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邢奕:钢铁行业的超低排放如何炼成

北极星大气网  来源:环境与生活杂志  作者:郑挺颖 许澜馨  2020/10/29 10:18:43  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:钢铁行业 超低排放 邢奕

北极星大气网讯:钢铁工业是我国国民经济的重要支柱产业之一,也是资金、技术、资源、能源密集型行业。我国是世界上最大的钢铁生产国,粗钢产量已连续20余年保持全球第一。但是,钢铁行业也是耗能和排污大户,是我国“蓝天保卫战”的主战场之一。

10月13日,《环境与生活》杂志记者来到北京科技大学能源与环境工程学院,采访了该院院长邢奕教授,听他介绍了国内钢铁行业绿色发展的最新动向及前沿科技。

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图|10月13日,北京科技大学能源与环境工程学院院长邢奕教授在其办公室接受《环境与生活》杂志记者采访。 许澜馨 摄

我国是世界上最大的钢铁生产国,2019年粗钢产量9.963亿吨,占世界粗钢总产量的53%。虽然我国在钢铁行业已经取得了卓越的成就,但随之而来的污染问题也是不容轻视的。钢铁生产具有工艺流程长、产污环节多、污染物排放量大的特点。据测算,2018年钢铁行业二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量分别为105万吨、163万吨、273万吨,约占全国排放总量的6%、9%、19%。随着近年来我国环境治理力度不断加强,特别是燃煤电厂实施超低排放以来,火电行业污染物排放量大幅度下降。2017年,钢铁行业主要污染物排放量已超过电力行业,成为工业部门最大的污染物排放来源。

钢铁是怎样炼成的?

10月13日,在接受《环境与生活》记者采访时,邢奕院长笑着说,想要知道钢铁冶炼过程中污染物的来源,就要先明白“钢铁是怎样炼成的”。钢铁的冶炼过程是一个长流程,大致可分为采矿、选矿、烧结、球团、炼焦、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等环节。同时,钢铁冶炼本身也是一个“三高”过程,即高能耗、高物耗、高排放。

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邢奕院长耐心介绍,首先,在矿山里开采出品位较高的铁矿石,将它们破碎并磨成细粉后进行磁选富集。含铁矿物具有磁性,经过磁选得到的铁精粉含铁品位会进一步提高。随后,铁精粉作为原料进入烧结工序,混以燃料和溶剂,在高温下烧制成具有一定强度、粒度的烧结矿或球团矿,而后再将烧结矿和球团矿运送至高炉内炼铁。炼铁工序大部分采用高炉炼铁技术,但是由于铁精粉直接加到高炉里会影响料柱的透气性,所以需要将它们制成烧结矿或球团矿。举一个形象一点的例子,就是把粉末状铁矿粉高温烧制成像小丸子一样的形态。无论是烧结矿还是球团矿,虽然工艺不同,但是它们制造出来的产品都是装入高炉进行冶炼。高炉炼铁后,生成的铁水进行转炉炼钢,炼钢后再进行连铸生产钢坯。当钢坯出炉后,进行切割,再将切割好的钢坯加热后送入轧机进行轧钢生产。

污染物主要源于烧结工序

邢奕教授解释:“烧结是整个钢铁冶炼过程中污染物排放量最大的工序,其排放的污染物可占钢铁冶炼过程中污染物总排放的40%至50%。烧结的整个过程都伴随着高温反应,在高温条件下,烧结混合料中释放出大量的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等常规污染物和一氧化碳、二噁英、氯化氢和氟化氢等非常规污染物。而炼铁、炼钢工序的主要污染物是粉尘,污染物种类较单一。相对来说,烧结工序的污染物综合治理难度较大,投资占比最高。”

既然污染排放量这么大,为什么不简化步骤,直接用高温来炼钢呢?

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图|获得邢奕教授指导的安徽(六安)金日晟矿业公司120吨球团回热风SCR脱硝项目

邢奕院长接着解释:“其实,炼铁和炼钢是两个过程,具有明显的不同。炼铁是一个还原的过程,将氧化物形式的铁还原成单质态的铁。而炼钢是个氧化的过程,把高炉生产铁水里含有的碳氧化掉,因为含碳量高的钢材,抗压性很好,但韧性不好,会比较脆。钢和铁的最主要区别就是含碳量不同,要把铁的含碳量降下去,就得把其中的碳在炼钢工序氧化掉。从铁到钢这个过程产生的污染较小,我们要做的主要是除尘。”

邢奕教授指出:“虽然简化步骤直接用高温炼钢是不可行的,但简化步骤的思路却是对的。例如,我国可以发展短流程炼钢,如提升废钢-电弧炉炼钢的比例。目前,我国的钢铁冶炼过程是以高炉-转炉长流程为主,采用废钢-电弧炉炼钢短流程工艺产生的污染物要少得多。”

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图|河北(沧州)渤海煤焦化公司焦炉烟气密相干塔脱硫项目

现阶段,欧美很多国家都以废钢为原料,用电弧炉进行炼钢。短流程炼钢工序环节少,省去了烧结这个“三高”流程,大幅度降低了钢铁生产过程产生的污染物。

既然电弧炉炼钢有这么多的优点,为什么我国没有广泛使用呢?邢奕教授表示:“我们目前还处在一个过渡时期。前溯5年,社会废钢保有量还不足以支撑我们高比例采用废钢为原料来炼钢。直到最近几年,废钢产生量才开始快速增长。但是,现阶段我国电弧炉炼钢的成本以及废钢回收的经济成本还比较高,导致废钢-电弧炉短流程工序不挣钱甚至亏钱。再者,我们还没有形成一个废钢回收以及分类比较完善的方法。因为废钢中含有较多杂质,在电弧炉冶炼生产中容易产生二噁英这种剧毒的污染物。所以,废钢不能很好地回收是会产生很多问题的。虽然我国的电弧炉炼钢技术还没形成体系,但这会是我们未来的重点发展方向。”

努力完成我国钢铁行业的第三个创新引领

针对烧结这一污染严重的工序,邢奕院长说:“一直以来,我们都在积极地优化方案,使污染物排放量达到超低。在传统的高炉工序里,最大的问题是以碳为还原剂,这成为钢铁生产碳排放的重点环节。过去,我们在高炉里加入焦炭作为还原剂来降低碳排放。现在,我们正在探索氢冶金以及生物冶金。从使用化石能源向使用氢、生物质材料等转变。用氢取代焦炭,可以实现更优的减排效果。拿氢做还原剂,最终产物为水,这样就可以减轻污染。”

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图|越南球团密相干塔脱硫项目

邢奕教授表示:“在我国钢铁行业不断的发展过程中,污染防治也取得了许多傲人的成绩,做到了行业引领,成了全球行业标杆。”第一个引领是研发了密相塔半干法脱硫技术。目前,根据是否加水和加水量的多少,市场上可分为三类脱硫方法:湿法、半干法(加少量的水)以及干法。治理初期烧结厂使用最多的是湿法脱硫,也就是在喷淋条件下,酸性气体二氧化硫和碱性物质石灰石浆液发生中和反应的过程,最后产生石膏浆液等脱硫副产物。干法烟气脱硫,是指在不加水条件下,利用粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂来脱除烟气中含硫化物的气体。

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图|通化钢铁集团板石矿业公司球团密相干塔脱硫项目

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