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燃燒吧，效率

不論是廢鋼回收利用，還是針對(duì)傳統(tǒng)熱風(fēng)爐工藝，西門子技術(shù)正在幫助降低煉鋼廠的能耗。其結(jié)果是：節(jié)約資源、減少排放、合理降低運(yùn)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(chǎn)量達(dá)15億噸以上。

一臺(tái)威力無比的電弧煉鋼爐內(nèi)，一場(chǎng)風(fēng)暴正在肆虐。每隔幾秒鐘，就會(huì)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(nèi)沸騰翻滾，猶如涌動(dòng)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(nèi)輸入電能，燃起熊熊烈焰，使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)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(fēng)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(jìn)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(huì)因耗用電能和煤炭而產(chǎn)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(shù)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?yàn)橛娩撹F制成的產(chǎn)品也是*的節(jié)能工具。譬如，風(fēng)電機(jī)組、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和高效燃?xì)廨啓C(jī)等都離不開鋼鐵部件。此外，最近幾十年，鋼鐵制造商已經(jīng)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(chǎn)一噸成品，要耗用大約30千兆焦耳能量，1990年，這個(gè)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。現(xiàn)在，一座產(chǎn)能為500萬公噸最終產(chǎn)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(jìn)之處。這主要是因?yàn)榇蟛糠謴U熱都未能得到利用。Markus Dorndorf博士是西門子電爐煉鋼業(yè)務(wù)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(dá)1400攝氏度左右的電弧爐，以煙氣排放的形式被浪費(fèi)了。”但如果將這些廢熱用于驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)，那么，由此生產(chǎn)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(qǐng)西門子設(shè)計(jì)并提供了一個(gè)通過在熱源與蒸汽輪機(jī)之間安裝熔鹽儲(chǔ)罐，來保證穩(wěn)定供應(yīng)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(yù)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(zhì)鋼材。

如果利用過程廢熱來預(yù)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(shù)。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(jì)劃于2014年上半年投入運(yùn)行。相比于傳統(tǒng)解決方案，EAF Quantum電弧煉鋼爐的能耗會(huì)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(diǎn)，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(fēng)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(jié)工藝首當(dāng)其沖。燒結(jié)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(jié)。Fleischanderl說：“在一座普通煉鐵廠，這道工藝每小時(shí)會(huì)產(chǎn)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(shù)，可將多達(dá)50%的煙氣送回?zé)Y(jié)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(chǎn)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(tuán)旗下的燒結(jié)廠以及其他地方，SWGR已經(jīng)取得了不俗的成效。此外，結(jié)合使用曾為Fleischanderl贏得西門子“2013年度發(fā)明家大獎(jiǎng)”的西門子MEROS煙氣凈化技術(shù)，林茨燒結(jié)廠還清除了多達(dá)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(jī)化合物）或?qū)⒅D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。譬如，MEROS系統(tǒng)使用了氫氧化鈣及其他物質(zhì)，將二氧化硫轉(zhuǎn)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(yù)期的化學(xué)反應(yīng)。”然后，分離出顆粒物質(zhì)，由于這些物質(zhì)依然含有活性添加劑，因此可以多次將之重復(fù)循環(huán)到煙氣流中。西門子已經(jīng)在奧地利和中國建造了三套MEROS設(shè)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(shè)備。

MEROS煙氣凈化技術(shù)，可從煉鋼廠廢氣中清除多達(dá)99%的污染物。

在接下來的工序中，將利用熱風(fēng)爐把鐵燒結(jié)礦和助熔劑熔煉成生鐵，以供煉鋼之用。這個(gè)過程也會(huì)產(chǎn)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?xì)獍l(fā)電設(shè)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(jìn)一步提高。Fleischanderl說：“借助生物發(fā)酵技術(shù)，可以利用細(xì)菌，將一氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇及其他有價(jià)值的工業(yè)化學(xué)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(shù)的公司。利用可燃燒的過程廢氣來生產(chǎn)生物乙醇，可以實(shí)現(xiàn)60%以上的效率，并且不會(huì)對(duì)農(nóng)作物種植構(gòu)成競(jìng)爭。目前已在中國建成一個(gè)示范系統(tǒng)，并投入運(yùn)行。

用礦渣生產(chǎn)水泥。哪怕是礦渣——一種高爐煉鐵的副產(chǎn)品，也蘊(yùn)含著巨大的潛力有待挖掘。在全球范圍內(nèi)，每年要產(chǎn)生將近4億公噸礦渣。傳統(tǒng)工藝的做法是將溫度高達(dá)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(chǎn)水泥。但采用西門子新研制的一項(xiàng)技術(shù)，可以在干燥狀態(tài)下將礦渣粒化，從而可以從中回收大量熱能。Fleischanderl指出：“這種干式粒化工藝，采用空氣來冷卻礦渣。將礦渣放到轉(zhuǎn)盤中，僅靠離心力作用，將之粒化。”

可以通過多種途徑重復(fù)利用過程廢氣——譬如，用于發(fā)電或用作燃料。

在這個(gè)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(jīng)熱交換器，那么，其中蘊(yùn)含的熱能可以被用來產(chǎn)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(chǎn)400多度電能。若以熱風(fēng)爐而論，依據(jù)熱風(fēng)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(fèi)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(jìn)行烘干處理。對(duì)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(diǎn)，目前西門子正計(jì)劃與奧鋼聯(lián)集團(tuán)合作在林茨建造一個(gè)示范系統(tǒng)。

在轉(zhuǎn)爐——外形類似湯釜的巨型容器——中，從熱風(fēng)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(biāo)鋼種。針對(duì)這道工藝，西門子工程師也開發(fā)了相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)，并且這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)甚至有助于提高煉鋼的靈活性。得益于Jet Process技術(shù)，轉(zhuǎn)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(gè)過程中，通過位于底部的風(fēng)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(shí)，通過噴槍從頂部射入溫度高達(dá)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(xiàng)技術(shù)的開發(fā)者之一，他說：“相比于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐，這項(xiàng)技術(shù)能夠更加均勻地?cái)嚢韪鞣N爐料，從而使碳更有效地轉(zhuǎn)化為二氧化碳。”此外，轉(zhuǎn)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(shù)的帶鋼生產(chǎn)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(xiàng)非常高效、節(jié)能的技術(shù)，可用于加工剛煉好的鋼水，譬如，將之軋制成鋼板。這項(xiàng)名為“Arvedi ESP（無頭帶鋼生產(chǎn)）”的技術(shù)，由意大利鋼鐵制造商Arvedi公司開發(fā)。現(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(shí)存放并冷卻。與此不同，這項(xiàng)技術(shù)卻是立即進(jìn)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(chǎn)出帶卷，整個(gè)過程在一條連貫的生產(chǎn)線上不間斷地進(jìn)行。”歸功于這項(xiàng)工藝，軋制設(shè)備在重新將鋼帶加熱至所需的1200攝氏度，以進(jìn)行軋制時(shí)，僅需稍事加熱即可。實(shí)際上，這可將有關(guān)能耗最多降低45%。相比于傳統(tǒng)設(shè)備，這項(xiàng)技術(shù)還可將二氧化碳排放量最多降低39%，同時(shí)將營運(yùn)成本削減37%。此外，無頭帶鋼生產(chǎn)不會(huì)因剪切帶鋼而產(chǎn)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(xiàng)技術(shù)。西門子為中國的兩座鋼鐵廠提供的無頭帶鋼生產(chǎn)系統(tǒng)，也有望于2015年投產(chǎn)。

最后，在整個(gè)鋼鐵制造過程中，自動(dòng)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(chǎn)量和加快生產(chǎn)速度。然而現(xiàn)在，出現(xiàn)了嚴(yán)重的產(chǎn)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域在當(dāng)前利用率的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工業(yè)過程的能效。

譬如，可以為除塵設(shè)備自動(dòng)減速，或關(guān)閉暫時(shí)不需要使用的泵和風(fēng)扇。據(jù)初步的實(shí)地測(cè)試表明，這樣的舉措，可將有關(guān)能耗降低多達(dá)40%。Fleischanderl指出，Precon便是一個(gè)這樣的例子。Precon是一個(gè)自動(dòng)化解決方案，可優(yōu)化用來凈化轉(zhuǎn)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(dāng)前市場(chǎng)上的所有西門子技術(shù)，那么，事實(shí)上，這將是你所能做的一切。這樣做，既可提高經(jīng)濟(jì)效益，又切實(shí)可行。”

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

他堅(jiān)信，只有通過向可再生能源轉(zhuǎn)型，才能取得更大的突破。譬如，可以利用風(fēng)電場(chǎng)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(chǎn)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(xué)還原劑，可以與鐵礦石中的氧化鐵進(jìn)行氧化反應(yīng)。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(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(shí)。他認(rèn)為，煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐工藝不是大問題。他補(bǔ)充道：“我們已經(jīng)為此做好了充分準(zhǔn)備。”