蒼大強(qiáng)

（1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院，北京 100083；2.國(guó)家鋼鐵冶金新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

1 我國(guó)冶金工業(yè)面臨的節(jié)能減排嚴(yán)峻形勢(shì)

目前，全世界的能源已經(jīng)進(jìn)入礦物能源消耗的高峰期 （圖1），中國(guó)能源的獲取已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)困難時(shí)期，而中國(guó)的能耗卻出現(xiàn)了繼續(xù)增加的趨勢(shì).

圖1 世界化石能源（煤、油、天然氣）的消耗歷程Fig.1 Evolution of fossil energy consum ption in wor ld

中國(guó)近30多年工業(yè)化過(guò)程中，能源總的消耗量也進(jìn)入快速增加階段：

1978～1987年：10年共消耗8.0億t標(biāo)煤；

1988～1997年：10年共消耗18.0億t標(biāo)煤；

2012年：一年就消耗32.5億t標(biāo)煤；

2014年：消耗36億t標(biāo)煤；

2015年：預(yù)計(jì)消耗40億t標(biāo)煤.這種消耗能源的速度是前所未有的.

據(jù)國(guó)家發(fā)改委專家估計(jì)，按現(xiàn)在我國(guó)的能耗估計(jì)，到2050年，我國(guó)一年就要消耗90億t標(biāo)煤，按現(xiàn)在國(guó)際上最先進(jìn)的能耗水平 （日本），2050年中國(guó)也需要77億t標(biāo)煤，但我國(guó)政府只能提供65億t標(biāo)煤，中國(guó)能源就是面臨這樣嚴(yán)峻的形勢(shì).

解決能源問(wèn)題的途徑：

一是擴(kuò)大能源的來(lái)源，但受到國(guó)內(nèi)外條件的限制，擴(kuò)大能源來(lái)源越來(lái)越困難.

二是節(jié)能和提高能效，除了提高一次能源的利用效率外，提高二次能源的利用率變得越來(lái)越重要.很多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)從節(jié)能減排的技術(shù)、工藝變革中獲得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.

冶金工業(yè)的實(shí)質(zhì)，以鋼鐵工業(yè)為例：

是一個(gè)將“石頭”變成“金屬”的高溫化學(xué)工業(yè)，是一個(gè)需要付出巨大能量將“石頭”（鐵礦石、石灰石、螢石等）中的氧化鐵的“鐵”-“氧”鍵打開(kāi)的過(guò)程，這是鋼鐵工業(yè)能耗高的本質(zhì)特點(diǎn)，因?yàn)橹袊?guó)和世界需要鋼鐵，所以不得不付出巨大的能源.

中國(guó)現(xiàn)在是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，鋼產(chǎn)量幾乎占全世界鋼鐵總產(chǎn)量50%，這是中國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗占全國(guó)總能耗的16.3%（2014年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）的主要原因，如此大的能耗比例，引起了中國(guó)政府的極大關(guān)注，也給中國(guó)鋼鐵工業(yè)帶來(lái)了極大的壓力.中國(guó)鋼鐵工業(yè)能耗高有2個(gè)原因：一是鋼鐵總產(chǎn)量大，所以能耗量大；二是的確存在一定企業(yè)鋼鐵單耗高的，有較大的節(jié)能空間.

中國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗現(xiàn)狀如何評(píng)價(jià)？國(guó)內(nèi)外不少人都在問(wèn)此類問(wèn)題，客觀答案應(yīng)該如下：中國(guó)鋼鐵工業(yè)的能耗現(xiàn)狀是一個(gè)混合物，即有高水平、中水平的能耗，也有低水平的能耗等.中國(guó)鋼鐵工業(yè)現(xiàn)在高水平能耗的企業(yè)越來(lái)越多，低水平能耗的企業(yè)在減少，節(jié)能新工藝、新裝備和新技術(shù)逐步在增加.

中國(guó)鋼鐵工業(yè)環(huán)保現(xiàn)狀可以用李克強(qiáng)總理的總結(jié)來(lái)描述：

李克強(qiáng)總理在第七次全國(guó)環(huán)保大會(huì)上講：“發(fā)達(dá)國(guó)家一兩百年間逐步出現(xiàn)的環(huán)境問(wèn)題在我國(guó)短期內(nèi)集中顯現(xiàn)，環(huán)境總體惡化的趨勢(shì)尚未根本改變，壓力還在加大.”

2015年歷史上最嚴(yán)厲的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已于元旦開(kāi)始實(shí)施，除了排放要達(dá)標(biāo)外，還要達(dá)到總量排放的要求.

目前我國(guó)鋼鐵行業(yè)噸鋼平均環(huán)保成本約55元，先進(jìn)企業(yè)比落后企業(yè)高2倍左右 （先進(jìn)企業(yè)約為105元/t鋼，一般企業(yè)僅為40元/t鋼——無(wú)法達(dá)標(biāo)）.寶鋼環(huán)保全面達(dá)標(biāo)的成本：每噸鋼達(dá)150～160元，2012年該成本高達(dá)40.5～48.6億元，約占當(dāng)年寶鋼凈利潤(rùn)的一半.曹妃甸京唐公司環(huán)保成本達(dá)177元/t鋼.按國(guó)家新公布的關(guān)于大氣污染物排放的要求，年產(chǎn)1 000萬(wàn)t鋼的聯(lián)合企業(yè)，環(huán)保的年投入應(yīng)為10億元.

由于中國(guó)冶金工業(yè)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不理想，加上節(jié)能減排的任務(wù)越發(fā)加重，冶金工業(yè)的節(jié)能減排形勢(shì)會(huì)遇到前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì).

“節(jié)能環(huán)保”是國(guó)家戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)的第一個(gè)產(chǎn)業(yè)，是冶金工業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，是增加就業(yè)率的好措施，值得大力開(kāi)發(fā).

如何科學(xué)開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保新技術(shù)？國(guó)內(nèi)外已經(jīng)總結(jié)出以下3個(gè)途徑：

1）源頭治理（過(guò)程前：Before Process）——投入最少；

2）過(guò)程治理（過(guò)程中：In Process）——投入中等；

3）末端治理（過(guò)程后：After Process）——投入大.

中國(guó)冶金工業(yè)節(jié)能減排存在的問(wèn)題：

1）注重末端治理；

2）注重局部治理，缺乏大系統(tǒng)節(jié)能減排的理念，如跨工序、跨行業(yè)的及鞥減排等.

近年來(lái)，中國(guó)冶金工作者開(kāi)始開(kāi)發(fā)源頭和過(guò)程治理能耗和污染的技術(shù)和裝備了，相信不久的將來(lái)，會(huì)有越來(lái)越多的新技術(shù)應(yīng)用于冶金工業(yè)，并可能進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展注入新能量.

2 國(guó)內(nèi)外冶金工業(yè)節(jié)能減排的新方法

2.1 歐盟國(guó)家冶金工業(yè)用工藝革命的方法繼續(xù)節(jié)能減排

以歐盟為代表的世界鋼鐵工業(yè)，在十幾年前就認(rèn)為，鋼鐵工業(yè)靠技術(shù)節(jié)能已經(jīng)沒(méi)有多大潛力了，圖2列舉了德國(guó)蒂森-克虜伯鋼鐵公司燒結(jié)節(jié)能歷程.

圖2 德國(guó)蒂森-克虜伯鋼鐵公司燒結(jié)節(jié)能歷程圖Fig.2 Evolution of energy consum p tion in sintering process of ThyssenK rupp Steel Co.

由圖2中可以看出，從第一次世界能源危機(jī)1973年開(kāi)始，德國(guó)人就不斷開(kāi)發(fā)各種新的節(jié)能技術(shù)，效果顯著，但到了1990年前后，能耗已經(jīng)接近燒結(jié)能耗的極限，無(wú)法繼續(xù)降低燒結(jié)能耗了.鋼鐵工業(yè)其他工藝有類似現(xiàn)象，所以如何繼續(xù)降低鋼鐵工業(yè)能耗，成了一個(gè)需要思考的大問(wèn)題.最后歐盟專家們提出了對(duì)鋼鐵工藝、裝備進(jìn)行革命性或改良型變革的作法，如ULCOS項(xiàng)目.具體內(nèi)容包括：非高爐煉鐵技術(shù)（歐盟熔融還原法）；爐頂煤氣循環(huán)分離回收的改良高爐煉鐵法；電解法煉鐵；生物質(zhì)煉鐵法；CO2分離和固化法.

ULCOS項(xiàng)目計(jì)劃投資150億歐元，用約30年時(shí)間實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但歐盟很多國(guó)家認(rèn)為時(shí)間太長(zhǎng)，又開(kāi)發(fā)了一個(gè)稱為“工業(yè)集成”的方法，解決低碳節(jié)能的問(wèn)題.該方法本質(zhì)上就是我國(guó)提出的“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”方法，即將鋼鐵工業(yè)與其他工業(yè)建在一個(gè)工業(yè)園區(qū)，余能互相利用，資源共享，實(shí)現(xiàn)污染物排放最小化的目的.

2.2 日本節(jié)能減排的新工藝研究

日本在2000年左右技術(shù)節(jié)能接近極限后，也開(kāi)始開(kāi)發(fā)各種新工藝，試圖達(dá)到節(jié)能減排的目的.如：

1）開(kāi)發(fā)高爐低溫快速還原反應(yīng)新技術(shù)（目標(biāo)節(jié)能50%）；

2）塊礦煉鐵工藝；

3）氧化鐵H2還原技術(shù)和爐頂煤氣CO2分離技術(shù)；

4）用廢塑料——代替部分碳作還原劑；

5）微波煉鐵——無(wú)碳煉鐵法.

目前全世界都急需開(kāi)發(fā)一種非高爐的煉鐵新工藝，盡管COREX3000已經(jīng)失敗，但這一技術(shù)還是要繼續(xù)探索開(kāi)發(fā)的，它是大節(jié)能的工藝，需要注意的是，開(kāi)發(fā)全新工藝需要全新的思路，我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)有人提出了新的方法，但是需要一定的研發(fā)時(shí)間.

ULCOS項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)展多年的研發(fā)了，受近年來(lái)世界金融危機(jī)的影響，ULCOS項(xiàng)目研發(fā)速度受到較大影響，但該項(xiàng)目的思路是正確的.

3 冶金工業(yè)節(jié)能減排新技術(shù)

在此介紹已經(jīng)或可能列入國(guó)家節(jié)能減排技術(shù)目錄的部分節(jié)能減排新技術(shù).

節(jié)能的首要要素是提高一次能源的利用效率，世界上約85%的燃料是被燒掉的，所以“燒”的好壞，直接關(guān)系到一次能源的利用效率.

3.1 蓄熱式燃燒技術(shù)

蓄熱式燃燒技術(shù)是一個(gè)好技術(shù)：既節(jié)能，又環(huán)保，尤其用于低熱值燃料方面，效果更突出.該技術(shù)20世紀(jì)90年代進(jìn)入中國(guó)后，由于推廣太快，出現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)考慮不夠的地方，導(dǎo)致現(xiàn)在在中國(guó)冶金界呈現(xiàn)不冷不熱的狀態(tài).但應(yīng)該說(shuō)，蓄熱式燃燒技術(shù)是個(gè)好技術(shù)，只是有些具體工業(yè)層面技術(shù)問(wèn)題需要認(rèn)真對(duì)待.

3.2 富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒（圖3）是一個(gè)古老的燃燒技術(shù)[1-11]，但由于O2價(jià)格的降低和環(huán)境排放要求的提高，主要是NOx排放的限制，富氧燃燒技術(shù)又被國(guó)外節(jié)能減排人士提出來(lái).現(xiàn)在在瑞典鋼鐵工業(yè)，已經(jīng)有2/3的軋鋼加熱爐和熱處理爐采用富氧或全氧燃燒技術(shù)，并取得了很好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量效果，見(jiàn)圖4、圖5.

圖3 富氧燃燒與常規(guī)空氣燃燒的效果比較Fig.3 Com parison resu lts of oxy-fuel and air-fuel com bustion

圖4 瑞典富氧燃燒軋鋼轉(zhuǎn)底加熱爐Fig.4 Rotary heart reheating furnace w ith oxy-fuel tech.in sweden

圖5 瑞典富氧燃燒鍋爐系統(tǒng)Fig.5 Swedish boiler system w ith oxy-fuel tech

由圖4可以看出，富氧的好處之一是減少了煙氣量，降低了煙氣余熱的損失，由此帶來(lái)了顯著的節(jié)能效果，伴隨著其他好處，如提高產(chǎn)量，提高加熱質(zhì)量（減少氧化燒損），源頭減少NOx排放等，這是為什么富氧又再次被發(fā)達(dá)國(guó)家重新采納的原因.

中國(guó)有一些富氧燃燒的工業(yè)應(yīng)用的案例，如韶關(guān)鋼鐵公司用過(guò)、大連特鋼應(yīng)用瑞典技術(shù)正在特鋼軋鋼加熱爐上運(yùn)用該技術(shù)等，另有更多的富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如高爐富氧噴煤、鍋爐富氧燃燒技術(shù)等.我國(guó)政府已經(jīng)將富氧燃燒技術(shù)正式列入國(guó)家推薦的節(jié)能減排技術(shù)目錄.

3.3 納米微米節(jié)能材料

為了更多地吸收高溫?zé)煔庵械挠酂?，?jì)南慧敏科技公司開(kāi)發(fā)了高輻射率的納米微米節(jié)能材料[12-13]，其節(jié)能原理見(jiàn)圖6.

該節(jié)能技術(shù)的主要作用：在高爐熱風(fēng)爐燃燒期，可以大量增加從煙氣中吸收余熱，降低煙氣排放的溫度，達(dá)到節(jié)能的目的；而在送風(fēng)期，節(jié)能材料因?yàn)樵斐闪舜鬁夭畹慕Y(jié)果，可以使格子磚的熱量更多地釋放給冷風(fēng)，達(dá)到提高熱風(fēng)溫度和延長(zhǎng)送風(fēng)時(shí)間的目的.圖7是在實(shí)驗(yàn)室做的有和沒(méi)有應(yīng)用節(jié)能材料的熱風(fēng)爐格子磚吸熱和放熱結(jié)果的對(duì)比.

圖6 高輻射節(jié)能材料在高爐熱風(fēng)爐上的節(jié)能原理Fig.6 Energy-saving p rincip le of high radiative rate coating in BF hot stove

圖7 節(jié)能材料吸熱換熱放熱速度比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Com parison results of heat absorption and release for energy-saving coating

由圖7可以看出，應(yīng)用節(jié)能材料的格子磚吸熱多，放熱快.該技術(shù)已經(jīng)在420多臺(tái)熱風(fēng)爐、焦化爐、鍋爐上應(yīng)用，并已經(jīng)出口到韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司、加拿大ARCELOR MITTAL鋼鐵公司和波蘭某鋼鐵公司等，其他一些國(guó)家也有采納該技術(shù)的，僅在等待熱風(fēng)爐中修的機(jī)會(huì).圖8是同規(guī)格的3個(gè)熱風(fēng)爐（2個(gè)應(yīng)用節(jié)能材料，1個(gè)沒(méi)用節(jié)能材料）在中國(guó)某鋼鐵公司熱風(fēng)溫度對(duì)比結(jié)果.

圖8 某鋼鐵公司高爐3個(gè)熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度用和沒(méi)用節(jié)能涂料后的風(fēng)溫對(duì)比示意圖Fig.8 Com parison of hot b last tem peratures in 3 hot stove in BF w ith and w ithout coating

由圖8可以看出，應(yīng)用節(jié)能材料的2個(gè)熱風(fēng)爐風(fēng)溫高，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（吸熱量大），效果明顯.

節(jié)能材料的另一個(gè)突出特點(diǎn)：無(wú)需運(yùn)行成本，僅需涂覆一層節(jié)能材料，就可以達(dá)到節(jié)能5%以上的效果.

4 源頭節(jié)能減排案例研究

以煉鋼轉(zhuǎn)爐為例，為了減少煉鋼轉(zhuǎn)爐的粉塵和高溫余熱排放，以圖9～圖11德國(guó)20世紀(jì)60年代轉(zhuǎn)爐煉鋼車間的排放[14-19]為例說(shuō)明.

圖9 德國(guó)20世紀(jì)60年代轉(zhuǎn)爐煉鋼車間的排放情況Fig.9 Flue gas em ission from germ any BOF during 60’s last century

圖10 轉(zhuǎn)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（噴槍下方是射流區(qū)）Fig.10 Schem atic diagram of inner structure of BOF

圖11 轉(zhuǎn)爐源頭減少余熱產(chǎn)生的過(guò)程示意圖Fig.11 Part of research results of BOF for m inim izing waste heat releasing

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用新技術(shù)后，粉塵大大減少，煙氣溫度也降低了——源頭技術(shù)的作用.目前該技術(shù)正在做工業(yè)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備.

5 注重節(jié)能減排的基礎(chǔ)研究和創(chuàng)新

中國(guó)用30多年時(shí)間正在完成國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家用了近300年完成的工業(yè)化過(guò)程，發(fā)展太快的正面效果不言而喻，但發(fā)展太快帶來(lái)的負(fù)面問(wèn)題是有大量基礎(chǔ)和理論問(wèn)題沒(méi)有及時(shí)解決，造成很多技術(shù)水平不理想.節(jié)能減排技術(shù)也一樣，有大量的問(wèn)題，如熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)、燃燒學(xué)等問(wèn)題，還有大量基礎(chǔ)課題和理論問(wèn)題需要強(qiáng)化.例如圖12的邊界層傳熱、圖13的彎管內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的細(xì)節(jié)研究等.

圖12 邊界層傳熱過(guò)程示意圖Fig.12 Schem atic diagram of heat transfer process inside boundary

圖13 彎管內(nèi)的流場(chǎng)或溫度場(chǎng)示意圖Fig.13 Schem atic diagram of velocity or tem perature distribution inside a pipe

只有在創(chuàng)新設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)研究上有突破，中國(guó)的節(jié)能減排技術(shù)開(kāi)發(fā)才能有屬于中國(guó)原創(chuàng)的新技術(shù)，才能使中國(guó)由“鋼鐵大國(guó)”變?yōu)椤颁撹F強(qiáng)國(guó)”.

6 結(jié) 論

通過(guò)疏理國(guó)內(nèi)外冶金工業(yè)源頭節(jié)能減排的新方法、新技術(shù)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際狀況得到以下結(jié)論：

1）要用新思維應(yīng)對(duì)新形勢(shì)對(duì)新技術(shù)開(kāi)發(fā)的需要.

2）節(jié)能減排要懂工藝、懂裝備和懂原料，才能深入節(jié)能減排.

3）要注重開(kāi)發(fā)從源頭節(jié)能減排的工藝和裝備.

4）要注重節(jié)能減排多維人才的引進(jìn)和培養(yǎng).

[1]Zhang H，Yue G X， Lu JF，et al.Development of high temperature air combustion technology in pulverized fossil fuel fired boiler[C]//Proceedings of the 31st Symposium （International） on Combustion.The Combustion Institute，2007：2779-2785.

[2]Wall T.Combustion processes for carbon capture[J].Proceedings of the Combustion Insitute，2007，31（1）：31-47.

[3]陳永星，范正赟，劉征建，等.高爐富氧鼓風(fēng)技術(shù)的理論分析[J].冶金能源，2011，30（2） ：9-12.

[4]孫國(guó)龍，羅果萍，郭卓團(tuán)，等.包鋼4號(hào)高爐富氧噴煤強(qiáng)化冶煉實(shí)踐[J].煉鐵，2007，26（2）：34-37.

[5]陳化寶，陳林森，肖紅濤.超高富氧對(duì)理論燃燒溫度的影響[J].鋼鐵研究，2011，39（4）：1-4.

[6]劉靖昀.富氧環(huán)境下煤粉燃燒特性試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[7]王賁.富氧燃燒方式下典型煤種的NO釋放特性及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[8]馬世偉，邱貴寶，呂學(xué)偉，等.富氧噴煤對(duì)高爐風(fēng)口回旋區(qū)特征影響的理論研究[J].鋼鐵釩鈦，2012，33（4）：62-67.

[9]梁中渝，殷利，龔文渠，等.富氧噴煤高爐能量變化的分析[J].鋼鐵，2005，40（1）：16-19.

[10]樊越勝，鄒崢，高巨寶，等.富氧氣氛中煤粉燃燒特性改善的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（1）：18-21.

[11]王平，郭澤華，李家新，等.富氧輸送對(duì)煤粉燃燒性能的影響[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2013，13（5） ：841-845.

[12]王寶明 蘇大昭，張光寅.紅外高輻射材料的輻射特性及輻射機(jī)制[J].紅外研究，1983，2（1）：55-62.

[13]Vesterberg P， Von Scheele J， Moroz G.Fuel savings and reduced emissions：Experience from 80 oxy-fuel installations in reheat furnaces[J].Iron Steel Technol.， 2005， 2（5）： 204-211.

[14]Mikael Ersson， Lars H?glund， Anders Tilliander.Dynamic coupling of computational fluid dynamics and thermodynamics software： applied on a top blown converter[J].ISIJInternational， 2008，48（2）：147-153.

[15]崔榮峰，陳林權(quán).120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬和工藝研究[J].特殊鋼， 2010， 31（3）：3-5.

[16]李寶寬，赫冀成.煉鋼中的計(jì)算流體力學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

[17]溫正，石良辰，任毅如.FLUENT流體計(jì)算應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[18]Shokin Y I，Rychkov AD，Miloshevich H.Numericalmodelling of processes of upper blow-down and carbon monoxide reburning in a steel-making converter[J].Numer.And Math.Modelling， 2001，16（1）：87-96.

[19]王廣連，朱榮，何春來(lái).氧氣射流作用下的電弧爐熔池兩相流數(shù)值模擬[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2010，10（4）：625-631.