鋼鐵企業(yè)焦化工序節(jié)能減排途徑探討

馬芳芳,盧振蘭

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,吉林 長春 130118)

鋼鐵企業(yè)焦化工序節(jié)能減排途徑探討

馬芳芳,盧振蘭

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,吉林 長春 130118)

摘要:從焦化技術(shù)改進(jìn)、資源綜合利用、余熱回收利用三方面探討了鋼鐵企業(yè)焦化工序節(jié)能減排途徑。分析了搗固煉焦、干熄焦等技術(shù),為鋼鐵企業(yè)實施節(jié)能減排提供參考。

關(guān)鍵詞:節(jié)能減排;焦化;干熄焦;基礎(chǔ)

1引言

2013年我國多個城市先后發(fā)生霧霾,大氣污染已經(jīng)向我國敲響了節(jié)能減排的警鐘,鋼鐵行業(yè)無疑是主要因素之一。中國GDP增速低于能源消費(fèi)增速,鋼鐵等高能耗、高污染工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)雖不算大,卻是節(jié)能減排潛力最大的行業(yè)之一。此外《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》要求鋼鐵行業(yè)單位工業(yè)增加值能耗和CO2排放分別下降18%,而焦化工序既為煉鐵等工序提供原材料,其生產(chǎn)的成品焦炭、產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣、余熱等二次能源也是鋼鐵企業(yè)的能源基礎(chǔ),鋼鐵行業(yè)焦化工序節(jié)能減排工作任重而道遠(yuǎn)。

2中國鋼鐵行業(yè)焦化工序的能效概況

鋼鐵廠一般由燒結(jié)、焦化、煉鐵、轉(zhuǎn)爐、電爐、熱軋、冷軋等幾部分工序組成,其中焦化工序耗能142kg標(biāo)煤/t,焦化工序是鋼鐵企業(yè)中消耗資源最多,污染最嚴(yán)重的工序,其排放的CO2約占鋼鐵企業(yè)排放總量的12%,其能耗占整個鋼鐵工序的13%以上,焦化工序不僅大量耗能還排放大量的以顆粒物、BaP、SO2、NOX等為主要代表的大氣污染物,難處理的酚氰水及焦油渣等固體廢棄物,焦化工序為鋼鐵生產(chǎn)提供原材料,處于剛鐵生產(chǎn)的要塞,如圖1所示。此外焦化工序余熱余能利用率低,未被利用余熱余能約50kg/t 焦,從圖2可以看出近年來我國產(chǎn)焦量持續(xù)增加,截止于2013年我國約有238萬tce余熱未被利用,隨著工業(yè)發(fā)展,“十二五”期間我國國內(nèi)焦炭的需求量與生產(chǎn)量依舊會持續(xù)增加,我國鋼鐵行業(yè)焦化工序的節(jié)能減排工作壓力甚大,改善煉焦工藝并提高焦化工序余熱余能利用率勢在必行。實現(xiàn)焦化工序節(jié)能減排應(yīng)從技術(shù)改進(jìn)、資源綜合利用及二次能源綜合利用三方面入手。

圖1　鋼鐵企業(yè)工藝流程注:圖中框起來的部分為本文研究內(nèi)容

圖2　國內(nèi)焦化工序未利用余熱情況

3焦化工序節(jié)能減排的主要影響因素

焦化工序由備煤、煉焦、化產(chǎn)三部分組成,焦化工序是否能生產(chǎn)高質(zhì)量的焦炭不僅影響鋼鐵成品質(zhì)量,也是決定其能源利用率、污染物排放量的主要因素。生產(chǎn)高質(zhì)量焦炭,取決于煉焦煤、備煤、煉焦工藝三方面條件,優(yōu)質(zhì)煉焦煤決定了焦炭內(nèi)硫分、灰分、焦炭強(qiáng)度,進(jìn)而影響污染物產(chǎn)生量。先進(jìn)的備煤技術(shù)與煉焦工藝可保證入爐煤的水分、堆積密度、添加劑、結(jié)焦時間、熄焦時間等,從而保證成品焦炭強(qiáng)度,提高污染物的回收率和二次能源的利用率,為后續(xù)化產(chǎn)工作減輕壓力。根據(jù)我國優(yōu)質(zhì)煤資源短缺現(xiàn)狀,一味選取影響整個鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本的優(yōu)質(zhì)煉焦煤煉焦不利于降低企業(yè)噸鋼能耗值是不可取的,應(yīng)主要從改善工藝技術(shù)入手。

3.1　焦化工序為節(jié)能減排做貢獻(xiàn)的主要技術(shù)

(1)搗固煉焦技術(shù)。將裝入爐煤在爐外通過機(jī)械力改善堆密度,可增加約0.4m3/t爐煤,使煤料顆粒接觸緊密,提高煤軟化過程膨脹壓力,有利于煤料相互融合,提高焦炭的強(qiáng)度且堆積密度可控,鞍鋼采取此技術(shù)節(jié)約配煤成本約50元/t焦[1],東北地區(qū)產(chǎn)煤多為弱粘結(jié)性,因此該技術(shù)可在東北地區(qū)采用。

(2)配型煤煉焦技術(shù)。將加壓成型后的煤塊與散狀煤料按一定的比例混合均勻后裝爐,以提高裝爐煤堆比重,改善焦炭質(zhì)量的一項技術(shù)。

(3)煤調(diào)濕(CMC)技術(shù)。將煉焦煤在入爐前通過熱交換的方法除去煤中部分水分,并保持裝爐煤水分穩(wěn)定,其可將裝爐煤水分由 10%~12%降低到 6%左右。鞍鋼、吉林建龍等企業(yè)由于采用螺旋給料方式裝煤,裝煤堆比重受螺旋新舊程度、裝爐煤水分、細(xì)度的影響較大,因此較適合采用該項技術(shù)。

(4)Scope21煉焦系統(tǒng)。該工藝日本歷時14年開發(fā)而成,該技術(shù)通過煤入爐前高溫預(yù)熱,改善碳化室爐壁傳導(dǎo)率、厚度等煉焦條件,實現(xiàn)了弱粘結(jié)性煤添加率達(dá)50%,并且充分利用干熄焦技術(shù)再加熱,從而實現(xiàn)結(jié)焦時間大幅縮短,同2006年現(xiàn)行工藝相比,生產(chǎn)率提高2.4倍,能耗降低20%,產(chǎn)焦總成本降低約18%,其獨(dú)特的入爐煤插塞輸入法和出爐焦密閉集塵技術(shù)不但降低粉塵排放量,并消除了傳統(tǒng)煉焦半生的煙、塵、臭氣等污染物質(zhì),其系統(tǒng)內(nèi)部的煤氣燃燒裝置的改善和顯熱回收不但降低了NOX的排放也實現(xiàn)了節(jié)能[2]。

3.2　對比分析先進(jìn)的煉焦技術(shù)

對先進(jìn)的煉焦技術(shù)進(jìn)行對比分析,見表1。

表1　煉焦節(jié)能減排可獲得先進(jìn)技術(shù)

3焦化工序資源綜合利用

焦化副產(chǎn)物焦?fàn)t煤氣,普遍采用燃燒的方式排放,造成相當(dāng)程度的能源浪費(fèi),目前資源綜合利用的主要方式:①將富含雜質(zhì)的焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化成清潔能源天然氣、雙氧水、甲醇、工業(yè)氫氣、汽柴油等材料,其中山東、大連等城市已經(jīng)組織并實施了焦?fàn)t煤氣合成天然氣工藝,建設(shè)焦?fàn)t煤氣合成天然氣及綜合利用項目,投資少收益高。其中焦?fàn)t煤氣制甲醇節(jié)約成本效果明顯,相比煤制甲醇節(jié)省約1200元/t,相比天然氣制甲醇節(jié)省成本約1000元/t。②利用焦?fàn)t煤氣發(fā)電,但焦?fàn)t煤氣僅可發(fā)電1~1.5kW·h/m3,發(fā)電率不高,且基于目前技術(shù),利用焦?fàn)t煤氣發(fā)電造價較高。③焦?fàn)t煤氣燃燒供暖是一個有巨大潛力的再生資源利用途徑,多數(shù)大型鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣除用于煉鐵、軋鋼等部分均浪費(fèi)掉,大部分鋼鐵企業(yè)分布于南方,由于冬季不供暖,關(guān)于焦?fàn)t煤氣供暖方向開發(fā)利用甚少,而北方冬季需要大量的燃料燃燒供暖,過剩焦?fàn)t煤氣可用于企業(yè)內(nèi)部及附近小區(qū)供暖。

為實現(xiàn)焦化工序的資源綜合利用,首鋼在行業(yè)內(nèi)起了帶頭作用,其自主開發(fā)了焦?fàn)t處理廢塑料、調(diào)濕型煤煉焦、焦化處理有機(jī)固廢與城市鈣化污泥等技術(shù),其中焦?fàn)t處理廢塑料技術(shù),在保證焦炭質(zhì)量前提下添加了4%廢塑料。調(diào)濕型煤煉焦,增加焦?fàn)t產(chǎn)能10%,減少焦?fàn)t廢水產(chǎn)生率約30%,節(jié)約能耗261MJ/t焦,保證焦炭質(zhì)量可增加弱粘結(jié)性煤約15%;焦化處理有機(jī)固廢與城市鈣化污泥技術(shù),利用高溫?zé)捊範(fàn)t實現(xiàn)了有機(jī)固廢轉(zhuǎn)化為焦炭、焦油和煤氣[3],首鋼的技術(shù)開發(fā)具有前瞻性為我國開發(fā)新的資源利用途經(jīng)奠定了基礎(chǔ)。

4余熱回收利用

鋼鐵企業(yè)焦化工序的熱量損失是紅焦顯熱損失大于荒煤氣帶出熱損失大于煙道廢氣帶出熱損失大于爐體表面散熱損失,我國焦化工序的余熱回收研究主要針對煙道氣帶出熱、荒煤氣帶出熱、紅焦顯熱三部分熱量回收,其中煙道220~300℃廢氣帶出的熱量相當(dāng)于焦?fàn)t輸出總熱量的17%,煙道廢氣余熱回收主要應(yīng)用于煤調(diào)濕、熱管鍋爐回收生產(chǎn)蒸汽及負(fù)壓蒸氨等,具有一定的節(jié)能效果,但尚無回收率較高的方法。焦?fàn)t荒煤氣650~700℃帶出熱量相當(dāng)于焦?fàn)t輸出總熱量的36%,目前荒煤氣余熱回收方法主要有導(dǎo)熱油換熱回收、熱管回收、余熱鍋爐回收、半導(dǎo)體溫差發(fā)電回收和用水套管回收、荒煤氣余熱微流態(tài)回收技術(shù)等,日本正在研發(fā)荒煤氣高溫?zé)崃呀饧夹g(shù),但都未達(dá)到工業(yè)化階段。熱量回收效率最高的非紅焦顯熱回收莫屬,干熄焦技術(shù)是國內(nèi)主要的紅焦顯熱回收技術(shù),干熄焦技術(shù)是相對于利用水濕熄焦而言的一種熄焦方式,采用低溫惰性氣體經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)引入紅焦冷卻層吸收紅焦顯熱,冷卻焦自爐底排出,高溫惰性氣體經(jīng)鍋爐熱交換,冷卻后惰性氣體循環(huán)回爐熄焦,鍋爐蒸汽帶動汽輪機(jī)發(fā)電或以其他方式資源利用,相對于濕熄焦具有節(jié)能、環(huán)保、改善焦炭質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn),主要工藝如圖3所示,節(jié)煤40kg/t 焦,相對濕熄焦可節(jié)水443t/t 焦,配煤弱粘結(jié)性煤可多用15%,紅焦顯熱回收83%,產(chǎn)生的蒸汽可用于發(fā)電。該技術(shù)已經(jīng)成熟,在全國各大型鋼鐵企業(yè)干熄焦同大型焦?fàn)t連用,雖其仍有規(guī)格單一、造價相對較高的弊端,因其節(jié)能減排效果明顯,已經(jīng)趨于普及,小型含煉焦工序企業(yè)中干熄焦也將取代濕熄焦。

圖3　干熄焦技術(shù)的主要工藝流程

5結(jié)語

隨著我國能源需求量持續(xù)增加,未利用余能將持續(xù)增加,需加大技術(shù)改進(jìn)力度,經(jīng)技術(shù)對比分析,對焦化工序節(jié)能減排提出合理化建議。

(1)改變我國焦化工序技術(shù)水平單一的現(xiàn)狀,大型焦?fàn)t與干熄焦配合使用技術(shù)應(yīng)考慮同煙道氣調(diào)濕、蒸汽調(diào)濕等煤調(diào)濕技術(shù)的聯(lián)合使用。

(2)新建企業(yè)技術(shù)選取應(yīng)著重考慮資源綜合利用及二次能源利用,實現(xiàn)降低環(huán)境污染的同時降低資源能源的浪費(fèi),北方大型鋼鐵企業(yè)應(yīng)試圖采用焦?fàn)t煤氣供暖,為能源利用開辟有效途經(jīng)。

(3)應(yīng)以首鋼的自主研發(fā)精神為楷模,自主開發(fā)更有效的焦化節(jié)能減排技術(shù)、資源利用等技術(shù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 鄭文華.搗固煉焦技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 [J].河南冶金,2008(16):1~6.

[2] 齊婳,李麗琴,王凱,等.21世紀(jì)新技術(shù)-scope21工藝[R].濟(jì)南:濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司,2006:238~241.

[3] 廖洪強(qiáng).首鋼節(jié)能減排與資源綜合利用新技術(shù)開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化[R].北京:首鋼總公司環(huán)保產(chǎn)業(yè)事業(yè)部,2013:99~102.

The Study of the Way of Energy Saving and Emission Reduction During

Coking Process in Iron and Steel Enterprises

Ma Fangfang,Lu Zhenlan

(CollegeofResourcesandEnvironment,JilinAgriculturalUniversity,

Changchun130118,China)

Abstract:In 2013,about 2.38 million tons coal's waste heat are not used in China. In order to improve energy utilization rate,the article discusses ways of energy saving and emission reduction during the coking process in iron and steel enterprises from three aspects,including the improvement of coking technology,comprehensive utilization of resources and recovery and utilization of waste heat. Through the discussion of stamp-charying cokemaking and dry quenching technologies,this paper lays the foundation of the implementation of energy-saving emission reduction in iron and steel enterprises.

Key words:energy-saving and emission reduction;coking;CDQ;foundation

中圖分類號:X784

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0227-03

通訊作者:盧振蘭(1964—),女,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,副教授,主要從事環(huán)境管理與影響評價方面的教學(xué)與研究工作。

作者簡介:馬芳芳(1988—),女,吉林榆樹人,吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。

收稿日期:2014-11-18