欧盟钢铁工业废气治理技术为蓝天“减负”

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欧盟钢铁工业废气治理技术为蓝天“减负”
欧盟是仅次于中国的世界第二大钢铁生产国,2012年粗钢总产量为1.69亿吨。主要的钢铁生产国是德国、意大利、法国、西班牙和英国。在过去的29年里,欧盟转炉钢的比例几乎相同,从56%到58%不等。电炉已经完全取代了落后的平炉。在德国,高炉-转炉工艺占钢产量的65.3%,电炉钢使用废钢占34.7%,连铸比约为97%。
欧盟钢铁工业加强污染排放控制不仅受益于政府的法律法规,还将其与解决环保技术问题相结合。2002年,德国采用了空气质量控制技术规范。设定高排放标准。该标准是其他欧盟国家部分排放水平的升级,对促进二氧化碳减排起到了一定的作用。目前,欧盟在各方面开展了二氧化碳减排,并取得了显著成效。

烧结厂重视除尘技术的应用
电极的静电沉淀。对烧结厂排放废气的严格限制使欧盟钢铁企业能够采用各种技术来解决废气排放问题。活性炭吸附技术、移动式电除尘、废气干法净化和烟气循环技术已在生产中得到应用。烧结的废气中的粉尘具有一定的电阻,不能用传统的静电除尘方法沉积,脉冲极板也不能完全清洗高粘度的粉尘。附着在极板上的粉尘层具有绝缘作用,原位反向喷涂会导致二次放电,使掉落的粉尘被气流带走。然而,使用活动极板,粉尘可以用旋转钢丝刷清洗,这样可以避免反吹的不利影响,更好地去除烧结废气中的灰尘。该移动电极静电除尘器(MEEP)技术设备安装在阿塞洛-米塔尔艾斯迈特克拉斯特工厂的烧结机上,取代了原有的传统静电除尘器设备。
吸收剂与袋式设备相结合,可减少20%的排放。为了消除烧结烟气中的二恶英排放,一些欧盟钢铁企业将褐煤半焦粉、环形炉焦粉或活性煤作为吸附剂注入废气管道。环形炉焦粉或活性煤是一种有效的二恶英吸附剂,可与电磁过滤袋和布袋结合使用。二恶英减排效率与二恶英浓度、存在时间以及主烟道和滤袋中粉尘的分布有关。烧结粗烟气中二恶英的浓度水平一般为1.9ng/Nm3,注入褐煤半焦后可降至0.4ng/Nm3以下,甚至高达300mg/Nm3。单独使用这种方法或静电沉积方法不能达到小于0.1ng/Nm3的水平。因此,有必要在后续工序中安装袋式过滤器。
欧洲烧结厂使用的袋式除尘设备有不同的形式。如迪林根罗格萨烧结厂采用EFA工艺(阻力流吸收工艺)和袋式设备进行末端净化处理,主要部件包括来自电除尘器的废气管道、调节阀、吸收塔、袋式过滤器、风机、进料装置的熟石灰筒、进料装置的环形炉焦炭仓等。罗格萨公司的2号烧结机采用全民教育法处理后,废气含量达到50万Nm3/h。入口废气温度为140℃~160℃,SO2浓度为600mg/Nm3~800mg/Nm3,粉尘浓度为60mg/Nm3~90mg/Nm3,二恶英浓度为2.5ng/Nm3。在最初的废气阀之后,废气被分成两条路径进入两个反应器,其中熟石灰、环形炉焦炭和再循环材料被添加到流化床中。再生材料是袋式过滤材料的再生固体材料。流化床后面连接两条布袋除尘管道。废气用5600个布袋过滤,每个布袋长7米,采用EFA工艺,可达到所有大气排放指标,二恶英排放浓度小于0.4ng/Nm3。消石灰消耗为550克/吨烧结矿,环形焦炉消耗为180克/吨烧结矿,整个过程的电耗为4.5千瓦小时/吨烧结矿。滤袋技术设备已安装在萨尔茨吉特钢铁公司第二烧结机和蒂森克虏伯欧洲分公司烧结厂。
加热并分解以去除有害物质。LEEP(低排放和能量优化烧结工艺)是基于二恶英和呋喃沿烧结机长度具有相同的温度分布但浓度分布不均匀的事实而提出的。当温度高于1000℃时,二恶英和呋喃的混合物会分解。因此,含有高浓度二恶英和呋喃的烟气循环到烧结机的料层,烟气被添加到烧结机前的燃烧层,将二恶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一氧化碳和废气热能。烧结烟气分为冷空气(65℃)和热空气(200℃),然后在冷空气管道中冷却至露点以下。
为了维持静电除尘、烟囱等后续设备的正常运行,应仔细控制换热器,使排放到烟囱的烟气温度达到110℃,循环烟气温度达到150℃。为了降低烟囱烟气中二恶英和呋喃的浓度,应在电除尘前喷洒环形炉的焦粉,将浓度降至0.4ng/Nm3以下。
采用LEEP工艺不仅可以减少烧结厂废气和有害成分及粉尘的排放量45%,净化环境,而且还可以降低烧结燃料消耗5 kg/t。
高炉炼铁关注污染源、净化和减排
高炉区有害气体排放的主要来源是高炉炉顶煤气、出铁场和热风炉。
顶部气体的净化。高炉炉顶煤气经过净化后,通常用作钢厂不同加热设备的燃料,应尽可能延长煤气除尘系统的使用寿命。顶部气体净化系统包括粉尘收集、旋风除尘和气体净化设备。压力损失将发生在粉尘捕集、旋风除尘和文丘里清洁器上。对于炉顶压力高的高炉,除尘设备的允许压差也有所增加。顶部气体除尘系统通常采用粉尘捕集器、旋风除尘器、文丘里洗涤器或环形间隙洗涤器。气体洗涤后的压力约为0.2兆帕,高于钢厂气体系统的压力。这部分残余压力可用于涡轮发电。净化后的顶气含尘量小于10mg/Nm3。湿式除尘产生的废水在沉淀池沉淀后循环使用。
出钢场多联除尘系统。德国克虏伯曼内斯曼(HKM)公司的高炉的现代出铁场设计包括一个多重连接的除尘系统。粉尘主要排放点在出铁口、主沟、渣罐、铁沟、渣沟和铁水、渣分流点。这些除尘设施具有保护员工健康和周围环境的功能。出铁场的所有烟尘都是通过增加沟盖抽走的。每小时处理的废气量达到100万立方米,粉尘通过电动除尘或布袋收集。在标准操作条件下,当前粉尘排放的最大允许值为20mg/Nm3。
高炉矿渣直接造粒。安赛乐米塔尔不来梅钢铁厂采用在主沟、铁沟和摆动喷嘴上加罩和通氮的方法,防止铁水与大气中的氧气接触,抑制铁水氧化和烟尘的产生。欧洲许多高炉直接制粒高炉矿渣,其中德国高炉矿渣的制粒率达到86%。典型的高炉渣粒化方法是冲洗炉渣。液态炉渣和水快速热交换后,炉渣变成细粉,同时产生蒸汽。高炉矿渣取代建筑石灰作为水泥厂的骨料。在水泥生产中,使用1吨高炉渣可以减少1吨CO2排放。
二氧化碳减排炼铁新工艺研发的新突破
理论上,高炉的最低碳需求量为每吨铁水414公斤碳或465公斤焦炭,其中333公斤碳或80%的碳用于冶炼过程中的化学反应。添加到高炉中的碳不可避免地会在后续工艺或燃气发电中产生CO2排放。就德国过去60年高炉还原剂平均消耗量而言,高炉操作人员在降低还原剂消耗量方面取得的成绩是有目共睹的。然而,近年来减少还原剂消耗的潜力很小而且很慢。换句话说,高炉操作人员在优化工艺成本方面的日常工作已经使还原剂的消耗最小化,并进一步大大降低了所谓的重大突破。这是不可预测的。高炉技术在德国和西欧边境国家已经发展成为最好的可用技术,但它是否能进一步减少还原剂的使用和二氧化碳的排放仍有待讨论。
欧盟煤炭和钢铁研究基金(RFCS)未来的研究和发展将侧重于钢铁生产技术、新钢种、新表面涂层技术、创新钢铁技术、提高环境效率和减少钢铁生产的二氧化碳排放。由于高炉是间接CO2排放的主体,降低CO2排放的关键是降低高炉过程中碳载体特别是焦炭的消耗。
无氮无氧高炉工艺的研究与开发。RFCS大型跨国研究项目的目标是研究和开发无氮无氧高炉工艺在工业生产中的应用。在此过程中,向风口注入冷氧气而不是热空气,大部分顶气通过CO2分离器除去,一部分富含一氧化碳的气体被加热到1200℃并循环注入风口,其余部分被加热到900℃并通过第二出口注入高炉炉体下部。该工艺的模型计算表明,喷煤比可达175公斤/吨,焦比可降至200公斤/吨。与现有高炉工艺相比,在焦比如此低的情况下,高炉不会出现操作问题,这必将为高炉操作带来新的突破。
假设炉体下部含铁炉料的预还原度达到95%,壳波反应所需的焦炭量将从常规高炉的107公斤/吨降至仅15公斤/吨。在瑞典钢铁公司(LKAB)试验高炉中进行的试验结果表明,还原剂(焦炭和煤粉喷吹)的消耗减少了24%。目前,年产50万吨铁水和炉顶煤气循环的小型高炉建设计划仍在讨论中。在大型高炉上开发和使用这项技术可能还需要15到20年的时间。此外,应该注意的是,在炉顶煤气循环高炉过程中,由于煤气的自循环,供应给工厂管网的煤气量将减少80%,必须考虑工厂煤气的平衡。
减少二氧化碳排放的新熔融还原法。希萨纳熔融还原法使用细矿石和煤来生产液态铁水。两步熔炼工艺利用旋风炉对矿粉进行预还原和熔化,然后在铁浴反应炉中完成矿粉的最终还原。煤的分解在工艺炉外的反应器中进行,热解所需的热量由煤的热解气体燃烧产生。该方法也在纯氧下操作,并且通过回收熔炼炉中气体的废热来提供产生氧气所需的能量。考虑到该工艺产生的废气中CO2浓度高,可直接密封。如果没有二氧化碳储存技术,每吨热轧卷的二氧化碳排放量预计将减少20%,如果采用二氧化碳储存技术,二氧化碳排放量将减少280%。2010年,克鲁斯集团(现被塔塔钢铁集团收购)在艾默生工厂建立了一个设计能力为8t/h的希萨纳半工业试点工厂。
连铸连轧通过节能降耗和提高效率来减少CO2排放。
连铸机快速均衡浇注温度,降低能耗。最近,中国台湾东河钢铁公司为了控制生产成本和达到减少二氧化碳排放等环境目标,在新建的钢厂中采用了德国开发的INVEX技术(包括连铸机和优化轧制技术)。该连铸机可实现大半径圆弧角方坯的高速铸造,并能保证规格小于200毫米/次;200mm方坯,任何钢种都能获得最好的质量。INVEX连铸机的使用基于以下两个主要原因:可以实现稳定的高速铸造,这是直接热装所必需的;与传统的转角圆弧半径小的方坯相比,可以铸造出圆弧半径大的方坯,铸坯温度分布更有利于在感应炉中保温。
英维思铸造机采用性能优越的凸结晶器实现了高速铸造。结晶器在铜管、水套配置和所有铸造参数的控制方面具有创新设计。在INVEX结晶器中,冷却水可以最佳地分布在坯壳周围,从而消除普遍存在的冷却不均匀的问题,特别是在高速铸造下。
铸造机能够减少碳排放的另一个因素是INVEX结晶器的使用。INVEX除了能实现高速铸造外,还能实现角部圆弧半径较大的方坯连铸(近似为预轧制方坯)。这种铸坯的温度分布特点是消除冷角,其表面温度比传统方坯更均匀,更接近圆坯。送入轧机的钢坯表面温度不仅相对较高,更重要的是温度分布均匀,因此可以用很少的能耗达到理想的轧制温度。
感应加热技术用于均匀加热铸坯。该轧机设计用于连铸小方坯的连续热装。虽然热铸坯是在适当的温度下输送的,但其表面温度低于轧制温度,而且其内部温度较高,因此需要进行均热。在传统的钢铁厂,轧钢车间是独立的,钢坯需要冷却和储存。轧制时,通常在轧制前从常温加热到轧制温度。INVEX设备实现了连铸机和轧机之间的直接连接,充分利用了连铸板坯的余热,不需要像传统轧机那样对板坯进行再加热。尽管热连铸坯的平均温度与轧制温度非常接近,但其横截面温度略有不同,表面温度较低,内部温度高于轧制温度。东河钢铁公司通过INVEX技术将铸坯内部和表面的温差降至最低,因此只需轻微浸泡铸坯即可达到理想的轧制温度。铸坯的保温过程包括两个方面:一是表面加热;第二,有足够的时间使铸坯内部的过高温度消散,从而达到合适的轧制温度。浸泡后铸坯内外温差小于25℃。
感应加热技术成功完成了铸坯均热任务。其主要优点如下:第一,它非常灵活,可以根据铸坯拉速、温度等条件快速调整均热系统;第二,应该使用它。感应线圈在没有预热的情况下随时通电,并且应该控制轧机的速度。第三,操作安装方便,占用空间小。第四,为了提高能源利用效率,只有在轧制和浸泡铸坯时才能使用能源,在检修或突发事故时,可以随时切断能源供应;第五,没有污染物排放。
粗轧机和中型轧机可以灵活地更换轧辊,以提高生产效率。粗轧机和中间轧机是HL无机架型,其中12号轧机可用于将来的纵向切割操作。没有拱道的外壳的优点是滚轮可以灵活地更换。粗轧机和中间轧机后,安装剪切剪和事故剪。高速精轧机是专门为线材设计的高效机组,精轧机速达到45米/秒~ 50米/秒。由于其经久耐用,维护时间短,这些单机架轧机比传统的纵向轧机生产更多的产品,具有相同的生产效率。这家新工厂能生产棒材和钢卷。棒材生产线配有HSD高速输送系统,具有行业领先的安全性能。输送到冷床的速度可达45m/s。轧制设备完成后,安装了带横移系统的双规格剪切机,使钢筋交替输送到两条下料生产线,分别进入两个HSD轮毂的旋转槽中。在轮毂的前面设置夹送辊系统,通过夹紧钢筋的尾部并摩擦钢筋来将钢筋的速度从轧制速度降低到下料速度。HSD技术的另一个很大的优点是在冷床的每个凹槽中只有一根钢筋。冷却床由电机驱动和控制,并具有齿条式步进梁。在冷床的出料边,用链条和输送小车将钢棒成排堆放,然后将钢棒输送到冷剪机,根据需要切割成长度为6-22米的钢棒。
德国设计开发的连铸连轧系统通过感应加热炉将连铸机和轧机直接连接起来,最大限度地利用铸坯余热,最大限度地利用资源减少有害气体的排放,同时减少废弃物的排放,取得了良好的环境效益。预计年均CO2排放量可减少72000m3,SO2排放量可减少410t,氮氧化物产品排放量可减少225t
一些欧盟钢铁企业的CO2减排和废气污染控制工作得到了各方的认可。其中,德国钢工业吨钢(热轧卷钢、无缝钢管和锻造零件)的二氧化碳排放量减少了20%以上。我们相信欧盟能够取得这样的成果,在技术上有三个亮点:第一,注重减排过程的全过程。减排不是单一过程的工作,而是应该从每个过程开始。欧洲的减排过程,从烧结到高炉,到炼钢、连铸和连轧,都非常重视二氧化碳和其他有害气体的减排。第二,注重减排技术的创新。以高炉炼铁新工艺为例,开展了无氮无氧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,从而减少二氧化碳排放。最突出的例子是感应加热炉,它直接连接了连铸和轧制过程,缩短了工艺流程,减少了再加热过程,并从能源角度自然减少了碳排放。
相比之下,我国钢铁企业在市场、布局、设备、技术、观念等方面仍面临困难和不足,目前的废气排放控制起步较晚。然而,值得注意的是,经过多次考验的中国钢铁工业正朝着实现环境友好、社会和谐发展和可持续发展的方向发展。欧盟降低钢铁中工业CO2和有害气体的技术为国内企业提供了参考,并为我们设定了追赶目标。

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