俄罗斯黑色冶金内部生态资源可利用潜力.pdf

2 0 1 3年第 3期 现代冶金 5 俄罗斯黑色冶金 内部生态资源可利用潜力 俄 罗斯 M． E ． C H e p K a n等 摘要 通过与世界先进国家的对比， 列出了俄罗斯黑色冶金各类资源消耗指标。通过冶金生产中二次能源和废 料的利用， 对设备改造和工艺改进可进一步减少初次能源消耗 ， 由此可以极大地减轻冶金生产的生态压力。 关键词 热能； 冶金生产废料； 资源保护和自然保护措施 据俄罗斯能源部数据显示 ， 俄罗斯冶金业 占全 国的铁路运力的 3 5 ％ ， 消耗 3 0 ％的电力 资源， 2 5 ％ 的已开采天然气 ， 1 0 ％的已开采石油及石油产 品。 俄罗斯黑色冶金 的初次载能体炼焦和能量 品级精煤 、 天然气 、 重油 、 外部 区域的电能。改建企 业能源的需求供给为 天然气 或重油 和区域系统 内的 电能 。 在联合企业和包含有高炉、 焦化、 转炉生产的企 业里 ， 在能源供给中大量用煤的条件下 ， 可生产出煤 气燃料二次资源。在生产焦炭的过程中可获得焦炉 煤气 ； 高炉在使用焦炭 、 能量品级 煤 煤 粉 和天然 气时，可产生冶金生产 中可用燃 料高炉煤气 ； 转炉冶炼过程 中， 由于铁水 中碳 的存在 必要 时还 存在碳添加物 也可产生转炉煤气。 天然气在这些企业里 ， 作为一种后继形式 ， 用来 弥补 自身煤气燃料资源不足 ， 调节其生产与需求 的 季节性及昼夜生产工艺的不平衡 。 而重油用量较少 1 ． 0 ％ ～2 ． 0 ％ ， 作为战略和 事故储备。在这种情况下 ， 依靠 自身的煤 气燃料二 次能源和其他二次能源 ， 可 以生产出 2 5 ％ 一3 0 ％ 至 9 0 ％ ～ 9 5 ％ 的 电能 。 冶金企业在 自身煤气燃料资源富有 的同时 ， 实 际上存 在着未被利用 1 0 ％ ～2 0 ％ 的二次燃料和 机械能资源以及冶金过程 中含铁废料 ， 这 当中主要 有 高炉蒸汽冷却热能 ； 赤热焦炭 、 烧结矿 、 渣 、 金属散发的热能 ； 空气加热炉 、 焦炉 、 加热炉等烟气热能 ； 高炉冶炼和炼钢过程 的粉尘物 、 渣 ， 炼钢和轧钢 生产过程中的氧化皮。 由于企业结构 、 主要生产线上的工艺水平不同， 生产和需求关系的不同， 二次燃料煤气 、 二次资源利 用程度 、 初次资源利用份额 、 运输量、 运输消耗量 、 对 周围环境的生态压力 ， 这些因素都会发生变化。 根据俄 中央黑色冶金科学研究院的数据 ， 在俄 罗斯 1 t 轧制产品的单位热能耗平均 为3 6 ． 3 G J ， 欧 盟 国家_2 9 G J ， 日本_2 6 ． 4 G J等 等， 相 应地 少于 2 5 ． 0 ％ 和 3 7 ． 5 ％。这不仅 与客观因素有关俄 罗斯的气候条件 达 1 0 ％的燃料浪费 、 较低品位铁 矿原料 平均 3 6 ％ 富选时过量支出～ 5 ％ 的燃料 超额消耗 ， 而且与老化 的工艺生产过程及设备、 二 次资源利用的低水平有关 总计达 2 5 ％ 。 1 高炉生产潜力 1 高炉炉顶在计算剩余压力下 ， 达 2 5 0 K p a 。 通常情 况下 ， 现代 高炉 工作在 压力 1 5 0～1 8 0 K p a 下。按照高炉生产标准 的工艺规范 ， 在炉顶煤气压 力提高每 1 0 K p a的情况 下 ， 可 以提高 高炉生产率 1 ％ ， 同时降低焦炭 消耗 0 ． 2 ％。也 即， 高炉工作 中 炉顶煤气设计 压力 下 ， 就 有可 能在 降低 焦炭 消耗 2 ． O ％的情况下 ， 提高其生产率 1 0 ％。 目前 ， 具有成熟 的工艺技术 ， 可以达到炉顶煤气 压力更高水平。比如 ， 达到 5 0 0～6 0 0 K p a ， 同时 ， 可 以将鼓风温度 提高到 1 2 5 0～1 3 0 0℃ ， 富氧达 到 4 2 ％ ， 可提高高炉生产率将近一倍。 2 将现有高炉普遍装备陈旧的双料钟上料系 统， 代之以斜槽式或旋转式上料系统 ， 可保证在节约 焦炭的基础上提高生产率 。 3 鼓风温度处 于 1 1 0 0～1 1 5 0 o C， 采用空气 加热 或带有 球形蓄热室 ， 风 温可提高 到1 2 5 0～ 1 3 0 0℃ 也 即， 提 高 1 5 0 c c ， 可 实 现 在 每 提 高 1 0 风温节约焦炭 0 ． 4 ％ ， 或者提高生产率 6 ％。 6 2 0 1 3年第 3期 4 在俄罗斯 冶金企业里， 没有在高炉上采用 煤粉鼓人装置。该装置可 以在鼓入 1 k g粉煤情况 下 ， 节约稀缺少 的料车焦炭0 ． 9 k g 或者成焦品级煤 1 ． 2 5 k g 。 5 除去“ 北方钢 ” 公司和新塔吉尔冶金公司 没有利用压缩高炉煤气 的热能和机械能 ， 该能源可 以在不用燃料的情况下产生 电能 ； 没有利用空气加 热的烟气热能； 没有利用高炉蒸发冷却系统， 该系统 可生产 出工艺上可用气体 ； 没有利用高炉煤气和抽 气式的现代化干式除尘净化装置。也没有在完全程 度上实现了含铁废料 的循环利用等等。 2 炼钢生产过程的可用潜 力 根据分析数据 ， 钢的冶炼工艺构成 ％， 如表 l 所示 。 表 1 俄、 美 、 日钢 的冶炼工艺构成 平炉退出生产领域 2 0 0 6年生产 1 ． 4 l千万 t 钢， 占2 0 ％ 后， 代之由连铸和精炼配套系统的电 炉 ， 可以降低 电能消耗量为吨钢 3 9 k g标准燃料或 者每减少 1 千万 t 平炉钢生产 ， 每年可降低 7 5万 t 标准燃料 。 连铸使品种钢成品率可提高 1 0 ％ 一2 0 ％以上 ， 所 以， 将连铸 比提高至 9 7 ％ 时， 可 以降低吨钢轧制 品的钢耗以达到世界水平。除此而外， 在推广连铸 条件下 ， 可减 少开坯机用量 初轧机 ， 总体上可将 消耗降为吨钢3 6 k g 标准燃料。在连铸机上提高浇 铸大约 2 ． 5千万 t ， 折算节约标准燃料为 9 0万 t ／ ， 年 ， 二氧化碳排放量减少为 2 1 0万 t ／ ／ 年。 降低初次能源和工艺负载消耗的更多可利用潜 能还存 在 于烧 结 、 轧制 、 焦化 生产 中、 热 能消耗 中 表 2 。 进一步完全的处理， 应当是高炉冶炼、 炼钢、 合 金生产的所有 日常渣和尾矿渣 的利用 ， 它们的生成 量约为 3千万 t ／ ， 年 ， 废钢 回收用于炼钢 ， 冶金渣可作 为建筑材料加 以利用。清除渣堆 ， 可以避免 由于重 金属氧化物和其他有害物质污染土地和河流。 3 生产 中的含铁废料 俄罗斯黑色冶金能量消耗较高的客观因素是矿 石中铁含量低 ， 对矿石进行 富选和获得成品矿时需 要较高的消耗。俄罗斯开采的矿石 中铁平均含量为 3 6 ％ ， 巴西5 8 ％， 印度 l ％ ， 南非 2 ％ ， 澳大利亚 4 ％。由此可见 ， 获取铁品位 6 6 ％的 1 t 成品矿 ， 在俄罗斯将要开采近 2 t 的铁矿。 由此， 就应特别注意黑色冶金企业 中已积 累的 和现行的含铁废料的回收利用 ， 高炉冶炼 、 炼钢和轧 钢生产过程中产生的氧化皮、 干粉尘、 生产过程煤气 净化渣 、 吸尘渣等的利用。 上述废料生成量总计达吨钢的 6 ． 5 ％ 1 0 0万 t 钢有 6 ． 5万 t ， 也 即， 在 2 0 0 7年 7 ． 2 4千万 t 钢 中， 废料量一7 O万 t ／ ， 年。 目前 ， 在烧结 中已利用连 铸生 产 和轧 钢 生 产 中 的未 浸 油 氧化 皮 铁 含量 6 5 ％ 一 7 0 ％ 、 炉顶废尘 、 高炉吸收装置 中废尘 锌 含量达 0 ． 1 5 ％ 。 高炉和转炉甚至 电炉废尘气体净化泥渣 ， 含有 较高的锌 1 ． 5 ％ ～ 2 ． 5 ％或更高 积蓄在废料中， 由 于有重金属的存在而污染着地下水。目前， 在俄罗 斯黑色冶金企业中， 在尾矿池废料场等地废渣量共 计千万吨， 而且每 年这个数值仍在 以百万 吨增加 。 俄罗斯主要冶金企业废渣 的化学组成列 于表 3 根 据俄科学生产联合公司“ 炼钢能源” 和俄冶金设计 院的研究所得 。 由于原料化学组成的不 同， 高炉冶炼工艺的不 同， 流线型粉尘收集器工作效率的不同， 导致残渣组 成的范 围比较宽泛 ％ 按铁成分计3 2 ． 6 ％ ～ 4 9 ． 6 ％ 、 依 石 灰 计 ． 2 6 ％ ～1 9 ． 5 6 ％ 、 依 碳 计 ． 5 4 ％ 一 2 6 ． 1 ％ 、 将折合 F e 平均 4 0 ％ ， 除碳 外 0 ％ 石灰和碳～2 0 ％ 的高炉渣在冶金生 产中加以应用 ， 可带来可观的经济效益 ， 起到资源保 护的作用， 并减少矿石原料 的开采， 减少铁矿原料和 煤的富选 ， 缩减矿石原料到工厂的运输费用。废料 循环利用的客观评价应该是在从采矿到获得成熟的 半成品 烧结矿、 球团矿、 其他团矿 的全部工序作 为利用依据。 2 0 0 8年在西伯利亚钢铁公 司进行 的研究表 明， 在水力尾矿场残渣保存 中进行了有害物质的浸滤 ， 实现了将高炉煤气气体净化渣尾矿场中锌含量从 0 ． 3 8 ％ 一 2 ． 5 ％降低到0 ． 2 ％ 一 0 ． 4 ％， 也即降为原 2 0 1 3年第 3期 7 来的 1 ／ 2 1 ／ 6 。废料场高炉渣的类似研究在新利 佩茨 克钢铁公司于 2 0 0 2年也进行 过 ， 研究结 果表 明， 与表 3所列数据 比较 ， 大约近 2 0年来试样 中的 平均锌含量在下降 ， 是原含量的 1 ／ 2～ 2 ／ 5 。 表 2 黑色冶金业中主要资源保护和自然保护措施 l 为生产蒸汽和电能的烧结矿热能开发利 用在奥地 利一 家工厂进行 ， 烧结烟 气的利用在 巴西 和部分地在俄 罗斯 车里雅宾斯 克冶金公 司进行 ， 在该公司同时实现 了 C O排放减少 2 ／ 3 。 2 球形加热室格子的高温空气加热器从 1 9 8 9年开始工作可保证送风加热到 1 4 0 0℃ 。 } 3 连铸机应用能源节约表现为扩大成品率 1 O ％ ～ 2 0 ％， 开坯退出生产领域。 4 转炉煤气的利用， 可以缩成天然气用量为百万吨钢水下2 0 0 0万m 和温室气体排放量 9 ． 2 万 t 。即在冶炼 4千万 t 转炉钢时， 利用 转炉煤气作为燃料能够每年减少天然气用量8 亿 m 和室温气体3 6 8 万 t 。 5 钢水精炼炉、 复合精炼真空处理的应用， 在生产厂要增加其能源消耗的。但与此同时， 这些措施可保证金属产品的更高质量和更强 竞争力。 6 低温轧制可降低单 位能量 消耗 1 5 ％ ～2 0 ％ 。 7 连铸坯直接轧制可将 燃料 动力资源降为原来的 l ／ 7 不包括均热炉和加热炉 ， 在轧机线上采用控制冷却一热处理炉 8 2 0 1 3年第 3期 4 3 ． 5 4 9 ． 6 3 ． 28～3． 2 6 6 ． 3 9～7． 0 2． 93～3． 3 6 0． 1～O． 1 2 O． 2～0． 5 7 1 ． 5～2 ． 7 7 0． 6 4 3 ． 3 4 9． 5 5～1 9． 6 41 ． 0 9 4． 1 3 5． 9 3 2． 1 5 0． 0 3 2 0． 4 0 0． 5 5 0． 0 8 21 ． 4 5 4 0． 1 5 8． 0 9 9． 3 8 2． 1 7 0． 0 5 7 0． 4 3 0． 9 2 0． 1 6 l 1 ． 7 9 4 5 3 3 6． 91 6． 7 2 2． 1 8 0． 0 3 3 0 ． 3 l 5 1 ． 9 4 0 ． 0 6 2 1 0． 7 3 2． 61 1 9． 5 6 7 ． 9 5 1 ． 8 6 0 ． O 21 0 ． 5 4 0 ． 4 6 0 ． 1 4 6 ． 5 4 高炉和转炉产生的堆积渣， 分属于第 四危险级 别。俄联邦政府 2 0 0 3年 6月 1 2日发布的规定内容 如下 “ 固定源和移动源污染物大气 中的排放指标， 地表和地下水物体有害物质 的消除 、 生产和需求废 料的分布” 。根据该规定 ， 支付 1 t 第四级别堆积废 料的费用为每年 2 4 8 ． 4卢布 2 0 0 2年价格 ， 还要考 虑俄罗斯特殊经济 区域的生态因素系数的大小 比 如 ， 中央黑土地区域K2 ． 0， 乌拉尔地 区 K1 ． 7 等等 。 所有 目前产生的及废料场的含铁废料都应当在 生产 中加 以完全利用。在这种情况下 ， 就废料场废 料脱水和 造块能力 考虑 ， 废料 场 的清 除估计 应在 1 O～1 5 年 内可净化重金属污染的土地和河流。 废料循环利用的实现 ， 还依赖于在采用下列工 艺条件下它们 的化学组成和混合物成分 粉尘 、 残 渣 、 未 渍 油 的低 锌 含 量 的 氧 化 皮 ～ 0 ． 1 5 ％ 应当通过烧结 或团矿生产造块 以及在 高炉中冶炼 ； 渍油氧化皮的回收利用， 要通过碳添加物悬浮 物设备 ， 通过风 口设备鼓人高炉 ； 高 炉 和 炼 钢 粉 尘 及 高 锌 含 量 残 渣 大 于 0 ． 1 5 ％ 的利用 ， 通过在渗碳粘结剂 中造块 ， 在容积 达 1 0 0 0 m 高炉采用专门工艺熔炼 ， 或者在球 团矿 的生产 中与碳添加物一起 ， 在有机粘结剂中球 团化 ， 进一步在筒式回转炉中进行 回转窑法处理以得到金 属化铁 。 上述工艺可以做到 利用所有现有 堆积 的含铁一锌一碳 的废料 ， 可 减少开采费用 ， 富选费用和初次铁矿原料运输费用； 可以在最小限度锌加入下创造出高炉主要区域工作 的适宜条件， 降低焦炭 的用量及结瘤的可能性 ， 延长 它们工作期 内的修理期 ， 提高铁水产量。 在某些高炉熔炼 回转炉生产高锌含量的烧结矿 和球 团矿时 ， 由于煤气净化 系统 中粉尘 灰 的离 析 ， 含锌的细分散部分 5 0 ％的现成精矿 ， 可从烧结高炉生产中清除 出锌 和其他有害杂质。 4动 力工程 从 1 9 9 0年前苏联时期黑色冶金业的状况看 ， 投 入运行的有 6 4座火力发 电厂 、 3 6 1台蒸汽和 7 0个 热力锅炉、 1 7 5台涡轮发 电机和 1 7 8台用于高炉鼓 风的涡轮空气压缩机。它们总 的额定小时供给量 为 热 能1 0 1 2 2 6 G J 、 电 能3 3 9 5 MW 兆 瓦 。在 氧气 站有 5 6 4台压 缩 机 额 定 功率 2 8 1 5 Mw 兆瓦 ， 压缩机空气供给系统 中_2 O 5 0 压缩机 ， 总功率 1 4 4 7 MW。上述所列机组中俄罗斯 黑色冶金所 占份额达 6 0 ％。但在 1 9 9 0年大部分 能 量机组已开始老化 、 机体磨损 ， 3 0 ％ 的锅炉 、 涡轮机 组的状况均如此 ， 压缩机再有 4 0余年将完全报废 。 从 1 9 9 0年开始的这段时期 内， 上述动力机组总台数 实际上没有变化 ， 都是在不断的修理中在维持运行 。 靠低潜 力蒸 汽循 环 的动 力机 组 的平 均效 率 处 于 3 0 ％的水平 ， 在各部 门中没有一 台蒸汽循环 的动力 装置其效率超过 5 0 ％。 由此 ， 着眼于 目前发展 的首要任务就是动力装 置的现代化。采用现代化蒸汽循环 ， 可 以实现在同 、 4 5 6 6 8 J P c 2 0 1 3年第 3期 9 样燃料消耗和蒸汽量下 ， 在 降低 系列氮氧化物形成 的情况下 ， 将热效率和电能提高到 6 0 ％ 。 近些年来 ， 在许 多企业里 新利 佩茨克钢铁公 司 、 马格尼托格尔斯克钢铁公司、 北方 钢公 司等 现 代化氧气生产进行 了改造 ， 将老化的和磨损 的单一 双成 品空 气分 离装置 换下 ， 取 而代 之 以获 得成 品 氧 、 高纯净氮 、 氩、 氪 、 氙等 的成套 的现代化装备 。 在原来同样动力消耗下 ， 可 以多生产 出 4 0 ％ 的标准 气体 。 就 2 0 0 8年的现状 ， 俄联邦拥有 3 8座高炉 ， 容积 从 1 0 0 0～5 5 0 0 m ， 其 中 1 0 0 01 1 4 4 m 6座 ， 1 2 2 4 m 1 座 ， 1 3 1 o 一 1 3 8 6 m 8 座 ， 1 5 1 0 ～ 1 5 1 3 m3 4座 ， 1 7 1 9 m 2座 ， 2 0 0 0 2 2 0 0 1 i 1 。 1 1座 ， 2 7 0 0 m 1座 ， 3 2 0 0 m 4座 ， 5 5 0 0 m 1 座 。都装有 煤气 回收非空气压缩 涡轮机 高炉炉顶煤气设计压 力1 0 0 0 1 7 1 9 m 1 8 0 K p a ，2 0 0 0 ～ 5 5 0 0 m 5 0 K p a 它们的额定功率为 3 0 0 MW。 在额定电能情况下 没有利用燃料和室温气体排放 物 可达 2 5亿 k w ／ 年 ， 其成本是俄罗斯地 区网络供 给的 1 ／ 6 。 ． 对于粉尘净化和生产工艺及吸出煤气 的冷却 ， 采用的是水循环回路湿法煤气净化和配有对含铁废 渣干燥装置 在 它们第二次利用时 的大型昂贵系 统设备 。粉尘 湿法净化 的能量消 耗是干粉净 化的 2 ． 5～ 3 ． 0倍 ， 干法粉尘二次 利用 的效率是残渣利用 1 ／71 ／8。 具有较大潜力节约 电能 ， 同时能够减少生态压 力还有如下措施。在烧结生产 、 转炉生产 、 电炉炼钢 及其他生产 中变化加载 的电力变频调节装置和措施 的推广 效率提高 2 ． 5 ％ 以上 ； 现代化的轴心压缩 机取代老化的离心压缩机 效率提高6 ％以上 ； 轧 制生产 中现代化的活塞泵取代多次泵除鳞 效率提 高 1 ． 0～1 ． 5倍 。 5 结 论 1 在与世 界各 国相对 比下 ， 可 以看 出俄 罗斯 1 t 轧件的热动力 资源消耗大约要 比世界先进 国家 多 2 5 ％。 2 这种状况与俄罗斯冶金业发展 的 2个方面 有关 其一 ， 利用正在老化的工艺设备 ； 其二 ， 在能源 保护领域和利用冶金业 内部二次资源方面的应用技 术水平较低。 3 近 2 0年来 的经验表 明， 初次载能体 天然 气 、 煤 、 石油产品 、 电力 和运输的费率在逐年增长 ， 有害废料的排放和堆积存放的税 收增长 ， 由此带来 的仅仅是金属产品价格 的上涨 ， 并未驱动生产工艺 设备的现代化 ， 以及二次能源利用技术和能源保护 措施的进一步提升 。 4 充分利用俄冶金业 内部生态资源潜力措施 及能源保护的推广应用 ， 要求具备强有力 的财政支 撑 ， 该项 目的实施需要有 国家随时的推动和监督。 5 大型企业要站在国家战略高度担负起 以下 责任 研发制定到 2 0 1 5年的企业技术更新装备 ； 完成 温室气体排放源监测 ， 完成生产中积 累的现行技术 成因废料排放源监测 以及二次能源来源监测 ； 根据技术成 因废料和二次能源利用条件 ， 确定 原料和能源的需求 ； 研制出到2 0 1 5年最大限度地降低废物排放的 措施及规划 ； 确定实现上述 目的投资需求量 ， 创新方案和能 源保护措施实现期限； 在创新方案 、 能源保护措施 、 二次资源利用 、 技 术成因废料利用 以及环境保护方面实现期 限内， 保 证无息贷款 ， 免征土地 、 财产 、 利润及其他财产的税 收 ； 设立国家机构 ， 在协商一致的期限内， 合理利用 财力条件 ， 对实现上述措施规划给予监督。 兰金亮 译 自 c M a Ⅱ b 2 0 l 0 ， N 0 ． 4 宋俊涛校