鋼鐵企業焦化工序節能減排途徑探討

馬芳芳,盧振蘭

(吉林農業大學 資源與環境學院,吉林 長春 130118)

鋼鐵企業焦化工序節能減排途徑探討

馬芳芳,盧振蘭

(吉林農業大學 資源與環境學院,吉林 長春 130118)

摘要:從焦化技術改進、資源綜合利用、余熱回收利用三方面探討了鋼鐵企業焦化工序節能減排途徑。分析了搗固煉焦、干熄焦等技術,為鋼鐵企業實施節能減排提供參考。

關鍵詞:節能減排;焦化;干熄焦;基礎

1引言

2013年我國多個城市先后發生霧霾,大氣污染已經向我國敲響了節能減排的警鐘,鋼鐵行業無疑是主要因素之一。中國GDP增速低于能源消費增速,鋼鐵等高能耗、高污染工業對國民經濟貢獻雖不算大,卻是節能減排潛力最大的行業之一。此外《鋼鐵工業“十二五”發展規劃》要求鋼鐵行業單位工業增加值能耗和CO2排放分別下降18%,而焦化工序既為煉鐵等工序提供原材料,其生產的成品焦炭、產生的焦爐煤氣、余熱等二次能源也是鋼鐵企業的能源基礎,鋼鐵行業焦化工序節能減排工作任重而道遠。

2中國鋼鐵行業焦化工序的能效概況

鋼鐵廠一般由燒結、焦化、煉鐵、轉爐、電爐、熱軋、冷軋等幾部分工序組成,其中焦化工序耗能142kg標煤/t,焦化工序是鋼鐵企業中消耗資源最多,污染最嚴重的工序,其排放的CO2約占鋼鐵企業排放總量的12%,其能耗占整個鋼鐵工序的13%以上,焦化工序不僅大量耗能還排放大量的以顆粒物、BaP、SO2、NOX等為主要代表的大氣污染物,難處理的酚氰水及焦油渣等固體廢棄物,焦化工序為鋼鐵生產提供原材料,處于剛鐵生產的要塞,如圖1所示。此外焦化工序余熱余能利用率低,未被利用余熱余能約50kg/t 焦,從圖2可以看出近年來我國產焦量持續增加,截止于2013年我國約有238萬tce余熱未被利用,隨著工業發展,“十二五”期間我國國內焦炭的需求量與生產量依舊會持續增加,我國鋼鐵行業焦化工序的節能減排工作壓力甚大,改善煉焦工藝并提高焦化工序余熱余能利用率勢在必行。實現焦化工序節能減排應從技術改進、資源綜合利用及二次能源綜合利用三方面入手。

圖1　鋼鐵企業工藝流程注:圖中框起來的部分為本文研究內容

圖2　國內焦化工序未利用余熱情況

3焦化工序節能減排的主要影響因素

焦化工序由備煤、煉焦、化產三部分組成,焦化工序是否能生產高質量的焦炭不僅影響鋼鐵成品質量,也是決定其能源利用率、污染物排放量的主要因素。生產高質量焦炭,取決于煉焦煤、備煤、煉焦工藝三方面條件,優質煉焦煤決定了焦炭內硫分、灰分、焦炭強度,進而影響污染物產生量。先進的備煤技術與煉焦工藝可保證入爐煤的水分、堆積密度、添加劑、結焦時間、熄焦時間等,從而保證成品焦炭強度,提高污染物的回收率和二次能源的利用率,為后續化產工作減輕壓力。根據我國優質煤資源短缺現狀,一味選取影響整個鋼鐵企業生產成本的優質煉焦煤煉焦不利于降低企業噸鋼能耗值是不可取的,應主要從改善工藝技術入手。

3.1　焦化工序為節能減排做貢獻的主要技術

(1)搗固煉焦技術。將裝入爐煤在爐外通過機械力改善堆密度,可增加約0.4m3/t爐煤,使煤料顆粒接觸緊密,提高煤軟化過程膨脹壓力,有利于煤料相互融合,提高焦炭的強度且堆積密度可控,鞍鋼采取此技術節約配煤成本約50元/t焦[1],東北地區產煤多為弱粘結性,因此該技術可在東北地區采用。

(2)配型煤煉焦技術。將加壓成型后的煤塊與散狀煤料按一定的比例混合均勻后裝爐,以提高裝爐煤堆比重,改善焦炭質量的一項技術。

(3)煤調濕(CMC)技術。將煉焦煤在入爐前通過熱交換的方法除去煤中部分水分,并保持裝爐煤水分穩定,其可將裝爐煤水分由 10%~12%降低到 6%左右。鞍鋼、吉林建龍等企業由于采用螺旋給料方式裝煤,裝煤堆比重受螺旋新舊程度、裝爐煤水分、細度的影響較大,因此較適合采用該項技術。

(4)Scope21煉焦系統。該工藝日本歷時14年開發而成,該技術通過煤入爐前高溫預熱,改善碳化室爐壁傳導率、厚度等煉焦條件,實現了弱粘結性煤添加率達50%,并且充分利用干熄焦技術再加熱,從而實現結焦時間大幅縮短,同2006年現行工藝相比,生產率提高2.4倍,能耗降低20%,產焦總成本降低約18%,其獨特的入爐煤插塞輸入法和出爐焦密閉集塵技術不但降低粉塵排放量,并消除了傳統煉焦半生的煙、塵、臭氣等污染物質,其系統內部的煤氣燃燒裝置的改善和顯熱回收不但降低了NOX的排放也實現了節能[2]。

3.2　對比分析先進的煉焦技術

對先進的煉焦技術進行對比分析,見表1。

表1　煉焦節能減排可獲得先進技術

3焦化工序資源綜合利用

焦化副產物焦爐煤氣,普遍采用燃燒的方式排放,造成相當程度的能源浪費,目前資源綜合利用的主要方式:①將富含雜質的焦爐煤氣轉化成清潔能源天然氣、雙氧水、甲醇、工業氫氣、汽柴油等材料,其中山東、大連等城市已經組織并實施了焦爐煤氣合成天然氣工藝,建設焦爐煤氣合成天然氣及綜合利用項目,投資少收益高。其中焦爐煤氣制甲醇節約成本效果明顯,相比煤制甲醇節省約1200元/t,相比天然氣制甲醇節省成本約1000元/t。②利用焦爐煤氣發電,但焦爐煤氣僅可發電1~1.5kW·h/m3,發電率不高,且基于目前技術,利用焦爐煤氣發電造價較高。③焦爐煤氣燃燒供暖是一個有巨大潛力的再生資源利用途徑,多數大型鋼鐵企業副產品焦爐煤氣除用于煉鐵、軋鋼等部分均浪費掉,大部分鋼鐵企業分布于南方,由于冬季不供暖,關于焦爐煤氣供暖方向開發利用甚少,而北方冬季需要大量的燃料燃燒供暖,過剩焦爐煤氣可用于企業內部及附近小區供暖。

為實現焦化工序的資源綜合利用,首鋼在行業內起了帶頭作用,其自主開發了焦爐處理廢塑料、調濕型煤煉焦、焦化處理有機固廢與城市鈣化污泥等技術,其中焦爐處理廢塑料技術,在保證焦炭質量前提下添加了4%廢塑料。調濕型煤煉焦,增加焦爐產能10%,減少焦爐廢水產生率約30%,節約能耗261MJ/t焦,保證焦炭質量可增加弱粘結性煤約15%;焦化處理有機固廢與城市鈣化污泥技術,利用高溫煉焦爐實現了有機固廢轉化為焦炭、焦油和煤氣[3],首鋼的技術開發具有前瞻性為我國開發新的資源利用途經奠定了基礎。

4余熱回收利用

鋼鐵企業焦化工序的熱量損失是紅焦顯熱損失大于荒煤氣帶出熱損失大于煙道廢氣帶出熱損失大于爐體表面散熱損失,我國焦化工序的余熱回收研究主要針對煙道氣帶出熱、荒煤氣帶出熱、紅焦顯熱三部分熱量回收,其中煙道220~300℃廢氣帶出的熱量相當于焦爐輸出總熱量的17%,煙道廢氣余熱回收主要應用于煤調濕、熱管鍋爐回收生產蒸汽及負壓蒸氨等,具有一定的節能效果,但尚無回收率較高的方法。焦爐荒煤氣650~700℃帶出熱量相當于焦爐輸出總熱量的36%,目前荒煤氣余熱回收方法主要有導熱油換熱回收、熱管回收、余熱鍋爐回收、半導體溫差發電回收和用水套管回收、荒煤氣余熱微流態回收技術等,日本正在研發荒煤氣高溫熱裂解技術,但都未達到工業化階段。熱量回收效率最高的非紅焦顯熱回收莫屬,干熄焦技術是國內主要的紅焦顯熱回收技術,干熄焦技術是相對于利用水濕熄焦而言的一種熄焦方式,采用低溫惰性氣體經循環風機引入紅焦冷卻層吸收紅焦顯熱,冷卻焦自爐底排出,高溫惰性氣體經鍋爐熱交換,冷卻后惰性氣體循環回爐熄焦,鍋爐蒸汽帶動汽輪機發電或以其他方式資源利用,相對于濕熄焦具有節能、環保、改善焦炭質量的優點,主要工藝如圖3所示,節煤40kg/t 焦,相對濕熄焦可節水443t/t 焦,配煤弱粘結性煤可多用15%,紅焦顯熱回收83%,產生的蒸汽可用于發電。該技術已經成熟,在全國各大型鋼鐵企業干熄焦同大型焦爐連用,雖其仍有規格單一、造價相對較高的弊端,因其節能減排效果明顯,已經趨于普及,小型含煉焦工序企業中干熄焦也將取代濕熄焦。

圖3　干熄焦技術的主要工藝流程

5結語

隨著我國能源需求量持續增加,未利用余能將持續增加,需加大技術改進力度,經技術對比分析,對焦化工序節能減排提出合理化建議。

(1)改變我國焦化工序技術水平單一的現狀,大型焦爐與干熄焦配合使用技術應考慮同煙道氣調濕、蒸汽調濕等煤調濕技術的聯合使用。

(2)新建企業技術選取應著重考慮資源綜合利用及二次能源利用,實現降低環境污染的同時降低資源能源的浪費,北方大型鋼鐵企業應試圖采用焦爐煤氣供暖,為能源利用開辟有效途經。

(3)應以首鋼的自主研發精神為楷模,自主開發更有效的焦化節能減排技術、資源利用等技術。

參考文獻:

[1] 鄭文華.搗固煉焦技術的發展和應用 [J].河南冶金,2008(16):1~6.

[2] 齊婳,李麗琴,王凱,等.21世紀新技術-scope21工藝[R].濟南:濟南鋼鐵集團總公司,2006:238~241.

[3] 廖洪強.首鋼節能減排與資源綜合利用新技術開發及其產業化[R].北京:首鋼總公司環保產業事業部,2013:99~102.

The Study of the Way of Energy Saving and Emission Reduction During

Coking Process in Iron and Steel Enterprises

Ma Fangfang,Lu Zhenlan

(CollegeofResourcesandEnvironment,JilinAgriculturalUniversity,

Changchun130118,China)

Abstract:In 2013,about 2.38 million tons coal's waste heat are not used in China. In order to improve energy utilization rate,the article discusses ways of energy saving and emission reduction during the coking process in iron and steel enterprises from three aspects,including the improvement of coking technology,comprehensive utilization of resources and recovery and utilization of waste heat. Through the discussion of stamp-charying cokemaking and dry quenching technologies,this paper lays the foundation of the implementation of energy-saving emission reduction in iron and steel enterprises.

Key words:energy-saving and emission reduction;coking;CDQ;foundation

中圖分類號:X784

文獻標識碼:A

文章編號:1674-9944(2015)01-0227-03

通訊作者:盧振蘭(1964—),女,內蒙古呼倫貝爾人,副教授,主要從事環境管理與影響評價方面的教學與研究工作。

作者簡介:馬芳芳(1988—),女,吉林榆樹人,吉林農業大學資源與環境學院碩士研究生。

收稿日期:2014-11-18