吳禮云 王偉業(yè) 高強(qiáng)

鋼鐵行業(yè)是碳排放的重要行業(yè)，也是納入全國碳排放交易市場(chǎng)首批8 個(gè)重點(diǎn)排放行業(yè)之一，鋼鐵行業(yè)將逐步成為碳市場(chǎng)的主力軍。在節(jié)能、環(huán)保之后，鋼鐵行業(yè)將迎來低碳發(fā)展的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合首鋼京唐公司低碳發(fā)展探索與實(shí)踐，介紹了以循環(huán)經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)的低碳發(fā)展在沿海鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用。

1   循環(huán)低碳發(fā)展實(shí)踐

首鋼京唐鋼鐵廠按照循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，圍繞新一代鋼鐵流程構(gòu)建的多目標(biāo)整體優(yōu)化以“減量化、資源化、再循環(huán)”為原則，集成應(yīng)用具備低消耗、低排放、高效率特征的“三干”技術(shù)、海水淡化、水電聯(lián)產(chǎn)、煙氣脫硫脫硝等一系列先進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)，從企業(yè)小循環(huán)、區(qū)域中循環(huán)和社會(huì)大循環(huán)三個(gè)層面來展開，對(duì)余熱、余壓、余氣、廢水、固體廢棄物充分循環(huán)利用，形成了鋼鐵-電力、鋼鐵-化工，鋼鐵-海水利用、鋼鐵-建材，鋼鐵-污水五條綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈，拓展了鋼鐵生產(chǎn)、能源轉(zhuǎn)換、社會(huì)大宗廢棄物處理及為相關(guān)行業(yè)提供原料三大功能，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、資源綜合利用、產(chǎn)業(yè)鏈延伸、園區(qū)建設(shè)四位一體的可持續(xù)發(fā)展模式，不但資源節(jié)約、環(huán)境友好，而且產(chǎn)生良好社會(huì)效益。

1.1  煤氣循環(huán)利用

充分回收煉焦、煉鋼、煉鐵過程中的焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣實(shí)現(xiàn)超低濃度回收利用。高爐煤氣首先進(jìn)行余壓發(fā)電；三種煤氣首先滿足回輸自用，經(jīng)過處理加壓后，提供給燒結(jié)、球團(tuán)、熱軋、冷軋流程使用；部分焦?fàn)t煤氣經(jīng)過凈化處理后，用于制取氫氣，供冷軋使用；部分轉(zhuǎn)爐煤氣通過微生物發(fā)酵工藝，生產(chǎn)汽車及航空燃料乙醇；最后剩余的煤氣供兩臺(tái)300MW 煤氣-煤混燒發(fā)電機(jī)組發(fā)電用，日常生產(chǎn)做到了煤氣全利用及“零排放”。

1.2  蒸汽循環(huán)利用

首鋼京唐公司建設(shè)了CDQ 余熱鍋爐、轉(zhuǎn)爐汽化冷卻、加熱爐汽化冷卻、燒結(jié)余熱鍋爐回收工藝余熱，生產(chǎn)中、低壓蒸汽外送蒸汽管網(wǎng)。并根據(jù)能級(jí)不同，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)反復(fù)多次開發(fā)利用，中高壓蒸汽首先用于發(fā)電，發(fā)電后的低壓蒸汽會(huì)再次送入管網(wǎng)供生產(chǎn)或生活采暖使用，其中25MW 發(fā)電后的低低壓蒸汽（負(fù)壓蒸汽）全用于海水淡化生產(chǎn)淡水。另外，采暖和海水淡化后的冷凝蒸汽回用于鍋爐。其中用于海水淡化的蒸汽能量利用率達(dá)到82.23%，實(shí)現(xiàn)蒸汽到電力、采暖、淡水、回用水的循環(huán)利用。

1.3 “三水”循環(huán)利用

通過減量化、循環(huán)利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)除鹽水、污水、工業(yè)水的最大化利用。

1）采用干熄焦、干法除塵等不用水或少用水的工藝及大型設(shè)備，做到源頭用水減量化。2）建立工序內(nèi)部、廠內(nèi)、廠際多級(jí)用水循環(huán)體系，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，減少工業(yè)廢水排放量。

3）熱軋、煉鋼等一般廢水區(qū)域處理后，進(jìn)入綜合污水處理后回用。

4）焦化廢水單獨(dú)處理，單獨(dú)回用，不混入大系統(tǒng)，減少系統(tǒng)污染風(fēng)險(xiǎn)。

5）利用海水與綜合污水出水勾兌再生水，循環(huán)利用。

1.4   海水循環(huán)利用

首鋼京唐公司利用臨海優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了海水淡化、海水脫硫、海水直流冷卻、海水化學(xué)綜合利用等項(xiàng)目，以海水淡化為核心，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部能源的高效重復(fù)利用，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部資源的階梯利用和循環(huán)使用。通過采用海水淡化及海水直流冷卻技術(shù)，設(shè)計(jì)年節(jié)約地表水1993 萬噸，二期海水淡化投產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)地表水“零”外購。

2  低碳發(fā)展新技術(shù)探索

首鋼京唐公司在循環(huán)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上，利用設(shè)備裝備水平大型化、集約化、節(jié)源化的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步探索發(fā)展低碳新技術(shù)，從源頭減排、高效轉(zhuǎn)化、末端利用多方位探索低碳發(fā)展技術(shù)。

2.1  清潔運(yùn)輸

首鋼京唐公司生產(chǎn)物料和產(chǎn)品通過鐵路或海運(yùn)、皮帶等清潔方式運(yùn)輸比例達(dá)90%以上，廠內(nèi)原料通過密閉皮帶通廊轉(zhuǎn)運(yùn)，所有轉(zhuǎn)運(yùn)站、受料點(diǎn)均采用先進(jìn)的雙層密封技術(shù)進(jìn)行密封，設(shè)置集塵罩和除塵系統(tǒng)，京唐公司的清潔運(yùn)輸比例已經(jīng)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)跑水平。

2.2  高爐大富氧

鋼鐵生產(chǎn)時(shí)，碳冶金不可能是CO2 低排放，其中高爐是鋼鐵生產(chǎn)中CO2 主要排放工序，CO2排放量占整個(gè)流程的70%以上，因此，高爐煉鐵是鋼鐵生產(chǎn)中降低碳排放的首要工序。

降低高爐碳排放的一條有效路徑是減氮。歐洲的“超低CO2 煉鋼”項(xiàng)目即進(jìn)行全氧（無氮）高爐的研究，對(duì)于現(xiàn)行大高爐提高高爐富氧率是有效的途徑。提高高爐富氧率、降低高爐焦炭消耗、增加高爐噴煤比，同時(shí)總?cè)剂舷慕档?。另外，高爐煤氣氮?dú)夂拷档汀嶂瞪?，可使利用高爐煤氣用戶的效率提升。同時(shí)，降低NOx 的發(fā)生，利于環(huán)保。首鋼京唐公司通過解決提高高爐富氧率的限制，高爐富氧率由3%提高至5.5%，通過提高高爐富氧率，碳排放由0.634t CO2/t 鐵降低至0.516tCO2/t 鐵，高爐煤氣中氮?dú)夂坑?5%降低至50%，熱值由3000kJ/m3 提高至3500kJ/m3。

2.3  高爐采用大比例球團(tuán)礦

首鋼京唐公司高爐先后進(jìn)行了“酸性球團(tuán)+石灰石”、“酸性球團(tuán)+鋼渣”和“酸性球團(tuán)+堿性球團(tuán)”的大球比工業(yè)試驗(yàn)摸索，最終取得了“酸性球團(tuán)+堿性球團(tuán)”模式下，大比例球團(tuán)長期穩(wěn)定冶煉的初步成功。三座高爐以50%以上球比常態(tài)化運(yùn)行，球團(tuán)礦比例從30%提高至55%，高爐渣比由300kg/t 降至225kg/t 左右，降低約75kg/t，綜合入爐品位由59.5%提高至61.6%左右，提高約2.1%。相比于燒結(jié)礦，大比例球團(tuán)礦對(duì)于高爐減少燃料消耗、降低能耗具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）球團(tuán)礦含鐵品位65%左右，比燒結(jié)礦高約8%，有利于提高煉鐵綜合入爐品位，改善高爐冶煉的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低燃料比，提高產(chǎn)量。

2）球團(tuán)礦粒度均勻，改善高爐上部料層透氣性和分布均勻性，提高煤氣利用率，降低能耗。

3）球團(tuán)礦含F(xiàn)eO 低，還原性好，對(duì)鐵礦石在高爐內(nèi)的間接還原十分有利，同時(shí)，降低高爐直接用碳還原消耗的焦炭量，從而降低能耗。

與燒結(jié)生產(chǎn)線相比，球團(tuán)生產(chǎn)線更節(jié)能：

1）球團(tuán)礦生產(chǎn)其升溫焙燒和冷卻過程在密閉裝置中進(jìn)行，漏風(fēng)少，廢氣經(jīng)多次循環(huán)，余熱被充分利用，能源效率高，而燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率高，能源利用效率低，不利于節(jié)能。

2）球團(tuán)礦生產(chǎn)流程比燒結(jié)礦短，工序電耗僅為22.5kWh/t，比燒結(jié)工序電耗低一半以上。配合高爐采用大比例球團(tuán)礦，首鋼京唐二期建設(shè)二套504m2 球團(tuán)生產(chǎn)線、未建設(shè)燒結(jié)生產(chǎn)線，相比于建設(shè)燒結(jié)生產(chǎn)線，建設(shè)球團(tuán)生產(chǎn)線預(yù)計(jì)每年減少CO2 排放量81.87 萬噸。

2.4  煤氣制乙醇

2011 年首鋼率先引進(jìn)了全球領(lǐng)先的生物發(fā)酵制乙醇實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。該項(xiàng)目高值化利用工業(yè)煤氣，將鋼鐵工業(yè)廢氣轉(zhuǎn)化為燃料乙醇、蛋白質(zhì)、CNG 等高附加值產(chǎn)品，減少了污染物排放。2018 年5月首套工業(yè)化項(xiàng)目調(diào)試成功，該項(xiàng)目年產(chǎn)燃料乙醇4.5 萬噸、蛋白飼料7600 噸、壓縮天然氣330萬立方米，年降低CO2 排放15.3 萬噸，減少NOx 排放481.5 噸。

2.5  CCPP 與海水淡化耦合

首鋼京唐二期建設(shè)CCPP 發(fā)電機(jī)組（180MW）與低溫多效蒸餾海水淡化（單體3.5 萬噸/天）耦合工程，具有大型化、高效化、低碳循環(huán)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，建成“燃-熱-電-水-鹽”五位一體的高效能源利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

1）低熱值煤氣機(jī)組：可以純高爐煤氣工況穩(wěn)定運(yùn)行。

2）雙軸運(yùn)行：煤壓機(jī)、空壓機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及燃機(jī)發(fā)電機(jī)同軸。汽機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)同軸。

3）自動(dòng)化程度高：CCPP 系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)，系統(tǒng)所有疏水全部自動(dòng)化。

4）低碳環(huán)保無污染：系統(tǒng)除靜電除塵器廢水排至煉鋼沖渣，濃鹽水送至堿廠。

5）LT-MED（低溫多效蒸餾海水淡化）：利用汽輪機(jī)乏汽作為汽源，利用海水淡化裝置替代凝汽器。

6）海水淡化成品水精處理：國內(nèi)首次經(jīng)過海水淡化的成品水直接進(jìn)入EDI 模塊進(jìn)行精處理。

2.6  熱膜耦合提升濃鹽水品質(zhì)

首鋼京唐公司按照熱電聯(lián)產(chǎn)、水電共生、熱膜耦合、低碳環(huán)保思路，在國內(nèi)率先開展了熱膜耦合海水淡化技術(shù)研究，重點(diǎn)突破熱法之后的濃鹽水再利用，構(gòu)建了“脫硬軟化——二次淡化”為核心的濃鹽水綜合利用技術(shù)流程，采用海水脫硬提鎂預(yù)處理技術(shù)，回收濃海水中高附加值化工產(chǎn)品，解決了MED 和RO（反滲透）的直接耦合，實(shí)現(xiàn)了MED 產(chǎn)生的濃鹽水與 RO 串級(jí)使用，解決了北方冬季水溫及污染物問題，將濃鹽水提升至商品級(jí)，為鹽化工打下良好基礎(chǔ)。目前，正在進(jìn)行5000 噸/天工程化實(shí)施階段。

2.7  CO2 回收利用

首鋼京唐公司同北京科技大學(xué)合作，共同承擔(dān)了國家科技部“十二五”科技支撐項(xiàng)目“CO2-O2混合噴吹煉鋼工藝技術(shù)及裝備示范”課題。該項(xiàng)目建設(shè)國內(nèi)第一條年產(chǎn)300 萬噸鋼的CO2-O2 混合噴吹煉鋼技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程（含年產(chǎn)5萬噸CO2的回收裝置）。該項(xiàng)目建設(shè)投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)噸鋼可減少CO2 排放21.3kg。將CO2用于煉鋼流程，作為煉鋼的氧化劑、攪拌氣及保護(hù)氣等，其煉鋼工藝如圖1 所示。在實(shí)現(xiàn)CO2減排的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本及提高鋼水質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)工業(yè)試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在氧氣射流中摻入少量CO2進(jìn)行混合噴吹，噸鋼煙塵鐵損減少1-2kg；采用CO2代替氬氣（氮?dú)猓┳鳛闊掍撨^程底吹攪拌氣源，利用CO2的增體積反應(yīng)，可強(qiáng)化熔池?cái)嚢?，爐渣鐵損降低1%以上，脫磷效率提高5%以上，也可節(jié)約氬氣消耗。

3  結(jié)語

由于鋼鐵流程碳冶金特性，低碳發(fā)展對(duì)于鋼鐵企業(yè)是一種挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇，低碳技術(shù)在降低溫室氣體排放的同時(shí)，也利于企業(yè)降低能源成本，在鋼鐵行業(yè)微利時(shí)代，低碳發(fā)展也是鋼鐵行業(yè)謀求生存的有效手段，源頭減排、循環(huán)綜合利用、低碳是鋼鐵企業(yè)未來的發(fā)展方式。