鞍鋼節(jié)能減排新技術(shù)研究與開發(fā)

侯洪宇，馬光宇，徐鵬飛，劉常鵬，胡紹偉，于淑娟

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

據(jù)預(yù)測，十三五期間，中國鋼鐵消費(fèi)量為5～7億t/a，產(chǎn)需平臺(tái)將在一定水平維持較長時(shí)間。2016～2020年，國內(nèi)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)預(yù)計(jì)壓縮至350家。雖然產(chǎn)能過剩嚴(yán)重，但實(shí)際產(chǎn)量和鋼鐵消費(fèi)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，鋼企處于微利時(shí)代。新的環(huán)保法實(shí)施后，危險(xiǎn)廢棄物排放納入環(huán)保法，非法排放、傾倒、處置3 t及以上危險(xiǎn)廢棄物將構(gòu)成嚴(yán)重的污染環(huán)境罪。因此，鋼企對環(huán)保技術(shù)和環(huán)保設(shè)施的投資必須加大，環(huán)保設(shè)施全部投用預(yù)計(jì)噸鋼成本增加100～130元，鋼企降低鋼鐵產(chǎn)品能源消耗勢在必行。

1 鞍鋼節(jié)能減排現(xiàn)狀

鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司（以下簡稱鞍山鋼鐵）是鞍鋼集團(tuán)最大的區(qū)域子公司。鞍山鋼鐵生產(chǎn)鐵、鋼、鋼材能力均達(dá)到2 600萬t/a，擁有鞍山、鲅魚圈、朝陽等生產(chǎn)基地。

鞍山鋼鐵始終以發(fā)展綠色、低碳經(jīng)濟(jì)為己任，不斷拓展鋼鐵行業(yè)“清潔、綠色、低碳”的發(fā)展內(nèi)涵。2010～2017年鞍鋼股份本部（以下簡稱鞍鋼本部）能耗指標(biāo)見表1。表1中可以看出，2010～2017年間，鞍鋼本部噸鋼綜合能耗及噸鋼耗新水水平呈逐年下降趨勢，其中噸鋼綜合能耗由2010年的634.46 kg標(biāo)煤降低至2017年的579.6 kg標(biāo)煤，降低了約55 kg標(biāo)煤，噸鋼耗新水由4.57 t降低至2.74 t，降低約1.8 t。噸鋼外購能源成本和噸鋼耗電逐年降低。

2 鞍鋼節(jié)能減排技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

2.1 冶金節(jié)能技術(shù)

2.1.1 煉鐵—煉鋼區(qū)段系統(tǒng)能效優(yōu)化集成技術(shù)

鞍鋼是我國老工業(yè)基地的典型代表，受原生產(chǎn)場地、工藝布局、裝備結(jié)構(gòu)、物料運(yùn)輸?shù)认拗疲M管裝備實(shí)現(xiàn)了大型化、自動(dòng)化，但由于生產(chǎn)流程長、場地狹窄、煉鐵—煉鋼工序銜接不緊湊，造成鐵水在傳擱過程中能量耗散大，能源消耗高。由于轉(zhuǎn)爐兌鐵溫度低，不得不保留落后的混鐵爐工藝，很難在轉(zhuǎn)爐工序?qū)崿F(xiàn)全天候負(fù)能煉鋼的目標(biāo)。通過煉鐵—煉鋼區(qū)段界面技術(shù)及全天候負(fù)能煉鋼技術(shù)的開發(fā)與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了大幅降低煉鐵、煉鋼工序能耗的目的［1］。

系統(tǒng)開發(fā)、集成了“一罐到底”、“分次調(diào)鐵”、“定向調(diào)鐵”三項(xiàng)技術(shù)，首次提出并開發(fā)實(shí)施了雙目標(biāo)鐵水調(diào)度模型及罐車時(shí)刻表，有效地減少了鐵水溫降損失，提高轉(zhuǎn)爐兌鐵溫度30℃以上?！耙还薜降住奔夹g(shù)實(shí)施前后工藝流程的對比見圖1。

表1 2010～2017年鞍鋼本部能耗指標(biāo)

圖1 “一罐到底”技術(shù)實(shí)施前后工藝流程的對比

“一罐到底”技術(shù)實(shí)施后，改變鋼廠120 t鐵水罐的砌筑方式，裝入量達(dá)到100 t，并劃撥到鐵廠統(tǒng)一管理，使其適用于鐵水在線運(yùn)輸，到達(dá)鋼廠后直接在罐內(nèi)進(jìn)行脫硫扒渣，然后直接兌轉(zhuǎn)爐，減少了鐵水裝運(yùn)過程中的兩次倒罐。

采用“分次調(diào)鐵”技術(shù)。原來的單罐鐵水出鐵時(shí)間為12～15 min，單次出鐵在8～10罐，最后一罐鐵水出滿時(shí)，第一罐等待了約120 min，溫降損失嚴(yán)重。采用“分次調(diào)鐵”技術(shù)后，將單次鐵水調(diào)運(yùn)改為兩次或三次調(diào)運(yùn)至鋼廠轉(zhuǎn)爐，減少鐵水在高爐爐下的等待時(shí)間。

開發(fā)并實(shí)施“定向調(diào)鐵”技術(shù)。通過核算各高爐及轉(zhuǎn)爐的產(chǎn)量、生產(chǎn)時(shí)間、運(yùn)送時(shí)間，確定出高爐至轉(zhuǎn)爐運(yùn)送時(shí)間最短、溫降最小的運(yùn)輸路線。

2.1.2 蓄熱換熱聯(lián)用軋鋼加熱爐技術(shù)

我國連續(xù)加熱爐應(yīng)用蓄熱燃燒技術(shù)已有十多年的歷史。利用蓄熱燃燒技術(shù)將低熱值煤氣和助燃空氣雙預(yù)熱至1 000℃左右，能夠節(jié)約燃料消耗。但該項(xiàng)技術(shù)存在如下問題：蓄熱式加熱爐的爐壓不易控制；設(shè)備檢修點(diǎn)多、故障點(diǎn)多，影響連續(xù)生產(chǎn)；關(guān)鍵備件的使用壽命低；不適用加熱冷坯及合金鋼，嚴(yán)重制約了蓄熱技術(shù)在大型鋼鐵企業(yè)的全面推廣應(yīng)用［2］。換熱式加熱爐的基本爐是由均熱段、加熱段、預(yù)熱段煙道、煙囪、管式換熱器、常規(guī)燃燒器及檢測儀表與控制系統(tǒng)組成，其主要優(yōu)點(diǎn)是爐型結(jié)構(gòu)合理、爐長較長、煙氣與鋼坯呈逆流運(yùn)動(dòng)、有利于煙氣與鋼坯的熱交換，操作簡單、維護(hù)量小、運(yùn)行成本低，空氣與煤氣預(yù)熱溫度穩(wěn)定、連續(xù)供熱、煙道截面積大、煙氣流速小、爐壓容易控制，適合加熱各類鋼坯；其主要缺點(diǎn)是煙氣余熱回收效率低，一般在60%以下；不能直接使用低熱值高爐煤氣；爐內(nèi)存在局部高溫火焰區(qū)域，容易造成加熱物料的局部過熱；鋼坯氧化燒損及NOx排放量相對較高。

結(jié)合蓄熱式加熱爐及換熱式加熱爐的優(yōu)點(diǎn)，提出了蓄熱—換熱聯(lián)用式加熱爐技術(shù)，該項(xiàng)目分別采用分腔式新型蓄熱燒嘴、雙密封三通換向閥、長壽型蓄熱體、分側(cè)分段控制及多段爐型結(jié)構(gòu)、科學(xué)設(shè)置輔助煙道等實(shí)用技術(shù)，有效地解決了爐壓波動(dòng)大、加熱特種鋼及冷熱坯混裝不易控制的問題。使加熱爐的單耗、氧化燒損、加熱質(zhì)量均達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.2 冶金固廢資源化技術(shù)

2.2.1 熱軋油泥汽浮除油技術(shù)

鋼材熱軋過程中脫落的氧化鐵皮與冷卻水和潤滑油等最終會(huì)在平流池形成熱軋油泥。鞍鋼本部每年產(chǎn)生熱軋油泥約2.8萬t，含有2 900 t的廢油，全鐵含量達(dá)70%以上。因油泥粘度大、有異味，傳統(tǒng)技術(shù)處理成本高、處理過程不環(huán)保［3］。

針對現(xiàn)有熱軋油泥處理難題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室、中試和大生產(chǎn)三個(gè)階段，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣浮除油專利技術(shù)，對熱軋1780線平流池進(jìn)行技術(shù)改造,熱軋平流池在線氣浮除油工藝流程見圖2。用氣浮方法成功將油和氧化鐵皮分離，除油后鐵泥作為燒結(jié)原料利用，浮出的廢油銷售給有資質(zhì)的廠家，年直接經(jīng)濟(jì)效益808.3萬元。同時(shí)，每年還減排二氧化碳約1萬t，平流池出水水質(zhì)得到改善，降低了過濾系統(tǒng)的維護(hù)成本，處理過程環(huán)保，現(xiàn)場環(huán)境大大改善，從根本上解決了熱軋油泥難以利用這一困擾冶金行業(yè)多年的難題。

圖2 熱軋平流池在線氣浮除油工藝流程

2.2.2 含鐵塵泥高效再資源化技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

含鐵塵泥高效再資源化技術(shù)以冶金廢料為原料，經(jīng)配料、混合、壓球，制成2種不同粒度、強(qiáng)度、成分的自還原性團(tuán)塊，分別回用于鐵水罐與轉(zhuǎn)爐，利用鋼鐵企業(yè)已有工藝設(shè)備及生產(chǎn)余熱，實(shí)現(xiàn)快速自還原而回收鐵和粗鋅粉，含鐵塵泥綜合利用率100%。自2009年12月起實(shí)施，運(yùn)行穩(wěn)定［4］。

該技術(shù)首創(chuàng)了“廢料—制球—鐵水罐—煉鋼”和“廢料—制球—煉鋼”兩種短流程、低能耗、小循環(huán)處理冶金廢料新工藝，如圖3所示。

圖3 采用鐵水罐及鐵水余熱處理塵泥工藝

將含鐵含碳?jí)m泥壓制成自還原冷固團(tuán)塊，利用鐵水罐余熱預(yù)熱團(tuán)塊，在鐵水中還原、分離、回收鐵，或利用轉(zhuǎn)爐熱環(huán)境處理該團(tuán)塊，開發(fā)了含鋅塵泥處理的新技術(shù)。將含鋅塵泥等冷固制成易渣鐵分離的自還原團(tuán)塊，以塵泥中游離碳為還原劑，利用兌鐵后的鐵水罐余熱及接鐵時(shí)高溫鐵水滿足反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，實(shí)現(xiàn)團(tuán)塊中鐵、鋅氧化物的還原、鋅氣化分離。經(jīng)出鐵場已有的除塵器收集含鋅煙塵。

2.3 冶金水資源節(jié)約及污染防控技術(shù)

2.3.1 工業(yè)新水的多水源優(yōu)質(zhì)低價(jià)配比技術(shù)

針對大伙房水、深度處理出水、凈化河水和地下水的水質(zhì)特征進(jìn)行優(yōu)化配比，實(shí)現(xiàn)了地下水使用最小化、深度處理回用水使用最大化，同時(shí)水源的沿線損失大幅降低。通過用能評價(jià)，將工業(yè)新水水質(zhì)與凈環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行對比，將煉鐵和煉鋼部分凈環(huán)系統(tǒng)的補(bǔ)水采用凈環(huán)水替代原有的新水；通過工藝改進(jìn)及節(jié)水項(xiàng)目的實(shí)施，大幅降低新水用量，實(shí)現(xiàn)降低水資源費(fèi)和地下水加壓站設(shè)備節(jié)電的雙重效益。

2.3.2 鞍鋼凈環(huán)系統(tǒng)的減量降壓運(yùn)行技術(shù)

鞍鋼常壓凈環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行方式見圖4。

圖4 鞍鋼常壓凈環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行方式

關(guān)閉南山儲(chǔ)水槽進(jìn)水門，5#、6#水站常壓凈環(huán)泵由運(yùn)行三臺(tái)機(jī)組減至兩臺(tái)（一大一小），系統(tǒng)壓力降至0.3 MPa左右，系統(tǒng)降壓后，通過西大溝污水處理廠北線與常壓凈環(huán)管網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線打通，實(shí)現(xiàn)北線直接送凈環(huán)管網(wǎng)，減少二次加壓環(huán)節(jié)。優(yōu)化后，常壓凈環(huán)水循環(huán)量從7 000 m3/h減到4 000 m3/h,降低了約43%，管網(wǎng)壓力從0.6 MPa降到0.3 MPa,降低了50%，為西大溝預(yù)處理系統(tǒng)提供富余能力、南大溝污水全回收奠定基礎(chǔ)。

2.3.3 外排廢水強(qiáng)化處理技術(shù)

采用現(xiàn)場實(shí)地測量和取樣后實(shí)驗(yàn)室檢測分析等多種手段，形成了鞍鋼本部廠區(qū)內(nèi)的工業(yè)新水使用平衡圖和凈環(huán)水使用平衡圖。以降低工業(yè)新水消耗和凈環(huán)系統(tǒng)減量降壓為基礎(chǔ)，充分挖掘西大溝污水處理廠現(xiàn)有的污水設(shè)施處理能力，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)廢水在西大溝全部處理，外排廢水南大溝二次強(qiáng)化處理，外排廢水水質(zhì)改善效果明顯，COD小于40 mg/L，氨氮小于5 mg/L。

3 鞍鋼節(jié)能減排新技術(shù)、新工藝研究

3.1 節(jié)能新技術(shù)

3.1.1 高爐渣干式余熱回收與利用技術(shù)

目前，鞍鋼正在開展高爐渣顯熱回收技術(shù)的研究工作。高爐渣是高爐冶煉的副產(chǎn)物，其主要成分為氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅等，可代替天然巖石生產(chǎn)水泥或礦渣微粉等用于建材產(chǎn)品。高爐渣的出爐溫度大于1 500℃，1 t高爐渣所含有的熱量相當(dāng)于64 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，目前采用的是水淬工藝，除了少部分北方企業(yè)在冬天利用沖渣水的余熱進(jìn)行采暖外，基本沒有其它有效的余熱回收方式。因此，不僅高爐渣的顯熱及潛熱無法回收利用，造成重大的能源浪費(fèi)，而且INBA法水沖渣工藝還造成水資源的大量浪費(fèi)，對大氣、水和土壤也造成了嚴(yán)重的污染。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)外開發(fā)高爐渣干式余熱回收技術(shù)雖然已有近40年的歷史，但一直未有工業(yè)化應(yīng)用的報(bào)道［5］。

3.1.2 高效換熱技術(shù)

軋鋼加熱爐作為軋鋼工序的主要能耗設(shè)備，其能耗占軋鋼生產(chǎn)工序的40%以上，直接影響著軋鋼企業(yè)生產(chǎn)率和產(chǎn)品競爭力。而加熱爐爐內(nèi)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，有很大一部分被排出爐膛外的煙氣帶走，一般軋鋼連續(xù)式加熱爐的爐膛溫度在1 250℃左右，平均排煙溫度在800～900℃。它所帶走的熱量約占爐子熱負(fù)荷的20%～45%，極大地降低了加熱爐的熱利用率。軋鋼加熱爐的發(fā)展經(jīng)歷了無換熱器、金屬間壁式換熱器（傳統(tǒng)加熱爐）、蓄熱式換熱器（蓄熱式加熱爐）三個(gè)階段。其中帶有金屬間壁式換熱器的傳統(tǒng)加熱爐燃料消耗量較無換熱器的加熱爐降低30%，而蓄熱式加熱爐的燃料消耗量較傳統(tǒng)加熱爐降低20%。但蓄熱式技術(shù)存在的諸如爐壓控制困難，爐頭、爐尾冒火嚴(yán)重，爐子維護(hù)成本高，檢修周期短，節(jié)能不節(jié)錢等的實(shí)際問題使其在大型鋼鐵企業(yè)的使用受到限制。鞍鋼已經(jīng)與國內(nèi)某高校聯(lián)合開發(fā)低成本高效率的換熱器，將煙氣余熱直接帶回爐內(nèi)，提高爐膛效率，這是最可行的余熱利用方式。

3.1.3 富氧燃燒技術(shù)在鋼鐵工業(yè)爐上的研究與應(yīng)用

隨著全球變暖的加劇以及氣候的變化，作為溫室氣體主要因素的CO2排放問題逐漸引起了全球的關(guān)注。因此，富氧燃燒技術(shù)作為最具潛力的有效減排CO2的新型燃燒技術(shù)之一，成為全球研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。根據(jù)富氧燃燒的目的不同,大體可以分為以下3類：捕獲CO2、降低有害氣體排放和提高鍋爐效率。

富氧燃燒技術(shù)是消納多余氧氣的最佳途徑，隨著企業(yè)對提高產(chǎn)能需求的不斷增加，而節(jié)能降耗、減少排放是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，因此實(shí)現(xiàn)富氧燃燒技術(shù)在加熱爐、鋼包烘烤和燒結(jié)機(jī)等鋼鐵工業(yè)爐的研發(fā)與應(yīng)用是冶金企業(yè)的發(fā)展方向。富氧燃燒技術(shù)對于節(jié)能減排意義重大，具有行業(yè)引領(lǐng)的積極作用，市場前景、環(huán)保效應(yīng)巨大。鞍鋼正在與國內(nèi)某高校合作進(jìn)行富氧燃燒技術(shù)在鋼鐵工業(yè)爐上的研究與應(yīng)用。

3.1.4 中低溫余熱資源高效利用技術(shù)的研究與應(yīng)用

鋼鐵企業(yè)余熱資源豐富，是可利用的重要資源之一。隨著我國節(jié)能環(huán)保相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展和相關(guān)政策的出臺(tái)，余熱資源的回收利用越來越受到重視。國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)在中高溫余熱資源回收利用上已經(jīng)完成了多項(xiàng)節(jié)能項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，也為企業(yè)帶來了效益。近幾年，鋼鐵企業(yè)的余熱回收工作逐步向中低溫余熱回收利用方向發(fā)展。鞍鋼針對中低溫余熱資源利用開展了高效換熱技術(shù)研究；針對發(fā)電機(jī)組的凝結(jié)水余熱采用了低真空換熱技術(shù)研究；針對循環(huán)水余熱開展了熱泵技術(shù)研究。

3.2 固廢資源化新技術(shù)

3.2.1 含鐵塵泥高效再資源化新工藝

針對大部分返回?zé)Y(jié)利用的含鐵廢棄物開展研究工作，解決含鐵塵泥在燒結(jié)中回用，流程長、成本高等問題，逐步實(shí)現(xiàn)含鐵塵泥高附加值、短流程、低成本的綜合利用，為高爐順行打下基礎(chǔ)。

3.2.2 難處理固體廢棄物、危險(xiǎn)廢物鑒別與處理技術(shù)

從源頭治理入手，解決難處理廢棄物和危險(xiǎn)廢棄物的產(chǎn)生問題，少產(chǎn)生即可少處理、降低處置成本，通過技術(shù)創(chuàng)新將難處理廢棄物和危險(xiǎn)廢物無害化處理，同時(shí)消除存量，最終實(shí)現(xiàn)固體廢棄物“零出廠”。

3.3 水污染控制及資源化新技術(shù)

3.3.1 海綿城市建設(shè)

以鞍鋼西區(qū)為載體，在海綿城市理念［6］下構(gòu)建多目標(biāo)、多尺度的鞍鋼廠區(qū)雨洪生態(tài)管理、雨水資源利用的方法與體系，在鞍鋼西區(qū)生態(tài)雨水基礎(chǔ)設(shè)施總體規(guī)劃、鞍鋼水資源利用體系分析與優(yōu)化、雨水集蓄利用工藝技術(shù)和雨水集蓄利用可行性等方面開展研究，實(shí)現(xiàn)雨水的回收、集蓄、利用，降低鞍鋼用水成本。以上項(xiàng)目2022年底完成，噸鋼耗新水達(dá)到2.4 m3/t以下。

3.3.2 鞍鋼本部新水管網(wǎng)漏損控制研究與實(shí)踐

通過積極同國內(nèi)在大孔徑管網(wǎng)查漏技術(shù)［7］和管道在線封堵、在線換管方面具有優(yōu)勢的先進(jìn)企業(yè)開展交流，考察查漏及在線堵漏企業(yè)的研究成果、技術(shù)實(shí)力及相關(guān)資質(zhì)，通過實(shí)地走訪，綜合考察查漏及在線堵漏先進(jìn)企業(yè)在實(shí)際工程應(yīng)用方面的業(yè)績，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面因素綜合考慮，研究適合鞍鋼實(shí)際工況的管網(wǎng)查漏和在線封堵技術(shù)，并實(shí)施改造，最終實(shí)現(xiàn)減少新水管網(wǎng)跑冒滴漏現(xiàn)象和地下水取水量，降低管網(wǎng)漏損率。

4 結(jié)語與展望

近十年來，通過冶金節(jié)能、固廢資源化、水資源節(jié)約及污染防控等一些節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)成功與實(shí)施應(yīng)用，鞍鋼的節(jié)能環(huán)保指標(biāo)不斷改善。但是隨著國家環(huán)保要求的不斷提高，鞍鋼將繼續(xù)開展高爐渣干式余熱回收與利用、高效換熱、富氧燃燒、中低溫余熱資源高效利用、含鐵塵泥高效再資源化新工藝、難處理固體廢棄物、危險(xiǎn)廢物鑒別與處理技術(shù)、海綿城市建設(shè)、鞍鋼本部新水管網(wǎng)漏損控制等節(jié)能減排技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。

隨著國家對能耗、環(huán)保的嚴(yán)管，開發(fā)或采用更先進(jìn)的節(jié)能、減排技術(shù)迫在眉睫。未來三年，鞍鋼將不斷加大環(huán)保投入，開發(fā)出“三廢”治理最前沿的解決方案、最高精尖的技術(shù)，著力在優(yōu)化能源智能集控管理、開發(fā)先進(jìn)節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)降低綜合能耗，達(dá)到行業(yè)前列；廠區(qū)煙（粉）塵、廢棄物、污水排放滿足最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)噸鋼耗新水達(dá)到同條件下的最好水平。