鋼渣綜合利用與碳排放減排機制研究

鋼渣綜合利用與碳排放減排機制研究

鋼鐵行業(yè)是一個重要的基本部門之一。中國的鋼鐵工業(yè)在世界鋼鐵工業(yè)中發(fā)揮著重要作用。2009年，中國生產(chǎn)了5.68萬噸厚鋼，占世界鋼鐵工業(yè)總產(chǎn)值的46.6%。鋼鐵行業(yè)也是主要的溫室氣體排放行業(yè)之一,以二氧化碳排放量為例,當前我國鋼鐵行業(yè)年排放的二氧化碳量已經(jīng)達到5億t以上。我國已明確了到2020年單位GDP的溫室氣體排放量在2005年排放量的基礎上減少40%的目標,這一背景下的鋼鐵行業(yè)因其溫室氣體排放大戶的地位而得到更多的關注。鋼鐵行業(yè)的溫室氣體減排,不僅需要關注生產(chǎn)工藝改進對減排的作用,也需要關注鋼鐵工業(yè)固廢綜合利用對鋼鐵行業(yè)減排的影響。生命周期評價(LifeCycleAssessment,LCA)是評價產(chǎn)品或服務的潛在環(huán)境影響和資源負荷的有效方法,已成為重要的環(huán)境管理與分析工具。LCA同時也是評價工業(yè)產(chǎn)品碳排放影響的重要工具,由于LCA關注研究對象生命周期內的碳排放,因而可以防止碳排放在不同工業(yè)部門間,以及產(chǎn)品的不同生命周期階段內(生產(chǎn)、使用、報廢回收等)轉移的問題。以美國鋼鐵研究所(AmericanIronandSteelInstitute,AISI)和國際鋼鐵研究所(WorldSteelAssociation)等機構牽頭開展的鋼鐵產(chǎn)品LCA研究,使得LCA在鋼鐵行業(yè)內得到了廣泛的應用,但目前鮮有利用LCA研究鋼鐵工業(yè)固廢綜合利用模式的相關文獻報道。而結合建設低碳社會背景,利用LCA研究鋼鐵工業(yè)固廢利用的碳減排效果的研究更是鮮見。本文通過情景分析,利用LCA這一工具,研究我國鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的轉爐鋼渣在鋼鐵企業(yè)內的綜合利用模式,評價各種應用模式在消解鋼鐵產(chǎn)品生命周期碳排放上的效果,并探討LCA在工業(yè)固廢綜合利用中的應用方式和應用效果等問題。1爐冶煉改造材料鋼渣是煉鋼過程產(chǎn)生的主要固體廢棄物,也是鋼鐵生產(chǎn)過程中排放的主要固廢之一,其產(chǎn)生量約為粗鋼產(chǎn)量的12%-15%。資料顯示,我國目前鋼渣的堆存量已超過1億t,而綜合利用率只有約10%。依據(jù)不同的煉鋼工藝,鋼渣可分為轉爐煉鋼過程產(chǎn)生的轉爐鋼渣和電爐煉鋼過程產(chǎn)生的電爐鋼渣。目前我國煉鋼工藝以轉爐冶煉方法為主(轉爐鋼約占鋼產(chǎn)量的88%),轉爐鋼渣是我國鋼鐵行業(yè)排放的主要類型的鋼渣。鋼渣中含有金屬鐵及CaO等成分,具備較高的回收價值,主要的鋼鐵企業(yè)內部綜合利用途徑包括:(1)破碎磁選回收廢鋼鐵:鋼渣的廢鋼鐵含量在10%以上,鋼渣磁選工藝可得到含鐵量在55%以上的渣鋼。目前的鋼渣破碎磁選回收工藝的廢鋼回收率在90%以上。(2)作為燒結熔劑返回燒結工序:鋼渣含有大量的CaO、MnO、MgO等成分,可代替石灰石用作燒結配料。但鋼渣中的P會導致燒結礦中P含量升高,從而對后續(xù)的煉鐵及煉鋼環(huán)節(jié)產(chǎn)生不利影響,因此鋼渣回用做燒結熔劑必須注意對P含量的控制。(3)作為高爐配料返回煉鐵工序:鋼渣用作高爐配料,可減少高爐煉鐵工序的石灰石、白云石、螢石等的消耗,并降低高爐的能耗。鋼渣用作高爐配料同樣存在P富集的問題。(4)作為轉爐造渣料:轉爐鋼渣可直接返回轉爐煉鋼工序,代替部分石灰石等熔劑,并可降低耐火材料的消耗并減少污染排放。但為保證粗鋼質量,宜選用煉鋼終期渣作為返回渣。2研究過程的描述LCA通過對產(chǎn)品或服務生命周期內的輸入、輸出進行核算,進而評價其潛在環(huán)境影響,已成為ISO14000環(huán)境質量管理體系的核心環(huán)節(jié),是對產(chǎn)品或服務進行環(huán)境管理的重要支持工具。LCA旨在辨識影響產(chǎn)品或服務潛在環(huán)境影響的關鍵工序或過程,并識別改善環(huán)境績效、節(jié)約資源消耗的潛力及可能途徑。LCA的研究過程包括確定研究的目的和范圍、清單分析、影響評價、生命周期解釋等4個階段。確定研究的目的和范圍階段需要:①確定研究的對象和目的;②依據(jù)研究的對象和目的確定研究的功能單位和系統(tǒng)邊界。清單分析的目的是收集工藝單元的輸入輸出數(shù)據(jù)并建立清單。生命周期環(huán)境影響評價(LifeCycleImpactAssessment,LCIA)的目的在于更加清晰地表達清單分析的結果,并將研究聚焦到所關注的問題上,比如溫室氣體排放、酸化、資源耗竭等。生命周期解釋是依據(jù)研究目的和范圍,對清單分析及影響評價的結果進行討論。2.1研究對象的確定本文的研究對象為轉爐鋼渣的鋼鐵企業(yè)內部綜合利用,但為使下文的4個方案的結果具有可比性,本文以1kg粗鋼為LCA研究的功能單位。針對本文的研究對象,建立的系統(tǒng)邊界見圖1,主要的工藝流程包括:①原材料采選(包括鐵礦石采選、煤炭開采、石灰石、白云石開采等);②洗精煤生產(chǎn);③煉焦過程;④燒結;⑤生石灰生產(chǎn);⑥高爐冶煉;⑦制氧;⑧轉爐冶煉;⑨轉爐鋼渣處理及內部綜合利用。其它的輔助過程,如輔料生產(chǎn)、原料、半成品運輸?shù)冗^程沒有在圖1列明。由于鋼材品種多樣且使用廣泛,追蹤鋼材在社會系統(tǒng)內的使用、報廢、回收等過程存在較大的難度和不確定性,本文的系統(tǒng)邊界不包括鋼材、鋼制品的加工、使用、報廢回收等過程,此外社會廢鋼及工業(yè)廢鋼等的回收過程亦沒有包括在系統(tǒng)邊界內。如前所訴,本文的研究對象為轉爐鋼渣的鋼鐵企業(yè)內部綜合利用,但轉爐鋼渣內部綜合利用過程與鋼鐵生產(chǎn)的主工藝流程間存在復雜的能流與物流聯(lián)系,單獨核算轉爐鋼渣鋼鐵企業(yè)內部綜合利用過程的能流物流是極為困難的?；谏鲜鲈?本文的系統(tǒng)邊界不僅括了轉爐渣處理及內部綜合利用環(huán)節(jié),也包括原料開采、選礦、煉焦、燒結、冶煉等工藝過程,從而將系統(tǒng)邊界擴展到了整個粗鋼生產(chǎn)過程,并以1kg粗鋼作為本文的功能單位。2.2轉爐鋼渣內部綜合利用方式鋼渣回收前首先需進行降溫破碎處理,目前國內外鋼渣處理工藝較多,本文涉及的鋼渣處理工藝有:(1)熱潑工藝:高溫紅熱液態(tài)鋼渣運至爐渣車間后,被均勻潑在渣廂中,經(jīng)過集中連續(xù)噴水冷卻,并過濾多余水分后,鋼渣平均溫度降至75℃左右。經(jīng)此處理后的鋼渣被運至渣場進行回收及處理處置。熱潑工藝較為簡單、處理能力大、運行安全可靠;但由于需消耗大量的噴淋水,造成循環(huán)水量大,初期的冷卻水大量外排,廢水量較大,且缺乏配套的廢熱回收工藝。(2)水淬工藝:水淬工藝將高溫紅熱液態(tài)鋼渣置于水中急速冷卻,在限制其結晶的同時發(fā)生?；?。目前普遍采用的水淬方法有渣池水淬和爐前水淬兩種。渣池水淬即將熔渣緩慢倒入水池中,熔渣遇水急劇冷卻成粒狀水渣,水渣用吊車抓出放置在堆渣場,脫水后裝車外運;爐前水淬時,高溫紅熱液態(tài)鋼渣從渣罐底部的開口處自由落體下落,下降過程與高壓水柱相遇,熱熔鋼渣被壓力水分割、擊碎的同時急冷收縮而破裂,從而完成粒化過程,水淬渣輸送到沉渣池,經(jīng)抓斗抓出,堆放脫水后外運。(3)風淬工藝:高溫紅熱液態(tài)鋼渣由中間罐底部小孔流出后,與從特別設計的噴嘴噴出的空氣相遇,熔渣被破碎成球形微粒,其平均粒徑只有2mm。沖渣后的高溫空氣和粒渣進入罩式鍋爐,回收熱量并收集渣粒。風淬法具有工藝簡單、安全可靠、投資成本及運行成本低、處理能力大、?；瘡氐?、無二次污染等優(yōu)點,風淬法得到的渣粒無需再次破碎即可進入磁選工序;但風淬法對鋼渣的流動性要求較高,因此僅部分鋼渣可使用風淬法冷卻破碎。通過對現(xiàn)有轉爐鋼渣內部綜合利用方式的調研(包括文獻調研和現(xiàn)場調研),本文設定了四種轉爐鋼渣鋼鐵企業(yè)內部綜合利用方案,即:方案1:方案1使用熱潑工藝冷卻轉爐鋼渣,冷卻后轉爐鋼渣經(jīng)破碎后進入磁選工序,得到的廢鐵大部分返回燒結工序,部分返回高爐煉鐵工序和轉爐煉鋼工序,余渣則外售,在系統(tǒng)外得到綜合利用。方案1主要工序見圖2a。方案2:方案2使用水淬工藝處理轉爐鋼渣,冷卻后的轉爐鋼渣進入破碎磁選工序,得到的廢鐵約有44%返回燒結工序,47%返回高爐煉鐵工序,大約7%返回轉爐煉鋼工序;部分余渣返回燒結工序用作燒結原料,剩余余渣則在系統(tǒng)外得到綜合利用。方案2的主要工序見圖2b。方案3a和方案3b:方案3a和方案3b的工藝較為相近。兩者使用風淬或水淬工藝處理不同煉鋼環(huán)節(jié)產(chǎn)生的轉爐鋼渣。對使用水淬工藝處理的轉爐鋼渣,使用與方案2相同的破碎及磁選方式;而風淬后的轉爐鋼渣由于粒徑較小,因此無需破碎工序即可進入磁選工序,磁選的廢鋼大部分可作為高爐煉鐵的原料。轉爐鋼渣可細分為脫硅渣、脫磷渣、脫硫渣、轉爐渣、精煉渣等。脫硫渣及部分脫磷渣可返回燒結工序作為燒結配料,脫硅渣及剩余的脫磷渣則在系統(tǒng)外得到綜合利用。對轉爐渣和精煉渣而言,既可作為高爐煉鐵的原料,也可作為煉鋼的原料,在方案3a中,轉爐鋼渣和精煉渣作為煉鋼原料;而在方案3b中,轉爐渣和精煉渣則作為高爐煉鐵的原料。方案3a及3b的主要工序見圖2c。3內部報告統(tǒng)計分析本文生命周期清單的數(shù)據(jù)包括多個數(shù)據(jù)來源:①通過與國內某特大型鋼鐵企業(yè)以及某大型鋼鐵企業(yè)進行現(xiàn)場訪談及調查問卷的方式,獲取了其工藝過程的主要物料數(shù)據(jù);②上述企業(yè)的環(huán)境影響評價報告、循環(huán)經(jīng)濟報告等內部報告也是本文重要的數(shù)據(jù)來源;③本文在研究過程還參閱了大量國內有關鋼渣處理及綜合利用的文獻;④各類工業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)也是本文重要輔助數(shù)據(jù)來源。本文總體數(shù)據(jù)質量較高。通過對不同途徑數(shù)據(jù)來源一致性檢驗,顯示不同數(shù)據(jù)源間的數(shù)據(jù)具備較高的一致性,本文所得結果反映了我國鋼鐵行業(yè)整體的工藝水平。本研究所涉及的部分生命周期清單數(shù)據(jù)來自中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心所完成的LCA數(shù)據(jù)庫,主要的清單包括:我國洗精煤生產(chǎn)過程的生命周期清單、國家電網(wǎng)電力的生命周期清單、石灰石、白云石生產(chǎn)的生命周期清單等。4暖潛值評價模型LCIA由多個步驟組成,分為必備要素和可選要素,其中分類、特征化、以及影響類型、參數(shù)、評價模型等是LCIA的必備要素;評估階段(包括歸一化、分組、加權、數(shù)據(jù)質量評價等)是可選要素。本文采用IPCC2007評價模型,對本文4個方案中功能單位的環(huán)境影響進行評價。IPCC2007評價模型是政府間氣候變化專門委員會(IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC)建立的一套綜合評價各類溫室氣體對全球變暖影響的方法,其評價結果表達為全球變暖潛值(GlobalWarmingPotential,GWP)這一指標。IPCC2007評價模型的結果包括GWP20a、GWP100a、GWP500a三個評價指標,分別代表短期、中期、長期的溫室效應影響,其中GWP100a是應用最為廣泛的評價指標。IPCC2007評價模型已經(jīng)被集成到Simapro這一LCA軟件內。不同于其它綜合性LCIA模型,基于IPCC2007評價模型建立的LCIA模型僅包括單一的評價指標,因此無需歸一化、分組、加權等評估階段的工作。利用IPCC2007評價模型計算得到的針對本文4個方案的評價結果如表1所示。如表1所示,方案1的GWP100a結果最高,方案2次之,方案3a與方案3b的GWP100a結果最小。相比方案1和方案2,方案3a與方案3b在碳減排上的貢獻相當明顯,這主要歸功于化石能源及生石灰消耗量的減少。通過對各個單元過程在碳排放上的貢獻的解析,得到了4個方案中轉爐鋼渣處理過程、渣鋼回收過程、剩余轉爐鋼渣內部綜合利用過程、以及其它過程(指除上述過程外的其它工藝過程,包括采礦、燒結、煉鐵、煉鋼等)對GWP100a貢獻,結果如圖3所示。如圖3所示,轉爐鋼渣內部綜合利用節(jié)省了煉鐵煉鋼工藝過程的能耗和物耗,是方案3a和方案3b碳減排的主要途徑;而回收廢鐵及轉爐鋼渣本身消解的碳排放則相對處于較為次要的地位。綜合表1和圖3,方案3a和方案3b的轉爐鋼渣內部綜合利用率并沒有區(qū)別,利用途徑也大同小異,但方案3b的GWP100a影響明顯低于方案3a,可見將LCA引入到碳減排以及工業(yè)固廢綜合利用的研究中,可幫助決策者系統(tǒng)分析比較多種碳減排方案及工業(yè)固廢綜合利用方案的優(yōu)劣,并尋找最為合理的方案。5消解鋼鐵生產(chǎn)生命周期過程內的碳排放轉爐鋼渣的內部綜合利用,