德国炼钢节能新技术 有望取代电炉炼钢降低能源成本

 十几年来，为了提高电炉的生产效率，作为对电力的补充，化石能源的使用持续增长。但在电炉炼钢法中原生能源的效率非常低，且仅限于废钢熔化阶段。最新的研究结果表明，以原生能源为主要燃料的新式废钢炼钢法有望取代电炉炼钢法，并可大大减少二氧化碳的排放量以及节省能源成本。
     上世纪末，由于平炉炼钢基本上被淘汰，电炉炼钢成为最主要的废钢炼钢法。2006年电炉钢已占世界钢产量的40%左右。在过去的数十年中，为了提高生产能力，除了电能以外越来越多的化石能源用于电炉炼钢。然而，在废钢未完全熔化的短期内电炉中原生能源的有效利用时间范围是有限的。在此期间内，不仅能量输入的密度提高，出钢-出钢时间缩短，而且能量通过对废钢表面的传热而得以有效利用。这一事实引出的问题是如何使用于废钢炼钢输入的能量（指用于生产链的总能量）利用优于电炉炼钢。
以原生能源为主的废钢炼钢法
   以原生能源为主的废钢炼钢法是一种有望取代电炉炼钢的方法，此法可以大幅度减少二氧化碳的排放量，降低能源成本。目前在经过充分的试验后，获得成功，SMSDemag公司拟将此炼钢法用于工业生产。
   由于平炉炼钢基本被淘汰，电炉炼钢成为德国最主要废钢炼钢法，2006年电炉钢已占世界钢产量40%左右。在过去的数十年里，为了提高生产能力，除了电能以外，越来越多的化石能源用于电炉炼钢。然而，在电炉中废钢未完全熔化的短期内，原生能源的有效利用时间范围是有限的。在此时期内，不仅能源输入的密度提高，出钢时间缩短，而且能量通过对废钢的表面传热得以有效利用。
   这一事实引出的问题是如何将废钢炼钢输入的能源(指用于生产链的总能量)利用于电炉炼钢。
原生能源熔炼炉概念
    在拟流反应器中，加热和熔化阶段有效的利用原生能源是可能的。在反应器的顶部连续加入废钢，通过石化燃料和氧气的燃烧熔化为钢水，并达到液相线以上的出钢温度。在单独的容器内，仅靠电来熔化固态材料并达到足够的过热实际上是不可能的。总而言之，传统电炉的熔化和加热的时间是分开的，而利用原生能源的熔炼过程，这些阶段也是分开的。逆流反应器按照上述条件设计的熔炼炉。过热熔炼炉类似于电弧炉。这一概念的指标如下:
·熔炼电耗小于530kWh/t;
·钢的收得率大于90%;
熔炼炉的出钢口与过热炉的倾转轴成直线排列。

技术参数比较
(1)单位能耗比较
1kWh的化石能产生1kWh的电能，德国发电厂的平均效率为36%。在钢水温度为1600℃冶炼低合金钢的能耗为368kWh/t钢。尽管发电厂的效率可以进一步提高，但对原生能源冶炼法的效益影响不大，所以经济上仍颇具吸引力。此外更重要的是，采用原生能源炼钢法单位的CO2排放量约为30%，大幅度低于传统生产线。

(2)生产成本比较
在电价为0.0447欧元/kWh时，熔化废钢并达到过热的费用约为47欧元/t钢。在相同的能源成本下，电炉的生产成本接近40欧元/t钢。在原生能源的成本为0.028欧元/kWh的条件下，在相同的能力下，原生能源炼钢法的生产成本可为32.50欧元/t钢，这还没有考虑减少总能耗的二氧化碳的排放量。
最新的研究结果表明，以原生能源为主要原料的新式废钢炼钢工艺有望取代电炉炼钢法，并可大幅度减少二氧化碳的排放量以及节约能源的成本。

废气排放和粉尘
德国废气排放的标准十分严格，主要包括粉尘、重金属和有机物，特别是二恶英和呋喃。BSW公司除尘厂包括2个集尘室，其中1号集尘室有4台鼓风机，采用直接排空控制方式并建有抽风系统，用于排空2座电炉及电炉裙罩下的区域。2号集尘室主要用于二次排空，其抽风能力分别为1.2×106m3/h和0.6×106m3/h。降低有机物，特别是二恶英和呋喃的排放至关重要。BSW公司的二恶英排放控制系统包括以下步骤:
(1)几乎完全燃烧炼钢车间二次燃烧室的二恶英;
(2)防止炉子烟道排放物快速冷却后再次形成并合成二恶英;
(3)在适宜温度下建立有效、可靠的粉尘收集系统。
    位于除尘系统弯头与二次燃烧室之间的空气进气口使得除尘系统中的CO和有机化合物完全燃烧，离开二次燃烧室的初次火焰的温度约为800℃，因为BSW公司带有水冷的通风管较短，水冷腔的进气温度也敏感，排放气体在2s内急冷到250℃。为降低湿度和温度，这些废气与来自炼钢车间的废气混合。由于不能完全避免二恶英和呋喃的形成，部分二恶英和呋喃被粉尘颗粒吸收，一个有效而可靠的粉尘收集系统对低排放系统至关重要。幸运的是，现代过滤技术很容易保证粉尘排放值低于5mg/m3这一德国的法律要求值。2003年对粉尘排放进行连续监测的结果表明，1号集尘室排放值是0.42mg/m3，2号集尘室排放值是0.11mg/m3。集尘室是二恶英和呋喃的主要收集器。当温度大于100℃时，这些吸附物从粉尘颗粒中解析并穿过布袋。试验结果表明，97%源于水淬过程的二恶英和呋喃被截留在集尘室内。
    基于上述结果和近20年的操作经验，可以得出这样的结论:PCDD(多氯代二苯并二恶英)和PCDF(多氯代二苯并呋喃)排放值能控制在0.05ngTE/m3，特殊设计的极短水冷管道消除了活性碳等添加剂。2000年3月，由欧盟颁发的有关钢铁技术方面综合污染防治和控制的条文中，巴登钢厂作为最新技术应用的一个实例。
     炼钢过程产生的17——19kg/t粉尘由直接排空系统输送至集尘室，这些粉尘约含30%Zn，40%Pb，3%Cl和20%以上Fe。在德国，锌和铅由Walez回转窑工艺回收，BSW公司按锌的含量支付处理费。
噪音

巴登钢厂近邻的奥恩村距公司的炼钢车间和废钢堆放场仅200m。工厂位于Kinzig河和莱茵河港盆地组成的半岛区域，从1976年开始便在工厂附近区域进行噪音控制。由此在钢厂与村庄之间建设一条长600m、高10m防护墙。1987年，生产条件的改变以及更严格的环境保护法规，促使BSW公司与相关研究机构合作，实施了更为广泛的噪音防治策略。该公司采取的一项主要措施是建设沿废钢堆放场、方坯堆放场、炼钢车间和轧机车间的噪音隔离墙。其它诸如改造废钢处理设施等，以达到控制噪音水平。例如，在奥恩村房顶上测得的噪音从1990年的50dB降至1999年的45dB。
水
     BSW公司使用几台废水处理装置，极大地降低了生产所需要的补充水量，结果排放到莱茵河的废水量也减少了。若要进一步降低新水和废水的耗量，则需采用化学手段。但由于生态原因，这一方法未被采用。为改善生产水和废水质量，BSW公司对废水处理站进行大量投资，安装了泥砂过滤系统、层流分流系统、螺旋分离机等设备，这些投资使得BSW公司能满足或低于联邦法律所要求的最低直接排放标准。作为这些投资的直接结果，用于改善沉淀槽过滤效果的絮凝剂作为固体物料被清除，不允许存在于废水中。1994年以来，由于排放的废水质量好，使BSW公司免交了排放费。挥发和排放消耗了BSW公司15000m3/h水量中的1000m3/h，这一缺口由新水补充。循环水清洁后通过冷却塔进入冷却系统。20世纪90年代初，冷却水循环是单位水耗降低的主要原因。
废弃耐火材料、钢渣和轧钢皮
    废弃耐火材料的再利用只有按不同化学成分的耐火材料分别收集后才有可能实现。这些副产品经破碎、筛分后分选，并返回供应商，在生产新耐火材料产品时加以利用。
     在BSW公司生产的钢渣中，约90%是电炉渣，10%为钢包渣和中间包渣。经处理后，钢渣特别适宜于道路建设及其它建筑用途。钢渣处理必须适合相关技术和环境保护标准。
     在BSW公司，电炉钢渣先经水冷，除铁，再经破碎，筛分成骨料用于道路建设(骨料粒度为小于32mm和小于45mm)、充填护层材料(粒度为50——150mm)以及沥青路面掺合物(5——8mm，8——11mm)。
BSW公司通过姐妹公司BSN回收处理和销售钢渣，严格的质量控制对用户保证和最优工艺控制至关重要。最重要的环境试验是浸沥试验。该试验用200g渣在2l水中浸沥24h，监测pH值、导电率和重金属含量，尤其要监测铬含量。按照德国法律，试验后每升水铬含量低于0.05×10-4%。道路建筑材料必须在恶劣气候条件下保持体积稳定性，因此每隔2天在罐中放入试样，顺流放入流水7天，连续监测体积稳定性，体积增加值不能超过50%。
    轧钢皮主要由铸机和轧机产生，含铁量达70%以上，主要以氧化铁形式存在。BSW公司生产的所有轧钢皮被其它钢厂烧结后在高炉中回收利用，或用于水泥厂或制砖厂。