣恍行械模喕襟E的思路卻是對(duì)的。例如，我國可以進(jìn)展短流程煉鋼，如提升廢鋼-電弧爐煉鋼的比例。目前，我國的鋼鐵冶煉過程是以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，采納廢鋼-電弧爐煉鋼短流程工藝產(chǎn)生的污染物要少得多?！?lt;imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439301349.jpg”alt=“4.jpg”width=“550”height=“730”/圖|河北(滄州)渤海煤焦化公司焦?fàn)t煙氣密相干塔脫硫項(xiàng)目現(xiàn)階段，歐美許多國家都以廢鋼為原料，用電弧爐進(jìn)行煉鋼。短流程煉鋼工序環(huán)節(jié)少，省去了燒結(jié)這個(gè)“三高”流程，大幅度降低了鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污染物。既然電弧爐煉鋼有這么多的優(yōu)點(diǎn)，為什么我國沒有廣泛使用呢？邢奕教授表示：“我們目前還處在一個(gè)過渡時(shí)期。前溯5年，社會(huì)廢鋼保有量還不足以支撐我們高比例采納廢鋼為原料來煉鋼。直到最近幾年，廢鋼產(chǎn)生量才開頭快速增長。但是，現(xiàn)階段我國電弧爐煉鋼的成本以及廢鋼回收的經(jīng)濟(jì)成本還比較高，導(dǎo)致廢鋼-電弧爐短流程工序不掙錢甚至虧錢。再者，我們還沒有形成一個(gè)廢鋼回收以及分類比較完善的方法。由于廢鋼中含有較多雜質(zhì)，在電弧爐冶煉生產(chǎn)中簡單產(chǎn)生二噁英這種劇毒的污染物。所以，廢鋼不能很好地回收是會(huì)產(chǎn)生許多問題的。雖然我國的電弧爐煉鋼技術(shù)還沒形成體系，但這會(huì)是我們將來的重點(diǎn)進(jìn)展方向?！迸ν瓿晌覈撹F行業(yè)的第三個(gè)創(chuàng)新引領(lǐng)針對(duì)燒結(jié)這一污染嚴(yán)峻的工序，邢奕院長說：“始終以來，我們都在樂觀地優(yōu)化方案，使污染物排放量達(dá)到超低。在傳統(tǒng)的高爐工序里，最大的問題是以碳為還原劑，這成為鋼鐵生產(chǎn)碳排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。過去，我們?cè)诟郀t里加入焦炭作為還原劑來降低碳排放。現(xiàn)在，我們正在探究氫冶金以及生物冶金。從使用化石能源向使用氫、生物質(zhì)材料等轉(zhuǎn)變。用氫取代焦炭，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的減排效果。拿氫做還原劑，最終產(chǎn)物為水，這樣就可以減輕污染?！?lt;imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439302159.jpg”alt=“5.jpg”width=“548”height=“733”/圖|越南球團(tuán)密相干塔脫硫項(xiàng)目邢奕教授表示：“在我國鋼鐵行業(yè)不斷的進(jìn)展過程中，污染防治也取得了很多傲人的成果，做到了行業(yè)引領(lǐng)，成了全球行業(yè)標(biāo)桿?！钡谝粋€(gè)引領(lǐng)是研發(fā)了密相塔半干法脫硫技術(shù)。目前，依據(jù)是否加水和加水量的多少，市場(chǎng)上可分為三類脫硫方法：濕法、半干法（加少量的水）以及干法。治理初期燒結(jié)廠使用最多的是濕法脫硫，也就是在噴淋條件下，酸性氣體二氧化硫和堿性物質(zhì)石灰石漿液發(fā)生中和反應(yīng)的過程，最終產(chǎn)生石膏漿液等脫硫副產(chǎn)物。干法煙氣脫硫，是指在不加水條件下，利用粉狀或粒狀汲取劑、吸附劑或催化劑來脫除煙氣中含硫化物的氣體。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439301470.jpg”alt=“6.jpg”width=“414”height=“732”/圖|通化鋼鐵集團(tuán)板石礦業(yè)公司球團(tuán)密相干塔脫硫項(xiàng)目半干法是邢奕院長力推的。由于中和反應(yīng)在“液膜”內(nèi)進(jìn)行的速度快，加入少量的水可以極大提高汲取傳質(zhì)效率。說到這里，邢奕院長強(qiáng)調(diào)鋼鐵工業(yè)煙氣治理過程中“寧干勿濕”的原則。在濕法脫硫中，不僅會(huì)有許多水蒸氣排出來，還會(huì)排出許多可凝聚的顆粒物。它們都是霧霾的前體物。半干法不僅克服了濕法脫硫技術(shù)的弊端，還擁有占地小、流程簡潔、更適應(yīng)燒結(jié)機(jī)多變的工況等優(yōu)點(diǎn)。我國鋼鐵行業(yè)的其次個(gè)創(chuàng)新引領(lǐng)是超低排放改造之初，提出了用半干法加上“選擇性催化還原法(SCR)”來實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫除塵脫硝，另外一種市場(chǎng)上的主流技術(shù)是活性焦吸附法，這種技術(shù)對(duì)于企業(yè)的裝備、管理、技術(shù)和人員素養(yǎng)等要求都較高的，不適合全面推開。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439308844.jpg”alt=“7.jpg”width=“580”height=“777”/圖|首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合公司的400萬噸球團(tuán)煙氣中低溫SCR脫硝項(xiàng)目現(xiàn)在正在開發(fā)超低排放多功能耦合的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)超低排放的同時(shí)兼顧節(jié)能、治理固廢和廢物的資源化利用，盼望成為鋼鐵行業(yè)的第三個(gè)創(chuàng)新引領(lǐng)。例如脫硫脫硝多污染物集并吸附后，將氮氧化物解吸下來，制備成純潔的一氧化氮、二氧化氮?dú)怏w產(chǎn)品。依據(jù)“寧物理，勿化學(xué)”的理念，邢奕院長解釋：“我們應(yīng)當(dāng)盡可能簡潔地用物理方法提純分別，假如純度夠的話，最終制備出來的一氧化氮、二氧化氮?dú)怏w都是特別有用的產(chǎn)品。我們之前的環(huán)保項(xiàng)目都是純投入，無收益的。假如能在環(huán)境治理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)廢物資源化并產(chǎn)生肯定的經(jīng)濟(jì)效益，那就是在鋼鐵污染防治方面又跨出了一大步?！毙限仍洪L介紹：“經(jīng)過不斷完善優(yōu)化工序，與我們合作的鋼鐵廠，其污染物排放與原來相比已大幅削減。河北《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》中的大氣污染物排放限值為：顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不超過10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米。經(jīng)過不懈地努力，我們實(shí)現(xiàn)了顆粒物5毫克/立方米，二氧化硫20毫克/立方米，氮氧化物10至30毫克/立方米，甚至更低?！苯鼛啄?，鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益下滑較大，今年又受疫情等因素影響，不少鋼鐵企業(yè)面臨存活難題。邢奕教授呼吁：“超低排放是大勢(shì)所趨，應(yīng)當(dāng)連續(xù)鼓舞，對(duì)于下定決心、花大力氣切實(shí)完成超低排放改造的鋼鐵企業(yè)，我建議政府應(yīng)從稅收、財(cái)政、金融、價(jià)格、環(huán)保、科技等政策上加大支持力度?！碧骄啃录夹g(shù)，優(yōu)化鋼鐵冶煉與此同時(shí)，討論人員們并不滿意于現(xiàn)階段的成果，還在樂觀地探究鋼鐵冶金新技術(shù)。邢奕院長還介紹幾個(gè)技術(shù)改進(jìn)的思路：首先是“精料方針”。鋼鐵生產(chǎn)過程中最重要的任務(wù)就是除去雜質(zhì)，生產(chǎn)具有必要干凈度、達(dá)到規(guī)定化學(xué)成分的鋼鐵產(chǎn)品。“現(xiàn)有的冶煉過程雖然對(duì)作為原料的鐵礦石和作為燃料的煤炭進(jìn)行了粗略的處理，仍有大量的有害元素殘留其中。這些需要在后續(xù)的煉鐵、煉鋼、精煉過程中一點(diǎn)點(diǎn)除去。”行業(yè)里提出了“精料方針”，期望在入爐冶煉之前，盡量提高原料的干凈度，以削減污染物的排放。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439308048.jpg”alt=“8.jpg”width=“584”height=“773”/圖|天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)5號(hào)熱風(fēng)爐煙氣密相干塔脫硫項(xiàng)目其次是爐內(nèi)溫度感知。無論是高爐還是轉(zhuǎn)爐，里面都有許多耐火材料。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)溫度特別高，還沒有儀器可以探測(cè)到爐內(nèi)精確?????的溫度。想了解爐內(nèi)溫度，要么是做數(shù)學(xué)模型來估量，要么完全憑借一線工作人員的閱歷來推斷。全流程的溫度掌握不僅涉及產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，也關(guān)乎產(chǎn)品的形狀尺寸精度、能源與資源的消耗以及污染物的排放。假如能實(shí)現(xiàn)全流程一體化的鋼鐵冶煉溫度檢測(cè)與掌握，這對(duì)提高鋼鐵冶煉的整體資源效率，也是一個(gè)巨大的突破。再次，鋼鐵企業(yè)管控進(jìn)入智能時(shí)代。目前，中國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化與數(shù)字化，達(dá)到了工業(yè)2.0的水平。但是鋼鐵工業(yè)工藝流程長，過程簡單，尚未形成全流程一體化的掌握技術(shù)。現(xiàn)在，一些企業(yè)正在樂觀建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的鋼鐵企業(yè)整體管控平臺(tái)。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439307804.jpg”alt=“9.jpg”width=“993”height=“746”/圖|江蘇（溧陽）申特鋼鐵廠1號(hào)2號(hào)燒結(jié)機(jī)煙氣密相干塔脫硫+中低溫SCR脫硝項(xiàng)目最終，鋼鐵行業(yè)的技術(shù)革新還致力于削減碳排放。目前，我國的鋼鐵冶煉過程都是以高爐-轉(zhuǎn)爐的長流程為主，這讓我國鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放強(qiáng)度高于世界平均水平。因此，在將來的討論中，科研人員會(huì)將留意力更多地集中在優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)、提高品種質(zhì)量、智能化冶煉、系統(tǒng)化節(jié)能、精料入爐和二氧化碳資源化利用等方面。鋼鐵冶煉將來如何進(jìn)展那么，將來鋼鐵冶煉大致會(huì)朝哪些方向進(jìn)展呢？邢奕院長總結(jié)道，主要有以下幾個(gè)方面：1.通過技術(shù)措施，努力削減煤炭使用量；2.討論開發(fā)以氫氣為還原劑的煉鐵新技術(shù)；3.通過清潔能源替代煤炭，削減煤炭使用量；4.討論冶金燃?xì)獾纳疃燃庸?，以自?氣替代冶金燃?xì)庥糜诟黝惣訜釥t。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439309474.jpg”alt=“10.jpg”width=“1037”height=“778”/圖|首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合公司1號(hào)500平方米燒結(jié)機(jī)煙氣中低溫SCR脫硝項(xiàng)目不過，邢奕院長坦率地說：“我國雖然在碳減排、污染物治理以及節(jié)約資源能源方面取得不少技術(shù)突破，但國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的技術(shù)水平參差不齊，既有世界領(lǐng)先的，也有大量中低端的小企業(yè)?？傮w上看，我國鋼鐵行業(yè)在節(jié)能、減排、治污方面還有很大欠缺，將來仍有不小的提升空間?！本G色的鋼鐵廠和城市可以共生<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/202011/Env/202011101439