鋼鐵企業(yè)全流程超低排放實施路徑探析

盧熙寧，張承舟，賈少華，劉大鈞，王宇航

(1.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100013；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

“十三五”中后期，伴隨黨中央、國務(wù)院堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的大政方針指引，《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》(環(huán)大氣〔2019〕35號，以下簡稱《意見》)與《鋼鐵企業(yè)超低排放評估監(jiān)測技術(shù)指南》(以下簡稱《指南》)等行業(yè)重磅文件接踵發(fā)布。在京津冀及周邊地區(qū)已陸續(xù)開展超低排放預(yù)評估工作的背景下，面對全流程超低排放評估問題選擇適宜的工藝路線，在經(jīng)濟可行的前提下，實現(xiàn)逐步達到超低排放要求已成為鋼鐵行業(yè)最為關(guān)注的問題。本文針對鋼鐵企業(yè)，依照全流程超低排放實施路徑，從有組織排放提標(biāo)工藝選擇、無組織管控治一體化創(chuàng)建、智能化監(jiān)測監(jiān)控信息平臺搭建、潔凈化物流運輸體系規(guī)劃等多方面提出全流程整改方案，助力企業(yè)全方位達到超低排放要求。

1 鋼鐵企業(yè)全流程超低排放實施路徑

在國家超低排放政策正式啟動的歷史背景下，眾多重點區(qū)域鋼鐵企業(yè)紛紛開始實施超低排放改造。但由于一些企業(yè)對政策要求的解讀不夠全面，將精力全部投入到重點工序的有組織排放治理上，片面認(rèn)為項目完成即可滿足超低排放要求。但實際上全流程超低排放改造需統(tǒng)籌兼顧有組織提標(biāo)、無組織管控、監(jiān)測監(jiān)控與清潔化運輸比例等全方位達標(biāo)要求，因此需要規(guī)劃全流程超低排放實施路徑，掃除改造盲點，合理選用可行技術(shù)，高質(zhì)量完成超低排放整改工作。

1.1 有組織排放提標(biāo)工藝選擇

針對鋼鐵企業(yè)主要節(jié)點有組織排放限值的大幅度收嚴(yán)，鋼鐵企業(yè)超低排放改造集中體現(xiàn)在末端治理設(shè)施的提標(biāo)新建與源頭煤氣的凈化。其中燒結(jié)機頭煙氣脫硫脫硝改造與高爐煤氣精脫硫作為重要的超低排放實施要點，需要企業(yè)結(jié)合自身實際，選取達標(biāo)能力強、可穩(wěn)定運行、經(jīng)濟可行的工藝路線實施改造，方可達到超低排放大幅收嚴(yán)的限值要求。

1.1.1燒結(jié)機頭煙氣脫硫脫硝

當(dāng)前鋼鐵企業(yè)在超低排放改造過程中，應(yīng)用最廣泛、技術(shù)較為成熟的燒結(jié)機頭煙氣聯(lián)合脫硫脫硝工藝路線主要包括半干法(濕法)/活性炭(焦)脫硫+選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝、活性炭/焦協(xié)同一體化脫硫脫硝工藝[1]，不同的工藝路線與設(shè)計組合方案需結(jié)合企業(yè)燒結(jié)機裝備工況與運維管理水平而定，需統(tǒng)籌考慮每種工藝路線的優(yōu)劣勢與自身需求予以比選。

半干法(濕法)脫硫+SCR脫硝工藝近年來成功應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)燒結(jié)超低排放改造過程中，脫硫效率≥95%，脫硝效率在70%～85%之間[2]。該組合工藝技術(shù)成熟，污染物脫除效率高，適用性強，可滿足國家與地方超低排放限值要求，尤其適用于目前我國已建成燒結(jié)機頭煙氣脫硫提標(biāo)及配套建設(shè)脫硝設(shè)施的改造項目。但主要問題是催化劑活性溫度窗口需進行煙氣換熱，尤其是濕法脫硫。因此企業(yè)往往會首選前置脫硝，以促進節(jié)能降成本，但忽視了機頭靜電除塵顆粒物濃度較高與堿金屬灰的摻入，造成SCR催化劑物理與化學(xué)失活，大幅降低脫硝活性，增加系統(tǒng)阻力。所以企業(yè)在選擇此種組合工藝時一定要結(jié)合自身煙氣工況條件，謹(jǐn)慎選擇SCR脫硝裝置前置的設(shè)計。而后置脫硝也需考慮噴氨量較大時所帶來氨逃逸的二次污染問題。此外，在超低排放限值出臺之前，部分企業(yè)建設(shè)的活性炭/焦脫硫脫硝設(shè)施由于脫硫劑裝填量不足、設(shè)計排放水平未匹配等問題，導(dǎo)致出口二氧化硫與氮氧化物無法達到超低排放限值要求。因此，鋼鐵企業(yè)結(jié)合自身工藝路線，在原有一體化脫硫脫硝裝置基礎(chǔ)上，采用串級活性炭/焦裝置或加設(shè)SCR來實現(xiàn)氮氧化物的達標(biāo)排放。且針對排口顆粒物超標(biāo)問題，可通過調(diào)整篩板或加裝除塵設(shè)施予以解決。

1.1.2高爐煤氣精脫硫項目建設(shè)

高爐煤氣中的硫主要來源于焦炭和煤粉，其中焦炭的含硫量占比較大。高爐煤氣可從源頭控制含硫量，一般建議焦炭含硫率小于0.6%，煤粉含硫率小于0.4%。且為了實現(xiàn)精脫硫往往需要在末端建設(shè)治理設(shè)施，將煤氣中的有機硫轉(zhuǎn)化為無機硫后進行脫除，主要有以下幾種工藝路線。

一是水解催化轉(zhuǎn)化工藝。目前鋼鐵行業(yè)已建成或正在實施的羰基硫水解工藝，在常溫或中溫、中低壓工況下實現(xiàn)羰基硫、二硫化碳等小分子有機硫向無機硫的轉(zhuǎn)化，布置于高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置(TRT)或高爐能量回收機組(BPRT)之前，壓損小于10kPa，設(shè)備、管線等工藝裝置投資較低，對高爐TRT/BPRT煤氣發(fā)電的影響降至最低。

二是加氫催化轉(zhuǎn)化工藝。加氫催化轉(zhuǎn)化工藝主要用于化工行業(yè)制甲醇等深加工過程，在較高的操作壓力和中高溫操作條件下，將有機硫徹底轉(zhuǎn)化為無機硫。提高壓力可增加正反應(yīng)速度。加氫轉(zhuǎn)化工藝不僅對羰基硫、二硫化碳等小分子有機硫能進行高精度轉(zhuǎn)化，對硫醇、硫醚、噻吩等大分子有機硫組分也能有效轉(zhuǎn)化，加氫轉(zhuǎn)化率高，但由于加氫反應(yīng)的設(shè)備和管線均為中高溫、中高壓系統(tǒng)[3]，因此裝置投資與運行費用較高，鋼鐵企業(yè)實施動力不足。

三是吸附轉(zhuǎn)化工藝。該工藝主要采用比表面積很大的分子篩或微晶材料作為吸附劑，吸附煤氣中的有機硫和無機硫[3]，用于煤氣精制，通過提升物料的比表面積及其對多種硫化物的吸附性能，提高吸附傳質(zhì)速度及硫容等關(guān)鍵參數(shù)，從而提高脫硫效率。但由于吸附材料價格較為昂貴，設(shè)備投資較高，占地面積大，即使材料理論使用壽命較長，但針對動輒數(shù)十萬煤氣量的高爐煤氣精脫硫工藝，整體經(jīng)濟可行性欠佳，企業(yè)投資負(fù)擔(dān)較大。

四是干法脫硫工藝。以氧化鐵、氧化鋅、活性炭/焦等作為脫硫劑的固定床式干法脫硫技術(shù)，此種工藝在實際生產(chǎn)當(dāng)中存在廢棄脫硫劑的處理困難等問題, 容易對環(huán)境造成二次污染，因此此類脫硫工藝通常用于較小氣量煤氣的深度脫硫[3]。特別是對于自有活性炭/焦生產(chǎn)線與一體化脫硫脫硝設(shè)施的鋼鐵企業(yè)，建議可嘗試用于中小規(guī)模高爐的煤氣精脫硫項目。

五是催化氧化法工藝。以含催化劑的弱堿液作為吸收劑，將煤氣中有機硫轉(zhuǎn)化為硫化氫以實現(xiàn)高比例脫除的工藝路線[4]，常見的有以氨或鈉源為吸收劑，應(yīng)關(guān)注最終脫硫廢液的處置，處理后廢液用作高爐沖渣水時，要加強監(jiān)管，防止脫硫廢液違法排放，造成環(huán)境污染。

六是化學(xué)吸收工藝。以堿液作為吸收劑，將煤氣中有機硫轉(zhuǎn)化形成的硫化氫與原有硫化氫一并通過堿液淋洗實現(xiàn)高比例脫除。此工藝路線的重點在于需考慮后續(xù)脫硫廢液的達標(biāo)處理問題，直接匯入生產(chǎn)廢水將對后續(xù)綜合污水處理廠的進水水質(zhì)造成影響，或不處理直接用于高爐水沖渣環(huán)節(jié)，將導(dǎo)致廢水無法滿足《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13456)達標(biāo)排放或正常回用要求。

1.2 無組織管控治一體化系統(tǒng)創(chuàng)建

無組織管控治一體化系統(tǒng)通過原料庫封閉與煤筒倉技術(shù)，在受卸料、供給料過程如汽車受料槽、火車翻車機、鏟車上料、皮帶轉(zhuǎn)運點等易產(chǎn)塵點位采用抽風(fēng)除塵或抑塵的方式優(yōu)化作業(yè)環(huán)境，輔以噴淋或干霧抑塵，確保原料系統(tǒng)儲運粉塵排放得到有效控制。同時，封閉料棚出口處帶抖水或烘干功能的洗車機裝置，實現(xiàn)對貨運車輛帶料遺撒的有效控制。通過大數(shù)據(jù)、機器視覺、源解析、擴散模擬、污染源清單、智能反饋等技術(shù)，如利用鷹眼設(shè)施實現(xiàn)封閉料場內(nèi)裝載車輛運動與抑塵措施的聯(lián)動。開展全廠無組織塵源點的清單化管理，將治理設(shè)施與生產(chǎn)設(shè)施、監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)動，對無組織治理設(shè)施工作狀態(tài)和運行效果進行實時跟蹤，實現(xiàn)無組織治理向有組織治理轉(zhuǎn)變[5]。

1.3 智能化監(jiān)測監(jiān)控信息平臺搭建

1.3.1大氣污染物實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

智能化監(jiān)測監(jiān)控信息平臺能夠?qū)?biāo)超低排放要求，全面提升自證清白能力與監(jiān)管效能。該平臺能夠?qū)Ω鞴に嚿a(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集，并打通各區(qū)域管控平臺間的網(wǎng)絡(luò)通信布設(shè)。在系統(tǒng)界面上用戶可以自主添加無組織排放、有組織排放和生產(chǎn)設(shè)施監(jiān)測點、監(jiān)測參數(shù)，以周期性報告方式統(tǒng)計各監(jiān)測點的超低排放達標(biāo)比例，直觀顯示超低排放的完成度，系統(tǒng)中詳實的數(shù)據(jù)將可作為超低監(jiān)測評估依據(jù)之一。

1.3.2無組織管控治實現(xiàn)一體化

無組織管控治一體化項目建立三維立體的網(wǎng)格化監(jiān)測監(jiān)控體系，對鋼鐵企業(yè)全廠密閉料棚生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域、物料轉(zhuǎn)運點區(qū)域、廠區(qū)道路環(huán)境和焦化生產(chǎn)區(qū)域的無組織排放過程、治理設(shè)施運行狀態(tài)和重點區(qū)域顆粒物濃度等進行了全方位監(jiān)控。搭配封(密)閉、收塵、抑塵等技術(shù)措施對所有覆蓋范圍內(nèi)的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)、物料密閉存儲和運輸、物料封閉儲存和運輸以及全廠道路環(huán)境等無組織排放粉塵污染源進行全面治理，并對所有治理設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)進行集中管控。此外，系統(tǒng)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及模型擬合，還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)詳情與對比、污染熱力圖分析、污染物擴散預(yù)測預(yù)警、污染物溯源、視頻記錄庫、智能分析報告、車輛違章管理和廠內(nèi)車輛智能調(diào)度等多項數(shù)據(jù)應(yīng)用分析功能。

1.3.3生產(chǎn)與環(huán)保設(shè)施聯(lián)動監(jiān)管機制

將有組織排放監(jiān)測點監(jiān)測參數(shù)的數(shù)據(jù)趨勢曲線、環(huán)保設(shè)備的電流曲線、生產(chǎn)過程記錄等信息進行聯(lián)動分析，使現(xiàn)有數(shù)據(jù)不再是沉睡的記錄，而是基于各個生產(chǎn)工序特征所賦予系統(tǒng)之間互聯(lián)及管理紐帶。環(huán)保智能化管理將不僅僅局限于現(xiàn)有治理措施的運行和記錄，而是更加注重于生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的深度匹配，提升節(jié)能降耗水平，優(yōu)化生產(chǎn)過程節(jié)奏，成為提升環(huán)保績效管理和輔助生產(chǎn)的智能化全局管理平臺。

1.3.4門禁及物流系統(tǒng)統(tǒng)一管理接口

將鋼鐵企業(yè)廠區(qū)門禁及物流運輸管理系統(tǒng)統(tǒng)一納入智能化監(jiān)測監(jiān)控信息系統(tǒng)進行管理。當(dāng)車輛進入廠區(qū)時，能夠通過門禁系統(tǒng)判斷車輛排放標(biāo)準(zhǔn)、對應(yīng)車牌及運送物料信息，并上傳至智能化管理系統(tǒng)中，用于后續(xù)查詢、匯總、分析與考核。廠區(qū)內(nèi)運送物料時，對貨運車輛進行實時監(jiān)控，對污染違規(guī)行為實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)污染行為直接通過系統(tǒng)進行識別判定與考核內(nèi)容下發(fā)，大幅提高時效性與實時監(jiān)管力度。

1.4 源頭實施清潔化運輸結(jié)構(gòu)變革

對標(biāo)《意見》中對于鋼鐵企業(yè)清潔化運輸?shù)恼w要求，通過卓越環(huán)?？冃Ч芾砟Ｊ綄︿撈筮M行貨運線路、倉儲、皮帶或管帶機結(jié)構(gòu)性優(yōu)化改造，解決 “車輪上的鋼鐵企業(yè)”在綠色物流運輸層面的先天短板。汽運短倒車輛輛次的壓減方面，利用皮帶通廊與管帶機實現(xiàn)鐵精礦、焦炭、噴吹煤、塊礦等大宗原燃料的清潔化運輸，大幅減少內(nèi)部短倒車輛輛次。

此外，規(guī)劃廠外汽運車輛受限點旨在減少貨運車輛穿越廠區(qū)內(nèi)部道路倒運。利用受卸料槽與皮帶上料系統(tǒng)的組合搭配，實現(xiàn)對燒結(jié)、煉鐵用原輔燃料的清潔化運輸，同時保證廠區(qū)內(nèi)無貨運車輛進入，廠容廠貌與環(huán)保6S管理得到明顯改善，將從源頭大幅減少由于汽運進廠帶來的無組織逸散問題。

2 鋼鐵企業(yè)全流程超低排放相關(guān)建議

鋼鐵企業(yè)全流程超低排放改造需結(jié)合自身現(xiàn)存問題進行系統(tǒng)方案設(shè)計，涵蓋有組織、無組織、監(jiān)控監(jiān)測與清潔化運輸?shù)软椖啃问?。除了環(huán)保設(shè)施硬件投入，也需要通過智能環(huán)保綜合管控平臺的決策輔助，全流程卓越環(huán)?？冃Ч芾眢w系動態(tài)實施，確保企業(yè)持續(xù)保持超低排放成果。

2.1 堅持因企施策，制定可行性超低排放改造方案

遵循《意見》與《指南》全流程超低排放改造項目實施要求，企業(yè)應(yīng)自行或聘請權(quán)威第三方機構(gòu)，深入現(xiàn)場剖析問題，梳理污染防治設(shè)施與監(jiān)控監(jiān)管、清潔運輸?shù)确矫鏉撛陔[患。根據(jù)企業(yè)規(guī)模、生產(chǎn)裝備與工況條件、場地現(xiàn)狀與人員技術(shù)管理水平等要素因企施策，制定可滿足排放水平要求、經(jīng)濟可行性較佳、技術(shù)較為成熟且有成功案例的燒結(jié)機頭煙氣脫硫脫硝、高爐煤氣精脫硫、無組織管控治一體化、鐵運或水運及管帶機等全方位整改方案，以此助力鋼鐵企業(yè)超低排放改造項目高質(zhì)量落地。

2.2 創(chuàng)建綜合管控平臺，有效助力企業(yè)環(huán)境管理升維

將全廠有組織排放管理、無組織管控治一體化、生產(chǎn)與環(huán)保設(shè)施聯(lián)動監(jiān)控監(jiān)管、門禁及物流運輸體系清潔化等措施均引入智慧環(huán)保管控平臺，通過智能分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)在線監(jiān)測、無組織排放聯(lián)動控制、視頻監(jiān)控與監(jiān)測點位、門禁物流運輸管控數(shù)據(jù)的實時分析與問題上報，并可根據(jù)網(wǎng)格化責(zé)任區(qū)域劃分考核到人。為企業(yè)環(huán)保管理人員實現(xiàn)快速反應(yīng)、精準(zhǔn)調(diào)度與科學(xué)決策提供智能管理抓手，在滿足超低排放監(jiān)管要求的基礎(chǔ)上，真正解決企業(yè)環(huán)保裝備“用不用”與效果“好不好”的根本問題，實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)環(huán)境管理績效水平的維度提升。

2.3 持續(xù)卓越環(huán)?？冃Ч芾?，長效保持超低排放成果

鋼鐵企業(yè)應(yīng)從工藝裝備經(jīng)濟適用性、環(huán)保指標(biāo)先進和穩(wěn)定性、前沿環(huán)保技術(shù)跟蹤研發(fā)、組織管控模式、人力配備、運營操作規(guī)范、檢測反饋、績效激勵、智能系統(tǒng)集成創(chuàng)新、管理者與一線員工宣傳培訓(xùn)等方面全面提升環(huán)?？冃Ч芾硭?，在硬實力全面達到超低排放的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)卓越績效管理體系的貫標(biāo)執(zhí)行，確保企業(yè)環(huán)?？冃е笜?biāo)持續(xù)一流與環(huán)境治理指標(biāo)穩(wěn)定運行，一體化智能環(huán)保綜合管控系統(tǒng)應(yīng)用效果凸顯。通過環(huán)保硬實力與軟實力的有機結(jié)合，才能真正將企業(yè)全方位超低排放改造成果長效保持、經(jīng)得起歷史檢驗。