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热心网友：生态钢铁冶金的发展摘要　减少钢铁生产过程中CO2温室气体和有害物质的排放,增加处理废塑料等大宗社会废弃物的能力,利用化石燃料以外的其它可再生能源,与化工等行业构成工业生态链,是当今生态钢铁冶金的主要研究内容。论文中对国内外生态钢铁冶金技术的发展现状进行了较详细的概述,并指出了我国生态钢铁冶金技术的发展方向。关键词　生态　钢铁　环境　能源0　前言钢铁工业是典型的流程工业,在消耗大量资源、能源的同时,还产生许多排放物,排放物总量十分巨大。北美钢铁厂产生的高炉渣、转炉渣、电炉渣、铁水预处理渣、钢包渣等达222kg/t钢,粉尘、污泥及铁鳞量达70kg/t钢,废耐火材料量7kg/t钢,固体废弃物总量约为300kg/t钢[1]。钢铁厂排放的废水中含有油、酚、汞、铅、镉等有害物质,我国的废水排放量高达7t/t钢。钢铁厂排放的废气有CO2、SO2、NOX、二恶英等。2002年全世界的粗钢产量为9.02亿吨,按高炉铁水/粗钢比0.7t/t、CO2发生量按每吨高炉铁水为1.489t计算,钢铁工业CO2排放量达9.40亿t/年[2]。1996年,中国钢铁工业的SO2排放量为97.8万t,占全国工业SO2总排放量的7.5%。NOX的排放量与SO2大致相当。钢铁工业在高炉渣的利用、粉尘治理及循环利用等方面成效显著,但在废耐火材料利用、废水与废气的治理方面进展不大。巨大的资源和能源消耗,大量有害物质的排放,使得钢铁工业在为人类社会提供廉价钢铁材料的同时,还对人类赖以生存的生态环境造成严重的破坏。其影响有全球性的,如产生温室效应和形成酸雨;有较广大区域的,如废水对河流、地下水甚至海洋所造成的污染;还有炉渣、粉尘等对人员、居民的身体健康及局部生态质量产生的影响。我国目前处于工业化的初级阶段,对钢铁、有色金属、水泥、玻璃等基础材料的需求量巨大。因此,不能简单地反对发展钢铁工业等重化工业,重要的是要转变片面追求数量、大量消耗资源和能源、对环境先污染后治理的旧的发展模式,走生态钢铁冶金的道路,即大力提高生产效率,不断降低单位产品的资源及能源的消耗,提高产品的使用性能以减少钢铁材料的需求量,实现钢铁工业与自然生态的协调发展。下面笔者对世界生态钢铁冶金的发展现状做一介绍。1　减少钢铁生产的能量消耗钢铁生产需要能量,在消耗能量的同时向大气排放CO2、SO2、NOX等有害气体。因此,减少钢铁生产的能耗不仅有保护自然生态的作用,还有减少环境污染的作用。1.1　大力降低炼铁能耗在钢铁制造流程所有工序能耗中,炼铁工序最高。2002年及2003年,我国重点大中型钢铁企业炼铁系统能耗在综合能耗中所占比重分别为71.15%和74.88%(见表1)[3]。我国炼铁能耗在钢铁综合能耗中所占比例远远高于西方发达国家,这一方面降低炼铁能耗,首先要大力发展精料技术,还要在提高风温、改进操作、应用专家系统等先进技术等方面下功夫。与1980年代比较,我国的炼铁能耗有很大降低。2003年我国重点钢铁企业炼铁高炉的平均入炉焦比为433kg/t铁,喷煤比118kg/t铁,燃料比551kg/t铁。我国炼铁高炉的燃料比以宝钢最低,2003年大块焦单耗为287.33kg/t铁,小块焦单耗为12.53kg/t铁,煤粉单耗为186.63kg/t铁。全世界炼铁高炉的燃料比以德国最低,为475kg/t铁。因此,我国在降低炼铁高炉能耗方面还有很大空间。1.2　优化从钢水到轧制的工艺铸造是钢铁制造流程中的关键工序,其任务是完成从液体到固体的相变,向材料加工工序(轧钢)提供原料。铸造方法、铸造产品的几何形状,对于钢铁厂的能耗和效率具有全局性的影响(见表2)[4]。与模铸工艺相比,连铸工艺实现了第一次飞跃,可节能6.3~8.4GJ/t坯,提高成材率10%~15%。其节能的的效果不仅表现在减少中间加热和能耗及提高成材率上,而且还表现在从高炉开始一直到最终成品工序的工艺优化、输送优化所带来的综合节能上。与普通连铸工艺相比,薄板坯连铸—连轧可降低能耗50%,提高成材率1.8%。正在开发的薄带连铸工艺,能够取消中间加热环节和节省加热所需要的能量,进一步提高成材率。2　采用环境友好的工艺技术2.1　干熄焦和低水熄焦技术用水熄灭从炼焦炉中推出的赤热焦炭,将产生大量废气和废水,严重污染环境,同时浪费大量的能源。干熄焦用氮气取代水,能够显著改善焦炭的质量(M40提高3~8个百分点,M10降低0.3~0.8个百分点),回收红焦显热(1.25MJ/t焦),还可大大减轻对环境的污染。长期以来,干熄焦的主体设备依赖进口,价格昂贵,干熄焦技术推广缓慢。随着装备的国产化,这项技术将在我国迅速得到推广。低水熄焦可以大大减少熄焦的用水量和污染物的排放,而且技术难度和投资都比干熄焦小,因此在欧美等国也得到了发展。2.2　非回收型炼焦技术为了减少焦炭生产对环境的污染,美国Sesa炼焦公司建起了非回收型焦炉[5]。这种炼焦工艺不回收化工副产品,而是将其燃烧回收热能。生产时看不到明显的污染物排放,而且产量提高30%,焦炭质量改善。非回收型焦炉的投资少于传统焦炉,操作也比较容易。这种技术在美国、德国、印度等国家已经被采用,据说在我国山西省也有类似的焦炉出现。2.3　固体废弃物的循环利用技术高炉尘、转炉渣、轧钢皮等含铁废弃物,可作为烧结原料得到利用。高炉尘还可随煤粉喷入高炉代替一部分焦炭。炼钢渣可用来生产铁水处理渣。转炉尘中含有铁、锌等有价元素,美国Midrex公司与日本神户公司联合开发的Fastmet流程能够有效地利用转炉尘等冶金粉尘[6]。该技术的核心设备为转底炉。首先将粉尘配加煤粉制成含碳球团或压块,然后送入转底炉进行预还原。由于反应温度高,料层仅铺一层球团矿,因此还原速度很快,在6~10min内金属化率即可达85%~95%。1996年在日本加古川市建成的示范工厂,转底炉的炉床直径为28m,年处理21万t转炉尘,产品为热态直接还原铁和氧化锌粉,还原铁直接装入转炉冶炼铁水。铁水的成本为55~95$/t。2002年,我国山西翼城和河南巩义市先后建成了100m2的转底炉[7]。与Fastmet流程不同的是,其原料不是冶金粉尘,而是一般的铁矿石和煤粉。冶金废渣资源化的途径还有很多,例如将转炉渣用来修路、堆建海洋生物养殖基地[8]、制砖等;将废弃耐火材料用作生产铝酸钙、白云石和氧化镁的原料,然后再生产钢包熔剂、浇注料、造渣剂、喷补料等产品。将炼焦厂的煤焦油污泥和沥青状残渣参加配煤生产高炉冶金焦,配比可达20%。2.4　高炉以外的新炼铁法高炉的优点很多,但缺点是必须使用块状的矿石和焦炭,这就使得高炉炼铁工艺除了依赖日益减少的焦煤资源外,还在配套的矿石造块和炼焦工序对环境造成严重污染。因此,人们一直在研究开发新的炼铁方法来代替高炉。高炉炼铁工艺以外,能直接生产铁水并已工业化的新炼铁工艺迄今为止只有COREX法。已投产的COREX工艺,生产量最大的为C-2000,已有4套。C-3000在设计中,尚未投入商业运营。以COREX原理为借鉴的FINEX正在开发之中。表3为印度Jindal公司COREX装置的实际生产指标[9]:以两套装置的月平均值为分析依据,燃料比993.5kg/t铁,其中:焦比138.6kg/t铁,煤比853.9kg/t铁。COREX流程CO2排放量比高炉流程多。与2003年我国重点大中型企业高炉比,CO2排放要高出21.2%[10]。但是,COREX流程的酚、氰化物、硫化物、氨等的排放量比高炉少得多[11],还可处理烟尘、泥渣、轧钢皮等钢铁厂内部的废料,以及含油铁鳞、废塑料、破碎轮胎、有机残余物等社会废弃物[12]。3　消化和处理社会废弃物利用钢铁厂的生产装置处理和利用社会大宗废弃物,是生态钢铁冶金的一项重要内容。处理方法为高温燃烧,这样既可利用废弃物中的能量,又可分解废弃物中的有害成分。3.1　高炉喷吹废塑料、轮胎、油脂等由于不能在自然界的环境中自动降解,废旧塑料已成为影响城市生态环境的一大难题。早在1990年代,德国不莱梅钢铁公司即开始在生产高炉上从风口喷吹废塑料,之后迅速在全德国得到推广。喷吹废塑料,事先要经过破碎和制粒以满足输送和喷吹的要求,还要控制氯的含量,以免影响高炉的顺行。我国也进行了高炉喷吹废塑料的研究,但至今没有实现工业应用,分析有两方面的原因。一是缺少必要的政策扶持。德国高炉每喷吹1t废塑料能够从政府拿到一定的财政补贴。二是社会上还没有形成垃圾分类收集和储存体系。废旧轮胎和废油脂也是碳氢化合物,燃烧时可释放大量能量。国外有不少高炉进行过喷吹废旧轮胎和废油脂的试验。3.2　焦炉利用废塑料炼焦废塑料除了可利用高炉进行处理以外,还可作为炼焦的原料生产焦炭[13]。日本新日铁公司的试验表明,添加到炼焦配煤中的废塑料,能够同时生产焦炭、焦油、轻油和煤气;添加量为1%时对焦炭质量没有不利影响,焦炭的DI和CSR指数保持不变。2000年在加古川厂和君津厂分别投产了年处理废塑料8万吨的炼焦厂。我国首钢也已经完成了利用废塑料炼焦的试验研究。4　开发环境友好的钢铁产品提高钢铁材料的性能,减少用量,延长使用寿命,降低车辆等以钢铁为原料的机电产品的动力消耗,是生态钢铁冶金的又一项重要内容。为了解决热镀锌钢板在加工时因出现破口而造成腐蚀的问题,德国开发出一种新的锌、镁复合涂层法,即在镀完锌的钢板表面,经过清理再加镀一层金属镁。还可以用气相沉积的方法,在锌层上涂上厚度仅有0.4~1.5μm的金属间化合物MgZn2。对于板、带材来说,开发新材料有两种途径。一种是开发易变形的软钢,用于制造复杂几何形状的产品,例如TRIP钢在抗拉强度超过590MPa时,冷成型的延伸率可达60%。另一种途径是开发高强度或超高强度钢板,例如TWIP钢的抗拉强度超过1400MPa,常温延伸率可达35%,用做汽车面板在汽车受撞击时,可以变形吸收能量的方式为乘客提供一个高强、安全的空间。使用这种材料还能够减少汽车车体的重量。欧洲自2004年开始进行的COST科研项目,集中了来自13个国家的科研力量,开发含Cr 10%~11.5%、较高硼含量的铁素体-马氏体钢,以适应在高温和高压下使用的要求[14]。5　氢冶金[15]无论采用何种工艺,只要是用化石燃料做还原剂和加热剂,都不可能从根本上解决钢铁工业巨大的温室气体排放问题。由热力学可知,在高于850℃的温度下氢气的还原能力比CO高。如果用氢气进行铁氧化物的还原,就意味着零CO2排放。这就是研究氢冶金的初衷。实际上,目前某些气基直接还原法就是用氢气进行还原。例如,Midex和HyL-III竖炉法使用的是用天然气重整得到的氢气和二氧化碳的混合气体,在委内瑞拉、澳大利亚等国建设的Finmet流化床法工厂使用的是纯氢气。问题的关键是如何得到丰富而廉价的氢气。可以使用化石燃料转换,但需要研究高效地脱除和储存同时生成的CO2的问题。可以使用生物质,但是实现大规模生产有困难。最理想的方法是使用化石燃料以外的能源发电,再用电解水的方法生产氢气。这些能源包括核能、风能、水力、潮汐、地热等。理论上讲,这些能源的储量十分巨大,例如,我国太阳能辐射量超过13543亿t标准煤/年,风能总量为1.721亿t标准煤/年,但要实现大规模而有效的利用还有很长的路要走。6　与其它工业过程耦合减少总的能耗和污染排放高炉水渣一般用作水泥工业的混合材,与水泥熟料、石膏等一起细磨,生产矿渣水泥,细度要求达到310m2/kg以上,掺加量小于40%。生产的水泥质量高,能耗也低。将高炉水渣细磨到400m2/kg以上,得到的水渣超细粉还可直接用作商品混凝土。如北京地铁复八线八王坟车辆段工程,使用的混凝土中水渣超细粉占27%~35%[16]。这是钢铁工业通过与其他工业过程耦合以减少能耗和有害物质排放的很好的例子。甲醇(CH3OH)可以作化工原料,可以代替汽油作动力燃料,而且用纯甲醇或掺甲醇汽油可以减少汽车尾气的NOx含量。1993年全世界的甲醇消耗量超过了2000万t。曾探讨过把高炉和甲醇合成反应器联合在一起的可能性,其目的是要省去传统工艺中能耗最高的煤气发生器。为了增加高炉煤气的H/C比,可从高炉风口喷吹天然气[17]。以钢铁厂为中心构造工业生态链的想法具有很大吸引力。这是因为,钢铁厂往往位于城市的周边,城市对于钢、塑料、玻璃、水泥、铝等基本材料的消费量巨大,废弃量也很大,对于热能(蒸汽、热水)的需要量也很大,同时还产生大量的社会垃圾和废弃物需要处理利用。这些都与钢铁厂有密切关系。另外,钢铁厂一般拥有自己的港口和运输系统,具有物质流、资金、人才、技术等方面的优势。因此,以钢铁厂为中心,与造船、集装箱、水泥、建筑等工业结合,有望构成一个完整的工业生态链。在这个工业生态带内,能够使资源、能源、资金等得到充分的利用,降低单位产品的环境负荷。7　结束语我国实现工业化需要强大的钢铁工业支撑。发展生态钢铁冶金既是保持钢铁工业可持续发展的需要,更是保护人类生存环境、建设和谐社会的需要。生态钢铁冶金涉及现有工艺技术的改进和流程优化、环境友好新技术的开发应用、以钢铁工业为中心构建工业生态链等重要内容,是一门着眼于生态系统持续发展的整体性科学。目前,我国在炼铁系统能耗、薄带钢连铸、高性能钢铁材料研究、废塑料处理利用等方面,与国际先进水平仍然有很大差距,应用熔融还原新工艺仅仅刚刚起步。今后,我们要进一步提高对生态钢铁冶金重要性的认识,加强对有关新技术的跟踪和研究,振奋精神,为实现钢铁工业与自然生态的和谐发展而努力。8　参考文献[1]　Perter 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