刍议钢铁冶炼节能环保技术发展方向

2024-04-05程悦

中国设备工程 2024年4期

程悦

（上海宝钢节能环保技术有限公司，上海 201900）

钢铁冶炼作为重要的基础产业，一直是能源消耗和环境污染的主要源头。随着全球对可持续发展的日益关注，钢铁冶炼行业也面临着节能减排和环境保护的重要任务。为此，钢铁冶炼节能环保技术的发展成为迫切的需求。

1 钢铁冶炼技术现状

自20 世纪50 年代开始，我国开始着手建设自己的钢铁工业，并在过去几十年里取得了令人瞩目的成就。以往中国主要依靠引进外国技术和设备进行冶炼，但随着时间的推移，我国已经逐渐积累了自己的经验和知识，开始独立开发和创新。当前，中国的钢铁工业已进入了一个高度现代化和自动化的阶段，采用了先进的设备和工艺，从而实现了生产过程的高效率和高质量。现代化的钢铁冶炼工厂普遍采用了先进的炼钢炉、连铸机、轧机等设备，使得钢铁生产过程更加精细化和自动化。在技术方面，中国的钢铁冶炼技术不断创新和改进。一方面，中国在高炉冶炼技术方面取得了显著进展。引进和自主研发的先进高炉技术，如湿法脱硫、炉渣处理等，大大提高了冶炼效率和钢铁质量。另一方面，中国还致力于发展绿色和环保的冶炼技术。虽然在技术创新方面取得了一定进展，但一些钢铁企业仍然存在高能耗、高排放的问题，需要进一步加强环保设施建设，推动清洁生产，减少污染物排放，提高资源利用率，保护生态环境。

2 钢铁冶炼行业节能环保技术现状

2.1 钢铁冶炼节能环保技术在摸索中前进

我国钢铁冶炼行业一直在致力于节能环保技术的研发和应用，以减少能源消耗和环境污染。在能源利用方面，冶炼企业引入高效的燃烧技术和余热回收利用系统，以达到最大限度地提高能源利用效率的目的，某些企业还在探索利用废弃物和生物质能源作为替代能源的可行性。对于原料利用率的提高，钢铁冶炼企业也在不断改进工艺和技术，通过优化矿石熔炼过程，减少原料损失，并采取废弃物回收利用措施，降低对自然资源的需求。并大力研究新型原料的应用，如废钢的高含量利用和替代原料的使用。在环境污染减少方面，冶炼企业通过安装和更新高效的气体净化设备、建设废水处理系统，并对固体废弃物进行分类和处理，以降低对环境的负面影响。此外，一些企业还积极推行清洁生产，减少生产过程中的污染物产生，提高生产效率的同时降低环境影响。同时，冶炼企业也加强了环境监测和数据报告的力度，确保排放符合国家和地方的环保标准。

2.2 节能环保技术较发达国家较为落后

与发达国家相比，我国的钢铁冶炼行业在节能环保技术方面可能相对落后。虽然中国政府在近年来加大了对环保领域的支持和监管力度，推动了一系列环保政策和标准的实施，但一些企业仍未能全面采纳和应用先进的节能环保技术。一个主要原因是企业面临的经济发展压力和市场竞争导致它们更加关注生产效益，而忽视了环境问题的重要性。发达国家在节能环保技术方面取得的显著成果也与其注重科技创新和研发密不可分。他们投入大量资源用于研发高效冶炼炉型，这些炉型能够最大程度地利用燃料和能源，减少能源的浪费和排放。此外，先进的废气净化技术使得钢铁冶炼过程中产生的有害气体得以有效去除，减少对大气环境的污染。还有循环利用废水和废渣的技术，能够最大限度地减少废弃物的产生和对水资源的消耗，实现资源的可持续利用。相对而言，中国的钢铁冶炼企业在这些方面相对滞后。虽然国内也有一些企业在进行技术创新和环境保护方面的探索，但整体上仍需要加大力度。政府和企业应该加强合作，鼓励技术创新和绿色发展，提高企业的环境意识和责任感。

3 钢铁冶炼中主要的节能技术

3.1 转炉负能炼钢

转炉负能炼钢技术是采用废钢作为负能源来替代传统的生铁冶炼过程，以降低能源消耗和减少CO2排放。在负能炼钢过程中，废钢经过预处理后进入转炉，与氧气进行氧化反应。通过控制氧气供应和废钢的投入比例，可以实现炉内温度的控制和金属元素的还原。负能炼钢过程中，氧气燃烧产生的高温燃烧气体能够提供转炉所需的热量，减少了对传统高能耗的生铁冶炼过程的依赖。此外，负能炼钢技术还能有效地回收和利用废钢中所含的金属元素，减少资源消耗。通过调节转炉的氧气喷吹速度、废钢投入速度和反应时间等参数，可以实现合理的冶炼过程控制，提高炉温和炉内金属元素的还原效率。同时，还可以通过废气处理设备，对产生的炉渣和燃烧气体进行净化处理，降低对环境的污染。

3.2 蓄热式轧钢加热炉技术

传统的轧钢加热炉通常使用燃煤或燃气进行钢坯的加热，但这种方式存在能量浪费的问题。在蓄热式轧钢加热炉中，加热炉内设置了高温蓄热室，内部填充有蓄热材料，如高温陶瓷球。在加热过程中，炉内燃烧产生的高温烟气经过热交换器与蓄热材料进行热交换，将烟气中的热能转移到蓄热材料中，使其升温。随后，当需要加热钢坯时，将钢坯送入蓄热室，蓄热材料释放出之前吸收的热能，将其传递给钢坯，以达到所需的加热温度。蓄热式轧钢加热炉技术的优势在于能够实现热能的回收和利用，减少能源的浪费。通过蓄热材料的吸热和释热过程，有效地提高了能源利用效率，该技术还能降低钢坯加热过程中的CO2排放量，对我国的环境保护工作具有积极的意义。

3.3 煤调湿技术

在高炉冶炼过程中，煤粉作为常用燃料之一，传统煤粉燃烧存在飞散损失的问题，导致能源浪费。煤调湿技术通过煤粉与水混合，并控制煤粉湿度，以实现煤粉的稳定供给。在煤粉与水混合的过程中，水的存在能有效降低煤粉的粉尘飞散，从而减少燃烧过程中的能量损失。通过湿度调控，煤调湿技术能够提高燃烧效率，减少燃料消耗，从而达到钢铁冶炼过程中的节能目标。该技术可通过调整混合比例、湿度控制参数等实现，确保煤粉的稳定供应，进一步提升冶炼过程的稳定性和可控性。同时，煤调湿技术还能降低煤粉的爆燃风险，改善冶炼的安全性。

3.4 余热技术

钢铁冶炼过程中，废气和废渣的大量热能散失。余热技术利用热交换和蒸汽发生装置，将这些废热转化为可利用的能源。通过热交换器，将炉顶废气中的热能传递给冷却的煤气或水蒸汽，实现能量的回收和利用。该技术不仅能降低钢铁冶炼过程的能源消耗，还能减少对外部能源的依赖。这种高效能源回收的方法对于提高冶炼过程的能源利用效率至关重要，同时也有助于减少环境污染和碳排放。

3.5 干熄焦技术

传统的炼焦过程中，焦炉煤经过湿熄焦处理，导致大量水蒸气和热量的消耗。干熄焦技术通过改进炼焦炉的煤气发生装置和炉内热回收装置，实现炼焦煤用量和能耗的减少。在干熄焦过程中，焦炉煤在高温下直接进行燃烧和热解，避免了与水接触。这种方式能够降低煤气和炉内热量的损失，从而提高炼焦过程的能源利用效率。干熄焦技术的应用不仅能够节约能源，还减少了对水资源的需求，为炼焦行业实现可持续发展提供了技术支持。通过采用干熄焦技术，钢铁行业能够在减少能源消耗的同时，降低对环境的影响，实现更加清洁和高效的生产过程。

3.6 新焦制造技术

新焦制造技术主要包括高炉煤气焦化、炼焦炉废气焦化和热解炉焦化等。这些技术通过优化煤气和废气的回收利用，减少焦炉煤气和炼焦炉废气中的有害物质排放，并提高焦炭产量和能源利用效率。高炉煤气焦化技术将高炉煤气经过净化和脱硫处理后，通入焦化炉进行焦炭的制造。炼焦炉废气焦化技术则利用炼焦炉废气中的热量和有机物质，通过高温裂解和气化过程制造焦炭。热解炉焦化技术则利用热解炉中产生的煤气进行焦炭的制造。这些新焦制造技术不仅提高了焦炭的产量和质量，还减少了对传统炼焦煤的依赖，实现了钢铁冶炼过程的节能环保目标。

4 钢铁冶炼节能环保技术发展方向

4.1 发展低碳高炉炼钢技术

为了实现可持续发展，钢铁行业在低碳高炉炼钢技术方面需要加大研发和应用的力度。主要包括优化炉料结构、提高高炉煤气利用效率、推广废渣资源化利用以及增强高炉脱硫除尘技术。通过减少高炉炉料中的焦炭含量，采用高品质生铁和粉煤热解气等新型炉料，可以降低炉内碳含量，减少二氧化碳排放。此外，引入精细分类配料系统，实现炉料的精准配比，提高炉内冶炼效率，减少能源消耗。传统高炉炼钢过程中，大量的煤气未能得到充分利用，直接排放造成能源浪费。因此，发展高炉煤气的综合利用技术尤为重要。通过煤气净化、脱硫脱氮等技术手段，将煤气中的有价值组分分离出来，用于发电、制热或化工等领域，实现能源的多元利用。在高炉冶炼过程中，会产生大量的废渣，如高炉炉渣和炼钢渣等。这些废渣中含有丰富的铁、钢和其他有价值的元素，可以通过磁选、浮选等技术进行回收和利用。同时，废渣还可以作为建材原料或道路基础材料，降低对自然资源的依赖，实现资源的循环利用。

4.2 利用冶金废气制造化工产品

冶金废气中含有丰富的有机化合物和金属元素，开发利用冶金废气制造化工产品是钢铁冶炼节能环保的重要方向之一。通过采用适当的废气净化和转化技术，可以将废气中的有机化合物转变为高附加值的化工产品，如润滑油和有机溶剂等。与此同时，废气中的金属元素也可以进行回收利用，从而减少对原始矿石的需求。在废气净化方面，常见的技术包括吸附、吸收和催化氧化等。通过利用吸附剂，如活性炭或分子筛，可以有效地去除废气中的有机化合物。而吸收技术则采用溶剂来吸收废气中的有机物，常见的溶剂包括水和有机溶剂。此外，催化氧化技术利用催化剂将有机化合物氧化为无害的产物。这些废气净化技术的应用能够有效降低有机化合物的排放浓度，减少对环境的污染。对于金属元素的回收利用，常见的方法包括焙烧、气相萃取和溶浸等。通过对废气进行焙烧处理，金属元素可以被固定在焙烧残渣中，随后进行资源化利用。气相萃取技术则利用吸附剂或溶剂将金属元素从废气中分离出来，实现回收。溶浸方法通过将废气经过酸洗或浸泡，使金属元素与溶液反应形成金属盐，然后通过后续工艺进行提取和利用。

4.3 非焦煤制气+气基竖炉直接还原

非焦煤制气+气基竖炉直接还原是一种结合了两种技术的钢铁冶炼方法，它使用非焦煤进行制气，并将产生的合成气用作还原剂，在气基竖炉中直接还原铁矿石。其中，非焦煤制气是一种将非焦煤转化为合成气的冶炼过程，非焦煤首先经过气化反应，通过控制温度和气氛，将非焦煤转化为一氧化碳（CO）和氢气（H2）等合成气，作为替代高炉煤气的燃料，供给炼铁过程中的热能需求。而气基竖炉直接还原是一种冶炼炉型，它通过在炉内将铁矿石与还原剂接触，直接将铁矿石还原成金属铁。在这个过程中，合成气被引入气基竖炉底部，与铁矿石反应生成金属铁。相比传统的高炉炼铁方法，气基竖炉直接还原可以利用合成气进行还原，无须焦炭作为还原剂。这项技术能够利用非焦煤等廉价资源进行钢铁生产，降低了生产成本，由于使用合成气进行还原，减少了对焦炭等传统原料的需求，有助于减少环境污染和温室气体排放。此外，气基竖炉直接还原还可以适应不同类型的铁矿石，提高了原料的适应性和灵活性。

4.4 核能制氢技术

核能制氢技术是一种具有前景广阔的钢铁冶炼节能环保技术。它利用核能提供的高温高能量条件，通过核能反应将水分解成氢气和氧气。这种技术的关键是利用核能反应产生的热能以及适当的催化剂，促进水的分解反应。核能制氢技术产生的氢气可以作为还原剂，取代传统的焦炉煤气或天然气，用于矿石还原过程。与传统的还原方法相比，核能制氢技术具有更高的效率和更低的碳排放。此外，该技术还可以解决传统钢铁冶炼过程中的环境污染问题，减少大气中的温室气体排放，为实现清洁、高效的钢铁生产贡献力量。