邢奕：钢铁行业的超低排放如何炼成
◎本刊记者 郑挺颖 实习生 许澜馨
钢铁工业是我国国民经济的重要支柱产业之一，也是资金、技术、资源、能源密集型行业。我国是世界上最大的钢铁生产国，粗钢产量已连续20余年保持全球第一。但是，钢铁行业也是耗能和排污大户，是我国“蓝天保卫战”的主战场之一。
10月13日，《环境与生活》杂志记者来到北京科技大学能源与环境工程学院，采访了该院院长邢奕教授，听他介绍了国内钢铁行业绿色发展的最新动向及前沿科技。
图｜10月13日，北京科技大学能源与环境工程学院院长邢奕教授在其办公室接受《环境与生活》杂志记者采访。 许澜馨 摄
我国是世界上最大的钢铁生产国，2019年粗钢产量9.963亿吨，占世界粗钢总产量的53%。虽然我国在钢铁行业已经取得了卓越的成就，但随之而来的污染问题也是不容轻视的。钢铁生产具有工艺流程长、产污环节多、污染物排放量大的特点。据测算，2018年钢铁行业二氧化硫、氮氧化物和颗粒物排放量分别为105万吨、163万吨、273万吨，约占全国排放总量的6%、9%、19%。随着近年来我国环境治理力度不断加强，特别是燃煤电厂实施超低排放以来，火电行业污染物排放量大幅度下降。2017年，钢铁行业主要污染物排放量已超过电力行业，成为工业部门最大的污染物排放来源。
钢铁是怎样炼成的？
10月13日，在接受《环境与生活》记者采访时，邢奕院长笑着说，想要知道钢铁冶炼过程中污染物的来源，就要先明白“钢铁是怎样炼成的”。钢铁的冶炼过程是一个长流程，大致可分为采矿、选矿、烧结、球团、炼焦、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等环节。同时，钢铁冶炼本身也是一个“三高”过程，即高能耗、高物耗、高排放。
图｜河北唐山丰南宏烨炉料有限公司1号、2号竖炉烟气密相干塔脱硫项目
邢奕院长耐心介绍，首先，在矿山里开采出品位较高的铁矿石，将它们破碎并磨成细粉后进行磁选富集。含铁矿物具有磁性，经过磁选得到的铁精粉含铁品位会进一步提高。随后，铁精粉作为原料进入烧结工序，混以燃料和溶剂，在高温下烧制成具有一定强度、粒度的烧结矿或球团矿，而后再将烧结矿和球团矿运送至高炉内炼铁。炼铁工序大部分采用高炉炼铁技术，但是由于铁精粉直接加到高炉里会影响料柱的透气性，所以需要将它们制成烧结矿或球团矿。举一个形象一点的例子，就是把粉末状铁矿粉高温烧制成像小丸子一样的形态。无论是烧结矿还是球团矿，虽然工艺不同，但是它们制造出来的产品都是装入高炉进行冶炼。高炉炼铁后，生成的铁水进行转炉炼钢，炼钢后再进行连铸生产钢坯。当钢坯出炉后，进行切割，再将切割好的钢坯加热后送入轧机进行轧钢生产。
污染物主要源于烧结工序
邢奕教授解释：“烧结是整个钢铁冶炼过程中污染物排放量最大的工序，其排放的污染物可占钢铁冶炼过程中污染物总排放的40%至50%。烧结的整个过程都伴随着高温反应，在高温条件下，烧结混合料中释放出大量的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等常规污染物和一氧化碳、二噁英、氯化氢和氟化氢等非常规污染物。而炼铁、炼钢工序的主要污染物是粉尘，污染物种类较单一。相对来说，烧结工序的污染物综合治理难度较大，投资占比最高。”
既然污染排放量这么大，为什么不简化步骤，直接用高温来炼钢呢?
图｜获得邢奕教授指导的安徽（六安）金日晟矿业公司120吨球团回热风SCR脱硝项目
邢奕院长接着解释：“其实，炼铁和炼钢是两个过程，具有明显的不同。炼铁是一个还原的过程，将氧化物形式的铁还原成单质态的铁。而炼钢是个氧化的过程，把高炉生产铁水里含有的碳氧化掉，因为含碳量高的钢材，抗压性很好，但韧性不好，会比较脆。钢和铁的最主要区别就是含碳量不同，要把铁的含碳量降下去，就得把其中的碳在炼钢工序氧化掉。从铁到钢这个过程产生的污染较小，我们要做的主要是除尘。”
邢奕教授指出：“虽然简化步骤直接用高温炼钢是不可行的，但简化步骤的思路却是对的。例如，我国可以发展短流程炼钢，如提升废钢-电弧炉炼钢的比例。目前，我国的钢铁冶炼过程是以高炉-转炉长流程为主，采用废钢-电弧炉炼钢短流程工艺产生的污染物要少得多。”
图｜河北(沧州)渤海煤焦化公司焦炉烟气密相干塔脱硫项目
现阶段，欧美很多国家都以废钢为原料，用电弧炉进行炼钢。短流程炼钢工序环节少，省去了烧结这个“三高”流程，大幅度降低了钢铁生产过程产生的污染物。
既然电弧炉炼钢有这么多的优点，为什么我国没有广泛使用呢？邢奕教授表示：“我们目前还处在一个过渡时期。前溯5年，社会废钢保有量还不足以支撑我们高比例采用废钢为原料来炼钢。直到最近几年，废钢产生量才开始快速增长。但是，现阶段我国电弧炉炼钢的成本以及废钢回收的经济成本还比较高，导致废钢-电弧炉短流程工序不挣钱甚至亏钱。再者，我们还没有形成一个废钢回收以及分类比较完善的方法。因为废钢中含有较多杂质，在电弧炉冶炼生产中容易产生二噁英这种剧毒的污染物。所以，废钢不能很好地回收是会产生很多问题的。虽然我国的电弧炉炼钢技术还没形成体系，但这会是我们未来的重点发展方向。”
努力完成我国钢铁行业的第三个创新引领
针对烧结这一污染严重的工序，邢奕院长说：“一直以来，我们都在积极地优化方案，使污染物排放量达到超低。在传统的高炉工序里，最大的问题是以碳为还原剂，这成为钢铁生产碳排放的重点环节。过去，我们在高炉里加入焦炭作为还原剂来降低碳排放。现在，我们正在探索氢冶金以及生物冶金。从使用化石能源向使用氢、生物质材料等转变。用氢取代焦炭，可以实现更优的减排效果。拿氢做还原剂，最终产物为水，这样就可以减轻污染。”
图｜越南球团密相干塔脱硫项目
邢奕教授表示：“在我国钢铁行业不断的发展过程中，污染防治也取得了许多傲人的成绩，做到了行业引领，成了全球行业标杆。”第一个引领是研发了密相塔半干法脱硫技术。目前，根据是否加水和加水量的多少，市场上可分为三类脱硫方法：湿法、半干法（加少量的水）以及干法。治理初期烧结厂使用最多的是湿法脱硫，也就是在喷淋条件下，酸性气体二氧化硫和碱性物质石灰石浆液发生中和反应的过程，最后产生石膏浆液等脱硫副产物。干法烟气脱硫，是指在不加水条件下，利用粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂来脱除烟气中含硫化物的气体。
图｜通化钢铁集团板石矿业公司球团密相干塔脱硫项目
半干法是邢奕院长力推的。因为中和反应在“液膜”内进行的速度快，加入少量的水可以极大提高吸收传质效率。说到这里，邢奕院长强调钢铁工业烟气治理过程中“宁干勿湿”的原则。在湿法脱硫中，不仅会有很多水蒸气排出来，还会排出很多可凝结的颗粒物。它们都是雾霾的前体物。半干法不仅克服了湿法脱硫技术的弊端，还拥有占地小、流程简单、更适应烧结机多变的工况等优点。
我国钢铁行业的第二个创新引领是超低排放改造之初，提出了用半干法加上“选择性催化还原法(SCR)”来实现烟气脱硫除尘脱硝，另外一种市场上的主流技术是活性焦吸附法，这种技术对于企业的装备、管理、技术和人员素质等要求都较高的，不适合全面推开。
图｜首钢京唐钢铁联合公司的400万吨球团烟气中低温SCR脱硝项目
现在正在开发超低排放多功能耦合的技术体系，实现超低排放的同时兼顾节能、治理固废和废物的资源化利用，希望成为钢铁行业的第三个创新引领。例如脱硫脱硝多污染物集并吸附后，将氮氧化物解吸下来，制备成纯净的一氧化氮、二氧化氮气体产品。根据“宁物理，勿化学”的理念，邢奕院长解释：“我们应该尽可能简单地用物理方法提纯分离，如果纯度够的话，最后制备出来的一氧化氮、二氧化氮气体都是非常有用的产品。我们之前的环保项目都是纯投入，无收益的。如果能在环境治理的同时，实现废物资源化并产生一定的经济效益，那就是在钢铁污染防治方面又跨出了一大步。”
邢奕院长介绍：“经过不断完善优化工序，与我们合作的钢铁厂，其污染物排放与原来相比已大幅减少。河北《钢铁工业大气污染物超低排放标准》中的大气污染物排放限值为：颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不超过10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米。经过不懈地努力，我们实现了颗粒物5毫克/立方米，二氧化硫20毫克/立方米，氮氧化物10至30毫克/立方米，甚至更低。”
近几年，钢铁行业的经济效益下滑较大，今年又受疫情等因素影响，不少钢铁企业面临存活难题。邢奕教授呼吁：“超低排放是大势所趋，应该继续鼓励，对于下定决心、花大力气切实完成超低排放改造的钢铁企业，我建议政府应从税收、财政、金融、价格、环保、科技等政策上加大支持力度。”
探索新技术，优化钢铁冶炼
与此同时，研究人员们并不满足于现阶段的成绩，还在积极地探索钢铁冶金新技术。邢奕院长还介绍几个技术改进的思路：
首先是“精料方针”。钢铁生产过程中最重要的任务就是除去杂质，生产具有必要洁净度、达到规定化学成分的钢铁产品。“现有的冶炼过程虽然对作为原料的铁矿石和作为燃料的煤炭进行了粗略的处理，仍有大量的有害元素残留其中。这些需要在后续的炼铁、炼钢、精炼过程中一点点除去。”行业里提出了“精料方针”，期望在入炉冶炼之前，尽量提高原料的洁净度，以减少污染物的排放。
图｜天津荣程联合钢铁集团5号热风炉烟气密相干塔脱硫项目
其次是炉内温度感知。无论是高炉还是转炉，里面都有很多耐火材料。在钢铁生产过程中，炉内温度非常高，还没有仪器可以探测到炉内准确的温度。想了解炉内温度，要么是做数学模型来估计，要么完全凭借一线工作人员的经验来判断。全流程的温度控制不仅涉及产品的冶金质量，也关乎产品的外形尺寸精度、能源与资源的消耗以及污染物的排放。如果能实现全流程一体化的钢铁冶炼温度检测与控制，这对提高钢铁冶炼的整体资源效率，也是一个巨大的突破。
再次，钢铁企业管控进入智能时代。目前，中国大多数钢铁企业已实现机械化、自动化与数字化，达到了工业2.0的水平。但是钢铁工业工艺流程长，过程复杂，尚未形成全流程一体化的控制技术。现在，一些企业正在积极建设基于物联网、云计算、大数据等现代信息技术的钢铁企业整体管控平台。
图｜江苏（溧阳）申特钢铁厂1号2号烧结机烟气密相干塔脱硫+中低温SCR脱硝项目
最后，钢铁行业的技术革新还致力于减少碳排放。目前，我国的钢铁冶炼过程都是以高炉-转炉的长流程为主，这让我国钢铁行业的二氧化碳排放强度高于世界平均水平。因此，在未来的研究中，科研人员会将注意力更多地集中在优化钢铁生产流程结构、提高品种质量、智能化冶炼、系统化节能、精料入炉和二氧化碳资源化利用等方面。
钢铁冶炼未来如何发展
那么，未来钢铁冶炼大致会朝哪些方向发展呢？邢奕院长总结道，主要有以下几个方面：1.通过技术措施，努力减少煤炭使用量；2.研究开发以氢气为还原剂的炼铁新技术；3.通过清洁能源替代煤炭，减少煤炭使用量；4.研究冶金燃气的深度加工，以天然气替代冶金燃气用于各类加热炉。
图｜首钢京唐钢铁联合公司1号500平方米烧结机烟气中低温SCR脱硝项目
不过，邢奕院长坦率地说：“我国虽然在碳减排、污染物治理以及节省资源能源方面取得不少技术突破，但国内钢铁企业的技术水平参差不齐，既有世界领先的，也有大量中低端的小企业。总体上看，我国钢铁行业在节能、减排、治污方面还有很大欠缺，未来仍有不小的提升空间。”
绿色的钢铁厂和城市可以共生
图｜10月17日，第四届钢铁、焦化行业超低排放与绿色发展研讨会在北京举办，图为北京科技大学能源与环境工程学院院长邢奕教授在会上发言。
在采访的最后，邢奕院长还提出一个观点：“清洁化生产的钢铁厂其实是可以和城市融合发展的，钢铁厂的高温余热利用可以为市民解决供暖等很多问题。再者，城市的危废本身就要进行处置，所以利用钢铁厂的生产装置和环保装置就可以实现固废、危废处置，不需要再新建专门的焚烧装置。欧盟、美国、日本等地的不少钢厂、电厂、垃圾焚烧厂，就建在城市中心，很干净，很清洁。不需要外迁。”
本文系《环境与生活》杂志原创，