鋼鐵行業(yè)廢氣量減排潛力分析

譚玉玲，劉宇 ，黃家玉，束韞，都基峻，龍紅艷，王相鳳

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，目前我國(guó)鋼產(chǎn)量已達(dá)7.2 ×108t，鋼鐵工業(yè)是能源消耗大戶，也是大氣污染物的重點(diǎn)控制行業(yè)。近年來，鋼鐵工業(yè)在二氧化硫、煙粉塵等污染物的治理方面已有比較成熟和實(shí)用的技術(shù)，且二氧化硫和煙粉塵累計(jì)排放量已呈下降趨勢(shì)，但是廢氣排放量仍呈逐年上升趨勢(shì)，2012年累計(jì)排放約86 889.90 ×108m3［1］，如何降低鋼鐵行業(yè)廢氣量排放的問題，值得關(guān)注。

目前發(fā)達(dá)國(guó)家主要是通過提高清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例，淘汰落后產(chǎn)能，將難以治理的重污染源和部分重污染工藝外遷國(guó)外等手段來降低廢氣排放量，減少各類污染物排放總量。就我國(guó)鋼鐵行業(yè)分析，其能源結(jié)構(gòu)，在短期內(nèi)不可能有很大變化;盡管近年來鋼鐵行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后產(chǎn)能的改造步伐不斷加大，但隨著粗鋼產(chǎn)量的增加，廢氣排放量仍呈逐年上升趨勢(shì)，城市鋼廠環(huán)保搬遷需綜合考慮城市總體發(fā)展規(guī)劃、企業(yè)承受能力、人員安置等多種因素，作為中長(zhǎng)期目標(biāo)有序推進(jìn)，因此開展適合我國(guó)鋼鐵行業(yè)廢氣量減排技術(shù)的研究，對(duì)鋼鐵行業(yè)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。

對(duì)于鋼鐵行業(yè)，在工藝過程中減少?gòu)U氣排放量也有成功實(shí)例，如燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)［2-5］。分析燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)及其他行業(yè)廢氣梯度利用實(shí)例［6-8］得出，在保證生產(chǎn)指標(biāo)不降低的情況下，通過廢氣循環(huán)或梯度利用技術(shù)減少?gòu)U氣量的排放和污染物排放總量，與轉(zhuǎn)移重污染企業(yè)或工藝有異曲同工的功效，可以將其作為我國(guó)鋼鐵行業(yè)廢氣量減排的優(yōu)先控制手段。

1 鋼鐵行業(yè)工藝過程中廢氣量減排技術(shù)概況

目前國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)工藝過程中廢氣量的減排技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，但在燒結(jié)工藝中已有成功實(shí)例。

燒結(jié)廢氣循環(huán)工藝是將燒結(jié)過程排出的一部分廢氣返回?zé)Y(jié)點(diǎn)火器之后的料面處再循環(huán)使用的一種燒結(jié)方法。廢氣循環(huán)燒結(jié)的目的，一方面是利用廢氣的熱量，相當(dāng)于熱風(fēng)燒結(jié)，可以提高上部料層溫度并避免在保溫結(jié)束時(shí)由于進(jìn)入料層氣體溫度的突降造成上部料層溫度的波動(dòng);另一方面廢氣的循環(huán)使用使得廢氣排放量降低，由于燒結(jié)過程排放的廢氣需要經(jīng)過脫硫處理，因此也降低了脫硫裝置處理量和脫硫系統(tǒng)負(fù)荷，從而降低運(yùn)行及處理費(fèi)用。

國(guó)外燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)工藝主要有荷蘭的能量?jī)?yōu)化燒結(jié)(emission optimized sintering，EOS)技術(shù)［9］，德國(guó)的低排放能量?jī)?yōu)化燒結(jié)(low emission and energy optimized sinter process，LEEP)技術(shù)［10］，奧地利的環(huán)境型優(yōu)化燒結(jié)(environmental process optimized sintering，EPOSINT)技術(shù)［11］和日本的區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)［12］。國(guó)外燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)原理如圖1 所示。其節(jié)能減排效果如表1 所示。

圖1 燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)示意Fig.1 Schematic diagram of sintering waste gas recycling technology

表1 燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)的節(jié)能減排效果［2-3，9］Table 1 The energy conservation and emission reduction of sintering waste gas recycling technology

我國(guó)寶鋼寧波鋼鐵公司2 ×430 m2燒結(jié)機(jī)采用的是燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)技術(shù)，SO2、NOx、CO、顆粒物以及二 英等排放量均得到大幅降低，最終可減少25% ～35%廢氣排放量，節(jié)省燒結(jié)燃料3% ～8%，總能耗降低3%以上［13］。

由此可見，燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)不但顯著減少燒結(jié)工藝產(chǎn)生的廢氣排放總量以及污染物排放量，而且還能降低燒結(jié)工序能耗，減排節(jié)能效果顯著。同時(shí)由于廢氣量減少，降低了后續(xù)脫硫設(shè)備的負(fù)荷，從而降低了煙氣脫硫裝置的投資和運(yùn)行成本，因此燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)可作為我國(guó)燒結(jié)機(jī)未來升級(jí)改造的主要方向。

2 鋼鐵行業(yè)廢氣量減排潛力分析

分析燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)及其他廢氣梯度利用實(shí)例得出，根據(jù)廢氣的特性(廢氣成分、風(fēng)量、溫度、含氧量、熱值等)，將廢氣作為助燃空氣、氣源等廢氣循環(huán)技術(shù)對(duì)減少?gòu)U氣量的排放，有很大的減排潛力。如將廢氣循環(huán)和梯度利用技術(shù)，應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)其他工藝，必對(duì)鋼鐵行業(yè)廢氣量的減排做出極大貢獻(xiàn)。筆者根據(jù)鋼鐵行業(yè)廢氣排放特點(diǎn)(廢氣成分、溫度、含氧量、熱值等)，就鋼鐵行業(yè)潛在廢氣量減排潛力進(jìn)行分析。

鋼鐵工業(yè)的主要生產(chǎn)系統(tǒng)包括綜合原料場(chǎng)、燒結(jié)、石灰窯、焦化、煉鐵、煉鋼連鑄等，鋼鐵行業(yè)除燒結(jié)機(jī)廢氣可采用工藝系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用外，不同工藝之間的廢氣也可以進(jìn)一步梯度利用，如綜合原料場(chǎng)的廢氣可用于石灰窯工藝?yán)鋮s器中的鼓入氣源，轉(zhuǎn)爐煉鋼廢氣可作為助燃空氣用于高爐煉鐵。圖2 為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)工藝流程及污染物排放。

圖2 鋼鐵聯(lián)合企業(yè)工藝流程Fig.2 The flow chart of iron and steel enterprises

2.1 原料場(chǎng)廢氣梯度利用于石灰窯系統(tǒng)

活性石灰是煉鋼主要的造渣材料。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中使用活性石灰，可提高成渣速度，縮短冶煉時(shí)間，提高鋼水質(zhì)量。石灰窯工藝過程中，焙燒好的物料進(jìn)入豎式冷卻器，冷卻氣源被風(fēng)機(jī)送入冷卻器中，與高溫石灰進(jìn)行熱交換，使石灰溫度從1 100 ℃冷卻到100 ℃以下，空氣吸收熱量溫度升高后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯助燃。

原料場(chǎng)廢氣主要是含塵廢氣，經(jīng)各產(chǎn)塵部位密閉罩收集除塵后排放，廢氣為常溫氣體。若將原料場(chǎng)廢氣作為石灰窯工藝過程中冷卻物料鼓入的氣源利用，替代鼓風(fēng)機(jī)鼓入冷卻器的新鮮空氣，既減少了石灰窯新鮮空氣攝入量，又降低了原料場(chǎng)廢氣排放量。

將原料場(chǎng)除塵后的常溫廢氣引出，經(jīng)凈煙道管引入廢氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，廢氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)將凈化后的廢氣輸送至豎式冷卻器入口，作為冷卻氣源進(jìn)行梯度利用，與高溫石灰熱交換，再進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯助燃，廢氣經(jīng)空氣預(yù)熱器后進(jìn)入除塵系統(tǒng)除塵后再排放(圖3)。以年產(chǎn)400×104t 鋼的某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)工藝為參考，該廠年需成品活性石灰量為4.0 ×105t，共有2 座日產(chǎn)600 t 的活性石灰回轉(zhuǎn)窯裝置，生石灰消耗量為103 t/h，焦?fàn)t煤氣消耗量為1.61 ×104m3/h(平均熱值16 720 kJ/m3)，石灰煅燒核心設(shè)備采用回轉(zhuǎn)窯配豎式預(yù)熱器和豎式冷卻器，每座回轉(zhuǎn)窯配冷卻器鼓入的冷卻風(fēng)量為12 ×104m3/h。原料場(chǎng)受料倉產(chǎn)塵點(diǎn)密閉罩收集除塵后，廢氣量為24 ×104m3/h，粉塵排放濃度為20 mg/m3，與2 座石灰窯中鼓入的冷卻風(fēng)量之和相當(dāng)。若將受料倉產(chǎn)點(diǎn)收集除塵后的廢氣梯度利用至石灰窯冷卻器做冷卻氣源，該廠可減少?gòu)U氣排放21×108m3/a，可降低粉塵排放42 t/a。

圖3 原料場(chǎng)廢氣梯度利用于石灰窯工藝Fig.3 The cascade utilization scheme of exhaust gas from raw material yard into lime kiln process

2.2 轉(zhuǎn)爐二次煙氣梯度利用于高爐煉鐵

在轉(zhuǎn)爐的整個(gè)冶煉周期中，二次煙氣主要產(chǎn)生于兌鐵水和吹氧的過程。吹氧時(shí)有部分爐氣從氧槍孔和爐罩口處外溢，成為二次煙氣。當(dāng)一次煙氣處理能力不足時(shí)，外溢更為嚴(yán)重，但由于此時(shí)爐前擋火墻關(guān)閉，煙氣基本處于一個(gè)密閉室中，可得到有效捕集［14］。轉(zhuǎn)爐二次煙氣以兌鐵水時(shí)散發(fā)的廢氣量最大，兌鐵水時(shí)，高溫廢氣從鐵水罐和轉(zhuǎn)爐爐口之間以很高的速度向上擴(kuò)散，初始溫度約1 200 ℃，卷吸大量的車間冷空氣，煙柱到達(dá)吊車梁時(shí)的溫度約500 ～700 ℃，含氧量可達(dá)20%［15］，與空氣成分相似。

若將廢氣溫度高(按200 ℃計(jì))，且含氧量與空氣成分相似的轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集后經(jīng)煙道管輸送至熱風(fēng)爐，作為助燃空氣(圖4)，以利用廢氣中的顯熱，提高助燃空氣的溫度，達(dá)到提高風(fēng)溫的目的。

圖4 轉(zhuǎn)爐二次煙氣梯度利用于煉鐵Fig.4 The recycling technology of converter secondary flue gas

以年產(chǎn)400 ×104t 鋼的某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)工藝為參考，該廠120 t 轉(zhuǎn)爐二次煙氣排放量約65 ×104m3/h，粉塵排放濃度為20 mg/m3，廢氣排放量較大，可根據(jù)熱風(fēng)爐消耗的空氣量，將部分轉(zhuǎn)爐二次煙氣通過適當(dāng)配氣輸送給熱風(fēng)爐梯度利用，未被梯度利用的轉(zhuǎn)爐二次煙氣由除塵器除塵凈化后排空。熱風(fēng)爐以凈化后的高爐煤氣為燃料，每座熱風(fēng)爐消耗焦?fàn)t煤氣量18.7 × 104m3/h(平均熱值3 340 kJ/m3)，所需空氣量約13 ×104m3/h，若將轉(zhuǎn)爐二次煙氣配比至該廠2 座熱風(fēng)爐作助燃空氣，不僅可減少?gòu)U氣排放22 ×108m3/a，降低粉塵排放44 t/a，而且利用了轉(zhuǎn)爐二次煙氣的顯熱，降低了能耗，可節(jié)約標(biāo)煤2 ×104t/a。同時(shí)轉(zhuǎn)爐二次煙氣進(jìn)入除塵器的除塵風(fēng)量降低了40%，也相應(yīng)的減少轉(zhuǎn)爐二次煙氣除塵設(shè)施的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

按照2012年鋼產(chǎn)量估算，如果在鋼鐵行業(yè)全面推廣上述廢氣循環(huán)利用方案，鋼鐵行業(yè)就可以減少?gòu)U氣量約7 703 ×108m3/a，降低粉塵排放1.54 ×104t/a，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤耗358 ×104t/a(表2)。

表2 鋼鐵行業(yè)廢氣量減排節(jié)能效果Table 2 The waste gas volume reduction and conservation effect in iron and steel industry

3 結(jié)論和建議

(1)在鋼鐵行業(yè)中，可以根據(jù)廢氣特點(diǎn)(煙氣成分、溫度、含氧量、熱值等)，在不影響后序生產(chǎn)工藝的前提下，將其在工藝過程中循環(huán)利用，減少?gòu)U氣的排放量。

(2)燒結(jié)煙氣循環(huán)利用技術(shù)不但顯著減少燒結(jié)工藝生產(chǎn)的廢氣排放總量以及污染物排放量，也降低了后序煙氣脫硫裝置的投資和運(yùn)行，廢氣量減排和節(jié)能效果顯著，有著很大的發(fā)展前景，可以將其作為燒結(jié)機(jī)大氣污染物控制重點(diǎn)推廣技術(shù)。

(3)根據(jù)廢氣的特點(diǎn)，提出2 種廢氣量減排方案:原料場(chǎng)廢氣梯度利用至石灰窯中做冷卻氣;煉鋼轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集后經(jīng)煙道管輸送至熱風(fēng)爐，作為助燃空氣。研究表明，2 種減排方案減排效果顯著。

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