鋼鐵冶金過程環保和節能技術探討

劉 偉

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

我國社會經濟發展離不開鋼鐵冶金作為基礎，鋼鐵市場需求逐年增加，2019 年的鋼鐵產量超過了12 億噸。為了滿足國內巨大的市場需求，國內鋼鐵冶煉企業規模和技術水平也不斷提升。近幾年，綠色制造在鋼鐵冶金行業開始推廣，鋼鐵冶金企業不能僅僅關注年產量和經濟效益，必須重視能源節約技術的應用，從根本上解決鋼鐵冶金過程中能源資源消耗大、浪費大、排放廢物過多等問題[1]。

鋼鐵冶金生產過程需要消耗大量的煤炭來提供生產過程的動力，并消耗氧化鐵、錳、鉻等金屬原材料，每個冶金環節都將產生大量的溫室氣體和工業固體垃圾。能源消耗可以以標準煤進行折算，用噸鋼能耗作為其指標，該指標不僅反映出我國能耗的實際情況，也體現了鋼鐵企業生產的技術實力水平、原材料利用率和環保水平等。噸鋼綜合能耗包括各個流程，如礦山開采、礦石篩選、鐵合金選用、耐火材料制備、碳素基體冶煉、工業焦化產品二次再生產等，鋼鐵制造的煉焦和燒結，煉鐵和煉鋼的鋼材制品到最終用戶手中過程一切能量消耗，運輸能耗和企業能源消費綜合[2]。如今，鋼鐵生產企業不僅需要研究生產過程的經濟效益和企業利潤，也要將節能降耗作為冶金工業發展首要目標，為鋼鐵制造的可持續發展貢獻力量。

1 鋼鐵冶金的工藝流程和能源消耗分析

鋼鐵冶金工藝中燒結需要大量能源消耗，盡管燒結工藝技術取得很大的突破，能耗依然是一個難題。相對于傳統的原料球團，新球團品味高，可以一定程度上減少資源能耗，但是能耗大問題一只是燒結過程的頑疾[3]。燒結能耗可以占噸鋼能耗的約18%，廢氣和燒結煙氣熱量占到熱量消耗的一半以上，必須研究新技術以回收這些中、低品位余熱來提高能量的利用率。

現代鋼鐵冶金技術離不開轉爐工序，在轉爐冶金中也涉及能耗大問題。轉爐工序資源消耗為氣體、蒸汽、電力、水等。其中，電力、水和氧氣消耗最多，汽化冷卻會造成巨大的熱量消耗，大量的水蒸汽蒸發到空氣中，未能回收利用而直接產生了水資源的浪費。若采取新技術回收利用蒸汽，將實現水資環的內循環，降低冶金對水的依賴，節約了珍惜水資源。傳統煉鋼采用轉爐和電爐生產過程中，產生約1000℃高溫氣體，采取冷卻或水冷進行冷卻降溫，且需要設置較長的煙道來增加散熱效果，也對作業操作環境提出了更高的要求，尤其是含塵高、溫度變化不穩定、熱應力較大時，都阻礙了熱量二次利用技術的應用。

鋼鐵軋制過程的能耗主要是電能轉換成的機械能，并對鋼坯進行二次加熱。軋鋼工序也需要大量能源消耗，其費用占到能源總消耗的近七成，軋鋼過程的鋼坯加熱、熱軋和穩定性退火都需要能源消耗，其中坯料加熱和熱軋工序耗能占比軋制過程的六成。因此，研究余熱回收和精確加熱過程控制可以很好減少能源消耗。

2 鋼鐵冶金過程余熱回收分析

鋼鐵冶金工業是相對于火力發電的第二大耗能行業，在黑色冶金中需要大量的熱作為化學變化的動力，如何節能是企業一直關注的問題。鋼鐵企業在焦爐、高爐及煉鋼工序中，已經開始采取余熱回收利用裝置的使用。當余熱溫度變化范圍大，熱載體形態存在固、氣、液及混合形態時，且排放處于多個環節時，加大了余熱回收技術難度。熱管作為一種適合于這種場合進行余熱回收利用的技術，我國科研和工程技術人員針對熱管技術在燒結排氣顯熱及其熱風爐燃燒廢氣的余熱回收上進行了深入研究，并取得了不錯的應用業績。

熱管作為一種導熱性能良好的元件，依靠真空管殼內物質的蒸發與凝結來完成。相對于其它部件，熱管具有導熱性好，等溫性優異，導熱結構可適應于各種形狀、且距離遠、溫度控制精確的優點。熱管成組使用時可提高傳熱效率、減少流體阻力、有效減少控制露點腐蝕。熱管所用的低熱阻管加入導熱介質后，進行真空密封處理，熱管下端受熱后導熱介質轉化為氣態，空氣密度和壓強瞬時變化，蒸汽被帶至熱管上端，通過熱管釋放熱量后凝結再次轉化為液態，液態導熱介質在自重作用下流回熱管底部，吸收熱量后二次汽化，熱循環被連續不斷進行，熱量也在相變吸熱和放熱過程中得到搬運。

研究余熱回收在帶冷機廢氣中進行，熱燒結礦在單輥破碎振動篩分選后，由帶冷機傳送帶進行輸送到下一工序，在輸送帶側設立三個冷卻風罩，冷卻風從物料底部通過礦料層將熱量帶走，冷卻風在第一風罩內溫度大概為360℃，余熱經過熱管式換熱器底部后，將余熱進行回收，將熱量回傳給需要蒸汽加溫的熟料工序，配套熱管式余熱鍋爐對熱量二次利用，富惡化利用蒸汽熱量，最大提高冶金過程經濟效益。

轉爐是煉鋼關鍵工序，但是鐵氧還原反應會有噸鋼200 立方米CO、CO2混合煙氣發了產生，煙氣中CO 含量最高達80%，還含有氧化鐵塵粒和氧氣等，溫度最高達1700℃。轉爐產生的煙氣含有大量有害氣體和顯熱，不可以直接排入大氣污染大氣和周邊環境，鋼鐵制造企業必須研究轉爐煙氣二次利用和治理得策略。煙氣中富含的能量為熱能和化學能兩種可利用能量，以減少煉鋼工序資源能耗，減低環境壓力。煉鋼轉爐是間歇性作業，包括冶煉和吹煉兩工序交替進行，轉爐冶煉時間約28 分鐘，吹煉周期為19 分鐘，吹煉脫碳過程的CO 氣體可以進行回收利用，但是冶煉間歇期間吹入煙道的冷空氣會加大煙氣余熱回收難度。

氧氣轉爐吹煉過程會有高溫塵爐氣產生，爐氣中的CO、含鐵量粉塵必須進行處理，若是無處理的爐氣在空氣中泄露會直接污染環境，也增加了煤炭能源、金屬礦石及其它有用物質的消耗。噸鋼轉爐會產生至少60 立方米煤氣，高達20 千克的粉塵，可回收蒸汽約70 千克，通過論證，轉爐爐氣凈化處理后具備很好的回收利用價值。回收系統工作流程可歸納為轉爐煙氣產生后進入活動煙罩和固定煙罩，再通過汽化冷卻煙道收集熱量，通過溢流文氏管和重力脫水器回收蒸汽，通過可調喉口文氏管、噴淋箱、復擋脫水器、抽風機、水封逆止閥和煤氣柜進行CO 回收。該系統設置的活動煙罩降罩可保證空氣過剩系數保持在恒定值，煙氣在汽化冷卻煙道溫度會低于900℃，文氏管進行兩次除塵，流文氏管對煙氣降溫并完成粗除塵，可調喉口文氏管完成精除塵任務，煙氣處理后含塵量和溫度均到達最低值。

3 冶金爐節能控制系統研究

自動化控制裝備可以保證設備運行節能效果，在高爐噴煤過程進行多相流煤粉檢測，引用在線分析儀對煤氣進行檢測，采用控制器對高爐煤氣余壓的溫度和氣壓的穩定性進行控制。自動化控制手段既可保證制造過程的穩定性，也促進了節能工藝裝備順利展開，尤其是在高速連續冷軋帶鋼生產線采用多段加熱時，可以實現分段測溫和分段控制，提高了檢測精度。

鋼鐵冶金工藝中風機、軋鋼機、水泵、輸送機等大功率電機耗電量巨大，比例遠高于其他行業，浪費巨大。鋼鐵制造工藝和配套設備均適應了工作載荷的節奏變化，排煙除塵設備和皮帶運輸機等都是周期性工作，造成了設備空轉時間過長，鋼鐵企業必須淘汰落后電力設備，減少電力消耗，采用交流變頻調速等節能控制設備進行節電。

節能工業爐窯應用必須建立在數學模型和智能控制模式上采用計算機進行控制，可顯著提升爐窯的節能效果，積極應用高爐專家系統和轉爐煉鋼終點控制數學模型，并優化電爐能量輸入和智能精煉爐溫度控制系統、優化加熱爐控制模型，采取模糊控制模式提高控制精度。利用先進的過程控制穩定生產過程，保證產品質量，降低設備故障并實現鋼鐵冶金過程的節能降耗。

及時利用智能制造系統。近幾年新的鋼鐵生產技術朝向短流程發展，尤其是控制技術的進步后，連鑄與熱軋、鑄軋技術得到廣泛應用，鋼鐵冶金高效連續生產，使促進了智能控制系統的應用，智能控制生產過程物流、能流和生產節拍的銜接，故障信息反饋并得到及時處理，準確靈活地改變生產某種所需工藝參數，并實時進行產品質量追蹤和記錄，提高產品一次交付合格率。

4 煉鐵過程CO2排放的控制研究

我國鋼鐵冶金的噸鋼能耗超過了600kg，每噸鋼CO2排放量高達2.1 噸，煉鐵系統過程的燒結、球團、焦化和高爐煉鐵工序的CO2排放量占冶金過程的近九成，因此，控制煉鐵過程是能源消耗和碳排放控制的關鍵，C 元素流分布可很好分析碳排放過程，對減少碳氧化合物排放具有重要指導意義[4]。

鋼鐵冶金中的碳氧化合物都是加熱燃料反應獲得，幾乎所有的C 元素源自于焦炭和煤粉，大部分C 元素以高爐煤氣向外排放。煉鐵就是鐵和煤化學反應過程，碳素輸入端以化石和能量形式進入冶金過程，以碳氧化合物及烷烴混合氣體形式排出，燒結、焦化、高爐煉鐵是主要的三個工序，可以將碳量化輸入計算模型，并定量計算輸出。碳氧化合物的排放和能源消耗成正比，煤炭等原材料消耗增加時直接導致碳排放量加大。利用這一規律，可以得出降低C 元素礦石的使用，增加新能源的使用，利用新技術提高能源燃燒效率和發熱量，強化能源回收措施。高爐煤氣采用熱風爐燃燒來增加風溫，進而增加熱效率，改變高爐燃料比例，從而減少碳氧化合物排放。研究高爐煤氣分離處理技術，收集并分離多余的CO2加熱后二次進入高爐中，使高爐減少溫室氣體排放。

5 結論

在綠色環保深入鋼鐵冶金制造領域中，鋼鐵制造企業必須重視生產的各個環節進行節能環保技術應用，通過分析鋼鐵冶煉各個工藝流程的能量消耗和碳元素的循環，研究對剩余熱量的二次回收利用和降低CO2的減排措施，對企業可持續發展有一定的指導意義。