循环经济在炼铁工序的应用

关键词  炼铁 循环经济 节能降耗

 

1  前言

钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，也是高能耗、高物耗、高污染的行业[1]。近十年来，我国钢铁产业发展迅速，国内钢铁企业对铁矿资源的需求日益增加，由于国外铁矿资源价格不断上涨，使得钢铁企业的经营成本提高。钢铁产业资源与能源的高消耗，加重了对环境的污染。从循环经济的视角出发，在材料应用上可以实现循环利用，钢铁是符合建立循环经济社会要求的完美材料。作为普遍认为的高能耗、高物耗、高污染的钢铁工业是最具有条件、最有潜力、最迫切需要发展循环经济的产业。

发展钢铁工业，需要以循环经济的发展理念为指导原则，挖掘钢铁业在水资源、能源以及物料利用的潜力，以提高资源利用效率为核心，推进清洁生产，加强资源的综合利用，减少废弃物的排放。资源与环境问题成为制约我国钢铁企业进一步发展的瓶颈，而循环经济可以在实现经济效益最大化的同时对环境影响最小化，解决了经济发展与资源环境问题“鱼与熊掌不可兼得”的问题，给钢铁工业的发展开辟新的道路。

 

2  钢铁工业循环经济特征

循环经济是把清洁生产和废弃物综合利用融为一体的经济，本质上循环经济是一种生态经济。循环经济是在物质的循环、再生、利用的基础上发展经济，是一种建立在资源回收和循环再利用基础上的经济发展模式[2]。

循环经济遵循“3R原则”，即减量化(Reduce)原则、再使用(Reuse)原则和再循环(Recycle)原则。

循环经济作为一种全新的经济发展模式，具有自身的独立特征，其特征主要体现在以下几个方面：在资源开采环节，要大力提高资源综合开发和回收利用率；在资源消耗环节，要大力提高资源利用效率；在废弃物产生环节，要大力开展资源综合利用；在再生资源产生环节，要大力回收和循环利用各种废旧资源；在社会消费环节，要大力提倡绿色消费。

钢铁工业发展循环经济也是基于循环经济的发展原则：钢铁企业内部形成的“小循环”，钢铁企业所在的工业区、经济开发区形成的“中循环”，城市的“大循环”[3] 。

高炉炼铁发展循环经济表现在高炉煤气的回收利用，高炉TRT余压发电，热风炉余热回收利用，工业用水循环、梯级利用，高炉水渣的综合利用。

3  炼铁工序发展循环经济的途径

    高能耗是钢铁工业的主要特点，炼铁工序是钢铁企业能耗的最大的工序，2013年炼铁工序能耗为399.96kgce/t，占钢铁联合企业总能耗的49.4%。高炉炼铁所需能量有78%是来自燃料燃烧。因此，降低炼铁燃料比是降低炼铁工序能耗的重要手段。因此，在炼铁高炉生产中要努力提高能源有效利用。炼铁工序降低能耗，首先是降低燃料比；其次是提高能源利用效率，如提高风温和高炉煤气利用率；再其次是提高二次能源回收利用效率，如采用TRT和水渣余热回收等技术。

3.1 采用高炉煤气干法布袋除尘技术，提高煤气显热的回收利用

炼铁高炉生产的副产品高炉煤气是一种热值仅为2800-3500kJ/m3的有毒气体，主要成分为：CO、CO2、N2、H2、CH4等，其中可燃成分CO含量约占25%，H2、CH4的含量很少，CO2、N2的含量分别占15%、55 %。高炉炉顶煤气含尘量较大，约20g/m3，主要成份为铁、氧化硅、氧化铝、氧化镁及焦炭粉末。干法除尘温度比湿法除尘煤气温度高约100℃，水分少，无机械水，具有较高的显热，用于热风炉燃烧用，可以提高风温约40℃。安徽首矿大昌金属材料有限公司有两座1780m3高炉，两座高炉煤气的发生量为61.1668×104m3/h，对高炉煤气采用干法布袋除尘技术，煤气净化后含尘浓度小于5mg/m3，煤气净化效率达99.5%。安徽首矿大昌金属材料有限公司高炉煤气干法除尘取消了污水处理设施，既节省了投资，也从根本上解决了由于污水排放造成的环境污染问题；同时纯干法除尘的高炉煤气含尘量低，为以高炉煤气为燃料的加热设备提供了清洁能源，如热风炉、加热炉等，因煤气含尘量低而减少堵塞和粉尘的排放，提高了燃料的理论燃烧温度和加热设备的使用寿命。

3.2 利用高炉炉顶煤气压力进行TRT发电

高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置（TRT）是利用高炉冶炼的副产品-高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机发电的一种二次能源回收装置。安徽首矿大昌金属材料有限公司2座1780m3高炉煤气发生量均为30.5834×104m3/h，炉顶煤气压力为200- 250kPa。由于采用干法除尘装置，煤气温度较湿法除尘的煤气温度高，大约在150℃，煤气压力损失较小，同时减少煤气中水含量。2座1780m3高炉采用的TRT装置最大发电能力为12000kW，在满足高炉正常生产的情况下，平均负荷可达7600kW以上，每年可以自发电14763.84×104kWh。高炉煤气TRT余压发电满足了高炉稳定生产的需要，稳定了高炉的顶压，减少了高炉炉况的波动；采用TRT能最大限度地利用煤气的能量，同时也缓解了利用减压阀组产生的巨大噪声；TRT的连续发电，一方面对钢铁厂的电力提供有效补充；另外一方面高炉煤气TRT余压发电使得炼铁工序的能源消耗显著降低。

3.3 炼铁高炉系统循环用水、串级供水，节约水资源

    我国是水资源匮乏的国家，人均水资源不足世界平均水平的1/4。钢铁工业是耗水大户，水资源的短缺决定了钢铁工业必须走循环经济的发展道路。

循环用水、串级供水，提高用水效率。循环用水 (circulaling wateruse) 是由一个工厂、车间或工段的给水、排水系统组成一个闭路循环的用水系统，将系统内产生的废水，经适当处理后重复使用，不补充或少量补充新 鲜水，而不排放或少排放废水的用水方式。该系统把废水转化为资源实现再利用，串级供水是废水不回到原来的生产过程使用，而是转送到可以接受的生产过程或系统中使用。安徽首矿大昌金属材料有限公司炼铁工序根据高炉各系统对水质要求的不同，在用水系统设计上统筹安排，合理组织，设置高炉软环水系统、高炉净环水系统、水冲渣系统三个供水系统。高炉净环水系统为炉顶液压站、风口小套、十字测温装置、出铁场设备、液压润滑装置、热风炉、TRT装置、传动装置、除尘风机和通风空调等设备间接冷却。净环水使用后水温升高，经冷却塔降温，过滤器过滤处理后循环使用。过滤器定时反洗，反冲洗水排入浊环水系统。高炉炉体等设备采用软环水冷却，使用后水温升高，回水经蒸发空冷器与冷媒水进行热交换后循环使用。高炉水冲渣系统为浊环水，高炉冲渣水经渣处理设备后进入沉淀池，沉淀后的水由泵供冷却塔冷却，冷却后再循环使用，不外排。沉渣池水渣定时清理，外运作综合利用。

3.4 提高高炉水渣利用率

    水渣是高炉炼铁时产生的另外一种副产品。安徽首矿大昌金属材料有限公司2座1780m3高炉每年将产生2×104t的高炉水渣。由于高炉水渣本身属于活性物质，如果不能及时处理，它将变质结块，严重污染周边环境，并占有大量堆放场地。安徽首矿大昌金属材料有限公司将建设2条60万t/a水渣细磨生产线,对炼铁生产过程产生的水渣进行回收加工利用，变废为宝，减少工业园区固体废弃物外排120万t/a,还可以产生一定的经济效益，年产细度大于420㎡/kg，水份≤0.5％的高炉矿渣粉120万t，实现环保和经济的双重效益。通过将高炉水渣深加工成高炉矿渣微粉，可以使用在建筑材料行业，不仅能大大提高高炉水渣的附加值，而且对稳定高炉水渣的销售，减少高炉水渣的占地，对降低环境污染起到积极作用。

3.5 热风炉余热回收利用

安徽首矿大昌金属材料有限公司每个高炉系统设置3座新型顶燃式热风炉，热风炉其送风制度主要是 “二烧一送”。热风炉每年烟气量为353800万m3。1#高炉热风炉产生的烟气，经过整体式热管换热器预热煤气及助燃空气，使助燃空气和煤气的温度均达到≥190℃。经过换热后的低温烟气，部分送至中速磨系统和烟气发生炉产生的高温烟气混合后作煤粉干燥剂，部分通过1#高炉热风炉烟囱排放。

2#高炉热风炉产生的烟气，经过整体式热管换热器预热煤气及助燃空气后的低温烟气，部分送至水渣细磨烟气炉和烟气发生炉产生的高温烟气混合后作水渣干燥剂，部分通过2#高炉热风炉烟囱排放。

对换热器后的低温烟气再利用，使得热风炉燃烧烟气的余热利用率达到60%，相当于节约1.97万t标准煤

4  结语

发展循环经济是钢铁工业实现可持续发展的必由之路。新建炼铁工序在设计中采用成熟的技术，降低能耗，降低燃料比，提高能源利用效率，提高二次能源回收利用效率，才能有效节约资源和能源，一方面提高企业竞争力，一方面推进钢铁工业的循环经济发展。