我国钢铁工业节能减排技术的应用与发展

我国钢铁工业节能减排技术的应用与发展

随着世界气候变化形势的恶化，中国钢铁行业的节能减少也已上升到议事日程。通过初步研究分析,钢铁工业的温室气体排放(不考虑外购电消耗引起的排放)有90%以上是来自化石燃料的燃烧,即在很大程度上节能和CO2减排实质是一致的。因此淘汰落后工艺,采用先进技术、装备,从而降低能源消耗、提高能源利用率是降低CO2排放的主要措施。节约能源、提高能源效率主要从三个层次上推进:(1)普及和推广现有成熟的节能技术,如干熄焦、高炉炉顶余压发电、转炉煤气回收等;(2)开发一批关键节能技术并实现产业化,包括烧结余热发电、转炉低压饱和蒸汽发电等;(3)钢铁工业节能前沿技术的开发与应用,如冶金副产煤气制取清洁能源、冶金渣显热回收等。笔者主要对这三个层次的部分主要节能技术,以及相应节能措施在我国钢铁工业的普及程度作介绍,并针对相应的节能和CO2减排潜力作初步的分析。1现有成熟的节能技术及其co减少潜力的分析1.1干熄焦余热利用干法熄焦技术(CokeDryQuenching,简称CDQ)是相对于用水熄灭炽热红焦的湿熄焦而言的,简称“干熄焦”。同时它也是回收红焦显热和改善操作环境的一项先进工艺技术,有利于提高焦炭质量,降低焦化工序能耗和改善大气环境。干熄焦技术的基本原理是:利用冷的惰性气体(如氮气、氩气等)或燃烧后的废气,在干熄炉中与赤热红焦换热从而冷却红焦,吸收了红焦热量的惰性气体将热量传给干熄焦锅炉产生蒸汽,被冷却的惰性气体再由循环风机鼓入干熄炉冷却红焦。干熄焦锅炉产生的中压(或高压)蒸汽并入厂内蒸汽管网或送去发电。干熄焦自身能耗约为29kWh/t,而湿熄焦约为2kWh/t。干熄焦自身能耗虽高,但可以回收红焦显热。出炉的红焦显热约占焦炉能耗的35%~40%,这部分能量相当于炼焦煤能量的5%,若将其回收利用,不仅可起到节能降耗的作用,同时还将大大降低冶金产品成本。采用干熄焦可回收80%的红焦显热,平均每熄1t焦炭可回收3.9MPa、450℃的蒸汽0.45~0.6t。若将这些干熄焦产生的蒸汽发电,采用全凝机组时,平均每熄1t红焦净发电95~110kWh。扣除干熄焦自身的能源消耗,包括低压蒸汽、氮气、电力、纯水等,采用干熄焦平均可降低炼焦能耗40kgce/t左右。国外某公司曾对钢铁企业炼铁系统所有节能措施进行分析,结果表明:干熄焦节能占总节能量的50%,可见干熄焦技术在钢铁厂的节能减排工作中的重要作用。干熄焦技术是目前国外广泛应用的一项节能技术,至上世纪末,全日本15家焦化厂中90%的焦炉采用了干熄焦,属于钢铁企业的13家焦化厂全部采用了干熄焦。截止到2008年5月底,我国投产运行的干熄焦装置共57套,有年产4880万t焦炭生产能力配置了干熄焦装置,占我国机焦产能3.6亿t的13.5%,占我国2007年钢铁工业耗焦总量2.88亿t的16.9%。按采用干熄焦平均可降低炼焦能耗40kgce/t估算,大约可以减少CO2排放量100kg/t(折算成电量计算,电力等价值取0.404kgce/kWh,CO2排放因子取9.53t/亿kWh)。由此可以估算,若2007年我国钢铁工业干熄率达到100%,则CO2减排量能够达到2400万t,占2007年我国钢铁工业CO2直接排放量的2.5%。1.2减少炼焦耗热量煤调湿(CoalMoistureControl,简称CMC)是将炼焦煤料在装炉前去除一部分水分,保持装炉煤水分稳定在6%左右,是装炉煤水分控制工艺的简称。煤调湿通过直接或间接加热来降低并稳定控制入炉煤的水分,不追求最大限度地去除入炉煤的水分(11%~12%),而只把水分稳定在相对低的水平(6%),降低炼焦耗热量,从而降低炼焦能耗。主要效益体现在焦炉生产能力提高11%、炼焦耗热量减少15%、焦炭粒度分布均匀、焦炭强度提高1%~1.5%,或在保证焦炭质量的前提下可多配弱粘结性煤8%~10%,生产稳定和便于自动化管理等方面。采用CMC技术后,煤料含水量从11%下降至6%时,炼焦耗热量相当于节省了310MJ/t(干煤),折合14kgce/t,相当于减少CO2排放量30kg/t。煤调湿技术在日本得到长足发展,截止到2000年10月,在日本现有的15家焦化厂的47组焦炉中共有28组焦炉采用CMC技术,占59.5%(日本85%的焦化厂采用了煤调湿)。近几年,美国、德国等国家都开始进行装炉煤调湿装置的试验和生产实践,均取得很好的经济效益。煤调湿技术是焦化厂发展循环经济的有效措施,如果实施方案设计合理,有很好的推广价值。我国旱季、雨季分明,入炉煤水分波动很大,在南方这个问题尤为突出,雨季的入炉煤水分可高达12%以上。若入炉煤水分从12%降到6%,则雨季焦炉的能耗将下降10%~15%,因此应该重视这一节能技术的研究与应用。按2007年全国的焦炭生产规模推算,若在全国的焦化企业推广实施煤调湿,年可节约300万tce,减少CO2排放量约1600万t,占2007年我国钢铁工业CO2直接排放量的1.5%,节能减排效果显著,潜在经济效益巨大。1.3高炉炉顶trt技术现代高炉炉顶压力为0.15~0.25MPa,炉顶煤气中存在大量势能。高炉炉顶煤气余压发电技术(TopPressureRecoveryTurbine,简称TRT)就是利用炉顶煤气剩余压力使气体在透平内膨胀做功,推动透平转动,带动发电机发电。这种发电方式既不消耗任何燃料,也不产生环境污染,发电成本低,是高炉冶炼工序的重大节能项目,经济效益十分显著。根据高炉炉顶煤气除尘方法的不同,TRT技术有干、湿之分:用水来降低高炉炉顶煤气温度和除尘并设置TRT装置的工艺称为湿式TRT,采用干式除尘(布袋或电除尘)并设置TRT装置的工艺则称为干式TRT。TRT发电不消耗任何燃料就可回收大量电力,根据炉顶压力不同,每吨铁可发电约20~40kWh。如果高炉煤气采用干法除尘,发电量还可增加30%左右。一般炉子越大,炉顶压力越高,投资回收期越短。按此估算,吨铁可减少CO2排放20~40kg,最高可达60kg。TRT技术在国外已非常普及,在国内也在逐步推广。截止到2004年3月,日本的29座高炉(基本都在2000m3以上,其中5000m3以上的高炉8座)全部配备TRT,普及率100%。2005年我国共有高炉约1232座,其中高炉1000m3以上高炉基本都配备TRT。以2005年计,300~1000m3高炉,如果全部安装TRT,年发电量约40亿kWh,约折合160万tce,相当于减排CO2近400万t,占2005年我国钢铁工业CO2直接排放量的0.5%,由此可见淘汰落后产能对我国钢铁工业实施节能减排的重要性。1.4干法除尘lartgi-thill法转炉煤气(BOFG或LDG)是钢铁企业重要的二次能源,根据回收转炉煤气有显热和潜热两种形式不同,转炉工序回收的二次能源形式也有转炉煤气和余热蒸汽两种。转炉煤气回收及转炉蒸汽回收可大大降低转炉工序能耗,当转炉煤气回收量及转炉余热蒸汽回收量大于转炉工序消耗的能源量时,转炉工序即可实现“负能炼钢”。转炉煤气回收主要有湿法和干法两种,其中OG(OxygenConverterGasRecoverySystem)法转炉煤气回收系统是湿法工艺的代表,LT(Lurgi-Thyssen)法转炉煤气回收系统是干法工艺的代表。转炉干法除尘(LT法)与湿法除尘(OG法)相比,可节电3.72kWh/t,折合1.50kgce/t;吨钢可多回收热值为8360kJ/m3的煤气21.4m3,相当于节能6.10kgce/t。LT法除尘技术比OG法除尘技术节能7~8kgce/t,相当于减排CO215kg。该系统净化效率高、能耗低,可有效回收粉尘,在欧洲得到广泛应用。目前,国内仅有宝钢、太钢等少数几家大型钢厂采用。它可以部分或完全补偿转炉炼钢过程的能耗,有望实现转炉无能耗炼钢的目标,有更高的经济效益和环境效益。通常吨钢煤气回收量可达80m3,降低吨钢能耗20kgce。按此估算,可减排CO250kg。但2007年我国重点大中型钢铁企业转炉煤气回收量平均还不到60m3/t,若提高到80m3/t,则可节能5kgce/t,减排CO212kg。以2007年全国产钢4.89亿t计,全年可减排CO2近600万t。若LT法普及应用后,效果将会更加明显。2重要节能技术及其co减少潜力的分析2.1烧结节能潜力烧结余热回收(SinterPlantHeatRecovery)是提高烧结能源利用效率、降低烧结工序能耗的途径之一。在钢铁企业中,烧结工序的总能耗仅次于炼铁,居第二位,一般为钢铁企业总能耗的10%~20%。我国烧结工序的能耗指标和先进国家相比差距较大,每吨烧结矿的平均能耗要高出20kgce。因此,我国烧结节能的潜力很大。国内外对烧结余热的回收利用进行了大量的研究,根据热平衡测试数据表明,烧结机的热收入中烧结矿显热占28.2%、废气显热占31.8%。由此可见,烧结厂余热回收的重点应为烧结废(烟)气余热和烧结矿(产品)显热回收。目前,烧结废气余热回收利用的方式主要有以下四种:(1)利用余热锅炉产生蒸汽或提供热水,直接利用;(2)用冷却器的排气代替烧结机点火器的助燃空气或用于预热助燃空气;(3)将余热锅炉产生的蒸汽通过透平及其它装置转换成电力;(4)将排气直接用于预热烧结机的混合料。目前大多采用烧结机烟气和冷却机废气余热锅炉回收蒸汽方式,国外先进企业生产每吨烧结矿可回收余热蒸汽80~100kg。如回收后的蒸汽用于发电,可回收电力10kWh/t,可减少CO2排放约10kg/t。目前在我国烧结余热回收技术的应用很少,以2006年估算,烧结矿产量约为4.29亿t,若全部采用余热锅炉回收蒸汽,则全年可回收电力近43亿kWh,相当于减排CO2400万t,占2006年我国钢铁工业CO2直接排放量的0.5%。2.2低热凝汽式从钢中的蒸汽回收利用转炉低压饱和蒸汽发电工艺技术,是通过改造转炉炼钢现有烟道蒸汽产生系统,开发应用高效饱和蒸汽脱水装置、蒸汽蓄能稳压技术和汽轮机级间除湿再热技术等,提高蒸汽压力、产量和干度,将周期性、不连续的蒸汽变为连续的、参数波动平缓的蒸汽,通过专用低参数冲动式低品位热能凝汽式汽轮机发电。利用钢铁厂生产过程中的余热产生低压饱和蒸汽,不需要任何额外的燃料,不污染大气,消除了转炉排放富余蒸汽时产生的噪音,技术可靠,经济合理,符合国家循环经济的产业政策。据了解国内某钢厂在应用该技术后,实现了吨钢发电近15kWh,折合6.6kgce,相当于减排CO215kg。目前这一技术在钢厂中的应用甚少,若在全国钢铁行业推广,以2007年年产4.89亿t钢计,每年可以发电70亿kWh以上,折合300万tce。同时,所发电量可以替代从社会电厂外购的电量,从而实现社会减排CO2约630万t,占2007年全国钢铁工业CO2直接排放量的0.6%左右。3回收金属粉液的回收技术目前钢铁企业节能的前沿技术主要有冶金副产煤气制取清洁能源、冶金渣的显热回收等,其中冶金渣的显热回收还处于研究阶段,工业应用尚不成熟,因此主要介绍钢厂副产煤气发电和焦炉煤气制氢这两项技术。3.1购电量、减煤气钢铁生产过程在消耗大量一次能源的同时,产生大量的二次能源。对钢铁制造流程的二次能源分析表明,副产煤气(高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气)在钢厂二次能源中所占比例多达60%,但目前有不少放散,因此钢厂二次资源回收利用尚有较大潜力。钢厂的煤气首先要满足自用,多余的煤气应进一步集成到发电上来,以减少外购电量,相当于减少相应的燃煤发电量,即减少了CO2排放。大型钢铁联合企业生产中产生大量副产煤气,规模约500万t的大型钢铁联合企业一年产生的煤气量折合约140万tce。2004年7月出台的“钢铁产业发展政策”中提到“500万t以上规模的钢铁联合企业,要努力做到电力自供有余,实现外供”。关于钢厂自发电,需要说明的是:提倡自发电,“只买煤,不买电”,并不是要企业建全烧煤的火电机组,通过增加焦化产能等手段过度增加煤气量,也不是富裕多少煤气发多少电,而应该根据企业煤气平衡情况合理配置发电机组,从而达到降低煤气放散的目标。对于年产900万t钢的全薄板型新一代超大型钢铁联合企业,对其进行合理规划配备副产煤气发电设施后,自发电可以满足钢厂自身需求。初步估算,此时吨钢CO2排放为1.83t,大大降低了企业的整体排放水平。钢铁工业外购电力部分带来的CO2间接排放占整个钢铁工业CO2总排放量的20%以上,如果能实现钢铁工业的自发电比例达到100%,对整个钢铁工业的节能减排将具有重要意义。3.2焦炉煤气的吸附利用煤气资源化利用除钢厂自发电外还可以高附加值利用,如焦炉煤气生产氢气,不仅可提高煤气利用的附加值也有利于温室气体减排。工业制氢目前是以天然气、石油和煤为原料,在高温下使之与水蒸气反应或用部分氧化法制得。而钢铁企业(或炼焦厂)产生的副产煤气——焦炉煤气含有50%~60%的H2,20%~30%的CH4,是非常好的制氢原料气。利用焦炉煤气吸附制氢工艺是目前比较成熟的技术,采用焦炉煤气制氢,只需按现有煤气处理工艺,将其中的有害杂质去除,即可通过变压吸附技术提取出高纯度(99.99%)的氢气,按此流程1m3的焦炉煤气可制取约0.44m3的氢气。同时,通过焦炉煤气变压吸附提取氢气后的高热值解吸气可以返回钢厂再利用。与天然气制氢相比,省去了蒸汽转换或部分氧化等CH4裂解过程,省去了这一工艺过程的能源消耗,间接地减少了钢铁企业的CO2排放。如果解决了焦炉煤气吸附制氢的大型煤气压缩机等关键技术,焦炉煤气制氢将比直接使用较贵的天然气和煤炭等制氢更加经济,是大规模、高效、低成本的生产廉价氢气的有效途径。此外,将来还可为石化行业提供加氢处理气体,为清洁动力的H2燃料电池汽车提供能源,为氢冶金服务,有可能是中国使用氢能源的突破口之一。目前焦炉煤气利用情况以2004年的焦炭生产来计,大致估算如下:焦炭产量近2.2亿t,每吨焦炭约产生400m3的焦炉煤气。我国重点钢铁企业的焦炉煤气绝大部分作为燃料烧掉,平均放散率为3.41%,但是某些落后的企业焦炉煤气放散率可达23.31%,而且大量的地方炼焦企业副产焦炉煤气被直接放散,每年浪费的焦炉煤气约200亿m3,若能将这一部分浪费的焦炉煤气通过吸附制氢处理,将能改善环境和促进钢铁工业生态化转型。焦炉煤气吸附制氢是发展循环经济,构建循环经济产业链的一项有效措施,社会效益和经济效益显著。截止到2005年底,我国已有10个钢厂建设焦炉煤气吸附制氢(PSA-H2)装置14套,最大能力为3000m3/h(宝钢),相信在今后,这一技术在钢铁厂会有更好的前景。4建设能源中心为了合理利用能源,在发达国家的钢铁企业中普遍建立了能源管理中心。早在1959年,日本的八幡制铁所率先建成了世界第一座能源管理中心,之后日本的其它钢厂和美国、