譚玉玲，劉宇 ，黃家玉，束韞，都基峻，龍紅艷，王相鳳

中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，目前我國鋼產(chǎn)量已達(dá)7.2 ×108t，鋼鐵工業(yè)是能源消耗大戶，也是大氣污染物的重點(diǎn)控制行業(yè)。近年來，鋼鐵工業(yè)在二氧化硫、煙粉塵等污染物的治理方面已有比較成熟和實(shí)用的技術(shù)，且二氧化硫和煙粉塵累計排放量已呈下降趨勢，但是廢氣排放量仍呈逐年上升趨勢，2012年累計排放約86 889.90 ×108m3［1］，如何降低鋼鐵行業(yè)廢氣量排放的問題，值得關(guān)注。

目前發(fā)達(dá)國家主要是通過提高清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比例，淘汰落后產(chǎn)能，將難以治理的重污染源和部分重污染工藝外遷國外等手段來降低廢氣排放量，減少各類污染物排放總量。就我國鋼鐵行業(yè)分析，其能源結(jié)構(gòu)，在短期內(nèi)不可能有很大變化;盡管近年來鋼鐵行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、淘汰落后產(chǎn)能的改造步伐不斷加大，但隨著粗鋼產(chǎn)量的增加，廢氣排放量仍呈逐年上升趨勢，城市鋼廠環(huán)保搬遷需綜合考慮城市總體發(fā)展規(guī)劃、企業(yè)承受能力、人員安置等多種因素，作為中長期目標(biāo)有序推進(jìn)，因此開展適合我國鋼鐵行業(yè)廢氣量減排技術(shù)的研究，對鋼鐵行業(yè)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。

對于鋼鐵行業(yè)，在工藝過程中減少廢氣排放量也有成功實(shí)例，如燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)［2-5］。分析燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)及其他行業(yè)廢氣梯度利用實(shí)例［6-8］得出，在保證生產(chǎn)指標(biāo)不降低的情況下，通過廢氣循環(huán)或梯度利用技術(shù)減少廢氣量的排放和污染物排放總量，與轉(zhuǎn)移重污染企業(yè)或工藝有異曲同工的功效，可以將其作為我國鋼鐵行業(yè)廢氣量減排的優(yōu)先控制手段。

1 鋼鐵行業(yè)工藝過程中廢氣量減排技術(shù)概況

目前國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)工藝過程中廢氣量的減排技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，但在燒結(jié)工藝中已有成功實(shí)例。

燒結(jié)廢氣循環(huán)工藝是將燒結(jié)過程排出的一部分廢氣返回?zé)Y(jié)點(diǎn)火器之后的料面處再循環(huán)使用的一種燒結(jié)方法。廢氣循環(huán)燒結(jié)的目的，一方面是利用廢氣的熱量，相當(dāng)于熱風(fēng)燒結(jié)，可以提高上部料層溫度并避免在保溫結(jié)束時由于進(jìn)入料層氣體溫度的突降造成上部料層溫度的波動;另一方面廢氣的循環(huán)使用使得廢氣排放量降低，由于燒結(jié)過程排放的廢氣需要經(jīng)過脫硫處理，因此也降低了脫硫裝置處理量和脫硫系統(tǒng)負(fù)荷，從而降低運(yùn)行及處理費(fèi)用。

國外燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)工藝主要有荷蘭的能量優(yōu)化燒結(jié)(emission optimized sintering，EOS)技術(shù)［9］，德國的低排放能量優(yōu)化燒結(jié)(low emission and energy optimized sinter process，LEEP)技術(shù)［10］，奧地利的環(huán)境型優(yōu)化燒結(jié)(environmental process optimized sintering，EPOSINT)技術(shù)［11］和日本的區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)［12］。國外燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)原理如圖1 所示。其節(jié)能減排效果如表1 所示。

圖1 燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)示意Fig.1 Schematic diagram of sintering waste gas recycling technology

表1 燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)的節(jié)能減排效果［2-3，9］Table 1 The energy conservation and emission reduction of sintering waste gas recycling technology

我國寶鋼寧波鋼鐵公司2 ×430 m2燒結(jié)機(jī)采用的是燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)技術(shù)，SO2、NOx、CO、顆粒物以及二 英等排放量均得到大幅降低，最終可減少25% ～35%廢氣排放量，節(jié)省燒結(jié)燃料3% ～8%，總能耗降低3%以上［13］。

由此可見，燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)不但顯著減少燒結(jié)工藝產(chǎn)生的廢氣排放總量以及污染物排放量，而且還能降低燒結(jié)工序能耗，減排節(jié)能效果顯著。同時由于廢氣量減少，降低了后續(xù)脫硫設(shè)備的負(fù)荷，從而降低了煙氣脫硫裝置的投資和運(yùn)行成本，因此燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)可作為我國燒結(jié)機(jī)未來升級改造的主要方向。

2 鋼鐵行業(yè)廢氣量減排潛力分析

分析燒結(jié)廢氣循環(huán)技術(shù)及其他廢氣梯度利用實(shí)例得出，根據(jù)廢氣的特性(廢氣成分、風(fēng)量、溫度、含氧量、熱值等)，將廢氣作為助燃空氣、氣源等廢氣循環(huán)技術(shù)對減少廢氣量的排放，有很大的減排潛力。如將廢氣循環(huán)和梯度利用技術(shù)，應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)其他工藝，必對鋼鐵行業(yè)廢氣量的減排做出極大貢獻(xiàn)。筆者根據(jù)鋼鐵行業(yè)廢氣排放特點(diǎn)(廢氣成分、溫度、含氧量、熱值等)，就鋼鐵行業(yè)潛在廢氣量減排潛力進(jìn)行分析。

鋼鐵工業(yè)的主要生產(chǎn)系統(tǒng)包括綜合原料場、燒結(jié)、石灰窯、焦化、煉鐵、煉鋼連鑄等，鋼鐵行業(yè)除燒結(jié)機(jī)廢氣可采用工藝系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用外，不同工藝之間的廢氣也可以進(jìn)一步梯度利用，如綜合原料場的廢氣可用于石灰窯工藝?yán)鋮s器中的鼓入氣源，轉(zhuǎn)爐煉鋼廢氣可作為助燃空氣用于高爐煉鐵。圖2 為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)工藝流程及污染物排放。

圖2 鋼鐵聯(lián)合企業(yè)工藝流程Fig.2 The flow chart of iron and steel enterprises

2.1 原料場廢氣梯度利用于石灰窯系統(tǒng)

活性石灰是煉鋼主要的造渣材料。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中使用活性石灰，可提高成渣速度，縮短冶煉時間，提高鋼水質(zhì)量。石灰窯工藝過程中，焙燒好的物料進(jìn)入豎式冷卻器，冷卻氣源被風(fēng)機(jī)送入冷卻器中，與高溫石灰進(jìn)行熱交換，使石灰溫度從1 100 ℃冷卻到100 ℃以下，空氣吸收熱量溫度升高后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯助燃。

原料場廢氣主要是含塵廢氣，經(jīng)各產(chǎn)塵部位密閉罩收集除塵后排放，廢氣為常溫氣體。若將原料場廢氣作為石灰窯工藝過程中冷卻物料鼓入的氣源利用，替代鼓風(fēng)機(jī)鼓入冷卻器的新鮮空氣，既減少了石灰窯新鮮空氣攝入量，又降低了原料場廢氣排放量。

將原料場除塵后的常溫廢氣引出，經(jīng)凈煙道管引入廢氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，廢氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)將凈化后的廢氣輸送至豎式冷卻器入口，作為冷卻氣源進(jìn)行梯度利用，與高溫石灰熱交換，再進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯助燃，廢氣經(jīng)空氣預(yù)熱器后進(jìn)入除塵系統(tǒng)除塵后再排放(圖3)。以年產(chǎn)400×104t 鋼的某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)工藝為參考，該廠年需成品活性石灰量為4.0 ×105t，共有2 座日產(chǎn)600 t 的活性石灰回轉(zhuǎn)窯裝置，生石灰消耗量為103 t/h，焦?fàn)t煤氣消耗量為1.61 ×104m3/h(平均熱值16 720 kJ/m3)，石灰煅燒核心設(shè)備采用回轉(zhuǎn)窯配豎式預(yù)熱器和豎式冷卻器，每座回轉(zhuǎn)窯配冷卻器鼓入的冷卻風(fēng)量為12 ×104m3/h。原料場受料倉產(chǎn)塵點(diǎn)密閉罩收集除塵后，廢氣量為24 ×104m3/h，粉塵排放濃度為20 mg/m3，與2 座石灰窯中鼓入的冷卻風(fēng)量之和相當(dāng)。若將受料倉產(chǎn)點(diǎn)收集除塵后的廢氣梯度利用至石灰窯冷卻器做冷卻氣源，該廠可減少廢氣排放21×108m3/a，可降低粉塵排放42 t/a。

圖3 原料場廢氣梯度利用于石灰窯工藝Fig.3 The cascade utilization scheme of exhaust gas from raw material yard into lime kiln process

2.2 轉(zhuǎn)爐二次煙氣梯度利用于高爐煉鐵

在轉(zhuǎn)爐的整個冶煉周期中，二次煙氣主要產(chǎn)生于兌鐵水和吹氧的過程。吹氧時有部分爐氣從氧槍孔和爐罩口處外溢，成為二次煙氣。當(dāng)一次煙氣處理能力不足時，外溢更為嚴(yán)重，但由于此時爐前擋火墻關(guān)閉，煙氣基本處于一個密閉室中，可得到有效捕集［14］。轉(zhuǎn)爐二次煙氣以兌鐵水時散發(fā)的廢氣量最大，兌鐵水時，高溫廢氣從鐵水罐和轉(zhuǎn)爐爐口之間以很高的速度向上擴(kuò)散，初始溫度約1 200 ℃，卷吸大量的車間冷空氣，煙柱到達(dá)吊車梁時的溫度約500 ～700 ℃，含氧量可達(dá)20%［15］，與空氣成分相似。

若將廢氣溫度高(按200 ℃計)，且含氧量與空氣成分相似的轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集后經(jīng)煙道管輸送至熱風(fēng)爐，作為助燃空氣(圖4)，以利用廢氣中的顯熱，提高助燃空氣的溫度，達(dá)到提高風(fēng)溫的目的。

圖4 轉(zhuǎn)爐二次煙氣梯度利用于煉鐵Fig.4 The recycling technology of converter secondary flue gas

以年產(chǎn)400 ×104t 鋼的某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)工藝為參考，該廠120 t 轉(zhuǎn)爐二次煙氣排放量約65 ×104m3/h，粉塵排放濃度為20 mg/m3，廢氣排放量較大，可根據(jù)熱風(fēng)爐消耗的空氣量，將部分轉(zhuǎn)爐二次煙氣通過適當(dāng)配氣輸送給熱風(fēng)爐梯度利用，未被梯度利用的轉(zhuǎn)爐二次煙氣由除塵器除塵凈化后排空。熱風(fēng)爐以凈化后的高爐煤氣為燃料，每座熱風(fēng)爐消耗焦?fàn)t煤氣量18.7 × 104m3/h(平均熱值3 340 kJ/m3)，所需空氣量約13 ×104m3/h，若將轉(zhuǎn)爐二次煙氣配比至該廠2 座熱風(fēng)爐作助燃空氣，不僅可減少廢氣排放22 ×108m3/a，降低粉塵排放44 t/a，而且利用了轉(zhuǎn)爐二次煙氣的顯熱，降低了能耗，可節(jié)約標(biāo)煤2 ×104t/a。同時轉(zhuǎn)爐二次煙氣進(jìn)入除塵器的除塵風(fēng)量降低了40%，也相應(yīng)的減少轉(zhuǎn)爐二次煙氣除塵設(shè)施的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

按照2012年鋼產(chǎn)量估算，如果在鋼鐵行業(yè)全面推廣上述廢氣循環(huán)利用方案，鋼鐵行業(yè)就可以減少廢氣量約7 703 ×108m3/a，降低粉塵排放1.54 ×104t/a，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤耗358 ×104t/a(表2)。

表2 鋼鐵行業(yè)廢氣量減排節(jié)能效果Table 2 The waste gas volume reduction and conservation effect in iron and steel industry

3 結(jié)論和建議

(1)在鋼鐵行業(yè)中，可以根據(jù)廢氣特點(diǎn)(煙氣成分、溫度、含氧量、熱值等)，在不影響后序生產(chǎn)工藝的前提下，將其在工藝過程中循環(huán)利用，減少廢氣的排放量。

(2)燒結(jié)煙氣循環(huán)利用技術(shù)不但顯著減少燒結(jié)工藝生產(chǎn)的廢氣排放總量以及污染物排放量，也降低了后序煙氣脫硫裝置的投資和運(yùn)行，廢氣量減排和節(jié)能效果顯著，有著很大的發(fā)展前景，可以將其作為燒結(jié)機(jī)大氣污染物控制重點(diǎn)推廣技術(shù)。

(3)根據(jù)廢氣的特點(diǎn)，提出2 種廢氣量減排方案:原料場廢氣梯度利用至石灰窯中做冷卻氣;煉鋼轉(zhuǎn)爐二次煙氣捕集后經(jīng)煙道管輸送至熱風(fēng)爐，作為助燃空氣。研究表明，2 種減排方案減排效果顯著。

［1］ 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展報告2013［R］.北京:中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會，2013.

［2］ 劉文權(quán).燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用［J］.山東冶金，2014，36(3):5-7.

［3］ 于恒，王海風(fēng)，張春霞. 鐵礦燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析［J］.燒結(jié)球團(tuán)，2014(1):51-55.

［4］ DAWSON P R. Recent developments in iron ore sintering new development for sintering［J］. Ironmaking ＆ Steelmaking，1993(2):135-136.

［5］ 毛艷麗，張東麗，曲余玲.燒結(jié)主排煙氣減排與余熱高效回收技術(shù)［J］.冶金能源，2011(5):49-54.

［6］ 朱大來，宋立華.目前水泥廠協(xié)同處理城市生活垃圾的幾種方式［J］.中國水泥，2010(7):47-48.

［7］ 張國亮，趙向東.利用水泥窯處置垃圾焚燒飛灰和市政污泥技術(shù)［J］.中國水泥，2011(8):188-192.

［8］ 唐根華，馬林，田之文，等.高電石渣摻量干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線的設(shè)計及調(diào)試［J］.水泥，2006(3):1-4.

［9］ Best available techniques (BAT)reference document for iron and steel production［M］. Seville，Spain:European Commission Joint Research Centre，2012.

［10］ EISEN H P，RüDIGER K. Construction of the exhaust recycling facilities at a sintering plant［J］.Stahl und Eisen，2004，124(5):37-40.

［11］ REIDETSCHL?GER J，STIASNY H，H?TZINGER S，et al．Siemens VAI sintering selective waste gas recirculation system:meet the future’s environmental requirements today［J］. Iron ＆Steel Technology，2010，7(3):54-59.

［12］ IKEHARA S，TERADA Y，KUBO S，et al.Application of exhaust gas recirculation system at tobata No.3 sinter plant［J］. Nippon Steel Technical Report，1996，70:55-61.

［13］ 吳天月.寧鋼燒結(jié)機(jī)煙氣循環(huán)新技術(shù)的應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2013，11(3):51-52.

［14］ 鄭英.關(guān)于轉(zhuǎn)爐煉鋼二次煙氣量問題的探討［J］.冶金環(huán)境保護(hù)，2005(3):41-43.

［15］ 孫本中. 轉(zhuǎn)爐二次煙氣治理［J］. 通風(fēng)除塵，1996(3):34-36. ?