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摘 要炼铁工业是高耗能和高污染行业,在炼铁工业过程中实施节能减排措施不仅能降低污染,而且能提升炼铁工业的生产效益.本文主要介绍了我国钢铁工业的污染和节能现状,并对现在行业中的节能减排技术以及其发展和创新状况进行了详细阐述.旨在为我国钢铁工业节能减排的进步提供指导和帮助.
关 键 词炼铁工业；节能减排；低碳经济
中图分类号F426文献标识码A文章编号1674-6708（2013）86-0112-03
0引言
钢铁工业是我国国民经济基础,对我国经济的发展有着巨大的促进作用.随着我国经济的快速发展,钢铁的产量和消费量呈现出快速增长的势头,均名列世界第一.但是,钢铁工业是高污染和高耗能行业,从统计数据来看,钢铁行业总能耗约占全国总能耗的六分之一,炼铁过程中产生的副产品如工业废水、粉尘和SO2排放量也在全国工业污染物的排放总量中占很大的比例.国家“十二五”规划纲中提出,要“大幅度降低能源消耗强度和二氧化碳排放,提高能源利用效率、调整能源消费结构、加快低碳技术研发和应用”,这就从国家规范的层面说明我国对节能减排越来越重视,对节能减排工作逐渐重视起来.而我国钢铁工业现在的能耗状况离国家规定的要求还有较大差距,如在2011年重点钢铁企业中尚有27.2%的炼铁工序未达到国家对钢铁企业生产能耗标准的限额要求,所以钢铁工业现在面临的能源、资源、环境和社会压力问题越来越严峻,节能减排任重道远.钢铁工业节能减排的潜力巨大,实行节能减排和低碳发展成为我国钢铁工业生存、发展并参与激烈竞争的关键问题.
1节能减排和政策现状
现在的研究表明,人们已经无法阻止全球气候变暖的趋势.在地球能承受的范围下,依靠环境的自净作用,地球完全可以实现二氧化碳的循环.但是,随着工业的快速发展,现在的二氧化碳的产生量已经完全超出了地球自身的变化范围,人类的活动尤其是化石燃料的燃烧是促进这种状况产生的主要原因.
现在世界上的主要国家已经认识到这种危机的存在,都已经开始重点发展低碳经济,来减少CO2的排放和防治气候变化的影响.通过低碳经济,就能使能源高效的利用,达到降低温室气体污染的效果.清洁能源开发的主要目的就是来通过能源来代替旧的能源和促进减排技术创新和产业化的形成.如果国家对钢铁企业征收实行二氧化碳排放费,就能抑制钢铁企业的二氧化碳的排放.从钢铁企业来说,就要加快制定适应新的政策的变化的措施,在低碳发展中抢得先机,而不能被动的接收这种变化所产生的不利影响.同时要整合科技资源,研究出制约钢铁工业发展的核心技术.
根据现在国家制定的政策,国家的相关部门正在加紧推进低碳替代能源研发和推广的相关工作.由于我国现在的能源消费模式在国际上不占优势,因此,我们就要主动地探索和研究低碳工业产品,来推动低碳经济的快速发展和加速低碳关键技术的研究和开发,使我国在国际竞争中占得先机.在现有的技术被替代之前,研发新的技术,以应变政策和技术的变化,这样才能促进钢铁企业的可持续性发展.
2钢铁工业节能减排的必要性
钢铁工业是我国国民经济的支柱产业,现在的各个行业生产过程中,都会用到钢铁,因此,钢铁工业在近年来发展迅速.表1为2010年和2011年全国钢材产量表,可以看出,2011年的产量较2010年有较大的增长.钢铁工业总产值在国民经济产值中占有很大的比例,约占GDP的8%.但是,在钢铁生产过程中,能源消耗巨大,并且会产生温室气体的严重污染,国家现在已经开始重点治理相类似的高耗能和高污染企业.钢铁工业要完成国家规定的节能减排的目标,就要清楚节能减排的思路,然后才能制定出相关的针对性措施.这对钢铁工业的可持续发展具有重要的作用.
受到钢铁资源匮乏和能源消耗以煤炭为主的限制,与发达国家相比,我国的钢铁工业一直受到高耗能重污染的困扰.在国际上也面临着巨大的压力.虽然我国的钢铁工业现在已经采取各种措施来进行节能减排,但是,不改变传统能源消耗模式,就不可能达到节能减排的目的,或者说节能减排的效果就不能得到保障.
我国CO2排放量一直居高不下,因此,就要寻找新的工艺才能解决这种困境.国家相关部门已提出了科技支撑计划的相关项目,依托现有大型钢铁企业技术改造的工程,设计和制造出大型的焦炉能源转换相关技术、全量铁水“三脱”预处理技术、干法粒化干法回收余热、炉渣除尘等重大工艺技术,以此来实现全面提升现有钢铁企业技术水平的目的.
3钢铁工业节能减排技术
3.1节能技术和途径
3.1.1淘汰落后的设备,安装大型、新型的设备
大型化的生产设备能提高生产效率、降低能源消耗、提高铁水生产的质量、减少环境污染等优点.据资料统计,先进的大高炉一半要比落后的小高炉燃料比节省大约45kg/t的二氧化碳排放量.落后装备不仅能耗高而且能源回收率低,在污染发生时很难处理.随着高炉设备的逐渐大型化,CO2的排放具有下降的趋势.即大型化的高炉设备有利于降低C02的排放.更换大型化的设备虽然会增加钢铁企业的运行成本,但是如果国家对钢铁企业征收碳排放费,那么将对炼铁生产装备、运行成本等产生重要的影响.因此,钢铁企鹅也要及时研究和关注国家的对碳排放政策的变化,及时地添置大型设备,以尽早地适应变化带来的效益影响,并研究和制定减少碳排放的实施方案.从图1中可以看出,随着高炉体积的逐渐变大,CO2的排放量逐渐减少,高炉体积对CO2排放量的影响较大.
3.1.2余热回收技术
如何高效率的将烧结余热进行回收利用是我国重点研究和推广的技术.此类技术已在宝钢等大型钢铁企业得到较广泛的应用,并可提供许多可供借鉴的经验.在烧结过程可回收利用两部分余热：烧结工程后的烟气余热,温度达350℃,含有氧气较多；烧结成品矿的显热,温度800℃,具有较多的显热,在烧结能耗中占据45%左右.因此,对这部分余热记性回收利用,对整个工程的节能具有重要的作用.将成品矿用于冷却热废气并经过除尘后返送回烧结机,就可以减少在点火前对烧结矿石进行预热处理,实行热风烧结,能节约很多的能量.此外,利用烧结过程中的冷却废气余热加热锅炉也可以增加余热回收.
3.1.3低热值煤气燃气轮机技术
低热值煤气燃气轮机技术,简称CCPP技术.这项技术由燃气轮机系统、高炉煤气供给系统、余热锅炉系统和蒸汽轮机系统组成.其工艺过程可以简单描述如下：高炉煤气经除尘加压后与加压的空气混合,然后进入燃烧室,就会产生的高压和高温烟气,烟气机组后膨胀作功,燃气机经过齿轮减速后传递到汽轮发电机组进行发电；产生后的气体进入锅炉,然后产生蒸汽轮机利用蒸汽作功,然后发电机组发电,利用煤气和蒸汽循环系统进行发电.CCPP系统排烟中的二氧化碳排放比常规火力电厂课减少50%,并且不会产生二氧化硫等排放,氮氧化物也很低,可以达到6mg/kg～10mg/kg.CCPP真正的价值就在于回收了大量浪费的能源,减少了燃煤的使用量,并大量的节约了能源使用.与常规的锅炉煤气进行比较,常规锅炉蒸汽发电仅为30%左右,而利用相同的煤气量,采用这种技术就可以多发电量80%左右.
3.1.4固体废物的回收利用
在钢铁工业中,固体废物主要包括矿渣和含铁尘泥等,其中有很大部分可以回收利用.在现阶段,随着固体废物回收利用技术的不断发展,矿渣和含铁尘泥等固体废物逐渐实现了产业化的回收体系.含铁尘泥主要用于烧结过程中的配料,也可以作为脱磷剂进行使用；矿渣回收用于金属铁行业和混凝土等建筑行业,也可以用于一些高价值的产品的开发和利用.钢渣也具有很高的回收利用价值,经过研磨后可以用于生产高强度的钢渣水泥.所以,将炼铁过程中固体废物惊醒回收利用,可以提高能源回收利用率,促进固体废物资源化.
3.1.5提高高炉利用系数
高炉利用系数等于冶炼强度/燃料比.因此,降低燃料比,可以大规模的提高高炉利用系数；提高冶炼强度也可以提高高炉利用系数.在现在的炼铁工业中,采用大风量,高冶炼强度的方法来达到提高系数的目的.在高炉设计的时候,就要采用大风机.如果风机是处于大马拉小马的状态,就可能导致炼铁工序能耗很高.所以,降低高炉吨铁风耗就可以达到降低能耗的目的.例如,有炼铁厂就将燃料比定为484kg/t,吨铁风耗维持在950m3左右.
3.1.6进行煤粉和焦炭水分测定
水分含量的变化会影响高炉温度的控制,炉温的变化也会影响硫、硅量和能源的消耗.也会影响高炉的产量和生铁质量等一系列的指标.因此,在炼铁的过程中,采用水分测定仪使热能恒定,稳定炉温,就可以保证高炉的顺利运行,能增产和节省焦炭,为能源的节约创造了一定的条件.
3.2减排技术
在炼铁的领域中,排除的污染物主要有CO2、SO2、NOX、烟尘和粉尘等,因此减排技术主要从减少这几种污染物方面着手.表2为2006年～2011年钢铁企业吨钢污染物排放量的统计表.从表2可以看出,虽然在2006年～2011年的吨钢SO2、烟尘和粉尘的排放量呈下降趋势,但是其总量还是比较大.下面主要介绍CO2、NOX的减排技术：
3.2.1降低CO2排放
在炼铁工业中,铁矿石在焦炭和煤粉的作用下还原成铁水,铁水中的碳能保证炼钢过程中升温和能量平衡,碳是炼铁工业中不可缺少的元素.在炼铁过程中,主要由焦炭、煤粉和铁矿石的化学反应过程,或者说是铁矿石的还原过程.炼铁工序中CO2的产生量占总产生量的90%多.因此,要减少CO2的产生量,就要实施低碳减排.各炼铁工程中CO2的产生量比较图如图2.
要减少炼铁过程中CO2的排放,首先就要减少碳的消耗,即要减少燃料比和焦比.但是在目前,想要再通过传统技术来降低燃料比和焦比来降低CO2排放的比较困难.下面介绍几种新的方法：
1）炉顶煤气循环利用技术
利用这个项目可以有效改善高
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炉效率,以此来提高碳的利用率,可以将炉顶煤气（含有CO和H2）喷入高炉以减少CO2排放量.现在的技术中,正在研究的就是无氮高炉技术,在这项技术中,高炉从封口喷入的是氧气而不是热风,大部分的煤气就会排入CO2洗涤器,余下的CO气体通过封口就会进入高炉,剩余的气体被加热到高温后,再通过排风口进入炉体的下半部.经过计算可以得知,利用此技术的CO2的排放量减少了很多.2）寻找碳的可替代物.
不用碳作为燃料,而用其它的替代物作为燃料就可以减少二氧化碳的污染.例如使用天然气和废塑料等.高炉喷吹技术原来在美国和日本的钢企业中普遍应用,而在我国的高炉中应用还在逐渐增长中,应为在我国废塑料的收集还不是很普遍,来源的问题限制了这项技术的发展.也可以利用氢作为替代物,但是氢的来源和制取问题也不能得到保障.
3）液态低温炼铁技术
此项技术是由钢铁研究总院提出的快速低温还原理论下发展起来的.提高在低温的
条件下铁矿石的还原,可以实现降低炼铁过程中的能耗,达到无烧结和无焦化炼铁的目的.可以实现炼铁耗能减少25%以上.日本在此项目上已经取得了一定的成绩,利用造铁技术,对铁矿石重新处理,实现了降低高炉能源达45%,CO2的排放量减少的更多.
3.2.2降低NOX排放
NOX是污染大气的主要污染物之一.目前现行的NOx控制技术主要是低NOX燃烧技术.
低NOX燃烧技术主要有两种方法：烟气循环法是将烟气与燃烧用的空气进行完全混合后再进行燃烧,此法是通过降低O2的量来实现降低NOX的产生量的,可以将NOX的排放量减少50%左右.另外一种方法就是低NOX燃烧器,在燃烧器附近区域形成还原区,适当降低O2的浓度和着火区的温度,以此来控制NOX的形成.
4结论与展望
由于炼铁工业在国民经济中的重要作用,因此促进炼铁工业的节能减排工作是我国实现节能减排工作的中心任务.加强节能减排工作和减少环境污染是党和国家现阶段重要的工作任务,是转变经济方式的重要措施.坚决贯彻国家关于“十二五”节能减排的精神和目标措施,在炼铁过程中引入节能减排的技术措施,加快炼铁技术的创新,突破原有节能减排技术的“瓶颈”,整顿炼铁工艺的无序生产,淘汰落后的炼铁企业和工艺,以更加严格的标准控制污染物排放,加强与节能环保技术的衔接,是下一阶段我国钢铁工艺节能减排工作的新目标.钢铁工业生产过程中积极实行节能减排的措施,不仅可以使我国的污染物排放降低,利于我国建设资源节约型和环境友好型社会的建设,为达到污染防治目标的达成做出巨大的贡献.因此炼铁行业要积极履行国家制定的相关政策,将节能减排工作落到实处,不仅能为国家的减排工作做出贡献,也可以实现企业自身的可持续性发展和经济效益的提高.