钢铁行业绿色生产技术(2015.11)

钢铁行业绿色生产技术（译自：《Iron & Steel Review》）本质上钢铁制造行业是依赖国家经济增长的基础产业。

钢铁行业，除了规模巨大外，它的多重转换过程也是相当复杂的，从矿石准备到连铸、轧制和精轧，直至产品发给消费者。

这些转化过程必不可少地使用大量的原材料，如铁矿石、煤炭、焦炭、石灰石等，造成相当大的能量消耗和温室气体排放。

事实上，钢铁行业是全球的能源密集行业和最大的二氧化碳排放者。

在过去的几十年里，一些全球性的威胁使对这一行业的关注不断上升--能源价格上涨的威胁、原材料上涨的竞争，最后是有史以来最大的威胁，即全球变暖、环境污染和自然资源枯竭。

因此今天，全球钢铁业正面临着绿色发展的巨大挑战--减少温室气体排放、减少能源消耗、提高资源利用效率，不过，这样降低了在全球市场的竞争力。

这些都使得这个行业把目光集中到了现有的技术上，完善和提升并提出创新技术，最后成功地实现。

此外，从成本效益的观点必须考虑各个步骤的能源效率性能。

钢铁行业基本上遵循两条炼钢路径--铁矿石工艺（综合/初级炼钢）和废钢工艺（二次炼钢）。

在初级炼钢工艺中，钢是通过焦化、炼铁（高炉内）和碱性氧气炉（BOF）技术来生产，而以废钢为基础的二次生产过程使用电弧炉（EAF）技术，不需要运行焦化或炼铁。

因此，前者比后者要排放更多的温室气体并消耗更多的能量。

在说到绿色技术之前，我们快速地看一下钢铁业产生的污染物，这样会更容易对它们进行分析。

钢铁行业的废气排放钢厂煤灰浆空气污染物：炼铁和炼钢操作中排放的空气污染物包括气态和有机废气，还有颗粒物如烟灰和粉尘、重金属、放射性材料等。

更精确）和氮氧化物（NOx）；地说，它们是燃烧过程中形成的二氧化硫（SO2），碳作为还原剂产生铁矿石还原成铁过程中排放的二氧化碳（CO2足够多的“温室气体”；臭氧，空气中由于氮氧化物的光化学反应形成的空气二次污染物；颗粒物—各种有机和无机材料复合混合物--铁矿石、煤、焦炭和石灰石堆场或装载和运输时吹出的粉尘；重金属如镉、铅、汞、锌、锰、镍和铬以粉尘、烟雾或蒸汽的方式排放；有机排放如苯、甲苯、二甲苯、溶剂、多环芳烃、二恶英和酚；以及废钢中的放射性材料。

废水污染物：钢铁行业产生的废水污染物主要包括悬浮固体，如处理过程中形成的氧化铁皮、煤、生物污泥、金属氢氧化物和其他固体；重金属如炼钢过程或冷轧和涂层区域排放废水中存在的高含量锌、镉、铝、铜、锰、铬；废水中以可溶性和不溶性形式存在的润滑油和润滑脂；炼钢排放的固体废弃物--焦炭的煤衍生物；副产品如焦炭粉尘；煤和铁矿杂质熔化时形成的炉渣及用作冶炼助熔剂的石灰。

应对温室气体排放和能源消耗的绿色生产技术温室气体碳减排工艺（G-CAP）此方法的优点在于，具有能详细实施钢铁行业具体操作的完整及健全的技术要素。

G-CAP方法的核心在于检测钢铁行业涉及的各个运行单位--焦炉、烧结厂、高炉等。

对目前的经营状况、一流的实践和理论极限之间的差距仔细地进行评估，然后在确定差距的基础上设定可以减小差距的减排活动（AA）。

该活动的范围可以从行为上的改变到改善运营，甚至战略上的变化和投资方案。

下一阶段将运用风险过滤法，以去除那些从立法、职业健康和安全（OH＆S）以及技术等方面不可接受的活动。

然后制作AA列表，以研发规模经营和资本成本以及预期的二氧化碳减排等规则。

最后，确定每一个AA的NPV（净现值），并用美元公布每吨的二氧化碳减少量。

然后制定边际减排成本曲线（MACC）。

MACC是任何特定的节能活动（或二氧化碳价格）在经济上可以实现多少减排的概要图形，帮助确定“转换点”—此点购买减排比实现减排活动要便宜。

此外，每个AA也被编入“项目”时间表，决定需要多长时间来执行此活动。

然后过一段时间，根据真实的项目排放用该时间表创建一个“目标路径”。

政策制定者通常会以可持续的方式，在不破坏同行业的竞争优势下，确保行业继续支持国家的经济，同时减少排放。

实际上，G-CAP呈现出强大的暴露行业排放贸易或EITEI，帮助展示强大的技术经济平台。

氢还原法传统高炉炼钢，为去除铁矿石中的氧，用一氧化碳（CO）气体还原铁矿石，导致CO2气体排放。

然而，用氢气还原铁矿石，产生H2O气体，而不是CO2，从而导致二氧化碳排放量的减少。

此外，CO气体具有较大的分子尺寸，因此，很难渗入铁矿石。

而氢气（H2）以更小的分子，可以很容易地渗入铁矿石--渗透率比一氧化碳大五倍，因此在高炉内可以迅速还原铁矿石。

能源效率和燃料转换选项电能生产：综合钢铁厂产生的剩余可燃气体可作为热电联产（CHP）电厂的潜在燃料进行发电和集中供热。

然而，由于热值较低，高炉煤气要与焦炉煤气混合，这样电力生产才能获得足够的能量。

顶压透平发电（TRT）技术：TRT技术是一种利用高炉煤气的热和压力，使燃气涡轮机产生电能的另一个发电应用。

用TRT大约可以生成40-60度电/吨铁。

高炉顶压透平发电（TRT）有机Rankine循环（ORG）和Kalina循环：从综合炼钢和二次精炼产生的低等级的多余热量可用于发电。

有机Rankine循环（ORG）和Kalina循环是热力循环，可将热能转换为电能。

ORC和Kalina循环的用电效率分别为8.1％和12.8％。

在全球各地两者都被认为是用地热和废热发电的商业技术。

TPV热回收:在炼钢过程中产生的热辐射，可以通过热光生电（TPV）的方法回收--通过光电二极管吸收的热辐射被转换成电。

高炉矿渣是TPV转换的合适产品，约总能量的4％可以通过应用TPV热回收系统转换为电能。

干熄焦（CDQ）工艺：在焦化厂，煤炭加热至1000℃转换为焦炭，。

但然后焦炭在骤冷塔内喷水冷却，随着热能的损失产生大量的CO2是，用干熄焦（CDQ）工艺，焦炭在干冷厂用惰性气体进行冷却—淬火气体回收的热能用于电力生产、集中供热和预加热炼焦煤。

通过安装CDQ，每吨焦炭可以回收约400-500公斤的高压和高温蒸汽，这一数额相当于每吨焦炭220-330kwh的蒸汽。

炼焦炉内总能量的大约35％可被干熄焦工艺重复利用。

节约能源的同时，这一技术还降低了二氧化碳的排放量。

干熄焦工艺（CDQ）举例焦炉煤气甲烷的重整：合成气，CO和H 2的混合物，是一种有价值的原料，用于生产柴油、甲醇和氨。

甲烷重整过程是合成气生产的主要方法--甲烷（CH 4）在这里转换为CO和H 2气体。

另外，从天然气重整生产的合成气也可用焦炉气制造。

焦炉煤气由容积约25％CH 4和60％H 2组成。

因此，应用这种技术，综合炼钢厂的CH 4和CO 2排放就可以减少。

据报道用焦炉煤气通过甲烷重整生产甲醇的转换效率介于56.2%和67.2％之间。

燃料转换：在钢铁厂焦炭由于其显著的用途被认为是一种有媒介物和燃料。

然而，其使用导致大量的碳排放到环境中，已考虑各种替代方案。

其中之一是木炭--主要用于较小的高炉。

生物质被认为是二氧化碳中性。

因此，一些大高炉用活性炭、甲烷、一氧化碳、氢气、乙醇和甲醇--所有生物质来替换焦炭--从高炉的过程可显著减少二氧化碳的负荷。

但是生物质具有较低的质量和能量密度。

所以，取代所需焦炭的生物质的量就很高。

为了提高生物质的热值，它在炉内被燃烧之前需要被转换成合成天然气（SNG）或沼气，该转化步骤是由微生物通过气化或厌氧消化来进行的。

直接还原铁厂作为补充：DRI（直接还原铁）厂可以作为综合钢铁厂高炉过程的一个补充。

DRI/电弧炉炼钢过程的天然气相比高炉/转炉流程，大约减少40％的二氧化碳排放总量。

电弧炉来自冷床的热水：从冷床可以回收对流热和辐射热并用以产生热水。

热水可以进一步用作热自来水和钢厂的空间加热或者甚至可以出售给集中供热公司。

对流热可以在热交换器中回收，而辐射热由象充满水的铜管或太阳能热板的收集器回收。

如果同一冷床内对流和辐射热回收结合起来，处理钢材的热量大约40％可以回收产生热水。

热能存储（TES）：利用工业产生的余热。

但是，生产者和消费者之间的长距离似乎是一个障碍，使用热能储存（TES）系统就可以解决这个问题，热可以通过火车、卡车或轮船运输。

一些正在开发的能量储存技术如下：1.吸附技术，其中该能量在液体或固体介质中以显热存储，存储容量为180-400kwh/吨。

2.潜热储存，其中相变材料（PCM）经历相变（从固态到液态等）的同时，能量被存储在材料中。

潜在的存储容量是80-160kwh/m3。

3.作为可逆化学反应的化学能或产品存储，存储容量是30-1000kwh/吨。

工业共生：可被看作是一种关系，其中至少有两个不相关的行业以互惠互利的方式交换材料、水、能源或信息。

计算出的集体利益要大于不用任何共生合作所取得的个人利益的总和。

同样，钢铁行业可以实现工业共生，其中钢铁业多余的能量和材料可以由其他设备使用，钢铁厂可以引进燃料和还原剂。

由于多余的能量组成了大范围的能源，各种能源相关的共生关系可以达成。

最佳可用技术（BATs）许多国家都提出了一些最佳可用技术（BATs），其主体多元化可以在炼铁和炼钢的不同工艺中应用以提高他们的性能。

然而，一个BAT 必须是能够在多个工厂应用的布置良好的扩展技术，能显著减少能耗和二氧化碳排放量。

一些相关的BATs及它们的结果讨论如下： 最先进的电厂：许多国家的综合钢铁厂都有一个密切相关的电厂，其中工艺气体象高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气被用来产生电能和蒸汽。

BAT使用最先进的蒸汽锅炉和汽轮机技术取代旧设备，以提高这些电厂的能源转换效率。

转炉余热和煤气回收：碱性氧气转炉（BOF）炼钢需要钢中的碳并作为转炉煤气排出。

BAT提出了可以从转炉气体回反应生成CO和CO2收能量的两种系统--第一个，转炉煤气在转炉烟道中燃烧，其中的显热被废热锅炉回收；第二个要求转炉煤气是干净的，冷却并储存在煤气柜中以便进一步使用。

连铸连铸：对于新的炼钢厂，连铸优选铸锭。

事实上，前者的好处在于减少粗轧的能耗，并且显著地减少材料损失。

在生产过程中减少废料导致产量增加。

因此，由于钢水减少暴露在空气中，可以消除头尾损失和减少氧化损失。

废钢预热：虽然用电弧炉（EAF）炼钢比高炉法炼钢操作更灵活，但是全部能量的20％熔化电弧炉中的废料以废气的形式损失了。

废钢预热技术通过利用炉子的余热预加热进入的废钢，这样有助于减少电炉工艺中的能耗。

烧结厂废气余热回收：烧结过程中通过两种方式进行能量回收--第一，烧结床的废气可以作为燃烧空气回收；第二，热烧结矿的能量可在烧结床端部通过使用烧结矿冷却系统被回收。

热空气可以用于产生蒸汽。

第一种方法通过经济地使用焦炭可减少能源消耗。

优化烧结球团比例：主要以烧结矿和球团的形式为高炉提供铁矿石。

球团生产中二氧化碳的排放比烧结生产要低。

此BAT旨在实现至少50/50的烧结球团比率，以减少二氧化碳排放和节约能耗。