鋼鐵行業節能技術應用探討

王逸飛

（廣東環境保護工程職業學院，廣東 佛山 528216）

在可持續發展戰略的引導下，我國鋼鐵行業逐漸進入到了轉型升級階段。多數鋼鐵企業都樹立了先進的節能理念，充分發揮了節能技術在鋼鐵生產中的作用。但我國鋼鐵節能技術不夠完善，因此需要對節能技術進行深入研究。

1 鋼鐵行業能耗分析

作為國民經濟的支柱性產業，鋼鐵行業發展迅速，且我國鋼鐵產品生產能力（見表1）基本可以滿足國內的生產需求[1]。但我國鋼鐵行業一直處于粗放型管理狀態中，存在產能總量過剩、創新能力弱和能耗高等問題，其中能耗高是主要問題。鋼鐵行業的能耗在全國總能耗中的占比為15%，其中部分鋼鐵企業一年的能源消費總量達到了2.23億tce（tce指的是噸標準煤當量）。同時，我國鋼鐵生產一直以高爐轉爐為主，而高爐轉爐工藝需要大量煤炭的支持，因此鋼鐵行業的煤炭消耗量非常大。

表1 2019與2020年我國鋼產品的產量（部分）萬t

2 鋼鐵行業節能技術的應用價值

在鋼鐵行業中應用節能技術具有重要意義。第一，有利于提高能源利用率，緩解能源緊缺的現狀。近年來，我國經濟水平不斷提升，但可用能源越來越少。同時，我國不僅是能源消費大國也是能源浪費大國，這主要是因為我國能源利用率相對較低。例如，鋼鐵行業的單位產品能耗比世界平均能耗高40%多。而靈活應用節能技術可以有效提高煤炭等資源的利用率，減少資源浪費。第二，有利于彌補能源缺口。從實際情況來看，我國人均能源可開采儲量比世界平均水平低很多，其中人均煤炭可開采儲量只有90 t，是世界平均水平的55%左右[2]。而我國能源消耗量的增長率卻比世界平均水平高很多，基本達到了世界平均增長率的3倍。在這種情況下，我國能源儲量將出現非常大的缺口。而利用節能技術可以緩解煤炭不足等矛盾，降低鋼鐵企業進行煉鋼與軋鋼的難度。第三，有利于降低生產成本，促進行業發展。在市場競爭愈加激烈的過程中煤炭價格不斷上漲，加大了生鐵制造成本。而應用節能技術可以在一定程度上降低對煤炭等資源的需求量，控制生鐵制造成本，從而促進鋼鐵行業的良好發展。第四，有利于促進生態環境的可持續發展。我國大氣污染十分嚴重，其中煤煙型污染在大氣污染中占比較大。鋼鐵行業在生產過程中會燃燒大量的煤炭，繼而排放大量的二氧化硫。應用節能技術可以有效減少煤炭燃燒，繼而降低大氣污染程度。從統計結果來看，鋼鐵企業每生產1 t鋼就會排放3 kg的氮氧化物及8 kg的二氧化硫。應用節能技術之后可以有效控制污染物排放，促進生態環境的可持續發展。

3 鋼鐵行業節能技術的應用現狀

鋼鐵生產的各個環節都會消耗大量的能源（見表2），需通過有效措施進行節能。

表2 不同環節單位能耗對比（部分）kgce·t-1

3.1 軋鋼節能

在煉鋼過程中生產的鋼錠或連鑄坯無法直接為工業生產提供支持，因此需要利用熱軋法等方式對鋼材進行塑型加工，這一過程就屬于軋鋼。在軋鋼過程中需要利用機械設備改變工件的形態特征，所以會消耗大量的能源。因此，只有靈活應用節能技術才能夠降低軋鋼環節的能耗。常用的軋鋼節能技術有熱送熱裝技術、冷軋高精度鋼節能技術和高溫低氧燃燒技術等。第一，熱送熱裝技術。利用這種技術手段可有效降低軋鋼環節的能耗，例如利用一般熱送熱裝技術對連鑄坯進行處理可以節約35%的能耗，利用直接熱送熱裝工藝進行處理可以節約65%的能耗[3]。同時，應用熱送熱裝技術可以提高加熱爐的生產能力、減少金屬氧化燒損。第二，高溫低氧燃燒技術。高溫低氧燃燒技術指的是在溫度1 000℃且含氧量在5%～8%的環境中進行燃燒，從而有效回收煙氣余熱，達到節約燃料的目的。從實際情況來看，大多數鋼鐵企業都會應用高溫低氧燃燒技術，但部分鋼鐵企業的技術水平有待提升。

3.2 燒結節能

大多數鋼鐵企業都會利用燒結法將鐵礦粉制成塊狀原料，即按照相應的比例將鐵礦粉、焦粉及石灰混合在一起，并對其進行燒結處理，從而使其成為強度及粒度都符合要求的燒結礦。燒結環節會消耗大量的焦粉等資源，所以需要通過有效措施控制燒結工序的能耗。部分鋼鐵企業會通過有效手段降低固體燃料的消耗。固體燃料消耗在燒結工序能耗中占據75%～80%，所以若想降低燒結工序的能耗就需要降低固體燃料的消耗量。含鐵原料的物理性質及化學性質、混合料的溫度與粒度等因素都會對固體燃料的消耗量產生較大影響，所以企業會通過優化原料配比、控制混合料的粒度和提高混合料的溫度等方式降低消耗量。

3.3 煉鋼節能

煉鋼環節也會消耗大量的能源，但煉鋼爐在燃燒時會產生大量的煤氣，所以多數鋼鐵企業會在煉鋼爐中設置煤氣回收裝置，從而達到節能的目的。同時，鋼鐵企業會回收電除塵凈化轉爐所產生的煙氣，并將煙氣轉變為冷卻劑，從而進行二次利用。

3.4 冶煉節能

近年來，我國鋼鐵冶煉系統節能取得了明顯進步，通過負能冶煉等技術手段降低了冶煉過程中的能耗，但我國的冶煉節能技術水平仍然落后于西方發達國家，所以需要加大節能技術的研究與引進力度。

4 鋼鐵行業節能技術的具體應用

4.1 干熄焦技術

干熄焦技術主要是利用冷的惰性氣體在干熄焦爐中與赤熱紅焦進行換熱，從而對紅焦進行冷卻處理。在這一過程中，惰性氣體會吸收紅焦的熱量并將熱量傳輸至廢熱鍋爐中。而被冷卻的惰性氣體會通過循環風機再次進入到干熄焦爐中并對紅焦進行冷卻處理。在循環運行時，廢熱鍋爐中會產生高壓蒸汽或中壓蒸汽，從而為電力生產提供助力。相比于其他節能技術，干熄焦技術具有可節約能源、可改善焦炭質量等優勢。

（1）可節約能源。傳統的熄焦技術是利用噴水的方式降溫，沒有吸收紅焦的熱量，造成了熱量浪費。而干熄焦技術可以有效吸收紅焦的熱量，減少熱量浪費。從實際情況來看，利用干熄焦技術可以回收紅焦中80%～86%的熱量，所以每處理1 t紅焦便可以產生0.4～0.5 t的中壓蒸汽或高壓蒸汽[4]。

（2）可改善焦炭質量。干熄焦爐的預存室會對焦炭進行再次煉焦，且預存室會對焦炭進行逐漸冷卻處理，所以可以減少焦炭的裂紋，增強焦炭的強度。例如，應用干熄焦技術可使焦炭的強度提高3%～5%并降低焦炭的含水量，從而在煉鐵過程中降低綜合焦比、達到節約鐵資源的效果。同時，應用干熄焦技術也可以降低焦炭與焦粉的篩分難度，為燒結環節提供大量的原料。

（3）可改善環境。在應用濕熄焦技術時需要應用大量的冷卻水，冷卻水中含有氰、酚等有害物質，會造成環境污染。而應用干熄焦技術可以降低用水量，從而減少大氣污染物的排放。

鋼鐵企業需要深入研究干熄焦技術，明確干熄焦技術的應用原理及優勢，充分發揮干熄焦技術在鋼鐵生產中的作用，提高企業的節能水平。例如，某鋼鐵企業花費2億元在鋼鐵生產系統中安裝了汽輪發電機組及中高溫壓強制循環干熄焦余熱鍋爐等裝置，每年可生產1.5億kW·h電，并獲取8 000萬元的經濟效益。

4.2 初冷器的余熱利用

在生產過程中，焦爐煤氣會以650～700℃的高溫離開焦爐并通過上升管進入到橋管當中。集氣管中的氨水會對焦爐煤氣進行降溫，使焦爐煤氣的溫度降低至82℃左右。在這一過程中若想提高煤氣輸送效率、全面回收化學產品就需要利用橫管初冷器對焦爐煤氣進行冷卻處理，從而使焦爐煤氣的溫度降低至21℃。但傳統的橫管初冷器都是二段冷卻結構，其中Ⅰ段進循環水的溫度為32℃，可以將焦爐煤氣的溫度降低至45℃。經過Ⅰ段處理系統的處理之后焦爐煤氣會進入到Ⅱ段處理系統中，而Ⅱ段處理系統中循環水的溫度為18℃，可以將焦爐煤氣的溫度降低至21℃。這種橫管初冷器雖然也可以降低焦爐煤氣的溫度，但是會造成熱量浪費。因此，可以將傳統的二段式初冷器轉變為三段式初冷器，從而提高余熱的利用效率。相比于二段式初冷器，三段式初冷器主要包括3個處理系統，即高溫段處理系統、中溫段處理系統及低溫段處理系統，可以利用冷凝冷卻的方式進行放熱，吸收系統中的熱量，從而為冬季采暖提供能源。在夏季時可以通過改造蒸汽型制冷機利用初冷器余熱，即利用余熱進行制冷，這樣不僅可以降低焦爐煤氣的溫度也可以降低低溫水的制取難度。初冷器余熱利用技術的應用效果相對較好，所以部分鋼鐵企業利用初冷器余熱利用技術進行了集中供熱，部分鋼鐵企業將初冷器中的余熱應用在了真空碳酸鹽脫硫——制酸工藝當中，充分發揮了余熱的作用。例如，某鋼鐵企業對初冷器余熱進行了回收，每年可以產生8 700萬元的效益。

4.3 煉焦煤調濕

煉焦煤調濕技術也是鋼鐵行業中至關重要的節能技術，可有效降低能耗。其中煤調濕指的是裝爐煤水分控制工藝，可以在裝爐之前對煉焦煤中的水分進行集中處理，從而降低煉焦煤的水分含量。常用的煉焦煤調濕技術包括導熱油煤調濕技術、蒸汽煤調濕技術及流化床煤調濕技術等。第一，導熱油煤調濕技術。這種技術就是將導熱油當作載體，并利用換熱器吸收焦爐煤氣與焦爐煙道氣中的余熱。在這種情況下，導熱油的溫度會達到超200℃，便可以在干燥機中對濕煤進行加熱處理，從而降低煉焦煤的水分含量。第二，蒸汽煤調濕技術。與導熱油煤調濕技術不同，蒸汽煤調濕技術將蒸汽當作熱源。所以在應用這種技術手段時可以利用低壓蒸汽或干熄焦蒸汽在干燥機中對濕煤進行加熱處理，從而降低煉焦煤的水分含量[5]。蒸汽煤調濕技術中常用的干燥機有2種結構，分別是蒸汽在管外、煤料在管內及蒸汽在管內而煤料在管外。第三，流化床煤調濕技術。在應用這種技術時需要在流化床干燥機當中利用焦爐煙道氣對煉焦煤進行加熱處理，降低煉焦煤的水分含量。從實際情況來看，相比于前2種技術手段，流化床煤調濕技術的可行性最強、效果也最好，所以需要加大對這種技術的推廣力度。

應用煉焦煤調濕技術可有效降低煉焦煤的含水量、增加焦爐碳化室的裝煤量，繼而提升焦爐的生產水平。同時，應用煉焦煤調濕技術可以降低煉焦過程中的熱能消耗、增強煉焦爐運行的穩定性，因此鋼鐵企業需要靈活應用這一技術手段。例如，某鋼鐵企業每年可生產100萬t焦炭，在應用煉焦煤調濕技術之后將煉焦煤的水分含量從10%控制在了6%，降低了煉焦的耗熱量。同時，鋼鐵企業利用弱黏結性煤取代了部分傳統的優質煉焦煤，有效提高了煉焦爐的生產水平，減少了煉焦過程中產生的廢水。

4.4 節能發電技術

節能發電技術可以將熱能等能源轉變為電能，常用的節能發電技術有燒結余熱發電技術、干式TRT發電技術等。第一，燒結余熱發電技術。這種發電技術可以將燒結過程中產生的余熱轉變為電能，但在應用這種技術時需要做好余熱回收工作。在生產過程中，無論是燒結機還是冷卻機都會產生廢氣，而這些廢氣的溫度較高，所以鋼鐵企業應在燒結機的尾部及冷卻機中設置余熱回收裝置，并利用這些余熱進行發電。從實際情況來看，1t燒結礦產生的廢氣余熱可以生產20kW·h的電能。例如，某鋼鐵企業在生產系統中設置了汽輪發電機組及燒結余熱鍋爐，每年可產生7 000萬元的效益。第二，干式TRT發電技術。干式TRT發電技術即高爐爐頂余壓發電技術，可以利用透平發電裝置將高爐爐頂中煤氣的熱能及壓力能轉變為電能，在煉鐵節能中發揮著重要作用。在應用這種技術時需要利用高爐爐頂中煤氣的余壓及余熱將煤氣導入到透平膨脹機當中，從而利用透平膨脹機將熱能及壓力能轉變為機械能，從而為發電工作提供能源。從高爐爐頂煤氣壓力情況來看，每噸鐵都可以產生30～50 kW·h的電能。同時，在高爐爐容相同的情況下，干法回收率更高一些。這主要是因為在干法工藝中煤氣溫度相對較高、透平做功的能力也比較高。例如，某鋼鐵公司在高爐中設置了干式TRT裝置，每年可以生產2 000萬kW·h的電能，繼而獲取900多萬元的收益。

4.5 預熱式熱風爐使用

預熱式熱風爐技術是較為先進的節能技術，在鋼鐵行業節能中占據著重要地位。鋼鐵行業應深入研究預熱式熱風爐技術，明確技術的應用原理、提高技術應用效率。預熱式熱風爐技術將預熱技術與熱風爐結合了起來，指的是當熱風爐處于燃燒過程中時，空氣及煤氣換熱器會對冷空氣、冷煤氣進行預熱處理并將空氣與煤氣輸送至熱風爐的燃燒器中，使空氣與煤氣在燃燒室中燃燒。空氣與煤氣燃燒過程中會產生大量的高溫煙氣，這些高溫煙氣會進入到熱風爐的蓄熱體中，而部分廢氣會進入到排煙道中并經過煙囪排入到大氣中。常用的預熱技術主要包括利用熱風爐煙道廢氣對空氣及煤氣進行預熱的技術；在熱風爐中設置加熱系統，從而對空氣與煤氣進行預熱的技術；利用熱風爐直接對空氣與煤氣進行預熱處理的技術，其中第一種技術手段不僅可以提高空氣與煤氣的溫度也可以提高廢氣利用率，但是在應用這種技術手段時需要設置金屬板式或管狀式的換熱器；第二種技術手段可以提高預熱溫度；第三種技術手段可以通過預熱助燃的方式提高空氣的溫度。

對冷空氣與煤氣進行預熱處理后可有效提高熱風爐燃燒火焰的溫度，繼而提高燃燒效率。某鋼鐵企業在高爐中設置了附加加熱系統，對空氣與煤氣進行了預熱處理，有效提高了燃燒溫度。

5 結束語

在鋼鐵行業中應用節能技術具有重要意義，不僅可以降低鋼鐵行業的能耗，也可以緩解我國資源緊缺的現狀、實現社會的可持續發展。鋼鐵企業需提高對節能技術的重視程度，加大對干熄焦技術、初冷器余熱利用技術和煉焦煤調濕等節能技術的研究力度，充分發揮其在鋼鐵生產中的作用。