钢铁工业绿色技术新趋势分析

发表于:2016-02-03 来源:中国冶金报
关键词: 钢铁 钢铁企业

钢铁企业在严峻的市场形势和愈加沉重的节能环保压力下,一方面,需要重视对现有技术进行升级和改造,以达到节能环保、提高效率的目的;另一方面,钢铁企业也注重开发新的装备技术,研发新的管理控制系统,以迎接资源和环境的挑战。

1认清钢铁污染来源

钢铁工业的空气污染物主要来自于生产过程,包括气态物质(如硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳等)、烟灰和烟尘颗粒、重金属、有机污染物等。

钢铁工业的废水污染物主要包括固体悬浮物、重金属、油脂。废水中的固体悬浮物包括铁氧化物、煤、生物渣、金属碳氧化物和其他固体废弃物。

炼钢时排放的固体废料是煤的衍生物,主要来自焦炭生产的副产品,如焦炭粉尘、渣、石灰石等。

2现有技术的升级利用

2.1余压余热回收利用技术

钢铁生产过程中过剩的可燃烧气体可以用来发电,常见的有以下几种。

1)高炉煤气余压透平发电技术(TRT)。TRT技术利用高炉的余热和余压来发电,采用TRT技术每吨铁可发电40千瓦时~60千瓦时。

2)有机朗肯循环(ORC)和卡林那循环。产生于炼钢和二次冶炼的低品质余热可以用ORC和卡林那循环发电。ORC和卡林那循环的发电效率分别为8.1%和12.8%,两种技术都被认为是商业技术,可用于全球地热和余热发电。

3)热光伏回收方法(ThermophotovoltaicHeatRecovery,TPV)。炼钢过程产生的热辐射可以通过热光伏方法(TPV)回收,由光电二极管电池吸收热辐射来发电。高炉渣和板坯适用于TPV方法,可以回收约4%的总能量。

4)干熄焦工艺。熄焦气体中的热能可通过回收蒸汽用于发电来实现再利用。采用干式熄焦装置每吨焦炭可以回收400千克~500千克高压、高温蒸汽,相当于每吨焦炭发电220千瓦时~330千瓦时。采用干熄焦技术,约35%的焦炉总投入能量可以再次利用,不仅节省能源,还减少了二氧化碳的排放量。

2.2能源技术有效利用

钢铁生产过程中常见的能源技术的有效利用,主要有以下几种。

1)焦炉煤气生产甲醇。焦炉煤气约含25vol%的甲烷和60vol%的氢气,采用该技术可减少钢厂甲烷和二氧化碳的排放量。据报道,采用焦炉煤气甲烷生产甲醇的生产转换效率为56.2%~67.2%。

2)燃料转换。由于焦炭在使用中向环境排放大量的二氧化碳,科技人员努力寻找各种替代材料,其中一个就是生物材料,如木炭、甲烷、氢气、乙醇和甲醇等。通过将生物材料转换成合成天然气(SNG)或生物气体,改进生物材料的热值后入炉,能明显减少二氧化碳的排放量。

3)直接还原铁生产工艺。直接还原铁厂可以作为高炉生产工艺的补充。与高炉—碱性氧气炉工艺相比,以天然气为基础的直接还原铁—碱性电弧炉炼钢工艺可以减少约40%的二氧化碳排放量。

4)冷床余热生产热水。可以回收冷床的对流热和辐射热生产热水,热水可以用作热自来水、钢厂取暖,或者销往生活区和热力公司。对流热可以通过热交换器来回收,辐射热通过收集器回收。

5)热能储存。通过热能储存,热能可以通过火车、汽车和船来运输,正在开发的热能储存技术有:一是吸收技术,热能储存在对热能敏感的液体或固体介质中,储存能力为180千瓦时/吨~400千瓦时/吨。二是潜热储存,该方法是通过相变材料的相变(例如从固体到液体)将热能储存在材料中,储存潜力为80千瓦时/吨~160千瓦时/吨。三是作为化学能储存或采用可逆化学反应,储能为30千瓦时/吨~1000千瓦时/吨。

6)碱性氧气炉余热和气体回收。碱性氧气炉炼钢工艺要求钢中的碳、一氧化碳和二氧化碳相互发生反应并生成转换气体。通过将碱性氧气炉气体燃烧于管道中,在利用热锅炉回收热量,或将碱性氧气炉的气体经过净化、冷却并储存于气缸中以备将来使用。

7)废料预热。尽管采用电弧炉生产钢提供了比高炉工艺更大的灵活性,但在电弧炉中,所用能源的20%用来熔化废料,预热废料技术帮助减少电弧炉工艺的能源消耗,其原理是利用余热加热入炉废料。

8)烧结厂废气热回收。有两个途径可以从烧结工艺中回收能源:一是烧结床排放的气体可以作为燃烧气体返回以减少能耗,二是采用烧结矿冷却系统。在烧结床端可以回收热烧结矿中的热量,热空气可以用于生产蒸汽。

10)最佳烧结—球团比例。高炉的铁矿石主要是烧结矿和球团矿两种,球团矿生产产生的二氧化碳比烧结矿生产多,因此,可以调整每座高炉烧结矿和球团矿的比例为1:1,以减少二氧化碳排放,节约能源。

11)氧燃料燃烧器。电弧炉炼钢工艺造成电极之间的高强电能通道,产生电弧熔化废钢,氧燃料燃烧器通过采用燃料取代电能来降低电耗并提高热传导。

12)粉煤喷吹。焦炭成本比煤成本高得多,粉煤喷吹是向高炉喷吹粉煤降低焦比来节省成本。

13)热风炉热气回收。废弃热回收系统帮助提高热风炉的效率,来自热风炉的热量部分由外部热交换器回收,回收的热量用于预热高炉煤气和燃烧空气,因而可以减少,甚至避免煤气消耗。

3立足于碳减排的新技术

目前国际钢铁行业的创新技术通常应用于超大型项目,需要较高的投资成本,这些技术主要是基于能源节约和减少二氧化碳排放的目的而上马的。

1)氢还原工艺。若用氢还原铁矿石,则生产水和煤气,二氧化碳排放量减少,且氢分子更容易进入铁矿石,实现铁矿石的快速还原。

2)Corex。该工艺有利于从钢水中脱碳,净化和冷却顶部空气,回收部分煤气,在铁矿石还原成海绵铁后,出售剩余煤气。

3)Finex。该工艺中的铁矿石粉装入流化床反应装置加热并还原,下游获得直接还原铁,还原气体来自熔融气化炉。

4)直接板材厂。直接板材厂使铸造和轧制工艺实现一体化生产,不需要中间检查或钢坯处理,避免了板坯运输时的热能损失。

5)碳捕捉和储存。该工艺通过3个主要技术来分离二氧化碳气体:燃烧后捕捉,预燃烧捕捉和氧燃料燃烧。燃烧后捕捉是在燃烧后分离二氧化碳,主要来自排放气体,借助吸收液体来捕捉二氧化碳,燃气气体被运送到储存地。预燃烧捕捉分离二氧化碳是在燃烧之前,燃料气体形成共生气体,进一步转换成氢气和二氧化碳,利用水煤气反应,然后二氧化碳通过吸收液体从气流中分离出来,运输并储存起来。氧燃料燃烧采用纯氧替代空气燃烧,确保烟道气体中主要是二氧化碳,可以直接运输和储存。

6)ULCOREO、Midrex和HYL。这3种技术都是从球团矿中生产直接还原铁,在竖炉中采用煤气直接还原,其还原煤气可以是天然气或焦炉煤气,也可以采用煤气化或生物燃料的方式。

7)高炉炉顶煤气循环。该技术帮助去除高炉炉顶气体中的二氧化碳并利用、回收有效气体(如一氧化碳和氢气),进而向高炉喷吹一氧化碳和氢气以降低焦比。该系统用纯氧取代热风以除去二氧化碳。

8)HIsarana(新的熔融还原工艺)。该工艺基于熔池冶炼,该技术结合了煤预热和反应装置里的部分热解,利用相当少的煤来减少二氧化碳排放。而且,允许采用部分生物燃料代替煤,也可采用天然气甚至氢气,灵活性强。

9)电解铁矿石(ULCOWIN)。该技术采用碱电解从铁矿石中生产直接还原铁,在阴极还原铁,阳极提供电子,但该工艺仍需进一步研究。

4环保技术与管理相结合

为减少温室气体排放和能耗,钢铁行业可采取工业协作模式,并引入环境管理系统,使整个环境管理系统与所有工序、项目相接。

另外,还需要进行风险过滤,解决那些在立法、职业健康、安全和技术等方面不合理的问题。各项治理工作经过处理和排序,其处理需考虑技术开发、投资成本和预计二氧化碳减排量。最终,要确定每一项治理工作的净现值,并将治理每吨二氧化碳所需的资金数额计算出来。要将治理成本边际曲线形成公式,治理成本边际曲线可以确定当特定能源节省多少时,治理工作才具有经济性,同时还可以帮助确认资源、能源用量的“转换点”。每一个治理工作还可以编制为程序进入项目计划,确定执行这一工作需要的时间,并创造一个减排目标路线。以上方法可使钢铁行业的环保治理具备可购买性,治理活动变得更加便捷。

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