鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用探討

王逸飛

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的引導(dǎo)下，我國鋼鐵行業(yè)逐漸進(jìn)入到了轉(zhuǎn)型升級階段。多數(shù)鋼鐵企業(yè)都樹立了先進(jìn)的節(jié)能理念，充分發(fā)揮了節(jié)能技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)中的作用。但我國鋼鐵節(jié)能技術(shù)不夠完善，因此需要對節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 鋼鐵行業(yè)能耗分析

作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)，鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速，且我國鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)能力（見表1）基本可以滿足國內(nèi)的生產(chǎn)需求[1]。但我國鋼鐵行業(yè)一直處于粗放型管理狀態(tài)中，存在產(chǎn)能總量過剩、創(chuàng)新能力弱和能耗高等問題，其中能耗高是主要問題。鋼鐵行業(yè)的能耗在全國總能耗中的占比為15%，其中部分鋼鐵企業(yè)一年的能源消費(fèi)總量達(dá)到了2.23億tce（tce指的是噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量）。同時(shí)，我國鋼鐵生產(chǎn)一直以高爐轉(zhuǎn)爐為主，而高爐轉(zhuǎn)爐工藝需要大量煤炭的支持，因此鋼鐵行業(yè)的煤炭消耗量非常大。

表1 2019與2020年我國鋼產(chǎn)品的產(chǎn)量（部分）萬t

2 鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

在鋼鐵行業(yè)中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)具有重要意義。第一，有利于提高能源利用率，緩解能源緊缺的現(xiàn)狀。近年來，我國經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，但可用能源越來越少。同時(shí)，我國不僅是能源消費(fèi)大國也是能源浪費(fèi)大國，這主要是因?yàn)槲覈茉蠢寐氏鄬^低。例如，鋼鐵行業(yè)的單位產(chǎn)品能耗比世界平均能耗高40%多。而靈活應(yīng)用節(jié)能技術(shù)可以有效提高煤炭等資源的利用率，減少資源浪費(fèi)。第二，有利于彌補(bǔ)能源缺口。從實(shí)際情況來看，我國人均能源可開采儲量比世界平均水平低很多，其中人均煤炭可開采儲量只有90 t，是世界平均水平的55%左右[2]。而我國能源消耗量的增長率卻比世界平均水平高很多，基本達(dá)到了世界平均增長率的3倍。在這種情況下，我國能源儲量將出現(xiàn)非常大的缺口。而利用節(jié)能技術(shù)可以緩解煤炭不足等矛盾，降低鋼鐵企業(yè)進(jìn)行煉鋼與軋鋼的難度。第三，有利于降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。在市場競爭愈加激烈的過程中煤炭價(jià)格不斷上漲，加大了生鐵制造成本。而應(yīng)用節(jié)能技術(shù)可以在一定程度上降低對煤炭等資源的需求量，控制生鐵制造成本，從而促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的良好發(fā)展。第四，有利于促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。我國大氣污染十分嚴(yán)重，其中煤煙型污染在大氣污染中占比較大。鋼鐵行業(yè)在生產(chǎn)過程中會燃燒大量的煤炭，繼而排放大量的二氧化硫。應(yīng)用節(jié)能技術(shù)可以有效減少煤炭燃燒，繼而降低大氣污染程度。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，鋼鐵企業(yè)每生產(chǎn)1 t鋼就會排放3 kg的氮氧化物及8 kg的二氧化硫。應(yīng)用節(jié)能技術(shù)之后可以有效控制污染物排放，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

3 鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

鋼鐵生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都會消耗大量的能源（見表2），需通過有效措施進(jìn)行節(jié)能。

表2 不同環(huán)節(jié)單位能耗對比（部分）kgce·t-1

3.1 軋鋼節(jié)能

在煉鋼過程中生產(chǎn)的鋼錠或連鑄坯無法直接為工業(yè)生產(chǎn)提供支持，因此需要利用熱軋法等方式對鋼材進(jìn)行塑型加工，這一過程就屬于軋鋼。在軋鋼過程中需要利用機(jī)械設(shè)備改變工件的形態(tài)特征，所以會消耗大量的能源。因此，只有靈活應(yīng)用節(jié)能技術(shù)才能夠降低軋鋼環(huán)節(jié)的能耗。常用的軋鋼節(jié)能技術(shù)有熱送熱裝技術(shù)、冷軋高精度鋼節(jié)能技術(shù)和高溫低氧燃燒技術(shù)等。第一，熱送熱裝技術(shù)。利用這種技術(shù)手段可有效降低軋鋼環(huán)節(jié)的能耗，例如利用一般熱送熱裝技術(shù)對連鑄坯進(jìn)行處理可以節(jié)約35%的能耗，利用直接熱送熱裝工藝進(jìn)行處理可以節(jié)約65%的能耗[3]。同時(shí)，應(yīng)用熱送熱裝技術(shù)可以提高加熱爐的生產(chǎn)能力、減少金屬氧化燒損。第二，高溫低氧燃燒技術(shù)。高溫低氧燃燒技術(shù)指的是在溫度1 000℃且含氧量在5%～8%的環(huán)境中進(jìn)行燃燒，從而有效回收煙氣余熱，達(dá)到節(jié)約燃料的目的。從實(shí)際情況來看，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)都會應(yīng)用高溫低氧燃燒技術(shù)，但部分鋼鐵企業(yè)的技術(shù)水平有待提升。

3.2 燒結(jié)節(jié)能

大多數(shù)鋼鐵企業(yè)都會利用燒結(jié)法將鐵礦粉制成塊狀原料，即按照相應(yīng)的比例將鐵礦粉、焦粉及石灰混合在一起，并對其進(jìn)行燒結(jié)處理，從而使其成為強(qiáng)度及粒度都符合要求的燒結(jié)礦。燒結(jié)環(huán)節(jié)會消耗大量的焦粉等資源，所以需要通過有效措施控制燒結(jié)工序的能耗。部分鋼鐵企業(yè)會通過有效手段降低固體燃料的消耗。固體燃料消耗在燒結(jié)工序能耗中占據(jù)75%～80%，所以若想降低燒結(jié)工序的能耗就需要降低固體燃料的消耗量。含鐵原料的物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)、混合料的溫度與粒度等因素都會對固體燃料的消耗量產(chǎn)生較大影響，所以企業(yè)會通過優(yōu)化原料配比、控制混合料的粒度和提高混合料的溫度等方式降低消耗量。

3.3 煉鋼節(jié)能

煉鋼環(huán)節(jié)也會消耗大量的能源，但煉鋼爐在燃燒時(shí)會產(chǎn)生大量的煤氣，所以多數(shù)鋼鐵企業(yè)會在煉鋼爐中設(shè)置煤氣回收裝置，從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，鋼鐵企業(yè)會回收電除塵凈化轉(zhuǎn)爐所產(chǎn)生的煙氣，并將煙氣轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s劑，從而進(jìn)行二次利用。

3.4 冶煉節(jié)能

近年來，我國鋼鐵冶煉系統(tǒng)節(jié)能取得了明顯進(jìn)步，通過負(fù)能冶煉等技術(shù)手段降低了冶煉過程中的能耗，但我國的冶煉節(jié)能技術(shù)水平仍然落后于西方發(fā)達(dá)國家，所以需要加大節(jié)能技術(shù)的研究與引進(jìn)力度。

4 鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 干熄焦技術(shù)

干熄焦技術(shù)主要是利用冷的惰性氣體在干熄焦?fàn)t中與赤熱紅焦進(jìn)行換熱，從而對紅焦進(jìn)行冷卻處理。在這一過程中，惰性氣體會吸收紅焦的熱量并將熱量傳輸至廢熱鍋爐中。而被冷卻的惰性氣體會通過循環(huán)風(fēng)機(jī)再次進(jìn)入到干熄焦?fàn)t中并對紅焦進(jìn)行冷卻處理。在循環(huán)運(yùn)行時(shí)，廢熱鍋爐中會產(chǎn)生高壓蒸汽或中壓蒸汽，從而為電力生產(chǎn)提供助力。相比于其他節(jié)能技術(shù)，干熄焦技術(shù)具有可節(jié)約能源、可改善焦炭質(zhì)量等優(yōu)勢。

（1）可節(jié)約能源。傳統(tǒng)的熄焦技術(shù)是利用噴水的方式降溫，沒有吸收紅焦的熱量，造成了熱量浪費(fèi)。而干熄焦技術(shù)可以有效吸收紅焦的熱量，減少熱量浪費(fèi)。從實(shí)際情況來看，利用干熄焦技術(shù)可以回收紅焦中80%～86%的熱量，所以每處理1 t紅焦便可以產(chǎn)生0.4～0.5 t的中壓蒸汽或高壓蒸汽[4]。

（2）可改善焦炭質(zhì)量。干熄焦?fàn)t的預(yù)存室會對焦炭進(jìn)行再次煉焦，且預(yù)存室會對焦炭進(jìn)行逐漸冷卻處理，所以可以減少焦炭的裂紋，增強(qiáng)焦炭的強(qiáng)度。例如，應(yīng)用干熄焦技術(shù)可使焦炭的強(qiáng)度提高3%～5%并降低焦炭的含水量，從而在煉鐵過程中降低綜合焦比、達(dá)到節(jié)約鐵資源的效果。同時(shí)，應(yīng)用干熄焦技術(shù)也可以降低焦炭與焦粉的篩分難度，為燒結(jié)環(huán)節(jié)提供大量的原料。

（3）可改善環(huán)境。在應(yīng)用濕熄焦技術(shù)時(shí)需要應(yīng)用大量的冷卻水，冷卻水中含有氰、酚等有害物質(zhì)，會造成環(huán)境污染。而應(yīng)用干熄焦技術(shù)可以降低用水量，從而減少大氣污染物的排放。

鋼鐵企業(yè)需要深入研究干熄焦技術(shù)，明確干熄焦技術(shù)的應(yīng)用原理及優(yōu)勢，充分發(fā)揮干熄焦技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)中的作用，提高企業(yè)的節(jié)能水平。例如，某鋼鐵企業(yè)花費(fèi)2億元在鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)中安裝了汽輪發(fā)電機(jī)組及中高溫壓強(qiáng)制循環(huán)干熄焦余熱鍋爐等裝置，每年可生產(chǎn)1.5億kW·h電，并獲取8 000萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 初冷器的余熱利用

在生產(chǎn)過程中，焦?fàn)t煤氣會以650～700℃的高溫離開焦?fàn)t并通過上升管進(jìn)入到橋管當(dāng)中。集氣管中的氨水會對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行降溫，使焦?fàn)t煤氣的溫度降低至82℃左右。在這一過程中若想提高煤氣輸送效率、全面回收化學(xué)產(chǎn)品就需要利用橫管初冷器對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行冷卻處理，從而使焦?fàn)t煤氣的溫度降低至21℃。但傳統(tǒng)的橫管初冷器都是二段冷卻結(jié)構(gòu)，其中Ⅰ段進(jìn)循環(huán)水的溫度為32℃，可以將焦?fàn)t煤氣的溫度降低至45℃。經(jīng)過Ⅰ段處理系統(tǒng)的處理之后焦?fàn)t煤氣會進(jìn)入到Ⅱ段處理系統(tǒng)中，而Ⅱ段處理系統(tǒng)中循環(huán)水的溫度為18℃，可以將焦?fàn)t煤氣的溫度降低至21℃。這種橫管初冷器雖然也可以降低焦?fàn)t煤氣的溫度，但是會造成熱量浪費(fèi)。因此，可以將傳統(tǒng)的二段式初冷器轉(zhuǎn)變?yōu)槿问匠趵淦?，從而提高余熱的利用效率。相比于二段式初冷器，三段式初冷器主要包?個(gè)處理系統(tǒng)，即高溫段處理系統(tǒng)、中溫段處理系統(tǒng)及低溫段處理系統(tǒng)，可以利用冷凝冷卻的方式進(jìn)行放熱，吸收系統(tǒng)中的熱量，從而為冬季采暖提供能源。在夏季時(shí)可以通過改造蒸汽型制冷機(jī)利用初冷器余熱，即利用余熱進(jìn)行制冷，這樣不僅可以降低焦?fàn)t煤氣的溫度也可以降低低溫水的制取難度。初冷器余熱利用技術(shù)的應(yīng)用效果相對較好，所以部分鋼鐵企業(yè)利用初冷器余熱利用技術(shù)進(jìn)行了集中供熱，部分鋼鐵企業(yè)將初冷器中的余熱應(yīng)用在了真空碳酸鹽脫硫——制酸工藝當(dāng)中，充分發(fā)揮了余熱的作用。例如，某鋼鐵企業(yè)對初冷器余熱進(jìn)行了回收，每年可以產(chǎn)生8 700萬元的效益。

4.3 煉焦煤調(diào)濕

煉焦煤調(diào)濕技術(shù)也是鋼鐵行業(yè)中至關(guān)重要的節(jié)能技術(shù)，可有效降低能耗。其中煤調(diào)濕指的是裝爐煤水分控制工藝，可以在裝爐之前對煉焦煤中的水分進(jìn)行集中處理，從而降低煉焦煤的水分含量。常用的煉焦煤調(diào)濕技術(shù)包括導(dǎo)熱油煤調(diào)濕技術(shù)、蒸汽煤調(diào)濕技術(shù)及流化床煤調(diào)濕技術(shù)等。第一，導(dǎo)熱油煤調(diào)濕技術(shù)。這種技術(shù)就是將導(dǎo)熱油當(dāng)作載體，并利用換熱器吸收焦?fàn)t煤氣與焦?fàn)t煙道氣中的余熱。在這種情況下，導(dǎo)熱油的溫度會達(dá)到超200℃，便可以在干燥機(jī)中對濕煤進(jìn)行加熱處理，從而降低煉焦煤的水分含量。第二，蒸汽煤調(diào)濕技術(shù)。與導(dǎo)熱油煤調(diào)濕技術(shù)不同，蒸汽煤調(diào)濕技術(shù)將蒸汽當(dāng)作熱源。所以在應(yīng)用這種技術(shù)手段時(shí)可以利用低壓蒸汽或干熄焦蒸汽在干燥機(jī)中對濕煤進(jìn)行加熱處理，從而降低煉焦煤的水分含量[5]。蒸汽煤調(diào)濕技術(shù)中常用的干燥機(jī)有2種結(jié)構(gòu)，分別是蒸汽在管外、煤料在管內(nèi)及蒸汽在管內(nèi)而煤料在管外。第三，流化床煤調(diào)濕技術(shù)。在應(yīng)用這種技術(shù)時(shí)需要在流化床干燥機(jī)當(dāng)中利用焦?fàn)t煙道氣對煉焦煤進(jìn)行加熱處理，降低煉焦煤的水分含量。從實(shí)際情況來看，相比于前2種技術(shù)手段，流化床煤調(diào)濕技術(shù)的可行性最強(qiáng)、效果也最好，所以需要加大對這種技術(shù)的推廣力度。

應(yīng)用煉焦煤調(diào)濕技術(shù)可有效降低煉焦煤的含水量、增加焦?fàn)t碳化室的裝煤量，繼而提升焦?fàn)t的生產(chǎn)水平。同時(shí)，應(yīng)用煉焦煤調(diào)濕技術(shù)可以降低煉焦過程中的熱能消耗、增強(qiáng)煉焦?fàn)t運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此鋼鐵企業(yè)需要靈活應(yīng)用這一技術(shù)手段。例如，某鋼鐵企業(yè)每年可生產(chǎn)100萬t焦炭，在應(yīng)用煉焦煤調(diào)濕技術(shù)之后將煉焦煤的水分含量從10%控制在了6%，降低了煉焦的耗熱量。同時(shí)，鋼鐵企業(yè)利用弱黏結(jié)性煤取代了部分傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)煉焦煤，有效提高了煉焦?fàn)t的生產(chǎn)水平，減少了煉焦過程中產(chǎn)生的廢水。

4.4 節(jié)能發(fā)電技術(shù)

節(jié)能發(fā)電技術(shù)可以將熱能等能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，常用的?jié)能發(fā)電技術(shù)有燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)、干式TRT發(fā)電技術(shù)等。第一，燒結(jié)余熱發(fā)電技術(shù)。這種發(fā)電技術(shù)可以將燒結(jié)過程中產(chǎn)生的余熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但在?yīng)用這種技術(shù)時(shí)需要做好余熱回收工作。在生產(chǎn)過程中，無論是燒結(jié)機(jī)還是冷卻機(jī)都會產(chǎn)生廢氣，而這些廢氣的溫度較高，所以鋼鐵企業(yè)應(yīng)在燒結(jié)機(jī)的尾部及冷卻機(jī)中設(shè)置余熱回收裝置，并利用這些余熱進(jìn)行發(fā)電。從實(shí)際情況來看，1t燒結(jié)礦產(chǎn)生的廢氣余熱可以生產(chǎn)20kW·h的電能。例如，某鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)置了汽輪發(fā)電機(jī)組及燒結(jié)余熱鍋爐，每年可產(chǎn)生7 000萬元的效益。第二，干式TRT發(fā)電技術(shù)。干式TRT發(fā)電技術(shù)即高爐爐頂余壓發(fā)電技術(shù)，可以利用透平發(fā)電裝置將高爐爐頂中煤氣的熱能及壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在煉鐵節(jié)能中發(fā)揮著重要作用。在應(yīng)用這種技術(shù)時(shí)需要利用高爐爐頂中煤氣的余壓及余熱將煤氣導(dǎo)入到透平膨脹機(jī)當(dāng)中，從而利用透平膨脹機(jī)將熱能及壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而為發(fā)電工作提供能源。從高爐爐頂煤氣壓力情況來看，每噸鐵都可以產(chǎn)生30～50 kW·h的電能。同時(shí)，在高爐爐容相同的情況下，干法回收率更高一些。這主要是因?yàn)樵诟煞üに囍忻簹鉁囟认鄬^高、透平做功的能力也比較高。例如，某鋼鐵公司在高爐中設(shè)置了干式TRT裝置，每年可以生產(chǎn)2 000萬kW·h的電能，繼而獲取900多萬元的收益。

4.5 預(yù)熱式熱風(fēng)爐使用

預(yù)熱式熱風(fēng)爐技術(shù)是較為先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，在鋼鐵行業(yè)節(jié)能中占據(jù)著重要地位。鋼鐵行業(yè)應(yīng)深入研究預(yù)熱式熱風(fēng)爐技術(shù)，明確技術(shù)的應(yīng)用原理、提高技術(shù)應(yīng)用效率。預(yù)熱式熱風(fēng)爐技術(shù)將預(yù)熱技術(shù)與熱風(fēng)爐結(jié)合了起來，指的是當(dāng)熱風(fēng)爐處于燃燒過程中時(shí)，空氣及煤氣換熱器會對冷空氣、冷煤氣進(jìn)行預(yù)熱處理并將空氣與煤氣輸送至熱風(fēng)爐的燃燒器中，使空氣與煤氣在燃燒室中燃燒?？諝馀c煤氣燃燒過程中會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，這些高溫?zé)煔鈺M(jìn)入到熱風(fēng)爐的蓄熱體中，而部分廢氣會進(jìn)入到排煙道中并經(jīng)過煙囪排入到大氣中。常用的預(yù)熱技術(shù)主要包括利用熱風(fēng)爐煙道廢氣對空氣及煤氣進(jìn)行預(yù)熱的技術(shù)；在熱風(fēng)爐中設(shè)置加熱系統(tǒng)，從而對空氣與煤氣進(jìn)行預(yù)熱的技術(shù)；利用熱風(fēng)爐直接對空氣與煤氣進(jìn)行預(yù)熱處理的技術(shù)，其中第一種技術(shù)手段不僅可以提高空氣與煤氣的溫度也可以提高廢氣利用率，但是在應(yīng)用這種技術(shù)手段時(shí)需要設(shè)置金屬板式或管狀式的換熱器；第二種技術(shù)手段可以提高預(yù)熱溫度；第三種技術(shù)手段可以通過預(yù)熱助燃的方式提高空氣的溫度。

對冷空氣與煤氣進(jìn)行預(yù)熱處理后可有效提高熱風(fēng)爐燃燒火焰的溫度，繼而提高燃燒效率。某鋼鐵企業(yè)在高爐中設(shè)置了附加加熱系統(tǒng)，對空氣與煤氣進(jìn)行了預(yù)熱處理，有效提高了燃燒溫度。

5 結(jié)束語

在鋼鐵行業(yè)中應(yīng)用節(jié)能技術(shù)具有重要意義，不僅可以降低鋼鐵行業(yè)的能耗，也可以緩解我國資源緊缺的現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。鋼鐵企業(yè)需提高對節(jié)能技術(shù)的重視程度，加大對干熄焦技術(shù)、初冷器余熱利用技術(shù)和煉焦煤調(diào)濕等節(jié)能技術(shù)的研究力度，充分發(fā)揮其在鋼鐵生產(chǎn)中的作用。