北京科技大學能源與環(huán)境工程學院院長邢奕教授：鋼鐵行業(yè)的超低排放如何煉成

鄭挺穎 許瀾馨

鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是資金、技術、資源、能源密集型行業(yè)。我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)20余年保持全球第一。但是，鋼鐵行業(yè)也是耗能和排污大戶，是我國“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”的主戰(zhàn)場之一。

10月13日，《環(huán)境與生活》雜志記者來到北京科技大學能源與環(huán)境工程學院，采訪了該院院長邢奕教授，聽他介紹了國內(nèi)鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的最新動向及前沿科技。

我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，2019年粗鋼產(chǎn)量9.963億噸，占世界粗鋼總產(chǎn)量的53%。雖然我國在鋼鐵行業(yè)已經(jīng)取得了卓越的成就，但隨之而來的污染問題也是不容輕視的。鋼鐵生產(chǎn)具有工藝流程長、產(chǎn)污環(huán)節(jié)多、污染物排放量大的特點。據(jù)測算，2018年鋼鐵行業(yè)二氧化硫、氮氧化物和顆粒物排放量分別為105萬噸、163萬噸、273萬噸，約占全國排放總量的6%、9%、19%。隨著近年來我國環(huán)境治理力度不斷加強，特別是燃煤電廠實施超低排放以來，火電行業(yè)污染物排放量大幅度下降。2017年，鋼鐵行業(yè)主要污染物排放量已超過電力行業(yè)，成為工業(yè)部門最大的污染物排放來源。

鋼鐵是怎樣煉成的？

10月13日，在接受《環(huán)境與生活》記者采訪時，邢奕院長笑著說，想要知道鋼鐵冶煉過程中污染物的來源，就要先明白“鋼鐵是怎樣煉成的”。鋼鐵的冶煉過程是一個長流程，大致可分為采礦、選礦、燒結、球團、煉焦、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等環(huán)節(jié)。同時，鋼鐵冶煉本身也是一個“三高”過程，即高能耗、高物耗、高排放。

邢奕院長耐心介紹，首先，在礦山里開采出品位較高的鐵礦石，將它們破碎并磨成細粉后進行磁選富集。含鐵礦物具有磁性，經(jīng)過磁選得到的鐵精粉含鐵品位會進一步提高。隨后，鐵精粉作為原料進入燒結工序，混以燃料和溶劑，在高溫下燒制成具有一定強度、粒度的燒結礦或球團礦，而后再將燒結礦和球團礦運送至高爐內(nèi)煉鐵。煉鐵工序大部分采用高爐煉鐵技術，但是由于鐵精粉直接加到高爐里會影響料柱的透氣性，所以需要將它們制成燒結礦或球團礦。舉一個形象一點的例子，就是把粉末狀鐵礦粉高溫燒制成像小丸子一樣的形態(tài)。無論是燒結礦還是球團礦，雖然工藝不同，但是它們制造出來的產(chǎn)品都是裝入高爐進行冶煉。高爐煉鐵后，生成的鐵水進行轉爐煉鋼，煉鋼后再進行連鑄生產(chǎn)鋼坯。當鋼坯出爐后，進行切割，再將切割好的鋼坯加熱后送入軋機進行軋鋼生產(chǎn)。

污染物主要源于燒結工序

邢奕教授解釋：“燒結是整個鋼鐵冶煉過程中污染物排放量最大的工序，其排放的污染物可占鋼鐵冶煉過程中污染物總排放的40%至50%。燒結的整個過程都伴隨著高溫反應，在高溫條件下，燒結混合料中釋放出大量的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)污染物和一氧化碳、二噁英、氯化氫和氟化氫等非常規(guī)污染物。而煉鐵、煉鋼工序的主要污染物是粉塵，污染物種類較單一。相對來說，燒結工序的污染物綜合治理難度較大，投資占比最高?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/03/03/qkimageshjyshjys202010hjys20201009-2-l.jpg"/>

既然污染排放量這么大，為什么不簡化步驟，直接用高溫來煉鋼呢？

邢奕院長接著解釋：“其實，煉鐵和煉鋼是兩個過程，具有明顯的不同。煉鐵是一個還原的過程，將氧化物形式的鐵還原成單質態(tài)的鐵。而煉鋼是個氧化的過程，把高爐生產(chǎn)鐵水里含有的碳氧化掉，因為含碳量高的鋼材，抗壓性很好，但韌性不好，會比較脆。鋼和鐵的最主要區(qū)別就是含碳量不同，要把鐵的含碳量降下去，就得把其中的碳在煉鋼工序氧化掉。從鐵到鋼這個過程產(chǎn)生的污染較小，我們要做的主要是除塵?！?/p>

邢奕教授指出：“雖然簡化步驟直接用高溫煉鋼是不可行的，但簡化步驟的思路卻是對的。例如，我國可以發(fā)展短流程煉鋼，如提升廢鋼-電弧爐煉鋼的比例。目前，我國的鋼鐵冶煉過程是以高爐-轉爐長流程為主，采用廢鋼-電弧爐煉鋼短流程工藝產(chǎn)生的污染物要少得多?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/03/03/qkimageshjyshjys202010hjys20201009-3-l.jpg"/>

現(xiàn)階段，歐美很多國家都以廢鋼為原料，用電弧爐進行煉鋼。短流程煉鋼工序環(huán)節(jié)少，省去了燒結這個“三高”流程，大幅度降低了鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污染物。

既然電弧爐煉鋼有這么多的優(yōu)點，為什么我國沒有廣泛使用呢？邢奕教授表示：“我們目前還處在一個過渡時期。前溯5年，社會廢鋼保有量還不足以支撐我們高比例采用廢鋼為原料來煉鋼。直到最近幾年，廢鋼產(chǎn)生量才開始快速增長。但是，現(xiàn)階段我國電弧爐煉鋼的成本以及廢鋼回收的經(jīng)濟成本還比較高，導致廢鋼-電弧爐短流程工序不掙錢甚至虧錢。再者，我們還沒有形成一個廢鋼回收以及分類比較完善的方法。因為廢鋼中含有較多雜質，在電弧爐冶煉生產(chǎn)中容易產(chǎn)生二噁英這種劇毒的污染物。所以，廢鋼不能很好地回收是會產(chǎn)生很多問題的。雖然我國的電弧爐煉鋼技術還沒形成體系，但這會是我們未來的重點發(fā)展方向?！?/p>

努力完成我國鋼鐵行業(yè)的第三個創(chuàng)新引領

針對燒結這一污染嚴重的工序，邢奕院長說：“一直以來，我們都在積極地優(yōu)化方案，使污染物排放量達到超低。在傳統(tǒng)的高爐工序里，最大的問題是以碳為還原劑，這成為鋼鐵生產(chǎn)碳排放的重點環(huán)節(jié)。過去，我們在高爐里加入焦炭作為還原劑來降低碳排放?，F(xiàn)在，我們正在探索氫冶金以及生物冶金。從使用化石能源向使用氫、生物質材料等轉變。用氫取代焦炭，可以實現(xiàn)更優(yōu)的減排效果。拿氫做還原劑，最終產(chǎn)物為水，這樣就可以減輕污染。”

邢奕教授表示：“在我國鋼鐵行業(yè)不斷的發(fā)展過程中，污染防治也取得了許多傲人的成績，做到了行業(yè)引領，成了全球行業(yè)標桿。”第一個引領是研發(fā)了密相塔半干法脫硫技術。目前，根據(jù)是否加水和加水量的多少，市場上可分為三類脫硫方法：濕法、半干法（加少量的水）以及干法。治理初期燒結廠使用最多的是濕法脫硫，也就是在噴淋條件下，酸性氣體二氧化硫和堿性物質石灰石漿液發(fā)生中和反應的過程，最后產(chǎn)生石膏漿液等脫硫副產(chǎn)物。干法煙氣脫硫，是指在不加水條件下，利用粉狀或粒狀吸收劑、吸附劑或催化劑來脫除煙氣中含硫化物的氣體。

半干法是邢奕院長力推的。因為中和反應在“液膜”內(nèi)進行的速度快，加入少量的水可以極大提高吸收傳質效率。說到這里，邢奕院長強調鋼鐵工業(yè)煙氣治理過程中“寧干勿濕”的原則。在濕法脫硫中，不僅會有很多水蒸氣排出來，還會排出很多可凝結的顆粒物。它們都是霧霾的前體物。半干法不僅克服了濕法脫硫技術的弊端，還擁有占地小、流程簡單、更適應燒結機多變的工況等優(yōu)點。

我國鋼鐵行業(yè)的第二個創(chuàng)新引領是超低排放改造之初，提出了用半干法加上“選擇性催化還原法（SCR）”來實現(xiàn)煙氣脫硫除塵脫硝，另外一種市場上的主流技術是活性焦吸附法，這種技術對于企業(yè)的裝備、管理、技術和人員素質等要求都較高的，不適合全面推開。

現(xiàn)在正在開發(fā)超低排放多功能耦合的技術體系，實現(xiàn)超低排放的同時兼顧節(jié)能、治理固廢和廢物的資源化利用，希望成為鋼鐵行業(yè)的第三個創(chuàng)新引領。例如脫硫脫硝多污染物集并吸附后，將氮氧化物解吸下來，制備成純凈的一氧化氮、二氧化氮氣體產(chǎn)品。根據(jù)“寧物理，勿化學”的理念，邢奕院長解釋：“我們應該盡可能簡單地用物理方法提純分離，如果純度夠的話，最后制備出來的一氧化氮、二氧化氮氣體都是非常有用的產(chǎn)品。我們之前的環(huán)保項目都是純投入，無收益的。如果能在環(huán)境治理的同時，實現(xiàn)廢物資源化并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，那就是在鋼鐵污染防治方面又跨出了一大步?！?/p>

邢奕院長介紹：“經(jīng)過不斷完善優(yōu)化工序，與我們合作的鋼鐵廠，其污染物排放與原來相比已大幅減少。河北《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標準》中的大氣污染物排放限值為：顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不超過10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米。經(jīng)過不懈地努力，我們實現(xiàn)了顆粒物5毫克/立方米，二氧化硫20毫克/立方米，氮氧化物10至30毫克/立方米，甚至更低。”

近幾年，鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟效益下滑較大，今年又受疫情等因素影響，不少鋼鐵企業(yè)面臨存活難題。邢奕教授呼吁：“超低排放是大勢所趨，應該繼續(xù)鼓勵，對于下定決心、花大力氣切實完成超低排放改造的鋼鐵企業(yè)，我建議政府應從稅收、財政、金融、價格、環(huán)保、科技等政策上加大支持力度?！?/p>

探索新技術，優(yōu)化鋼鐵冶煉

與此同時，研究人員們并不滿足于現(xiàn)階段的成績，還在積極地探索鋼鐵冶金新技術。邢奕院長還介紹幾個技術改進的思路：

首先是“精料方針”。鋼鐵生產(chǎn)過程中最重要的任務就是除去雜質，生產(chǎn)具有必要潔凈度、達到規(guī)定化學成分的鋼鐵產(chǎn)品?！艾F(xiàn)有的冶煉過程雖然對作為原料的鐵礦石和作為燃料的煤炭進行了粗略的處理，仍有大量的有害元素殘留其中。這些需要在后續(xù)的煉鐵、煉鋼、精煉過程中一點點除去?！毙袠I(yè)里提出了“精料方針”，期望在入爐冶煉之前，盡量提高原料的潔凈度，以減少污染物的排放。

其次是爐內(nèi)溫度感知。無論是高爐還是轉爐，里面都有很多耐火材料。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)溫度非常高，還沒有儀器可以探測到爐內(nèi)準確的溫度。想了解爐內(nèi)溫度，要么是做數(shù)學模型來估計，要么完全憑借一線工作人員的經(jīng)驗來判斷。全流程的溫度控制不僅涉及產(chǎn)品的冶金質量，也關乎產(chǎn)品的外形尺寸精度、能源與資源的消耗以及污染物的排放。如果能實現(xiàn)全流程一體化的鋼鐵冶煉溫度檢測與控制，這對提高鋼鐵冶煉的整體資源效率，也是一個巨大的突破。

再次，鋼鐵企業(yè)管控進入智能時代。目前，中國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)已實現(xiàn)機械化、自動化與數(shù)字化，達到了工業(yè)2.0的水平。但是鋼鐵工業(yè)工藝流程長，過程復雜，尚未形成全流程一體化的控制技術。現(xiàn)在，一些企業(yè)正在積極建設基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術的鋼鐵企業(yè)整體管控平臺。

最后，鋼鐵行業(yè)的技術革新還致力于減少碳排放。目前，我國的鋼鐵冶煉過程都是以高爐-轉爐的長流程為主，這讓我國鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放強度高于世界平均水平。因此，在未來的研究中，科研人員會將注意力更多地集中在優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程結構、提高品種質量、智能化冶煉、系統(tǒng)化節(jié)能、精料入爐和二氧化碳資源化利用等方面。

鋼鐵冶煉未來如何發(fā)展

那么，未來鋼鐵冶煉大致會朝哪些方向發(fā)展呢？邢奕院長總結道，主要有以下幾個方面：1.通過技術措施，努力減少煤炭使用量；2.研究開發(fā)以氫氣為還原劑的煉鐵新技術；3.通過清潔能源替代煤炭，減少煤炭使用量；4.研究冶金燃氣的深度加工，以天然氣替代冶金燃氣用于各類加熱爐。

不過，邢奕院長坦率地說：“我國雖然在碳減排、污染物治理以及節(jié)省資源能源方面取得不少技術突破，但國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的技術水平參差不齊，既有世界領先的，也有大量中低端的小企業(yè)?？傮w上看，我國鋼鐵行業(yè)在節(jié)能、減排、治污方面還有很大欠缺，未來仍有不小的提升空間。”

綠色的鋼鐵廠和城市可以共生

在采訪的最后，邢奕院長還提出一個觀點：“清潔化生產(chǎn)的鋼鐵廠其實是可以和城市融合發(fā)展的，鋼鐵廠的高溫余熱利用可以為市民解決供暖等很多問題。再者，城市的危廢本身就要進行處置，所以利用鋼鐵廠的生產(chǎn)裝置和環(huán)保裝置就可以實現(xiàn)固廢、危廢處置，不需要再新建專門的焚燒裝置。歐盟、美國、日本等地的不少鋼廠、電廠、垃圾焚燒廠，就建在城市中心，很干凈，很清潔。不需要外遷?！?/p>