钢铁行业节能技术应用探讨

王逸飞

（广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216）

在可持续发展战略的引导下，我国钢铁行业逐渐进入到了转型升级阶段。多数钢铁企业都树立了先进的节能理念，充分发挥了节能技术在钢铁生产中的作用。但我国钢铁节能技术不够完善，因此需要对节能技术进行深入研究。

作为国民经济的支柱性产业，钢铁行业发展迅速，且我国钢铁产品生产能力（见表1）基本可以满足国内的生产需求[1]。但我国钢铁行业一直处于粗放型管理状态中，存在产能总量过剩、创新能力弱和能耗高等问题，其中能耗高是主要问题。钢铁行业的能耗在全国总能耗中的占比为15%，其中部分钢铁企业一年的能源消费总量达到了2.23亿tce（tce指的是吨标准煤当量）。同时，我国钢铁生产一直以高炉转炉为主，而高炉转炉工艺需要大量煤炭的支持，因此钢铁行业的煤炭消耗量非常大。

表1 2019与2020年我国钢产品的产量（部分）万t

在钢铁行业中应用节能技术具有重要意义。第一，有利于提高能源利用率，缓解能源紧缺的现状。近年来，我国经济水平不断提升，但可用能源越来越少。同时，我国不仅是能源消费大国也是能源浪费大国，这主要是因为我国能源利用率相对较低。例如，钢铁行业的单位产品能耗比世界平均能耗高40%多。而灵活应用节能技术可以有效提高煤炭等资源的利用率，减少资源浪费。第二，有利于弥补能源缺口。从实际情况来看，我国人均能源可开采储量比世界平均水平低很多，其中人均煤炭可开采储量只有90 t，是世界平均水平的55%左右[2]。而我国能源消耗量的增长率却比世界平均水平高很多，基本达到了世界平均增长率的3倍。在这种情况下，我国能源储量将出现非常大的缺口。而利用节能技术可以缓解煤炭不足等矛盾，降低钢铁企业进行炼钢与轧钢的难度。第三，有利于降低生产成本，促进行业发展。在市场竞争愈加激烈的过程中煤炭价格不断上涨，加大了生铁制造成本。而应用节能技术可以在一定程度上降低对煤炭等资源的需求量，控制生铁制造成本，从而促进钢铁行业的良好发展。第四，有利于促进生态环境的可持续发展。我国大气污染十分严重，其中煤烟型污染在大气污染中占比较大。钢铁行业在生产过程中会燃烧大量的煤炭，继而排放大量的二氧化硫。应用节能技术可以有效减少煤炭燃烧，继而降低大气污染程度。从统计结果来看，钢铁企业每生产1 t钢就会排放3 kg的氮氧化物及8 kg的二氧化硫。应用节能技术之后可以有效控制污染物排放，促进生态环境的可持续发展。

钢铁生产的各个环节都会消耗大量的能源（见表2），需通过有效措施进行节能。

表2 不同环节单位能耗对比（部分）kgce·t-1

3.1 轧钢节能

在炼钢过程中生产的钢锭或连铸坯无法直接为工业生产提供支持，因此需要利用热轧法等方式对钢材进行塑型加工，这一过程就属于轧钢。在轧钢过程中需要利用机械设备改变工件的形态特征，所以会消耗大量的能源。因此，只有灵活应用节能技术才能够降低轧钢环节的能耗。常用的轧钢节能技术有热送热装技术、冷轧高精度钢节能技术和高温低氧燃烧技术等。第一，热送热装技术。利用这种技术手段可有效降低轧钢环节的能耗，例如利用一般热送热装技术对连铸坯进行处理可以节约35%的能耗，利用直接热送热装工艺进行处理可以节约65%的能耗[3]。同时，应用热送热装技术可以提高加热炉的生产能力、减少金属氧化烧损。第二，高温低氧燃烧技术。高温低氧燃烧技术指的是在温度1 000℃且含氧量在5%～8%的环境中进行燃烧，从而有效回收烟气余热，达到节约燃料的目的。从实际情况来看，大多数钢铁企业都会应用高温低氧燃烧技术，但部分钢铁企业的技术水平有待提升。

3.2 烧结节能

大多数钢铁企业都会利用烧结法将铁矿粉制成块状原料，即按照相应的比例将铁矿粉、焦粉及石灰混合在一起，并对其进行烧结处理，从而使其成为强度及粒度都符合要求的烧结矿。烧结环节会消耗大量的焦粉等资源，所以需要通过有效措施控制烧结工序的能耗。部分钢铁企业会通过有效手段降低固体燃料的消耗。固体燃料消耗在烧结工序能耗中占据75%～80%，所以若想降低烧结工序的能耗就需要降低固体燃料的消耗量。含铁原料的物理性质及化学性质、混合料的温度与粒度等因素都会对固体燃料的消耗量产生较大影响，所以企业会通过优化原料配比、控制混合料的粒度和提高混合料的温度等方式降低消耗量。

3.3 炼钢节能

炼钢环节也会消耗大量的能源，但炼钢炉在燃烧时会产生大量的煤气，所以多数钢铁企业会在炼钢炉中设置煤气回收装置，从而达到节能的目的。同时，钢铁企业会回收电除尘净化转炉所产生的烟气，并将烟气转变为冷却剂，从而进行二次利用。

3.4 冶炼节能

近年来，我国钢铁冶炼系统节能取得了明显进步，通过负能冶炼等技术手段降低了冶炼过程中的能耗，但我国的冶炼节能技术水平仍然落后于西方发达国家，所以需要加大节能技术的研究与引进力度。

4.1 干熄焦技术

干熄焦技术主要是利用冷的惰性气体在干熄焦炉中与赤热红焦进行换热，从而对红焦进行冷却处理。在这一过程中，惰性气体会吸收红焦的热量并将热量传输至废热锅炉中。而被冷却的惰性气体会通过循环风机再次进入到干熄焦炉中并对红焦进行冷却处理。在循环运行时，废热锅炉中会产生高压蒸汽或中压蒸汽，从而为电力生产提供助力。相比于其他节能技术，干熄焦技术具有可节约能源、可改善焦炭质量等优势。

（1）可节约能源。传统的熄焦技术是利用喷水的方式降温，没有吸收红焦的热量，造成了热量浪费。而干熄焦技术可以有效吸收红焦的热量，减少热量浪费。从实际情况来看，利用干熄焦技术可以回收红焦中80%～86%的热量，所以每处理1 t红焦便可以产生0.4～0.5 t的中压蒸汽或高压蒸汽[4]。

（2）可改善焦炭质量。干熄焦炉的预存室会对焦炭进行再次炼焦，且预存室会对焦炭进行逐渐冷却处理，所以可以减少焦炭的裂纹，增强焦炭的强度。例如，应用干熄焦技术可使焦炭的强度提高3%～5%并降低焦炭的含水量，从而在炼铁过程中降低综合焦比、达到节约铁资源的效果。同时，应用干熄焦技术也可以降低焦炭与焦粉的筛分难度，为烧结环节提供大量的原料。

（3）可改善环境。在应用湿熄焦技术时需要应用大量的冷却水，冷却水中含有氰、酚等有害物质，会造成环境污染。而应用干熄焦技术可以降低用水量，从而减少大气污染物的排放。

钢铁企业需要深入研究干熄焦技术，明确干熄焦技术的应用原理及优势，充分发挥干熄焦技术在钢铁生产中的作用，提高企业的节能水平。例如，某钢铁企业花费2亿元在钢铁生产系统中安装了汽轮发电机组及中高温压强制循环干熄焦余热锅炉等装置，每年可生产1.5亿kW·h电，并获取8 000万元的经济效益。

4.2 初冷器的余热利用

在生产过程中，焦炉煤气会以650～700℃的高温离开焦炉并通过上升管进入到桥管当中。集气管中的氨水会对焦炉煤气进行降温，使焦炉煤气的温度降低至82℃左右。在这一过程中若想提高煤气输送效率、全面回收化学产品就需要利用横管初冷器对焦炉煤气进行冷却处理，从而使焦炉煤气的温度降低至21℃。但传统的横管初冷器都是二段冷却结构，其中Ⅰ段进循环水的温度为32℃，可以将焦炉煤气的温度降低至45℃。经过Ⅰ段处理系统的处理之后焦炉煤气会进入到Ⅱ段处理系统中，而Ⅱ段处理系统中循环水的温度为18℃，可以将焦炉煤气的温度降低至21℃。这种横管初冷器虽然也可以降低焦炉煤气的温度，但是会造成热量浪费。因此，可以将传统的二段式初冷器转变为三段式初冷器，从而提高余热的利用效率。相比于二段式初冷器，三段式初冷器主要包括3个处理系统，即高温段处理系统、中温段处理系统及低温段处理系统，可以利用冷凝冷却的方式进行放热，吸收系统中的热量，从而为冬季采暖提供能源。在夏季时可以通过改造蒸汽型制冷机利用初冷器余热，即利用余热进行制冷，这样不仅可以降低焦炉煤气的温度也可以降低低温水的制取难度。初冷器余热利用技术的应用效果相对较好，所以部分钢铁企业利用初冷器余热利用技术进行了集中供热，部分钢铁企业将初冷器中的余热应用在了真空碳酸盐脱硫——制酸工艺当中，充分发挥了余热的作用。例如，某钢铁企业对初冷器余热进行了回收，每年可以产生8 700万元的效益。

4.3 炼焦煤调湿

炼焦煤调湿技术也是钢铁行业中至关重要的节能技术，可有效降低能耗。其中煤调湿指的是装炉煤水分控制工艺，可以在装炉之前对炼焦煤中的水分进行集中处理，从而降低炼焦煤的水分含量。常用的炼焦煤调湿技术包括导热油煤调湿技术、蒸汽煤调湿技术及流化床煤调湿技术等。第一，导热油煤调湿技术。这种技术就是将导热油当作载体，并利用换热器吸收焦炉煤气与焦炉烟道气中的余热。在这种情况下，导热油的温度会达到超200℃，便可以在干燥机中对湿煤进行加热处理，从而降低炼焦煤的水分含量。第二，蒸汽煤调湿技术。与导热油煤调湿技术不同，蒸汽煤调湿技术将蒸汽当作热源。所以在应用这种技术手段时可以利用低压蒸汽或干熄焦蒸汽在干燥机中对湿煤进行加热处理，从而降低炼焦煤的水分含量[5]。蒸汽煤调湿技术中常用的干燥机有2种结构，分别是蒸汽在管外、煤料在管内及蒸汽在管内而煤料在管外。第三，流化床煤调湿技术。在应用这种技术时需要在流化床干燥机当中利用焦炉烟道气对炼焦煤进行加热处理，降低炼焦煤的水分含量。从实际情况来看，相比于前2种技术手段，流化床煤调湿技术的可行性最强、效果也最好，所以需要加大对这种技术的推广力度。

应用炼焦煤调湿技术可有效降低炼焦煤的含水量、增加焦炉碳化室的装煤量，继而提升焦炉的生产水平。同时，应用炼焦煤调湿技术可以降低炼焦过程中的热能消耗、增强炼焦炉运行的稳定性，因此钢铁企业需要灵活应用这一技术手段。例如，某钢铁企业每年可生产100万t焦炭，在应用炼焦煤调湿技术之后将炼焦煤的水分含量从10%控制在了6%，降低了炼焦的耗热量。同时，钢铁企业利用弱黏结性煤取代了部分传统的优质炼焦煤，有效提高了炼焦炉的生产水平，减少了炼焦过程中产生的废水。

4.4 节能发电技术

节能发电技术可以将热能等能源转变为电能，常用的节能发电技术有烧结余热发电技术、干式TRT发电技术等。第一，烧结余热发电技术。这种发电技术可以将烧结过程中产生的余热转变为电能，但在应用这种技术时需要做好余热回收工作。在生产过程中，无论是烧结机还是冷却机都会产生废气，而这些废气的温度较高，所以钢铁企业应在烧结机的尾部及冷却机中设置余热回收装置，并利用这些余热进行发电。从实际情况来看，1t烧结矿产生的废气余热可以生产20kW·h的电能。例如，某钢铁企业在生产系统中设置了汽轮发电机组及烧结余热锅炉，每年可产生7 000万元的效益。第二，干式TRT发电技术。干式TRT发电技术即高炉炉顶余压发电技术，可以利用透平发电装置将高炉炉顶中煤气的热能及压力能转变为电能，在炼铁节能中发挥着重要作用。在应用这种技术时需要利用高炉炉顶中煤气的余压及余热将煤气导入到透平膨胀机当中，从而利用透平膨胀机将热能及压力能转变为机械能，从而为发电工作提供能源。从高炉炉顶煤气压力情况来看，每吨铁都可以产生30～50 kW·h的电能。同时，在高炉炉容相同的情况下，干法回收率更高一些。这主要是因为在干法工艺中煤气温度相对较高、透平做功的能力也比较高。例如，某钢铁公司在高炉中设置了干式TRT装置，每年可以生产2 000万kW·h的电能，继而获取900多万元的收益。

4.5 预热式热风炉使用

预热式热风炉技术是较为先进的节能技术，在钢铁行业节能中占据着重要地位。钢铁行业应深入研究预热式热风炉技术，明确技术的应用原理、提高技术应用效率。预热式热风炉技术将预热技术与热风炉结合了起来，指的是当热风炉处于燃烧过程中时，空气及煤气换热器会对冷空气、冷煤气进行预热处理并将空气与煤气输送至热风炉的燃烧器中，使空气与煤气在燃烧室中燃烧。空气与煤气燃烧过程中会产生大量的高温烟气，这些高温烟气会进入到热风炉的蓄热体中，而部分废气会进入到排烟道中并经过烟囱排入到大气中。常用的预热技术主要包括利用热风炉烟道废气对空气及煤气进行预热的技术；
在热风炉中设置加热系统，从而对空气与煤气进行预热的技术；
利用热风炉直接对空气与煤气进行预热处理的技术，其中第一种技术手段不仅可以提高空气与煤气的温度也可以提高废气利用率，但是在应用这种技术手段时需要设置金属板式或管状式的换热器；
第二种技术手段可以提高预热温度；
第三种技术手段可以通过预热助燃的方式提高空气的温度。

对冷空气与煤气进行预热处理后可有效提高热风炉燃烧火焰的温度，继而提高燃烧效率。某钢铁企业在高炉中设置了附加加热系统，对空气与煤气进行了预热处理，有效提高了燃烧温度。

在钢铁行业中应用节能技术具有重要意义，不仅可以降低钢铁行业的能耗，也可以缓解我国资源紧缺的现状、实现社会的可持续发展。钢铁企业需提高对节能技术的重视程度，加大对干熄焦技术、初冷器余热利用技术和炼焦煤调湿等节能技术的研究力度，充分发挥其在钢铁生产中的作用。