第1章 钢铁绿色制造及烧结清洁生产现状
　　钢铁是现代社会生活中最重要、应用最多且价格低廉的金属材料，也是最易于回收和再生的资源。钢铁享有“工业粮食”的美誉，对国防、交通、建筑、机械制造、汽车等工业起着重要的支撑作用，为人类社会的发展做出了巨大贡献，在今后相当长的时期内仍然是其他材料无法替代的、最重要的工业材料。
　　1.1 钢铁工业发展现状及趋势
　　世界钢铁工业经历了两次高速增长期（图1.1）。1900年世界粗钢产量为2850万t，20世纪50～70年代，粗钢产量由2亿t左右迅速增至7亿t，经历第一次高速增长期，这一时期的高速增长源于美国、欧洲、日本等国家和地区第二次世界大战后的恢复和重建。进入21世纪，世界粗钢产量进入了第二次高速增长期，增长的主要原因是发展中国家（主要是中国）及新兴工业国家的工业化和大规模基础设施建设［1-3］。2004年世界粗钢产量首次突破10亿t，受国际金融危机影响，2008年、2009年连续两年下降，而随着世界经济的逐步复苏，2010年后稳步回升，2017年世界粗钢产量达到16.912亿t，我国粗钢产量达到8.317亿t，约占世界粗钢产量的49.2%。
　　图1.1 世界及中国历年粗钢产量
　　钢铁工业两次高速增长期的技术进步是不同的：第一次高速增长期的主体是发达国家，技术进步主要来自发达国家技术创新；第二次高速增长期的主体是发展中国家和新兴工业国家，技术进步主要依靠从发达国家引进技术。20世纪80年代初我国钢铁工业以宝钢系统引进日本钢铁设备与技术为切入点，开始对世界先进钢铁技术系统进行引进、消化与吸收；80年代末开始对钢铁行业“六大共性技术”实施行业攻关，致力于对当代钢铁先进技术的集成应用；90年代主要通过提高连铸比，提升钢铁生产工艺与效率水平；21世纪以来，工艺技术和装备水平持续提高，陆续建设了一批生产工艺先进的钢铁厂。但是，就当前的整体水平来看，我国的钢铁企业与世界最先进的钢铁企业相比仍有差距，需要在技术工艺、产品质量、环保标准、企业效益等方面进一步提升，通过前沿创新实现钢铁大国向钢铁强国转变［4-7］。
　　随着钢铁产量的不断提高，传统生产模式带来的资源、能源和环境的制约越来越严重。当前，钢铁工业面临的主要矛盾已经转化为产业结构与市场竞争需求不适应、绿色发展水平与生态环境需求不适应的矛盾。为解决新时期面临的主要矛盾，钢铁企业未来的发展模式将通过绿色制造向生态化转型，应由单一功能向多功能转变。殷瑞钰院士提出了新时期钢铁企业的三大功能［4］：①冶金材料生产功能，构建新一代生产流程，确立新一代钢厂模式，开发新一代钢铁材料；②能源转换功能，生产清洁能源，如低硫煤气、富氢煤气、富CO煤气，用于发电或作为化工原料，甚至探索转化为氢气，为社会提供能源;③处理大宗社会废弃物，处理社会废钢、废塑料、废轮胎和焚烧垃圾，为城区集中处理废水等。基于此，要实现钢铁制造业转型升级，从钢铁大国向钢铁强国迈进，钢铁制造工艺和流程创新、钢铁先进智能制造、钢铁绿色制造是三大基本要素。
　　（1）钢铁制造工艺和流程创新。
　　钢铁工业是典型的流程工业，包括原料—烧结—炼铁—炼钢—连铸—热轧—冷轧—热处理等众多环节，流程中的每个环节都会对钢铁制造产生影响，全流程的综合作用，决定钢铁产品的质量和制造水平。因此，钢铁工业前沿性、战略性、颠覆性的创新，取决于全流程、一体化的创新。
　　炼铁工艺应以低碳冶炼为目标，能源结构由化石能源向富氢燃料转变，开发气基直接还原、熔融还原等非高炉炼铁技术，减少CO2的排放；炼钢应发展电炉炼钢工艺，开发适应铁水、废钢、直接还原铁的炼钢技术，实现废钢资源的循环利用；轧钢工艺应发挥近终形、短流程的优势，优化薄板坯连铸连轧流程、薄带连铸流程等，开发流程减量化的生产工艺。总体来说，钢铁制造应走绿色化道路，开发减量化、高性能、长寿命、易循环的绿色钢铁材料［8］。
　　（2）钢铁先进智能制造。
　　智能化是未来钢铁工业技术发展的方向之一。为大幅提升生产效率，全球钢铁企业都在致力于钢铁智能制造，将大数据、人工智能等技术应用于钢铁生产。韩国浦项钢铁公司光阳厂厚板分厂是智能工厂的典范，其智能化水平已经走在世界前列。光阳厂厚板分厂将物联网、大数据、人工智能等技术手段应用于钢铁生产，涵盖操作管理、质量管理、人工智能、虚拟工厂和安全管理五个方面，建立了高附加值产品量产体系，生产效率居世界领先水平。同时开发了降本增效、质量控制、信息融合等技术，扩大高附加值产品比例，灵活应对生产环境的变化［9］，其成功经验值得我国钢铁企业学习和借鉴。
　　钢铁生产流程和设备十分复杂，存在强烈的复杂性、非线性、时变性和不确定性等，一般很难用精确的数学模型描述，而人工智能技术恰恰在这方面具有优势［5，10］。殷瑞钰院士提出了智能化钢厂建设的概念，构建起植根于流程运行要素及其优化的运行网络、运行程序的物理模型，通过以制造流程物理系统结构优化和数字化信息系统相互融合来实现钢厂智能化［5］。
　　（3）钢铁绿色制造。
　　钢铁工业作为污染和能耗大户，其排放的SO2、NOx、烟粉尘等污染物占全国工业的7%～14%，是大气的主要污染源之一。因此，钢铁工业成为我国环境治理的重点领域。
　　我国为推进钢铁产业的可持续发展制定了阶段性目标：《钢铁工业调整升级规划（2016—2020年）》明确到2020年，我国钢铁产业能源消耗总量比2016年下降10%以上。我国向国际社会承诺，“到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%”。钢铁产业作为重点碳排放行业，是履行国家应对气候变化目标责任的重要组成部分。
　　我国钢铁工业的绿色化必须从结构调整入手，并从三个层次上实施绿色化重点技术，积极推动我国钢铁工业的清洁生产和绿色化进程［4-5］：①普及、推广相对成熟的节能减排技术，如干熄焦、厚料层烧结、高炉煤气和炉顶余压发电、转炉煤气回收、转炉溅渣护炉、钢渣的资源化再利用、蓄热式清洁燃烧、铸坯热装热送、高效连铸和近终形连铸等；②投资开发一批有效的绿色化技术，如烧结烟气脱硫脱硝综合治理技术、焦炉煤气净化技术、高炉喷吹废塑料或焦炉处理废塑料等；③探索研究一批未来的绿色化技术，如熔融还原炼铁技术及新能源开发、薄带连铸技术、新型焦炉技术，以及处理废旧轮胎、垃圾焚烧炉等与社会友好的废弃物处理技术。
　　钢铁工业的绿色发展，必须依托环保技术的更新，按照循环经济的基本原则，以清洁生产为基础，紧抓资源高效利用和节能减排，全面实现低成本高质量钢铁产品制造、能源高效转换与回收利用、大宗废弃物处理-消纳与资源化这三个功能，并与其他行业和周边社会实现生态化链接，从而构建绿色发展模式，大力发展生态效益、经济效益、社会效益相统一的绿色、循环、低碳钢铁产业。
　　1.2 烧结污染物排放与清洁生产现状
　　1.2.1 烧结能耗和污染物排放
　　我国炼铁系统以烧结球团—高炉流程为主，烧结是钢铁生产的第一道工序，其产品烧结矿是高炉冶炼的主要炉料，约占高炉含铁炉料的75%。我国历年烧结矿年产量如图1.2所示，从2013年起烧结矿年产量超过10亿t。
　　图1.2 我国历年烧结矿年产量
　　目前，大部分细粒铁矿石原料都需经过烧结、球团工艺造块处理后，才能入炉进行冶炼。烧结是将细粒物料进行高温加热，在不完全熔化的条件下烧结成块，所得产品称为烧结矿，是一种由多种矿物组织构成的多孔集合体，孔隙率为40%～50%。高碱度烧结矿配加部分球团矿或块矿是我国高炉主要采用的炉料结构。高碱度烧结矿具有粒度均匀、粉末较少、还原性与高温软熔性能较好、化学成分稳定、造渣性能良好等优点，有利于降低高炉工序能耗和改善生产指标。烧结矿的上述特点，决定了其在高炉炉料结构中占主导地位。
　　但烧结也是典型的高能耗、高污染过程，其过程温度高达1300℃，导致能源消耗大，工序能耗占钢铁生产总能耗的10%～15%，是仅次于炼铁的钢铁生产第二耗能过程。烧结能耗主要由固体燃料消耗、电力消耗、点火能耗三部分构成，各自的比例为75%～80%、5%～10%、13%～20%。从烧结矿的加工费用来看，燃料费用占40%以上。
　　21世纪以来，我国烧结能耗下降明显（图1.3），2017年新疆八一钢铁有限公司烧结工序能耗降低至38.0kgce/t（千克标准煤/吨烧结矿），唐山钢铁集团有限责任公司（简称“唐钢”）也降至44.4kgce/t，达到了国际先进水平。另外，河钢集团承钢公司（简称“承钢”）、新余钢铁集团有限公司（简称“新余钢铁”）、河北敬业集团有限公司（简称“河北敬业”）、江苏沙钢集团有限公司（简称“沙钢”）、广西柳州钢铁集团有限公司（简称“柳钢”）、宣化钢铁集团有限责任公司（简称“宣钢”）、邯郸钢铁股份有限公司（简称“邯钢”）、济钢集团有限公司（简称“济钢”）、攀钢集团有限公司（简称“攀钢”）、方大特钢科技股份有限公司（简称“方大特钢”）、萍乡钢铁有限责任公司（简称“萍钢”）等，工序能耗也在48kgce/t以下，在国内达到了较为先进的水平。我国少数企业的烧结工序能耗已达到或接近世界先进水平，但大部分烧结厂的能耗还很高。
　　图1.3 我国历年烧结工序能耗和固体燃料消耗
　　我国烧结行业的整体能耗水平和日本、德国等先进国家还有较大的差距。日本烧结的固体燃料消耗指标处于世界领先水平，其固体燃料消耗平均为45kgce/t［11］，福山制铁所烧结厂在实施许多节能措施后，烧结总能耗降低到42kgce/t，达到国际领先水平，并计划将能耗继续降低到32kgce/t。欧洲有些烧结厂的固体燃料消耗也降低到了类似的程度。
　　除能耗高外，由于烧结是气-固对流传热的高温成矿过程，所以产生大量的烟气，占钢铁工业总废气量的40%，且烟气中含有多种危害性大的污染物。因此，烧结产物成为钢铁工业最为严重的大气污染源。
　　烧结过程排放的烟气含有粉尘、COx、SOx、NOx、二噁英（PCDD/PCDFs）和呋喃等高致癌物质、酸性气体（HF、HCl等）、重金属（Hg、Pb、Cr、Cu、Cd等）和碱金属（K、Na等）等多种污染物［12］。由表1.1可知，烧结烟气中SOx、NOx、酸性气体、二噁英、PM2.5的排放量分别占钢铁工业总排放量的70%、48%、48%、48%、40%，均居钢铁工业第一位，其治理任务重、难度大。
　　表1.1 烧结污染物排放量占钢铁工业总排放量的比例
　　烧结烟气中含尘量一般为1～5g/Nm3，COx含量为120～160g/Nm3，SO2含量一般为400～1500mg/Nm3，有的高达3000mg/Nm3以上，NOx含量为250～400mg/Nm3，二噁英含量为0.8～2.0ng-TEQ/m3，HCl排放浓度多为20～60mg/Nm3，有的高达130mg/Nm3以上，重金属最高可达0.6mg/Nm3。根据当前年产10亿t以上烧结矿的生产规模，每吨烧结矿产生1300～1600Nm3废气，COx、SOx、NOx、HCl、二噁英的排放强度分别为200kg/t（吨烧结矿）、1.5kg/t、0.45kg/t、75g/t、1.5μg-TEQ/t计算，我国烧结行业每年产生COx、SOx、NOx、HCl、二噁英等污染物分别达2亿t、150万t、45万t、7.5万t、1.5kg。