劉晨
【摘 要】：本文探討鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)標(biāo)桿能耗的實(shí)用技術(shù)，重點(diǎn)探討現(xiàn)有長(zhǎng)流程鋼鐵企業(yè)如何在利用現(xiàn)有設(shè)備降低成本、增加盈利的節(jié)能技術(shù)途徑。
【關(guān)鍵詞】：鋼鐵 節(jié)能 標(biāo)桿能耗
概述
我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量多年高居世界第一 ,占世界鋼產(chǎn)量的50%以上，為了實(shí)現(xiàn)碳中和，要求對(duì)冶金、建材行業(yè)重點(diǎn)約束（2021-2025），到2025年通過(guò)實(shí)施節(jié)能降碳行動(dòng)，鋼鐵、電解鋁、水泥、平板玻璃等行業(yè)能效到達(dá)標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過(guò)30%。面對(duì)碳中和、淘汰落后及生產(chǎn)成本壓力，鋼鐵企業(yè)需要盡快采用高效實(shí)用的節(jié)能減排技術(shù)改，需要順序開(kāi)發(fā)應(yīng)用以下幾方面的實(shí)用技術(shù)：
1） 高效率：通過(guò)收熱收水翻倍能效、資源利用效率
2） 減排總量：提高資源循環(huán)率減排總量
3） 純氧燃燒：實(shí)現(xiàn)低成本捕碳和煙氣資源化利用零排放
4） 煉焦制氣：利用煉焦制氣實(shí)現(xiàn)煤炭等資源的高效無(wú)廢利用
5） 三產(chǎn)融合：傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)節(jié)能減碳與新能源、農(nóng)林牧漁業(yè)、旅游服務(wù)業(yè)融合發(fā)展
1 煙廢氣收熱收水
參考圖1，粗略估算，我國(guó)每年水蒸汽排放量160億噸，煤電排放超過(guò)50%，其它依次為鋼鐵、建材、煤化工等雙高行業(yè)；鋼鐵聯(lián)合企業(yè)平均噸鋼排放2噸水蒸汽和余熱。
圖1 煙廢氣為什么必須收熱收水
余熱回收存在兩大難題，一是成本高，二是用途少，推薦采用冷凝/制冷制冰技術(shù)收熱收水，用于農(nóng)林牧漁業(yè)，該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：
1) 煙廢氣水蒸汽和余熱極限回收，低成本實(shí)現(xiàn)超低排放、省水
2) 補(bǔ)丁或旁路布置，施工和故障不影響生產(chǎn)
3) 在引風(fēng)機(jī)前收熱收水具有顯著的節(jié)電效果，特別是與新鈣法脫硫改造結(jié)合，減少脫硫電耗80%，不產(chǎn)生脫硫廢水和廢石膏，利用煙氣處理污水。
4) 采用制冷制冰+蒸汽壓縮，實(shí)現(xiàn)0—130°C 大溫差循環(huán)，停用、淘汰各種循環(huán)水冷卻塔、空冷器，夏季利用采暖管網(wǎng)和終端供冷，冰塊可以汽運(yùn)用于蓄冷空調(diào)省網(wǎng)電。
5）我國(guó)煙廢氣低溫余熱總量巨大，用于城鎮(zhèn)采暖效益好，但非采暖季還沒(méi)有出路，就是采暖季，余熱資源量遠(yuǎn)大于采暖需求量。做為可能的解決途徑，應(yīng)關(guān)注研究用于農(nóng)林牧漁業(yè)，并與跨季儲(chǔ)能、新能源、旅游服務(wù)業(yè)三產(chǎn)融合發(fā)展，參見(jiàn)圖2。
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溫室大棚+新能源 |
溫室大棚牧草養(yǎng)殖 |
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多個(gè)人工溫泉 |
超大游泳池 |
圖2 工業(yè)余熱與農(nóng)林牧漁、旅游服務(wù)、新能源融合發(fā)展
以下進(jìn)一步介紹幾個(gè)鋼鐵企業(yè)不同工序，煙廢氣收熱收水的改造方案。
燒結(jié)大煙道煙氣收熱收水改造
燒結(jié)煙氣脫硫石灰石膏法和活性焦問(wèn)題多、成本高，采用如圖3所示的純?nèi)芤盒骡}法脫硫收熱收水一體化改造收熱收水，徹底解決排放不穩(wěn)定、脫硫廢水、脫硫石膏難題，脫硫節(jié)電80%、風(fēng)機(jī)節(jié)電~30%，效益顯著，改造量少風(fēng)險(xiǎn)小。
圖3 燒結(jié)煙氣收熱收水改造
豎爐/回轉(zhuǎn)窯煙氣、焦化煙道氣、煤氣發(fā)電、熱風(fēng)爐煙氣等脫硫可以參考采用，收熱收水、實(shí)現(xiàn)超低排放，同步降低脫硫成本。
高爐渣收熱收水改造方案
高爐水沖渣生產(chǎn)線長(zhǎng)、分散，蒸汽收盡難，選擇圖4所示全密閉干法?；桨?/b>改造，底部出干渣，或回水渣池，高溫蒸汽余熱回收，也可以簡(jiǎn)單地冷凝凈化回收，收熱收水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，同步處理焦化廢水、濃鹽水等難處理廢水增加效益。轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣等其它高溫熔渣都可以參考選用。
圖4 高溫熔渣干法粒化收熱收水方案
轉(zhuǎn)爐煤氣收熱收水改造方案
轉(zhuǎn)爐汽化出口700-1000°C的余熱，用圖5所示的旁路噴淋冷凝方案更容易實(shí)施，將煤氣溫度降低到20°C極限收熱收水，利用熱泵提供高溫?zé)崴?，用于鍋爐補(bǔ)水、煤氣加熱，轉(zhuǎn)爐工序就可以達(dá)到標(biāo)桿能耗，干法節(jié)電50%、濕法和半干法節(jié)電70%以上，排煙四季無(wú)白。冷凝阻斷了污染物的轉(zhuǎn)移排放，蒸汽冷卻器可以噴焦化廢水、濃鹽水等難處理廢水，取得經(jīng)濟(jì)效益。
圖5 轉(zhuǎn)爐煤氣收熱收水改造方案
2 煙廢氣循環(huán)利用、總量減量技術(shù)
幾十年來(lái)我國(guó)大氣污染治理一直都主要控制濃度，沒(méi)充分重視總量減排。停限搬淘汰等實(shí)際上就是控制總量，有效但代價(jià)太大。實(shí)踐證明，只控制常規(guī)污染物排放濃度不能解決大氣污染；CO等非常規(guī)污染物對(duì)鋼鐵城市空氣質(zhì)量的影響比重較大，碳減排還沒(méi)有成熟可靠的解決方法。
研究表明，鋼鐵企業(yè)的煙廢氣，正常氧含量煙廢氣占比80%以上，表1所示的工序都可以簡(jiǎn)單無(wú)限次循環(huán)利用不排放。循環(huán)利用是指將煙廢氣不處理或簡(jiǎn)化處理后循環(huán)用于源頭冷卻、密封、燃燒等，替代潔凈空氣，再超低近零的煙廢氣，也比環(huán)境空氣質(zhì)量差，控制排放總量是最高效低成本的解決方法。
我國(guó)長(zhǎng)流程鋼企噸鋼排放煙廢氣量43.5t/t，與以前的噸鋼耗水量接近，通過(guò)循環(huán)利用噸鋼新水消耗降低到3t/t以下。鋼鐵企業(yè)煙廢氣治理可以且應(yīng)該借鑒成功的節(jié)水經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)利用減排總量，全行業(yè)減排煙廢氣總量每年超過(guò)300億噸，鋼鐵企業(yè)不再需要因環(huán)保停限搬淘汰，超低排放、創(chuàng)A、新污染物控制成本降低，甚至有效益，表1是適合循環(huán)減排總量的部分工序。
表1 鋼鐵企業(yè)煙廢氣循環(huán)利用減排總量的部分工序
3 純氧燃燒
長(zhǎng)久以來(lái)，人類各種燃燒過(guò)程一直采用空氣，空氣是發(fā)電、鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中消耗量最大的自然資源。感覺(jué)空氣是免費(fèi)的，所以用量巨大，比如燃煤，噸煤耗空氣量~13噸，僅發(fā)電熱力行業(yè)燃煤就年排近240億噸煙氣（其中氮?dú)?00億噸）。鋼鐵高爐熱風(fēng)爐、煤氣發(fā)電、燒結(jié)等各種燃燒和工業(yè)過(guò)程也都是大量使用空氣，噸鋼消耗40噸空氣、行業(yè)年排400億噸煙氣（320億噸氮?dú)猓?/p>
空氣耗量、產(chǎn)生煙廢氣都巨大是煙廢氣冷卻、收水、除塵、脫硫、脫硝成本居高不下的最主要原因。計(jì)算了煙氣治理的費(fèi)用，使用空氣費(fèi)用就是驚人的數(shù)字。按照國(guó)家要求，企業(yè)得進(jìn)一步進(jìn)行新污染物控制、減少碳排放，減污、碳中和成本企業(yè)將難以承受，選擇純氧是我國(guó)碳中和最重要的技術(shù)途徑，很早就有專家提出要低碳須先低氮。
現(xiàn)在提出采用純氧的重要支撐條件是，我國(guó)空分制氧技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)成熟、大型化、低能耗，玻璃窯、廢鋼/鋼包烘烤已經(jīng)有用戶采用純氧燃燒，寶武也在試驗(yàn)純氧富氫煉鐵高爐。純氧方案有以下特點(diǎn)：
1) 煙廢氣全部或大部分自循環(huán)，需要凈化處理的煙氣量最高可減少80%
2) 煙廢氣冷卻、除濕、脫酸、除塵、脫硫、脫硝、控制新污染物等運(yùn)行成本大幅降低，最終不再需要
3) CO2會(huì)在爐內(nèi)被還原為CO，CO抑制NO生成，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒并節(jié)煤
4) 排煙量少、CO2濃度高，捕碳成本大幅降低
4 煤炭煉焦制氣技術(shù)
我國(guó)能源結(jié)構(gòu)一直主要是靠煤炭，煤炭清潔高效利用一直是公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)碳中和的首選技術(shù)途徑，但如何實(shí)現(xiàn)一直沒(méi)有成熟可行的技術(shù)。研究表明，焦?fàn)t是煤炭最清潔高效的利用技術(shù)途徑，而且我國(guó)焦?fàn)t技術(shù)也十分成熟，首先焦?fàn)t煤氣制氫成本最低、付產(chǎn)LNG效益好，用焦炭還原二氧化碳制CO氣，就徹底解決了回收CO2的利用難題，CO煤氣循環(huán)燃燒減煤節(jié)焦，或外供做化工原料、變換制氫，煤炭中的硫資源回收制硫磺、硫酸，不再需要煙氣脫硫，高純CO煤氣+純氧燃燒也不再需要煙氣除塵和脫硝，捕碳成本大幅減少。
碳循環(huán)是我國(guó)碳中和最可行的技術(shù)途徑,可以與采用新能源、農(nóng)林牧漁業(yè)融合發(fā)展。
5 結(jié)論與建議
1) 鋼鐵企業(yè)通過(guò)節(jié)能改造，噸鋼成本可降低100元以上，
2) 開(kāi)發(fā)利用純氧燃燒技術(shù)，禁止空氣浪費(fèi)，降低捕碳成本
3) 采用煉焦逐步淘汰固體燃料直接燃燒，解決二氧化碳利用
4) 重點(diǎn)關(guān)注綜合節(jié)能服務(wù)租賃模式，解決用戶和供方雙方的后顧之憂