工业炉窑实施《清洁生产促进法》的探讨

　　工业炉窑是仅次于锅炉(含发电锅炉) 的耗能大户，在我国以煤为主的能源结构下，亦是主要污染排放源，是《清洁生产促进法》的主要对象。加上我国多年来经济发展快而环保工作跟不上，由烧煤造成的大气污染已十分严重，如全世界10个大气污染严重城市中我国即占7个。特别是我国已批准实施限制排放CO2的“京都议定书”，尽管未参加考核，但对减排CO2仍应作为对防止地球变暖的贡献。特别是加入WTO后我国经济日益和国际接轨，因而任务十分艰巨。因此，工业炉行业应以贯彻《清洁生产促进法》为契机， 大力作好节能、降耗、减污和增效工作。

　　关于清洁生产的技术，国内和国际上已有一些先例，只要我们认真对照找出差距，采取有效措施，便可较快进步。兹以几种不同类型炉子分类简介如下。

    1 　加热炉

　　烧燃料的加热炉(以轧钢加热炉为代表)上先进高效的高温空气燃烧( HTAC) 技术已得到初步推广。

　　HTAC 技术是日本学者田中良一等人于20世纪80年代末提出的全新概念燃烧技术，它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOx排放等技术有机地结合起来，实现了极限节能和极限降低NOx排放量的双重目的。20世纪90年代在日本等国进行了实用性开发和推广。在我国，一些院校和设计科研院所积极研究开发该项技术。由北京北岛能源技术有限公司、北京神雾热能技术有限公司和北京赛能杰高新技术有限公司等多家公司和单位开发、研制，投产应用该技术的各类炉窑均收到了较好的效果。

　　(1) 由于利用和燃烧器一起的高效蓄热装置进行换向蓄热和预热空气(亦可同时预热煤气) ，使排烟温度降到150℃以下，空气可预热到1000℃以上，余热回收率达90%左右，炉子热效率达70%以上，节能率20%～70%，减排CO₂20%～70%，特别是利用放散的高炉煤气高温加热代油，其节能、环保和经济效果很好。

　　(2) 由于实现了贫氧(含O₂20%～2%)燃烧，不仅使NOx降低到10×10-6以下，加热中的氧化损失亦由1.5%降到0.7%以下。

　　(3) 由于扩散了加热区域，又使炉内温度均匀，使加热能力提高10%～20%，炉体寿命亦有延长。

　　(4) 由于经济效果好，改造的投资回收期为0.3～1年。

　　今后的努力方向有2个：

　　(1) 鉴于技术成熟，经济效益好，应加速推广，并依法通过对指标考核(加热炉燃耗、高炉煤气放散率、NOx 排放标准等) 以促进新炉采用和老炉限期改造。

　　(2) 鉴于轧钢加热炉乃钢铁生产工艺系统的一个环节，应通过改进工艺取消或减轻加热炉的负荷。如我国连铸比达85%后，不少初轧均热炉已停用。珠钢、邯钢和包钢采用薄板坯连铸连轧后，板坯加热炉已为负有板坯均温和上下工序缓冲功能的摆式辊道炉所代替，科研和设计部门的重点亦应转移。

    2 　烧成窑

　　烧燃料的烧成窑以水泥熟料烧成回转窑为代表。水泥熟料烧成回转窑作为工业炉窑与轧钢加热炉的清洁生产有共同之处，即通过充分利用余热达到降低燃耗和减少污染物的排放量。如余热利用最好的窑外分解回转窑，在窑尾设三级预热器对原料预热后烟气排放温度仅250℃～300℃，不仅充分预热了原料，而且做到预分解，从而缩短烧成回转窑加热时间和燃耗下降。基本采用这一技术的日本水泥工业，1990年水泥用熟料的燃耗仅为103kg标煤/t，已达德国2005年目标，为我国同期水平的80%以下。

　　它和轧钢加热炉不同的是煤粉喷入回转窑内燃烧后产生的灰渣亦成为熟料的有效组分，故很适合烧煤，且在热量符合温度要求时烧劣质煤亦可，而在轧钢加热炉上则希望尽可能烧油、气等清洁燃料。同时它还便于掺烧各种废物，如早期掺烧废轮胎时，不仅轮胎本身作为燃料燃烧，连轮胎内的子午线钢丝熔化后亦作为铁矿的代用品作到有效利用。20世纪90年代后期，日本为建设循环型社会强调废物循环利用，水泥熟料回转窑更扩大试烧各种可燃废物，如由可燃垃圾掺石灰压制成球的平均发热量为(4000～5000)×4.18kJ/ kg的垃圾固形燃料(ROF)、废塑料和废木屑等，均收到节燃、降耗和废物利用的效果，成为此类炉窑的一大特色。

　　此外在水泥原料中还可以配入粉煤灰和各种炉渣代替粘土和石灰石，除代替和节约原料外，以废物中的CaO代替石灰石中的CaCO3，还可减排CO2等温效气体。这样既节约了原料又节约了废物的填理用地和减排CO2 ，亦是一种有效的清洁生产方式。特别是高炉水渣等废物由于和水泥成分接近，可不经烧成而直接作为混合材配入熟料经粉磨即成为水泥。作为矿化剂的石膏亦用电厂脱硫后生成的副产石膏来代替，其节能、降耗、减污和提效的作用更大。1990 年日本水泥工业平均利用废物的比例约为20%。1992年巴西世界环发大会上颁布了《世界21世纪议程》，明确了资源永续利用和改善生态环境乃实现经济与社会可持续发展的基本条件，更加重视水泥工业的利废工作，1995年利废率达26 % ，2000年更提高到30%以上(其中高炉水渣和其它废物各1/ 2)。同时并开发成功可掺烧下水污泥和垃圾灰约50%～60%的生态水泥，专门用于不配钢筋的水泥建筑物。反观我国2000年水泥工业吃废物的比例仅10%(其中高炉水渣8%、其它2%) ，可看出我国水泥工业的熟料烧成回转窑在实施清洁生产方面的潜力之大。

    3 　熔炼炉

    烧燃料的熔炼炉以炼铁高炉为代表。从相关数据来看，美国的利用系数和燃料比最好，主要是原燃料条件最好；日本的利用系数和燃料比最差，主要是从降低成本出发采用了廉价质差的原燃料。日本为了降低燃料比和减排CO2，对学习美国经验的效果进行了模拟计算，以便在经济条件合算时采用，可作为我国实施清洁生产时之参考。

    (1) 在原燃料质量下降条件下，可加入适量废铁，按吨铁加入200kg计，则利用系数可由1. 67t/m2·d提高到2.08t/m3·d，燃比可由507kg/ t铁下降到390kg/t铁，相应CO2可减排23%。另考虑利用澳大利亚的廉价天然气把当地的劣质铁矿加工为含铁60%的还原铁运来，按130kg/t铁入炉则可节标煤26.2kg/t，扣除所用天然气后仍净节标煤12.4kg/t，经济上亦合算。

　　(2) 另在NKK于1996年高炉试喷废塑料成功后，2001年已喷15万t，神户制钢喷4万t；还有新日铁在焦煤中掺废塑料1%成功后，2001年已用8万t。规划炼铁系统2010年共用废塑料100万t，合节油共85.8万kL。同时N KK又于2002年起在高炉试喷废木屑，目标为年喷5万t。我国在经济条件合适下亦可学习。

    4 　电熔炼炉

　　电热型熔炼炉以炼钢用电弧炉为代表。根据国内外的资料报道，电弧炉中清洁生产最佳的典型为1999 年由日本NKK 开发成功并于2001年由岸和田制钢投产的100t环保型高效电弧炉，其炼钢电耗仅150kW·h/t。

　  电弧炉的清洁生产方向为：

　　(1) 此炉利用堆在炉体上的竖筒式预热器对废钢连续预热，将废钢预热到800℃，为降低电耗创造了有利条件。这是电炉节电的主要方向。我国沙州钢厂从国外引进竖式电炉，节电效果亦好。希望能尽快国产化。

　　(2) 在电炉吹入焦粉(50kg/t)和氧气(45m3/t)，不仅有利于节电，且总体热效率高于燃料发电→电加热的方式。我国部分电弧炉通过喷入煤粉和氧亦收到了较好的节电效果。

　　(3) 利用控制焦粉和氧喷入量控制电炉出口烟气的氧化度为0.5～0.6，然后在后部的燃烧室使自燃到850℃以上，使二恶英分解后经速冷后排出，保证了二恶英达到<0.5ng/m3的排放标准。

　  二恶英乃剧毒物质，我国已对京、津、沪、粤地区的垃圾焚烧炉考核，随着环保的严格化，电炉亦将考核，故应有思想准备。

　　在电炉降低电耗方面还有超高功率电炉、直流电弧炉和有条件的单位进行部分铁水热装等。

    5 　热处理炉

　　电加热的热处理炉类。由于种类繁多，限于篇幅不详述。但主要的清洁生产方向有： (a) 以连续式炉代替室式炉； (b) 电阻炉采用红外电热器以提高传热效率； (c) 采用绝热材料以减少炉体散热； (d) 采用控轧、控冷以代替某些热处理等。

    几个值得探讨的问题

　　(1) 关于燃料选择的展望。由上述可知对燃料轧钢加热炉类，燃料选择是关键。烧煤既污染严重，又不利实施HTAC；烧油由于大量依靠进口而涉及能源安全，不是发展方向；气体燃料属清洁燃料，尽管目前资源不足，但从长远看前景可观，应很好利用。首先是我国有近800万t标煤的可燃气未能充分利用，如放散的高炉煤气，未回收的转炉煤气，土焦改机焦后的焦炉煤气，炼油厂的火炬，化肥厂的池放气，煤矿的瓦斯，油田的伴生气和垃圾填埋场的沼气等都是宝贵的财富，应合理组织，变废为宝。

　　其次，西气东输工程已开工，2005年完工后不仅给东部、中部地区送来了可观的天然气，同时将带动山西等沿线地区丰富的煤层气的开发利用。按中俄协议，俄伊尔库茨克天然气管线将于2010年建成南下，又是一笔很大的气源，加上在此期间国内气田的开发，气源将改观。

　　从长远看，我国沿海有丰富的天然气水合物资源。现日本和加拿大合作研发天然气水合物的开采技术，预计2010年将实用化，因而天然气资源的接替问题亦有保证。

　　从以上情况出发，我们应合理组织，供应工业炉需要的气体燃料(含部分高炉喷吹) ，以保它的清洁生产。在气体燃料未能解决前，应大力实施洁净煤技术： (a) 烧油加热炉以水煤浆代替； (b) 烧煤炉以煤制气代替； (c) 少数保留烧煤的采取液体渣加热法，既保炉气清洁，又利炉渣的综合利用。

　　(2) 与时俱进，科技创新，促进工业炉的清洁生产。目前各类工业炉中都出现了一些新的工艺技术，十分有利于工业炉的大幅节能、降耗、减污和提效。主要事例如下：

　　①在轧钢加热炉方面，过去由钢水生产薄带，需先由钢水铸成钢锭，经均热炉加热后由初轧机生产板坯，再经板坯加热炉加热后由热连轧机生产出薄带，需经2次加热。而最先进的薄带连铸技术，可直接由钢水经双辊连铸机铸成薄带并经1～2道轧机对表面平整即可，两次加热均可省去。现日本新日铁公司已建成3 万t/a不锈钢薄带连铸生产线1套，美国纽柯钢公司已建成50万t/a碳钢薄带连续生产线1套。我国从“七五”开始即进行科技攻关，急待实用化。

　　②在水泥生产中很早即有以高炉水渣或钢渣代替全部或部分熟料的先例，可大部简化熟料烧成回转窑的功能。近年又有研究在发电用煤中掺入部分石灰石，使粉煤灰的成分和熟料相似以取代熟料生产水泥的。成功后则熟料烧成回转窑可简化和去掉。

　　③一般铸造用铁水多用化铁炉将冷铁块用焦炭熔化后供应。但在上世纪70年代钢铁厂即有用高炉铁水经工频炉简单调温和调成分后进行浇铸的，从而以少量电能代替了大量焦炭。上世纪90年代日本某铸造厂在铸造厂房内建一30m3小高炉供应铁水直接铸造。利用加炭球团为原料和富氧送风，利用系数可达4t/(m3·d)以上，彻底代替了化铁炉，更为简便。我国有大量小高炉停产，一些大宗铸件厂可参照利用。

　　④用控轧、控冷代替热处理炉。日本神户制钢供生产汽车螺栓用的冷拔线材，一般在冷拔前或冲压加工前需退火一次。后采取降低200℃的低温下轧制和将冷却时间延长1倍后，不仅取消了退火，且加工用模具的寿命亦延长1倍。

　　总之，认真贯彻《清洁生产促进法》，强化工业炉窑的节能降耗，从源头削减污染，提高资源的利用率，保护和改善环境，是实现促进经济与社会可持续发展战略的重要方面，也是全社会义不容辞的职责。