我國鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式研究

韓明霞 喬 琦 孫啟宏

(中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室北京 100012)

我國鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式研究

韓明霞 喬 琦 孫啟宏

(中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室北京 100012)

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要原材料基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是資源、能源密集型及污染排放的重點行業(yè)。20世紀以來,我國鋼鐵產(chǎn)量持續(xù)快速增長,產(chǎn)業(yè)發(fā)展受資源、環(huán)境污染的瓶頸約束日益明顯。本文從鋼鐵工業(yè)發(fā)展與資源、環(huán)境的矛盾出發(fā),倡導(dǎo)生態(tài)工業(yè)理念,分析了我國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)及污染特點,探索建立鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式,并提出保障措施,對實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型,促進鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有借鑒意義。

鋼鐵工業(yè);生態(tài)化;發(fā)展模式

20世紀以來,隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展,受資源能源不足、環(huán)境污染的約束也日益突出。為了解決這一矛盾,按照工業(yè)生態(tài)學原理發(fā)展生態(tài)工業(yè),將環(huán)境保護融入經(jīng)濟發(fā)展過程,發(fā)展清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟,協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與資源、環(huán)境的矛盾,受到各國政府和組織的一致認可和高度重視,是實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境和諧發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要原材料基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是資源和能源密集及污染排放的重點行業(yè),大力發(fā)展清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟、向生態(tài)化工業(yè)轉(zhuǎn)變,對于鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展十分重要。

1 生態(tài)工業(yè)涵義與屬性

生態(tài)工業(yè)是模擬生物新陳代謝和生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)再生過程,在工業(yè)生產(chǎn)過程中引入清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟理念,依據(jù)“減量化、再利用、資源化”原則和生態(tài)學原理建立廢物資源循環(huán)利用的生態(tài)化工業(yè)發(fā)展模式。生態(tài)工業(yè)充分利用工業(yè)生產(chǎn)流程、生產(chǎn)企業(yè)、工業(yè)體系之間的系統(tǒng)耦合,形成企業(yè)間的協(xié)同共生網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)物質(zhì)、能量梯級利用和高效產(chǎn)出、工業(yè)穩(wěn)定協(xié)調(diào)的新型工業(yè)組合和發(fā)展形態(tài),是實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益雙贏的工業(yè)體系[2]。生態(tài)工業(yè)是工業(yè)推行清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟的基本途徑和模式。

發(fā)展清潔生產(chǎn)是生態(tài)工業(yè)的微觀行為和基本要求,表現(xiàn)為對單個生產(chǎn)流程提出的一系列行為要求,從生產(chǎn)源頭開始,對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)如原材料使用、工藝設(shè)計和裝備、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié),都要求采取清潔生產(chǎn)措施,提高資源、能源等原材料的利用效率,減少或避免污染物產(chǎn)生,產(chǎn)品產(chǎn)出最大化[3]。循環(huán)經(jīng)濟倡導(dǎo)的是建立物質(zhì)循環(huán)和能量流動的經(jīng)濟系統(tǒng),要求經(jīng)濟活動按照自然生態(tài)的模式,組織成一個“資源 -產(chǎn)品-消費 -再生資源”的物質(zhì)反復(fù)循環(huán)流動的鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu),通過廢物資源的梯級利用和物質(zhì)的閉合循環(huán)使用,使整個經(jīng)濟系統(tǒng)運行以及生產(chǎn)和消費的過程中不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少的廢棄物,經(jīng)濟活動對自然環(huán)境的影響降到最小,實現(xiàn)經(jīng)濟系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的和諧相處,促進經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境狀況的持續(xù)改善。生態(tài)工業(yè)是循環(huán)經(jīng)濟理論在工業(yè)體系中的應(yīng)用形態(tài)之一,運用生態(tài)學規(guī)律來指導(dǎo)人類社會的經(jīng)濟活動,生態(tài)工業(yè)的本質(zhì)是基于生態(tài)理論的循環(huán)經(jīng)濟[4]。

2 我國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)及污染特點

我國粗鋼生產(chǎn)分為長流程煉鋼和短流程煉鋼,以長流程煉鋼為主,2008年粗鋼產(chǎn)量的 90%是由長流程生產(chǎn)的。長流程生產(chǎn)以鐵礦石為主要原料,主要工藝包括煉焦、燒結(jié)、球團、煉鐵、煉鋼、鋼壓延等工序組成,各工序串聯(lián)作業(yè)生產(chǎn),最終產(chǎn)品是鋼材。鋼鐵工業(yè)制造流程多,制造過程中伴隨著大量的物質(zhì)和能量排放,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由此形成若干產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系,在鐵元素的循環(huán)利用、能源梯級利用、廢水及固體廢物的循環(huán)利用等幾個方面具有發(fā)展生態(tài)工業(yè)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢[5]。

2.1 焦化

以煉焦煤為原料,煉焦過程中產(chǎn)生煙塵、粉塵和飛灰等,結(jié)焦過程中泄漏粗煤氣,含有苯并芘、酚、氰、硫氧化物、碳氫化合物等,多為無組織排放,具有排污環(huán)節(jié)多、強度大、污染物種類多、毒性大的特點,對環(huán)境危害極大。廢水主要是在煤制焦、煤氣凈化和焦化產(chǎn)品回收過程中產(chǎn)生,含有大量氨鹽、氰化物、硫化物、硫氰酸鹽、酚類化合物、多環(huán)芳香族化合物及雜環(huán)有機化合物等,屬于典型的高濃度、有毒的工業(yè)廢水。廢渣主要有焦油渣、酸焦油、粗苯再生渣以及剩余污泥等危險廢物,露天堆放對大氣、水和土壤產(chǎn)生嚴重污染[6]。

2.2 燒結(jié)和球團

鐵礦石中有機分、灰分在高溫過程中氧化產(chǎn)生煙氣和粉塵 ,煙氣含有煙塵、SO2、NOx、CO、二惡英等,其中燒結(jié)機頭 SO2的排放量約占鋼鐵生產(chǎn)全流程排放量的 60～70%,是最主要的產(chǎn)生源。目前煙氣處理方式主要為電除塵,部分小燒結(jié)機采用多管旋風除塵或旋風水膜除塵,煙氣中氣態(tài)污染物的治理國內(nèi)基本沒有開展,煙氣中 SO2、NOx排放值得引起關(guān)注。

2.3 高爐煉鐵

高爐煤氣含有高濃度煙塵、CO和少量 H2S、氰化物及揮發(fā)酚等,一般經(jīng)濕法洗滌和布袋除塵凈化處理后用作燃氣,但存在少量直接散放現(xiàn)象。濕法洗滌產(chǎn)生較高濃度懸浮物及少量氰化物、揮發(fā)酚的廢水,一般采用混凝沉淀法處理,廢水處理后循環(huán)利用,沉泥可回用作燒結(jié)配料。出鐵場煙塵及配礦粉塵含鐵素較高,一般經(jīng)除塵收集后回用于燒結(jié)配料。熱風爐煙氣,含有少量的煙塵、SO2、NOx及 CO等污染物,一般經(jīng)煙囪直排。

2.4 轉(zhuǎn)爐煉鋼

轉(zhuǎn)爐一次煙氣經(jīng) LT干法或 OG濕法凈化后用作燃料氣,轉(zhuǎn)爐二次煙氣采用爐前罩或共用一次爐前罩收集排塵,兌鐵時存在無組織排放。水污染物主要有煙氣洗滌廢水 (含 SS,高鉻鋼冶煉含六價鉻)、設(shè)備間接冷卻水、連鑄廢水 (含 SS,石油類),廢水容易處理,一般處理后循環(huán)回用。

2.5 軋鋼

軋鋼占鋼壓延的 90%以上,其中熱軋產(chǎn)品應(yīng)用最廣泛的鋼材,冷軋和涂鍍層加工等二次材加工比例很低。熱軋法加熱爐煙氣含煙塵、CO、SO2、NOx等,經(jīng)煙囪集中排放,基本無治理。軋機及鋼材直接冷卻廢水含 SS,石油類等,處理后大部分循環(huán)使用。冷軋法退火爐煙氣基本無治理,直接排放;冷軋乳化液廢水 (含高濃度石油類)和酸、堿洗廢水 (含酸、堿和鉻等),廢水處理后水可循環(huán)使用,少部分外排,部分小型企業(yè)存在直排現(xiàn)象。

3 鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工序多,產(chǎn)業(yè)鏈較長,生產(chǎn)過程中伴隨著廢物資源和熱能的產(chǎn)生,如廢水、廢渣及煙粉塵中的鐵元素、高溫煙氣及沖洗水中的余熱、高爐煤氣等,一個環(huán)節(jié)的污染物可以是另外環(huán)節(jié)的資源,改變傳統(tǒng)的末端治理模式,促進廢物資源在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部合理流動和重復(fù)利用,從內(nèi)部開展清潔生產(chǎn)、加強工藝之間的生態(tài)設(shè)計及環(huán)境管理體系建設(shè),構(gòu)建鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式(圖1)。

3.1 鋼鐵產(chǎn)品清潔制造功能

鋼鐵生產(chǎn)從原料、生產(chǎn)過程發(fā)展清潔生產(chǎn),提高資源和能源利用效率,實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)基本的清潔生產(chǎn)功能。比如選用低硫、低雜質(zhì)的高品位鐵精礦,選用低硫分、低灰分的煉焦煤,提高入爐鐵礦品位和焦炭品質(zhì);采用先進清潔生產(chǎn)技術(shù),減少或避免污染物的產(chǎn)生,如焦化推廣裝煤出焦集中除塵、荒煤氣放散自動點火、干法熄焦、焦爐煤氣脫硫等技術(shù)及裝備;燒結(jié)采用小球燒結(jié)、厚料層操作、低濕低溫燒結(jié)及節(jié)能點火等技術(shù);煉鐵采用全干法高爐煤氣除塵技術(shù),轉(zhuǎn)爐煉鋼采用高風溫、高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電等技術(shù);熱軋工序推廣連鑄坯熱裝熱送,雙預(yù)熱蓄熱燃燒和加熱爐汽化冷卻等[7]。

3.2 固廢鐵素循環(huán)利用

鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程是從鐵礦石到鋼材產(chǎn)品的鐵元素流動過程。燒結(jié)、球團含鐵煙塵返回燒結(jié),煉鐵瓦斯泥、瓦斯灰收集回用于燒結(jié),煉鋼、軋鋼產(chǎn)生的廢鋼、氧化鐵皮、切頭、等返回轉(zhuǎn)爐煉鋼等,還有一部分鐵素進入廢水污泥、渣鋼中,因此循環(huán)利用含鐵廢物,盡可能地促進鐵素循環(huán)利用。

3.3 開發(fā)副產(chǎn)二次能源、余熱余能的轉(zhuǎn)換功能

鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量高溫廢氣及煤氣等能源,發(fā)展各種煙氣的余熱余能、焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣等二次能源的回收利用,為企業(yè)或社會提供能源。如干熄焦紅焦顯熱生產(chǎn)蒸汽;焦爐煤氣用于化工合成氣氣源 (如用于生產(chǎn)甲醇、二甲醚等),發(fā)展高爐爐頂余壓發(fā)電技術(shù)、高爐煤氣鍋爐等;轉(zhuǎn)爐煤氣用于煉鋼烤包燃料;球團、燒結(jié)煙氣回用于干燥、預(yù)熱生礦,轉(zhuǎn)爐煙氣、加熱爐煙氣余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽等。

3.4 節(jié)水及廢水的循環(huán)利用

優(yōu)先采用不用水、節(jié)水工藝及裝備,同時加強廢水的分級、分質(zhì)內(nèi)部重復(fù)循環(huán)利用,實現(xiàn)廢水“零排放”。如盡量采用干法煙氣除塵技術(shù)、煤氣干法凈化技術(shù)、干法熄焦技術(shù)、軋鋼加熱爐氣化冷卻技術(shù)等,從生產(chǎn)工藝設(shè)計上減少用水量;加強廢水分級、分質(zhì)供水管理,采用清污分流、循環(huán)供水、串級供水等技術(shù),充分實現(xiàn)水的重復(fù)利用;對循環(huán)系統(tǒng)的排污水及其他污水進行有效處理并回用,實現(xiàn)廢水“零排放”。比如焦化廢水與煉焦其他過程的酚氰廢水經(jīng)化學 -生物法處理后,可供高爐沖渣水和燒結(jié)混料;高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣濕法除塵廢水經(jīng)處理后循環(huán)利用,少量循環(huán)系統(tǒng)排污水用作高爐沖渣補充水等。

3.5 其他廢物資源的綜合利用

合理延伸鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈,充分實現(xiàn)廢物的綜合利用。如鋼渣用于制造鋼渣水泥、墻體材料等建材制品,也可以用于農(nóng)田肥料及酸性土壤改良劑、回填材料等。焦爐煤氣中含有濃度較高的硫化氫,對煤氣凈化處理可制取硫磺或硫酸;燒結(jié)機頭高濃度 SO2制取石膏等;煉焦煤氣凈化產(chǎn)生的含煤、焦的粉塵,可用于高爐噴煤粉能源;焦油渣、瀝青渣、脫硫廢液等,可配入煉焦煤使用;高爐渣加工水泥、混凝土、砌磚、鋪路等建筑材料等。

4 保障措施

積極推進鋼鐵生產(chǎn)中廢物資源、能源的合理流動和循環(huán)利用,合理擴展延伸產(chǎn)業(yè)鏈,加強廢物資源的綜合利用,發(fā)展生態(tài)化鋼鐵工業(yè)是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。真正實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的生態(tài)化轉(zhuǎn)型,還需要克服在技術(shù)、經(jīng)濟、信息和管理等方面的障礙,需要為生態(tài)化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造健全的保障措施。

4.1 加強生態(tài)化鋼鐵工業(yè)的推廣

大部分工業(yè)企業(yè)對開展生態(tài)工業(yè)的理念、費用效益缺乏科學的認識,通常企業(yè)只關(guān)心產(chǎn)品價值及企業(yè)利潤,而忽視了資源浪費、廢物處理所帶來的成本,沒有看到發(fā)展生態(tài)工業(yè)的環(huán)境及經(jīng)濟效益。因此,有關(guān)工業(yè)管理部門及行業(yè)協(xié)會,應(yīng)大力宣傳生態(tài)工業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟的理念,引導(dǎo)企業(yè)把生態(tài)工業(yè)理念融入到企業(yè)文化及內(nèi)部激勵系統(tǒng),促進企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層樹立發(fā)展生態(tài)工業(yè)的新思維。

4.2 加強生態(tài)工業(yè)技術(shù)支撐體系建設(shè)

物質(zhì)、能源的閉路循環(huán)的鋼鐵工業(yè)生態(tài)鏈建設(shè)離不開技術(shù)支持,要在政策和資金上積極扶持技術(shù)創(chuàng)新。設(shè)立專項資金,鼓勵企業(yè)開展清潔生產(chǎn)技術(shù)改造、技術(shù)研發(fā)、示范與推廣;對一些關(guān)鍵的資源回收利用利用技術(shù)、閉路循環(huán)技術(shù)及生態(tài)無害化技術(shù)等重點攻關(guān),提高技術(shù)的穩(wěn)定運行可得性和經(jīng)濟可行性;加強信息平臺建設(shè),發(fā)布清潔生產(chǎn)技術(shù)、廢物資源化利用技術(shù)動態(tài),引導(dǎo)企業(yè)技術(shù)升級改造。

4.3 開展生態(tài)鋼鐵工業(yè)試點示范

建立政府與企業(yè)的合作伙伴關(guān)系,在借鑒國際生態(tài)工業(yè)建設(shè)經(jīng)驗、選擇典型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)進行試點。通過工業(yè)企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)化設(shè)計,建立廢物交換技術(shù)、企業(yè)間物流閉路循環(huán)系統(tǒng)和廢物綜合利用生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈,基本實現(xiàn)無污染排放,起到生態(tài)鋼鐵工業(yè)的示范作用,為全面推進我國鋼鐵工業(yè)的生態(tài)化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。

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X38/X75

A

1673-288X(2010)04-0001-04

韓明霞 (1973—),女,河南新鄉(xiāng)人,博士后。主要從事清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟、生態(tài)工業(yè)等方面的理論和實證研究。