中國鋼鐵行業超低排放之路

邢 奕，張文伯，蘇 偉?，溫 維，趙秀娟，于敬校

1) 北京科技大學能源與環境工程學院，北京 100083 2) 河北工業職業技術學院材料工程系，河北 050091 3) 河鋼邯鋼環保能源部，河北 056000

鋼鐵行業是我國國民經濟的支柱型產業，其關聯產業范圍廣，在國民經濟發展中具有舉足輕重的地位.我國也是世界上最大的鋼鐵生產國，2018年粗鋼產量9.28億噸，占世界粗鋼總產量的51.3%.鋼鐵行業生產90%以上為長工藝流程，包括焦化、燒結（球團）、煉鐵、煉鋼等工藝在內，產污環節多，污染物排放量大.盡管近年來，鋼鐵行業已經開始進行改革，各企業實施了一系列的節能減排改造項目，但其排放總量仍然居高不下.2017年我國鋼鐵行業SO2、NOx以及粉塵的排放總量為106萬噸、172萬噸以及281萬噸，分別占全國主要污染物排放總量的7%、10%和20%左右[1].隨著大氣污染治理力度不斷加強，特別是火電行業實施超低排放以來，鋼鐵行業主要污染物排放量已超過電力行業，成為工業污染中最大的污染物排放來源.

“十三五”以來，從中央到地方出臺了一系列有力舉措，推動鋼鐵行業全流程超低排放.生態環境部2018年5月發布的《鋼鐵行業超低排放改造工作方案（征求意見稿）》，要求新建（含搬遷）鋼鐵項目要全部達到超低排放水平；其排放限值遠低于2012年環保部發布的《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》等特別排放限值標準[2].2019年4月生態環境部等五部委日前聯合印發《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，到2020年底前，重點區域鋼鐵企業超低排放改造取得明顯進展，力爭60%左右的鋼鐵產能企業完成超低排放改造；到2025年底前，重點區域鋼鐵企業基本完成環保改造，力爭80%以上比例的鋼鐵產能企業達到超低排放要求.超低排放是鋼鐵行業打贏污染防治攻堅戰的關鍵，鋼鐵行業超低排放的實施將會顯著改善空氣質量.

1 實施鋼鐵行業超低排放的必要性

隨著我國供給側改革的推進，我國鋼鐵行業戰略重點將由減少產能轉向產業結構優化升級，為滿足日益嚴格的環境污染物排放標準要求，打贏污染防治攻堅戰，鋼鐵行業超低排放的實施尤為重要.

黨的十九大以來，我國鋼鐵產業從數量時期向高質量時期邁進，我國鋼鐵產能嚴重過剩問題得到明顯的緩解，但由于鋼鐵行業總產量巨大，行業總排放量依然居高不下，環保不過關的產能仍然為數不少.部分鋼鐵企業環境保護理念導向存在偏差，企業環保管理存在嚴重缺陷，進行低質低價治理技術設施改造，這部分企業環保投入和運行成本不到先進鋼鐵企業的一半，不利于建設公平競爭的市場環境，“劣幣驅逐良幣”問題將對整個行業高質量發展帶來不利影響.超低排放限制的實施可以進一步營造公平競爭環境，有利于我國鋼鐵行業的整體進步[3].

我國鋼鐵行業以長流程為主，但部分長流程工藝結構不夠完備，獨立焦化數量較多，我國擁有的獨立焦化的焦爐數量占比接近80%[4]，另外，獨立軋鋼企業也達到了數百家，這些獨立焦化和軋鋼企業不利于整個鋼鐵行業的發展以及產能整合.通過全面實施超低排放，將會倒逼鋼鐵行業強化綠色發展，通過營造市場化環保調節機制，倒逼鋼鐵行業資源結構、產業結構、運輸結構、區域布局結構等向更高質量的方向調整.

2 難點

2.1 全流程超低排放技術有待升級

鋼鐵行業涉及多個工序的組合，但缺乏成熟的技術路線，這樣會帶來許多新的挑戰.以燒結為例，燒結煙氣脫硫主要以濕法和半干法為主，雖然這些技術經過長時間證明在燒結脫硫污染物減排中有不錯的效果，但在其他工序（如焦爐煙氣）的減排中由于工況條件的不同，并不能穩定達到超低排放要求.而現在行業中效果最好的脫硝技術SCR（選擇性催化還原）技術，雖然可以達到超低排放要求，但該技術產生的問題，如氨逃逸的控制問題也將是未來環保領域面臨的難題.另外，大部分企業現有的環保設備在升級改造過程中，部分環保設備由于無法通過升級改造達標，甚至面臨著環保設備的淘汰，這也大大增加了企業的環保成本，從另一個角度限制了超低排放的實施[5].

2.2 無組織排放難以管控

無組織排放管控在鋼鐵行業超低排放中占有很高的比重，無組織排放污染物具有數量大，分布廣等特點，且不具有連續性，與有組織排放相比，更難被發現及治理.典型的無組織排放節點包括料場揚塵、冶煉車間揚塵、物料車輛運輸揚塵、物料裝卸揚塵等，以年產量500萬噸的鋼鐵企業為例，一年的粉塵無組織排放量約為5000 t[6]，遠遠大于有組織排放的粉塵排放量，同時，與舊的標準相比，超低排放標準對無組織排放管控有了新的定義，對于新建企業來說，可以根據超低排放要求對相應無組織排放點位進行同步配套，而大部分鋼鐵企業為舊廠的環保改造工程，在正常生產的情況下進行技術改造的難度較大.

2.3 清潔運輸環節基礎薄弱

隨著鋼鐵行業超低排放的不斷深入，在有組織排放、無組織排放等方面實施效果十分顯著，但在清潔運輸方面，我國鋼鐵行業仍存在許多不足之處.據統計，2019年鋼鐵行業外部運輸中，公路運輸占比50%以上[7].根據超低排放要求，鋼鐵企業清潔運輸比例不低于80%，而就實際情況來看，由于部分物料屬于短途運輸，建設時并未規劃鐵路運輸，因此，多數企業清潔運輸比例甚至達不到50%.另外，從新能源汽車使用的角度來看，新能源汽車載重較低，續航里程較短，充電時間長，在很大程度上難以滿足企業的外部運輸要求，所以鋼鐵行業在清潔運輸方面還面臨很大的挑戰[8].

3 鋼鐵行業超低排放路線

鋼鐵行業中污染物排放主要集中在燒結煙氣、焦爐煙氣等，此類煙氣具有煙氣量大，污染物復雜，常規污染物含量較高等特點，傳統技術中處理此類煙氣的主要技術包括“半干法耦合SCR協同脫硫脫硝技術”、“活性炭（焦）多污染物協同處理技術”、“氧化吸收同時脫硫脫硝技術”等，這些技術經過較長時間的理論與實際考驗，具有成熟的工藝，但隨著技術的不斷更新，與環保指標的不斷加嚴，在傳統技術的基礎上派生出一些新的超低排放技術，如“基于鎂法的多污染物協同去除技術”、“煙氣多污染物集并吸附脫除技術”、“多污染物中低溫協同催化凈化技術”以及“燒結煙氣循環技術”.

3.1 基于鎂法的多污染物協同去除與副產物資源化技術

基于鎂法的多污染物協同去除技術實際上是氧化吸收同時脫硫脫硝技術的一種，氧化吸收同時脫硫脫硝技術，就是先將煙氣中難溶于水的NO氧化為易溶于水的高價氮氧化物，在經過強堿對SO2及NOx同步吸收脫除，達到同時脫硫脫硝的目的.

臭氧氧化協同脫硫脫硝技術基本原理是：首先通過臭氧發生器制備O3作為強氧化劑，然后將其噴入脫硫塔前段煙道，利用其強氧化性將NO氧化為高價的NOx，最后NOx與SO2在脫硫塔內被吸收轉化為硫酸鹽和硝酸鹽[9].該技術特點為：O3與NO的反應迅速，瞬間就能將NO氧化成NO2；O3與煙氣的均勻混合可以提高NO脫除率；脫硫塔溫度升高會導致NO脫除率的降低；脫硫效率高且不會產生二次污染[10]；副產物主要由CaSO4、CaSO3、Ca(NO3)2和Ca(NO2)2組成，可作水泥企業生產原料使用，具有一定經濟效益[11].

3.1.1 基于鎂法的多污染物協同去除技術

“基于鎂法的多污染物協同去除技術”作為一種“濕式氧化吸收同時脫硫脫硝技術”，其優勢在于可以通過臭氧氧化對二氧化硫和一氧化碳進行同時脫除，其中脫硫脫硝副產物還可進行資源化利用，在環保的同時還能產生經濟效益，可謂是一舉兩得.該技術的主要工藝流程為煙氣進入系統后首先與臭氧發生器產生的臭氧充分混合，對一氧化氮進行充分氧化后進入吸收塔與鎂基脫硫劑混合進行同時脫硫脫硝.其技術流程包括：制漿、臭氧制備、氧化和吸收幾部分.

針對該技術，北京科技大學聯合幾家單位對該技術進行了 1000 m3·h?1煙氣量的中試[12]，中試平臺采用“引風機抽取空氣源作為載流氣體并與通過MFC（質量流量計）配比后的NO/SO2進行混合→電加熱→O3氧化→脫硫吸收塔→渦流除濕除塵→排氣筒”的工藝流程，如圖1所示.

經過中試實驗驗證，該技術在穩定狀態下脫硫效率接近100%，脫硝效率也能達到90%以上，并且此技術在脫硫及脫硝方面互不干擾，運行穩定，可以滿足超低排放要求.

3.1.2 副產物資源化利用

“基于鎂法的多污染物協同去除技術”的另一大優勢在于脫硫副產物的資源化利用方面，該技術的脫硫副產物為硫酸鎂溶液，脫硫副產物經過過濾及去除雜質后溶液中所含硫酸鎂的體積分數約為12%，因此，分離硫酸鎂溶液中的硫酸鎂產品成為副產物資源化利用的關鍵.

圖1 1000 m3·h?1 煙氣量中試平臺工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of a 1000 m3·h?1 smoke volume pilot test platform

在硫酸鎂溶液的分離過程中，主要的工藝為蒸發結晶.硫酸鎂溶液的蒸發結晶工藝流程如圖2所示，硫酸鎂溶液經預熱器預熱后進入蒸發器進行蒸發濃縮，濃縮至飽和溶液.硫酸鎂飽和溶液由料漿泵輸送至結晶器，在結晶器內降溫結晶形成七水硫酸鎂晶體.結晶溶液經離心分離后，母液返回蒸發器繼續蒸發濃縮，分離出的結晶體送入干燥器，經干燥脫水制備得到七水硫酸鎂產品.蒸發結晶所得到的七水硫酸鎂可以應用于建材行業，形成副產物的資源化利用.

圖2 蒸發結晶工藝流程圖Fig.2 Evaporative crystallization process flow chart

3.2 煙氣多污染物集并吸附脫除技術

“煙氣多污染物集并吸附脫除技術”是一種在“活性炭（焦）吸附多污染物協同處理技術”下衍生出的一種新型多污染物協同處理技術，傳統的活性炭（焦）吸附技術是公認最適用于鋼鐵燒結煙氣多污染物的協同處理技術.其技術原理在于利用活性炭（焦）的吸附、催化性質，吸附煙氣中的SO2、NOx、HF、重金屬和二噁英等污染物，隨后在活性炭（焦）中通入NH3作為還原劑，使有害物質轉化為無害物質，最終實現多污染物的協同去除[13].

傳統的活性炭（焦）吸附技術從煙氣及活性炭運動方向可分為交叉流與逆流兩種.在國內太鋼和日鋼較早應用交叉流工藝[14?15]，而河鋼邯鋼最先將逆流式活性炭選擇性催化還原工藝（CSCR）應用于燒結煙氣處理[16].在交叉流工藝中，活性炭與煙氣做垂直運動，這使得吸附塔煙氣入口污染物濃度高，因此活性炭吸附后飽和程度較高.而在煙氣出口一側污染物經處理后濃度下降，活性炭吸附后飽和程度較低.由于塔內污染物濃度分布不均勻，活性炭的吸附能力沒有得到完全發揮.而在逆流式工藝中活性炭由上而下、煙氣由下而上做相向運動，兩者可以實現均勻接觸，活性炭飽和程度一致，因此逆流式工藝具有更好的動力學優勢[17].但是，活性炭（焦）吸附工藝雖然實現了多污染物協同凈化，卻普遍存在占地面積大、投資成本高、設備腐蝕、活性炭循環使用后吸附率降低、再生能耗高等問題.

而“煙氣多污染物集并吸附脫除技術”改變了原有活性炭吸附技術的炭基材料，選擇了價格相對低廉的γ-Al2O3作為吸附劑，改性后的γ-Al2O3具有選擇吸附性，可以有效地吸附煙氣中的二氧化硫，另外系統保留了原來的活性炭對氮氧化物的吸附，而后吸附飽和的吸附材料還可以對二氧化硫和氮氧化物進行脫附，以此來回收煙氣中的兩種有害物質，這種技術不僅實現了技術的革新，降低了運行成本，同時也在污染物回收利用方面取得了成績，可以說是在達到環保要求的同時產生了二次經濟效益.

3.3 多污染物中低溫協同催化凈化技術

現階段，半干法脫硫耦合SCR協同技術主要包括“SDA半干法脫硫耦合SCR脫硝技術”、“密相干塔脫硫耦合SCR脫硝一體化技術”.“SDA半干法脫硫耦合SCR脫硝技術”工藝中主要包括引風機、脫硫塔、噴氨裝置和除塵脫銷一體化系統.該技術應用Na2O3作為脫硫劑，通過旋轉噴霧干燥塔（SDA）對煙氣進行脫硫，脫硫煙氣通過袋式除塵器除塵后，在經短暫升溫后進行NH3-SCR脫硝，凈化煙氣由煙道口排出[18].

世界上首例焦爐廢氣脫硫脫硝工程的實際應用為寶鋼湛江鋼鐵煉鐵廠的“旋轉噴霧半干法脫硫+低溫選擇性催化還原法(NH3-SCR)脫硝除塵”技術.它的工藝脫硫效率達80%以上，低溫脫硝效率也在80%以上，SDA法在脫硫的同時還能吸附煙道中的黏性物質，使得后續的除塵步驟更穩定地運行，提前脫硫也可預防脫銷過程中硫酸銨的生成，而且布袋除塵器與脫硝反應器整合使得反應表面布氣更加均勻，同時經除塵后的煙氣在SCR反應過程中也能減少對催化劑的磨損.但是由于本工藝中各反應步驟都對煙氣溫度有嚴格要求，存在多次降溫升溫的過程，對能源的利用效率低，增加外部成本[19].

“多污染物中低溫協同催化凈化技術”（圖3）也是“半干法脫硫耦合SCR脫硝一體化技術”的一種，同時也是“密相干塔脫硫耦合SCR脫硝一體化技術”與現場實際相結合派生出的一種同時脫硫脫硝技術，它的主要工藝設備包括熱風爐、脫硝塔、余熱鍋爐、脫硫塔、引風機等，其工藝流程為：焦爐煙氣經過熱風爐加熱后進入SCR脫硝工藝，之后通過余熱鍋爐進行余熱回收，余熱回收過程中產生的高壓蒸汽進入蒸汽管網進行利用，回收余熱后的煙氣進入密相干塔，在塔內經鏈式攪拌器與脫硫劑充分混合實現脫硫.帶有顆粒物的煙氣從塔下部出口排出，進入除塵器進行氣固分離，凈化后的煙氣通過煙囪排出.除塵器底部顆粒再次進入密相干塔繼續參加反應，而少量反應后的脫硫劑排入廢料倉.通過SCR脫硝工藝與半干法脫硫相結合，可以實現煙氣超低排放.該工藝優點在于反應速度快，脫硫效率高，縮短系統流程，實現氣固兩相流完全“同向”、“逆向”整合，大幅降低投資，減少占地面積，使設備布置更加靈活緊湊、物料循環更加合理.

圖3 多污染物中低溫協同催化凈化技術工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of multi-pollutant medium- and low-temperature cooperative catalytic purification technologies

該技術首先利用在河鋼邯鋼焦化廠1#、2#焦爐煙氣處理項目上，該項目是全國首套焦爐煙氣密相干塔脫硫耦合SCR脫硝工程，其中熱風爐燃料采用焦爐煤氣與高爐煤氣相結合的供熱模式，煙氣余熱回收產生的高壓蒸汽可以輸送到蒸汽使用節點進行利用，另外，脫硫出口煙氣中SO2質量濃度小于 30 mg·m?3，粉塵質量濃度小于 10 mg·m?3，NOx質量濃度小于 100 mg·m?3，能夠達到設計要求的同時也達到了超低排放要求，尤其是氮氧化物濃度遠低于超低排放要求，這也為焦爐煙氣脫硫脫硝開辟了一條新的技術路線.

3.4 燒結煙氣循環技術

燒結煙氣循環技術是20世紀80年代初由日本公司住友工業公司首先進行工業試驗并于1983年順利投產應用的一項節能減排技術，該工藝技術的典型工藝過程是將燒結機后端煙氣重新引入燒結機混風系統，這樣不僅能夠進行能源的回收利用，還能降低煙氣中污染物的排放量.在世界上，燒結煙氣循環技術[20]主要包括荷蘭艾默伊登的EOS[21]（Emission optimized sintering）技術，德國 HKM 公司開發的 LEEP[22]（Low emission and energy optimized sinter process）工藝以及中科院過程所研發的基于煙氣參與模擬發展的燒結煙氣循環技術?燒結煙氣選擇性循環節能減排技術[23]等.

隨著燒結煙氣循環技術的不斷發展，逐漸形成了兩種主流循環模式，分別是燒結煙氣外循環模式（圖4）和燒結煙氣內循環模式（圖5）[22,24].兩種煙氣循環模式主要的區別在于取風的點位有所不同，外循環模式循環風取自主引風機后，而內循環模式循環風取自燒結機風箱，現在世界大多數燒結煙氣循環技術都屬于內循環模式，主要原因是內循環模式跟外循環模式相比有更好的可操作性，在風箱處取風可以根據不同工況條件對取風風箱位置進行調整，并結合現場工程實際對燒結煙氣循環進行最優化，以獲得最大的能源回收率和污染物去除效果.

圖4 燒結煙氣外循環模式Fig.4 Sintering flue gas external circulation mode

圖5 燒結煙氣內循環模式Fig.5 Sintering flue gas internal circulation mode

燒結煙氣選擇性循環節能減排技術（圖6）[23,25?26]是中科院過程所經過八年努力研發出的一種能夠同現場燒結工況高度融合的一種燒結煙氣循環技術，該技術利用煙氣模擬仿真對不同風箱的溫度反饋數據進行整合，最終可以給出最佳的燒結煙氣內循環方案.2018 年，國內某鋼廠 360 m2（燒結機臺車可裝燒結原料面積）燒結機正式應用此技術，項目自投產運行以來每噸燒結礦的煙氣量下降21.5%，每噸燒結礦燃料消耗降低10.8%，煙氣循環率提升至25%～30%，取得了驕人的環境和經濟效益.

4 推進超低排放的建議

4.1 優化全流程多污染物協同控制技術研究

鋼鐵行業現行的污染物減排技術，大部分還是以燒結（球團）及焦爐煙氣處理為主，其他工序的超低排放技術還不夠成熟，并且現行的工藝技術存在單一工序針對性較強，沒有成熟的全流程控制技術的問題.針對這一問題，應優化現有工藝技術，如增加SCR脫硝效率的同時降低氨逃逸對污染物排放的影響，并將現有工藝技術路線進行科學合理的融合，形成切實可行的全流程多污染物協同控制技術路線.另外，在專注于常規污染物減排的同時，也應該加強對非常規污染物的關注程度，這樣才能更好地推動鋼鐵行業超低排放的落實，實現全流程多污染物協同控制治理的最終目標.

4.2 調整優化鋼鐵產業結構推動綠色發展

我國鋼鐵行業大多以長流程為主，產污環節多，產污量大，而在高產能的背后又伴隨著產品附加值相對較低等問題.我國鋼鐵行業應有序化解產能過剩問題，將低產能、技術條件差的小型鋼鐵企業進行產能合并，集中解決污染物排放問題，這樣可以大大減少同等產能條件下的環保投入.另外，各企業應就自身優勢對產業結構進行調整，如進行部分短流程改造來消化廢鋼，加強產品品質，生產特種鋼等，以此來推動鋼鐵行業的綠色快速穩定發展.

圖6 燒結煙氣選擇性循環節能減排技術工藝流程Fig.6 Sintered flue gas selective cycle energy saving and emission reduction technology process flow

4.3 實行企業的差異化管理與獎懲制度

面對鋼鐵行業超低排放政策，不同的企業采取不同的態度，已經達到鋼鐵行業超低排放要求的企業，其不管從環保成本還是管理成本上都遠高于未達標的企業.在這樣一個背景下，如果仍然簡單地遵循相同的環保標準，實行“一刀切”的政策，必然會影響企業對環保治理的積極性，影響推進鋼鐵行業超低排放的進程[27].因此，在不同環保等級企業中實施差異化的環保政策，建立好的獎懲制度，既可以讓達到超低排放的企業得到應有的生存空間，又能督促未達到超低排放的企業，進行環保產業升級改造，推進整個鋼鐵行業的綠色產業升級，使超低排放得以快速實現.

4.4 加強地方的引導

在鋼鐵行業超低排放的進程中，地方環保部門扮演著十分重要的角色，地方環保部門應將當地實際情況與國家政策相結合，主動幫助本地企業尋找合適的能夠符合超低排放要求的技術，因地制宜，因時制宜，制定適合本地鋼鐵企業的超低排放改造計劃，并加強對企業的監督作用，營造良好的環保升級氛圍，促進超低排放的切實推進[28].

5 總結與展望

在現階段，雖然我國鋼鐵行業超低排放在各方面取得了不錯的成績，但我國鋼鐵行業環保工作主要集中在末端治理上，這樣不僅耗資巨大，也存在副產物難以處理等問題，再加之國家對污染物排放指標的不斷加嚴，一些傳統工藝已經難以滿足環保要求.在煙氣治理方面，我國鋼鐵行業已經取得了不錯的成果，諸如“半干法耦合SCR協同脫硫脫硝技術”、“活性炭（焦）多污染物協同處理技術”等技術經過時間的考驗已具有一定規模；而新興的諸如“基于鎂法的多污染物協同去除技術”、“煙氣多污染物集并吸附脫除技術”、“多污染物中低溫協同催化凈化技術”以及“燒結煙氣循環技術”等基于傳統技術與現場實際相結合的新興技術也不斷問世，鋼鐵行業超低排放勢在必行，這些技術是否能長期穩定達到超低排放要求，還是需要歲月的考證的.

綜上所述，當前我國鋼鐵行業為保證超低排放的進一步實施，深化超低排放改革，在加強過程減排與末端治理的基礎上，源頭減排的理念與技術創新也應該齊頭并進，源頭減排能夠從鋼鐵行業全流程的源頭對污染物的產生進行控制、消除，是一種從根本上降低污染物生成的污染治理手段，常見的源頭減排技術包括“焦爐低氮燃燒技術[29]”、“厚料層燒結技術[30]”、“高爐爐料結構優化[31]”等，發展和應用源頭減排技術，一方面可以降低過程控制與末端治理的難度與壓力，另一方面，隨著源頭減排技術的不斷成熟，過程控制和末端治理可能會被源頭減排技術完全替代，這樣可以大大降低我國的環保投入，使我國鋼鐵行業真正走上可持續發展之路.