歐盟鋼鐵工業(yè)廢氣治理技術(shù)為藍(lán)天“減負(fù)”
歐盟是繼中國(guó)之后的世界第二大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，2012年粗鋼總產(chǎn)量為1.69億噸，主要產(chǎn)鋼國(guó)家是德國(guó)、意大利、法國(guó)、西班牙和英國(guó)。在過(guò)去29年里，歐盟的轉(zhuǎn)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(guó)，高爐-轉(zhuǎn)爐流程的鋼產(chǎn)量占65.3%，使用廢鋼的電爐鋼產(chǎn)量占34.7%，連鑄比約為97%。
歐盟鋼鐵工業(yè)加強(qiáng)污染物排放控制既得益于政府法律法規(guī)的約束，同時(shí)也與其解決環(huán)保技術(shù)難題相結(jié)合。2002年，德國(guó)采用了“大氣質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范(TALuft)”所設(shè)定的高排放標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)是歐盟其他國(guó)家部分排放水平的升級(jí)，對(duì)CO2的減排起到了推動(dòng)作用。如今，歐盟從各個(gè)方面開展了CO2的減排工作，并取得了顯著成效。
燒結(jié)廠注重除塵技術(shù)的應(yīng)用
電極靜電除塵。對(duì)燒結(jié)廠廢氣排放的嚴(yán)格限制，使歐盟的鋼鐵企業(yè)采用多種技術(shù)解決廢氣排放的問(wèn)題。活性炭吸附工藝、移動(dòng)電除塵、廢氣干法凈化和煙氣循環(huán)等技術(shù)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。燒結(jié)廢氣中的粉塵有一定的電阻，不能采用傳統(tǒng)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(qiáng)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(huì)導(dǎo)致二次排放，使下落的粉塵被氣流帶走。而使用移動(dòng)式極板，粉塵可以被旋轉(zhuǎn)鋼絲刷清掃干凈，就能避免受到反吹的不良影響，對(duì)燒結(jié)廢氣更好地除塵。這項(xiàng)移動(dòng)電極靜電除塵(MEEP)技術(shù)設(shè)備安裝在安賽樂(lè)米塔爾艾森許騰斯塔特廠(Eismhttcllstadt)的燒結(jié)機(jī)上，取代了原來(lái)的傳統(tǒng)電除塵設(shè)備。
吸附劑與布袋設(shè)備結(jié)合減排二英。為了消除燒結(jié)煙氣中二英的排放，歐盟有些鋼鐵企業(yè)向廢氣管道內(nèi)噴吹褐煤半焦粉末、環(huán)形爐焦粉或活性煤作為吸附劑。環(huán)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(jié)合起來(lái)使用。二英降低的效率與二英濃度、存在時(shí)間、粉塵在主煙道和濾袋中的分布有關(guān)。燒結(jié)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(dá)300mg/Nm3，單獨(dú)采用此方法或靜電沉積方法都達(dá)不到小于0.1ng/Nm3的水平，因此后續(xù)工序安裝布袋過(guò)濾器是必要的。
歐洲燒結(jié)廠使用的布袋除塵設(shè)備有不同的形式。例如，迪林根Rogesa燒結(jié)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(shè)備，其主要部分包括來(lái)自電除塵的廢氣管道、調(diào)節(jié)閥、吸收塔、布袋過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、帶給料裝置的消石灰筒、帶給料裝置的環(huán)形爐焦倉(cāng)等。Rogesa的2號(hào)燒結(jié)機(jī)有50萬(wàn)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(jìn)入2個(gè)反應(yīng)器，其中流化床添加消石灰、環(huán)形爐焦和回收料；厥樟鲜遣即^(guò)濾料的再生固體料。流化床后接2個(gè)布袋除塵管路。廢氣經(jīng)5600個(gè)布袋過(guò)濾，每個(gè)濾袋長(zhǎng)7米，采用EFA工藝，能夠達(dá)到所有的大氣排放指標(biāo)，二英排放濃度小于0.4ng/Nm3。消石灰消耗量為550g/t燒結(jié)礦，環(huán)形焦?fàn)t的消耗量為180g/t燒結(jié)礦，整個(gè)工藝的電耗為4.5kWh/t燒結(jié)礦。德國(guó)薩爾茨吉特鋼鐵公司2號(hào)燒結(jié)機(jī)和蒂森克虜伯歐洲分公司燒結(jié)廠安裝了此濾袋技術(shù)設(shè)備。
加熱分解去除有害物質(zhì)。LEEP(低排放和能量?jī)?yōu)化燒結(jié)工藝)的概念，是基于二英和呋喃在燒結(jié)機(jī)長(zhǎng)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(shí)，二英和呋喃的混合物就會(huì)發(fā)生分解。因此，將含有高濃度二英和呋喃的煙氣循環(huán)到燒結(jié)機(jī)料層上，煙氣加入到燒結(jié)前方的燃燒層上，使二英和呋喃分解成無(wú)害物質(zhì)。該工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是利用煙氣中的CO和廢氣的熱能。燒結(jié)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(diǎn)以下。
為了維持后續(xù)設(shè)備如靜電除塵和煙囪的正常工作，換熱器要精細(xì)控制，使排到煙囪的煙氣溫度達(dá)到110℃，循環(huán)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(yīng)噴入環(huán)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(jié)廠廢氣排放量下降45%，廢氣有害成分和粉塵排放減少，環(huán)境得到凈化，而且燒結(jié)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(qū)域有害氣體排放的主要污染源是高爐爐頂煤氣、出鐵場(chǎng)和熱風(fēng)爐。
爐頂煤氣凈化。高爐爐頂煤氣經(jīng)凈化后，通常用作鋼廠不同加熱設(shè)備的燃料，還要盡可能延長(zhǎng)煤氣除塵系統(tǒng)的使用壽命。爐頂煤氣凈化系統(tǒng)包括粉塵捕集、旋風(fēng)除塵和煤氣清洗設(shè)備。在粉塵捕集、旋風(fēng)除塵和文丘里清洗器上都會(huì)產(chǎn)生壓力損失。高頂壓操作的高爐，除塵設(shè)備容許的壓差也提高，爐頂煤氣除塵系統(tǒng)通常采用粉塵捕集器、旋風(fēng)除塵器和文氏洗滌器或環(huán)縫清洗器。煤氣洗滌后的壓力約為0.2MPa，比鋼廠煤氣系統(tǒng)的壓力高，這部分余壓可用于透平機(jī)發(fā)電，凈化后的爐頂煤氣含塵量小于10mg/Nm3。濕法除塵產(chǎn)生的廢水，經(jīng)沉淀池沉淀后再循環(huán)使用。
出鐵場(chǎng)多聯(lián)除塵系統(tǒng)。德國(guó)克虜伯曼內(nèi)斯曼(HKM)公司B高爐的現(xiàn)代化出鐵場(chǎng)設(shè)計(jì)包括多聯(lián)的除塵系統(tǒng)。粉塵主要排放點(diǎn)在鐵口、主溝、憋渣器、鐵水溝、渣溝以及鐵水和爐渣轉(zhuǎn)流點(diǎn)。這些除塵設(shè)施具有保護(hù)員工健康和周邊環(huán)境的功能。出鐵場(chǎng)的全部煙塵通過(guò)加溝蓋的方法抽盡，每小時(shí)處理的廢氣量達(dá)到100萬(wàn)立方米，粉塵通過(guò)電除塵或布袋收集。在標(biāo)準(zhǔn)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；。安賽樂(lè)米塔爾不萊梅鋼鐵廠采用在主溝、鐵水溝和擺動(dòng)溜嘴處加罩并通入氮?dú)獾姆椒，防止鐵水與大氣中的氧接觸，抑制鐵水氧化和產(chǎn)生煙塵。歐洲許多高爐將高爐渣直接；，其中德國(guó)高爐渣；蔬_(dá)到86%。典型的高爐渣；椒ㄊ菦_水渣。液態(tài)爐渣與水快速換熱后，爐渣變成細(xì)粉，同時(shí)產(chǎn)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(chǎn)中，使用1噸高爐渣可減少1噸CO2排放。
煉鐵新工藝研發(fā)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(guò)程的化學(xué)反應(yīng)。加入高爐的碳在后續(xù)工藝或煤氣發(fā)電中全部不可避免地產(chǎn)生CO2排放。就德國(guó)近60年來(lái)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(jī)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(shuō)，高爐操作者在優(yōu)化工藝成本上日復(fù)一日的工作，已經(jīng)使還原劑的消耗量達(dá)到了最小，更進(jìn)一步的大幅度降低特別是所謂的“巨大突破”是不可預(yù)期的。德國(guó)和西歐邊境國(guó)家的高爐技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為最佳可用技術(shù)，但是否能更進(jìn)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(jiǎn)稱RFCS)未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)是鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)、新鋼種、新的表面涂層技術(shù)、創(chuàng)新鋼鐵工藝、改善環(huán)境效率以及降低鋼鐵生產(chǎn)的CO2排放量。因?yàn)楦郀t是間接排放CO2的主體，因此要降低CO2的排放量，重點(diǎn)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(wú)氮及氧氣高爐工藝的研發(fā)。RFCS的一項(xiàng)大型跨國(guó)研究項(xiàng)目的目標(biāo)是研發(fā)無(wú)氮及氧氣高爐工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。該工藝將冷態(tài)氧氣噴入風(fēng)口代替熱風(fēng)，大部分爐頂煤氣通過(guò)一個(gè)CO2分離器進(jìn)行脫除，一部分富含CO的煤氣被加熱至1200℃循環(huán)噴入風(fēng)口，剩余部分被加熱到900℃并通過(guò)第2排風(fēng)口噴入到高爐爐身的下部。針對(duì)該工藝進(jìn)行的模型計(jì)算表明，噴煤比最高可達(dá)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(huì)給高爐帶來(lái)操作問(wèn)題，這必將為高爐操作帶來(lái)新的突破。
假設(shè)爐身下部含鐵爐料的預(yù)還原度達(dá)到95%，采用這種工藝，貝-波反應(yīng)所需的焦炭量將由傳統(tǒng)高爐的107kg/t減少到僅15kg/t。在瑞典鋼鐵公司（LKAB）試驗(yàn)高爐進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果顯示，還原劑(焦炭和噴煤)的消耗量降低了24%。目前，建設(shè)一套年產(chǎn)鐵水50萬(wàn)噸的爐頂煤氣循環(huán)小型生產(chǎn)性高爐的計(jì)劃還在討論中，在大型高爐上開發(fā)使用該技術(shù)，可能還需要15年~20年。此外須注意，在爐頂煤氣循環(huán)高爐工藝中，由于煤氣自循環(huán)使用，供工廠管網(wǎng)的煤氣量將下降80%，工廠煤氣平衡問(wèn)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(chǎn)液態(tài)鐵水，該兩步冶煉工藝使用一個(gè)旋風(fēng)爐將礦粉預(yù)還原并熔化，然后在鐵浴反應(yīng)爐中完成礦粉的終還原。煤的分解在工藝爐外的一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，熱解所需熱量由煤的熱解氣燃燒產(chǎn)生。該工藝也在純氧下操作，制氧所需的能量通過(guò)回收熔煉爐的煤氣余熱來(lái)提供？紤]到該工藝產(chǎn)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(shù)），預(yù)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(tuán)（現(xiàn)以被塔塔鋼鐵集團(tuán)并購(gòu)）在艾默伊登廠建設(shè)了一個(gè)設(shè)計(jì)能力為8t/h的HIsarna半工業(yè)試驗(yàn)工廠。
連鑄與軋制通過(guò)節(jié)能降耗和提高效率減排CO2
連鑄機(jī)快速澆鑄均溫，減少能源消耗。近期，中國(guó)臺(tái)灣的東和鋼鐵公司出于控制生產(chǎn)成本和CO2減排等環(huán)境指標(biāo)達(dá)標(biāo)的考慮，在新建的鋼廠采用了德國(guó)研發(fā)的INVEX技術(shù)（包括連鑄機(jī)和優(yōu)化軋制技術(shù)）。該連鑄機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速澆鑄角部呈大半徑圓弧的方坯，并且能夠保證對(duì)于規(guī)格小于200mm×200mm的方坯，任何鋼種都能獲得最佳的質(zhì)量。采用INVEX連鑄機(jī)是基于以下兩個(gè)主要原因：能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的高速澆鑄，這對(duì)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(duì)于傳統(tǒng)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(yīng)爐中均熱。
INVEX鑄機(jī)通過(guò)采用已被證明性能優(yōu)越的凸形(Convex)結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)了高速澆鑄。該結(jié)晶器在銅管、水套配置和所有澆鑄參數(shù)的控制方面都有創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。在INVEX結(jié)晶器中，冷卻水能夠最優(yōu)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(yán)重的不均勻冷卻問(wèn)題。
該鑄機(jī)能夠減少碳排放的另一個(gè)因素是采用了INVEX結(jié)晶器。除了能夠?qū)崿F(xiàn)高速澆鑄之外，INVEX還能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)澆鑄角部圓弧半徑更大的方坯(近似于“預(yù)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(duì)于傳統(tǒng)方坯，其表面溫度也更加均勻，更接近于圓坯。送往軋機(jī)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(dá)到理想的軋制溫度。
感應(yīng)加熱技術(shù)均熱鑄坯。軋機(jī)是針對(duì)連鑄坯的連續(xù)熱裝而設(shè)計(jì)的，熱鑄坯雖以適當(dāng)?shù)臏囟人蛠?lái)，但其表面溫度比軋制溫度低，而內(nèi)部溫度又較高，因此需要均熱。在傳統(tǒng)的鋼鐵廠，軋鋼車間是獨(dú)立存在的，鑄坯需要冷卻和儲(chǔ)存，當(dāng)軋制時(shí)，多數(shù)時(shí)候是從常溫加熱到軋制溫度再進(jìn)行軋制。INVEX設(shè)備實(shí)現(xiàn)了鑄機(jī)和軋機(jī)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(tǒng)軋機(jī)一樣對(duì)鑄坯進(jìn)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(diǎn)差異，表面溫度較低，而內(nèi)部溫度又高于軋制溫度。東和鋼鐵通過(guò)INVEX技術(shù)盡量減少了鑄坯內(nèi)部和表面的溫度差，因而只須稍微對(duì)鑄坯進(jìn)行均熱就能夠達(dá)到理想的軋制溫度。鑄坯的均熱過(guò)程包括兩方面：一是對(duì)表面的加熱；二是有足夠的時(shí)間使鑄坯內(nèi)部過(guò)高的溫度散失，從而達(dá)到合適的軋制溫度，均熱后的鑄坯內(nèi)外溫度差小于25℃。
感應(yīng)加熱技術(shù)很好地完成了鑄坯均熱的任務(wù)，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：第一，非常靈活，能夠根據(jù)鑄坯的拉速和溫度等條件迅速調(diào)整均熱系統(tǒng)；第二，應(yīng)需利用，感應(yīng)線圈根據(jù)需要隨時(shí)通電，而不需要預(yù)熱，而軋機(jī)速度也是應(yīng)需控制的；第三，方便操作和安裝，占地空間；第四，提升能源利用效率，只有軋制和對(duì)鑄坯進(jìn)行均熱時(shí)才使用能源，當(dāng)檢修或發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，能源供應(yīng)能夠隨時(shí)關(guān)閉；第五，無(wú)污染物排放。
粗軋和中軋機(jī)靈活更換軋輥，提高生產(chǎn)效率。粗軋和中軋機(jī)是HL無(wú)牌坊式的，其中第12號(hào)軋機(jī)是可更換的，以便將來(lái)實(shí)現(xiàn)縱切操作。無(wú)牌坊機(jī)座的優(yōu)點(diǎn)就是能夠靈活地更換軋輥。在粗軋和中軋機(jī)組后，安裝有切頭剪和事故剪。高速精軋機(jī)組是專門為線材設(shè)計(jì)的高效率機(jī)組，精軋速度達(dá)到45m/s~50m/s。由于這些獨(dú)立機(jī)座的軋機(jī)耐用，維護(hù)時(shí)間短，與傳統(tǒng)同等生產(chǎn)效率的縱向軋制機(jī)組相比能生產(chǎn)出更多產(chǎn)品。這座新工廠能夠生產(chǎn)棒材和鋼筋盤卷。棒材生產(chǎn)線裝有安全性能行業(yè)領(lǐng)先的HSD高速傳送系統(tǒng)，到冷床上的傳送速度可達(dá)到45m/s，精軋?jiān)O(shè)備后安裝帶有橫移系統(tǒng)的倍尺剪，因此鋼棒被交替送往兩個(gè)下料產(chǎn)線，分別進(jìn)入兩個(gè)HSD輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)凹槽中。在輪轂前設(shè)有夾送輥系統(tǒng)，通過(guò)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(shù)的另一大優(yōu)點(diǎn)，就是冷床上的每一個(gè)凹槽只有一根鋼棒。冷床由電動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制，具有一個(gè)齒條式步進(jìn)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(yùn)至冷剪處，根據(jù)所需，裁剪為6米~22米長(zhǎng)的棒材。
德國(guó)設(shè)計(jì)開發(fā)的這種連鑄和連軋系統(tǒng)，通過(guò)感應(yīng)加熱爐，把鑄機(jī)和軋機(jī)直接相連，最大限度地利用鑄坯的余熱，通過(guò)資源的最大化利用減少有害氣體的排放，同時(shí)可以減少?gòu)U棄物排放，取得良好的環(huán)保效益。據(jù)測(cè)算，平均每年可減少CO2排放72000m3，減少SO2排放410t，減少NOx產(chǎn)物排放225t。
新聞連接
歐盟一些鋼鐵企業(yè)的CO2減排和廢氣污染治理工作得到了多方的認(rèn)可。其中，德國(guó)鋼鐵工業(yè)噸鋼材（熱軋卷、無(wú)縫管和鍛造件）CO2減排幅度超過(guò)20%。我們認(rèn)為，歐盟能夠取得這樣的成果，在技術(shù)方面有三個(gè)亮點(diǎn)：第一，注重全流程的減排工藝。減排并不是單獨(dú)某一個(gè)工序的工作，而要從各個(gè)工序入手。歐洲的減排工藝從燒結(jié)到高爐，再到煉鋼、連鑄、連軋，各個(gè)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(chuàng)新。以高爐煉鐵新工藝為例，他們開展無(wú)氮及氧氣高爐工藝的研發(fā)和熔融還原法的實(shí)踐。第三，通過(guò)簡(jiǎn)化工藝流程節(jié)約能源，進(jìn)而減排CO2。最突出的例子就是采用感應(yīng)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(guò)程，從能源角度自然減少了碳排放。
相比之下，當(dāng)前我國(guó)鋼鐵企業(yè)在廢氣排放治理方面還面臨著市場(chǎng)、布局、設(shè)備、工藝、觀念等各方面的困難和不足，起步也相對(duì)較晚，但是應(yīng)該看到經(jīng)歷多重考驗(yàn)的中國(guó)鋼鐵工業(yè)正在向著實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、與社會(huì)和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)。歐盟鋼鐵工業(yè)CO2和有害氣體減排技術(shù)為國(guó)內(nèi)企業(yè)提供了借鑒，也為我們樹立起應(yīng)該趕超的目標(biāo)。
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