鋼鐵冶金過程環(huán)保和節(jié)能技術(shù)探討

劉 偉

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

我國社會經(jīng)濟發(fā)展離不開鋼鐵冶金作為基礎(chǔ)，鋼鐵市場需求逐年增加，2019 年的鋼鐵產(chǎn)量超過了12 億噸。為了滿足國內(nèi)巨大的市場需求，國內(nèi)鋼鐵冶煉企業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平也不斷提升。近幾年，綠色制造在鋼鐵冶金行業(yè)開始推廣，鋼鐵冶金企業(yè)不能僅僅關(guān)注年產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，必須重視能源節(jié)約技術(shù)的應(yīng)用，從根本上解決鋼鐵冶金過程中能源資源消耗大、浪費大、排放廢物過多等問題[1]。

鋼鐵冶金生產(chǎn)過程需要消耗大量的煤炭來提供生產(chǎn)過程的動力，并消耗氧化鐵、錳、鉻等金屬原材料，每個冶金環(huán)節(jié)都將產(chǎn)生大量的溫室氣體和工業(yè)固體垃圾。能源消耗可以以標準煤進行折算，用噸鋼能耗作為其指標，該指標不僅反映出我國能耗的實際情況，也體現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)實力水平、原材料利用率和環(huán)保水平等。噸鋼綜合能耗包括各個流程，如礦山開采、礦石篩選、鐵合金選用、耐火材料制備、碳素基體冶煉、工業(yè)焦化產(chǎn)品二次再生產(chǎn)等，鋼鐵制造的煉焦和燒結(jié)，煉鐵和煉鋼的鋼材制品到最終用戶手中過程一切能量消耗，運輸能耗和企業(yè)能源消費綜合[2]。如今，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)不僅需要研究生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益和企業(yè)利潤，也要將節(jié)能降耗作為冶金工業(yè)發(fā)展首要目標，為鋼鐵制造的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

1 鋼鐵冶金的工藝流程和能源消耗分析

鋼鐵冶金工藝中燒結(jié)需要大量能源消耗，盡管燒結(jié)工藝技術(shù)取得很大的突破，能耗依然是一個難題。相對于傳統(tǒng)的原料球團，新球團品味高，可以一定程度上減少資源能耗，但是能耗大問題一只是燒結(jié)過程的頑疾[3]。燒結(jié)能耗可以占噸鋼能耗的約18%，廢氣和燒結(jié)煙氣熱量占到熱量消耗的一半以上，必須研究新技術(shù)以回收這些中、低品位余熱來提高能量的利用率。

現(xiàn)代鋼鐵冶金技術(shù)離不開轉(zhuǎn)爐工序，在轉(zhuǎn)爐冶金中也涉及能耗大問題。轉(zhuǎn)爐工序資源消耗為氣體、蒸汽、電力、水等。其中，電力、水和氧氣消耗最多，汽化冷卻會造成巨大的熱量消耗，大量的水蒸汽蒸發(fā)到空氣中，未能回收利用而直接產(chǎn)生了水資源的浪費。若采取新技術(shù)回收利用蒸汽，將實現(xiàn)水資環(huán)的內(nèi)循環(huán)，降低冶金對水的依賴，節(jié)約了珍惜水資源。傳統(tǒng)煉鋼采用轉(zhuǎn)爐和電爐生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生約1000℃高溫氣體，采取冷卻或水冷進行冷卻降溫，且需要設(shè)置較長的煙道來增加散熱效果，也對作業(yè)操作環(huán)境提出了更高的要求，尤其是含塵高、溫度變化不穩(wěn)定、熱應(yīng)力較大時，都阻礙了熱量二次利用技術(shù)的應(yīng)用。

鋼鐵軋制過程的能耗主要是電能轉(zhuǎn)換成的機械能，并對鋼坯進行二次加熱。軋鋼工序也需要大量能源消耗，其費用占到能源總消耗的近七成，軋鋼過程的鋼坯加熱、熱軋和穩(wěn)定性退火都需要能源消耗，其中坯料加熱和熱軋工序耗能占比軋制過程的六成。因此，研究余熱回收和精確加熱過程控制可以很好減少能源消耗。

2 鋼鐵冶金過程余熱回收分析

鋼鐵冶金工業(yè)是相對于火力發(fā)電的第二大耗能行業(yè)，在黑色冶金中需要大量的熱作為化學(xué)變化的動力，如何節(jié)能是企業(yè)一直關(guān)注的問題。鋼鐵企業(yè)在焦爐、高爐及煉鋼工序中，已經(jīng)開始采取余熱回收利用裝置的使用。當(dāng)余熱溫度變化范圍大，熱載體形態(tài)存在固、氣、液及混合形態(tài)時，且排放處于多個環(huán)節(jié)時，加大了余熱回收技術(shù)難度。熱管作為一種適合于這種場合進行余熱回收利用的技術(shù)，我國科研和工程技術(shù)人員針對熱管技術(shù)在燒結(jié)排氣顯熱及其熱風(fēng)爐燃燒廢氣的余熱回收上進行了深入研究，并取得了不錯的應(yīng)用業(yè)績。

熱管作為一種導(dǎo)熱性能良好的元件，依靠真空管殼內(nèi)物質(zhì)的蒸發(fā)與凝結(jié)來完成。相對于其它部件，熱管具有導(dǎo)熱性好，等溫性優(yōu)異，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)可適應(yīng)于各種形狀、且距離遠、溫度控制精確的優(yōu)點。熱管成組使用時可提高傳熱效率、減少流體阻力、有效減少控制露點腐蝕。熱管所用的低熱阻管加入導(dǎo)熱介質(zhì)后，進行真空密封處理，熱管下端受熱后導(dǎo)熱介質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，空氣密度和壓強瞬時變化，蒸汽被帶至熱管上端，通過熱管釋放熱量后凝結(jié)再次轉(zhuǎn)化為液態(tài)，液態(tài)導(dǎo)熱介質(zhì)在自重作用下流回?zé)峁艿撞?，吸收熱量后二次汽化，熱循環(huán)被連續(xù)不斷進行，熱量也在相變吸熱和放熱過程中得到搬運。

研究余熱回收在帶冷機廢氣中進行，熱燒結(jié)礦在單輥破碎振動篩分選后，由帶冷機傳送帶進行輸送到下一工序，在輸送帶側(cè)設(shè)立三個冷卻風(fēng)罩，冷卻風(fēng)從物料底部通過礦料層將熱量帶走，冷卻風(fēng)在第一風(fēng)罩內(nèi)溫度大概為360℃，余熱經(jīng)過熱管式換熱器底部后，將余熱進行回收，將熱量回傳給需要蒸汽加溫的熟料工序，配套熱管式余熱鍋爐對熱量二次利用，富惡化利用蒸汽熱量，最大提高冶金過程經(jīng)濟效益。

轉(zhuǎn)爐是煉鋼關(guān)鍵工序，但是鐵氧還原反應(yīng)會有噸鋼200 立方米CO、CO2混合煙氣發(fā)了產(chǎn)生，煙氣中CO 含量最高達80%，還含有氧化鐵塵粒和氧氣等，溫度最高達1700℃。轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣含有大量有害氣體和顯熱，不可以直接排入大氣污染大氣和周邊環(huán)境，鋼鐵制造企業(yè)必須研究轉(zhuǎn)爐煙氣二次利用和治理得策略。煙氣中富含的能量為熱能和化學(xué)能兩種可利用能量，以減少煉鋼工序資源能耗，減低環(huán)境壓力。煉鋼轉(zhuǎn)爐是間歇性作業(yè)，包括冶煉和吹煉兩工序交替進行，轉(zhuǎn)爐冶煉時間約28 分鐘，吹煉周期為19 分鐘，吹煉脫碳過程的CO 氣體可以進行回收利用，但是冶煉間歇期間吹入煙道的冷空氣會加大煙氣余熱回收難度。

氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉過程會有高溫塵爐氣產(chǎn)生，爐氣中的CO、含鐵量粉塵必須進行處理，若是無處理的爐氣在空氣中泄露會直接污染環(huán)境，也增加了煤炭能源、金屬礦石及其它有用物質(zhì)的消耗。噸鋼轉(zhuǎn)爐會產(chǎn)生至少60 立方米煤氣，高達20 千克的粉塵，可回收蒸汽約70 千克，通過論證，轉(zhuǎn)爐爐氣凈化處理后具備很好的回收利用價值?；厥障到y(tǒng)工作流程可歸納為轉(zhuǎn)爐煙氣產(chǎn)生后進入活動煙罩和固定煙罩，再通過汽化冷卻煙道收集熱量，通過溢流文氏管和重力脫水器回收蒸汽，通過可調(diào)喉口文氏管、噴淋箱、復(fù)擋脫水器、抽風(fēng)機、水封逆止閥和煤氣柜進行CO 回收。該系統(tǒng)設(shè)置的活動煙罩降罩可保證空氣過剩系數(shù)保持在恒定值，煙氣在汽化冷卻煙道溫度會低于900℃，文氏管進行兩次除塵，流文氏管對煙氣降溫并完成粗除塵，可調(diào)喉口文氏管完成精除塵任務(wù)，煙氣處理后含塵量和溫度均到達最低值。

3 冶金爐節(jié)能控制系統(tǒng)研究

自動化控制裝備可以保證設(shè)備運行節(jié)能效果，在高爐噴煤過程進行多相流煤粉檢測，引用在線分析儀對煤氣進行檢測，采用控制器對高爐煤氣余壓的溫度和氣壓的穩(wěn)定性進行控制。自動化控制手段既可保證制造過程的穩(wěn)定性，也促進了節(jié)能工藝裝備順利展開，尤其是在高速連續(xù)冷軋帶鋼生產(chǎn)線采用多段加熱時，可以實現(xiàn)分段測溫和分段控制，提高了檢測精度。

鋼鐵冶金工藝中風(fēng)機、軋鋼機、水泵、輸送機等大功率電機耗電量巨大，比例遠高于其他行業(yè)，浪費巨大。鋼鐵制造工藝和配套設(shè)備均適應(yīng)了工作載荷的節(jié)奏變化，排煙除塵設(shè)備和皮帶運輸機等都是周期性工作，造成了設(shè)備空轉(zhuǎn)時間過長，鋼鐵企業(yè)必須淘汰落后電力設(shè)備，減少電力消耗，采用交流變頻調(diào)速等節(jié)能控制設(shè)備進行節(jié)電。

節(jié)能工業(yè)爐窯應(yīng)用必須建立在數(shù)學(xué)模型和智能控制模式上采用計算機進行控制，可顯著提升爐窯的節(jié)能效果，積極應(yīng)用高爐專家系統(tǒng)和轉(zhuǎn)爐煉鋼終點控制數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化電爐能量輸入和智能精煉爐溫度控制系統(tǒng)、優(yōu)化加熱爐控制模型，采取模糊控制模式提高控制精度。利用先進的過程控制穩(wěn)定生產(chǎn)過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低設(shè)備故障并實現(xiàn)鋼鐵冶金過程的節(jié)能降耗。

及時利用智能制造系統(tǒng)。近幾年新的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)朝向短流程發(fā)展，尤其是控制技術(shù)的進步后，連鑄與熱軋、鑄軋技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，鋼鐵冶金高效連續(xù)生產(chǎn)，使促進了智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，智能控制生產(chǎn)過程物流、能流和生產(chǎn)節(jié)拍的銜接，故障信息反饋并得到及時處理，準確靈活地改變生產(chǎn)某種所需工藝參數(shù)，并實時進行產(chǎn)品質(zhì)量追蹤和記錄，提高產(chǎn)品一次交付合格率。

4 煉鐵過程CO2排放的控制研究

我國鋼鐵冶金的噸鋼能耗超過了600kg，每噸鋼CO2排放量高達2.1 噸，煉鐵系統(tǒng)過程的燒結(jié)、球團、焦化和高爐煉鐵工序的CO2排放量占冶金過程的近九成，因此，控制煉鐵過程是能源消耗和碳排放控制的關(guān)鍵，C 元素流分布可很好分析碳排放過程，對減少碳氧化合物排放具有重要指導(dǎo)意義[4]。

鋼鐵冶金中的碳氧化合物都是加熱燃料反應(yīng)獲得，幾乎所有的C 元素源自于焦炭和煤粉，大部分C 元素以高爐煤氣向外排放。煉鐵就是鐵和煤化學(xué)反應(yīng)過程，碳素輸入端以化石和能量形式進入冶金過程，以碳氧化合物及烷烴混合氣體形式排出，燒結(jié)、焦化、高爐煉鐵是主要的三個工序，可以將碳量化輸入計算模型，并定量計算輸出。碳氧化合物的排放和能源消耗成正比，煤炭等原材料消耗增加時直接導(dǎo)致碳排放量加大。利用這一規(guī)律，可以得出降低C 元素礦石的使用，增加新能源的使用，利用新技術(shù)提高能源燃燒效率和發(fā)熱量，強化能源回收措施。高爐煤氣采用熱風(fēng)爐燃燒來增加風(fēng)溫，進而增加熱效率，改變高爐燃料比例，從而減少碳氧化合物排放。研究高爐煤氣分離處理技術(shù)，收集并分離多余的CO2加熱后二次進入高爐中，使高爐減少溫室氣體排放。

5 結(jié)論

在綠色環(huán)保深入鋼鐵冶金制造領(lǐng)域中，鋼鐵制造企業(yè)必須重視生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進行節(jié)能環(huán)保技術(shù)應(yīng)用，通過分析鋼鐵冶煉各個工藝流程的能量消耗和碳元素的循環(huán)，研究對剩余熱量的二次回收利用和降低CO2的減排措施，對企業(yè)可持續(xù)發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。