全球鋼鐵行業(yè)探路綠色化

劉國偉

冶煉流程決定污染物排放多寡

為深化工業(yè)污染治理、堅決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，近年來國家多部門堅持不懈地推進(jìn)鋼鐵行業(yè)升級轉(zhuǎn)型，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變。

讀者們印象中的鋼鐵冶煉少不了高爐林立，但從細(xì)分上，目前的鋼鐵生產(chǎn)工藝大體可以分為一長一短兩大流程。其一是從礦石到鋼鐵的“長流程”，即以鐵礦石、焦炭等為原料，采用燒結(jié)爐、高爐和轉(zhuǎn)爐等設(shè)備生產(chǎn)鋼鐵的過程；其二是利用廢鋼為主要原料，采用電弧爐和中頻爐等設(shè)備，進(jìn)行廢鋼重熔精煉的工藝過程，其中電弧爐的應(yīng)用最廣泛，因此“短流程”通常指電弧爐煉鋼。

發(fā)達(dá)國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)污染程度更輕的一個重要原因就與上述不同流程有關(guān)，因為“短流程”的電弧爐煉鋼污染物排放要更少。一方面，電能具有清潔、高效、方便等優(yōu)點，是工業(yè)化發(fā)展的優(yōu)選能源，尤其是可持續(xù)的“綠色”電能更具有重要的環(huán)保意義；另一方面，電爐煉鋼是一種鐵資源回收再利用過程，也是一種處理污染的環(huán)保技術(shù)。有數(shù)據(jù)顯示，由于歐美廢鋼鐵回收率很高，歐盟近年來電弧爐出產(chǎn)的粗鋼占自身總產(chǎn)量四成以上，相比之下多年來我國鋼鐵企業(yè)采用電弧爐不到一成，遠(yuǎn)低于世界平均水平。不過隨著國內(nèi)廢鋼產(chǎn)量的增加以及電力成本的降低，我國電弧爐煉鋼產(chǎn)量比例提升很快，未來成長空間很大。這一事實也有力地說明了循環(huán)經(jīng)濟(jì)對鋼鐵行業(yè)治污的重大意義。

與燃煤發(fā)電行業(yè)相比，鋼鐵行業(yè)的煙氣成分更加復(fù)雜，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性上存在諸多挑戰(zhàn)。接下來，我們具體從技術(shù)和設(shè)備等角度對發(fā)達(dá)國家的鋼鐵行業(yè)治污做一下了解。

歐盟從除塵和凈化入手

2019年，歐盟28國的粗鋼產(chǎn)量為1.594億噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于中國的9.963億噸。歐盟加強(qiáng)鋼鐵工業(yè)的污染物排放控制既得益于法律法規(guī)的約束，同時也與其解決環(huán)保技術(shù)難題相結(jié)合，這主要體現(xiàn)在燒結(jié)程序和高爐有害氣體凈化方面。

歐盟的鋼鐵燒結(jié)廠普遍極其重視提升除塵技術(shù)。所謂燒結(jié)，簡單講就是把細(xì)粉狀原材料通過反應(yīng)變成塊狀物料，并在物理性能和化學(xué)組成上能滿足下一步加工要求的過程，這個過程中產(chǎn)生的有害廢氣量很大。對燒結(jié)廠廢氣排放的嚴(yán)格限制，使歐盟的鋼鐵企業(yè)采用多種技術(shù)解決廢氣排放的問題，如活性炭吸附工藝、移動電除塵、廢氣干法凈化和煙氣循環(huán)等。

燒結(jié)廢氣中的粉塵有一定的電阻，不能采用傳統(tǒng)的靜電除塵方法使之沉積，脈沖極板不能完全地將黏性很強(qiáng)的粉塵清掃掉。而使用移動式極板，粉塵可以被旋轉(zhuǎn)鋼絲刷清掃干凈，這樣就能避免受到反吹的不良影響，實現(xiàn)對燒結(jié)廢氣更好地除塵。這項移動電極靜電除塵技術(shù)設(shè)備安裝在德國艾森許騰斯塔特工廠的燒結(jié)機(jī)上，取得了很好的除塵效果。

為了消除燒結(jié)煙氣中二噁英的排放，歐盟有些鋼鐵企業(yè)向廢氣管道內(nèi)噴吹褐煤半焦粉末、環(huán)形爐焦粉或活性煤作為吸附劑。環(huán)形爐焦粉或活性煤是有效的二噁英吸附劑，它可以與電磁濾袋和布袋結(jié)合起來使用。德國迪林根的羅吉薩燒結(jié)廠、薩爾茨吉特鋼鐵公司和蒂森克虜伯歐洲分公司的燒結(jié)廠，都在末端凈化處理的布袋設(shè)備使用了拖拽流吸收工藝，廢氣經(jīng)5600個布袋過濾，大大降低了二噁英排放濃度，能夠達(dá)到所有的排放指標(biāo)。

歐盟在高爐煉鐵上對污染源的凈化與減排抓得很緊。高爐區(qū)域有害氣體排放的主要污染源是高爐爐頂煤氣、出鐵場和熱風(fēng)爐。高爐爐頂煤氣經(jīng)凈化后，通常用作鋼廠不同加熱設(shè)備的燃料。爐頂煤氣凈化系統(tǒng)包括粉塵捕集、旋風(fēng)除塵和煤氣清洗設(shè)備，出鐵場使用了多聯(lián)除塵系統(tǒng)，還有許多高爐將高爐渣直接?；?，這都有效降低了有害氣體與粉塵的排放。

先進(jìn)產(chǎn)鋼國重視VOCs減排

目前，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為鋼鐵生產(chǎn)過程焦化工序產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），燒結(jié)工序由于使用燃料，也是VOCs來源之一。所謂VOCs，是以氣態(tài)分子形態(tài)排放到空氣中的所有有機(jī)化合物的總稱，是臭氧和PM2.5的重要前體物。一般認(rèn)為鋼鐵工業(yè)燒結(jié)過程中，VOCs是由焦炭、含油氧化鐵皮等原燃料中的揮發(fā)性物質(zhì)形成的，以氣體形式排放，在某些操作條件下同時形成二惡英和呋喃。發(fā)達(dá)國家鋼鐵工業(yè)在減少燒結(jié)過程VOCs排放方面，采取了三類措施——源頭削減、過程控制和末端治理。

在源頭削減方面，由于大部分碳?xì)浠衔镌?00攝氏度至800攝氏度時在燒結(jié)混合物中揮發(fā)，并且通過廢氣從燒結(jié)過程排出，因此減少含油粉塵和軋屑使用可減少VOCs排放。這方面的主要技術(shù)包括：分開挑選低含油量的粉塵和軋屑以限制油類投入；減少軋屑的含油量；凈化軋屑，加熱軋屑至800攝氏度，使石油碳?xì)浠衔飺]發(fā)；使用溶劑從軋屑中提取油類等。

在過程控制方面，可以采用燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝將燒結(jié)臺車的部分熱廢氣（即燒結(jié)機(jī)頭煙氣）再次引入燒結(jié)料層循環(huán)利用，熱廢氣所含的VOCs在通過1300攝氏度以上的燒結(jié)帶時被分解。

燒結(jié)煙氣循環(huán)利用不但可以顯著減少廢氣排放總量及污染物排放量，且能回收煙氣中的余熱、降低燒結(jié)工序能耗、改善燒結(jié)礦質(zhì)量，具有較大的節(jié)能減排和推廣應(yīng)用價值。日本是最早開展燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)應(yīng)用的國家。1981年，世界首套煙氣循環(huán)工藝裝置在日本住友金屬工業(yè)公司小倉鋼鐵廠的燒結(jié)機(jī)上投入運(yùn)行。國外典型煙氣循環(huán)工藝主要有4種，分別是日本新日鐵公司開發(fā)的區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)、荷蘭艾默伊登公司開發(fā)的排放優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)（EOS）、德國HKM公司開發(fā)的燒結(jié)過程降低排放和能耗優(yōu)化技術(shù)（LEEP）、奧地利奧鋼聯(lián)公司開發(fā)的燒結(jié)環(huán)境工藝優(yōu)化技術(shù)（EPOSINT）。

在末端治理方面，主要技術(shù)有日本的活性炭法和奧鋼聯(lián)的“高性能燒結(jié)廢氣凈化法（MEROS）”。《環(huán)境與生活》雜志記者從專業(yè)文獻(xiàn)上了解到，國外先進(jìn)產(chǎn)鋼國家對燒結(jié)煙氣VOCs的控制較為嚴(yán)格，治理也取得較大的進(jìn)展。自2012年以來，我國VOCs治理行業(yè)發(fā)展大大加快。

歐盟和日本摸索以氫代焦炭技術(shù)

今年9月，中國國家主席習(xí)近平在紐約聯(lián)合國大會上宣布，中國爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。對于我國這樣一個傳統(tǒng)的高爐流程占據(jù)很大比重、環(huán)境負(fù)荷高的鋼鐵生產(chǎn)國，要實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排和健康發(fā)展就要研發(fā)和嘗試更多的綠色技術(shù)。

上世紀(jì)五六十年代，歐美開始了氣基直接還原煉鐵技術(shù)的探索，大幅減少硫化物和氮化物排放。但這些早期開發(fā)的各種非高爐煉鐵技術(shù)，主要是為了解決減少硫化物和氮化物的排放和優(yōu)質(zhì)焦煤資源短缺等問題，而且在實際工業(yè)應(yīng)用時總能耗未呈現(xiàn)顯著的降低，二氧化碳減排問題也未得到徹底解決。近些年來，面對《巴黎協(xié)定》二氧化碳排放量削減的艱巨任務(wù)，鋼企尤其是長流程鋼企如何有效降低二氧化碳排放強(qiáng)度成為亟待解決的問題。以歐洲“超低二氧化碳煉鋼（ULCOS）”項目、日本“環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術(shù)開發(fā)項目（COURSE50）”和德國的碳變化工產(chǎn)品項目（Carbon2Chem，能將鋼廠廢氣轉(zhuǎn)化為合成燃料甲醇）為代表的技術(shù)，追求低碳煉鐵，為探索低污染和低碳煉鐵工業(yè)化的路徑做了有益的嘗試。

歐洲的ULCOS項目在低碳高爐煉鐵新技術(shù)方面，研究了爐頂煤氣循環(huán)工藝，該工藝的亮點之一是使用回收的一氧化碳作為還原劑，減少焦炭用量。

日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排，開發(fā)了部分使用氫代替焦炭作為還原劑的氫還原煉鐵法，并預(yù)期通過該支柱技術(shù)研發(fā)應(yīng)用而實現(xiàn)的碳減排目標(biāo)為10%。2015年，新日鐵公司在住金君津廠建成了小型試驗高爐（容積10立方米）進(jìn)行高爐風(fēng)口噴吹試驗，隨后進(jìn)行了爐體拆解研究，確認(rèn)部分使用氫作為還原劑的氫還原煉鐵法可使二氧化碳排放量低值接近期望的減排目標(biāo)。2018年11月，日本鋼鐵聯(lián)盟提出了以2100年為目標(biāo)的“挑戰(zhàn)零碳鋼”的地球變暖對策長期愿景，計劃在2030年將COURSE50項目投入運(yùn)行，待條件成熟后，將進(jìn)行不使用高爐的氫還原鐵的開發(fā)。

此外，德國的蒂森克虜伯集團(tuán)與液化空氣公司合作，計劃到2050年投資100億歐元開展“以氫代煤”高爐冶煉項目。2018年11月，蒂森克虜伯正式將氫氣通過一個風(fēng)口注入杜伊斯堡9號高爐，進(jìn)行氫煉鐵試驗。這標(biāo)志著該項目一系列測試的開端，2019年蒂森克虜伯宣布試驗成功。蒂森克虜伯還計劃從2022年開始，在該地區(qū)其他三座高爐都用氫氣代替煤進(jìn)行冶煉，從而降低鋼鐵生產(chǎn)的污染物和碳排放。用氫氣代替焦炭，充足和來源可持續(xù)的氫氣供應(yīng)不可或缺。杜伊斯堡的這次試驗，液化空氣公司通過其位于萊茵-魯爾區(qū)全長200 公里的管道確保穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)。

由于超高溫核反應(yīng)堆（VHTR）的反應(yīng)產(chǎn)物是氫氣與電能，這給了韓國以新的設(shè)計思路。早在2009年，韓國原子能研究院與浦項制鐵公司等韓國13家企業(yè)及研究單位共同簽署原子能氫氣合作協(xié)議，正式開展核能制氫信息交流和技術(shù)研發(fā)。2010年5月，浦項制鐵正式著手開發(fā)超高溫反應(yīng)堆。預(yù)計2025 年開始反應(yīng)堆試運(yùn)行，預(yù)計2030 年在2座高爐實際投入使用，到 2040年在12座高爐投入使用，從而完成氫還原煉鐵。

另外，瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典大瀑布電力公司和瑞典礦業(yè)公司正在聯(lián)合開發(fā)非化石能源鋼鐵項目“突破性氫能煉鐵技術(shù)（HYBRIT，即HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology的縮寫），主要采用氫氣替代煤炭作為還原劑，目標(biāo)是在2035年之前創(chuàng)建使用非化石能源的鋼鐵生產(chǎn)工藝。該項目有望減少瑞典二氧化碳排放總量的10%，芬蘭二氧化碳排放總量的7%，得到了瑞典能源署部分資金支持。在瑞典國內(nèi)，這一減排量將對該國達(dá)到減排目標(biāo)起到重要作用。

重視從“大環(huán)?！鄙祥_展鋼鐵治污

前面我們用大篇幅從具體技術(shù)和設(shè)備角度介紹了國外鋼鐵行業(yè)的污染治理情況和趨勢，著眼點較為具體，這些思路和技術(shù)在國內(nèi)通常稱為“小環(huán)?！?。相比之下，在策略、流程、管理和政策等方面開展鋼鐵行業(yè)治污的工作則被稱為“大環(huán)?！薄?/p>

鋼鐵在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝卸、儲存、轉(zhuǎn)移、輸送過程中顆粒物無組織排放的問題，是個全球性的突出問題，德國在這方面對車間和料場等無組織排放實行分類管理。對于車間無組織排放，嚴(yán)格控制煉鋼車間的密閉措施，盡量減少車間內(nèi)的冶煉二次煙氣外溢情況出現(xiàn)。對于料場無組織排放，在保證廠界外達(dá)到環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的前提下，未對鋼鐵企業(yè)提出料場全封閉等成本較高的措施要求。歐盟鋼鐵行業(yè)的最佳可行技術(shù)（BAT）要求，通過直接測量、間接測量、排放系數(shù)等方法確定無組織排放大小。

長期以來，日本的鋼鐵公司密切關(guān)注循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策和法律。日本于1995年頒布了《容器包裝再生法》和《家電再生法》，并從2000年和2001年開始全面實施。2000年，日本又頒布了《建設(shè)循環(huán)型社會基本法》及《資源有效利用促進(jìn)法》等一系列配套法規(guī)，從而推動了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。按照《資源有效利用促進(jìn)法》的規(guī)定，鋼鐵工業(yè)作為資源高消耗行業(yè)，在做好節(jié)能和節(jié)約資源的同時應(yīng)充分利用好企業(yè)內(nèi)部的工業(yè)“三廢”。日本鋼鐵聯(lián)盟在其2010年節(jié)能、環(huán)保志愿計劃中，除明確直接節(jié)能10%和工業(yè)“三廢”基本不外排以外，還要求在冶煉過程中使用廢塑料，通過低溫余熱供應(yīng)社區(qū)和發(fā)展高效鋼材實現(xiàn)節(jié)能5.5%的廣義節(jié)能任務(wù)。

鋼鐵產(chǎn)業(yè)治污 中國迎頭趕上

我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國。國家發(fā)改委提供的資料顯示，2019年全國生鐵、粗鋼和鋼材產(chǎn)量分別為8.09億噸、9.96億噸和12.05億噸，同比分別增長5.3%、8.3%和9.8%，粗鋼產(chǎn)量再創(chuàng)歷史新高。近年來，通過采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重點地區(qū)企業(yè)異地搬遷、強(qiáng)化末端污染治理等措施，我國積極推進(jìn)鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排工作，并取得了重要進(jìn)展。這些措施使得在全國鋼鐵產(chǎn)量上升的同時實現(xiàn)了污染物排放總量下降，但由于鋼鐵行業(yè)總產(chǎn)量巨大，排放水平參差不齊，行業(yè)總排放量依然高企不下。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士披露，目前我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫硫、除塵的工藝已經(jīng)十分成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放相應(yīng)的指標(biāo)，在技術(shù)路線上也有很多的選擇，但在鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工序上煙氣波動比較大，沒有適應(yīng)現(xiàn)有成熟脫硝工藝技術(shù)的溫度氣段。現(xiàn)有技術(shù)如何結(jié)合煙氣特點做適當(dāng)?shù)淖兓?，以提高鋼鐵工業(yè)煙氣凈化成效，應(yīng)成為當(dāng)前我國工業(yè)煙氣污染治理領(lǐng)域重要的科研攻關(guān)方向。

另外，隨著我國城鎮(zhèn)化速度的提升，我國很多鋼鐵企業(yè)被城區(qū)包圍，面臨的環(huán)保敏感度越來越高。位于南京的寶鋼股份上海梅山鋼鐵股份有限公司，也因此在探索城市鋼廠與城市功能共融共生的解決路徑，向綠色鋼廠轉(zhuǎn)型。2017年12月，梅山鋼鐵的燒結(jié)煙氣干式超凈及催化氧化吸收協(xié)同脫硝裝備順利通過了168小時運(yùn)行考核，現(xiàn)場排放檢驗表明遠(yuǎn)低于京津冀大氣污染傳輸通道城市大氣污染物特別排放限值。該設(shè)備運(yùn)行至今，標(biāo)志著全球首套可實現(xiàn)燒結(jié)煙氣多污染物干式協(xié)同處理的超凈裝備正式誕生。

近些年來，全球鋼鐵企業(yè)根據(jù)本身的實際情況，選擇發(fā)展不同的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程，環(huán)境友好始終是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展不可缺少的重要課題。在此大背景下，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)更需加快推進(jìn)污染治理步伐，貫徹好生態(tài)環(huán)境部等部門去年發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，推動全國尤其是重點區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善，為自身可持續(xù)發(fā)展贏得空間。

（本文在寫作中參考了歐盟、日本新日鐵公司和德國蒂森克虜伯公司等官方網(wǎng)站的信息，在此一并致謝?。?/p>