钢铁行业废气量减排潜力分析

谭玉玲，刘宇 ，黄家玉，束韫，都基峻，龙红艳，王相凤

中国环境科学研究院，北京 100012

钢铁工业是国民经济的支柱产业，目前我国钢产量已达7.2 ×108t，钢铁工业是能源消耗大户，也是大气污染物的重点控制行业。近年来，钢铁工业在二氧化硫、烟粉尘等污染物的治理方面已有比较成熟和实用的技术，且二氧化硫和烟粉尘累计排放量已呈下降趋势，但是废气排放量仍呈逐年上升趋势，2012年累计排放约86 889.90 ×108m3［1］，如何降低钢铁行业废气量排放的问题，值得关注。

目前发达国家主要是通过提高清洁能源在能源结构中所占比例，淘汰落后产能，将难以治理的重污染源和部分重污染工艺外迁国外等手段来降低废气排放量，减少各类污染物排放总量。就我国钢铁行业分析，其能源结构，在短期内不可能有很大变化;尽管近年来钢铁行业的结构调整、淘汰落后产能的改造步伐不断加大，但随着粗钢产量的增加，废气排放量仍呈逐年上升趋势，城市钢厂环保搬迁需综合考虑城市总体发展规划、企业承受能力、人员安置等多种因素，作为中长期目标有序推进，因此开展适合我国钢铁行业废气量减排技术的研究，对钢铁行业环保发展战略具有重要意义。

对于钢铁行业，在工艺过程中减少废气排放量也有成功实例，如烧结废气循环技术［2-5］。分析烧结废气循环技术及其他行业废气梯度利用实例［6-8］得出，在保证生产指标不降低的情况下，通过废气循环或梯度利用技术减少废气量的排放和污染物排放总量，与转移重污染企业或工艺有异曲同工的功效，可以将其作为我国钢铁行业废气量减排的优先控制手段。

1 钢铁行业工艺过程中废气量减排技术概况

目前国内外钢铁行业工艺过程中废气量的减排技术应用尚处于起步阶段，但在烧结工艺中已有成功实例。

烧结废气循环工艺是将烧结过程排出的一部分废气返回烧结点火器之后的料面处再循环使用的一种烧结方法。废气循环烧结的目的，一方面是利用废气的热量，相当于热风烧结，可以提高上部料层温度并避免在保温结束时由于进入料层气体温度的突降造成上部料层温度的波动;另一方面废气的循环使用使得废气排放量降低，由于烧结过程排放的废气需要经过脱硫处理，因此也降低了脱硫装置处理量和脱硫系统负荷，从而降低运行及处理费用。

国外烧结机废气循环工艺主要有荷兰的能量优化烧结(emission optimized sintering，EOS)技术［9］，德国的低排放能量优化烧结(low emission and energy optimized sinter process，LEEP)技术［10］，奥地利的环境型优化烧结(environmental process optimized sintering，EPOSINT)技术［11］和日本的区域性废气循环技术［12］。国外烧结废气循环利用技术原理如图1 所示。其节能减排效果如表1 所示。

图1 烧结废气循环利用技术示意Fig.1 Schematic diagram of sintering waste gas recycling technology

表1 烧结废气循环利用技术的节能减排效果［2-3，9］Table 1 The energy conservation and emission reduction of sintering waste gas recycling technology

我国宝钢宁波钢铁公司2 ×430 m2烧结机采用的是烧结机废气循环技术，SO2、NOx、CO、颗粒物以及二 英等排放量均得到大幅降低，最终可减少25% ～35%废气排放量，节省烧结燃料3% ～8%，总能耗降低3%以上［13］。

由此可见，烧结废气循环利用技术不但显著减少烧结工艺产生的废气排放总量以及污染物排放量，而且还能降低烧结工序能耗，减排节能效果显著。同时由于废气量减少，降低了后续脱硫设备的负荷，从而降低了烟气脱硫装置的投资和运行成本，因此烧结废气循环利用技术可作为我国烧结机未来升级改造的主要方向。

2 钢铁行业废气量减排潜力分析

分析烧结废气循环技术及其他废气梯度利用实例得出，根据废气的特性(废气成分、风量、温度、含氧量、热值等)，将废气作为助燃空气、气源等废气循环技术对减少废气量的排放，有很大的减排潜力。如将废气循环和梯度利用技术，应用于钢铁行业其他工艺，必对钢铁行业废气量的减排做出极大贡献。笔者根据钢铁行业废气排放特点(废气成分、温度、含氧量、热值等)，就钢铁行业潜在废气量减排潜力进行分析。

钢铁工业的主要生产系统包括综合原料场、烧结、石灰窑、焦化、炼铁、炼钢连铸等，钢铁行业除烧结机废气可采用工艺系统内循环利用外，不同工艺之间的废气也可以进一步梯度利用，如综合原料场的废气可用于石灰窑工艺冷却器中的鼓入气源，转炉炼钢废气可作为助燃空气用于高炉炼铁。图2 为钢铁联合企业工艺流程及污染物排放。

图2 钢铁联合企业工艺流程Fig.2 The flow chart of iron and steel enterprises

2.1 原料场废气梯度利用于石灰窑系统

活性石灰是炼钢主要的造渣材料。在转炉炼钢中使用活性石灰，可提高成渣速度，缩短冶炼时间，提高钢水质量。石灰窑工艺过程中，焙烧好的物料进入竖式冷却器，冷却气源被风机送入冷却器中，与高温石灰进行热交换，使石灰温度从1 100 ℃冷却到100 ℃以下，空气吸收热量温度升高后进入回转窑助燃。

原料场废气主要是含尘废气，经各产尘部位密闭罩收集除尘后排放，废气为常温气体。若将原料场废气作为石灰窑工艺过程中冷却物料鼓入的气源利用，替代鼓风机鼓入冷却器的新鲜空气，既减少了石灰窑新鲜空气摄入量，又降低了原料场废气排放量。

将原料场除尘后的常温废气引出，经净烟道管引入废气再循环风机，废气再循环风机将净化后的废气输送至竖式冷却器入口，作为冷却气源进行梯度利用，与高温石灰热交换，再进入回转窑助燃，废气经空气预热器后进入除尘系统除尘后再排放(图3)。以年产400×104t 钢的某钢铁联合企业生产工艺为参考，该厂年需成品活性石灰量为4.0 ×105t，共有2 座日产600 t 的活性石灰回转窑装置，生石灰消耗量为103 t/h，焦炉煤气消耗量为1.61 ×104m3/h(平均热值16 720 kJ/m3)，石灰煅烧核心设备采用回转窑配竖式预热器和竖式冷却器，每座回转窑配冷却器鼓入的冷却风量为12 ×104m3/h。原料场受料仓产尘点密闭罩收集除尘后，废气量为24 ×104m3/h，粉尘排放浓度为20 mg/m3，与2 座石灰窑中鼓入的冷却风量之和相当。若将受料仓产点收集除尘后的废气梯度利用至石灰窑冷却器做冷却气源，该厂可减少废气排放21×108m3/a，可降低粉尘排放42 t/a。

图3 原料场废气梯度利用于石灰窑工艺Fig.3 The cascade utilization scheme of exhaust gas from raw material yard into lime kiln process

2.2 转炉二次烟气梯度利用于高炉炼铁

在转炉的整个冶炼周期中，二次烟气主要产生于兑铁水和吹氧的过程。吹氧时有部分炉气从氧枪孔和炉罩口处外溢，成为二次烟气。当一次烟气处理能力不足时，外溢更为严重，但由于此时炉前挡火墙关闭，烟气基本处于一个密闭室中，可得到有效捕集［14］。转炉二次烟气以兑铁水时散发的废气量最大，兑铁水时，高温废气从铁水罐和转炉炉口之间以很高的速度向上扩散，初始温度约1 200 ℃，卷吸大量的车间冷空气，烟柱到达吊车梁时的温度约500 ～700 ℃，含氧量可达20%［15］，与空气成分相似。

若将废气温度高(按200 ℃计)，且含氧量与空气成分相似的转炉二次烟气捕集后经烟道管输送至热风炉，作为助燃空气(图4)，以利用废气中的显热，提高助燃空气的温度，达到提高风温的目的。

图4 转炉二次烟气梯度利用于炼铁Fig.4 The recycling technology of converter secondary flue gas

以年产400 ×104t 钢的某钢铁联合企业生产工艺为参考，该厂120 t 转炉二次烟气排放量约65 ×104m3/h，粉尘排放浓度为20 mg/m3，废气排放量较大，可根据热风炉消耗的空气量，将部分转炉二次烟气通过适当配气输送给热风炉梯度利用，未被梯度利用的转炉二次烟气由除尘器除尘净化后排空。热风炉以净化后的高炉煤气为燃料，每座热风炉消耗焦炉煤气量18.7 × 104m3/h(平均热值3 340 kJ/m3)，所需空气量约13 ×104m3/h，若将转炉二次烟气配比至该厂2 座热风炉作助燃空气，不仅可减少废气排放22 ×108m3/a，降低粉尘排放44 t/a，而且利用了转炉二次烟气的显热，降低了能耗，可节约标煤2 ×104t/a。同时转炉二次烟气进入除尘器的除尘风量降低了40%，也相应的减少转炉二次烟气除尘设施的投资和运行费用。

按照2012年钢产量估算，如果在钢铁行业全面推广上述废气循环利用方案，钢铁行业就可以减少废气量约7 703 ×108m3/a，降低粉尘排放1.54 ×104t/a，节约标准煤耗358 ×104t/a(表2)。

表2 钢铁行业废气量减排节能效果Table 2 The waste gas volume reduction and conservation effect in iron and steel industry

3 结论和建议

(1)在钢铁行业中，可以根据废气特点(烟气成分、温度、含氧量、热值等)，在不影响后序生产工艺的前提下，将其在工艺过程中循环利用，减少废气的排放量。

(2)烧结烟气循环利用技术不但显著减少烧结工艺生产的废气排放总量以及污染物排放量，也降低了后序烟气脱硫装置的投资和运行，废气量减排和节能效果显著，有着很大的发展前景，可以将其作为烧结机大气污染物控制重点推广技术。

(3)根据废气的特点，提出2 种废气量减排方案:原料场废气梯度利用至石灰窑中做冷却气;炼钢转炉二次烟气捕集后经烟道管输送至热风炉，作为助燃空气。研究表明，2 种减排方案减排效果显著。

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