高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)的綜合評價

李佩詩，段文軍，吳沁停，宋慧聰

東北大學(xué)冶金學(xué)院

鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，也是高能耗、高排放行業(yè)。高爐渣作為鋼鐵工業(yè)的主要副產(chǎn)品，其排出溫度為1 723～1 823 K[1]，蘊(yùn)含豐富的余熱資源，并含有大量有價組分，可用作其他產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。我國高爐渣的年產(chǎn)量約為3億t[2]。盡管當(dāng)前的高爐渣利用率不斷提升，但所制得的多是低附加值產(chǎn)品，且對高爐渣的利用能力有限。同時，由于產(chǎn)量基數(shù)過大，仍有大量高爐渣未被有效利用。這不僅是對資源的浪費(fèi)，而且堆積的爐渣還會侵占土地、污染環(huán)境甚至危害人體健康[3]。因此，高效回收高爐渣余熱并利用高爐渣制備高附加值產(chǎn)品對我國經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)健康發(fā)展至關(guān)重要。

當(dāng)前高爐渣余熱回收主要采用水淬法，但該法會浪費(fèi)大量新水且生成污染氣體，故許多學(xué)者開始探索新的方法[4-7]，比如物理法和化學(xué)法等。物理法主要包括機(jī)械破碎法、風(fēng)淬法和離心?；?。如康月等[4]通過對高爐渣進(jìn)行不同堿度的調(diào)質(zhì)，研究了高爐渣的流動性、表面張力和結(jié)晶行為，并分析了高爐渣物理特性對?；Ч挠绊?，以及高爐渣作為氣淬噴吹原料的可行性；萬新宇等[5]研究了輪式?；鬓D(zhuǎn)速、霧化冷卻水量等條件對高爐渣?；w粒粒徑分布、球形度等的影響，得出了高爐渣干法輪式粒化設(shè)備的最佳運(yùn)行參數(shù)?；瘜W(xué)法主要是利用甲烷-水蒸氣重整反應(yīng)、煤氣化反應(yīng)和生物質(zhì)熱解及氣化反應(yīng)來回收高爐渣余熱。如Maruoka等[6]用Ni催化甲烷-水蒸氣重整反應(yīng)來回收高爐渣余熱，使其顯熱的回收率達(dá)到51%；Duan等[7]以高爐渣為熱載體進(jìn)行了煤氣化制取富氫合成氣的試驗(yàn)研究。關(guān)于高爐渣資源化利用的研究則主要集中在微晶玻璃[8-9]、復(fù)合材料[10-11]等方面。如Ma等[8]以高爐渣為原材料通過一步處理法制備了CaO-MgO-Al2O3-SiO2微晶玻璃；蒲華俊等[9]提出了一種無需經(jīng)過熱處理即可制得具有金色星點(diǎn)的微晶玻璃的方法；Zhang等[10]利用高爐渣制備了一種新型石墨烯地質(zhì)聚合物，并研究了其微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能；Zhang等[11]將高爐渣分別與3種不同材料混合制備出高溫復(fù)合相變材料，并對其相變性能和熱可靠性進(jìn)行了研究。

對于高爐渣的處理，當(dāng)前研究主要集中于余熱回收或資源化利用中的某一方面，能夠兼顧二者的綜合利用技術(shù)較少。筆者基于高爐渣的排出溫度及其成分組成，提出了一種新型的高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)，可高效回收高爐渣余熱，并制備出沸石和類水滑石2種CO2吸附劑[12-13]。通過對高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)展開全生命周期分析，識別了各種負(fù)擔(dān)的主要來源，比較了不同單元的綜合表現(xiàn)，以期為該系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。此外，根據(jù)系統(tǒng)特性，分析了其在環(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)方面的效益，以期為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)

新型高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)原理如圖1所示：溫度為1 773 K的高溫高爐渣進(jìn)入氣化爐中，為煤氣化反應(yīng)提供熱源；在離心力的作用下，高爐渣被粒化成固體顆粒；顆粒渣進(jìn)入下一階段的氣化爐中。在氣化反應(yīng)中生成的合成氣可以作為化工原料被出售。高爐渣中剩余的熱量被余熱鍋爐回收利用而產(chǎn)生蒸氣。生成的蒸氣不僅可以用于發(fā)電，還能在本系統(tǒng)中循環(huán)使用。通過將物理余熱回收法和化學(xué)余熱回收法相結(jié)合，有效地回收了高爐渣中的余熱。同時，渣中所含的有價組分為后續(xù)的資源化利用提供了條件。

圖1 高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Flowsheet of the mass-energy coupling treatment system for blast furnace slag

充分回收余熱后的高爐渣顆粒，經(jīng)球磨機(jī)研磨至74 μm以下，在353 K的溫度下經(jīng)HCl酸浸2 h后，渣中的組分被有效分離后制得中間產(chǎn)物硅膠。使硅膠依次與NaOH、NaAlO2發(fā)生反應(yīng)，得到凝膠態(tài)液體。然后在晶化時間6 h、晶化溫度363 K的條件下經(jīng)水熱合成制得沸石。同時，在pH為11.5、溫度為343 K的條件下，利用酸浸液和NaOH發(fā)生共沉淀反應(yīng)得到類水滑石母液，再經(jīng)過8 h晶化處理得到類水滑石。

根據(jù)研究結(jié)果，作出如下假設(shè)：1）從1 t高爐渣中共可回收1 157.94 MJ的能量；2）利用1 t高爐渣的余熱可生產(chǎn)蒸氣約0.22 t，合成氣約198.31 m3；3）每處理1 t高爐渣可制得0.5 t沸石和0.6 t類水滑石；4）在最佳制備條件下獲得的沸石和類水滑石的最大CO2吸附能力分別為127.01和147.49 mg/g；5）2種吸附劑的循環(huán)吸附次數(shù)為50次。

1.2 功能單位與系統(tǒng)邊界

功能單位為所研究系統(tǒng)的輸入輸出提供了量化的參考，本文中以處理1 t高爐渣為功能單位。系統(tǒng)生命周期邊界的確定依據(jù)“從搖籃到大門”的理論，具體如圖2所示，主要包含余熱回收和資源化利用2個階段，共分為5個單元。其中，所需化學(xué)品的生產(chǎn)過程以及電力生產(chǎn)過程所造成的影響被考慮在內(nèi)，而對于生產(chǎn)設(shè)備的建造和原材料的運(yùn)輸過程不予考慮。

圖2 高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)生命周期邊界Fig.2 System boundary of the mass-energy coupling treatment system for blast furnace slag

1.3 清單分析

清單分析是將研究系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過收集、整理，并基于功能單位進(jìn)行匯編的過程，也是極為關(guān)鍵的一步[14]。高爐渣處理全過程的直接輸入輸出數(shù)據(jù)依據(jù)前期試驗(yàn)得到，對于有關(guān)上游生產(chǎn)過程的背景數(shù)據(jù)從相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]及國外數(shù)據(jù)庫中獲得。對于缺失的背景數(shù)據(jù)，則基于已知的化學(xué)反應(yīng)，通過簡化假設(shè)的方法得到。由于本系統(tǒng)尚處于試驗(yàn)研究階段，故選取實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中相似設(shè)備的功率替代實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的功率數(shù)據(jù)，以更好地反映系統(tǒng)在投入工業(yè)化生產(chǎn)后的情況。高爐渣質(zhì)能耦合處理系統(tǒng)的輸入輸出清單如表1所示，該清單也是后續(xù)計算資源、能源消耗及經(jīng)濟(jì)成本的重要依據(jù)。

表1 系統(tǒng)清單數(shù)據(jù)[15-17]Table 1 Inventory data of the system

1.4 評價方法

1.4.1 生命周期評價

生命周期評價被廣泛應(yīng)用于分析某產(chǎn)品或工藝所造成的環(huán)境影響[18]。其中，影響評價這一步驟旨在將清單分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成潛在環(huán)境影響[19]。利用CML2001-Dec.07方法，并選取全球變暖潛值（global warming potential，GWP），酸化潛值（acidification potential，AP），富營養(yǎng)化潛值（eutrophication potential，EP），人體毒性潛值（human toxicity potential，HTP），光化學(xué)臭氧生成潛力（photochemical oxidation potential，POCP）5個環(huán)境指標(biāo)，將所得輸入輸出清單數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、特征化和歸一化，得到不同單元的環(huán)境影響潛值。

1.4.2 資源、能源消耗

系統(tǒng)的生命周期資源消耗包括能源資源和非能源資源消耗。能源資源指化學(xué)余熱回收單元中作為氣化反應(yīng)原料的煤，非能源資源則包括氣化反應(yīng)消耗的水以及物理余熱回收單元中用于產(chǎn)生蒸氣的水，此外還有資源化利用階段使用的化學(xué)品。系統(tǒng)的能源消耗指高爐渣處理全過程中的設(shè)備耗電。

1.4.3 生命周期成本

生命周期成本是用于評估某系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)方面可行性的重要手段。總成本可劃分為內(nèi)部成本和外部成本，如表2所示。內(nèi)部成本主要包括材料成本和能源成本，外部成本指由于污染物排放所帶來的成本。結(jié)合當(dāng)下日益嚴(yán)重的全球變暖趨勢以及政策導(dǎo)向，考慮因CO2排放而帶來的成本是十分必要的，其價格為212元/t[20]。處理高爐渣所消耗的電力價格參考有關(guān)文獻(xiàn)[21]，化學(xué)品和煤的價格來源于阿里巴巴商業(yè)網(wǎng)站，水的價格依據(jù)國家水費(fèi)收取標(biāo)準(zhǔn)。

表2 生命周期成本構(gòu)成Table 2 Components of life cycle cost

1.4.4 多維分析

為了比較不同單元的整體表現(xiàn)，現(xiàn)將評判標(biāo)準(zhǔn)劃分為環(huán)境影響、資源消耗、能源消耗和經(jīng)濟(jì)成本4個方面并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計算公式[22]如下：

式中：dij為第j個單元的第i個指標(biāo)；min(di)為第i個指標(biāo)的最小值；yij為第j個單元第i個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化得分。得分越高，說明對應(yīng)的單元在該方面的表現(xiàn)越好。對于環(huán)境影響方面涉及的5個指標(biāo)，采用等權(quán)重方法，即將不同環(huán)境影響潛值歸一化結(jié)果直接累加得到總環(huán)境影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要貢獻(xiàn)者的識別

2.1.1 環(huán)境影響

總環(huán)境影響的主要貢獻(xiàn)者識別結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，GWP是最主要的環(huán)境問題，貢獻(xiàn)率高達(dá)47.68%，其次是AP，貢獻(xiàn)率為37.46%。而EP、HTP的影響較小，累計貢獻(xiàn)率不到5%。

圖3 不同環(huán)境指標(biāo)對總影響的貢獻(xiàn)Fig.3 Contribution of each environmental indicator to the total impact

為了更精準(zhǔn)地定位系統(tǒng)環(huán)境影響的主要來源，依次從單元和具體輸入的層面分析了不同環(huán)境影響的主要貢獻(xiàn)者，結(jié)果分別如表3和表4所示。由表3可知，預(yù)處理是所有環(huán)境指標(biāo)的最主要貢獻(xiàn)者，其貢獻(xiàn)率均在40%以上。這是由于在預(yù)處理單元中使用了大量HCl，而HCl的上游生產(chǎn)過程需要消耗大量原料、能量，伴隨有嚴(yán)重的污染物排放[23]，因而折算到預(yù)處理的環(huán)境負(fù)荷將大大增加。制沸石單元是所有指標(biāo)的第二大貢獻(xiàn)者，其貢獻(xiàn)率為20.33%～30.52%?；瘜W(xué)、物理余熱回收單元的環(huán)境影響程度極小，對各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率均在1%以下。

表3 不同單元對各環(huán)境指標(biāo)的貢獻(xiàn)Table 3 Contribution of each unit to each environmental indicator

表4 關(guān)鍵輸入對各環(huán)境指標(biāo)的貢獻(xiàn)Table 4 Contributions of key inputs to each environmental indicator

由表4可知，HCl的使用是所有環(huán)境影響的最主要來源，其對AP、EP、HTP、POCP的貢獻(xiàn)率均在50%以上，對GWP的貢獻(xiàn)率也高達(dá)47.70%。因此，減少HCl的用量或使用其他替代品是減輕本系統(tǒng)環(huán)境影響的關(guān)鍵。此外，NaOH的總消耗量是NaAlO2的8.5倍，但二者對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)程度卻相差不大，可見生產(chǎn)單位質(zhì)量NaAlO2的環(huán)境負(fù)荷比NaOH更大。這是因?yàn)镹aAlO2的制備與高能耗、高排放的鋁工業(yè)密切相關(guān)，且其生產(chǎn)鏈比NaOH更為復(fù)雜。然而，再生鋁生產(chǎn)的總能耗僅為原生鋁的4.86%[24]，因此積極發(fā)展再生鋁工業(yè)將有利于降低NaAlO2生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷，從而進(jìn)一步減輕本系統(tǒng)的環(huán)境影響。電力消耗對各環(huán)境指標(biāo)的貢獻(xiàn)率均在10%左右。

2.1.2 資源、能源消耗

系統(tǒng)處理1 t高爐渣的資源消耗總量約2.8 t，各單元具體消耗資源種類、數(shù)量及貢獻(xiàn)率如圖4所示。由圖4可知，在所消耗的資源中，HCl消耗量最大且全部用于預(yù)處理，NaOH位居第二位。只在化學(xué)余熱回收單元中消耗了少量的煤，而水則主要用于物理余熱回收單元。此外，預(yù)處理單元消耗的資源量最大，貢獻(xiàn)率為50%，化學(xué)余熱回收單元消耗的資源量最少，貢獻(xiàn)率僅為4.19%?？傮w來看，資源消耗主要集中在高爐渣資源化利用階段，而余熱回收階段對總消耗量的貢獻(xiàn)率僅為11.14%。

圖4 各單元資源消耗情況Fig.4 Resource consumption of each unit

在所有消耗的資源中，不同類型資源的貢獻(xiàn)率如圖5所示。其中，能源資源的貢獻(xiàn)率僅為1.43%，絕大多數(shù)都是非能源資源的形式。而非能源資源中又以HCl和NaOH為主，二者對總消耗量的貢獻(xiàn)率依次為61.98%、24.05%。

圖5 不同資源對總資源消耗量的貢獻(xiàn)Fig.5 Contribution of different resources to the total resource consumption

系統(tǒng)處理1 t高爐渣的能量消耗約為475 MJ。如圖6所示，制類水滑石單元的能耗貢獻(xiàn)率高達(dá)42.12%，其次是制沸石單元，貢獻(xiàn)率為37.91%。這是因?yàn)樵谥苽浞惺皖愃倪^程中需要較高的溫度、較長的時間以完成晶化處理。此外，過濾得到的產(chǎn)品還需要消耗大量熱能來干燥。余熱回收階段2個單元的能耗之和不到總量的5%。

圖6 各單元能源消耗量對總能耗貢獻(xiàn)Fig.6 Contribution of each unit to the total energy consumption

2.1.3 經(jīng)濟(jì)成本

由于與上游生產(chǎn)過程相關(guān)的成本已經(jīng)包含在材料和能源成本中，故系統(tǒng)的生命周期成本只需計算高爐渣處理過程中直接發(fā)生的成本。涉及的各項成本如表5所示。由表5可見，處理1 t高爐渣的生命周期總成本將近3 926元，其主要貢獻(xiàn)者為內(nèi)部成本，貢獻(xiàn)率為91.89%。內(nèi)部成本中，HCl和NaOH的成本貢獻(xiàn)率高。由于CO2排放而帶來的外部成本為318.29元，對總成本的貢獻(xiàn)率僅為8.11%。

表5 生命周期成本數(shù)據(jù)清單Table 5 Inventory data of life cycle cost

圖7顯示了各單元對不同種類成本的貢獻(xiàn)率。從圖7可以看出，污染成本和材料成本主要來自預(yù)處理單元，能源成本主要來自制沸石和制類水滑石單元?；瘜W(xué)、物理余熱回收單元對各類成本的貢獻(xiàn)都很小，均在5%以下。值得注意的是，污染成本在各單元中的分布情況和材料成本而非能源成本具有相似性，這是由于污染物的排放主要來自原料的上游生產(chǎn)過程，而下游高爐渣處理過程中設(shè)備消耗電力所造成的排放很少。

圖7 各單元對不同成本的貢獻(xiàn)Fig.7 Contribution of each unit to different costs

2.2 系統(tǒng)效益

在日益嚴(yán)峻的全球變暖形勢以及不斷完善的碳交易機(jī)制背景下，筆者提出的高爐渣處理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢：1）冷卻高爐渣的過程中，通過將物理余熱回收和化學(xué)余熱回收相結(jié)合，有效利用了高爐渣的高品質(zhì)余熱，不僅實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約，還制得了合成氣和蒸氣2種副產(chǎn)品，可帶來額外收益。2）高爐渣資源化過程制備的產(chǎn)品沸石和類水滑石都是性能優(yōu)良、再生性好的吸附劑，可用于吸附CO2，從而產(chǎn)生可觀的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。基于此，定量分析系統(tǒng)特性所帶來的環(huán)境、能源和經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，在CO2排放方面，每處理1 t高爐渣，系統(tǒng)的CO2排放量為1 501.38 kg，其主要來自預(yù)處理單元，貢獻(xiàn)率高達(dá)47.96%。而制得的沸石和類水滑石共可吸附7 600.06 kg CO2，使得系統(tǒng)最終的CO2凈排放量為-6 098.68 kg。這說明除了吸附本系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2，產(chǎn)品還可額外吸附大量系統(tǒng)之外的CO2。盡管在2.1.1節(jié)中提到，GWP是系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)境問題的最主要指標(biāo)，但產(chǎn)品對CO2巨大的吸附能力足以抵消這一不良環(huán)境影響。

表6 系統(tǒng)效益分析Table 6 Analysis of the system benefits

在能源消耗方面，盡管在高爐渣處理的過程中消耗了一定能量，但在2個余熱回收單元中回收利用的能量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所消耗的（約為消耗能量的2.4倍），使得系統(tǒng)的最終凈能耗為負(fù)值。

在經(jīng)濟(jì)成本方面，系統(tǒng)的生命周期成本主要產(chǎn)生于高爐渣資源化利用階段，尤其是預(yù)處理單元，其對總成本的貢獻(xiàn)率接近50%。依據(jù)當(dāng)前中國市場，取蒸氣單價為280元/t，合成氣單價為0.88元/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積，下同），計算出通過出售余熱回收階段生成的副產(chǎn)品合成氣和蒸氣可獲得234.96元的收入。此外，將制備的產(chǎn)品用于吸附CO2會使碳排放權(quán)配額出現(xiàn)盈余，出售多余的碳排放權(quán)配額可獲得1 612.66元的收益，對總收益的貢獻(xiàn)率為87.28%。考慮到以上兩方面的收益，系統(tǒng)的總成本降至2 078.24元，僅為原生命周期（未考慮兩方面收益）成本的52.94%。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

2.3.1 綜合評價

由圖8可知，預(yù)處理單元的綜合表現(xiàn)最差，在4個方面中的標(biāo)準(zhǔn)化值都接近0。因此，提升預(yù)處理單元的各方面表現(xiàn)將是整個系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵。物理余熱回收單元在環(huán)境影響、能源消耗和經(jīng)濟(jì)成本方面都表現(xiàn)最好，在資源消耗方面位居第二位，主要是因?yàn)樵搯卧邢牧舜罅克糜诋a(chǎn)生蒸氣。除物理余熱回收以外的其他4個單元的最大短板都是經(jīng)濟(jì)成本，尤其是對于化學(xué)余熱回收單元。因此，降低經(jīng)濟(jì)成本可有效提升4個單元的綜合表現(xiàn)。

圖8 各單元的綜合表現(xiàn)比較Fig.8 Comparison of the overall performance of each unit

2.3.2 敏感性分析

通過將4種輸入?yún)?shù)分別單獨(dú)減少5%，然后對比參數(shù)變化前后各評價指標(biāo)的變化情況來分析不同輸入的敏感性，結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，除了能源消耗，其他指標(biāo)都對HCl最為敏感，而能源消耗只受電力消耗變化的影響。整體來看，除能源消耗以外的其他指標(biāo)對電力的敏感性都較低。除AP和POCP外，大部分指標(biāo)對NaOH的敏感性高于NaAlO2。

圖9 敏感性分析結(jié)果Fig.9 Results of the sensitivity analysis

3 結(jié)論

（1）系統(tǒng)的環(huán)境影響主要是取全球變暖潛值，資源消耗主要是非能源資源，經(jīng)濟(jì)成本主要來自于內(nèi)部成本。預(yù)處理單元是系統(tǒng)環(huán)境影響、資源消耗和經(jīng)濟(jì)成本的主要貢獻(xiàn)者，制類水滑石單元是能源消耗的主要貢獻(xiàn)者。

（2）全面考慮系統(tǒng)特性時，處理1 t高爐渣的CO2排放量為-6 098.68 kg，能源消耗為-682.68 MJ，經(jīng)濟(jì)成本為2 078.24元。

（3）由綜合評價可以看出：在所有單元中，預(yù)處理的綜合表現(xiàn)最差，是系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵所在。大多數(shù)單元的主要短板都是經(jīng)濟(jì)成本。由敏感性分析可以得出：能源消耗對電力變化最敏感，其他所有指標(biāo)均對HCl消耗量的變化最敏感。