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全球钢铁行业探路绿色化

北极星大气网  来源:环境与生活杂志  作者:刘国伟  2020/10/30 10:52:47  我要投稿  

北极星大气网讯:钢铁生产过程涉及大量物质、产品流以及大量能量转换,伴随着多种形式的污染物排放,大批废弃物对环境会造成不同层次和不同程度的影响。浓烟滚滚的近代钢铁行业既造福人类,也背上了污染大气的骂名。为了摆脱这种窘境,全球先进的钢铁企业不断探索绿色化转型的道路并取得不少进展。在“十三五”规划收官之年,对标国际先进水平,实现钢铁行业排放的大幅削减显得尤为重要。

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冶炼流程决定污染物排放多寡

为深化工业污染治理、坚决打赢蓝天保卫战,近年来国家多部门坚持不懈地推进钢铁行业升级转型,促进经济向高质量发展转变。

读者们印象中的钢铁冶炼少不了高炉林立,但从细分上,目前的钢铁生产工艺大体可以分为一长一短两大流程。其一是从矿石到钢铁的“长流程”,即以铁矿石、焦炭等为原料,采用烧结炉、高炉和转炉等设备生产钢铁的过程;其二是利用废钢为主要原料,采用电弧炉和中频炉等设备,进行废钢重熔精炼的工艺过程,其中电弧炉的应用最广泛,因此“短流程”通常指电弧炉炼钢。

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图|捷克共和国俄斯特拉法的一家钢铁厂的除尘设备,欧盟国家的钢铁厂普遍注重除尘和净化。

发达国家钢铁产业污染程度更轻的一个重要原因就与上述不同流程有关,因为“短流程”的电弧炉炼钢污染物排放要更少。一方面,电能具有清洁、高效、方便等优点,是工业化发展的优选能源,尤其是可持续的“绿色”电能更具有重要的环保意义;另一方面,电炉炼钢是一种铁资源回收再利用过程,也是一种处理污染的环保技术。有数据显示,由于欧美废钢铁回收率很高,欧盟近年来电弧炉出产的粗钢占自身总产量四成以上,相比之下多年来我国钢铁企业采用电弧炉不到一成,远低于世界平均水平。不过随着国内废钢产量的增加以及电力成本的降低,我国电弧炉炼钢产量比例提升很快,未来成长空间很大。这一事实也有力地说明了循环经济对钢铁行业治污的重大意义。

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与燃煤发电行业相比,钢铁行业的烟气成分更加复杂,在技术和经济性上存在诸多挑战。接下来,我们具体从技术和设备等角度对发达国家的钢铁行业治污做一下了解。

欧盟从除尘和净化入手

2019年,欧盟28国的粗钢产量为1.594亿吨,远远少于中国的9.963亿吨。欧盟加强钢铁工业的污染物排放控制既得益于法律法规的约束,同时也与其解决环保技术难题相结合,这主要体现在烧结程序和高炉有害气体净化方面。

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欧盟的钢铁烧结厂普遍极其重视提升除尘技术。所谓烧结,简单讲就是把细粉状原材料通过反应变成块状物料,并在物理性能和化学组成上能满足下一步加工要求的过程,这个过程中产生的有害废气量很大。对烧结厂废气排放的严格限制,使欧盟的钢铁企业采用多种技术解决废气排放的问题,如活性炭吸附工艺、移动电除尘、废气干法净化和烟气循环等。

烧结废气中的粉尘有一定的电阻,不能采用传统的静电除尘方法使之沉积,脉冲极板不能完全地将黏性很强的粉尘清扫掉。而使用移动式极板,粉尘可以被旋转钢丝刷清扫干净,这样就能避免受到反吹的不良影响,实现对烧结废气更好地除尘。这项移动电极静电除尘技术设备安装在德国艾森许腾斯塔特工厂的烧结机上,取得了很好的除尘效果。

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图|在18世纪的人们的眼中,高炉是一个喷云吐雾的庞然大物。

为了消除烧结烟气中二噁英的排放,欧盟有些钢铁企业向废气管道内喷吹褐煤半焦粉末、环形炉焦粉或活性煤作为吸附剂。环形炉焦粉或活性煤是有效的二噁英吸附剂,它可以与电磁滤袋和布袋结合起来使用。德国迪林根的罗吉萨烧结厂、萨尔茨吉特钢铁公司和蒂森克虏伯欧洲分公司的烧结厂,都在末端净化处理的布袋设备使用了拖拽流吸收工艺,废气经5600个布袋过滤,大大降低了二噁英排放浓度,能够达到所有的排放指标。

欧盟在高炉炼铁上对污染源的净化与减排抓得很紧。高炉区域有害气体排放的主要污染源是高炉炉顶煤气、出铁场和热风炉。高炉炉顶煤气经净化后,通常用作钢厂不同加热设备的燃料。炉顶煤气净化系统包括粉尘捕集、旋风除尘和煤气清洗设备,出铁场使用了多联除尘系统,还有许多高炉将高炉渣直接粒化,这都有效降低了有害气体与粉尘的排放。

先进产钢国重视VOCs减排

目前,业内普遍认为钢铁生产过程焦化工序产生挥发性有机物(VOCs),烧结工序由于使用燃料,也是VOCs来源之一。所谓VOCs,是以气态分子形态排放到空气中的所有有机化合物的总称,是臭氧和PM2.5的重要前体物。一般认为钢铁工业烧结过程中,VOCs是由焦炭、含油氧化铁皮等原燃料中的挥发性物质形成的,以气体形式排放,在某些操作条件下同时形成二恶英和呋喃。发达国家钢铁工业在减少烧结过程VOCs排放方面,采取了三类措施——源头削减、过程控制和末端治理。

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在源头削减方面,由于大部分碳氢化合物在100摄氏度至800摄氏度时在烧结混合物中挥发,并且通过废气从烧结过程排出,因此减少含油粉尘和轧屑使用可减少VOCs排放。这方面的主要技术包括:分开挑选低含油量的粉尘和轧屑以限制油类投入;减少轧屑的含油量;净化轧屑,加热轧屑至800摄氏度,使石油碳氢化合物挥发;使用溶剂从轧屑中提取油类等。

在过程控制方面,可以采用烧结烟气循环工艺将烧结台车的部分热废气(即烧结机头烟气)再次引入烧结料层循环利用,热废气所含的VOCs在通过1300摄氏度以上的烧结带时被分解。

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图|西班牙萨贡托港的高炉,如今已停产并对游人开放。

烧结烟气循环利用不但可以显著减少废气排放总量及污染物排放量,且能回收烟气中的余热、降低烧结工序能耗、改善烧结矿质量,具有较大的节能减排和推广应用价值。日本是最早开展烧结烟气循环技术应用的国家。1981年,世界首套烟气循环工艺装置在日本住友金属工业公司小仓钢铁厂的烧结机上投入运行。国外典型烟气循环工艺主要有4种,分别是日本新日铁公司开发的区域性废气循环技术、荷兰艾默伊登公司开发的排放优化烧结技术(EOS)、德国HKM公司开发的烧结过程降低排放和能耗优化技术(LEEP)、奥地利奥钢联公司开发的烧结环境工艺优化技术(EPOSINT)。

在末端治理方面,主要技术有日本的活性炭法和奥钢联的“高性能烧结废气净化法(MEROS)”。《环境与生活》杂志记者从专业文献上了解到,国外先进产钢国家对烧结烟气VOCs的控制较为严格,治理也取得较大的进展。自2012年以来,我国VOCs治理行业发展大大加快。

欧盟和日本摸索以氢代焦炭技术

今年9月,中国国家主席习近平在纽约联合国大会上宣布,中国争取在2060年前实现碳中和。对于我国这样一个传统的高炉流程占据很大比重、环境负荷高的钢铁生产国,要实现钢铁产业的节能减排和健康发展就要研发和尝试更多的绿色技术。

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图|塔塔钢铁公司在荷兰艾默伊登的工厂进行了长时间的海萨纳项目试验,治污减排效果明显。

上世纪五六十年代,欧美开始了气基直接还原炼铁技术的探索,大幅减少硫化物和氮化物排放。但这些早期开发的各种非高炉炼铁技术,主要是为了解决减少硫化物和氮化物的排放和优质焦煤资源短缺等问题,而且在实际工业应用时总能耗未呈现显著的降低,二氧化碳减排问题也未得到彻底解决。近些年来,面对《巴黎协定》二氧化碳排放量削减的艰巨任务,钢企尤其是长流程钢企如何有效降低二氧化碳排放强度成为亟待解决的问题。以欧洲“超低二氧化碳炼钢(ULCOS)”项目、日本“环境和谐型炼铁工艺技术开发项目(COURSE50)”和德国的碳变化工产品项目(Carbon2Chem,能将钢厂废气转化为合成燃料甲醇)为代表的技术,追求低碳炼铁,为探索低污染和低碳炼铁工业化的路径做了有益的尝试。

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欧洲的ULCOS项目在低碳高炉炼铁新技术方面,研究了炉顶煤气循环工艺,该工艺的亮点之一是使用回收的一氧化碳作为还原剂,减少焦炭用量。

日本COURSE50项目围绕高炉碳减排,开发了部分使用氢代替焦炭作为还原剂的氢还原炼铁法,并预期通过该支柱技术研发应用而实现的碳减排目标为10%。2015年,新日铁公司在住金君津厂建成了小型试验高炉(容积10立方米)进行高炉风口喷吹试验,随后进行了炉体拆解研究,确认部分使用氢作为还原剂的氢还原炼铁法可使二氧化碳排放量低值接近期望的减排目标。2018年11月,日本钢铁联盟提出了以2100年为目标的“挑战零碳钢”的地球变暖对策长期愿景,计划在2030年将COURSE50项目投入运行,待条件成熟后,将进行不使用高炉的氢还原铁的开发。

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此外,德国的蒂森克虏伯集团与液化空气公司合作,计划到2050年投资100亿欧元开展“以氢代煤”高炉冶炼项目。2018年11月,蒂森克虏伯正式将氢气通过一个风口注入杜伊斯堡9号高炉,进行氢炼铁试验。这标志着该项目一系列测试的开端,2019年蒂森克虏伯宣布试验成功。蒂森克虏伯还计划从2022年开始,在该地区其他三座高炉都用氢气代替煤进行冶炼,从而降低钢铁生产的污染物和碳排放。用氢气代替焦炭,充足和来源可持续的氢气供应不可或缺。杜伊斯堡的这次试验,液化空气公司通过其位于莱茵-鲁尔区全长200 公里的管道确保稳定的氢气供应。

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由于超高温核反应堆(VHTR)的反应产物是氢气与电能,这给了韩国以新的设计思路。早在2009年,韩国原子能研究院与浦项制铁公司等韩国13家企业及研究单位共同签署原子能氢气合作协议,正式开展核能制氢信息交流和技术研发。2010年5月,浦项制铁正式着手开发超高温反应堆。预计2025 年开始反应堆试运行,预计2030 年在2座高炉实际投入使用,到 2040年在12座高炉投入使用,从而完成氢还原炼铁。

另外,瑞典钢铁公司(SSAB)、瑞典大瀑布电力公司和瑞典矿业公司正在联合开发非化石能源钢铁项目“突破性氢能炼铁技术(HYBRIT,即HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology的缩写),主要采用氢气替代煤炭作为还原剂,目标是在2035年之前创建使用非化石能源的钢铁生产工艺。该项目有望减少瑞典二氧化碳排放总量的10%,芬兰二氧化碳排放总量的7%,得到了瑞典能源署部分资金支持。在瑞典国内,这一减排量将对该国达到减排目标起到重要作用。

重视从“大环保”上开展钢铁治污

前面我们用大篇幅从具体技术和设备角度介绍了国外钢铁行业的污染治理情况和趋势,着眼点较为具体,这些思路和技术在国内通常称为“小环保”。相比之下,在策略、流程、管理和政策等方面开展钢铁行业治污的工作则被称为“大环保”。

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钢铁在生产、运输、装卸、储存、转移、输送过程中颗粒物无组织排放的问题,是个全球性的突出问题,德国在这方面对车间和料场等无组织排放实行分类管理。对于车间无组织排放,严格控制炼钢车间的密闭措施,尽量减少车间内的冶炼二次烟气外溢情况出现。对于料场无组织排放,在保证厂界外达到环境质量标准的前提下,未对钢铁企业提出料场全封闭等成本较高的措施要求。欧盟钢铁行业的最佳可行技术(BAT)要求,通过直接测量、间接测量、排放系数等方法确定无组织排放大小。

长期以来,日本的钢铁公司密切关注循环经济政策和法律。日本于1995年颁布了《容器包装再生法》和《家电再生法》,并从2000年和2001年开始全面实施。2000年,日本又颁布了《建设循环型社会基本法》及《资源有效利用促进法》等一系列配套法规,从而推动了循环经济的健康发展。按照《资源有效利用促进法》的规定,钢铁工业作为资源高消耗行业,在做好节能和节约资源的同时应充分利用好企业内部的工业“三废”。日本钢铁联盟在其2010年节能、环保志愿计划中,除明确直接节能10%和工业“三废”基本不外排以外,还要求在冶炼过程中使用废塑料,通过低温余热供应社区和发展高效钢材实现节能5.5%的广义节能任务。

钢铁产业治污 中国迎头赶上

我国是世界上最大的钢铁生产国。国家发改委提供的资料显示,2019年全国生铁、粗钢和钢材产量分别为8.09亿吨、9.96亿吨和12.05亿吨,同比分别增长5.3%、8.3%和9.8%,粗钢产量再创历史新高。近年来,通过采取结构优化、重点地区企业异地搬迁、强化末端污染治理等措施,我国积极推进钢铁行业大气污染物减排工作,并取得了重要进展。这些措施使得在全国钢铁产量上升的同时实现了污染物排放总量下降,但由于钢铁行业总产量巨大,排放水平参差不齐,行业总排放量依然高企不下。

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据业内人士披露,目前我国钢铁产业脱硫、除尘的工艺已经十分成熟,能够实现超低排放相应的指标,在技术路线上也有很多的选择,但在钢铁烧结、球团工序上烟气波动比较大,没有适应现有成熟脱硝工艺技术的温度气段。现有技术如何结合烟气特点做适当的变化,以提高钢铁工业烟气净化成效,应成为当前我国工业烟气污染治理领域重要的科研攻关方向。

另外,随着我国城镇化速度的提升,我国很多钢铁企业被城区包围,面临的环保敏感度越来越高。位于南京的宝钢股份上海梅山钢铁股份有限公司,也因此在探索城市钢厂与城市功能共融共生的解决路径,向绿色钢厂转型。2017年12月,梅山钢铁的烧结烟气干式超净及催化氧化吸收协同脱硝装备顺利通过了168小时运行考核,现场排放检验表明远低于京津冀大气污染传输通道城市大气污染物特别排放限值。该设备运行至今,标志着全球首套可实现烧结烟气多污染物干式协同处理的超净装备正式诞生。

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近些年来,全球钢铁企业根据本身的实际情况,选择发展不同的钢铁生产工艺流程,环境友好始终是钢铁工业可持续发展不可缺少的重要课题。在此大背景下,国内钢铁行业更需加快推进污染治理步伐,贯彻好生态环境部等部门去年发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,推动全国尤其是重点区域大气环境质量持续改善,为自身可持续发展赢得空间。


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