鋼鐵行業(yè)超低排放如何煉成
鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(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(hù)，是我國“藍天保衛戰”的主戰場(chǎng)之一。
10月13日，《環(huán)境與生活》雜志記者來(lái)到北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，采訪(fǎng)了該院院長(cháng)邢奕教授，聽(tīng)他介紹了國內鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的最新動(dòng)向及前沿科技。
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(lái)的污染問(wèn)題也是不容輕視的。鋼鐵生產(chǎn)具有工藝流程長(cháng)、產(chǎn)污環(huán)節多、污染物排放量大的特點(diǎn)。據測算，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(wàn)噸、163萬(wàn)噸、273萬(wàn)噸，約占全國排放總量的6%、9%、19%。隨著(zhù)近年來(lái)我國環(huán)境治理力度不斷加強，特別是燃煤電廠(chǎng)實(shí)施超低排放以來(lái)，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(guò)電力行業(yè)，成為工業(yè)部門(mén)最大的污染物排放來(lái)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(fǎng)時(shí)，邢奕院長(cháng)笑著(zhù)說(shuō)，想要知道鋼鐵冶煉過(guò)程中污染物的來(lái)源，就要先明白“鋼鐵是怎樣煉成的”。鋼鐵的冶煉過(guò)程是一個(gè)長(cháng)流程，大致可分為采礦、選礦、燒結、球團、煉焦、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等環(huán)節。同時(shí)，鋼鐵冶煉本身也是一個(gè)“三高”過(guò)程，即高能耗、高物耗、高排放。
邢奕院長(cháng)耐心介紹，首先，在礦山里開(kāi)采出品位較高的鐵礦石，將它們破碎并磨成細粉后進(jìn)行磁選富集。含鐵礦物具有磁性，經(jīng)過(guò)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)入燒結工序，混以燃料和溶劑，在高溫下燒制成具有一定強度、粒度的燒結礦或球團礦，而后再將燒結礦和球團礦運送至高爐內煉鐵。煉鐵工序大部分采用高爐煉鐵技術(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礦或球團礦。舉一個(gè)形象一點(diǎn)的例子，就是把粉末狀鐵礦粉高溫燒制成像小丸子一樣的形態(tài)。無(wú)論是燒結礦還是球團礦，雖然工藝不同，但是它們制造出來(lái)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)行轉爐煉鋼，煉鋼后再進(jìn)行連鑄生產(chǎn)鋼坯。當鋼坯出爐后，進(jìn)行切割，再將切割好的鋼坯加熱后送入軋機進(jìn)行軋鋼生產(chǎn)。
污染物主要源于燒結工序
邢奕教授解釋?zhuān)?ldquo;燒結是整個(gè)鋼鐵冶煉過(guò)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(guò)程中污染物總排放的40%至50%。燒結的整個(gè)過(guò)程都伴隨著(zhù)高溫反應，在高溫條件下，燒結混合料中釋放出大量的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等常規污染物和一氧化碳、二惡英、氯化氫和氟化氫等非常規污染物。而煉鐵、煉鋼工序的主要污染物是粉塵，污染物種類(lèi)較單一。相對來(lái)說(shuō)，燒結工序的污染物綜合治理難度較大，投資占比最高。”
既然污染排放量這么大，為什么不簡(jiǎn)化步驟，直接用高溫來(lái)煉鋼呢?
邢奕院長(cháng)接著(zhù)解釋?zhuān)?ldquo;其實(shí)，煉鐵和煉鋼是兩個(gè)過(guò)程，具有明顯的不同。煉鐵是一個(gè)還原的過(guò)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(guò)程，把高爐生產(chǎn)鐵水里含有的碳氧化掉，因為含碳量高的鋼材，抗壓性很好，但韌性不好，會(huì )比較脆。鋼和鐵的最主要區別就是含碳量不同，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(guò)程產(chǎn)生的污染較小，我們要做的主要是除塵。”
邢奕教授指出：“雖然簡(jiǎn)化步驟直接用高溫煉鋼是不可行的，但簡(jiǎn)化步驟的思路卻是對的。例如，我國可以發(fā)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(guò)程是以高爐-轉爐長(cháng)流程為主，采用廢鋼-電弧爐煉鋼短流程工藝產(chǎn)生的污染物要少得多。”
現階段，歐美很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)節少，省去了燒結這個(gè)“三高”流程，大幅度降低了鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(méi)有廣泛使用呢？邢奕教授表示：“我們目前還處在一個(gè)過(guò)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用廢鋼為原料來(lái)煉鋼。直到最近幾年，廢鋼產(chǎn)生量才開(kāi)始快速增長(cháng)。但是，現階段我國電弧爐煉鋼的成本以及廢鋼回收的經(jīng)濟成本還比較高，導致廢鋼-電弧爐短流程工序不掙錢(qián)甚至虧錢(qián)。再者，我們還沒(méi)有形成一個(gè)廢鋼回收以及分類(lèi)比較完善的方法。因為廢鋼中含有較多雜質(zhì)，在電弧爐冶煉生產(chǎn)中容易產(chǎn)生二惡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)生很多問(wèn)題的。雖然我國的電弧爐煉鋼技術(shù)還沒(méi)形成體系，但這會(huì )是我們未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。”
努力完成我國鋼鐵行業(yè)的第三個(gè)創(chuàng )新引領(lǐng)
針對燒結這一污染嚴重的工序，邢奕院長(cháng)說(shuō)：“一直以來(lái)，我們都在積極地優(yōu)化方案，使污染物排放量達到超低。在傳統的高爐工序里，最大的問(wèn)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。過(guò)去，我們在高爐里加入焦炭作為還原劑來(lái)降低碳排放?，F在，我們正在探索氫冶金以及生物冶金。從使用化石能源向使用氫、生物質(zhì)材料等轉變。用氫取代焦炭，可以實(shí)現更優(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。”
邢奕教授表示：“在我國鋼鐵行業(yè)不斷的發(fā)展過(guò)程中，污染防治也取得了許多傲人的成績(jì)，做到了行業(yè)引領(lǐng)，成了全球行業(yè)標桿。”第一個(gè)引領(lǐng)是研發(fā)了密相塔半干法脫硫技術(shù)。目前，根據是否加水和加水量的多少，市場(chǎng)上可分為三類(lèi)脫硫方法：濕法、半干法（加少量的水）以及干法。治理初期燒結廠(chǎng)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)生中和反應的過(guò)程，最后產(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，利用粉狀或粒狀吸收劑、吸附劑或催化劑來(lái)脫除煙氣中含硫化物的氣體。
半干法是邢奕院長(cháng)力推的。因為中和反應在“液膜”內進(jìn)行的速度快，加入少量的水可以極大提高吸收傳質(zhì)效率。說(shuō)到這里，邢奕院長(cháng)強調鋼鐵工業(yè)煙氣治理過(guò)程中“寧干勿濕”的原則。在濕法脫硫中，不僅會(huì )有很多水蒸氣排出來(lái)，還會(huì )排出很多可凝結的顆粒物。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(jiǎn)單、更適應燒結機多變的工況等優(yōu)點(diǎn)。
我國鋼鐵行業(yè)的第二個(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(lái)實(shí)現煙氣脫硫除塵脫硝，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)對于企業(yè)的裝備、管理、技術(shù)和人員素質(zhì)等要求都較高的，不適合全面推開(kāi)。
現在正在開(kāi)發(fā)超低排放多功能耦合的技術(shù)體系，實(shí)現超低排放的同時(shí)兼顧節能、治理固廢和廢物的資源化利用，希望成為鋼鐵行業(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(lái)，制備成純凈的一氧化氮、二氧化氮氣體產(chǎn)品。根據“寧物理，勿化學(xué)”的理念，邢奕院長(cháng)解釋?zhuān)?ldquo;我們應該盡可能簡(jiǎn)單地用物理方法提純分離，如果純度夠的話(huà)，最后制備出來(lái)的一氧化氮、二氧化氮氣體都是非常有用的產(chǎn)品。我們之前的環(huán)保項目都是純投入，無(wú)收益的。如果能在環(huán)境治理的同時(shí)，實(shí)現廢物資源化并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，那就是在鋼鐵污染防治方面又跨出了一大步。”
邢奕院長(cháng)介紹：“經(jīng)過(guò)不斷完善優(yōu)化工序，與我們合作的鋼鐵廠(chǎng)，其污染物排放與原來(lái)相比已大幅減少。河北《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標準》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(guò)10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米。經(jīng)過(guò)不懈地努力，我們實(shí)現了顆粒物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。”
近幾年，鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟效益下滑較大，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：“超低排放是大勢所趨，應該繼續鼓勵，對于下定決心、花大力氣切實(shí)完成超低排放改造的鋼鐵企業(yè)，我建議政府應從稅收、財政、金融、價(jià)格、環(huán)保、科技等政策上加大支持力度。”
探索新技術(shù)，優(yōu)化鋼鐵冶煉
與此同時(shí)，研究人員們并不滿(mǎn)足于現階段的成績(jì)，還在積極地探索鋼鐵冶金新技術(shù)。邢奕院長(cháng)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(guò)程中最重要的任務(wù)就是除去雜質(zhì)，生產(chǎn)具有必要潔凈度、達到規定化學(xué)成分的鋼鐵產(chǎn)品。“現有的冶煉過(guò)程雖然對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。這些需要在后續的煉鐵、煉鋼、精煉過(guò)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，盡量提高原料的潔凈度，以減少污染物的排放。
其次是爐內溫度感知。無(wú)論是高爐還是轉爐，里面都有很多耐火材料。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，爐內溫度非常高，還沒(méi)有儀器可以探測到爐內準確的溫度。想了解爐內溫度，要么是做數學(xué)模型來(lái)估計，要么完全憑借一線(xiàn)工作人員的經(jīng)驗來(lái)判斷。全流程的溫度控制不僅涉及產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，也關(guān)乎產(chǎn)品的外形尺寸精度、能源與資源的消耗以及污染物的排放。如果能實(shí)現全流程一體化的鋼鐵冶煉溫度檢測與控制，這對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，中國大多數鋼鐵企業(yè)已實(shí)現機械化、自動(dòng)化與數字化，達到了工業(yè)2.0的水平。但是鋼鐵工業(yè)工藝流程長(cháng)，過(guò)程復雜，尚未形成全流程一體化的控制技術(shù)?，F在，一些企業(yè)正在積極建設基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等現代信息技術(shù)的鋼鐵企業(yè)整體管控平臺。
最后，鋼鐵行業(yè)的技術(shù)革新還致力于減少碳排放。目前，我國的鋼鐵冶煉過(guò)程都是以高爐-轉爐的長(cháng)流程為主，這讓我國鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放強度高于世界平均水平。因此，在未來(lái)的研究中，科研人員會(huì )將注意力更多地集中在優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程結構、提高品種質(zhì)量、智能化冶煉、系統化節能、精料入爐和二氧化碳資源化利用等方面。
鋼鐵冶煉未來(lái)如何發(fā)展
那么，未來(lái)鋼鐵冶煉大致會(huì )朝哪些方向發(fā)展呢？邢奕院長(cháng)總結道，主要有以下幾個(gè)方面：1.通過(guò)技術(shù)措施，努力減少煤炭使用量；2.研究開(kāi)發(fā)以氫氣為還原劑的煉鐵新技術(shù)；3.通過(guò)清潔能源替代煤炭，減少煤炭使用量；4.研究冶金燃氣的深度加工，以天然氣替代冶金燃氣用于各類(lèi)加熱爐。
不過(guò)，邢奕院長(cháng)坦率地說(shuō)：“我國雖然在碳減排、污染物治理以及節省資源能源方面取得不少技術(shù)突破，但國內鋼鐵企業(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)在節能、減排、治污方面還有很大欠缺，未來(lái)仍有不小的提升空間。”
綠色的鋼鐵廠(chǎng)和城市可以共生
在采訪(fǎng)的最后，邢奕院長(cháng)還提出一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：“清潔化生產(chǎn)的鋼鐵廠(chǎng)其實(shí)是可以和城市融合發(fā)展的，鋼鐵廠(chǎng)的高溫余熱利用可以為市民解決供暖等很多問(wèn)題。再者，城市的危廢本身就要進(jìn)行處置，所以利用鋼鐵廠(chǎng)的生產(chǎn)裝置和環(huán)保裝置就可以實(shí)現固廢、危廢處置，不需要再新建專(zhuān)門(mén)的焚燒裝置。歐盟、美國、日本等地的不少鋼廠(chǎng)、電廠(chǎng)、垃圾焚燒廠(chǎng)，就建在城市中心，很干凈，很清潔。不需要外遷。”更多鋼材相關(guān)信息敬請關(guān)注福建晨升鋼鐵！
