全球鋼鐵行業(yè)探路綠色化

大氣網訊:鋼鐵生產過程涉及大量物質、產品流以及大量能量轉換，伴隨著多種形式的污染物排放，大批廢棄物對環(huán)境會造成不同層次和不同程度的影響。濃煙滾滾的近代鋼鐵行業(yè)既造福人類，也背上了污染大氣的罵名。為了擺脫這種窘境，全球先進的鋼鐵企業(yè)不斷探索綠色化轉型的道路并取得不少進展。在“十三五”規(guī)劃收官之年，對標國際先進水平，實現鋼鐵行業(yè)排放的大幅削減顯得尤為重要。

冶煉流程決定污染物排放多寡

為深化工業(yè)污染治理、堅決打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，近年來國家多部門堅持不懈地推進鋼鐵行業(yè)升級轉型，促進經濟向高質量發(fā)展轉變。

讀者們印象中的鋼鐵冶煉少不了高爐林立，但從細分上，目前的鋼鐵生產工藝大體可以分為一長一短兩大流程。其一是從礦石到鋼鐵的“長流程”，即以鐵礦石、焦炭等為原料，采用燒結爐、高爐和轉爐等設備生產鋼鐵的過程；其二是利用廢鋼為主要原料，采用電弧爐和中頻爐等設備，進行廢鋼重熔精煉的工藝過程，其中電弧爐的應用最廣泛，因此“短流程”通常指電弧爐煉鋼。

圖｜捷克共和國俄斯特拉法的一家鋼鐵廠的除塵設備，歐盟國家的鋼鐵廠普遍注重除塵和凈化。

發(fā)達國家鋼鐵產業(yè)污染程度更輕的一個重要原因就與上述不同流程有關，因為“短流程”的電弧爐煉鋼污染物排放要更少。一方面，電能具有清潔、高效、方便等優(yōu)點，是工業(yè)化發(fā)展的優(yōu)選能源，尤其是可持續(xù)的“綠色”電能更具有重要的環(huán)保意義；另一方面，電爐煉鋼是一種鐵資源回收再利用過程，也是一種處理污染的環(huán)保技術。有數據顯示，由于歐美廢鋼鐵回收率很高，歐盟近年來電弧爐出產的粗鋼占自身總產量四成以上，相比之下多年來我國鋼鐵企業(yè)采用電弧爐不到一成，遠低于世界平均水平。不過隨著國內廢鋼產量的增加以及電力成本的降低，我國電弧爐煉鋼產量比例提升很快，未來成長空間很大。這一事實也有力地說明了循環(huán)經濟對鋼鐵行業(yè)治污的重大意義。

與燃煤發(fā)電行業(yè)相比，鋼鐵行業(yè)的煙氣成分更加復雜，在技術和經濟性上存在諸多挑戰(zhàn)。接下來，我們具體從技術和設備等角度對發(fā)達國家的鋼鐵行業(yè)治污做一下了解。

歐盟從除塵和凈化入手

2019年，歐盟28國的粗鋼產量為1.594億噸，遠遠少于中國的9.963億噸。歐盟加強鋼鐵工業(yè)的污染物排放控制既得益于法律法規(guī)的約束，同時也與其解決環(huán)保技術難題相結合，這主要體現在燒結程序和高爐有害氣體凈化方面。

歐盟的鋼鐵燒結廠普遍極其重視提升除塵技術。所謂燒結，簡單講就是把細粉狀原材料通過反應變成塊狀物料，并在物理性能和化學組成上能滿足下一步加工要求的過程，這個過程中產生的有害廢氣量很大。對燒結廠廢氣排放的嚴格限制，使歐盟的鋼鐵企業(yè)采用多種技術解決廢氣排放的問題，如活性炭吸附工藝、移動電除塵、廢氣干法凈化和煙氣循環(huán)等。

燒結廢氣中的粉塵有一定的電阻，不能采用傳統(tǒng)的靜電除塵方法使之沉積，脈沖極板不能完全地將黏性很強的粉塵清掃掉。而使用移動式極板，粉塵可以被旋轉鋼絲刷清掃干凈，這樣就能避免受到反吹的不良影響，實現對燒結廢氣更好地除塵。這項移動電極靜電除塵技術設備安裝在德國艾森許騰斯塔特工廠的燒結機上，取得了很好的除塵效果。

圖｜在18世紀的人們的眼中，高爐是一個噴云吐霧的龐然大物。

為了消除燒結煙氣中二噁英的排放，歐盟有些鋼鐵企業(yè)向廢氣管道內噴吹褐煤半焦粉末、環(huán)形爐焦粉或活性煤作為吸附劑。環(huán)形爐焦粉或活性煤是有效的二噁英吸附劑，它可以與電磁濾袋和布袋結合起來使用。德國迪林根的羅吉薩燒結廠、薩爾茨吉特鋼鐵公司和蒂森克虜伯歐洲分公司的燒結廠，都在末端凈化處理的布袋設備使用了拖拽流吸收工藝，廢氣經5600個布袋過濾，大大降低了二噁英排放濃度，能夠達到所有的排放指標。

歐盟在高爐煉鐵上對污染源的凈化與減排抓得很緊。高爐區(qū)域有害氣體排放的主要污染源是高爐爐頂煤氣、出鐵場和熱風爐。高爐爐頂煤氣經凈化后，通常用作鋼廠不同加熱設備的燃料。爐頂煤氣凈化系統(tǒng)包括粉塵捕集、旋風除塵和煤氣清洗設備，出鐵場使用了多聯(lián)除塵系統(tǒng)，還有許多高爐將高爐渣直接?；@都有效降低了有害氣體與粉塵的排放。

先進產鋼國重視VOCs減排

目前，業(yè)內普遍認為鋼鐵生產過程焦化工序產生揮發(fā)性有機物（VOCs），燒結工序由于使用燃料，也是VOCs來源之一。所謂VOCs，是以氣態(tài)分子形態(tài)排放到空氣中的所有有機化合物的總稱，是臭氧和PM2.5的重要前體物。一般認為鋼鐵工業(yè)燒結過程中，VOCs是由焦炭、含油氧化鐵皮等原燃料中的揮發(fā)性物質形成的，以氣體形式排放，在某些操作條件下同時形成二惡英和呋喃。發(fā)達國家鋼鐵工業(yè)在減少燒結過程VOCs排放方面，采取了三類措施——源頭削減、過程控制和末端治理。

在源頭削減方面，由于大部分碳氫化合物在100攝氏度至800攝氏度時在燒結混合物中揮發(fā)，并且通過廢氣從燒結過程排出，因此減少含油粉塵和軋屑使用可減少VOCs排放。這方面的主要技術包括：分開挑選低含油量的粉塵和軋屑以限制油類投入；減少軋屑的含油量；凈化軋屑，加熱軋屑至800攝氏度，使石油碳氫化合物揮發(fā)；使用溶劑從軋屑中提取油類等。

在過程控制方面，可以采用燒結煙氣循環(huán)工藝將燒結臺車的部分熱廢氣（即燒結機頭煙氣）再次引入燒結料層循環(huán)利用，熱廢氣所含的VOCs在通過1300攝氏度以上的燒結帶時被分解。

圖｜西班牙薩貢托港的高爐，如今已停產并對游人開放。

燒結煙氣循環(huán)利用不但可以顯著減少廢氣排放總量及污染物排放量，且能回收煙氣中的余熱、降低燒結工序能耗、改善燒結礦質量，具有較大的節(jié)能減排和推廣應用價值。日本是最早開展燒結煙氣循環(huán)技術應用的國家。1981年，世界首套煙氣循環(huán)工藝裝置在日本住友金屬工業(yè)公司小倉鋼鐵廠的燒結機上投入運行。國外典型煙氣循環(huán)工藝主要有4種，分別是日本新日鐵公司開發(fā)的區(qū)域性廢氣循環(huán)技術、荷蘭艾默伊登公司開發(fā)的排放優(yōu)化燒結技術（EOS）、德國HKM公司開發(fā)的燒結過程降低排放和能耗優(yōu)化技術（LEEP）、奧地利奧鋼聯(lián)公司開發(fā)的燒結環(huán)境工藝優(yōu)化技術（EPOSINT）。

在末端治理方面，主要技術有日本的活性炭法和奧鋼聯(lián)的“高性能燒結廢氣凈化法（MEROS）”。《環(huán)境與生活》雜志記者從專業(yè)文獻上了解到，國外先進產鋼國家對燒結煙氣VOCs的控制較為嚴格，治理也取得較大的進展。自2012年以來，我國VOCs治理行業(yè)發(fā)展大大加快。

歐盟和日本摸索以氫代焦炭技術

今年9月，中國國家主席習近平在紐約聯(lián)合國大會上宣布，中國爭取在2060年前實現碳中和。對于我國這樣一個傳統(tǒng)的高爐流程占據很大比重、環(huán)境負荷高的鋼鐵生產國，要實現鋼鐵產業(yè)的節(jié)能減排和健康發(fā)展就要研發(fā)和嘗試更多的綠色技術。

圖｜塔塔鋼鐵公司在荷蘭艾默伊登的工廠進行了長時間的海薩納項目試驗，治污減排效果明顯。

上世紀五六十年代，歐美開始了氣基直接還原煉鐵技術的探索，大幅減少硫化物和氮化物排放。但這些早期開發(fā)的各種非高爐煉鐵技術，主要是為了解決減少硫化物和氮化物的排放和優(yōu)質焦煤資源短缺等問題，而且在實際工業(yè)應用時總能耗未呈現顯著的降低，二氧化碳減排問題也未得到徹底解決。近些年來，面對《巴黎協(xié)定》二氧化碳排放量削減的艱巨任務，鋼企尤其是長流程鋼企如何有效降低二氧化碳排放強度成為亟待解決的問題。以歐洲“超低二氧化碳煉鋼（ULCOS）”項目、日本“環(huán)境和諧型煉鐵工藝技術開發(fā)項目（COURSE50）”和德國的碳變化工產品項目（Carbon2Chem，能將鋼廠廢氣轉化為合成燃料甲醇）為代表的技術，追求低碳煉鐵，為探索低污染和低碳煉鐵工業(yè)化的路徑做了有益的嘗試。

歐洲的ULCOS項目在低碳高爐煉鐵新技術方面，研究了爐頂煤氣循環(huán)工藝，該工藝的亮點之一是使用回收的一氧化碳作為還原劑，減少焦炭用量。

日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排，開發(fā)了部分使用氫代替焦炭作為還原劑的氫還原煉鐵法，并預期通過該支柱技術研發(fā)應用而實現的碳減排目標為10%。2015年，新日鐵公司在住金君津廠建成了小型試驗高爐（容積10立方米）進行高爐風口噴吹試驗，隨后進行了爐體拆解研究，確認部分使用氫作為還原劑的氫還原煉鐵法可使二氧化碳排放量低值接近期望的減排目標。2018年11月，日本鋼鐵聯(lián)盟提出了以2100年為目標的“挑戰(zhàn)零碳鋼”的地球變暖對策長期愿景，計劃在2030年將COURSE50項目投入運行，待條件成熟后，將進行不使用高爐的氫還原鐵的開發(fā)。

此外，德國的蒂森克虜伯集團與液化空氣公司合作，計劃到2050年投資100億歐元開展“以氫代煤”高爐冶煉項目。2018年11月，蒂森克虜伯正式將氫氣通過一個風口注入杜伊斯堡9號高爐，進行氫煉鐵試驗。這標志著該項目一系列測試的開端，2019年蒂森克虜伯宣布試驗成功。蒂森克虜伯還計劃從2022年開始，在該地區(qū)其他三座高爐都用氫氣代替煤進行冶煉，從而降低鋼鐵生產的污染物和碳排放。用氫氣代替焦炭，充足和來源可持續(xù)的氫氣供應不可或缺。杜伊斯堡的這次試驗，液化空氣公司通過其位于萊茵-魯爾區(qū)全長200 公里的管道確保穩(wěn)定的氫氣供應。

由于超高溫核反應堆（VHTR）的反應產物是氫氣與電能，這給了韓國以新的設計思路。早在2009年，韓國原子能研究院與浦項制鐵公司等韓國13家企業(yè)及研究單位共同簽署原子能氫氣合作協(xié)議，正式開展核能制氫信息交流和技術研發(fā)。2010年5月，浦項制鐵正式著手開發(fā)超高溫反應堆。預計2025 年開始反應堆試運行，預計2030 年在2座高爐實際投入使用，到 2040年在12座高爐投入使用，從而完成氫還原煉鐵。

另外，瑞典鋼鐵公司（SSAB）、瑞典大瀑布電力公司和瑞典礦業(yè)公司正在聯(lián)合開發(fā)非化石能源鋼鐵項目“突破性氫能煉鐵技術（HYBRIT，即HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology的縮寫），主要采用氫氣替代煤炭作為還原劑，目標是在2035年之前創(chuàng)建使用非化石能源的鋼鐵生產工藝。該項目有望減少瑞典二氧化碳排放總量的10%，芬蘭二氧化碳排放總量的7%，得到了瑞典能源署部分資金支持。在瑞典國內，這一減排量將對該國達到減排目標起到重要作用。

重視從“大環(huán)?！鄙祥_展鋼鐵治污

前面我們用大篇幅從具體技術和設備角度介紹了國外鋼鐵行業(yè)的污染治理情況和趨勢，著眼點較為具體，這些思路和技術在國內通常稱為“小環(huán)保”。相比之下，在策略、流程、管理和政策等方面開展鋼鐵行業(yè)治污的工作則被稱為“大環(huán)?！薄?/p>

鋼鐵在生產、運輸、裝卸、儲存、轉移、輸送過程中顆粒物無組織排放的問題，是個全球性的突出問題，德國在這方面對車間和料場等無組織排放實行分類管理。對于車間無組織排放，嚴格控制煉鋼車間的密閉措施，盡量減少車間內的冶煉二次煙氣外溢情況出現。對于料場無組織排放，在保證廠界外達到環(huán)境質量標準的前提下，未對鋼鐵企業(yè)提出料場全封閉等成本較高的措施要求。歐盟鋼鐵行業(yè)的最佳可行技術（BAT）要求，通過直接測量、間接測量、排放系數等方法確定無組織排放大小。

長期以來，日本的鋼鐵公司密切關注循環(huán)經濟政策和法律。日本于1995年頒布了《容器包裝再生法》和《家電再生法》，并從2000年和2001年開始全面實施。2000年，日本又頒布了《建設循環(huán)型社會基本法》及《資源有效利用促進法》等一系列配套法規(guī)，從而推動了循環(huán)經濟的健康發(fā)展。按照《資源有效利用促進法》的規(guī)定，鋼鐵工業(yè)作為資源高消耗行業(yè)，在做好節(jié)能和節(jié)約資源的同時應充分利用好企業(yè)內部的工業(yè)“三廢”。日本鋼鐵聯(lián)盟在其2010年節(jié)能、環(huán)保志愿計劃中，除明確直接節(jié)能10%和工業(yè)“三廢”基本不外排以外，還要求在冶煉過程中使用廢塑料，通過低溫余熱供應社區(qū)和發(fā)展高效鋼材實現節(jié)能5.5%的廣義節(jié)能任務。

鋼鐵產業(yè)治污 中國迎頭趕上

我國是世界上最大的鋼鐵生產國。國家發(fā)改委提供的資料顯示，2019年全國生鐵、粗鋼和鋼材產量分別為8.09億噸、9.96億噸和12.05億噸，同比分別增長5.3%、8.3%和9.8%，粗鋼產量再創(chuàng)歷史新高。近年來，通過采取結構優(yōu)化、重點地區(qū)企業(yè)異地搬遷、強化末端污染治理等措施，我國積極推進鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排工作，并取得了重要進展。這些措施使得在全國鋼鐵產量上升的同時實現了污染物排放總量下降，但由于鋼鐵行業(yè)總產量巨大，排放水平參差不齊，行業(yè)總排放量依然高企不下。

據業(yè)內人士披露，目前我國鋼鐵產業(yè)脫硫、除塵的工藝已經十分成熟，能夠實現超低排放相應的指標，在技術路線上也有很多的選擇，但在鋼鐵燒結、球團工序上煙氣波動比較大，沒有適應現有成熟脫硝工藝技術的溫度氣段?，F有技術如何結合煙氣特點做適當的變化，以提高鋼鐵工業(yè)煙氣凈化成效，應成為當前我國工業(yè)煙氣污染治理領域重要的科研攻關方向。

另外，隨著我國城鎮(zhèn)化速度的提升，我國很多鋼鐵企業(yè)被城區(qū)包圍，面臨的環(huán)保敏感度越來越高。位于南京的寶鋼股份上海梅山鋼鐵股份有限公司，也因此在探索城市鋼廠與城市功能共融共生的解決路徑，向綠色鋼廠轉型。2017年12月，梅山鋼鐵的燒結煙氣干式超凈及催化氧化吸收協(xié)同脫硝裝備順利通過了168小時運行考核，現場排放檢驗表明遠低于京津冀大氣污染傳輸通道城市大氣污染物特別排放限值。該設備運行至今，標志著全球首套可實現燒結煙氣多污染物干式協(xié)同處理的超凈裝備正式誕生。

近些年來，全球鋼鐵企業(yè)根據本身的實際情況，選擇發(fā)展不同的鋼鐵生產工藝流程，環(huán)境友好始終是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展不可缺少的重要課題。在此大背景下，國內鋼鐵行業(yè)更需加快推進污染治理步伐，貫徹好生態(tài)環(huán)境部等部門去年發(fā)布的《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，推動全國尤其是重點區(qū)域大氣環(huán)境質量持續(xù)改善，為自身可持續(xù)發(fā)展贏得空間。