高爐二氧化碳減排技術(shù)淺析

趙世芬

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心， 山西 太原 030009）

高爐二氧化碳減排技術(shù)淺析

趙世芬

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心， 山西 太原 030009）

從鋼鐵行業(yè)各工序二氧化碳排放量占比分析，得出高爐排放量占比高達(dá)60%～70%的結(jié)論；根據(jù)高爐碳素來源出發(fā)，介紹高爐二氧化碳減排所采用的提高噴煤比、鼓風(fēng)脫濕、噴廢塑料等技術(shù)，分析這三種技術(shù)帶來的減排效益以及運用過程中所應(yīng)適用的條件。

高爐 二氧化碳 噴煤比 鼓風(fēng)脫濕 廢塑料

二氧化碳是典型的溫室氣體，如何在實現(xiàn)經(jīng)濟增長的前提下控制其排放量，成為全世界日益關(guān)注的焦點，我國自2009年成為世界第一大碳排放國以來，碳減排的壓力日益加劇。

鋼鐵行業(yè)作為僅次于化工和建筑行業(yè)之后的第三大碳排放大戶［1］，應(yīng)采取一套符合我國國情的并且可靠性高、操作性強的碳減排技術(shù)，保證經(jīng)濟增長與碳減排工作同時進(jìn)行，是鋼鐵工業(yè)順利發(fā)展的關(guān)鍵所在。

1 鋼鐵行業(yè)碳素來源

鋼鐵企業(yè)流程包括以特礦石為源頭的高爐—轉(zhuǎn)爐“長流程”和以廢鋼為源頭的“短流程”，本文僅針對“長流程”進(jìn)行介紹。

“長流程”的鋼鐵企業(yè)流程長、工序多，包括燒結(jié)（球團）、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序，CO2排放源繁雜，有化石燃料、溶劑等輸入來源。具體各工序碳素來源分析及各工序CO2排放情況見表1［2］、表2［3］。

表1 鋼鐵企業(yè)中各工序碳素來源分析

表2 典型長流程鋼鐵企業(yè)各工序二氧化碳排放情況

由表2可知，典型長流程鋼鐵企業(yè)中，各工序CO2排放量僅高爐占比就高達(dá)60%～70%，因此鋼鐵企業(yè)高爐工序的碳減排成為人們關(guān)注的焦點。

從煉鐵工序碳素流可以看出，高爐的碳輸入來源包括燒結(jié)（球團）礦、熔劑、熱風(fēng)爐耗氣、煤粉、焦炭等，而其中燒結(jié)（球團）礦、熔劑、熱風(fēng)爐耗氣帶入碳只占很小一部分，碳基本上均來自于煤粉與焦炭，為此，近年來人們重點考慮高爐中煤粉與焦炭的使用量對碳排放量的影響。

2 碳減排技術(shù)分析

2.1 提高高爐噴煤比技術(shù)

高爐冶煉中焦炭的作用是提供熱量、還原鐵礦石以及維持高爐料柱透氣性。高爐噴吹煤粉是從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹煤粉，以替代焦炭起提供熱量和還原劑的作用，從而降低焦比、降低生鐵成本。

《中國鋼鐵工業(yè)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展指南（2006—2020年）》中指出：2011—2020年，我國高爐工藝發(fā)展目標(biāo)為燃料比≤480 kg/t、噴煤量≥180 kg/t、入爐焦比≤300 kg/t。

近年來，鋼鐵企業(yè)不斷采取新的節(jié)能減排技術(shù)，其中部分企業(yè)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但大部分企業(yè)仍然有待進(jìn)一步改進(jìn)。僅以高爐噴煤比為例，據(jù)統(tǒng)計，截止2014年，我國重點鋼鐵企業(yè)高爐噴煤比為145.54 kg/t［4］，創(chuàng)近五年來新低，但是距離國際先進(jìn)水平180～200kg/t、國際領(lǐng)先水平266kg/t尚有較大差距［5］。

提高高爐噴煤比、降低焦比在取得顯著經(jīng)濟效益的同時可大大削減CO2的排放。據(jù)統(tǒng)計，2014年全國生鐵產(chǎn)量7.12億t，又根據(jù)IPCC指南，生產(chǎn)1 t焦炭排放CO2為0.56 t［6］，如果僅考慮提高噴煤比替代焦炭用量，將現(xiàn)有的噴煤比145.54 kg/t提高至180 kg/t，以2014年為基準(zhǔn)，全國可減少焦炭用量0.25億t/年，所帶來的CO2減排效益為1 372萬t/年。

研究表明：高爐噴煤量在超過170 kg/t后，隨著噴煤量的增加，二次灰中碳的質(zhì)量含量隨噴煤比增加的速度比重力灰的快；在噴煤比超過190 kg/t后，二次灰中碳的質(zhì)量含量開始高于重力灰中的碳的質(zhì)量含量［8］。因此，在提高高爐噴煤比的同時，需要注意以下問題［9-10］：

1）提高焦炭質(zhì)量。焦炭在高爐中起到支撐的骨架作用，保證高爐內(nèi)部的透氣性和透液性，隨著高爐噴煤比的增加、焦比的下降，將加大爐內(nèi)焦炭的支撐負(fù)擔(dān)，因此要求提高焦炭的反應(yīng)后強度、降低焦炭的反應(yīng)性。

2）提高煤的質(zhì)量。噴吹煤量加大，需要盡可能多的煤粉在風(fēng)口前燃燒，因此需要控制煤粉的灰分含量、細(xì)度以及煙煤的比例。

3）提高精料質(zhì)量，降低渣量。使用含鐵大于60%的爐料，堅持良好的篩分，保證料柱的透氣性，使?fàn)t內(nèi)未燃煤粉能充分參與反應(yīng)。

4）富氧鼓風(fēng)。高爐噴煤后，將惡化高爐下部料柱的透氣性，從而影響爐內(nèi)爐料的順行，如果以富氧鼓風(fēng)增加噴煤量，可減少煤氣量、提高透氣性。

2.2 高爐鼓風(fēng)脫濕技術(shù)

在高爐冶煉過程中需要鼓風(fēng)，而鼓風(fēng)中的含濕量隨著當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及季節(jié)的變化不斷波動，會導(dǎo)致爐況不能穩(wěn)定，影響高爐的正常運行。高爐鼓風(fēng)脫濕就是在空氣被送入高爐之前，降低其中的水蒸汽含量。具體采取的方法有三種：一是吸附法，即采用吸附劑吸收空氣中的水分；二是冷卻法，即將濕空氣經(jīng)冷卻器冷卻后，使其溫度下降至飽和溫度下，將空氣中的水分析出；三是聯(lián)合法，即吸附法與冷卻法結(jié)合使用。

采取鼓風(fēng)脫濕技術(shù)，可帶來的效益［10］有：一是降低焦比。通過鼓風(fēng)脫濕，可提高熱風(fēng)溫度、降低高爐的理論燃燒溫度，含濕量每降低1 g/m3，焦比降低1.2 kg/t。二是提高噴煤比。含濕量每降低1 g/m3，煤比可增加1.5～2.23 kg/t，可置換焦比1.2～1.8 kg/t。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知，降低含濕量1 g/m3，可減少CO2排放量1.34 kg/t，僅2014年一年，保守計算生鐵產(chǎn)量，可減少CO2排放量960萬t。

雖然說在適當(dāng)條件下采用鼓風(fēng)脫濕技術(shù)有一定的經(jīng)濟效益，但其效果受高爐容積、原料、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、噴吹燃料、電價等諸多因素影響。對于熱量充足的爐缸以及當(dāng)?shù)貧夂驖穸茸兓蟮牡貐^(qū)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用此技術(shù)；如果所處地區(qū)一年中大部分時間空氣含濕量較小，采用此技術(shù)則效果甚微［11］。

2.3 高爐噴吹廢塑料技術(shù)

高爐噴吹廢塑料是將收集的廢塑料進(jìn)行破碎分解至適合的粒度，將其制粒后與噴吹氣體一起噴入高爐風(fēng)口回旋區(qū)。廢塑料主要由碳、氫兩種元素構(gòu)成，其化學(xué)成分與重油接近［11］，可以1∶1置換重油，塑料可在高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)急劇燃燒氣化，并在爐內(nèi)作為還原氣體被有效利用。

據(jù)相關(guān)分析［12］，高爐噴吹的廢塑料主要來自PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）和少量PVC（聚氯乙烯），由于混入的PVC量較小，因此燃燒過程產(chǎn)生的二噁英等污染物遠(yuǎn)低于焚燒爐排放標(biāo)準(zhǔn)，CO2排放量也比噴吹重油低，當(dāng)高爐中塑料噴吹量為50～100 kg/t時，二氧化碳減排量為4%～9%。

噴吹廢塑料技術(shù)目前在日本得到不斷推廣，但是由于塑料具有熔化性等特點，所以對塑料粒度的要求較高，設(shè)備投資較大，同時我國在廢塑料的收集、分類回收、定點投放等方面存在問題，導(dǎo)致回收利用率較低，因此此項技術(shù)在我國一直未得到推廣。今后政府將在治理“白色垃圾”方面加強力度，各方面達(dá)成共識，噴吹廢塑料技術(shù)將會被逐步應(yīng)用。

3 結(jié)論

鋼鐵行業(yè)作為我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，在持續(xù)發(fā)展的同時必須降低對環(huán)境的影響。要想降低鋼鐵生產(chǎn)過程中的碳排放量，必須從燒結(jié)（球團）、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等全流程進(jìn)行綜合治理，目前各工序已有許多技術(shù)得到推廣，隨著后期政府部門對碳減排的重視程度的加強，各類減排技術(shù)將不斷推陳出新，各企業(yè)應(yīng)摒棄環(huán)保不經(jīng)濟的錯誤思想，積極運用一些與企業(yè)自身條件相匹配的新技術(shù)、新工藝、新裝備，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ 張敬.中國鋼鐵行業(yè)CO2排放影響因素及減排途徑研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008：15.

［2］ 張春霞，上官方欽，張壽榮，等.關(guān)于鋼鐵工業(yè)溫室氣體減排的探討［J］.工程研究：跨學(xué)科視野中的工程，2012（3）：223.

［3］ 陳繼輝，程旭.鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排技術(shù)淺析［J］.冶金能源，2012，31（5）：4-5.

［4］ 中國2015年鋼鐵工業(yè)年鑒［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

［5］ 王維興.提高噴煤比是我國煉鐵技術(shù)發(fā)展的重要路線［J］.中國鋼鐵業(yè)，2015（9）：26.

［6］ 張肖，吳高明，吳聲浩，等.大型鋼鐵企業(yè)典型工序碳排放系數(shù)的確定方法探討［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32（8）：2 024-2 027.

［7］ 徐萬仁，吳鏗，張龍來，等.高爐大噴煤時煤粉利用率的研究［J］.鋼鐵，2006，41（4）：14.

［8］ 黨玉華，張士敏.高效高爐低燃料比、大噴煤比的研究［J］.鋼鐵，2005，40（2）：17-18.

［9］ 王煒，陳畏林，葉勇，等.提高高爐噴煤比的探討［J］.江西冶金，2006，26（4）：8.

［10］ 曹永剛.脫濕技術(shù)在高爐鼓風(fēng)上應(yīng)用的可行性分析［J］.高端裝備制造，2013（10）：183.

［11］ 鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)指南（第一批）［Z］.2012.

［12］ 王澤慜，張波，李學(xué)軍，等.對國內(nèi)低碳煉鐵技術(shù)的探討［C］// 2011年全國冶金節(jié)能減排與低碳技術(shù)發(fā)展研討會文集.北京：中國金屬學(xué)會，2011.

（編輯：胡玉香）

Analysis of Carbon Dioxide Emission Reduction Technology in Blast Furnace

ZHAO Shifen
（Shanxi Research Center of Ecological Environment，Taiyuan Shanxi 030009）

From the analysis of carbon dioxide emissions from various processes in the iron and steel industry，blast furnace emissions accounts for up to 60%～70%.According to blast furnace carbon sources，coal injection ratio，blast dehumidification，waste plastics injection and applicable conditions for carbon dioxide emissions reduction are introduced，and the benefits of emission reduction and applicable conditions in application process are analyzed.

blast furnace，carbon dioxide，coal injection ratio，blast dehumidification，waste plastics

X757

A

1672-1152（2016）05-0061-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.23

2016-09-20

趙世芬（1974—），女，碩士，工程師，從事環(huán)境影響評價及環(huán)保工作。