侯洪宇，馬光宇，徐鵬飛，劉常鵬，胡紹偉，于淑娟
（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）
摘要：介紹了鞍山鋼鐵集團有限公司的節能減排現狀，對比了近年來鞍鋼股份本部各類能耗指標的變化情況。從冶金節能、冶金固廢資源化、冶金水資源節約及污染防控技術三個方面介紹了鞍鋼節能減排技術發展情況，分析了未來鞍鋼環保技術的發展方向和清潔生產目標。
關鍵詞：節能技術；固廢資源化；水資源；清潔生產
據預測，十三五期間，中國鋼鐵消費量為 5~7 億 t/a，產需平臺將在一定水平維持較長時間。2016~2020 年，國內鋼鐵聯合企業預計壓縮至350 家。雖然產能過剩嚴重，但實際產量和鋼鐵消費趨于穩定狀態，鋼企處于微利時代。新的環保法實施后，危險廢棄物排放納入環保法，非法排放、傾倒、處置 3 t 及以上危險廢棄物將構成嚴重的污染環境罪。因此，鋼企對環保技術和環保設施的投資必須加大，環保設施全部投用預計噸鋼成本增加100~130 元，鋼企降低鋼鐵產品能源消耗勢在必行。
1 鞍鋼節能減排現狀
鞍山鋼鐵集團有限公司（以下簡稱鞍山鋼鐵）是鞍鋼集團最大的區域子公司。鞍山鋼鐵生產鐵、鋼、鋼材能力均達到 2 600 萬 t/a，擁有鞍山、鲅魚圈、朝陽等生產基地。鞍山鋼鐵始終以發展綠色、低碳經濟為己任，不斷拓展鋼鐵行業野清潔、綠色、低碳冶的發展內涵。 2010~2017 年鞍鋼股份本部（以下簡稱鞍鋼本部）能耗指標見表 1。 表 1 中可以看出，2010~2017年間，鞍鋼本部噸鋼綜合能耗及噸鋼耗新水水平呈逐年下降趨勢，其中噸鋼綜合能耗由 2010 年的 634.46 kg 標煤降低至 2017 年的 579.6 kg 標煤，降低了約 55 kg 標煤，噸鋼耗新水由 4.57 t 降低至2.74 t，降低約 1.8 t。噸鋼外購能源成本和噸鋼耗電逐年降低。
2 鞍鋼節能減排技術的開發與應用
2.1 冶金節能技術
2.1.1 煉鐵要煉鋼區段系統能效優化集成技術
鞍鋼是我國老工業基地的典型代表，受原生產場地、工藝布局、裝備結構、物料運輸等限制，盡管裝備實現了大型化、自動化，但由于生產流程長、場地狹窄、煉鐵要煉鋼工序銜接不緊湊，造成鐵水在傳擱過程中能量耗散大，能源消耗高。由于轉爐兌鐵溫度低，不得不保留落后的混鐵爐工藝，很難在轉爐工序實現全天候負能煉鋼的目標。通過煉鐵要煉鋼區段界面技術及全天候負能煉鋼技術的開發與實施，實現了大幅降低煉鐵、煉鋼工序能耗的目的[1]。
系統開發、集成了“一罐到底”、“分次調鐵”、“定向調鐵”三項技術，首次提出并開發實施了雙目標鐵水調度模型及罐車時刻表，有效地減少了鐵水溫降損失，提高轉爐兌鐵溫度 30℃以上。“一罐到底”技術實施前后工藝流程的對比見圖 1。
“一罐到底”技術實施后，改變鋼廠 120 t 鐵水罐的砌筑方式，裝入量達到 100 t，并劃撥到鐵廠統一管理，使其適用于鐵水在線運輸，到達鋼廠后直接在罐內進行脫硫扒渣，然后直接兌轉爐，減少了鐵水裝運過程中的兩次倒罐。
采用“分次調鐵”技術。原來的單罐鐵水出鐵時間為 12~15 min，單次出鐵在 8~10 罐，最后一罐鐵水出滿時，第一罐等待了約 120 min，溫降損失嚴重。采用“分次調鐵”技術后，將單次鐵水調運改為兩次或三次調運至鋼廠轉爐，減少鐵水在高爐爐下的等待時間。
開發并實施“定向調鐵”技術。通過核算各高爐及轉爐的產量、生產時間、運送時間，確定出高爐至轉爐運送時間最短、溫降最小的運輸路線。
2.1.2 蓄熱換熱聯用軋鋼加熱爐技術
我國連續加熱爐應用蓄熱燃燒技術已有十多年的歷史。利用蓄熱燃燒技術將低熱值煤氣和助燃空氣雙預熱至 1 000℃左右，能夠節約燃料消耗。但該項技術存在如下問題：蓄熱式加熱爐的爐壓不易控制；設備檢修點多、故障點多，影響連續生產；關鍵備件的使用壽命低；不適用加熱冷坯及合金鋼，嚴重制約了蓄熱技術在大型鋼鐵企業的全面推廣應用[2]。換熱式加熱爐的基本爐是由均熱段、加熱段、預熱段煙道、煙囪、管式換熱器、常規燃燒器及檢測儀表與控制系統組成，其主要優點是爐型結構合理、爐長較長、煙氣與鋼坯呈逆流運動、有利于煙氣與鋼坯的熱交換，操作簡單、維護量小、運行成本低，空氣與煤氣預熱溫度穩定、連續供熱、煙道截面積大、煙氣流速小、爐壓容易控制，適合加熱各類鋼坯；其主要缺點是煙氣余熱回收效率低，一般在 60%以下；不能直接使用低熱值高爐煤氣；爐內存在局部高溫火焰區域，容易造成加熱物料的局部過熱；鋼坯氧化燒損及 NOx 排放量相對較高。
結合蓄熱式加熱爐及換熱式加熱爐的優點，提出了蓄熱要換熱聯用式加熱爐技術，該項目分別采用分腔式新型蓄熱燒嘴、雙密封三通換向閥、長壽型蓄熱體、分側分段控制及多段爐型結構、科學設置輔助煙道等實用技術，有效地解決了爐壓波動大、加熱特種鋼及冷熱坯混裝不易控制的問題。使加熱爐的單耗、氧化燒損、加熱質量均達到國際先進水平。
2.2 冶金固廢資源化技術
2.2.1 熱軋油泥汽浮除油技術
鋼材熱軋過程中脫落的氧化鐵皮與冷卻水和潤滑油等最終會在平流池形成熱軋油泥。 鞍鋼本部每年產生熱軋油泥約 2.8 萬 t， 含有 2 900 t 的廢油，全鐵含量達 70%以上。 因油泥粘度大、有異味，傳統技術處理成本高、處理過程不環保[3]。針對現有熱軋油泥處理難題，經過實驗室、中試和大生產三個階段，形成具有自主知識產權的氣浮除油專利技術，對熱軋 1780 線平流池進行技術改造，熱軋平流池在線氣浮除油工藝流程見圖2。用氣浮方法成功將油和氧化鐵皮分離，除油后鐵泥作為燒結原料利用，浮出的廢油銷售給有資質的廠家，年直接經濟效益 808.3 萬元。同時，每年還減排二氧化碳約 1 萬 t，平流池出水水質得到改善，降低了過濾系統的維護成本，處理過程環保，現場環境大大改善，從根本上解決了熱軋油泥難以利用這一困擾冶金行業多年的難題。
2.2.2 含鐵塵泥高效再資源化技術開發與應用
含鐵塵泥高效再資源化技術以冶金廢料為原料，經配料堯混合、壓球，制成 2 種不同粒度、強度、成分的自還原性團塊，分別回用于鐵水罐與轉爐，利用鋼鐵企業已有工藝設備及生產余熱，實現快速自還原而回收鐵和粗鋅粉，含鐵塵泥綜合利用率 100%。 自 2009 年 12 月起實施，運行穩定[4]。
該技術首創了“廢料要制球要鐵水罐要煉鋼”和“廢料要制球要煉鋼”兩種短流程、低能耗、小循環處理冶金廢料新工藝，如圖 3 所示。
將含鐵含碳塵泥壓制成自還原冷固團塊，利用鐵水罐余熱預熱團塊，在鐵水中還原、分離、回收鐵，或利用轉爐熱環境處理該團塊，開發了含鋅塵泥處理的新技術。將含鋅塵泥等冷固制成易渣鐵分離的自還原團塊，以塵泥中游離碳為還原劑，利用兌鐵后的鐵水罐余熱及接鐵時高溫鐵水滿足反應的熱力學和動力學條件，實現團塊中鐵、鋅氧化物的還原、鋅氣化分離。經出鐵場已有的除塵器收集含鋅煙塵。
2.3 冶金水資源節約及污染防控技術
2.3.1 工業新水的多水源優質低價配比技術
針對大伙房水、深度處理出水、凈化河水和地下水的水質特征進行優化配比，實現了地下水使用最小化、深度處理回用水使用最大化，同時水源的沿線損失大幅降低。通過用能評價，將工業新水水質與凈環水水質進行對比，將煉鐵和煉鋼部分凈環系統的補水采用凈環水替代原有的新水；通過工藝改進及節水項目的實施，大幅降低新水用量，實現降低水資源費和地下水加壓站設備節電的雙重效益。
2.3.2 鞍鋼凈環系統的減量降壓運行技術
鞍鋼常壓凈環系統運行方式見圖 4。
關閉南山儲水槽進水門，5#、6# 水站常壓凈環泵由運行三臺機組減至兩臺（一大一小），系統壓力降至 0.3 MPa 左右，系統降壓后，通過西大溝污水處理廠北線與常壓凈環管網聯絡線打通，實現北線直接送凈環管網，減少二次加壓環節。優化后，常壓凈環水循環量從 7 000 m3 /h 減到 4 000 m3/h，降低了約 43%，管網壓力從 0.6 MPa 降到 0.3 MPa, 降低了 50%，為西大溝預處理系統提供富余能力、南大溝污水全回收奠定基礎。
2.3.3 外排廢水強化處理技術
采用現場實地測量和取樣后實驗室檢測分析等多種手段袁 形成了鞍鋼本部廠區內的工業新水使用平衡圖和凈環水使用平衡圖遙 以降低工業新水消耗和凈環系統減量降壓為基礎袁 充分挖掘西大溝污水處理廠現有的污水設施處理能力袁 實現了生產廢水在西大溝全部處理袁 外排廢水南大溝二次強化處理袁外排廢水水質改善效果明顯袁COD小于 40 mg/L袁氨氮小于 5 mg/L遙
3 鞍鋼節能減排新技術、新工藝研究
3.1 節能新技術
3.1.1 高爐渣干式余熱回收與利用技術
目前，鞍鋼正在開展高爐渣顯熱回收技術的研究工作。高爐渣是高爐冶煉的副產物，其主要成分為氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅等，可代替天然巖石生產水泥或礦渣微粉等用于建材產品。高爐渣的出爐溫度大于 1 500 ℃，1 t 高爐渣所含有的熱量相當于 64 kg 標準煤，目前采用的是水淬工藝，除了少部分北方企業在冬天利用沖渣水的余熱進行采暖外，基本沒有其它有效的余熱回收方式。 因此，不僅高爐渣的顯熱及潛熱無法回收利用，造成重大的能源浪費袁而且 INBA 法水沖渣工藝還造成水資源的大量浪費，對大氣、水和土壤也造成了嚴重的污染。經調研袁國內外開發高爐渣干式余熱回收技術雖然已有近 40 年的歷史，但一直未有工業化應用的報道[5]。
3.1.2 高效換熱技術
軋鋼加熱爐作為軋鋼工序的主要能耗設備，其能耗占軋鋼生產工序的 40%以上，直接影響著軋鋼企業生產率和產品競爭力。而加熱爐爐內燃料燃燒所產生的熱量，有很大一部分被排出爐膛外的煙氣帶走，一般軋鋼連續式加熱爐的爐膛溫度在 1 250 ℃左右，平均排煙溫度在 800~900 ℃。它所帶走的熱量約占爐子熱負荷的 20%~45%，極大地降低了加熱爐的熱利用率。軋鋼加熱爐的發展經歷了無換熱器、金屬間壁式換熱器（傳統加熱爐）、蓄熱式換熱器（蓄熱式加熱爐）三個階段。其中帶有金屬間壁式換熱器的傳統加熱爐燃料消耗量較無換熱器的加熱爐降低 30%，而蓄熱式加熱爐的燃料消耗量較傳統加熱爐降低 20%。 但蓄熱式技術存在的諸如爐壓控制困難，爐頭、爐尾冒火嚴重，爐子維護成本高，檢修周期短，節能不節錢等的實際問題使其在大型鋼鐵企業的使用受到限制。鞍鋼已經與國內某高校聯合開發低成本高效率的換熱器，將煙氣余熱直接帶回爐內，提高爐膛效率，這是最可行的余熱利用方式。
3.1.3 富氧燃燒技術在鋼鐵工業爐上的研究與應用
隨著全球變暖的加劇以及氣候的變化，作為溫室氣體主要因素的 CO2 排放問題逐漸引起了全球的關注。 因此，富氧燃燒技術作為最具潛力的有效減排 CO2 的新型燃燒技術之一，成為全球研究者關注的熱點。根據富氧燃燒的目的不同，大體可以分為以下 3 類院捕獲 CO2、降低有害氣體排放和提高鍋爐效率。
富氧燃燒技術是消納多余氧氣的最佳途徑，隨著企業對提高產能需求的不斷增加，而節能降耗、減少排放是企業可持續發展的必然選擇，因此實現富氧燃燒技術在加熱爐、鋼包烘烤和燒結機等鋼鐵工業爐的研發與應用是冶金企業的發展方向。富氧燃燒技術對于節能減排意義重大，具有行業引領的積極作用，市場前景、環保效應巨大。鞍鋼正在與國內某高校合作進行富氧燃燒技術在鋼鐵工業爐上的研究與應用。
3.1.4 中低溫余熱資源高效利用技術的研究與應用
鋼鐵企業余熱資源豐富，是可利用的重要資源之一。隨著我國節能環保相關技術快速發展和相關政策的出臺，余熱資源的回收利用越來越受到重視。國內主要鋼鐵企業在中高溫余熱資源回收利用上已經完成了多項節能項目，實現了節能減排，也為企業帶來了效益。近幾年，鋼鐵企業的余熱回收工作逐步向中低溫余熱回收利用方向發展。鞍鋼針對中低溫余熱資源利用開展了高效換熱技術研究；針對發電機組的凝結水余熱采用了低真空換熱技術研究；針對循環水余熱開展了熱泵技術研究。
3.2 固廢資源化新技術
3.2.1 含鐵塵泥高效再資源化新工藝
針對大部分返回燒結利用的含鐵廢棄物開展研究工作，解決含鐵塵泥在燒結中回用，流程長、成本高等問題，逐步實現含鐵塵泥高附加值、短流程、低成本的綜合利用，為高爐順行打下基礎。
3.2.2 難處理固體廢棄物、危險廢物鑒別與處理技術
從源頭治理入手，解決難處理廢棄物和危險廢棄物的產生問題，少產生即可少處理、降低處置成本，通過技術創新將難處理廢棄物和危險廢物無害化處理，同時消除存量，最終實現固體廢棄物“零出廠”。
3.3 水污染控制及資源化新技術
3.3.1 海綿城市建設
以鞍鋼西區為載體，在海綿城市理念[6]下構建多目標、多尺度的鞍鋼廠區雨洪生態管理、雨水資源利用的方法與體系，在鞍鋼西區生態雨水基礎設施總體規劃、鞍鋼水資源利用體系分析與優化、雨水集蓄利用工藝技術和雨水集蓄利用可行性等方面開展研究，實現雨水的回收堯集蓄、利用，降低鞍鋼用水成本。以上項目 2022 年底完成，噸鋼耗新水達到 2.4 m3 /t 以下。
3.3.2 鞍鋼本部新水管網漏損控制研究與實踐
通過積極同國內在大孔徑管網查漏技術[7]和管道在線封堵、在線換管方面具有優勢的先進企業開展交流， 考察查漏及在線堵漏企業的研究成果、技術實力及相關資質，通過實地走訪，綜合考察查漏及在線堵漏先進企業在實際工程應用方面的業績，從技術和經濟兩方面因素綜合考慮，研究適合鞍鋼實際工況的管網查漏和在線封堵技術，并實施改造，最終實現減少新水管網跑冒滴漏現象和地下水取水量，降低管網漏損率。
4 結語與展望
近十年來，通過冶金節能、固廢資源化、水資源節約及污染防控等一些節能減排技術的研發成功與實施應用，鞍鋼的節能環保指標不斷改善。但是隨著國家環保要求的不斷提高， 鞍鋼將繼續開展高爐渣干式余熱回收與利用、高效換熱、富氧燃燒、中低溫余熱資源高效利用、含鐵塵泥高效再資源化新工藝、難處理固體廢棄物、危險廢物鑒別與處理技術、海綿城市建設、鞍鋼本部新水管網漏損控制等節能減排技術的研究與應用工作。隨著國家對能耗、環保的嚴管，開發或采用更先進的節能、減排技術迫在眉睫。未來三年，鞍鋼將不斷加大環保投入，開發出“三廢”治理最前沿的解決方案、最高精尖的技術，著力在優化能源智能集控管理、開發先進節能減排關鍵技術，實現降低綜合能耗，達到行業前列；廠區煙（粉）塵、廢棄物、污水排放滿足最新環保標準；實現噸鋼耗新水達到同條件下的最好水平。
參考文獻
[1] 賈啟超，劉常鵬，孫金鐸，等. 老鋼鐵企業降低鐵水溫降的技術研究[J]. 鞍鋼技術, 2015(3):31-35.
[2] 劉強,劉常鵬,徐春柏,等. 鞍鋼蓄熱原換熱聯用式軋鋼加熱爐的應用分析與實踐[J]. 冶金能源,2016(3):35-37.
[3] 楊大正,于洋,徐鵬飛,等. 熱軋平流池氣浮降油泥含油率技術與工業應用[C]椅第十一屆中國鋼鐵年會論文集. 北京院中國金屬學會, 2016.
[4] 唐復平,于淑娟,錢峰,等. 冶金塵泥復合球團自還原脫鋅研究與實踐[J]. 鋼鐵,2016,51(12): 89-93.
[5] 王龍飛,王樹眾,羅明,等. 高爐渣余熱利用技術的現狀及發展趨勢[C]椅第十屆全國余熱回收再利用技術與產業發展研討會論文集. 秦皇島院中國能源環保產業協會,2014.
[6] 張浪,鄭思俊. 海綿城市理論及其在中國城市的應用意義和途徑[J]. 現代城市研究,2016(7):2-5.
[7] 陳建宇. 芻議我國供水管網檢漏技術現狀和解決策略[J]. 山西建筑,2017, 43(5):162-163.