钢铁企业实现标杆能耗的实用技术
刘晨
【摘 要】：本文探讨钢铁企业实现标杆能耗的实用技术，重点探讨现有长流程钢铁企业如何在利用现有设备降低成本、增加盈利的节能技术途径。
【关键词】：钢铁 节能 标杆能耗
概述
我国钢铁产量多年高居世界第一 ,占世界钢产量的50%以上，为了实现碳中和，要求对冶金、建材行业重点约束（2021-2025），到2025年通过实施节能降碳行动，钢铁、电解铝、水泥、平板玻璃等行业能效到达标杆水平的产能比例超过30%。面对碳中和、淘汰落后及生产成本压力，钢铁企业需要尽快采用高效实用的节能减排技术改，需要顺序开发应用以下几方面的实用技术：
1） 高效率：通过收热收水翻倍能效、资源利用效率
2） 减排总量：提高资源循环率减排总量
3） 纯氧燃烧：实现低成本捕碳和烟气资源化利用零排放
4） 炼焦制气：利用炼焦制气实现煤炭等资源的高效无废利用
5） 三产融合：传统产业节能减碳与新能源、农林牧渔业、旅游服务业融合发展
1 烟废气收热收水
参考图1，粗略估算，我国每年水蒸汽排放量160亿吨，煤电排放超过50%，其它依次为钢铁、建材、煤化工等双高行业；钢铁联合企业平均吨钢排放2吨水蒸汽和余热。
图1 烟废气为什么必须收热收水
余热回收存在两大难题，一是成本高，二是用途少，推荐采用冷凝/制冷制冰技术收热收水，用于农林牧渔业，该技术的主要优点：
1) 烟废气水蒸汽和余热极限回收，低成本实现超低排放、省水
2) 补丁或旁路布置，施工和故障不影响生产
3) 在引风机前收热收水具有显著的节电效果，特别是与新钙法脱硫改造结合，减少脱硫电耗80%，不产生脱硫废水和废石膏，利用烟气处理污水。
4) 采用制冷制冰+蒸汽压缩，实现0—130°C 大温差循环，停用、淘汰各种循环水冷却塔、空冷器，夏季利用采暖管网和终端供冷，冰块可以汽运用于蓄冷空调省网电。
5）我国烟废气低温余热总量巨大，用于城镇采暖效益好，但非采暖季还没有出路，就是采暖季，余热资源量远大于采暖需求量。做为可能的解决途径，应关注研究用于农林牧渔业，并与跨季储能、新能源、旅游服务业三产融合发展，参见图2。
温室大棚+新能源 |
温室大棚牧草养殖 |
多个人工温泉 |
超大游泳池 |
图2 工业余热与农林牧渔、旅游服务、新能源融合发展
以下进一步介绍几个钢铁企业不同工序，烟废气收热收水的改造方案。
烧结大烟道烟气收热收水改造
烧结烟气脱硫石灰石膏法和活性焦问题多、成本高，采用如图3所示的纯溶液新钙法脱硫收热收水一体化改造收热收水，彻底解决排放不稳定、脱硫废水、脱硫石膏难题，脱硫节电80%、风机节电~30%，效益显著，改造量少风险小。
图3 烧结烟气收热收水改造
竖炉/回转窑烟气、焦化烟道气、煤气发电、热风炉烟气等脱硫可以参考采用，收热收水、实现超低排放，同步降低脱硫成本。
高炉渣收热收水改造方案
高炉水冲渣生产线长、分散，蒸汽收尽难，选择图4所示全密闭干法粒化方案改造，底部出干渣，或回水渣池，高温蒸汽余热回收，也可以简单地冷凝净化回收，收热收水的同时实现清洁生产，同步处理焦化废水、浓盐水等难处理废水增加效益。转炉渣、电炉渣等其它高温熔渣都可以参考选用。
图4 高温熔渣干法粒化收热收水方案
转炉煤气收热收水改造方案
转炉汽化出口700-1000°C的余热，用图5所示的旁路喷淋冷凝方案更容易实施，将煤气温度降低到20°C极限收热收水，利用热泵提供高温热水，用于锅炉补水、煤气加热，转炉工序就可以达到标杆能耗，干法节电50%、湿法和半干法节电70%以上，排烟四季无白。冷凝阻断了污染物的转移排放，蒸汽冷却器可以喷焦化废水、浓盐水等难处理废水，取得经济效益。
2 烟废气循环利用、总量减量技术
几十年来我国大气污染治理一直都主要控制浓度，没充分重视总量减排。停限搬淘汰等实际上就是控制总量，有效但代价太大。实践证明，只控制常规污染物排放浓度不能解决大气污染；CO等非常规污染物对钢铁城市空气质量的影响比重较大，碳减排还没有成熟可靠的解决方法。
研究表明，钢铁企业的烟废气，正常氧含量烟废气占比80%以上，表1所示的工序都可以简单无限次循环利用不排放。循环利用是指将烟废气不处理或简化处理后循环用于源头冷却、密封、燃烧等，替代洁净空气，再超低近零的烟废气，也比环境空气质量差，控制排放总量是最高效低成本的解决方法。
我国长流程钢企吨钢排放烟废气量43.5t/t，与以前的吨钢耗水量接近，通过循环利用吨钢新水消耗降低到3t/t以下。钢铁企业烟废气治理可以且应该借鉴成功的节水经验，循环利用减排总量，全行业减排烟废气总量每年超过300亿吨，钢铁企业不再需要因环保停限搬淘汰，超低排放、创A、新污染物控制成本降低，甚至有效益，表1是适合循环减排总量的部分工序。
表1 钢铁企业烟废气循环利用减排总量的部分工序
3 纯氧燃烧
长久以来，人类各种燃烧过程一直采用空气，空气是发电、钢铁生产过程中消耗量最大的自然资源。感觉空气是免费的，所以用量巨大，比如燃煤，吨煤耗空气量~13吨，仅发电热力行业燃煤就年排近240亿吨烟气（其中氮气200亿吨）。钢铁高炉热风炉、煤气发电、烧结等各种燃烧和工业过程也都是大量使用空气，吨钢消耗40吨空气、行业年排400亿吨烟气（320亿吨氮气）。
空气耗量、产生烟废气都巨大是烟废气冷却、收水、除尘、脱硫、脱硝成本居高不下的最主要原因。计算了烟气治理的费用，使用空气费用就是惊人的数字。按照国家要求，企业得进一步进行新污染物控制、减少碳排放，减污、碳中和成本企业将难以承受，选择纯氧是我国碳中和最重要的技术途径，很早就有专家提出要低碳须先低氮。
现在提出采用纯氧的重要支撑条件是，我国空分制氧技术越来越先进成熟、大型化、低能耗，玻璃窑、废钢/钢包烘烤已经有用户采用纯氧燃烧，宝武也在试验纯氧富氢炼铁高炉。纯氧方案有以下特点：
1) 烟废气全部或大部分自循环，需要净化处理的烟气量最高可减少80%
2) 烟废气冷却、除湿、脱酸、除尘、脱硫、脱硝、控制新污染物等运行成本大幅降低，最终不再需要
3) CO2会在炉内被还原为CO，CO抑制NO生成，实现低氮燃烧并节煤
4) 排烟量少、CO2浓度高，捕碳成本大幅降低
4 煤炭炼焦制气技术
我国能源结构一直主要是靠煤炭，煤炭清洁高效利用一直是公认的实现碳中和的首选技术途径，但如何实现一直没有成熟可行的技术。研究表明，焦炉是煤炭最清洁高效的利用技术途径，而且我国焦炉技术也十分成熟，首先焦炉煤气制氢成本最低、付产LNG效益好，用焦炭还原二氧化碳制CO气，就彻底解决了回收CO2的利用难题，CO煤气循环燃烧减煤节焦，或外供做化工原料、变换制氢，煤炭中的硫资源回收制硫磺、硫酸，不再需要烟气脱硫，高纯CO煤气+纯氧燃烧也不再需要烟气除尘和脱硝，捕碳成本大幅减少。
碳循环是我国碳中和最可行的技术途径,可以与采用新能源、农林牧渔业融合发展。
5 结论与建议
1) 钢铁企业通过节能改造，吨钢成本可降低100元以上，
2) 开发利用纯氧燃烧技术，禁止空气浪费，降低捕碳成本
3) 采用炼焦逐步淘汰固体燃料直接燃烧，解决二氧化碳利用
4) 重点关注综合节能服务租赁模式，解决用户和供方双方的后顾之忧
往/期/回/顾
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