鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，也是資金、技術(shù)、資源、能源密集型行業(yè)。我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，粗鋼產(chǎn)量已連續(xù)20余年保持全球第一。但是，鋼鐵行業(yè)也是耗能和排污大戶，是我國“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的主戰(zhàn)場之一。

10月13日，《環(huán)境與生活》雜志記者來到北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，采訪了該院院長邢奕教授，聽他介紹了國內(nèi)鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的最新動向及前沿科技。

圖|10月13日，北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院院長邢奕教授在其辦公室接受《環(huán)境與生活》雜志記者采訪。 許瀾馨 攝

我國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國，2019年粗鋼產(chǎn)量9.963億噸，占世界粗鋼總產(chǎn)量的53%。雖然我國在鋼鐵行業(yè)已經(jīng)取得了卓越的成就，但隨之而來的污染問題也是不容輕視的。鋼鐵生產(chǎn)具有工藝流程長、產(chǎn)污環(huán)節(jié)多、污染物排放量大的特點(diǎn)。據(jù)測算，2018年鋼鐵行業(yè)二氧化硫、氮氧化物和顆粒物排放量分別為105萬噸、163萬噸、273萬噸，約占全國排放總量的6%、9%、19%。隨著近年來我國環(huán)境治理力度不斷加強(qiáng)，特別是燃煤電廠實(shí)施超低排放以來，火電行業(yè)污染物排放量大幅度下降。2017年，鋼鐵行業(yè)主要污染物排放量已超過電力行業(yè)，成為工業(yè)部門最大的污染物排放來源。

鋼鐵是怎樣煉成的？

10月13日，在接受《環(huán)境與生活》記者采訪時(shí)，邢奕院長笑著說，想要知道鋼鐵冶煉過程中污染物的來源，就要先明白“鋼鐵是怎樣煉成的”。鋼鐵的冶煉過程是一個(gè)長流程，大致可分為采礦、選礦、燒結(jié)、球團(tuán)、煉焦、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等環(huán)節(jié)。同時(shí)，鋼鐵冶煉本身也是一個(gè)“三高”過程，即高能耗、高物耗、高排放。

邢奕院長耐心介紹，首先，在礦山里開采出品位較高的鐵礦石，將它們破碎并磨成細(xì)粉后進(jìn)行磁選富集。含鐵礦物具有磁性，經(jīng)過磁選得到的鐵精粉含鐵品位會進(jìn)一步提高。隨后，鐵精粉作為原料進(jìn)入燒結(jié)工序，混以燃料和溶劑，在高溫下燒制成具有一定強(qiáng)度、粒度的燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，而后再將燒結(jié)礦和球團(tuán)礦運(yùn)送至高爐內(nèi)煉鐵。煉鐵工序大部分采用高爐煉鐵技術(shù)，但是由于鐵精粉直接加到高爐里會影響料柱的透氣性，所以需要將它們制成燒結(jié)礦或球團(tuán)礦。舉一個(gè)形象一點(diǎn)的例子，就是把粉末狀鐵礦粉高溫?zé)瞥上裥⊥枳右粯拥男螒B(tài)。無論是燒結(jié)礦還是球團(tuán)礦，雖然工藝不同，但是它們制造出來的產(chǎn)品都是裝入高爐進(jìn)行冶煉。高爐煉鐵后，生成的鐵水進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼，煉鋼后再進(jìn)行連鑄生產(chǎn)鋼坯。當(dāng)鋼坯出爐后，進(jìn)行切割，再將切割好的鋼坯加熱后送入軋機(jī)進(jìn)行軋鋼生產(chǎn)。

污染物主要源于燒結(jié)工序

邢奕教授解釋：“燒結(jié)是整個(gè)鋼鐵冶煉過程中污染物排放量最大的工序，其排放的污染物可占鋼鐵冶煉過程中污染物總排放的40%至50%。燒結(jié)的整個(gè)過程都伴隨著高溫反應(yīng)，在高溫條件下，燒結(jié)混合料中釋放出大量的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等常規(guī)污染物和一氧化碳、二噁英、氯化氫和氟化氫等非常規(guī)污染物。而煉鐵、煉鋼工序的主要污染物是粉塵，污染物種類較單一。相對來說，燒結(jié)工序的污染物綜合治理難度較大，投資占比最高?！?/p>

既然污染排放量這么大，為什么不簡化步驟，直接用高溫來煉鋼呢?

圖|獲得邢奕教授指導(dǎo)的安徽（六安）金日晟礦業(yè)公司120噸球團(tuán)回?zé)犸L(fēng)SCR脫硝項(xiàng)目

邢奕院長接著解釋：“其實(shí)，煉鐵和煉鋼是兩個(gè)過程，具有明顯的不同。煉鐵是一個(gè)還原的過程，將氧化物形式的鐵還原成單質(zhì)態(tài)的鐵。而煉鋼是個(gè)氧化的過程，把高爐生產(chǎn)鐵水里含有的碳氧化掉，因?yàn)楹剂扛叩匿摬?，抗壓性很好，但韌性不好，會比較脆。鋼和鐵的最主要區(qū)別就是含碳量不同，要把鐵的含碳量降下去，就得把其中的碳在煉鋼工序氧化掉。從鐵到鋼這個(gè)過程產(chǎn)生的污染較小，我們要做的主要是除塵?！?/p>

邢奕教授指出：“雖然簡化步驟直接用高溫?zé)掍撌遣豢尚械?，但簡化步驟的思路卻是對的。例如，我國可以發(fā)展短流程煉鋼，如提升廢鋼-電弧爐煉鋼的比例。目前，我國的鋼鐵冶煉過程是以高爐-轉(zhuǎn)爐長流程為主，采用廢鋼-電弧爐煉鋼短流程工藝產(chǎn)生的污染物要少得多?！?/p>

圖|河北(滄州)渤海煤焦化公司焦?fàn)t煙氣密相干塔脫硫項(xiàng)目

現(xiàn)階段，歐美很多國家都以廢鋼為原料，用電弧爐進(jìn)行煉鋼。短流程煉鋼工序環(huán)節(jié)少，省去了燒結(jié)這個(gè)“三高”流程，大幅度降低了鋼鐵生產(chǎn)過程產(chǎn)生的污染物。

既然電弧爐煉鋼有這么多的優(yōu)點(diǎn)，為什么我國沒有廣泛使用呢？邢奕教授表示：“我們目前還處在一個(gè)過渡時(shí)期。前溯5年，社會廢鋼保有量還不足以支撐我們高比例采用廢鋼為原料來煉鋼。直到最近幾年，廢鋼產(chǎn)生量才開始快速增長。但是，現(xiàn)階段我國電弧爐煉鋼的成本以及廢鋼回收的經(jīng)濟(jì)成本還比較高，導(dǎo)致廢鋼-電弧爐短流程工序不掙錢甚至虧錢。再者，我們還沒有形成一個(gè)廢鋼回收以及分類比較完善的方法。因?yàn)閺U鋼中含有較多雜質(zhì)，在電弧爐冶煉生產(chǎn)中容易產(chǎn)生二噁英這種劇毒的污染物。所以，廢鋼不能很好地回收是會產(chǎn)生很多問題的。雖然我國的電弧爐煉鋼技術(shù)還沒形成體系，但這會是我們未來的重點(diǎn)發(fā)展方向?！?/p>

努力完成我國鋼鐵行業(yè)的第三個(gè)創(chuàng)新引領(lǐng)

針對燒結(jié)這一污染嚴(yán)重的工序，邢奕院長說：“一直以來，我們都在積極地優(yōu)化方案，使污染物排放量達(dá)到超低。在傳統(tǒng)的高爐工序里，最大的問題是以碳為還原劑，這成為鋼鐵生產(chǎn)碳排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。過去，我們在高爐里加入焦炭作為還原劑來降低碳排放。現(xiàn)在，我們正在探索氫冶金以及生物冶金。從使用化石能源向使用氫、生物質(zhì)材料等轉(zhuǎn)變。用氫取代焦炭，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的減排效果。拿氫做還原劑，最終產(chǎn)物為水，這樣就可以減輕污染?！?/p>

圖|越南球團(tuán)密相干塔脫硫項(xiàng)目

邢奕教授表示：“在我國鋼鐵行業(yè)不斷的發(fā)展過程中，污染防治也取得了許多傲人的成績，做到了行業(yè)引領(lǐng)，成了全球行業(yè)標(biāo)桿?！钡谝粋€(gè)引領(lǐng)是研發(fā)了密相塔半干法脫硫技術(shù)。目前，根據(jù)是否加水和加水量的多少，市場上可分為三類脫硫方法：濕法、半干法（加少量的水）以及干法。治理初期燒結(jié)廠使用最多的是濕法脫硫，也就是在噴淋條件下，酸性氣體二氧化硫和堿性物質(zhì)石灰石漿液發(fā)生中和反應(yīng)的過程，最后產(chǎn)生石膏漿液等脫硫副產(chǎn)物。干法煙氣脫硫，是指在不加水條件下，利用粉狀或粒狀吸收劑、吸附劑或催化劑來脫除煙氣中含硫化物的氣體。

圖|通化鋼鐵集團(tuán)板石礦業(yè)公司球團(tuán)密相干塔脫硫項(xiàng)目

半干法是邢奕院長力推的。因?yàn)橹泻头磻?yīng)在“液膜”內(nèi)進(jìn)行的速度快，加入少量的水可以極大提高吸收傳質(zhì)效率。說到這里，邢奕院長強(qiáng)調(diào)鋼鐵工業(yè)煙氣治理過程中“寧干勿濕”的原則。在濕法脫硫中，不僅會有很多水蒸氣排出來，還會排出很多可凝結(jié)的顆粒物。它們都是霧霾的前體物。半干法不僅克服了濕法脫硫技術(shù)的弊端，還擁有占地小、流程簡單、更適應(yīng)燒結(jié)機(jī)多變的工況等優(yōu)點(diǎn)。

我國鋼鐵行業(yè)的第二個(gè)創(chuàng)新引領(lǐng)是超低排放改造之初，提出了用半干法加上“選擇性催化還原法(SCR)”來實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫除塵脫硝，另外一種市場上的主流技術(shù)是活性焦吸附法，這種技術(shù)對于企業(yè)的裝備、管理、技術(shù)和人員素質(zhì)等要求都較高的，不適合全面推開。

圖|首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合公司的400萬噸球團(tuán)煙氣中低溫SCR脫硝項(xiàng)目

現(xiàn)在正在開發(fā)超低排放多功能耦合的技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)超低排放的同時(shí)兼顧節(jié)能、治理固廢和廢物的資源化利用，希望成為鋼鐵行業(yè)的第三個(gè)創(chuàng)新引領(lǐng)。例如脫硫脫硝多污染物集并吸附后，將氮氧化物解吸下來，制備成純凈的一氧化氮、二氧化氮?dú)怏w產(chǎn)品。根據(jù)“寧物理，勿化學(xué)”的理念，邢奕院長解釋：“我們應(yīng)該盡可能簡單地用物理方法提純分離，如果純度夠的話，最后制備出來的一氧化氮、二氧化氮?dú)怏w都是非常有用的產(chǎn)品。我們之前的環(huán)保項(xiàng)目都是純投入，無收益的。如果能在環(huán)境治理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)廢物資源化并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，那就是在鋼鐵污染防治方面又跨出了一大步?！?/p>

邢奕院長介紹：“經(jīng)過不斷完善優(yōu)化工序，與我們合作的鋼鐵廠，其污染物排放與原來相比已大幅減少。河北《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》中的大氣污染物排放限值為：顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不超過10毫克/立方米、35毫克/立方米、50毫克/立方米。經(jīng)過不懈地努力，我們實(shí)現(xiàn)了顆粒物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?！?/p>

近幾年，鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益下滑較大，今年又受疫情等因素影響，不少鋼鐵企業(yè)面臨存活難題。邢奕教授呼吁：“超低排放是大勢所趨，應(yīng)該繼續(xù)鼓勵(lì)，對于下定決心、花大力氣切實(shí)完成超低排放改造的鋼鐵企業(yè)，我建議政府應(yīng)從稅收、財(cái)政、金融、價(jià)格、環(huán)保、科技等政策上加大支持力度?！?/p>

探索新技術(shù)，優(yōu)化鋼鐵冶煉

與此同時(shí)，研究人員們并不滿足于現(xiàn)階段的成績，還在積極地探索鋼鐵冶金新技術(shù)。邢奕院長還介紹幾個(gè)技術(shù)改進(jìn)的思路：

首先是“精料方針”。鋼鐵生產(chǎn)過程中最重要的任務(wù)就是除去雜質(zhì)，生產(chǎn)具有必要潔凈度、達(dá)到規(guī)定化學(xué)成分的鋼鐵產(chǎn)品?！艾F(xiàn)有的冶煉過程雖然對作為原料的鐵礦石和作為燃料的煤炭進(jìn)行了粗略的處理，仍有大量的有害元素殘留其中。這些需要在后續(xù)的煉鐵、煉鋼、精煉過程中一點(diǎn)點(diǎn)除去。”行業(yè)里提出了“精料方針”，期望在入爐冶煉之前，盡量提高原料的潔凈度，以減少污染物的排放。

圖|天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)5號熱風(fēng)爐煙氣密相干塔脫硫項(xiàng)目

其次是爐內(nèi)溫度感知。無論是高爐還是轉(zhuǎn)爐，里面都有很多耐火材料。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)溫度非常高，還沒有儀器可以探測到爐內(nèi)準(zhǔn)確的溫度。想了解爐內(nèi)溫度，要么是做數(shù)學(xué)模型來估計(jì)，要么完全憑借一線工作人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷。全流程的溫度控制不僅涉及產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，也關(guān)乎產(chǎn)品的外形尺寸精度、能源與資源的消耗以及污染物的排放。如果能實(shí)現(xiàn)全流程一體化的鋼鐵冶煉溫度檢測與控制，這對提高鋼鐵冶煉的整體資源效率，也是一個(gè)巨大的突破。

再次，鋼鐵企業(yè)管控進(jìn)入智能時(shí)代。目前，中國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化與數(shù)字化，達(dá)到了工業(yè)2.0的水平。但是鋼鐵工業(yè)工藝流程長，過程復(fù)雜，尚未形成全流程一體化的控制技術(shù)?，F(xiàn)在，一些企業(yè)正在積極建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的鋼鐵企業(yè)整體管控平臺。

圖|江蘇（溧陽）申特鋼鐵廠1號2號燒結(jié)機(jī)煙氣密相干塔脫硫+中低溫SCR脫硝項(xiàng)目

最后，鋼鐵行業(yè)的技術(shù)革新還致力于減少碳排放。目前，我國的鋼鐵冶煉過程都是以高爐-轉(zhuǎn)爐的長流程為主，這讓我國鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放強(qiáng)度高于世界平均水平。因此，在未來的研究中，科研人員會將注意力更多地集中在優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程結(jié)構(gòu)、提高品種質(zhì)量、智能化冶煉、系統(tǒng)化節(jié)能、精料入爐和二氧化碳資源化利用等方面。

鋼鐵冶煉未來如何發(fā)展

那么，未來鋼鐵冶煉大致會朝哪些方向發(fā)展呢？邢奕院長總結(jié)道，主要有以下幾個(gè)方面：1.通過技術(shù)措施，努力減少煤炭使用量；2.研究開發(fā)以氫氣為還原劑的煉鐵新技術(shù)；3.通過清潔能源替代煤炭，減少煤炭使用量；4.研究冶金燃?xì)獾纳疃燃庸?，以天然氣替代冶金燃?xì)庥糜诟黝惣訜釥t。

圖|首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合公司1號500平方米燒結(jié)機(jī)煙氣中低溫SCR脫硝項(xiàng)目

不過，邢奕院長坦率地說：“我國雖然在碳減排、污染物治理以及節(jié)省資源能源方面取得不少技術(shù)突破，但國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的技術(shù)水平參差不齊，既有世界領(lǐng)先的，也有大量中低端的小企業(yè)?？傮w上看，我國鋼鐵行業(yè)在節(jié)能、減排、治污方面還有很大欠缺，未來仍有不小的提升空間?！?/p>

綠色的鋼鐵廠和城市可以共生

圖|10月17日，第四屆鋼鐵、焦化行業(yè)超低排放與綠色發(fā)展研討會在北京舉辦，圖為北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院院長邢奕教授在會上發(fā)言。

在采訪的最后，邢奕院長還提出一個(gè)觀點(diǎn)：“清潔化生產(chǎn)的鋼鐵廠其實(shí)是可以和城市融合發(fā)展的，鋼鐵廠的高溫余熱利用可以為市民解決供暖等很多問題。再者，城市的危廢本身就要進(jìn)行處置，所以利用鋼鐵廠的生產(chǎn)裝置和環(huán)保裝置就可以實(shí)現(xiàn)固廢、危廢處置，不需要再新建專門的焚燒裝置。歐盟、美國、日本等地的不少鋼廠、電廠、垃圾焚燒廠，就建在城市中心，很干凈，很清潔。不需要外遷。”