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燃燒吧，效率

不論是廢鋼回收利用，還是針對傳統(tǒng)熱風爐工藝，西門子技術正在幫助降低煉鋼廠的能耗。其結果是：節(jié)約資源、減少排放、合理降低運營成本。

電弧煉鋼爐。幾乎每一棟建筑物和每一輛汽車都需要使用鋼材。全球年鋼產量達15億噸以上。

一臺威力無比的電弧煉鋼爐內，一場風暴正在肆虐。每隔幾秒鐘，就會發(fā)出震耳欲聾的爆炸聲和嘶嘶作響的嘈雜音。火紅的鋼水在爐內沸騰翻滾，猶如涌動的火山巖漿。直徑與檢修孔蓋厚度差不多的石墨電極，以高壓形式向電弧煉鋼爐內輸入電能，燃起熊熊烈焰，使爐內溫度達到1540攝氏度以上，令廢鋼熔化，煉成新鋼。這類電爐的耗電量往往比一座小城鎮(zhèn)還大。不過，利用常規(guī)熱風爐來冶煉鐵礦石的傳統(tǒng)煉鋼工藝，也要消耗大量能源。在超過1400攝氏度的高溫下工作，這種高度堪比高層建筑的煉鋼爐，可以利用鐵礦石、煤炭、焦炭等原料，冶煉出生鐵，以供進一步加熱精煉成鋼材。

因而不足為奇的是，除了為輪船、汽車、鐵路和橋梁等提供基本材料外，鋼鐵工業(yè)也會因耗用電能和煤炭而產生大量的二氧化碳。位于奧地利林茨的西門子奧鋼聯(lián)鋼鐵科技有限公司的煉鋼和ECO解決方案技術與創(chuàng)新管理部門主管Alexander Fleischanderl博士表示：“煉鋼廠排放的二氧化碳，占全球二氧化碳總排放量的6.7%。”然而，他不愿將煉鋼廠視為環(huán)境的敵人，因為用鋼鐵制成的產品也是*的節(jié)能工具。譬如，風電機組、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和高效燃氣輪機等都離不開鋼鐵部件。此外，最近幾十年，鋼鐵制造商已經降低了能耗，從而大大減少了二氧化碳的排放量。Fleischanderl指出：“在歐洲，50年前，生產一噸成品，要耗用大約30千兆焦耳能量，1990年，這個數(shù)字為24千兆焦耳。如今，每噸成品的能耗已降至不足18千兆焦耳?，F(xiàn)在，一座產能為500萬公噸最終產品的一般綜合煉鋼廠，每年要排放約800萬噸二氧化碳，比1960年減少了37%。”

不過，仍有尚需改進之處。這主要是因為大部分廢熱都未能得到利用。Markus Dorndorf博士是西門子電爐煉鋼業(yè)務部的研發(fā)主管，他說：“煉鋼耗用的能源，有近三分之一是從溫度高達1400攝氏度左右的電弧爐，以煙氣排放的形式被浪費了。”但如果將這些廢熱用于驅動蒸汽輪機，那么，由此生產的電能，可以滿足10%的用電需求。為此，Stahlwerk Thüringer GmbH——一家坐落于埃爾富特以南約60公里處的電爐煉鋼廠——請西門子設計并提供了一個通過在熱源與蒸汽輪機之間安裝熔鹽儲罐，來保證穩(wěn)定供應電能的能量回收系統(tǒng)。

上圖：西門子提供的全新電弧爐，利用了過程廢氣來預熱廢鋼以供熔煉。這可將能耗降低20%以上。
下圖：巨型石墨電極將廢鋼加熱至1540攝氏度，將之煉成新的優(yōu)質鋼材。

如果利用過程廢熱來預熱廢鋼，還可以大幅降低二氧化碳的排放量——西門子新打造的Simetal EAF Quantum電弧煉鋼爐，便采用了這樣的技術。目前，西門子正在墨西哥為鋼鐵制造商TYASA公司建造的*座此種類型的高性能煉鋼爐，計劃于2014年上半年投入運行。相比于傳統(tǒng)解決方案，EAF Quantum電弧煉鋼爐的能耗會降低20%。除此之外，相比于傳統(tǒng)電弧煉鋼爐，它還具備諸多其他優(yōu)點，包括冶煉周期更短、熔化電極使用壽命更長，以及攤銷期限更短等。

將煙氣用作資源。采用熱風爐工藝，在將鐵礦石煉成生鐵的過程中，也可以大大減少溫室氣體的排放量。要挖掘減排潛力，燒結工藝首當其沖。燒結是將鐵礦石、諸如焦炭或煤炭等燃料以及助熔劑等的混合物放到爐床上，并從上方加熱，從而使之固結。Fleischanderl說：“在一座普通煉鐵廠，這道工藝每小時會產生超過100萬立方米的煙氣，這些氣體中含有因不*燃燒而生成的一氧化碳及其他污染物。”但借助西門子的“選擇性煙氣再循環(huán)（SWGR）”技術，可將多達50%的煙氣送回燒結工藝。然后，一氧化碳將被再一次用作燃料，從而將焦炭的需求量和二氧化碳的排放量降低10%左右。產生的煙氣越少，所需的煙氣凈化成本就越低。短短幾年來，在奧地利林茨的奧鋼聯(lián)集團旗下的燒結廠以及其他地方，SWGR已經取得了不俗的成效。此外，結合使用曾為Fleischanderl贏得西門子“2013年度發(fā)明家大獎”的西門子MEROS煙氣凈化技術，林茨燒結廠還清除了多達99%的污染物（包括硫氧化物、氮氧化物、重金屬和諸如二惡英等有機化合物）或將之轉化為無害物質。譬如，MEROS系統(tǒng)使用了氫氧化鈣及其他物質，將二氧化硫轉化為石膏，而重金屬和二惡英，則被封存于諸如平爐焦炭（HOK）或活性焦炭等干燥吸附劑中。將所需吸附劑高速吹入煙氣流中，然后用水噴淋添加劑與煙氣的混合物，使其溫度降至90攝氏度左右。Fleischanderl表示：“這樣做能加快預期的化學反應。”然后，分離出顆粒物質，由于這些物質依然含有活性添加劑，因此可以多次將之重復循環(huán)到煙氣流中。西門子已經在奧地利和中國建造了三套MEROS設備，并且接到訂單要在土耳其提供1套，在意大利提供4套MEROS設備。

MEROS煙氣凈化技術，可從煉鋼廠廢氣中清除多達99%的污染物。

在接下來的工序中，將利用熱風爐把鐵燒結礦和助熔劑熔煉成生鐵，以供煉鋼之用。這個過程也會產生廢氣，直接將之燒掉是可恥的做法。要知道，這些可燃燒的過程廢氣含有大量一氧化碳。如今，通常的做法是將之輸入燃氣發(fā)電設備用于發(fā)電，目前其發(fā)電效率不足40%。無論如何，這些廢氣的利用率可以進一步提高。Fleischanderl說：“借助生物發(fā)酵技術，可以利用細菌，將一氧化碳轉化為乙醇及其他有價值的工業(yè)化學品。”為此，西門子與Lanza-Tech公司展開了合作。Lanza-Tech公司是美國一家從事氣體發(fā)酵技術的公司。利用可燃燒的過程廢氣來生產生物乙醇，可以實現(xiàn)60%以上的效率，并且不會對農作物種植構成競爭。目前已在中國建成一個示范系統(tǒng)，并投入運行。

用礦渣生產水泥。哪怕是礦渣——一種高爐煉鐵的副產品，也蘊含著巨大的潛力有待挖掘。在全球范圍內，每年要產生將近4億公噸礦渣。傳統(tǒng)工藝的做法是將溫度高達約1500攝氏度、還在嘶嘶作響的礦渣分離并倒入裝有冷水的水槽中。由此形成的粒狀物料主要用于生產水泥。但采用西門子新研制的一項技術，可以在干燥狀態(tài)下將礦渣?；瑥亩梢詮闹谢厥沾罅繜崮?。Fleischanderl指出：“這種干式?；に?，采用空氣來冷卻礦渣。將礦渣放到轉盤中，僅靠離心力作用，將之?；?rdquo;

可以通過多種途徑重復利用過程廢氣——譬如，用于發(fā)電或用作燃料。

在這個過程中，冷卻空氣的溫度將升高至600攝氏度左右。接下來，如果讓這些空氣流經熱交換器，那么，其中蘊含的熱能可以被用來產生水蒸汽，后者可以被直接用作熱源甚至用于發(fā)電。采用這種方法，可以從每公噸高爐礦渣中回收約1.5千兆焦耳能量，或者生產400多度電能。若以熱風爐而論，依據(jù)熱風爐的大小，這代表著1萬到3萬千瓦的發(fā)電容量。這樣一來，便無需花費不菲的成本來處理冷卻水，以及建造成本高昂的冷卻塔。此外，粒狀物料也不必進行烘干處理。對于每一公噸礦渣，這又能節(jié)約至少130度電能。鑒于這些優(yōu)點，目前西門子正計劃與奧鋼聯(lián)集團合作在林茨建造一個示范系統(tǒng)。

在轉爐——外形類似湯釜的巨型容器——中，從熱風爐出來的生鐵與廢鋼、助熔劑、合金添加劑以及氧氣等混合，被煉成目標鋼種。針對這道工藝，西門子工程師也開發(fā)了相應的節(jié)能技術，并且這項節(jié)能技術甚至有助于提高煉鋼的靈活性。得益于Jet Process技術，轉爐不僅能冶煉生鐵，還能冶煉更大量的廢鋼，并且冶煉效率也比以前更高。在這個過程中，通過位于底部的風口（噴嘴），將煤炭、氧氣和石灰石等爐料加入熔化的生鐵中，同時，通過噴槍從頂部射入溫度高達1300攝氏度左右的富氧熱空氣。位于林茨的西門子奧鋼聯(lián)鋼鐵科技有限公司的Gerald Wimmer博士是這項技術的開發(fā)者之一，他說：“相比于傳統(tǒng)轉爐，這項技術能夠更加均勻地攪拌各種爐料，從而使碳更有效地轉化為二氧化碳。”此外，轉化過程中釋放的熱能，被回收用于煉鋼熔池，而不是隨廢氣消散掉。

上圖：廢鋼在特殊高爐中熔化。下圖：基于ESP技術的帶鋼生產非常高效。下圖：煉鋼專家和發(fā)明家Alexander Fleischanderl博士。

從高爐到軋制鋼板。近幾年，西門子掌握了一項非常高效、節(jié)能的技術，可用于加工剛煉好的鋼水，譬如，將之軋制成鋼板。這項名為“Arvedi ESP（無頭帶鋼生產）”的技術，由意大利鋼鐵制造商Arvedi公司開發(fā)?，F(xiàn)行的慣常做法是，將從鋼水直接鑄出的熾熱鋼帶不作剪切，而是臨時存放并冷卻。與此不同，這項技術卻是立即進行下一步加工。西門子林茨*Andreas Jungbauer解釋道：“從板坯澆鑄，到帶鋼軋制，再到生產出帶卷，整個過程在一條連貫的生產線上不間斷地進行。”歸功于這項工藝，軋制設備在重新將鋼帶加熱至所需的1200攝氏度，以進行軋制時，僅需稍事加熱即可。實際上，這可將有關能耗最多降低45%。相比于傳統(tǒng)設備，這項技術還可將二氧化碳排放量最多降低39%，同時將營運成本削減37%。此外，無頭帶鋼生產不會因剪切帶鋼而產生廢料。目前，意大利克雷莫納的一座鋼鐵廠正在使用西門子的這項技術。西門子為中國的兩座鋼鐵廠提供的無頭帶鋼生產系統(tǒng)，也有望于2015年投產。

最后，在整個鋼鐵制造過程中，自動化系統(tǒng)能夠節(jié)約大量能源。Fleischanderl說：“過去10年，我們一直著眼于提高產量和加快生產速度。然而現(xiàn)在，出現(xiàn)了嚴重的產能過剩，煉鋼廠利用率往往只有70%或80%。”西門子提供的“Green Button”系列解決方案，可幫助多個工業(yè)領域在當前利用率的基礎上，優(yōu)化工業(yè)過程的能效。

譬如，可以為除塵設備自動減速，或關閉暫時不需要使用的泵和風扇。據(jù)初步的實地測試表明，這樣的舉措，可將有關能耗降低多達40%。Fleischanderl指出，Precon便是一個這樣的例子。Precon是一個自動化解決方案，可優(yōu)化用來凈化轉爐煙氣的靜電除塵器的電源供給。他說：“如果鋼鐵行業(yè)為節(jié)約能源、原材料以及最大限度減排，而采用當前市場上的所有西門子技術，那么，事實上，這將是你所能做的一切。這樣做，既可提高經濟效益，又切實可行。”

未來，風電場和太陽能電站提供的氫氣和電能，將在鋼鐵冶煉領域發(fā)揮重要作用。

他堅信，只有通過向可再生能源轉型，才能取得更大的突破。譬如，可以利用風電場或太陽能電站提供的電能，來滿足電弧爐的用電需求。此外，利用可再生能源生產的氫氣，也可以取代生鐵冶煉過程中使用的大量煤炭和焦炭。

同這些原料一樣，氫氣既是一種燃料，也是一種化學還原劑，可以與鐵礦石中的氧化鐵進行氧化反應。采用這樣的爐料，煉鋼廠煙囪里冒出來的將不再是二氧化碳，而只是水蒸汽。當然，要實現(xiàn)這一點，首先必須有數(shù)量足夠的氫氣可用。不過，按照Fleischanderl的說法，只要再過幾十年，這將成為現(xiàn)實。他認為，煉鋼廠的轉爐工藝不是大問題。他補充道：“我們已經為此做好了充分準備。”