德国钢铁工业能源利用与环境管理

第 1页 共 5页 世界金属导报/2010年/12月/7日/第 022版 节能环保 德国钢铁工业能源利用与环境管理 杨雄飞 钢铁工业的飞速发展不仅带动了各项技术的不断进步，也促使钢铁厂的资源利用更加有效、 能源管理技术提高以及更好的环境。本文着重回顾德国钢铁工业能源和环境技术的进步，回顾过 去 50年间在这两方面取得的突破性进展。 1钢铁工业能源有效利用 德国钢铁工业主要采用的高炉炼铁工艺。因此，铁水是生产大约 2500 种不同钢的最重 要产品，但炼铁需要的能耗高。而炼铁前的高温工艺以及下游工序热加工、转炉冶炼和钢材精轧 工艺，需要的能耗少。 设备技术的结构变化、工艺过程的创新、能源市场的价格和供应波动对钢铁生产过程的能耗 和能量载体构成的影响很大。这与能源效率的改善和综合能源管理的进步密切相关，这些进步旨 在实现将过程副产物作为能量载体(高炉、焦炉和转炉煤气)或生产工艺蒸汽以及更加有效的回收 利用废热。 2一次能耗、还原剂和能量载体组成的变化 1960年～2008年德国钢铁工业已成功将一次能源单位消耗量降低 40%，达到约 18GJ/t铁水，. 从技术～经济角度看这是个平衡值。在这一时期，钢铁产量显著增加，这一结果的获得并不简单。 在现有设备的情况下，除非以不成比例的高投入为代价；否则不可能实现能耗的进一步降低与能 效的进一步提高，只有工艺创新才能带来钢铁能源需求的进一步减少。工艺改进如薄板坯连铸连 轧的开发与应用减少从钢水到精轧热带钢过程中的工序。采用这一技术，从连铸机出来的凝固热 铸坯，在输送到多机架精轧机组直接热轧成钢带前，仅需在连续加热炉中稍稍加热，即可使铸坯 温度均匀。对特定钢种采用这类新技术，可降低能耗 1 2GJ/t钢带。 3工艺和设备技术创新 车间和设备改造及创新是保证能效稳定提升不可缺少的条件。钢厂集中在少数几个地点，每 个厂家都在提高产能。因此，在过去 50年，德国高炉数量减少到 15座，约为以前的 1/10。这与 应用如高炉负压操作、增大炉缸直径、采用精料冶炼、氧气喷吹以及提高热风温度等新工艺和设 备技术不无关系。 同时，炼钢工艺结构也发生了根本性变化。在 1977年淘汰碱性底吹空气转炉炼钢工艺及 1982 年淘汰平炉炼钢工艺后，如今德国炼钢仅采用氧气转炉和电弧炉工艺。碱性底吹空气转炉和平炉 炼钢工艺的淘汰在能源利用(温度、反应时间、生产率、转炉煤气回收)及环保成效(废气流量和回 收、烟尘排放)方面均有积极作用。2008年德国近 68%的粗钢由氧气转炉工艺生产，电弧炉工艺(使 用废钢和一定量的海绵铁)生产的粗钢约占 32%。 另一实现节约能源及减少环境影响的设备技术创新的例子是连铸技术的使用。连铸技术替代 了以前典型的从模铸、铸锭在加热炉再加热、到轧制成板坯或方坯半成品这一生产链。如今，除 了极个别特殊情况，所有的钢水都是由连铸工艺直接铸成半成品形式。 2008年德国超过 96%的粗钢通过连铸设备生产，连铸的特点是降低废钢量，从而提高成材率。 消除铸锭加热的燃料需求和连铸坯以热态送入轧钢厂加热炉中，不仅降低了能源需求，也降低了 因加热而产生的 NOx、S02和 CO。的排放量。此外，铸锭轧制生产线的取代节省了电力，排放量 也得到进一步降低。 4气体副产物能量回收利用的重要性 第 2页 共 5页 利用气体副产物作为能源，有可能满足联合钢铁厂单个工序的所有气体燃料需求。图 1显示 了一个综合能源管理系统内的相关关系，该系统涵盖了一个生产扁平材的联合钢铁厂内所用原料 及能量的转换过程。在炼铁、炼焦及炼钢过程中产生的气体副产物用于热风炉、焦炉、轧钢加热 炉以及用于发电等。此外，从工艺设备中回收利用的废热也用于生产蒸汽和烧热水，因此，在一 个能源高效的联合钢铁厂，理论上，车间可以在发电及燃气使用上达到近乎完全自给自足的水平。 过去 20 年，在工艺煤气和天然气管理上已经掌握了最重要的节能手段。由于在烧结、同流 换热、轧制坯料加热、工艺蒸汽生产等高温生产与综合能源管理上取得的能源技术和工艺技术的 进步，实现了最有效地能源节约。钢铁工业发布的 CO2监测进展报告详细描述了 1990 年～2008 年间进行的许多能效增强措施。 德国钢铁行业整体对工艺煤气和天然气管理进行优化，在 1990 年～2008 年间实现了吨粗钢 节能 1.012GJ，这相当于单位燃气消耗降低 14.3%。工艺煤气在德国钢铁行业利用的程度由所消 耗的燃气构成佐证:2008年所消耗燃气中，60%为副产物煤气，40%为天然气。 5主要节能点 烧结厂节能。着眼于降低一次能源消耗，在 20世纪 70年代中期到 21世纪头 10年，已经在 烧结工艺上实现了能源的显著节约。工艺优化的目的是保证进入烧结机内的原均匀一致，采 用联合布料技术和称重料斗的自动控制，不仅实现了提高烧结矿质量等主要目标，也降低了能源 需求。 通过提高料层高度、优化烧结过程、采用改进的点火条件等措施，实现了能耗的进一步降低， 而这些优化措施是通过设计优化、加大点火炉、改进烧嘴布置及增加热处理罩等手段达到的。 这些改进与增强型混料上料系统、冷筛、提高料层厚度和降低 FeO和 MgO含量协同作用， 已将烧结厂的平均单位燃料消耗从 20世纪 70年代中期水平降低了近一半。尽管不能忽视近年来 烧结矿碱度(CaO/SiO2)升高提高了烧结厂能耗的这一事实，但这有利于高炉操作(如机械强度、还 原性及还原剂消耗方面)。结果，2008年德国钢铁工业烧结厂的单位能耗达到 1.53GJ/t烧结矿。 高炉节能。对高炉工艺持续优化，不仅提升了高炉利用系数，也导致单位还原剂消耗量显著 减少。在过去 50 年，德国高炉用还原剂需求量从 800kg/t 生铁降低到 489kg/t 生铁，最好的水平 约 472kg/t生铁，还原剂消耗量几乎接近理论极限值 420kg/t铁水的水平。还原剂消耗量的显著降 低主要是通过使用进口富矿及提高金属铁块、烧结矿和球团矿的密度和质量而实现。像喷吹氧气 和提高热风温度以及在高炉炉顶采用高负压等工艺技术的改进，同样有利于降低还原剂消耗量。 高炉高压操作，不仅提高了高炉生产率，也使得利用高炉煤气的余压发电成为可能。 在高炉上通过绝缘鼓风管、回收尾气热来加热燃烧介质以及采用计算机辅助工艺控制系统， 进一步降低能耗。 由于焦炭是高炉炉料中最昂贵的物料，因此钢铁生产商一直努力通过使用还原剂替代品如重 油、喷煤粉，或个别采用天然气，甚至废塑料来降低焦炭使用量。 在 1965年～2008年间，随着金属炉料收得率的提高，高炉炉渣产出量平均下降大约 60%， 从 450 kg/t 铁水降低到 270 kg/t 铁水。完全粒化的高炉炉渣(GGBS)主要用在水泥工业，每使用 1tGGBS，节省大约 1.4t 自然资源，除了有利于提高能效外，可降低单位 CO2 排放量高达 1tCO2/tGGBS。 转炉煤气回收。自从首座转炉煤气回收利用系统于 1981 年在德国格奥尔格斯马林许投产以 来，目前已有 9座转炉安装了该系统，因此钢铁厂可以回收利用这种有价值的煤气，而不是简单 地燃烧。如今，转炉煤气改善了联合钢铁厂的能量平衡，大约提供每吨钢水 0.4GJ能量，这相当 于吹氧炼钢所需燃气总量的 4.3%，因此外购气体量可减少相应份额。尽管转炉煤气热值低，但有 一点就是它可以产生与天然气或焦炉煤气一样高的燃烧温度。 电弧炉炼钢节能。对电弧炉炼钢，电能消耗是一个关键的成本因素。不同的炉料(废钢等级、 铁合金、海绵铁、铁水、造渣剂、炭载体等)和能量载体或高能介质(天热气、煤、氧气、废钢中 第 3页 共 5页 碳含量等)对 EAF 炉的单位电能需求、生产率和生产成本的影响对炼钢过程至关重要。当前炉料 和能源价格的上涨趋势，促使钢铁行业努力去实现降低 EAF炼钢过程成本的能源结构优化。 加大炉子容量、缩短炼钢时间，使得 1960年～1970年间 EAF炼钢的单位电耗从 630 kWh/t 钢降低到 550kWh/t钢。但在 1975年，由于安装必要的设备以保证满足环保目标要求，从而使该 值又上升到 580kWh/t钢。从 1975年至今，尽管电弧炉钢质量要求在提高，但单位电耗持续降低 到 539kWh/t钢。这主要是通过使用高效电弧炉与计算机辅助工艺控制管理实现的。1990年～2008 年，EAF 炼钢一次能源单位消耗量(电力以天然气和固体燃料等一次能源形式表示)降低了约 15.4%，达到 1.15GJ/t钢。 金属成形和下游加工节能。通过大量的工艺技术改进，金属成形和下游加工工序所需能量也 急剧下降，因此，由于连铸的出现取消了钢锭铸造、坑式炉加热相关工序，能源和原料消耗大幅 度削减。下游的钢加工过程也进行了不断改进，如热装热送、优化轧制规程、更成熟的加热炉和 烧嘴技术，更为重要的是采用计算机化过程管理，通过包括这些改进在内的一系列措施，优化物 料流，从而使过去 20 年加热炉系统的单位能耗降低 20%。最后，低温废热的利用开启了将余热 输送到当地社区管道，用于居民供热的可能。 能耗降低和 CO2排放控制。为了实现京都议定书的目标，德国钢铁工业主动承诺到 2012 年 将吨钢 CO2 的排放量削减 20%。2008 年德国钢铁工业已经实现成品钢材单位 CO2 排放量降低 21.4%。 6钢铁工业环保和资源保护的可持续性 在钢铁制造中有大量的物料流和能量流，单从纯经济的角度出发，要求资源更加有效利用。 钢铁厂通过不断采用新技术、成熟的物料管理、内部和外部闭路循环以及能源使用的有效控制， 正努力实现这一目标。从 1960 年以来，由于采用连铸技术和使用高品位进口铁矿等措施，金属 铁的收得率已提高到 90%。 如同在资源利用效率取得进步一样，在环保方面，特别是从 1960 年以来，也取得了许多进 展，从提高尾气和废水蒸汽的利用开始，使用管路终端技术，即在所有生产过程的下游安装清洁 站，环境保护措施逐渐也集成到生产过程中。这种在线保护技术是目前大规模闭环水管理和梯级 利用水必不可少的条件。因此，每 1L水在经过适当处理排放到自然界前，平均被使用 10次，用 作冷却、清洗或工艺水等不同用途。结果，在过去 25 年德国钢铁工业新水消耗减少 60%，这主 要是各个公司进行能源、物料流和水的集成管理的结果。 空气质量。气体排放物是钢铁工业对环境影响的主要形式。这些排放物与能源使用效果相关， 随着钢铁工业能耗的降低，其排放强度也呈下降之势。从 1969 年以来，德国从平炉和碱性底吹 空气转炉到 LD 炼钢方式的转变、二次除尘的引入和多项其他工艺的优化使单位粉尘排放量降低 约 95%。 环保的成功不仅归功于工艺技术的改进和应用，也与排放物的回收利用与处理有关。在钢铁 厂，大多数排放源都安装导管抽吸系统，净化下游排放的气体。扩散污染源的数量和排放量显著 减少。与正在进行的工艺改进类似的是，排放控制活动集中在不同的生产阶段和生产设备。目前， 正在设计开发新的环保技术，主要是由于烧结工艺上传统的静电除尘技术已经不能满足严格的环 保立法要求。新的解决包括基于活性炭的空气污染物吸收系统、带回转集电板的静电除尘器、 气体干洗和尾气再循环技术。所有新技术的开发都面临一个问题，就是实现试验技术设备的工业 化生产应用。创新技术设备通常需要进行长时间的试验性使用，不断改进技术和运行条件，才能 达到令人满意的效果。钢铁生产全过程都能找到新技术应用的实例。最终经历适当的过渡期后， 这些技术就成为最新技术。 再循环。钢铁的无限制再循环利用能力是其他材料无法比拟的，钢铁的闭环管理，与一次生 产过程相比，可节约 55%的能耗。由于废钢可方便地再循环成新的钢材，不仅节 约铁矿石、煤、石灰的消耗，而且也降低 CO2的排放量。在全球市场，废钢资源作为二次资 第 4页 共 5页 源，完全返回到生产经济周期中。假设循环使用过程中损耗非常小，则循环率可上升到近乎 100%。 在欧洲，废钢入炉率达到粗钢总产量的 56%以上(2008年粗钢产量为 1.16亿 t)，明显高于世界平 均 40%的水平。然而，鉴于全球钢材需求量和废钢市场规模，预测炼钢过程中废钢使用比例不会 出现急剧上升。新兴经济体需要钢材用于基础建设和日常用品制造，这些钢材需要多年时间才能 返回到生产经济周期中再循环利用，因此，目前这些用途所需的钢材量将成为未来可持续的资源 储量。 共生产品。钢铁工业以多种不同形式消耗原材料。除了生产主要产品钢材外，也生产用在各 种高科技领域的共生产品，其中最重要的产品就是不同种类的炉渣。2008年大约产生 790万 t高 炉炉渣和 630万 t炼钢炉渣，超过 95%的炉渣以商品形式出售或返回到工业生产中以节省原材料。 仅水泥工业就消耗 640万 t粒化高炉炉渣替代渣块，因此节省了烧制时间，并减少 CO2排放量超 过 600 万 t。通常，达成长期供货，以稳定工厂交货，并采用质量管理系统和适当的产品标 准作为供货要求。粉尘清理设备中的粉尘和矿泥以及氧化铁皮通常返回钢铁厂，在生产过程中再 利用。由于使用了如竖炉或 DK工艺等新型或改进的再循环技术，其再利用率一定会进一步上升。 其余产物由于存在产品质量、影响工厂安全或环保等原因而排放。这些物质中大部分以原料形式 进入有色金属的生产过程进行再利用。耐火材料也经回收并最大程度地被重新使用。 7可持续发展和物料使用 钢铁工业对可持续发展的最大贡献在于材料本身的永久改善性。对钢材性能改善的主要驱动 力是用户，他们不断要求开发新钢种以解决新的技术难题。最佳技术的使用已提出用于汽车轻量 化设计的新型高强度钢、变压器用超高效电工钢板或 700℃电厂用钢的要求。使产品附加值最大 化的努力，促进了新型轧制技术的开发，以生产出更薄的带钢、复合材料和新的涂层系统等。新 材料和新技术的使用降低了钢材量的需求(从而降低自然资源的消耗)与能源的需求及 CO2 排放 量。 波士顿咨询公司的研究结果表明，目前因使用钢材而降低 CO2排放量的领域的用钢量占钢材 总产量的 10%，到 2020年，仅在这些领域新型钢的使用将使 CO2排放量减少 7400万 t，而在德 国，包括原材料开采在内的所有与钢铁生产有关的活动，每年仅排放约 6700万 tCO2。就 CO2的 整体平衡而言是个正值，也就是说，因使用钢材而减少的 CO2排放量大于钢材生产过程中产生的 CO2排放量。 8炼钢新技术 今天，钢铁工业面临的最大环境挑战就是全球气候变暖的温室气体排放问题。如欧洲碳排放 交易体系等许多机制深深地影响着钢铁厂，如前所述，他们采用的工艺技术几乎已经达到了能源 利用效率的极限。因此，当前研究项目的目标是实现炼铁与炼钢工艺上的突破性进展。全球大量 关于炼铁炼钢的革新技术正从显著降低 CO2排放量的角度进行技术可行性分析，这些革新包括基 于碳、生物燃料、电解、天然气或氢等各种工艺技术，其中许多技术距离工业应用还很遥远，目 前这些项目仍处于研究开发、实验室试验或中试的状态。即使这些项目开发成功，考虑到普及的 周期，也要到 2030年才能将这些新技术应用到炼铁和炼钢工业中。 目前，寄予厚望的是 CCS(碳捕集与封存)技术，该技术用来将 CO2分离并封存起来。与 CO2 封存相关的重大技术和立法问题仍未得到解决。CCS技术的附加成本预测在 50～100欧元/tCO2。 考虑到所有碳基工艺都与 CO2的形成相关，CCS依然是一个不可改变的先决条件。例如碳基高炉 采用纯氧运行的项目，同时从炉顶煤气中分离出 CO2，随后将它捕集并封存起来，该项目主要基 于 CCS，其余的富集 CO的还原气体将返回到高炉循环利用。理论上，其碳消耗量可减少 25%， 但随后由炉顶煤气产生的电量将比传统高炉工艺少 80%，以致必须从外购买更多的电力。 在消除CO2方面，更多进展和研究正在铁水还原领域展开。例如，在欧洲建造一个HIsarna 的中试直接还原厂。直接还原系统与 CCS 技术相结合，也将减少 CO2的排放量，但直接还原系 统的应用受到天然气供应及价格的影响。另一方面，生物燃料或垃圾的使用，仅是一个特殊的解 第 5页 共 5页 决方案。新开发的实验室扩大规模的薄带直接铸轧技术是一个从根本上改进的铸造方法，可铸造 厚度为 8mm～15mm的钢带，然后直接在线轧制。该工艺预计可比传统连铸减少 1/4的 CO2排放 量。不过，传统连铸技术的替代还将在中长期以后，特别是并非所有钢材都可以采用这种方式生 产。 9展望 钢铁工业节能与环保方面的技术进步是一个成功的案例，特别是在过去 40年取得的成绩下， 许多钢铁厂所在地的环境质量已经得到改善，从关键的生态参数来看，几乎与乡村地区的参数没 有差异。 如今即使在城市中，通常也仅是通过建筑结构的外形才能区分是钢铁厂所在地。不过，由于 能源需求较高，炼铁和炼钢在未来一段时间内仍将继续使用化石燃料，并由此排放 CO2。 尽管已经投入大量人力、物力开发新的、甚至更高效的生产技术与加工方法，但在无 CO2排 放的清洁能源能够大量供应前，上述情形将不会发生根本性改变。至少在中期内，使用再生能源 不可能实现上述目标。另外，世界钢材需求量将继续增长，而且全球钢铁储备资源也将不断增加， 直到新兴国家和发展中国家也建起了必需的基础设施。 德国钢铁工业将朝这个目标而努力，并将根据可持续性生产原则，同时考虑相应的环境保护、 能效、资源保护、社会责任和经济效益而采用相应行动。 然而，如果要避免钢铁工业大批关闭的危险，德国钢铁工业的可持续性发展将取决于以下几 点: 1)认可德国在设计欧盟气候保护机制过程中 2005年以前取得的成就； 2)为了保护环境和气候而设定的 CO2减排目标应与相应技术的可行性一致，而不是缩减钢铁 产量； 3)如排放水平、减排量法规，能源供应及原材料来源等方面的平等竞争条件； 4)大众接受钢铁工业的生产活动。