摘要：我國經(jīng)濟發(fā)展與社會發(fā)展的過程中，而鋼鐵行業(yè)在推動國民經(jīng)濟發(fā)展方面具有不可替代的作用。與此同時，鋼鐵行業(yè)對環(huán)境污染的問題也日益嚴(yán)重。有調(diào)查資料顯示，我國能量消耗方面，其中鋼鐵消耗占六分之一。為了推動我國進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展階段，改善高爐煉鐵工藝，促進(jìn)節(jié)能減排是非常有必要的。本文提出幾類與高爐煉鐵的節(jié)能減排方面相關(guān)的工藝，希望可以使得高爐煉鐵污染問題降低。
關(guān)鍵詞：高爐煉鐵；節(jié)能減排；可持續(xù)發(fā)展
1引言
當(dāng)前,我國非常重視節(jié)能減排，有關(guān)節(jié)能減排的要求會越來越嚴(yán)格。鋼鐵業(yè)要保持可持續(xù)發(fā)展，必須重視節(jié)能減排。煉鐵和燒結(jié)等工序占鋼鐵生產(chǎn)能耗的比重非常大，約分別占50%和10%。因此，關(guān)注煉鐵領(lǐng)域節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展非常重要。在中國進(jìn)步發(fā)展過程當(dāng)中，鋼鐵領(lǐng)域發(fā)揮著極為關(guān)鍵的影響，在極大程度上對國民經(jīng)濟進(jìn)步發(fā)展起到促進(jìn)作用。在鋼鐵企業(yè)滿足各方面需求的同時，其環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。而鋼鐵工業(yè)在制造生產(chǎn)過程中，所排放的二氧化碳在全球占總排放量的7％，在全球工業(yè)中二氧化碳的總排放量占15％。因此，現(xiàn)今鋼鐵工業(yè)面臨著巨大的減排壓力。有研究顯示，高爐煉鐵產(chǎn)量在全球產(chǎn)量中占 94％[1]。而高爐煉鐵過程中的二氧化碳排放與能耗占整個鋼鐵生產(chǎn)制造流程中的 80％及以上?；诖耍斜匾ㄟ^高爐煉鐵節(jié)能減排技術(shù)，從而有效緩解減排壓力[2]。
2優(yōu)化爐頂裝料
在整個高爐煉鐵過程中，為了確保煉鐵質(zhì)量，則需要將鐵礦石以及焦炭固體爐料持續(xù)裝進(jìn)爐頂；高爐內(nèi)部是高溫高壓冶煉的主要容器，在常溫狀態(tài)下經(jīng)過料車或者是膠帶機的提升將焦炭以及礦石運輸?shù)綘t頂之后，然后再投入到高爐之內(nèi)。裝料罐這個裝料的過程中發(fā)揮著極為重要的作用，同時有一個泄壓放散后受料以及充壓均壓之后再進(jìn)入到高爐之內(nèi)實現(xiàn)布料的一個過程。高爐煤氣的一部分經(jīng)過泄壓放散到空中，且會持續(xù)進(jìn)入到爐頂?shù)南羝髦?，依托消音除塵的作用再將其持續(xù)排入到大氣之中。雖然經(jīng)歷了消音除塵，但是依然含有 3000kJ·m-1熱值的二次能源，有毒性也有含塵，意味著未能達(dá)到無害標(biāo)準(zhǔn)，既會對人類身體健康造成損害，還會污染環(huán)境[3]。因此，必須想法辦法進(jìn)行回收。基于高爐煉鐵裝料工藝特點、頂部壓力、冶煉強度以及裝料罐大小等等因素，在裝料過程中經(jīng)過均壓放散所排入大氣的煤氣量為10m3·t-1.Fe~20m3·t-1.Fe，僅占噸鐵煤氣量的 1%，因為基數(shù)比較大，所以產(chǎn)量大那么排放量就很大。從相關(guān)統(tǒng)計來看，我國高爐煉鐵的年產(chǎn)量大約為7億噸左右，那么其排放量將為100億m3，其中還含有CO（16%~23%）[4]。CO被排入到大氣之后，一定程度上會被稀釋，但是依然會對人體健康造成傷害，而且比從CO2溫室氣體的情況更加嚴(yán)重。從能源消耗方面來看也非常巨大，基于相關(guān)統(tǒng)計與計算之后，得知高爐煤氣（1000m3）≈標(biāo)準(zhǔn)煤（100kg）。隨著社會各個領(lǐng)域?qū)︿撹F需求量的逐步增大，隨著煉鐵量的提升已經(jīng)對環(huán)境造成了極大的破壞。現(xiàn)階段，高爐煉鐵必須要高度重視如何減排，基于此，可以通過優(yōu)化爐頂裝料的方式來做到對煤氣的回收（如圖 1 所示）：
高爐煉鐵過程中，爐頂壓力通常為200kPa~300kPa而存在于煤氣管網(wǎng)之中的煤氣大約為12kPa的壓力。那么這里就會存在著巨大的壓力差，正因為有壓力差所以能夠為回收料罐的煤氣提供了持續(xù)的動力，從而實現(xiàn)了回收的目標(biāo)，且煤氣回收率能夠達(dá)到90%，該工藝值得全面推廣以及應(yīng)用[5]。
3燒結(jié)環(huán)保技術(shù)
3.1 燒結(jié)煙氣
燒結(jié)煙氣溫度比較低、排氣量大、污染物多且成分較為復(fù)雜，也是鋼鐵工業(yè)煙氣治理的重點與難點。近年來，我國不斷加大環(huán)保壓力，不斷升級環(huán)保要求。在這個背景下，鋼鐵工業(yè)的煙氣治理問題面臨非常大的壓力。歐洲各大國家對于本國所有的燒結(jié)廠都做出了相關(guān)要求，要求燒結(jié)廠能夠嚴(yán)格控制粉塵、氯化物、氟化物、NOx、SO3、CO 等排放。相關(guān)先進(jìn)技術(shù)分別有：
（1）MEEP（移動電極電除塵技術(shù)）與干法除塵技術(shù)：這兩種技術(shù)都能夠凈化燒結(jié)煙氣，在進(jìn)行凈化處理之后，煙氣中的二噁英含量會從原本的1.9ng·m-3下降到0.4ng·m-3。
（2）煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)（如 EPOSINT 技術(shù)），在燒結(jié)廠應(yīng)用后，能有效減少污染物產(chǎn)生。煙氣循環(huán)技術(shù)主要能夠減少燃料的消耗量與煙氣生成量。部分煙氣在進(jìn)行循環(huán)后，料層的上下部溫差會減小，有助于燒結(jié)廠改善燒結(jié)礦的質(zhì)量，并且能夠減少能耗。有試驗顯示，在應(yīng)用 EPOSINT 技術(shù)后，燒結(jié)廠的廢棄排放量能夠減少45％，而燃料的消耗量也能夠減少5kg/t[6]。
3.2 超級燒結(jié)技術(shù)
超級燒結(jié)技術(shù)是日本JFE鋼鐵公司所開發(fā)出來的新型技術(shù)，主要是從燒結(jié)機的上方部位向燒結(jié)材料的表面噴吹天然氣，然后達(dá)到減少燃料消耗，提升燒結(jié)礦質(zhì)量的效果。在燒結(jié)點火之后，向燒結(jié)材料表面噴吹天然氣可以將燒結(jié)的溫度提高到1200 ~1400℃。再者，天然氣與焦粉的燃點是不同的，使用天然氣噴吹，燒結(jié)的最高溫度不會太高，但是石灰與礦石的液相比、同化反應(yīng)卻能夠增大，能夠加速氣孔融合，從而提高燒結(jié)礦的強度。應(yīng)用天然氣噴吹后，孔徑在5 mm以上的氣孔數(shù)量會在短時間內(nèi)迅速增多，從而改善燒結(jié)材料層的透氣性。而未熔料中會殘留很多孔徑在1μm以下的微孔，從而改善燒結(jié)礦的還原性。有統(tǒng)計資料顯示，日本JFE鋼鐵公司在應(yīng)用超級燒結(jié)技術(shù)之后，每年能夠減少CO2排放6萬t 以上。近年來，在各大燒結(jié)廠應(yīng)用的超級燒結(jié)技術(shù)有：混合噴吹，氧氣、天然氣同時噴吹技術(shù)，在燒結(jié)廠應(yīng)用后，氧氣的濃度能夠從21％提升到27％，而天然氣的濃度則能夠達(dá)到0.4％。而且在進(jìn)行相關(guān)試驗后顯示，混合噴吹能夠提高燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度，減少氧化鈣的添加劑量，能夠減少還原劑的使用量[8]。
在燒結(jié)料表面噴吹焦?fàn)t煤氣，能夠提升燒結(jié)礦的質(zhì)量，能夠減少固體燃料的消耗。在進(jìn)行相關(guān)試驗后，結(jié)果表明，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度與粒度有所增加，燒結(jié)礦的還原性有所改善，CO2排放明顯減少，固體燃料的消耗明顯降低。液密封環(huán)冷機技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)，能夠?qū)Y(jié)廠的漏風(fēng)率從35％降到5％以下，基本上能夠消除粉塵外溢的現(xiàn)象，能夠從根本上改善燒結(jié)廠的現(xiàn)場環(huán)境。
4 煉鐵時環(huán)保措施
4.1 運用改進(jìn)裝置
想要確保金屬冶煉的時候節(jié)能以及環(huán)保，就需要把一些較為落后與傳統(tǒng)的裝置更換掉，來重新建設(shè)出環(huán)保、新型、大型且可以可持續(xù)發(fā)展裝置，進(jìn)而來達(dá)成污染與排放降低的目標(biāo)。由當(dāng)前數(shù)據(jù)信息來說，大型金屬冶煉裝置效率比傳統(tǒng)小爐子效率要大很多，并且使得二氧化碳排放極大的降低。除此之外，之前落后裝置還存有能量需要較高、可持續(xù)運用率較低以及產(chǎn)生大量污染氣體等多種狀況。伴隨裝置以及工藝的發(fā)展進(jìn)步，金屬冶煉裝置大型化為必然的趨向，大型冶煉爐可以進(jìn)行高效作業(yè)，使得污染氣體排放獲得極大降低，這會促使鋼鐵領(lǐng)域前進(jìn)以及發(fā)展。爐型大型化于短期內(nèi)雖然會使得公司費用負(fù)擔(dān)方面加重，不過于污染氣體排放費用這個角度進(jìn)行考慮，將會于長期內(nèi)得到收益，因此對金屬冶煉爐型實施改進(jìn)一定會對于公司發(fā)展進(jìn)步產(chǎn)生極為關(guān)鍵的推動影響。公司為更好地與持續(xù)變動的政策需要相適應(yīng)，就一定得及時將裝置更新，這對于公司發(fā)展與改革是有利的。
4.2 循環(huán)運用熱量
想要進(jìn)一步對金屬冶煉流程進(jìn)行改進(jìn)，需要把冶煉進(jìn)程當(dāng)中熱量循環(huán)應(yīng)用起來，而這個工藝為公司研究重點的方面，并且已在大量公司當(dāng)中獲得有效運用，還積累到大量實踐經(jīng)驗。分析冶煉進(jìn)程能夠得到，金屬的冶煉進(jìn)程當(dāng)中余熱包含了兩方面。其一為燃燒之后煙氣熱量方面的回收，他的氣溫于350℃附近；其二為金屬塊余熱回收，其溫度是比較高的，大致是800℃，為能耗關(guān)鍵的組成成分，因此實施余熱回收的時候這個部分的余熱為關(guān)鍵回收的部分[9]。該部分的熱量能夠在冶煉之前把鐵礦石實施預(yù)先加熱處理，這樣做可以使得能源合理的運用得到實現(xiàn)，使能量浪費減小，與可持續(xù)發(fā)展觀念是相符合的。
4.3 循環(huán)運用起廢棄固體
金屬冶煉進(jìn)程當(dāng)中會有大量固體殘渣產(chǎn)生，就像是礦渣等多種，其可以被重復(fù)運用。工藝持續(xù)創(chuàng)新以及提升使這種固體廢物能夠得到二次運用，廢棄固體的循環(huán)應(yīng)用已形成了一條成熟工藝。大家都了解，冶煉進(jìn)程當(dāng)中塵泥為用于將磷元素除掉的添加物，其能夠被重復(fù)用于一些流程。對礦渣而言也有著循環(huán)應(yīng)用必要，就像是能夠用在制造水泥。金屬冶煉循環(huán)應(yīng)用進(jìn)程當(dāng)中所產(chǎn)出廢棄固體可以使得資源的運用率得到極大上升，使垃圾的排放減少，這對可持續(xù)發(fā)展是有利的。
4.4 燃料替換
金屬冶煉進(jìn)程當(dāng)中，通常運用碳當(dāng)做關(guān)鍵燃料，不過燃燒碳產(chǎn)生大量環(huán)境污染狀況，因此，為使得環(huán)境污染減少需開發(fā)出其他新型的能源。一些發(fā)達(dá)國家已運用塑料與天然氣等燃料進(jìn)行鋼鐵冶煉。這些能源在中國還沒有得到推廣，關(guān)鍵是這種資源回收率較低，這對這個工藝的運用有著極大制約。除此之外還能夠運用著氫氣來當(dāng)做替代型能源，但是氫氣開發(fā)的程度較低，沒有使金屬冶煉需要得到滿足。
5高爐煉鐵的智能化與可視化工藝
5.1 高爐模擬與可視化的控制工藝
現(xiàn)在，高爐模擬關(guān)鍵是以計算流體力學(xué)（CFD）還有離散元措施（DEM）當(dāng)做基礎(chǔ)。前者關(guān)鍵用在對連續(xù)相的行為進(jìn)行描述，后者關(guān)鍵是對非連續(xù)相的行為進(jìn)行評價。參考離散元措施更加合理地對非連續(xù)相的行為進(jìn)行描述，還有近幾年來的計算能力提高以及建模措施進(jìn)步，該高爐模型最新的研究成果都是趨向兩類建模措施有機融合所構(gòu)成 CFD-DEM 模型。于CFD-DEM 措施方面，采取CFD措施對于流體部分實施預(yù)估，采取DEM措施對于顆粒部分實施求解，把兩者耦合就能夠使流-固兩相流動數(shù)值仿真得到解決。對高爐的內(nèi)部現(xiàn)象進(jìn)行了解對于高爐的穩(wěn)定順行實現(xiàn)有著關(guān)鍵影響。三維VENUS體系可以對于高爐爐身的壓力波動與料層構(gòu)造變動給出時間與空間方面明確且清晰顯示，對指導(dǎo)進(jìn)行高爐工作是有利的，使得穩(wěn)定運行以及燃料比下降得到實現(xiàn)[10]。
5.2 中國的高爐智能化與自動化工藝開始運用
高爐為逆流密閉的反應(yīng)裝置，下降爐料與上升煤氣間實施繁雜的傳質(zhì)、傳熱、動量的傳輸還有碳素溶損與還原反應(yīng)等方面，這將決定了高爐生產(chǎn)以及順行。高爐的操作人員經(jīng)過爐內(nèi)壓力、溫度、煤氣組成以及流量等波動狀況來對爐況進(jìn)行判斷。為精準(zhǔn)地把握與剖析爐內(nèi)的數(shù)據(jù)，高爐的可視化控制工藝被看做為對爐內(nèi)現(xiàn)象進(jìn)行檢測最為有效的方式。這個工藝涵蓋了激光在線料面形狀的探測工藝、爐頂攝像工藝、熱流強度的監(jiān)測工藝以及高爐風(fēng)口的紅外攝像與圖像處理工藝。
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