几种钢铁节能减排技术

几种钢铁节能减排技术
 

1 直接还原

　　1.1 CO2减排
　　HYL DRI生产技术的最大特点是能大幅降低CO2排放。
　　HYL ZR直接还原工艺是最先进的HYL技术，采用了还原剂在竖炉内就地转变的零重整技术。
　　通过比较ZR直接还原工艺和长流程工艺可以发现，如果采用ZR直接还原工艺捕集被分离的CO2，可减少CO2排放55%。
　　新开发的ZR直接还原工艺已获得专利，称为“最低CO2排放方案”（见图1），利用ZR直接还原工艺可分离80%（输入总碳量燃烧转变）的CO2。通过与变压吸附（PSA）型物理吸收系统相结合，可从循环气体中（吸收CO2后）分离出碳质化合物，将其返回还原系统，同时使用分离出的H2作为燃料，来代替废气和/或天然气。
　　例如，最近欧洲采用此方案设计建造了一座年产160万t的直接还原厂，仅有19%的碳排放是非选择性排入大气，而在无PSA型物理吸收系统的传统工艺中这一比例将达到30%。
　　这种ZR直接还原工艺固有而独特的减排CO2特点，也是传统BF-BOF流程减排CO2（通过加入预还原DRI）的关键。在BF-BOF流程中，加入23%-38%的预还原DRI，可增加产量约20%-28%，减排CO2 23%左右。
　　1.2能源效率
　　ZR直接还原技术的能源效率为当前直接还原生产技术中的最高者。其总能源效率通过以下措施得到了最优化：
　　◆采用较高的操作压力（6-8barA），优化电能消耗；
　　◆采用较高的还原温度（>1050℃），提高还原工艺动力学条件；
　　◆采用竖炉内“就地”重整，消除外部重整造成的能源消耗；
　　◆钢厂内利用各种能源回收设备回收废热。
　　因此，DRI产品耗用了为工艺提供的绝大部分能源，仅极少量能源损失。使ZR直接还原工艺的总能源效率大约87%，而其他直接还原工艺则不足75%。对于天然气基的ZR直接还原厂，生产1t DRI现在仅需9.84GJ热能和70kWh的电能（包括选择性分离CO2和高金属化高碳DRI的生产）。
　　HYL直接还原铁生产技术也可使用焦炉煤气（COG）和合成煤气（来自煤气化）。使用这两种煤气时均不需对ZR直接还原工艺进行任何修改。例如，因为焦炉煤气有约25%的甲烷，天然气有超过95%的碳氢化合物，所以使用焦炉煤气会使ZR直接还原工艺更简单。对于焦炉煤气基的ZR直接还原厂，生产1t DRI仅需消耗10.05GJ热能和90kWh电能（包括焦炉煤气的压缩）；对于合成煤气基的ZR直接还原厂，生产1t DRI的热能和电能消耗分别为9.42GJ和70-90kWh。
　　更重要的是，ZR直接还原工艺甚至能为炼钢提供更大的节能量，因为该工艺自身具备生产高金属化率（>94%）高碳（Fe3C形式）DRI的能力。除此之外，还可通过操作性能可靠的HYL HYTEMP系统，采用气动运输法将热态DRI从直接还原厂连续运送进电弧炉，将直接还原铁携带的热量（约600℃）直接输送进电弧炉。
　　因此，热态DRI及其高碳量（>3.5%）给EAF熔化过程提供了化学热，使通电时间从加入冷态DRI的44min降低到31min，电能消耗从530kWh/tls降低到380kWh/tls。通过热装高碳DRI可使电炉炼钢厂每年的运行成本节约数百万欧元，如能源成本降低，电炉产量增加。
　　由于节能效益显著，最近5年来ZR直接还原技术取得巨大成功。自2005年以来，已建和在建的新ZR直接还原厂有8家，总产能为1115万t/a，另有2个项目拟将现有工艺改造成新ZR直接还原工艺，可新增产能80万t/a，从而使ZR直接还原工艺的总产能在短期内达到1200万t/a。
　　阿联酋钢铁公司（Emirates Steel Industry）新建的ZR直接还原厂，是目前全球最大的直接还原厂之一，其DRI年产量在160万t/a以上。
　　为了更加快速提升DRI产量，已在美国纽柯钢铁公司开发建造单炉年产250万t的ZR直接还原技术。
　　ZR直接还原技术与现代EAF相结合，可以替代传统BF-BOF流程，不仅大幅降低建设投资和节约运行成本，而且可有效改善环境。
　　2 电弧炉
　　关于电弧炉炼钢的节能技术研究有如下成果：
　　◆基于废气实时分析的工艺优化技术（EFSOP）；
　　◆动态过程控制包括新型传感器和工艺优化模型（iEAF）；
　　◆回收废气热产生蒸汽或发电（iRECOVERY）；
　　◆连续进料和预热系统（Consteel）。
　　一家采用全废钢顶装料（小时产量150t/h）年产钢100万t的电弧炉炼钢厂，采用上述技术每年可减排CO2约6.55万t。如果将上述技术集成于电弧炉炼钢流程则会成为新型Consteel 系统，每年可减排CO2 8.0万t（为传统电炉炼钢CO2排放量51.8万t的15.4%）。
　　下面简要介绍上述几种技术：
　　①新型Consteel工艺技术。此新系统（见图2）将预热烟道分为两段：第一段是高效燃烧室，第二段完成离开炉子的废气燃烧。两种气流在中间段混合之后在高温状态下被抽出。
　　②EFSOP。这是一种废气实时分析技术。最近10年由于后燃烧控制技术的应用，已开始新的研究来优化电弧炉的能源输入。到目前为止，全球已有超过55台设备在各种操作条件下运行。结果证明，该系统分析效率高、运行非常可靠，见图3。
　　③iEAF。它是一种基于EFSOP、新型传感器和数学在线模型，用于实时管理电弧炉熔炼的革新动态过程控制系统。通过iEAF可以获得熔化期的全面优化，同时实现出钢温度和含碳量的最优化。
　　该系统的用途十分广泛，并已在其他能源密集燃烧工艺例如BOF工艺中应用。为了便于应用，已开发出一种新型控制包，名为iBOF，见图4。
　　④iRecovery（r）。即使将上述技术集于一身的高效EAF，仍然有大量热能（约30%）损失于废气中。利用该技术回收的热量总计可达30%。
　　该技术是对以前用于回收加热炉废热的蒸发冷却系统（ECS）的改进与开发。德国某钢厂140t/h电弧炉炼钢的实践证明，该技术用于回收废气热效果显著、潜力很大。自2009年起，这家德国钢厂已将电弧炉废气热回收转变成蒸汽，并用于本厂真空脱气、制氧和冬天取暖。避免了以前使用锅炉的燃气消耗，每年节约100万欧元以上。
　　iRecovery技术的进一步改进提升方向是如何利用间隙式冶炼炉如EAF的废热转变成连续稳定供应的蒸汽。
　　3加热炉（RHF）——大幅减少NOx排放
　　近来，人们将研究方向转向能够大幅降低NOx排放的工艺技术上，并已取得丰硕成果，即在含氧量为3%的情况下，能使NOx排放量减少到60ppm以下。
　　例如，亚拉巴马州（Calvert Alabama）的TKS新厂的3座步进式加热炉（加热能力为420t/h）采用了这种NOx减排技术，并对NOx排放进行了测试。
　　NOx排放测试按照美国环境保护署（EPA）规定的方法进行。结果显示，在含氧量为3%时，NOx排放量为56ppm，远远低于亚拉巴马州环境管理部（ADEM）的限排标准71ppm。
　　与此同时，为降低能源消耗，人们正在研究设计一种新型蓄热无焰燃烧器，要求这种燃烧器能够因热效率高而具备节能，甚至是减少NOx排放的优点。欧洲一座配备全蓄热无焰燃烧器的现代大型板坯加热炉的全年总成本将在4760万欧元左右。
　　4 全蓄热无焰加热炉
　　在同样的操作条件下，采用全蓄热无焰燃烧器的加热炉比传统加热炉可减少能源消耗10%-20%，具体节能效果与炉子结构和操作条件有关。
　　新型低热值（如BFG）蓄热燃烧器的研发应运而生。表1比较了加热能力为420t/h的传统加热炉（天然气基）与蓄热式加热炉（天然气和高炉煤气基）的热值、CO2排放量及其成本。
表1　420t/h的传统RHF与蓄热RHF的比较

	天然气基传统RHF	（天然气和高炉煤气基）蓄热RHF（70%-30%）	减少量
热值，MJ/Nm3	35.6	12.8	-22.8
CO2排放总量，t/a	392000	329000	-63000
天然气成本，百万欧元/a	48	38.5	-9.5

　　5 结论
　　近年来，钢铁工业在节能减排方面已取得重大成绩。广泛利用上述节能减排技术，炼铁、炼钢和轧钢可减少CO2排放：
　　①高炉加入HYL 直接还原铁（COG基），全球每年可减少CO2排放340Mt；
　　②电弧炉炼钢车间每年可减排CO2 30Mt；
　　③轧机板坯/大板坯/方坯加热炉利用上述新技术每年可减排CO2 25Mt。
　　综上所述，每年可减排CO2约400Mt，相当于目前全球CO2总排放量（2700Mt/a）的15%。