鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排技術的探討

鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排技術的探討摘要：目前，我國各項生產工作都在向前推進，但發(fā)展和環(huán)保工作還沒有結合起來，許多發(fā)展工作都是以環(huán)境為代價的。鋼鐵企業(yè)是現代工業(yè)的重要組成部分，但是其生產過程中的CO2排放量僅次于化學工業(yè)、建筑業(yè)，同時礦物燃料的消耗依然是造成CO2排放的重要因素，為了在激烈的市場競爭中占據優(yōu)勢，取得持續(xù)發(fā)展的勢頭，許多鋼鐵企業(yè)都需要加強節(jié)能減排、加強精細管理和合理使用節(jié)能減排技術。關鍵詞：鋼鐵；二氧化碳；技術在我國的經濟和社會不斷發(fā)展進程中，鋼鐵工業(yè)發(fā)揮著重要的作用，對國民經濟和社會的發(fā)展起著重要的推動作用。然而，鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展給我們的生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的沖擊，在煉鋼生產中，會產生很大的環(huán)境污染，據統(tǒng)計，在我國能源消費中，鋼鐵消費是六分之一。為了使我國步入可持續(xù)發(fā)展階段，必須改進高爐冶煉技術，推進節(jié)能減排。一、鋼鐵企業(yè)二氧化碳排放特性CO2的排放與燃料中的固碳含量和使用量呈正相關，隨著燃料中的碳含量和使用量的增加，CO2的排放也會隨之增加。在鋼鐵冶煉過程中，碳是主要的物質流動和能源流動，而鐵液中的碳則起到了加熱和能量均衡的作用。鋼鐵冶煉是一種以碳還原、氧化、添加碳為主的工藝，消耗大量的煤炭，并排放大量的二氧化碳。鋼鐵企業(yè)CO2的產生主要有兩種：1.是在生產過程中產生的化學反應，如燒結、煉焦、石灰焙燒、煉鋼等；2.是由碳基燃料通過爐窯燃燒而得到的，如自備電廠鍋爐、各種煤氣再燃燒鍋爐、CCPP等。不同于電廠的尾煙管，鋼鐵廠的CO2排放點分布比較廣，其排放濃度也有很大差異。鋼鐵冶煉的全流程是一個復雜而又復雜的過程，其中，高爐、焦化、燒結球團和煉鋼是其中的一個重要環(huán)節(jié)，CO2排放量在90%以上（除各種自備電廠、煤氣/煤混合燒鍋爐外）。因此，降低鋼鐵行業(yè)CO2排放的主要途徑是降低鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放[1]。二、鋼鐵生產二氧化碳減排現狀（一）工藝路線和用能結構之間的差別目前，我國鋼鐵企業(yè)主要采用“煉鋼-轉爐”的長流程結構，國內的粗鋼產能占到了85%左右，而發(fā)達國家的產能僅有45%~65%。長線工藝的能耗較高，比傳統(tǒng)的廢鋼-電爐短流程多出2倍，且CO2排放較高。另外，煤炭是我國鋼鐵工業(yè)的重要能源，占全國能源總量的90%，其生產過程中所用的煤質量較差、能耗較低，從而造成了大量的CO2排放。（二）能源回收水平較低鋼鐵生產過程中存在著大量的能耗和轉換，大量的余熱、蒸汽、煤氣等。我國鋼鐵企業(yè)二次能源循環(huán)利用體系不健全，造成了巨大的能源損耗，造成了高能耗、CO2排放困難。（三）中低水平的設備產能較大在目前的鋼鐵產能中，落后的、普通的設備占據了整體的三分之一左右。與較先進的設備相比，該設備的能耗增加了15%，余熱、煤氣回收效率約為30%，能源消耗大，CO2排放量大。（四）鐵礦品位較差由于國內鐵礦的品位較低，生產成本和鐵礦資源的供應等原因，導致了高爐進廠的鐵礦品位較低，有效能源消耗較大，生產能耗較高，導致單位產出的CO2排放較高。（五）中低產品較多與高端產品比較，中、低檔鋼制品的性能較差，為了達到相同的性能效果，需要加大用量，從而增加了使用者的能源消耗。同時，我國中、低端鋼的使用壽命較短，在同一時間，其再生次數較多，能耗較大。目前，我國鋼鐵產品中，中低端產品占有很大比例，造成了工業(yè)生產單位能耗高，二氧化碳排放高[2]。三、鋼鐵生產二氧化碳減排對策（一）引進先進的工藝技術通過引進大型化、現代化的技術設備和技術，淘汰落后的設備，可以大幅度地提高生產技術和經濟指標，從而達到節(jié)能、節(jié)約資源、減少CO2排放的目的。先進的節(jié)能技術與設備包括：搗固焦爐、設置干熄焦設備、堆底和厚料層、高爐使用富氧、大噴煤、連鑄坯熱裝熱送、高溫蓄熱加熱爐等。（二）充分利用二次能源和清潔能源對鋼鐵生產產生的余熱、余壓、余能及工業(yè)廢氣進行有效的循環(huán)利用，可以減少礦物燃料的消耗，從而達到節(jié)能、降低單位產能的目的。目前已有的技術有：TRT高爐發(fā)電、回收燒結余熱、干熄焦回收蒸汽、CCPP聯合循環(huán)發(fā)電等。像核能，太陽能，風能，水能等潔凈的能源屬于非碳的，在鋼鐵行業(yè)中，利用它們來代替含碳的能源可以有效地降低CO2的排放量。目前，國內一些鋼鐵企業(yè)正積極探索應用高爐煤氣回輸技術、高爐純氧冶煉技術、二氧化碳捕集技術等理論上的可行性技術[3]。（三）使產品質量得到有效的提高優(yōu)質鋼的制造成本較高，但性能好，用量少，使用壽命長，并可降低下游工業(yè)的生產和使用，對鋼鐵壽命周期的節(jié)能減排有顯著作用。如果把所有的汽車鋼材都換成高強度、高塑性、高韌性的汽車用鋼，不僅可以改善車輛的安全性能，還可以減少10%的鋼材用量，從而降低車輛的使用壽命和CO2排放。（四）使入爐鐵礦的品位得到提高在煉鋼過程中，增加鐵礦石的品位是降低能耗的重要因素。因此通過改善原材料的品位，可以有效地減少進入爐料中的雜質，減少爐渣的產生量和能源消耗，減少能源消耗，減少CO2排放。根據數據，在煉鐵過程中，每增加1%的冶煉品位，降低2%的焦比，從而達到了節(jié)能的目的。我國現有鐵礦石的品位較低，需要通過適當增加進口高品位礦石、提高礦石的入爐品位等幾個方面來改善。（五）加強對煉鐵環(huán)節(jié)二氧化碳排放的控制減少CO2排放的步驟，盡量減少熔煉過程中的CO2排放。在鐵前，燒結、焦化、高爐等各環(huán)節(jié)的CO2，占到了總排放量的80%，因此要重點掌握好這三個環(huán)節(jié)。首先采用鐵預燒結、大球燒結代替大顆粒燒結，并做好燃料分加工作，優(yōu)化回收率，盡量減少漏風率。根據生產實踐，對生石灰的活性進行了強化，并對其溫度進行了適當的調節(jié)。其次是焦化部分，推廣使用干法熄焦技術，通過對剩余熱量進行再利用，使焦炭品質得到進一步提高，從而達到節(jié)能減排的目標。在高爐后期，通過調節(jié)燃料比例，使CO2的排放量得到合理的減少[4]。四、鋼鐵企業(yè)中二氧化碳減排技術當前，世界上的CO2減排技術有三大類：一是節(jié)能降耗，二是通過燃料為主要能源，發(fā)展低碳化石燃料、核能、可再生能源、新型能源；三是對二氧化碳進行捕獲與回收，并將其儲存或使用。從減排效果、實施難度、時限、經濟等方面來看，三種方案均有其優(yōu)缺點。鑒于目前世界能源結構難以在短期內實現根本變革，因此CO2的收集和儲存已成為全球范圍內CO2排放的一項行之有效的手段。CO2的捕獲技術在石化行業(yè)、天然氣處理、合成燃料廠等領域有著廣泛的應用。近年來，國內外對CO2的吸附、膜分離、低溫分餾法等都有較大的發(fā)展。（一）二氧化碳吸附技術吸附技術是一種通過具有高孔隙度的活性吸收劑來實現二氧化碳的濃縮。吸附技術的基本原理是通過CO2和分子篩等吸附劑的表面活性點間的重力作用，從而達到捕獲二氧化碳的目的。目前常用的吸附法有變壓吸附法、變溫吸附法、變壓-變溫吸附法等。從1989年起，日本新日鐵就開始采用PSA技術對轉爐廢氣進行了回收。該方法工藝簡單、自動化、無污染，但其性能主要受物料表面積和工作壓力（溫）的影響，通常要用大量的吸附劑來實現，因此其技術費用十分昂貴。所以這種技術還沒有被廣泛應用。（二）二氧化碳吸收技術吸收技術是一種利用溶劑和CO2氣體發(fā)生物理或化學反應來控制CO2釋放狀態(tài)的技術。采用不同的物理、化學溶劑進行吸收是一種比較成熟的工藝。其中，物理吸附是以水、甲醇、碳酸丙烯酯等為吸收劑，并根據CO2在這些溶劑中溶解程度的不同而改變。該工藝僅適合在CO2分壓高、CO2脫除程度低的情況下使用?；瘜W吸收法通常采用K2CO3的水溶液（再加入少量的胺鹽或釩、砷氧化物）或甲醇胺（MEA）等有機胺類化合物，在將吸收的液體加熱至100攝氏度時，可以釋放出高濃度的CO2，并將其回收。本發(fā)明是目前對煙氣中CO2進行回收的最有效的方法，適合于在大容積濃度較低的CO2（1-12%）氣體中進行。它是一種可以和已有的濕法脫硫設備結合的濕法。但其缺點是選擇性較差、能源消耗大、對設備的腐蝕程度較高[5]。（三）低溫分餾技術低溫分餾技術是一種新的工藝，它是通過在不同的壓力下，通過改變溶液的沸點，實現對氣態(tài)物料的分離。低溫蒸餾是利用直接蒸餾、雙柱蒸餾、添加劑、凍結等技術來實現二氧化碳的分離。所用的溶劑通常為一種芳香化合物。低溫分餾技術在CO2分壓較大的場合具有較高的分離效果，CO2的回收純度在97%以上。由于對煙氣進行多次壓縮、冷凝，導致CO2發(fā)生相變，但其耗能最大，與當今國際上環(huán)保技術節(jié)能趨勢存在矛盾，因而未能廣泛推廣使用。（四）膜分離技術膜技術是一項新的環(huán)保技術，它通過對顆粒大小、壓力差異等方面的隔離分散來達到物料的分離與分級。膜分離技術是目前國內外公認的最具發(fā)展前景的一種脫碳法。前者是利用混合氣體和薄膜物質之間的化學和物理作用，使一種成分迅速溶解并通過薄膜。后者則是將化學吸附與氣相分離相結合的技術。根據膜的材質，可分為聚合物膜、無機膜、混合膜以及其他濾膜。膜過濾CO2技術是目前國內外研究最活躍和最受關注的領域之一。與其它方法比較，膜分離技術具有設備簡單、結構緊湊、設備靈活、投資少、能源消耗小、環(huán)保等特點。盡管成本相對低廉，但很多薄膜技術仍存在著巨大的投資和降低操作能量消耗的空間。此外，該工藝是在壓力條件下進行的，因此對二氧化碳的后期儲存處理是有利的[6]。五、鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排的發(fā)展方向（一）加強對節(jié)能技術的普及和推廣1.利用剩余的高爐煤氣進行發(fā)電。本技術采用透平膨脹裝置，將原有的壓力和潛熱能轉換為機械能，由發(fā)電機將其轉換成電力。利用這種技術，可以將鼓風爐的能耗降低到25%~40%。2.干法焦化工藝。采用惰性氣體作介質的熄焦工藝，一方面能將紅焦的顯熱回收，轉換成蒸氣發(fā)電；另外，還可以改善焦炭的品質，減少煉鐵的能源消耗。3.對電爐中的廢鋼進行加熱。采用電爐煙氣將廢鋼加熱到500~600℃，可節(jié)約10%~20%的電能。4.煤炭水分調節(jié)工藝。通過將廢熱的余熱從9%~10%降至5%~6%，可以減少煉焦過程的能耗約8%。（二）開發(fā)新型節(jié)能技術1.大力發(fā)展廢熱燒結技術.國外先進的企業(yè)，每噸可回收80-100千克的廢熱蒸汽。如果利用回收的蒸汽發(fā)電，每噸可獲得10kW/h的電能，每噸可降低10公斤CO2排放量。2.開發(fā)低壓飽和蒸汽發(fā)電技術.在我國的一些鋼鐵企業(yè)中，采用這種技術后，每年可產生約15千瓦小時的電力，相當于減少了約15公斤的CO2。（三）開發(fā)節(jié)能前沿技術1.煉鋼廠的副產品產生氣體。二次能源中的副產氣體占據了煉鋼廠60%的比重，但現在大部分都是分散的，所以煉鋼廠的二次能源有很大的發(fā)展空間；2.利用焦爐氣生產氫氣。根據估算，我國每年將產生200億立方米的焦爐氣，如果能把這些廢渣轉化成氫氣，對環(huán)境保護和鋼鐵產業(yè)的生態(tài)轉型有很大的幫助[7]。結論：由于鋼鐵行業(yè)的冶煉過程中產生的大量CO2污染了環(huán)境，并對鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)、健康發(fā)展產生了一定的影響。因此，各有關單位應加強CO2減排技術的研究，根據企業(yè)的實際情況，靈活地選用相應的減排措施，從生產和煙道的收集兩個方面進行，既可以減少CO2的排放，又可以為企業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展增添動力，貫徹落實節(jié)能環(huán)保的根本要求，為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略貢獻自己的力量[8]。參考文獻：[1]程茉莉.鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排路徑分析及展望[J].冶金經濟與管理,2022(04):18-22.[2]陳永橋.鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排技術的探討[J].現代工業(yè)經濟和信息化,2021,11(03):82-83.[3]王海洋,張建良,王廣偉,姜曦.鐵前系統(tǒng)的二氧化碳減排技術淺析[J].中國冶金,2018,28(01):1-6.[4]郝經偉,趙宏,張標,閆永芳.鋼鐵二氧化碳減排情況與建議[J].冶金經濟與管理,20