周和敏,周子衿

(1.鋼鐵研究總院 先進(jìn)鋼鐵流程與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)(2.四川大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 四川成都 610065)

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基于流程的鋼鐵生產(chǎn)過程環(huán)境負(fù)荷分析與優(yōu)化

周和敏1,周子衿2

(1.鋼鐵研究總院 先進(jìn)鋼鐵流程與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)(2.四川大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 四川成都 610065)

摘要：敘述了生命周期評價(jià)方法在鋼鐵工業(yè)中應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，并對鋼鐵生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝流程和鋼鐵生產(chǎn)新工藝流程和新技術(shù)的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行分析和評價(jià)?；阡撹F生產(chǎn)新工藝流程和新技術(shù)的不斷應(yīng)用，對熔融還原煉鐵和薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)工藝和流程的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了評價(jià)，與傳統(tǒng)高爐流程相比，熔融還原煉鐵廢氣污染物和廢水污染物減排效果十分明顯；與傳統(tǒng)熱連軋工藝相比，薄板坯連鑄連軋工藝噸材煤氣消耗降低2/3，噸材煙粉塵排放降低約27%。此外，針對我國鋼鐵生產(chǎn)礦物資源和能源消耗過大、環(huán)境污染問題十分突出的現(xiàn)狀，指出通過改進(jìn)原料和能源結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)環(huán)境排放控制和管理，有利于較大幅度地減少污染物的發(fā)生量和排放量。最后結(jié)合鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)例，提出用生命周期評價(jià)方法對實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)前后的環(huán)境負(fù)荷和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，鋼鐵企業(yè)采用新工藝流程和新技術(shù)，尤其是建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)型企業(yè)，有利于從根本上降低鋼鐵生產(chǎn)過程環(huán)境負(fù)荷。

關(guān)鍵詞：生命周期評價(jià)；環(huán)境負(fù)荷；鋼鐵生產(chǎn)流程；循環(huán)經(jīng)濟(jì)

1鋼鐵生產(chǎn)生命周期評價(jià)概述

2014年全球粗鋼產(chǎn)量達(dá)到16.62億t，其中中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到8.227億t，在全球所占比重達(dá)49.5%，我國鋼鐵工業(yè)取得成就是舉目共睹的。但是，目前鋼鐵工業(yè)仍然是中國最為典型的“黑色產(chǎn)業(yè)”之一，能耗和環(huán)境問題日顯突出。我國鋼鐵發(fā)展模式需要從傳統(tǒng)的資源消耗、環(huán)境負(fù)荷增加的粗放發(fā)展模式，向更加注重節(jié)能環(huán)保、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的科學(xué)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型。

生命周期評價(jià)(LCA)在我國又被稱為環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(jià)，根據(jù)通常采用的SETAC(環(huán)境化學(xué)毒理協(xié)會(huì))和ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的定義，LCA是一種系統(tǒng)的綜合的環(huán)境評價(jià)工具，它對一種產(chǎn)品、過程或活動(dòng)的原材料提取、材料制備直至最終產(chǎn)品廢棄的整個(gè)生命周期內(nèi)能源和資源消耗以及廢物排放對環(huán)境所造成的潛在的影響進(jìn)行評價(jià)，并提出改善環(huán)境性能的建議和措施[1-2]。

國內(nèi)對鋼鐵生產(chǎn)流程和鋼鐵產(chǎn)品的生命周期評價(jià)比較系統(tǒng)研究，來源于1998年由北京工業(yè)大學(xué)等6所院校承擔(dān)的國家“863”計(jì)劃—“材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(jià)研究(MLCA)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目在鋼鐵、有色金屬、水泥、涂料和塑料等材料評價(jià)方面初步建立起了評價(jià)框架[3]，取得了較為豐富的研究成果，逐步起到國內(nèi)環(huán)境協(xié)調(diào)性評價(jià)示范作用；同時(shí)在搜集我國鋼鐵材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按照ISO14000的規(guī)范和LCA國際數(shù)據(jù)交換的通用格式，建立了我國鋼鐵材料環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)集[4]。生命周期評價(jià)在鋼鐵行業(yè)的發(fā)展方面，為我國鋼鐵行業(yè)應(yīng)用這一工具優(yōu)化發(fā)展戰(zhàn)略、實(shí)施綠色認(rèn)證、企業(yè)和行業(yè)層面的能源環(huán)境問題的綜合分析提供了很好的基礎(chǔ)。

針對鋼鐵產(chǎn)品的生命周期研究，歐盟鋼鐵環(huán)境報(bào)告中指出[5]:利用LCA進(jìn)行鋼材和其它材料的比較研究,幫助人們?nèi)媪私獠煌牧显诃h(huán)境性能上的優(yōu)勢和不足，從而提高鋼材的市場競爭力。歐盟鋼聯(lián)2007年發(fā)布了歐洲鋼鐵工業(yè)生命周期物流分析圖，建立了鋼鐵工業(yè) LCA方法論，歐盟鋼鐵行動(dòng)計(jì)劃并對溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)評估方法提出標(biāo)準(zhǔn)草案[6]。新日鐵利用LCA進(jìn)行了生態(tài)產(chǎn)品的研發(fā)和廢鋼循環(huán)評價(jià)。此外，世界鋼鐵協(xié)會(huì)(World Steel)在1996年開展了世界鋼鐵產(chǎn)品的生命周期清單研究，并于2000年和2007年分別對清單數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新。目前國內(nèi)鋼鐵企業(yè)寶鋼于2004年正式立項(xiàng)進(jìn)行了LCA研究，2008年參與了全球鋼廠的LCA分析與優(yōu)化工作[7]，對鋼鐵產(chǎn)品包括不銹鋼的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了計(jì)算和評價(jià)[8-9]。針對鋼鐵企業(yè)CO2排放問題，國內(nèi)學(xué)者用EIO-LCA的鋼鐵產(chǎn)品生命周期碳排放研究[10]和碳足跡方法進(jìn)行分析和評價(jià)[11]，也有用生命周期評價(jià)方法評價(jià)鋼鐵廠堿渣固碳技術(shù)[12]。

對于鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的途徑和模式[13-15]，以及鋼鐵工業(yè)發(fā)展循環(huán)對降低環(huán)境負(fù)荷效果評價(jià)方面[16]和鋼鐵工業(yè)競爭力提升方面[17]，國內(nèi)學(xué)者也對此進(jìn)行了相關(guān)研究。

以上研究工作和成果，對生命周期評價(jià)方法應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)起到推進(jìn)作用。由于鋼鐵生產(chǎn)新技術(shù)、新流程對環(huán)境負(fù)荷影響非常明顯，目前針對這方面的研究尚未見諸報(bào)道。

2鋼鐵生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷分析和優(yōu)化

2.1鋼鐵生產(chǎn)流程簡介及LCA評價(jià)邊界范圍

目前我國鋼鐵生產(chǎn)主要是依靠鐵礦石、煤為原料的高爐—轉(zhuǎn)爐—連鑄—熱軋所謂的傳統(tǒng)長流程工藝。傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)是：①生產(chǎn)能耗高。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的余熱資源(占總能耗的72.7%)尚未得到充分利用；②以焦炭作為主要能源。隨著世界焦炭資源日益枯竭，鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅；③生產(chǎn)流程長。勞動(dòng)生產(chǎn)率低，是典型的資金密集、勞動(dòng)力密集的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)；④環(huán)境污染嚴(yán)重。鋼鐵工業(yè)以煤炭作為主要能源，大量燃煤造成排放的廢氣中含有大量的SOx，導(dǎo)致酸雨，造成環(huán)境嚴(yán)重污染，并且建設(shè)焦化廠、燒結(jié)廠需要大量投資，環(huán)保費(fèi)用大幅度上升。

主要依靠廢鋼為原料的電爐-連鑄-熱軋短流程工藝在我國起著輔助作用。電爐短流程對于促進(jìn)環(huán)保、消化廢鋼、凈化冶金工廠環(huán)境起著良好的推動(dòng)作用，在國際上得到較快發(fā)展，但由于我國作為電爐煉鋼的主要原料—廢鋼的供應(yīng)短缺，廢鋼質(zhì)量不穩(wěn)定，特別是電費(fèi)高，因此只有在廢鋼來源較好、規(guī)模經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品或產(chǎn)品附加值高等有競爭力的條件下發(fā)展。

其他的一些新流程例如直接還原、熔融還原工藝由于省去了高爐煉鐵工藝中的燒結(jié)、焦化工序，縮短了煉鐵生產(chǎn)工藝流程，而這幾道工序是鋼鐵生產(chǎn)中資源消耗、能耗和環(huán)境污染最大的環(huán)節(jié)，已成為鋼鐵生產(chǎn)工藝新流程的重要組成部分。因此，本文從基于流程的鋼鐵生產(chǎn)過程角度，對其環(huán)境負(fù)荷影響和改善進(jìn)行分析。

鋼鐵材料LCA評價(jià)所涉及原材料的開采、運(yùn)輸、鋼鐵制造、鋼鐵產(chǎn)品的使用、鋼鐵產(chǎn)品的廢棄和循環(huán)利用過程，對于每一過程都是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫。按照LCA評價(jià)方法應(yīng)遵循ISO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18-19]，需要確定評價(jià)邊界范圍，由于鋼鐵制造過程原燃料消耗和排放數(shù)量所占比重大，本文評價(jià)范圍確定為鋼鐵制造過程，基于鋼鐵生產(chǎn)流程的環(huán)境負(fù)荷評價(jià)系統(tǒng)邊界見圖1。

2.2高爐-轉(zhuǎn)爐傳統(tǒng)流程環(huán)境負(fù)荷

T鋼廠是依靠鐵礦石、煤為原料的高爐—轉(zhuǎn)爐—連鑄—熱軋傳統(tǒng)長流程。T鋼廠通過實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)，以結(jié)構(gòu)調(diào)整為重點(diǎn)，積極推行清潔生產(chǎn)，提高資源的循環(huán)利用效率。通過節(jié)能降耗、減污增效，形成了環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的良好態(tài)勢。針對高爐-轉(zhuǎn)爐傳統(tǒng)流程，該鋼廠采取的主要節(jié)能和二次能源利用措施，以及減量化、再利用和再循環(huán)措施如下：

(1)堅(jiān)持精料收購，鐵礦石平均品位TFe64.7%，進(jìn)口礦保證品質(zhì)優(yōu)良。通過配礦，增加優(yōu)質(zhì)球團(tuán)生產(chǎn)量，優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)和爐礦組分，輔料礦石使用量少。提高品位，渣量少，鐵資源損失少。根據(jù)物質(zhì)減量化方針，優(yōu)化燒結(jié)配礦結(jié)構(gòu)，提高燒結(jié)礦和球團(tuán)礦品位，滿足高爐精料的需要，高爐工序和轉(zhuǎn)爐工序資源消耗減少。

(2)貫徹從源頭抓起的原則，按照“減量化、再利用、再循環(huán)”的方針，將節(jié)能重點(diǎn)放在優(yōu)化生產(chǎn)工藝上。淘汰落后工藝，采用技術(shù)先進(jìn)、能耗低的大型工藝裝備，采用節(jié)能，壓縮中間產(chǎn)品，減少加熱道次，盡可能提高一火成材比和熱送熱裝比，使能耗顯著下降。

圖1　鋼鐵生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷評價(jià)系統(tǒng)邊界Fig.1　System boundary of environmental impact evaluation on steel production process

(3)推廣國內(nèi)外行之有效的節(jié)能新技術(shù)，切實(shí)解決耗能的薄弱環(huán)節(jié)。

我國重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)鐵前工序(焦化、燒結(jié)/球團(tuán)、高爐煉鐵)能耗約占我國噸鋼綜合能耗的89%以上，其中高爐煉鐵的工序能耗占鐵前工序總能耗的77%，鐵前系統(tǒng)是節(jié)能的重點(diǎn)。全面貫徹精料方針，主要包括提高入爐品位，以降低焦比；提高焦碳強(qiáng)度，降低焦碳灰分、硫分；配套建設(shè)綜合原料場，穩(wěn)定高爐原料成分；采用富氧、高風(fēng)溫、大噴煤比節(jié)焦工藝；配套建設(shè)高爐頂壓發(fā)電裝置；提高熟料比，達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)高堿度燒結(jié)礦配加堿性球團(tuán)礦的合理爐料結(jié)構(gòu)，確保高爐操作順行，長壽和鐵水高質(zhì)量。

燒結(jié)系統(tǒng)采取小球燒結(jié)、燃料分加、厚料層操作等措施，并做好余熱回收，擴(kuò)大球團(tuán)礦節(jié)能。焦化系統(tǒng)建設(shè)干熄焦裝置，調(diào)整煉焦配煤比，改善焦碳質(zhì)量，提高成焦比。煉鐵工序?qū)Ω郀t擴(kuò)容，采用高風(fēng)溫和富氧噴煤工藝，高壓操作、無料鐘布料和TRT發(fā)電三位一體的技術(shù)，利用余能，降低一次能源消耗量。煉鋼系統(tǒng)采用鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—精煉—全連鑄先進(jìn)工藝，努力降低鋼鐵消耗，少用鐵水，做好廢鋼加工，多吃廢鋼，采用活性石灰和濺渣護(hù)爐技術(shù)，并充分回收轉(zhuǎn)爐煤氣和余熱蒸汽。軋鋼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連鑄坯熱送熱裝和一火成材，加熱爐采用蓄熱式燃燒技術(shù)進(jìn)行改造，進(jìn)一步降低軋鋼燃耗和燒損，提高成材率。

(4)充分回收利用企業(yè)的二次能源及余壓、余熱資源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，做好高爐、焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐煤氣的回收利用，充分利用余壓、余熱和副產(chǎn)煤氣發(fā)電。

(5)采用清潔原燃料，減少煙粉塵、SO2的產(chǎn)生。

采用低硫的進(jìn)口鐵精礦、粉礦和自產(chǎn)鐵精礦，使SO2的產(chǎn)生量減少。焦?fàn)t煤氣全脫硫，降低煤氣中H2S的含量，因而使全廠外排SO2量減少。采用混合煤氣進(jìn)行發(fā)電，以及采用凈化后的高、焦、轉(zhuǎn)爐煤氣，作為各工業(yè)爐窯的燃料，使SO2的產(chǎn)生量大幅度減少。

(6)采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，淘汰落后生產(chǎn)工藝，達(dá)到減排目的的措施。

焦化工序取消濕法熄焦，全部采用干法熄焦工藝。采用干熄焦工藝，回收產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電，因而減少了鋼鐵廠一次能源的消耗，從而減少了煙粉塵、SO2的產(chǎn)生量；采用干熄焦工藝，提高焦炭質(zhì)量，減少煉鐵的燃料消耗量，因而減少了煙粉塵、SO2的產(chǎn)生量；采用干熄焦工藝，減少了因濕熄焦而產(chǎn)生的含焦塵水蒸氣產(chǎn)生量，減少了外排塵產(chǎn)生量。

采用燒結(jié)礦分級入爐技術(shù)，小塊焦回收技術(shù)，降低消耗，減少煙粉塵、SO2的產(chǎn)生量。

高爐工序建煤氣回收凈化系統(tǒng)，充分利用二次能源，相當(dāng)于節(jié)約動(dòng)力煤的用量，因而減少了煙粉塵、SO2的產(chǎn)生量。

煉鋼工序采用煙氣干法除塵，可降低能耗和成本，使廢氣含塵濃度降低。采用連鑄坯熱送熱裝工藝，部分連鑄機(jī)輥道設(shè)置保溫罩，提高成材率，節(jié)約能源，因而減少污染物的排放量。建轉(zhuǎn)爐煤氣柜，增加回收轉(zhuǎn)爐煤氣供生產(chǎn)用戶，充分利用二次能源，相當(dāng)于節(jié)約動(dòng)力煤的用量，減少煙粉塵、SO2產(chǎn)生量。

軋鋼工序淘汰落后裝備，并通過技術(shù)改造，采取節(jié)能措施，降低能耗，因而減少污染物的產(chǎn)生量。提高熱裝率和熱裝溫度，降低燃料消耗，減少煙粉塵、SO2的產(chǎn)生量。采用汽化冷卻和蓄熱式燃燒技術(shù)回收熱能，降低燃料消耗，減少煙粉塵、SO2產(chǎn)生量。

(7)增建和改造循環(huán)水處理設(shè)施。包括冶金石灰工序、煉鐵、煉鋼循環(huán)水處理設(shè)施，焦化酚氰廢水、冷軋和綜合廢水處理站，廢水資源化，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)和減少外排廢水，節(jié)約新水。

通過以上措施的實(shí)施，各項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)和變化情況見表1?？梢钥吹?，實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)后噸鋼礦石資源、水資源和能源消耗下降；廢氣污染物和廢水污染物排放量大幅度減少；固體廢棄物產(chǎn)生量下降35%，利用率提高2.48%。

表1　T鋼廠噸鋼環(huán)境負(fù)荷

2.3鋼鐵生產(chǎn)新工藝流程的環(huán)境負(fù)荷優(yōu)化分析

2.3.1熔融還原煉鐵工藝環(huán)境負(fù)荷

(1)COREX熔融還原技術(shù)工藝

熔融還原煉鐵工藝是當(dāng)今世界煉鐵行業(yè)前沿技術(shù)，其最大特點(diǎn)便是節(jié)能，是目前世界上以非煉焦煤為主要還原劑、可少用甚至不用焦炭能大規(guī)模生產(chǎn)鐵水的成熟工藝流程。由于從工藝上取消了焦炭生產(chǎn)、燒結(jié)礦生產(chǎn)及球團(tuán)礦生產(chǎn)等傳統(tǒng)的高爐煉鐵技術(shù)輔助工序，在當(dāng)今鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生一場革命[15]。COREX流程主體設(shè)備是由熔融氣化爐和預(yù)還原豎爐組成，類似將高爐攔腰截為上下兩部分，上部進(jìn)行固態(tài)預(yù)還原，下部進(jìn)行熔融還原，并通過加煤來提供熱量和還原劑。將高壓氧氣吹入熔融氣化爐中，與煤氧化燃燒，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)還原氣體。還原氣體經(jīng)過除塵和冷卻后進(jìn)入預(yù)還原豎爐中，爐料在800～850 ℃下被還原，還原度達(dá)90%以上。還原后的爐料從氣化爐的頂部加到終還原爐中，進(jìn)行進(jìn)一步還原和熔化分離。

寶鋼2007年引進(jìn)兩套大型COREX熔融還原煉鐵生產(chǎn)裝置，對我國非高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展及人才培養(yǎng)、熔融還原生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累起到了重大推動(dòng)作用。寶鋼1# COREX于2007年11月8日投產(chǎn)，至2011年10月18日休風(fēng)停爐，整體遷建至新疆八鋼。寶鋼2# COREX于2007年11月8日投產(chǎn)。該項(xiàng)目是國內(nèi)首座也是全球最大的COREX熔融還原清潔冶煉系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的高爐煉鐵不同，直接用煤和鐵礦石生產(chǎn)鐵水，不需要煉焦和燒結(jié)工序，環(huán)境負(fù)荷較小，屬于清潔生產(chǎn)的煉鐵新工藝，在環(huán)保方面具有明顯優(yōu)勢[16]。2#COREX在1#爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，2#爐基本可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，不足之處是所需要的塊煤、焦炭、球團(tuán)和塊礦的成本較高。

目前COREX與普通高爐兩種技術(shù)各有優(yōu)劣，COREX的效率低是公認(rèn)的，寶鋼當(dāng)時(shí)決定是否引進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目也是一個(gè)取舍的過程，當(dāng)時(shí)認(rèn)為低成本可以蓋過低效率，可是最終運(yùn)行下來，發(fā)現(xiàn)并沒有實(shí)現(xiàn)。COREX另一個(gè)缺點(diǎn)是，其所使用的鐵礦石原料品位達(dá)到65%以上, 而高爐原料在60%以下。

COREX工藝一個(gè)重要特點(diǎn)是如何有效利用過程產(chǎn)生的煤氣。寶鋼COREX最大的問題是，產(chǎn)生大量的煤氣并沒有用于效益最優(yōu)的燃料用途，而是用于發(fā)電，而上網(wǎng)電價(jià)較低。同時(shí)由于未能與高爐流程互補(bǔ)，碼頭物流由上海港務(wù)局控制、球團(tuán)礦價(jià)格高企等因素使其持續(xù)虧損，也沒有通過技術(shù)創(chuàng)新使其達(dá)到設(shè)計(jì)的150萬t/年產(chǎn)能，僅達(dá)到75%設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

國內(nèi)應(yīng)對引進(jìn)的COREX-3000工藝技術(shù)進(jìn)一步研發(fā)創(chuàng)新、升級改造，達(dá)到原設(shè)計(jì)產(chǎn)能、進(jìn)一步降低成本和能耗，控制焦比<150 kg/t，工序能耗<16.5 GJ/t-鐵，使其具有更強(qiáng)大的競爭力。對FINEX等熔融還原煉鐵新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、本地化的可行性也要跟蹤研究。

(2)熔融還原與高爐流程環(huán)境負(fù)荷對比分析

通過對高爐流程與熔融還原流程資源和能源的當(dāng)量計(jì)算，除了因?yàn)闋t型大小，單爐產(chǎn)量不同之外，COREX-3000單爐年產(chǎn)量150萬t、先進(jìn)大型5 500 m3高爐單爐年產(chǎn)量450萬t，僅就環(huán)境負(fù)荷考慮，計(jì)算結(jié)果分別見表2和表3所示。

表2　不同工藝噸鐵資源消耗對比

表3　COREX-3000工藝與高爐流程噸鐵環(huán)境負(fù)荷值

備注：*現(xiàn)有高爐指標(biāo)參考國內(nèi)普通高爐。

鋼鐵生產(chǎn)過程的鐵前系統(tǒng)(焦化、燒結(jié)、煉鐵)是產(chǎn)生污染的主要工序(占全流程總排放量的70%以上)。熔融還原煉鐵可以省去焦化工序(甚至燒結(jié)工序)，顯著降低有害氣體的排放量。采用熔融還原煉鐵與副產(chǎn)煤氣生產(chǎn)清潔能源(氫氣、醇醚類產(chǎn)品等)相結(jié)合的聯(lián)合工藝，全流程采取密閉操作方式，煉鐵過程基本沒有廢氣排放?？梢钥闯?，新流程與傳統(tǒng)流程相比，SOx和NOx基本可以做到“零排放”。

為便于比較，以熔融還原流程各因子作為基準(zhǔn)，將現(xiàn)有普通高爐和先進(jìn)大型高爐與之對比可知，資源因子相別較??；能源因子最大相差12%；廢氣污染物和廢水污染物因子差別非常大，可達(dá)10倍以上；CO2排放量最大相差31%。熔融還原流程CO2排放量僅為1 450 kg/t-鐵水，其余部分的碳被固化在醇醚類產(chǎn)品中(CH3OCH3)，其排放過程可以延伸到能源產(chǎn)品(醇醚類產(chǎn)品)的使用過程中。工序能耗沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值437.3 kgce/t-Fe。單從產(chǎn)渣量看，熔融還原煉鐵比先進(jìn)大型高爐略高，但爐渣可以充分利用，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槎慰衫觅Y源。

2.3.2薄板坯連鑄連軋工藝環(huán)境負(fù)荷

(1)薄板坯連鑄連軋工藝特點(diǎn)

薄板坯連鑄連軋是20世紀(jì)80年代末開發(fā)成功的生產(chǎn)熱軋板卷的一種全新的短流程工藝，西馬克公司開發(fā)了CSP(Compact Strip Production)，達(dá)涅利公司開發(fā)了FTSR(Flexible Thin Slab Rolling)，這兩種薄板坯連鑄連軋成套生產(chǎn)線被引進(jìn)到我國[17]。薄板坯連鑄連軋工藝流程為電爐或轉(zhuǎn)爐-鋼包精煉-薄板坯連鑄-熱連軋-層流冷卻-地下卷取。薄板坯連鑄連軋工藝與傳統(tǒng)流程的工藝布置不同，采用直通式輥底隧道均熱爐，精軋機(jī)組與均熱爐緊密銜接，取消了粗軋機(jī)組。與傳統(tǒng)流程相比，薄板坯連鑄連軋具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，表現(xiàn)為設(shè)備相對簡單、流程通暢；生產(chǎn)節(jié)奏短；溫度均勻性好，產(chǎn)品尺寸精度高；高溫入爐，節(jié)能效果明顯[18-19]。

(2)薄板坯連鑄連軋工藝和傳統(tǒng)熱軋工藝負(fù)荷對比

通過采集M鋼廠引進(jìn)的西馬克CSP和T鋼廠引進(jìn)的達(dá)涅利公司的FTSR兩種薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線能源消耗和環(huán)境排放數(shù)據(jù)如下：

薄板坯連鑄連軋與傳統(tǒng)熱連軋能耗比較

表4分別為M鋼廠CSP、T鋼廠FTSR以及傳統(tǒng)2250熱連軋工序能耗數(shù)據(jù)。M鋼廠新建CSP以及與之相配的1 700 mm冷連軋。T鋼廠新建FTSR薄板坯連鑄連軋、增建傳統(tǒng)2 250 mm熱軋以及熱軋相配套的冷連軋線。T鋼廠實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)后FTSR燃料消耗由31.56 kgce/t降到27.3 kgce/t；增建兩臺余熱鍋爐，噸材可回收28 kg/t蒸汽。通過采用以上措施，工序能耗78.56 kgce/t降到61.64 kgce/t。

表4　FTSR、CSP和熱連軋能耗對比

將M鋼廠CSP和T鋼廠FTSR對比可知，M鋼廠CSP能耗各項(xiàng)指標(biāo)和工序能耗低于T鋼廠FTSR。兩個(gè)企業(yè)的2 250 mm熱連軋能耗指標(biāo)，包括燃料消耗和工序能耗基本接近，沒有太大區(qū)別。薄板坯連鑄連軋成材率比傳統(tǒng)熱連軋約高1%，能耗平均低17.55～28.23%。

將CSP工藝與傳統(tǒng)熱軋工藝能耗比較，能耗主要差別在煤氣消耗上，CSP熱連軋煤氣消耗14.35 kgce/t-材，2 250 mm熱連軋煤氣消耗40.99 kgce/t-材，前者只相當(dāng)于后者的35%。主要是因?yàn)镃SP工藝連鑄坯只通過在線均熱直接軋制，熱送溫度1 000 ℃以上，傳統(tǒng)熱軋工藝采用裝爐加熱，熱送溫度一般500～800 ℃。兩種工藝電耗區(qū)別不大，CSP工藝工序能耗只相當(dāng)于傳統(tǒng)熱軋工藝的72.8%。冷軋工藝工序能耗差別不大，煤氣消耗有差別，CSP工藝道次壓下量大，可以提供0.8 mm厚熱帶供冷軋用，后續(xù)退火次數(shù)相應(yīng)少，煤氣消耗也降低。

薄板坯連鑄連軋的能耗和環(huán)境排放對比

M鋼廠CSP和T鋼廠FTSR含鐵固體廢棄物可以100%回收，并可有效利用。將熱軋加熱爐和軋鋼機(jī)組煙粉塵合為一起，由表5可知，薄板坯連鑄連軋工藝噸材煙粉塵排放量比傳統(tǒng)熱連軋低26.8%。

M鋼廠CSP工藝的廢氣污染物和廢水污染物排放見圖2所示。SO2排放0.202 kg/t,廢水污染物SS排放43.2 g/t。由于CSP熱連軋工藝煤氣消耗只相當(dāng)于傳統(tǒng)熱軋工藝的1/3，加熱爐廢氣污染物產(chǎn)生量可以認(rèn)為也只有后者的1/3左右。

由以上分析可知，薄板坯連鑄連軋無論從節(jié)能還是煙粉塵排放，都有明顯優(yōu)勢，表現(xiàn)為：薄板坯連鑄連軋成材率比傳統(tǒng)熱連軋高0.57～0.94%；薄板坯連鑄連軋噸材煤氣消耗比傳統(tǒng)熱連軋低2/3；薄板坯連鑄連軋噸材能耗比傳統(tǒng)熱連軋低12.53～17.03 kgce；薄板坯連鑄連軋加熱爐噸材煙粉塵排放只相當(dāng)于傳統(tǒng)熱軋加熱爐的35.67%，整個(gè)熱軋工序噸材煙粉塵排放比傳統(tǒng)熱連軋低～27%；薄板坯連鑄連軋比傳統(tǒng)熱連軋環(huán)境負(fù)荷有明顯降低。

表5　FTSR熱軋薄板和2 250 mm熱連軋煙粉塵排放對比

圖2　M鋼廠CSP工藝廢氣污染物和廢水污染物排放Fig.2　Equivalent emission of waste gas and discharge of waste water in CSP

3新一代可循環(huán)鋼鐵生產(chǎn)工藝環(huán)境負(fù)荷

3.1新一代可循環(huán)鋼鐵流程

傳統(tǒng)鋼鐵流程的基本特征是以產(chǎn)品(鋼材)為中心的流程制造業(yè)，采用消耗-回收-放散的生產(chǎn)模式，與環(huán)境不能協(xié)調(diào)發(fā)展。針對傳統(tǒng)鋼鐵流程的上述問題，新一代可循環(huán)的鋼鐵生產(chǎn)新流程，主要包括3個(gè)方面：一是研究開發(fā)以大幅度提高生產(chǎn)效率為中心的高效化鋼鐵生產(chǎn)新工藝，縮短工藝流程，加快生產(chǎn)節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)；二是用循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想改造傳統(tǒng)生產(chǎn)流程，提高資源、能源利用效率，減少環(huán)境污染；三是研究開發(fā)以熔融還原煉鐵新工藝為代表的高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以煤代焦。新流程將充分發(fā)揮鋼鐵廠的3大社會(huì)功能：鋼鐵產(chǎn)品制造功能、高效能源轉(zhuǎn)換功能和大宗社會(huì)廢棄物處理功能，使鋼鐵廠真正成為與環(huán)境友好的、綠色化生態(tài)工廠。

3.2新一代可循環(huán)鋼鐵生產(chǎn)工藝環(huán)境負(fù)荷綜合分析

3.2.1減量化效果分析

金屬資源循環(huán)利用:鐵金屬資源循環(huán)的內(nèi)容是提高鋼鐵生產(chǎn)全過程的金屬收得率和利用率。在規(guī)劃合理有效利用金屬資源，應(yīng)充分利用國外優(yōu)質(zhì)鐵礦。進(jìn)口礦保證品質(zhì)優(yōu)良。通過配礦，增加優(yōu)質(zhì)球團(tuán)生產(chǎn)量，優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，入爐礦組分合理，輔料礦石使用量少。提高品位，渣量少，鐵資源損失少。

資源減量化：根據(jù)資源產(chǎn)出計(jì)算，得到表6含鐵資源產(chǎn)出清單，體系內(nèi)循環(huán)的含鐵資源不包括在內(nèi)。噸鋼資源投入產(chǎn)出比為1.465，鐵資源投入產(chǎn)出比為1.004，鐵資源利用效率為99.64%，與傳統(tǒng)流程對比，可看出資源減量化效果明顯。

能源減量化：采用7.32 m大型焦?fàn)t和干熄焦工藝，燒結(jié)采用混合料中添加生石灰及蒸汽預(yù)熱混合料，主機(jī)和環(huán)冷機(jī)高溫段廢氣余熱回收。采用5 500 m3大型高爐和無料鐘爐頂，爐頂壓力提高，煤氣回收利用率達(dá)到100%；焦丁回收和燒結(jié)礦分級入爐，降低焦比。轉(zhuǎn)爐精料和煙氣LT法凈化和煤氣回收可達(dá)噸鋼110 Nm3，煙氣汽化冷卻回收蒸汽。軋鋼高溫?zé)崴蜔嵫b和直接軋制技術(shù)，加熱爐汽化冷卻和余熱回收。通過采用先進(jìn)的工藝技術(shù)，各工序能耗指標(biāo)居國內(nèi)先進(jìn)，綜合能耗指標(biāo)國內(nèi)領(lǐng)先。

水資源減量化：遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)“3R”原則，合理利用水資源，減少新用水量，削減排污總量，保證企業(yè)水資源供需平衡，維護(hù)水體生態(tài)環(huán)境。實(shí)行無害化處理，實(shí)現(xiàn)廢水資源化利用和“零排放”。根據(jù)以上原則，可循環(huán)流程噸鋼用水3.84 t，水循環(huán)利用率97.5%，達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。

表6　可循環(huán)流程資源產(chǎn)出

3.2.2再利用效果分析

含鐵資源綜合利用：燒結(jié)和球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等各生產(chǎn)工序，含鐵塵泥得到充分回收，絕大部分在廠內(nèi)循環(huán)利用。煉鋼渣中的渣鐵、煉鋼和軋鋼廢鋼全部回收作為煉鋼爐料。不能利用的含鐵量較低的含鐵物料，進(jìn)行外部綜合利用，見表7所示。

表7　含鐵資源再利用

非含鐵資源綜合利用：根據(jù)固體廢棄物的特性和利用潛力，分為鋼廠內(nèi)部利用和社會(huì)化利用，高爐渣和電廠煤灰可用于水泥和建材，廢耐材由耐材廠回收，做到物盡其用。

能源綜合利用：利用高爐爐頂余壓、干熄焦顯熱、富余煤氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)和摻燒煤粉發(fā)電，年發(fā)電量55.1×108KW·h。通過燒結(jié)廢氣和干熄焦煙氣，以及轉(zhuǎn)爐和加熱爐汽化冷卻回收余熱蒸汽312萬t。萬元投資形成節(jié)能3.735 tce，折合噸鋼291.175 kgce/t。

3.2.3再循環(huán)效果分析

實(shí)現(xiàn)企業(yè)與社會(huì)資源大循環(huán)，實(shí)現(xiàn)鋼鐵廢物社會(huì)資源化，社會(huì)廢物鋼鐵資源化，將鋼廠優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為社會(huì)優(yōu)勢。

由于鋼渣和粒化高爐礦渣都具有水硬膠凝性，生產(chǎn)鋼鐵渣雙摻粉是混凝土摻和料的最佳方案。在混凝土配合比相同時(shí)，用鋼鐵渣雙摻粉等量取代20%的水泥配置混凝土，與純水泥混凝土相比提高了一個(gè)強(qiáng)度等級，并避開了各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮了優(yōu)點(diǎn)。噸鋼產(chǎn)高爐渣250 kg/t，年產(chǎn)224.6萬t用作水泥原料，鋼渣微粉作水泥摻合料，每年可減少石灰石開采320萬t，減少水泥行業(yè)CO2排放220萬t，減少標(biāo)煤消耗22萬t，減少粉塵排放7萬t，社會(huì)環(huán)境效益十分明顯。焦化副產(chǎn)品為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)化工原料，鋼廠同時(shí)消納社會(huì)廢鋼、廢塑料。

3.3可循環(huán)流程綜合評述

將可循環(huán)流程與其他同行企業(yè)實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)前后以及國內(nèi)先進(jìn)企業(yè)的各項(xiàng)指標(biāo)對比，見表8和表9。可以看到，可循環(huán)流程焦化、燒結(jié)、煉鐵能耗指標(biāo)最低，噸鋼可比能耗和綜合能耗指標(biāo)水平位居前列。從環(huán)境排放指標(biāo)看，可循環(huán)流程噸鋼SO2、取水量以及固廢產(chǎn)生量都最低，指標(biāo)水平居國內(nèi)前列。

表8和表9的指標(biāo)值表明，采用可循環(huán)流程后，比同行企業(yè)采用循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃后取得的效果更好，充分說明新一代可循環(huán)流程在減量化、再利用、再循環(huán)方面具有的強(qiáng)大優(yōu)勢。

表8　能源指標(biāo)對比

備注：T鋼規(guī)劃后可比能耗和綜合能耗低，由于外購鐵水占23%。

表9　環(huán)境指標(biāo)對比

備注：T鋼規(guī)劃后由于外購鐵水占23%，高爐渣產(chǎn)生量相應(yīng)減少。

4結(jié)語

通過對傳統(tǒng)高爐煉鐵流程，熔融還原鐵工藝流程，薄板坯連鑄連軋工藝流程和新一代可循環(huán)鋼鐵生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如下：

(1)高爐-轉(zhuǎn)爐傳統(tǒng)流程通過發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，采用減量化、節(jié)能減排、再循環(huán)利用等技術(shù)措施，噸鋼環(huán)境負(fù)荷大幅度降低。

(2)與高爐流程相比，熔融還原煉鐵在環(huán)境排放方面具有突出優(yōu)勢。廢氣污染物和廢水污染物排放差別大，達(dá)10倍以上，CO2排放量最大相差31%。

(3)薄板坯連鑄連軋比傳統(tǒng)熱連軋環(huán)境負(fù)荷低。薄板坯連鑄連軋噸材煤氣消耗比傳統(tǒng)熱連軋低2/3，噸材能耗低12.53～17.03 kgce；薄板坯連鑄連軋加熱爐只相當(dāng)于傳統(tǒng)熱軋加熱爐的35.67%，整個(gè)熱軋工序噸材煙粉塵排放比傳統(tǒng)熱連軋低～27%。

(4)新一代可循環(huán)流程在減量化、再利用、再循環(huán)方面具有的強(qiáng)大優(yōu)勢。噸鋼鐵資源利用效率非常高，可達(dá)99.64%；重點(diǎn)耗能工序如焦化、燒結(jié)、煉鐵能耗指標(biāo)位低，噸鋼可比能耗和綜合能耗指標(biāo)水平位居前列；環(huán)境排放指標(biāo)低，指標(biāo)水平居國內(nèi)前列。

(5)通過發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和構(gòu)建新一代可循環(huán)鋼鐵生產(chǎn)模式，采用新工藝和新技術(shù)，結(jié)合資源、能源和環(huán)境排放減量化、再利用和再循環(huán)措施的實(shí)施，能夠滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。

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(編輯蓋少飛)

Analysis and Optimization of Environmental Impact onProcess-Based Steel Production

ZHOU Hemin1, ZHOU Zijin2

(1. State Key Laboratory of Advance Steel Processing and ProductsCentral Iron & Steel Research Institute，Beijing 100081，China) (2.School of Economics, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Abstract：In this paper, the status of the application and development prospects of life cycle assessment method in the steel industry was described. Moreover, the environmental impacts of traditional steel production process and the new processes and technologies, were also analyzed and evaluated. Based on the application of new process and technology to the steel industry, the environmental impacts of smelting reduction iron making process and thin slab continuous rolling process were evaluated in the paper. Compared with the traditional blast furnace process, the reduction effect of waste gas and waste water pollutants emission for smelting reduction iron making process was very obvious. Even compared with conventional hot strip rolling process, the fuel consumption of thin slab continuous rolling process was reduced 2/3 and smoke dust emission reduced 27%. Since the steel industry consumes large amounts of mineral resources and energy, to cause environmental pollution problems becomes very prominent, this paper pointed out that, by improving the consumption structure of raw materials and energy, strengthening environmental emission control and management, it could be greatly reduced for the amount of generation and emission of pollutants. Taking examples of the circular economy development in some steel companies, this paper thoroughly calculated and analyzed the environmental impacts of before and after the implementation of circulation economy, and its development level by using life cycle assessment method. The results show that the new technology and new steel production process especially in the construction of circular economy enterprises, will help to reduce the environmental impacts of steel production process fundamentally.

Key words：life cycle assessment; environmental impact; steel production process; circulation economy

中圖分類號：X757

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0187-10

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.04

基金項(xiàng)目：科技部支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB14B04)

收稿日期：2015-07-20

第一作者：周和敏，男，1963年生，教授，Email:zhouhm1329@126.com