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欧盟钢铁工业废气治理技术为蓝天“减负”

日期:2017/8/18 | 阅读:304次

   欧盟是继中国之后的世界第二大钢铁生产国,2012年粗钢总产量为1.69亿吨,主要产钢国家是德国、意大利、法国、西班牙和英国。在过去29年里,欧盟的转炉钢比例几乎相同,为56%~58%,电炉完全取代了落后的平炉。在德国,高炉-转炉流程的钢产量占65.3%,使用废钢的电炉钢产量占34.7%,连铸比约为97%。 

  欧盟钢铁工业加强污染物排放控制既得益于政府法律法规的约束,同时也与其解决环保技术难题相结合。2002年,德国采用了“大气质量控制技术规范(TA Luft)”所设定的高排放标准。这一标准是欧盟其他国家部分排放水平的升级,对CO2的减排起到了推动作用。如今,欧盟从各个方面开展了CO2的减排工作,并取得了显著成效。 

  烧结厂 注重除尘技术的应用   

  电极静电除尘。对烧结厂废气排放的严格限制,使欧盟的钢铁企业采用多种技术解决废气排放的问题。活性炭吸附工艺、移动电除尘、废气干法净化和烟气循环等技术在生产中得到应用。烧结废气中的粉尘有一定的电阻,不能采用传统的静电除尘方法使之沉积,脉冲极板不能完全地将黏性很强的粉尘清扫掉。黏附在极板上的粉尘层有绝缘作用,原地反喷会导致二次排放,使下落的粉尘被气流带走。而使用移动式极板,粉尘可以被旋转钢丝刷清扫干净,就能避免受到反吹的不良影响,对烧结废气更好地除尘。这项移动电极静电除尘(MEEP)技术设备安装在安赛乐米塔尔艾森许腾斯塔特厂(Eismhttcllstadt)的烧结机上,取代了原来的传统电除尘设备。 

  吸附剂与布袋设备结合减排二英。为了消除烧结烟气中二英的排放,欧盟有些钢铁企业向废气管道内喷吹褐煤半焦粉末、环形炉焦粉或活性煤作为吸附剂。环形炉焦粉或活性煤是有效的二英吸附剂,它可以与电磁滤袋和布袋结合起来使用。二英降低的效率与二英浓度、存在时间、粉尘在主烟道和滤袋中的分布有关。烧结粗烟气中二英的浓度水平一般为1.9ng/Nm3,喷吹褐煤半焦后可以降低到0.4ng/Nm3以下,甚至可达300mg/Nm3,单独采用此方法或静电沉积方法都达不到小于0.1ng/Nm3的水平,因此后续工序安装布袋过滤器是必要的。 

  欧洲烧结厂使用的布袋除尘设备有不同的形式。例如,迪林根Rogesa烧结厂采用EFA工艺(拖拽流吸收工艺),用于末端净化处理的布袋设备,其主要部分包括来自电除尘的废气管道、调节阀、吸收塔、布袋过滤器、风机、带给料装置的消石灰筒、带给料装置的环形炉焦仓等。Rogesa的2号烧结机有50万Nm3/h的废气量由EFA工艺处理,入口废气温度为140℃~160℃,SO2浓度在600mg/Nm3~800mg/Nm3范围,粉尘浓度为60mg/Nm3~90mg/Nm3,二英浓度为2.5ng/Nm3。在初始废气阀门之后,废气分成两路进入2个反应器,其中流化床添加消石灰、环形炉焦和回收料。回收料是布袋过滤料的再生固体料。流化床后接2个布袋除尘管路。废气经5600个布袋过滤,每个滤袋长7米,采用EFA工艺,能够达到所有的大气排放指标,二英排放浓度小于0.4ng/Nm3。消石灰消耗量为550g/t烧结矿,环形焦炉的消耗量为180g/t烧结矿,整个工艺的电耗为4.5kWh/t烧结矿。德国萨尔茨吉特钢铁公司2号烧结机和蒂森克虏伯欧洲分公司烧结厂安装了此滤袋技术设备。 

  加热分解去除有害物质。LEEP(低排放和能量优化烧结工艺)的概念,是基于二英和呋喃在烧结机长度方向温度分布相同而浓度分布不均匀的情况而提出的。温度高于1000℃时,二英和呋喃的混合物就会发生分解。因此,将含有高浓度二英和呋喃的烟气循环到烧结机料层上,烟气加入到烧结前方的燃烧层上,使二英和呋喃分解成无害物质。该工艺的另一个优点是利用烟气中的CO和废气的热能。烧结烟气分成冷气(65℃)和热气(200℃)两路,再在冷气管路中降温到露点以下。 

  为了维持后续设备如静电除尘和烟囱的正常工作,换热器要精细控制,使排到烟囱的烟气温度达到110℃,循环烟气温度为150℃。为降低烟囱一路中烟气的二英和呋喃浓度,在电除尘之前应喷入环形炉焦粉,使其浓度降低到0.4ng/Nm3以下。 

  采用LEEP工艺,不仅可使烧结厂废气排放量下降45%,废气有害成分和粉尘排放减少,环境得到净化,而且烧结燃料消耗还能下降5kg/t。   

  高炉炼铁 紧抓污染源 注重净化与减排   

  高炉区域有害气体排放的主要污染源是高炉炉顶煤气、出铁场和热风炉。 

  炉顶煤气净化。高炉炉顶煤气经净化后,通常用作钢厂不同加热设备的燃料,还要尽可能延长煤气除尘系统的使用寿命。炉顶煤气净化系统包括粉尘捕集、旋风除尘和煤气清洗设备。在粉尘捕集、旋风除尘和文丘里清洗器上都会产生压力损失。高顶压操作的高炉,除尘设备容许的压差也提高,炉顶煤气除尘系统通常采用粉尘捕集器、旋风除尘器和文氏洗涤器或环缝清洗器。煤气洗涤后的压力约为0.2MPa,比钢厂煤气系统的压力高,这部分余压可用于透平机发电,净化后的炉顶煤气含尘量小于10mg/Nm3。湿法除尘产生的废水,经沉淀池沉淀后再循环使用。 

  出铁场多联除尘系统。德国克虏伯曼内斯曼(HKM)公司B高炉的现代化出铁场设计包括多联的除尘系统。粉尘主要排放点在铁口、主沟、憋渣器、铁水沟、渣沟以及铁水和炉渣转流点。这些除尘设施具有保护员工健康和周边环境的功能。出铁场的全部烟尘通过加沟盖的方法抽尽,每小时处理的废气量达到100万立方米,粉尘通过电除尘或布袋收集。在标准操作条件下,目前粉尘排放最大容许值是20mg/Nm3。 

  高炉炉渣直接粒化。安赛乐米塔尔不莱梅钢铁厂采用在主沟、铁水沟和摆动溜嘴处加罩并通入氮气的方法,防止铁水与大气中的氧接触,抑制铁水氧化和产生烟尘。欧洲许多高炉将高炉渣直接粒化,其中德国高炉渣粒化率达到86%。典型的高炉渣粒化方法是冲水渣。液态炉渣与水快速换热后,炉渣变成细粉,同时产生蒸汽。高炉水渣代替建筑用石灰作为水泥厂的骨料。在水泥生产中,使用1吨高炉渣可减少1吨CO2排放。   

  炼铁新工艺研发 CO2减排有新突破   

  从理论上讲,高炉的最低需碳量是每吨铁水414千克碳或465千克焦炭,其中333千克碳或80%的碳元素用于冶炼过程的化学反应。加入高炉的碳在后续工艺或煤气发电中全部不可避免地产生CO2排放。就德国近60年来高炉还原剂平均消耗变化情况而言,高炉操作者在降低还原剂消耗量方面取得的成绩有目共睹。然而,最近几年降低还原剂消耗量的潜力不大,下降缓慢。换句话说,高炉操作者在优化工艺成本上日复一日的工作,已经使还原剂的消耗量达到了最小,更进一步的大幅度降低特别是所谓的“巨大突破”是不可预期的。德国和西欧边境国家的高炉技术已经发展为最佳可用技术,但是否能更进一步降低还原剂的使用量和CO2的排放量,还有待讨论。 

  欧盟的煤钢研究基金组织(Research Fund for Coal and Steel,简称RFCS)未来研发的重点是钢铁生产技术、新钢种、新的表面涂层技术、创新钢铁工艺、改善环境效率以及降低钢铁生产的CO2排放量。因为高炉是间接排放CO2的主体,因此要降低CO2的排放量,重点是降低高炉工艺中碳载体的消耗量,特别是焦炭的消耗量。 

  无氮及氧气高炉工艺的研发。RFCS的一项大型跨国研究项目的目标是研发无氮及氧气高炉工艺在工业生产中的应用。该工艺将冷态氧气喷入风口代替热风,大部分炉顶煤气通过一个CO2分离器进行脱除,一部分富含CO的煤气被加热至1200℃循环喷入风口,剩余部分被加热到900℃并通过第2排风口喷入到高炉炉身的下部。针对该工艺进行的模型计算表明,喷煤比最高可达175kg/t,焦比可下降到仅200kg/t。与目前的高炉工艺相比,在如此低的焦比下不会给高炉带来操作问题,这必将为高炉操作带来新的突破。 

  假设炉身下部含铁炉料的预还原度达到95%,采用这种工艺,贝-波反应所需的焦炭量将由传统高炉的107kg/t减少到仅15kg/t。在瑞典钢铁公司(LKAB)试验高炉进行的试验结果显示,还原剂(焦炭和喷煤)的消耗量降低了24%。目前,建设一套年产铁水50万吨的炉顶煤气循环小型生产性高炉的计划还在讨论中,在大型高炉上开发使用该技术,可能还需要15年~20年。此外须注意,在炉顶煤气循环高炉工艺中,由于煤气自循环使用,供工厂管网的煤气量将下降80%,工厂煤气平衡问题必须考虑。 

  HIsarna熔融还原法减排CO2。HIsarna熔融还原法是用粉矿和煤生产液态铁水,该两步冶炼工艺使用一个旋风炉将矿粉预还原并熔化,然后在铁浴反应炉中完成矿粉的终还原。煤的分解在工艺炉外的一个反应器内进行,热解所需热量由煤的热解气燃烧产生。该工艺也在纯氧下操作,制氧所需的能量通过回收熔炼炉的煤气余热来提供。考虑到该工艺产生的废气中CO2浓度很高,可以直接封存。不采用CCS(二氧化碳封存技术),预期每吨热轧卷的CO2排放量下降20%,如采用CCS,可减排CO2 80%。2010年,克鲁斯集团(现以被塔塔钢铁集团并购)在艾默伊登厂建设了一个设计能力为8t/h的HIsarna半工业试验工厂。  

  连铸与轧制 通过节能降耗和提高效率减排CO2   

  连铸机快速浇铸均温,减少能源消耗。近期,中国台湾的东和钢铁公司出于控制生产成本和CO2减排等环境指标达标的考虑,在新建的钢厂采用了德国研发的INVEX技术(包括连铸机和优化轧制技术)。该连铸机能够实现高速浇铸角部呈大半径圆弧的方坯,并且能够保证对于规格小于200mm×200mm的方坯,任何钢种都能获得最佳的质量。采用INVEX连铸机是基于以下两个主要原因:能够实现稳定的高速浇铸,这对直接热装是必须的;能够浇铸角部呈大半径圆弧的方坯,相对于传统的角部呈小圆弧半径的方坯,其铸坯温度的分布更有利于在感应炉中均热。 

  INVEX铸机通过采用已被证明性能优越的凸形(Convex)结晶器实现了高速浇铸。该结晶器在铜管、水套配置和所有浇铸参数的控制方面都有创新型设计。在INVEX结晶器中,冷却水能够最优地分布在坯壳周围,这样能够消除普遍存在的、特别是在高速浇铸下更加严重的不均匀冷却问题。 

  该铸机能够减少碳排放的另一个因素是采用了INVEX结晶器。除了能够实现高速浇铸之外,INVEX还能够实现连续浇铸角部圆弧半径更大的方坯(近似于“预轧制”的方坯)。这种铸坯的温度分布特征就是冷角的消除,且相对于传统方坯,其表面温度也更加均匀,更接近于圆坯。送往轧机的铸坯表面温度不仅较高,而且更重要的是温度分布均匀,因此只须消耗很少的能源就能够达到理想的轧制温度。 

  感应加热技术均热铸坯。轧机是针对连铸坯的连续热装而设计的,热铸坯虽以适当的温度送来,但其表面温度比轧制温度低,而内部温度又较高,因此需要均热。在传统的钢铁厂,轧钢车间是独立存在的,铸坯需要冷却和储存,当轧制时,多数时候是从常温加热到轧制温度再进行轧制。INVEX设备实现了铸机和轧机的直接相连,充分利用连铸坯的余热,因此也就不需要像传统轧机一样对铸坯进行重新加热。虽然热的连铸坯平均温度非常接近轧制温度,但其横截面上的温度稍微有点差异,表面温度较低,而内部温度又高于轧制温度。东和钢铁通过INVEX技术尽量减少了铸坯内部和表面的温度差,因而只须稍微对铸坯进行均热就能够达到理想的轧制温度。铸坯的均热过程包括两方面:一是对表面的加热;二是有足够的时间使铸坯内部过高的温度散失,从而达到合适的轧制温度,均热后的铸坯内外温度差小于25℃。 

  感应加热技术很好地完成了铸坯均热的任务,其主要优点如下:第一,非常灵活,能够根据铸坯的拉速和温度等条件迅速调整均热系统;第二,应需利用,感应线圈根据需要随时通电,而不需要预热,而轧机速度也是应需控制的;第三,方便操作和安装,占地空间小;第四,提升能源利用效率,只有轧制和对铸坯进行均热时才使用能源,当检修或发生突发事故时,能源供应能够随时关闭;第五,无污染物排放。 

  粗轧和中轧机灵活更换轧辊,提高生产效率。粗轧和中轧机是HL无牌坊式的,其中第12号轧机是可更换的,以便将来实现纵切操作。无牌坊机座的优点就是能够灵活地更换轧辊。在粗轧和中轧机组后,安装有切头剪和事故剪。高速精轧机组是专门为线材设计的高效率机组,精轧速度达到45m/s~50m/s。由于这些独立机座的轧机耐用,维护时间短,与传统同等生产效率的纵向轧制机组相比能生产出更多产品。这座新工厂能够生产棒材和钢筋盘卷。棒材生产线装有安全性能行业领先的HSD高速传送系统,到冷床上的传送速度可达到45m/s,精轧设备后安装带有横移系统的倍尺剪,因此钢棒被交替送往两个下料产线,分别进入两个HSD轮毂的转动凹槽中。在轮毂前设有夹送辊系统,通过夹持钢棒的尾部和摩擦钢棒,把钢棒的速度从轧制速度降低到下料速度。HSD技术的另一大优点,就是冷床上的每一个凹槽只有一根钢棒。冷床由电动机械驱动控制,具有一个齿条式步进梁。在冷床出料边,由链条和传送小车将钢棒堆积成排,然后将钢棒运至冷剪处,根据所需,裁剪为6米~22米长的棒材。 

  德国设计开发的这种连铸和连轧系统,通过感应加热炉,把铸机和轧机直接相连,最大限度地利用铸坯的余热,通过资源的最大化利用减少有害气体的排放,同时可以减少废弃物排放,取得良好的环保效益。据测算,平均每年可减少CO2排放72000m3,减少SO2排放410t,减少NOx产物排放225t。 

  欧盟一些钢铁企业的CO2减排和废气污染治理工作得到了多方的认可。其中,德国钢铁工业吨钢材(热轧卷、无缝管和锻造件)CO2减排幅度超过20%。我们认为,欧盟能够取得这样的成果,在技术方面有三个亮点:第一,注重全流程的减排工艺。减排并不是单独某一个工序的工作,而要从各个工序入手。欧洲的减排工艺从烧结到高炉,再到炼钢、连铸、连轧,各个流程都十分注重CO2和其他有害气体的减排。第二,注重减排工艺的创新。以高炉炼铁新工艺为例,他们开展无氮及氧气高炉工艺的研发和熔融还原法的实践。第三,通过简化工艺流程节约能源,进而减排CO2。最突出的例子就是采用感应加热炉,使连铸与轧制工序直接相连,缩短了工艺流程,减少了再加热过程,从能源角度自然减少了碳排放。 

  相比之下,当前我国钢铁企业在废气排放治理方面还面临着市场、布局、设备、工艺、观念等各方面的困难和不足,起步也相对较晚,但是应该看到经历多重考验的中国钢铁工业正在向着实现环境友好、与社会和谐发展、可持续发展的方向迈进。欧盟钢铁工业CO2和有害气体减排技术为国内企业提供了借鉴,也为我们树立起应该赶超的目标。

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