大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式的构建

中国环境学会  2011年 03月31日

  李会泉1,2*  关雪1,2 包炜军1,2 柳海涛1,2 张辉1,2 
   (1 中国科学院过程工程研究所湿法冶金国家工程实验室,北京;
  2中国科学院过程工程研究循环经济技术中心,北京)
  作者姓名:李会泉;  单位:中国科学院过程工程研究所;  联系电话:13718162766;
  地址:北京市海淀区中关村北二条1号;  邮编:100190


  摘  要:我国钢铁产业规模巨大,产业影响力大,在发展循环经济、低碳经济方面承担着巨大的产业节能降耗、减污增效的清洁低碳发展压力。作者所在研究小组从循环经济理论和产业生态学研究方法入手,通过企业层次物质流代谢分析方法为基础的物质流和能量流代谢分析方法,解析物质能量在复杂钢铁冶金系统的流动代谢规律,分析构建了含五条循环经济产业链的低碳运行的我国传统大型传统钢铁联合企业循环经济发展新模式,为我国钢铁企业发展循环经济提供了良好的示范作用。


  关键词:传统钢铁企业,物质流能量流分析,循环经济模式,低碳


  1.前言


  钢铁工业是国民经济的重要基础产业,是我国工业体系的重要组成部分。近十多年来,由于我国经济的快速发展,钢铁产品需求迅猛,我国已经连续多年钢产量占世界第一位。随着国民经济的快速发展,全社会对钢铁产品的需求将在相当长时间内保持在较高水平。然而钢铁生产过程生产规模与资源操作巨大、工艺流程高度复杂、物流/能流密集,如以高炉-转炉流程的传统钢铁联合企业为例,生产1吨钢将消耗0.7~0.8吨标准煤、1.5~1.65吨铁矿石、3~8吨新水、排放2吨左右气体(CO、CO2、SO2、NOx等)、0.5~0.8吨的固体废弃物。钢铁生产过程是资源、能源消耗大户,同时也是污染物排放大户。随着我国经济高速发展,为应对国际经济形势以及能源资源形势的剧烈变化,保持钢铁产业的长期可持续发展,我国各钢铁企业都在积极发展循环经济[1]、低碳经济,探索适合各类型钢铁行业发展的循环经济模式,如莱钢的“四四”循环经济模式[2]、以鞍钢为主构建的混合型钢铁生态工业园的循环经济发展模式[3]等,都为我国钢铁行业循环经济发展提供了重要的借鉴作用。
  对于我国钢铁企业,特别是地处大型城市核心或近郊的国内大型传统钢铁企业,远离港口,运输成本高,同时资源消耗与环境污染对城市发展影响巨大,成为制约企业发展的生死攸关的问题,而来自于国内外先进钢铁生产企业的市场竞争日益严重,企业迫切需求适合自身需要的清洁生产/循环经济先进技术,提高资源、能源转化效率,减少废弃物排放,通过社会废弃物大宗吸纳、消化构建与城市社会的产业共生链条,建立工业生态化的循环经济发展模式,突破企业发展的资源环境瓶颈,实现大型传统钢铁企业生态化转型。本研究主要针对钢铁企业发展循环经济的迫切需求,结合其生产特点,构建大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式。


  2.构建大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式的基本思路


  本研究工作围绕大型传统钢铁企业生态化转型的发展趋势,积极拓展和完善大型传统钢铁企业三大功能,即铁素流运行的功能—钢铁产品制造功能,能量流运行的功能—能源转换功能以及与剩余能源相关的废弃物消纳、处理功能,铁素流、能量流相互作用过程的功能—实现过程工艺目标以及与此相应的废弃物消纳、处理功能;依靠企业发展观念创新、企业文化创新、管理创新、技术创新、国家法律法规和政策以及实体化技术研发平台等六个支撑体系,建立铁资源高效转化与利用、余热余能梯级利用、水资源高效及循环利用、企业内部三废资源综合利用、大宗社会废弃物消纳等五条循环经济产业链,围绕五条循环经济产业链,形成一个钢铁-电力-建材-煤化工-社会等产业共生系统,实现钢铁企业资源-能源利用效率、经济-环境-社会效益、产品水平与企业市场竞争力等提高的大型传统大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式。


  3.大型传统钢铁联合企业循环经济产业链构建


  本研究结合某大型传统钢铁企业生产特点,通过冶金流程系统的,流程物质代谢的分析和能量代谢分析,识别钢铁冶金过程中物质能量代谢波动引起的高能耗、高污染的系统原因,通过系统的评估和功能重建,全面发挥钢铁企业钢铁制造功能、能源转化功能、社会废弃物消纳功能。围绕相关的铁资源高效转化与利用、余热余能的高效回收与梯级利用、水资源的高效循环与利用、企业内部三废减排与污染物集成控制以及大宗社会废弃物消纳等方面,从发展循环经济的技术研发现状及技术关联度分析出发,分别建立了五条循环经济产业链,即铁资源高效转化与利用循环经济产业链、余热余能梯级利用循环经济产业链、水资源梯级利用循环经济产业链、企业内部三废综合利用循环经济产业链、大宗社会废弃物消纳循环经济产业链。


  3.1铁资源高效转化与利用循环经济产业链
  铁元素是钢铁产品的主体,也是钢铁企业发展循环经济中进行资源回收循环利用的主角。对钢铁主体生产流程进行铁素流分析、各工序的铁资源效率分析,确定影响铁素流损失的主要原因是生产过程中的含铁废弃物。针对大型传统钢铁联合企业发展循环经济的迫切需求以及企业铁资源高效转化与利用技术研发现状,采用循环经济产业链设计理论和方法,建立了大型传统钢铁联合企业铁资源高效转化与利用循环经济产业链,产业链构建包含铁生产各工序含铁废弃物的减量化、含铁废弃物的回收与循环利用、含铁废弃物再资源化产品链延伸、钢材产品的高性能化与深加工四个方面,集成高性能钢材产品开发技术、先进钢材产品轧制技术、钢坯高温动态防氧化技术等自主研发技术,有效的提高大型传统钢铁企业铁资源利用效率。铁资源高效转化与利用循环经济产业链如图1所示。


  3.2余热余能梯级利用循环经济产业链
  能源是钢铁生产的大动脉,钢铁生产过程产生的余热余能是钢铁企业发展循环经济中能源回收循环利用的重点[4]。基于企业现场调研数据,进行了主体生产流程的能量流分析,如图2所示。传统钢铁生产过程中有效使用的能量仅占28.3%,而所产生的各种余热余能资源占全部生产能耗的71.7%,并且主要以废气、高温物料和产品显热的形式消耗。
  在传统钢铁生产流程中,碳素流是能量流中的主要形式,钢铁生产过程实质是铁碳元素交织代谢的物理化学过程。碳元素在其中承担了原料(还原剂)和燃料的双重作用,在物质流分析中需要结合能量流网络的分析。图3为碳元素物质代谢分析图,其中突出以线条走向表示物质流向,以线条的粗细表示物质流动通量。
  钢铁生产流程的复杂性使得各种余热余能资源分别具有自身特点,这些余热余能资源难以采取很大规模、统一集中的方式进行回收利用,必须改变传统的将余热余能回收为低压蒸汽或热水的低效方法,需要有针对性的采取按照用值高效回收的技术方案对不同种类的余热余能分别进行高效回收利用。针对大型传统钢铁企业实现节能减排,促进循环经济发展,采用循环经济技术产业链设计理论和方法,建立了大型传统钢铁企业余热余能梯级利用循环经济产业链。按照余热余能就近回收以及能量品质实现余热余能高效回收及利用原则,该循环经济产业链主要包括高品位的余热余能实现高效电力转化、中品位的余热余能就近实现高效物料预热、低品位及难利用余热余能实现余热余能回收利用产业链延伸、就近用能实现余热余能高效回收四个方面,研发并集成烧结矿余热高效回收发电技术、炼钢转炉烟道废气余热高效回收发电技术、高温高压自循环干熄焦发电技术、大型高炉干式TRT发电技术、燃用低热值冶金混合煤气的燃气-蒸汽联合循环发电技术等若干技术,实现钢铁生产过程余热余能的有效回收,大规模减少CO2排放。余热余能梯级利用循环经济产业链如图4所示。


  3.3水资源高效及循环利用循环经济产业链
  钢铁工业是耗水大户,也是水环境污染重户。为缓解我国水资源短缺的状况,保护水环境,实现国民经济的可持续发展,必须加强钢铁企业特别是大型传统钢铁联合企业水资源利用的管理与革新,以及技术创新,达到节水减排的目的。分析钢铁工业水资源利用及水循环情况表明,大型钢铁联合企业用水过程呈现出多过程、多品质、多回路错综交叉等特点。实现钢铁企业水资源高效及循环利用需要创新用水模式,开发先进用水技术,充分考虑用水需求的量和质等多个方面。
  为进一步降低大型传统钢铁联合企业新鲜水消耗,从分布式用水角度,建立了大型传统钢铁联合企业水资源高效及循环利用循环经济产业链。构建包含开发废水末端治理技术、水的替代和再利用技术、无水及少水工艺技术、节水与节能耦合工艺技术、开发闭路水循环技术五个方面的水资源高效及循环利用产业链。


  3.4企业内部三废资源综合利用循环经济产业链
  传统钢铁生产过程中需要排放大量的废水、废气及废渣等“三废”,其中废气中包含的污染物主要有SOx、NOx以及造成温室效应的CO2等,废液中包含的污染物主要有酚、氨氮、COD、SS、石油类以及废酸等,废渣中包含的污染物主要有重金属元素铬、铅、钡、镉等。量化分析钢铁生产各工序的三废排放情况,通过废弃物高效再利用的技术的筛选以及技术之间的衔接,建立了大型传统钢铁企业内部三废资源综合利用循环经济产业链,集成了焦化废水资源化利用技术、脱硫废液提盐技术、烧结烟气脱硫及硫资源技术、炼焦污泥生产型煤技术、高炉矿渣微粉生产技术、污泥粉尘综合利用等技术,实现企业内部生产产生的废水、废气、废渣的污染集成控制与资源化利用。企业内部三废资源综合利用循环经济产业链如图5所示。


  3.5大宗社会废弃物消纳循环经济产业链
  传统钢铁生产过程采用高炉-转炉长流程工艺,主要是铁、碳、水元素以及其他微量元素的转换与转化过程,同时具有高温还原气氛环境和物料吞吐量大等特点。因此,某些富含铁、碳、水元素以及其他微量元素的大宗社会废弃物可以作为大型传统钢铁企业进行消纳处理的主要对象。为拓展钢铁生产过程的社会废弃物消纳功能,建立大型传统钢铁企业大宗社会废弃物循环经济产业链,重点研发并集成了赤泥铁元素分级提取与资源化利用技术、钢铁流程消纳社区生活废水及矿井水综合技术、烧结工序环保处置铬渣工艺技术等,实现含铁、含碳、含水以及其他有毒有害大宗社会废弃物消纳,实现钢铁企业更大的社会服务功能。大宗社会废弃物消纳循环经济产业链如图6所示。


  4.大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式构建效益分析


  通过大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式的构建,在资源高效利用、节能减排、污染物集成控制等方面产生了良好的效果,使企业吨钢综合能耗降低38%,实现减排CO2160万吨,减排SO2 1.51万吨。不仅为企业创造了巨大的经济效益和环境效益,提升了企业的核心竞争力,而且具有巨大的社会效益。


  5.结语


  大型传统钢铁企业实现节能、减污、资源高效利用、环境保护,必须走循环经济发展之路。本研究所构建的大型钢铁联合企业低碳排放循环经济发展模式充分考虑了资源、能源、环境瓶颈问题以及社会、生态和谐问题,为我国大型传统钢铁企业构建资源节约型、环境友好型企业提供了良好的示范作用。
 

  参考文献
  [1] Huiquan Li, Yi Zhang, Weijun Bao, et al. Energy conservation and circular economy in China’s process industries. Energy, doi: 10.1016/j.energy. 2009.04.021
  [2] 刘伟民. 莱钢对“四四”循环经济模式的探索与实践. 冶金经济与管理, 2009,4: 28-29
  [3] 曹辉, 王焱, 孙树臣, 等. 鞍山钢铁工业循环经济发展模式选择. 冶金能源, 2006,  25(15): 3-6.
  [4] Hui Zhang, Huiquan Li, Qing Tang, et al. Conceptual design and simulation analysis of thermal behaviors of TGR blast furnace and oxygen blast furnace. Sci China Tech Sci, 2010, 53: 85-92.
   

 
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