中国钢铁行业超低排放之路

邢 奕，张文伯，苏 伟✉，温 维，赵秀娟，于敬校

1) 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083 2) 河北工业职业技术学院材料工程系，河北 050091 3) 河钢邯钢环保能源部，河北 056000

钢铁行业是我国国民经济的支柱型产业，其关联产业范围广，在国民经济发展中具有举足轻重的地位.我国也是世界上最大的钢铁生产国，2018年粗钢产量9.28亿吨，占世界粗钢总产量的51.3%.钢铁行业生产90%以上为长工艺流程，包括焦化、烧结（球团）、炼铁、炼钢等工艺在内，产污环节多，污染物排放量大.尽管近年来，钢铁行业已经开始进行改革，各企业实施了一系列的节能减排改造项目，但其排放总量仍然居高不下.2017年我国钢铁行业SO2、NOx以及粉尘的排放总量为106万吨、172万吨以及281万吨，分别占全国主要污染物排放总量的7%、10%和20%左右[1].随着大气污染治理力度不断加强，特别是火电行业实施超低排放以来，钢铁行业主要污染物排放量已超过电力行业，成为工业污染中最大的污染物排放来源.

“十三五”以来，从中央到地方出台了一系列有力举措，推动钢铁行业全流程超低排放.生态环境部2018年5月发布的《钢铁行业超低排放改造工作方案（征求意见稿）》，要求新建（含搬迁）钢铁项目要全部达到超低排放水平；其排放限值远低于2012年环保部发布的《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》等特别排放限值标准[2].2019年4月生态环境部等五部委日前联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，到2020年底前，重点区域钢铁企业超低排放改造取得明显进展，力争60%左右的钢铁产能企业完成超低排放改造；到2025年底前，重点区域钢铁企业基本完成环保改造，力争80%以上比例的钢铁产能企业达到超低排放要求.超低排放是钢铁行业打赢污染防治攻坚战的关键，钢铁行业超低排放的实施将会显著改善空气质量.

1 实施钢铁行业超低排放的必要性

随着我国供给侧改革的推进，我国钢铁行业战略重点将由减少产能转向产业结构优化升级，为满足日益严格的环境污染物排放标准要求，打赢污染防治攻坚战，钢铁行业超低排放的实施尤为重要.

党的十九大以来，我国钢铁产业从数量时期向高质量时期迈进，我国钢铁产能严重过剩问题得到明显的缓解，但由于钢铁行业总产量巨大，行业总排放量依然居高不下，环保不过关的产能仍然为数不少.部分钢铁企业环境保护理念导向存在偏差，企业环保管理存在严重缺陷，进行低质低价治理技术设施改造，这部分企业环保投入和运行成本不到先进钢铁企业的一半，不利于建设公平竞争的市场环境，“劣币驱逐良币”问题将对整个行业高质量发展带来不利影响.超低排放限制的实施可以进一步营造公平竞争环境，有利于我国钢铁行业的整体进步[3].

我国钢铁行业以长流程为主，但部分长流程工艺结构不够完备，独立焦化数量较多，我国拥有的独立焦化的焦炉数量占比接近80%[4]，另外，独立轧钢企业也达到了数百家，这些独立焦化和轧钢企业不利于整个钢铁行业的发展以及产能整合.通过全面实施超低排放，将会倒逼钢铁行业强化绿色发展，通过营造市场化环保调节机制，倒逼钢铁行业资源结构、产业结构、运输结构、区域布局结构等向更高质量的方向调整.

2 难点

2.1 全流程超低排放技术有待升级

钢铁行业涉及多个工序的组合，但缺乏成熟的技术路线，这样会带来许多新的挑战.以烧结为例，烧结烟气脱硫主要以湿法和半干法为主，虽然这些技术经过长时间证明在烧结脱硫污染物减排中有不错的效果，但在其他工序（如焦炉烟气）的减排中由于工况条件的不同，并不能稳定达到超低排放要求.而现在行业中效果最好的脱硝技术SCR（选择性催化还原）技术，虽然可以达到超低排放要求，但该技术产生的问题，如氨逃逸的控制问题也将是未来环保领域面临的难题.另外，大部分企业现有的环保设备在升级改造过程中，部分环保设备由于无法通过升级改造达标，甚至面临着环保设备的淘汰，这也大大增加了企业的环保成本，从另一个角度限制了超低排放的实施[5].

2.2 无组织排放难以管控

无组织排放管控在钢铁行业超低排放中占有很高的比重，无组织排放污染物具有数量大，分布广等特点，且不具有连续性，与有组织排放相比，更难被发现及治理.典型的无组织排放节点包括料场扬尘、冶炼车间扬尘、物料车辆运输扬尘、物料装卸扬尘等，以年产量500万吨的钢铁企业为例，一年的粉尘无组织排放量约为5000 t[6]，远远大于有组织排放的粉尘排放量，同时，与旧的标准相比，超低排放标准对无组织排放管控有了新的定义，对于新建企业来说，可以根据超低排放要求对相应无组织排放点位进行同步配套，而大部分钢铁企业为旧厂的环保改造工程，在正常生产的情况下进行技术改造的难度较大.

2.3 清洁运输环节基础薄弱

随着钢铁行业超低排放的不断深入，在有组织排放、无组织排放等方面实施效果十分显著，但在清洁运输方面，我国钢铁行业仍存在许多不足之处.据统计，2019年钢铁行业外部运输中，公路运输占比50%以上[7].根据超低排放要求，钢铁企业清洁运输比例不低于80%，而就实际情况来看，由于部分物料属于短途运输，建设时并未规划铁路运输，因此，多数企业清洁运输比例甚至达不到50%.另外，从新能源汽车使用的角度来看，新能源汽车载重较低，续航里程较短，充电时间长，在很大程度上难以满足企业的外部运输要求，所以钢铁行业在清洁运输方面还面临很大的挑战[8].

3 钢铁行业超低排放路线

钢铁行业中污染物排放主要集中在烧结烟气、焦炉烟气等，此类烟气具有烟气量大，污染物复杂，常规污染物含量较高等特点，传统技术中处理此类烟气的主要技术包括“半干法耦合SCR协同脱硫脱硝技术”、“活性炭（焦）多污染物协同处理技术”、“氧化吸收同时脱硫脱硝技术”等，这些技术经过较长时间的理论与实际考验，具有成熟的工艺，但随着技术的不断更新，与环保指标的不断加严，在传统技术的基础上派生出一些新的超低排放技术，如“基于镁法的多污染物协同去除技术”、“烟气多污染物集并吸附脱除技术”、“多污染物中低温协同催化净化技术”以及“烧结烟气循环技术”.

3.1 基于镁法的多污染物协同去除与副产物资源化技术

基于镁法的多污染物协同去除技术实际上是氧化吸收同时脱硫脱硝技术的一种，氧化吸收同时脱硫脱硝技术，就是先将烟气中难溶于水的NO氧化为易溶于水的高价氮氧化物，在经过强碱对SO2及NOx同步吸收脱除，达到同时脱硫脱硝的目的.

臭氧氧化协同脱硫脱硝技术基本原理是：首先通过臭氧发生器制备O3作为强氧化剂，然后将其喷入脱硫塔前段烟道，利用其强氧化性将NO氧化为高价的NOx，最后NOx与SO2在脱硫塔内被吸收转化为硫酸盐和硝酸盐[9].该技术特点为：O3与NO的反应迅速，瞬间就能将NO氧化成NO2；O3与烟气的均匀混合可以提高NO脱除率；脱硫塔温度升高会导致NO脱除率的降低；脱硫效率高且不会产生二次污染[10]；副产物主要由CaSO4、CaSO3、Ca(NO3)2和Ca(NO2)2组成，可作水泥企业生产原料使用，具有一定经济效益[11].

3.1.1 基于镁法的多污染物协同去除技术

“基于镁法的多污染物协同去除技术”作为一种“湿式氧化吸收同时脱硫脱硝技术”，其优势在于可以通过臭氧氧化对二氧化硫和一氧化碳进行同时脱除，其中脱硫脱硝副产物还可进行资源化利用，在环保的同时还能产生经济效益，可谓是一举两得.该技术的主要工艺流程为烟气进入系统后首先与臭氧发生器产生的臭氧充分混合，对一氧化氮进行充分氧化后进入吸收塔与镁基脱硫剂混合进行同时脱硫脱硝.其技术流程包括：制浆、臭氧制备、氧化和吸收几部分.

针对该技术，北京科技大学联合几家单位对该技术进行了 1000 m3·h−1烟气量的中试[12]，中试平台采用“引风机抽取空气源作为载流气体并与通过MFC（质量流量计）配比后的NO/SO2进行混合→电加热→O3氧化→脱硫吸收塔→涡流除湿除尘→排气筒”的工艺流程，如图1所示.

经过中试实验验证，该技术在稳定状态下脱硫效率接近100%，脱硝效率也能达到90%以上，并且此技术在脱硫及脱硝方面互不干扰，运行稳定，可以满足超低排放要求.

3.1.2 副产物资源化利用

“基于镁法的多污染物协同去除技术”的另一大优势在于脱硫副产物的资源化利用方面，该技术的脱硫副产物为硫酸镁溶液，脱硫副产物经过过滤及去除杂质后溶液中所含硫酸镁的体积分数约为12%，因此，分离硫酸镁溶液中的硫酸镁产品成为副产物资源化利用的关键.

图1 1000 m3·h−1 烟气量中试平台工艺流程图Fig.1 Process flow chart of a 1000 m3·h−1 smoke volume pilot test platform

在硫酸镁溶液的分离过程中，主要的工艺为蒸发结晶.硫酸镁溶液的蒸发结晶工艺流程如图2所示，硫酸镁溶液经预热器预热后进入蒸发器进行蒸发浓缩，浓缩至饱和溶液.硫酸镁饱和溶液由料浆泵输送至结晶器，在结晶器内降温结晶形成七水硫酸镁晶体.结晶溶液经离心分离后，母液返回蒸发器继续蒸发浓缩，分离出的结晶体送入干燥器，经干燥脱水制备得到七水硫酸镁产品.蒸发结晶所得到的七水硫酸镁可以应用于建材行业，形成副产物的资源化利用.

图2 蒸发结晶工艺流程图Fig.2 Evaporative crystallization process flow chart

3.2 烟气多污染物集并吸附脱除技术

“烟气多污染物集并吸附脱除技术”是一种在“活性炭（焦）吸附多污染物协同处理技术”下衍生出的一种新型多污染物协同处理技术，传统的活性炭（焦）吸附技术是公认最适用于钢铁烧结烟气多污染物的协同处理技术.其技术原理在于利用活性炭（焦）的吸附、催化性质，吸附烟气中的SO2、NOx、HF、重金属和二噁英等污染物，随后在活性炭（焦）中通入NH3作为还原剂，使有害物质转化为无害物质，最终实现多污染物的协同去除[13].

传统的活性炭（焦）吸附技术从烟气及活性炭运动方向可分为交叉流与逆流两种.在国内太钢和日钢较早应用交叉流工艺[14−15]，而河钢邯钢最先将逆流式活性炭选择性催化还原工艺（CSCR）应用于烧结烟气处理[16].在交叉流工艺中，活性炭与烟气做垂直运动，这使得吸附塔烟气入口污染物浓度高，因此活性炭吸附后饱和程度较高.而在烟气出口一侧污染物经处理后浓度下降，活性炭吸附后饱和程度较低.由于塔内污染物浓度分布不均匀，活性炭的吸附能力没有得到完全发挥.而在逆流式工艺中活性炭由上而下、烟气由下而上做相向运动，两者可以实现均匀接触，活性炭饱和程度一致，因此逆流式工艺具有更好的动力学优势[17].但是，活性炭（焦）吸附工艺虽然实现了多污染物协同净化，却普遍存在占地面积大、投资成本高、设备腐蚀、活性炭循环使用后吸附率降低、再生能耗高等问题.

而“烟气多污染物集并吸附脱除技术”改变了原有活性炭吸附技术的炭基材料，选择了价格相对低廉的γ-Al2O3作为吸附剂，改性后的γ-Al2O3具有选择吸附性，可以有效地吸附烟气中的二氧化硫，另外系统保留了原来的活性炭对氮氧化物的吸附，而后吸附饱和的吸附材料还可以对二氧化硫和氮氧化物进行脱附，以此来回收烟气中的两种有害物质，这种技术不仅实现了技术的革新，降低了运行成本，同时也在污染物回收利用方面取得了成绩，可以说是在达到环保要求的同时产生了二次经济效益.

3.3 多污染物中低温协同催化净化技术

现阶段，半干法脱硫耦合SCR协同技术主要包括“SDA半干法脱硫耦合SCR脱硝技术”、“密相干塔脱硫耦合SCR脱硝一体化技术”.“SDA半干法脱硫耦合SCR脱硝技术”工艺中主要包括引风机、脱硫塔、喷氨装置和除尘脱销一体化系统.该技术应用Na2O3作为脱硫剂，通过旋转喷雾干燥塔（SDA）对烟气进行脱硫，脱硫烟气通过袋式除尘器除尘后，在经短暂升温后进行NH3-SCR脱硝，净化烟气由烟道口排出[18].

世界上首例焦炉废气脱硫脱硝工程的实际应用为宝钢湛江钢铁炼铁厂的“旋转喷雾半干法脱硫+低温选择性催化还原法(NH3-SCR)脱硝除尘”技术.它的工艺脱硫效率达80%以上，低温脱硝效率也在80%以上，SDA法在脱硫的同时还能吸附烟道中的黏性物质，使得后续的除尘步骤更稳定地运行，提前脱硫也可预防脱销过程中硫酸铵的生成，而且布袋除尘器与脱硝反应器整合使得反应表面布气更加均匀，同时经除尘后的烟气在SCR反应过程中也能减少对催化剂的磨损.但是由于本工艺中各反应步骤都对烟气温度有严格要求，存在多次降温升温的过程，对能源的利用效率低，增加外部成本[19].

“多污染物中低温协同催化净化技术”（图3）也是“半干法脱硫耦合SCR脱硝一体化技术”的一种，同时也是“密相干塔脱硫耦合SCR脱硝一体化技术”与现场实际相结合派生出的一种同时脱硫脱硝技术，它的主要工艺设备包括热风炉、脱硝塔、余热锅炉、脱硫塔、引风机等，其工艺流程为：焦炉烟气经过热风炉加热后进入SCR脱硝工艺，之后通过余热锅炉进行余热回收，余热回收过程中产生的高压蒸汽进入蒸汽管网进行利用，回收余热后的烟气进入密相干塔，在塔内经链式搅拌器与脱硫剂充分混合实现脱硫.带有颗粒物的烟气从塔下部出口排出，进入除尘器进行气固分离，净化后的烟气通过烟囱排出.除尘器底部颗粒再次进入密相干塔继续参加反应，而少量反应后的脱硫剂排入废料仓.通过SCR脱硝工艺与半干法脱硫相结合，可以实现烟气超低排放.该工艺优点在于反应速度快，脱硫效率高，缩短系统流程，实现气固两相流完全“同向”、“逆向”整合，大幅降低投资，减少占地面积，使设备布置更加灵活紧凑、物料循环更加合理.

图3 多污染物中低温协同催化净化技术工艺流程图Fig.3 Process flow chart of multi-pollutant medium- and low-temperature cooperative catalytic purification technologies

该技术首先利用在河钢邯钢焦化厂1#、2#焦炉烟气处理项目上，该项目是全国首套焦炉烟气密相干塔脱硫耦合SCR脱硝工程，其中热风炉燃料采用焦炉煤气与高炉煤气相结合的供热模式，烟气余热回收产生的高压蒸汽可以输送到蒸汽使用节点进行利用，另外，脱硫出口烟气中SO2质量浓度小于 30 mg·m−3，粉尘质量浓度小于 10 mg·m−3，NOx质量浓度小于 100 mg·m−3，能够达到设计要求的同时也达到了超低排放要求，尤其是氮氧化物浓度远低于超低排放要求，这也为焦炉烟气脱硫脱硝开辟了一条新的技术路线.

3.4 烧结烟气循环技术

烧结烟气循环技术是20世纪80年代初由日本公司住友工业公司首先进行工业试验并于1983年顺利投产应用的一项节能减排技术，该工艺技术的典型工艺过程是将烧结机后端烟气重新引入烧结机混风系统，这样不仅能够进行能源的回收利用，还能降低烟气中污染物的排放量.在世界上，烧结烟气循环技术[20]主要包括荷兰艾默伊登的EOS[21]（Emission optimized sintering）技术，德国 HKM 公司开发的 LEEP[22]（Low emission and energy optimized sinter process）工艺以及中科院过程所研发的基于烟气参与模拟发展的烧结烟气循环技术−烧结烟气选择性循环节能减排技术[23]等.

随着烧结烟气循环技术的不断发展，逐渐形成了两种主流循环模式，分别是烧结烟气外循环模式（图4）和烧结烟气内循环模式（图5）[22,24].两种烟气循环模式主要的区别在于取风的点位有所不同，外循环模式循环风取自主引风机后，而内循环模式循环风取自烧结机风箱，现在世界大多数烧结烟气循环技术都属于内循环模式，主要原因是内循环模式跟外循环模式相比有更好的可操作性，在风箱处取风可以根据不同工况条件对取风风箱位置进行调整，并结合现场工程实际对烧结烟气循环进行最优化，以获得最大的能源回收率和污染物去除效果.

图4 烧结烟气外循环模式Fig.4 Sintering flue gas external circulation mode

图5 烧结烟气内循环模式Fig.5 Sintering flue gas internal circulation mode

烧结烟气选择性循环节能减排技术（图6）[23,25−26]是中科院过程所经过八年努力研发出的一种能够同现场烧结工况高度融合的一种烧结烟气循环技术，该技术利用烟气模拟仿真对不同风箱的温度反馈数据进行整合，最终可以给出最佳的烧结烟气内循环方案.2018 年，国内某钢厂 360 m2（烧结机台车可装烧结原料面积）烧结机正式应用此技术，项目自投产运行以来每吨烧结矿的烟气量下降21.5%，每吨烧结矿燃料消耗降低10.8%，烟气循环率提升至25%～30%，取得了骄人的环境和经济效益.

4 推进超低排放的建议

4.1 优化全流程多污染物协同控制技术研究

钢铁行业现行的污染物减排技术，大部分还是以烧结（球团）及焦炉烟气处理为主，其他工序的超低排放技术还不够成熟，并且现行的工艺技术存在单一工序针对性较强，没有成熟的全流程控制技术的问题.针对这一问题，应优化现有工艺技术，如增加SCR脱硝效率的同时降低氨逃逸对污染物排放的影响，并将现有工艺技术路线进行科学合理的融合，形成切实可行的全流程多污染物协同控制技术路线.另外，在专注于常规污染物减排的同时，也应该加强对非常规污染物的关注程度，这样才能更好地推动钢铁行业超低排放的落实，实现全流程多污染物协同控制治理的最终目标.

4.2 调整优化钢铁产业结构推动绿色发展

我国钢铁行业大多以长流程为主，产污环节多，产污量大，而在高产能的背后又伴随着产品附加值相对较低等问题.我国钢铁行业应有序化解产能过剩问题，将低产能、技术条件差的小型钢铁企业进行产能合并，集中解决污染物排放问题，这样可以大大减少同等产能条件下的环保投入.另外，各企业应就自身优势对产业结构进行调整，如进行部分短流程改造来消化废钢，加强产品品质，生产特种钢等，以此来推动钢铁行业的绿色快速稳定发展.

图6 烧结烟气选择性循环节能减排技术工艺流程Fig.6 Sintered flue gas selective cycle energy saving and emission reduction technology process flow

4.3 实行企业的差异化管理与奖惩制度

面对钢铁行业超低排放政策，不同的企业采取不同的态度，已经达到钢铁行业超低排放要求的企业，其不管从环保成本还是管理成本上都远高于未达标的企业.在这样一个背景下，如果仍然简单地遵循相同的环保标准，实行“一刀切”的政策，必然会影响企业对环保治理的积极性，影响推进钢铁行业超低排放的进程[27].因此，在不同环保等级企业中实施差异化的环保政策，建立好的奖惩制度，既可以让达到超低排放的企业得到应有的生存空间，又能督促未达到超低排放的企业，进行环保产业升级改造，推进整个钢铁行业的绿色产业升级，使超低排放得以快速实现.

4.4 加强地方的引导

在钢铁行业超低排放的进程中，地方环保部门扮演着十分重要的角色，地方环保部门应将当地实际情况与国家政策相结合，主动帮助本地企业寻找合适的能够符合超低排放要求的技术，因地制宜，因时制宜，制定适合本地钢铁企业的超低排放改造计划，并加强对企业的监督作用，营造良好的环保升级氛围，促进超低排放的切实推进[28].

5 总结与展望

在现阶段，虽然我国钢铁行业超低排放在各方面取得了不错的成绩，但我国钢铁行业环保工作主要集中在末端治理上，这样不仅耗资巨大，也存在副产物难以处理等问题，再加之国家对污染物排放指标的不断加严，一些传统工艺已经难以满足环保要求.在烟气治理方面，我国钢铁行业已经取得了不错的成果，诸如“半干法耦合SCR协同脱硫脱硝技术”、“活性炭（焦）多污染物协同处理技术”等技术经过时间的考验已具有一定规模；而新兴的诸如“基于镁法的多污染物协同去除技术”、“烟气多污染物集并吸附脱除技术”、“多污染物中低温协同催化净化技术”以及“烧结烟气循环技术”等基于传统技术与现场实际相结合的新兴技术也不断问世，钢铁行业超低排放势在必行，这些技术是否能长期稳定达到超低排放要求，还是需要岁月的考证的.

综上所述，当前我国钢铁行业为保证超低排放的进一步实施，深化超低排放改革，在加强过程减排与末端治理的基础上，源头减排的理念与技术创新也应该齐头并进，源头减排能够从钢铁行业全流程的源头对污染物的产生进行控制、消除，是一种从根本上降低污染物生成的污染治理手段，常见的源头减排技术包括“焦炉低氮燃烧技术[29]”、“厚料层烧结技术[30]”、“高炉炉料结构优化[31]”等，发展和应用源头减排技术，一方面可以降低过程控制与末端治理的难度与压力，另一方面，随着源头减排技术的不断成熟，过程控制和末端治理可能会被源头减排技术完全替代，这样可以大大降低我国的环保投入，使我国钢铁行业真正走上可持续发展之路.