钢渣内部综合利用碳减排效果的生命周期评价

摘要 钢铁行业是重要的温室气体排放行业之一,消减单位钢铁产品碳排放是实现我国2020年碳减排目标的重要保证。除改进钢铁生产工艺外,钢铁工业固废综合利用也是钢铁行业温室气体减排的重要手段和途径。钢渣是钢铁冶炼过程排放的主要固废之一,本文在调研钢渣综合利用途径、工艺及现状的基础上,使用生命周期评价的方法,并结合情景分析手段,通过对4个转炉钢渣内部综合利用方案下GWP(Global Warming Potential)100a影响结果的比较和分析,研究转炉钢渣内部综合利用在消解粗钢产品生命周期碳排放上的作用。结果显示通过对转炉钢渣内部综合利用方式的合理规划,最多可在现有基础上消解粗钢产品温室气体排放量的14.2%。通过对其减排机制的深入研究,发现转炉钢渣内部综合利用可有效降低钢铁生产的资源与能源消耗,这是碳排放消解的主要途径;此外废钢及钢渣的内部回用也是碳减排的途径之一。结果也表明生命周期评价是研究工业产品碳排放,评价低碳方案碳减排效果的重要工具,可帮助决策者寻找最为合理的低碳方案。

关键词 生命周期评价;综合利用;碳减排;钢渣

中图分类号 X757 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2010)10-0030-05 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2010.10.006

钢铁行业是重要的基础工业部门之一,我国钢铁工业在世界钢铁工业中占据了重要地位,2009年,我国生产粗钢5.68亿t,占世界钢铁总产量的46.6%[1]。钢铁行业也是主要的温室气体排放行业之一,以二氧化碳排放量为例,当前我国钢铁行业年排放的二氧化碳量已经达到5亿t以上[2]。

我国已明确了到2020年单位GDP的温室气体排放量在2005年排放量的基础上减少40%的目标,这一背景下的钢铁行业因其温室气体排放大户的地位而得到更多的关注。钢铁行业的温室气体减排,不仅需要关注生产工艺改进对减排的作用,也需要关注钢铁工业固废综合利用对钢铁行业减排的影响。

生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)是评价产品或服务的潜在环境影响和资源负荷的有效方法,已成为重要的环境管理与分析工具[3-4]。LCA同时也是评价工业产品碳排放影响的重要工具,由于LCA关注研究对象生命周期内的碳排放,因而可以防止碳排放在不同工业部门间,以及产品的不同生命周期阶段内(生产、使用、报废回收等)转移的问题。

以美国钢铁研究所(American Iron and Steel Institute, AISI)[5]和国际钢铁研究所(World Steel Association)[1]等机构牵头开展的钢铁产品LCA研究,使得LCA在钢铁行业内得到了广泛的应用,但目前鲜有利用LCA研究钢铁工业固废综合利用模式的相关文献报道。而结合建设低碳社会背景,利用LCA研究钢铁工业固废利用的碳减排效果的研究更是鲜见。

本文通过情景分析,利用LCA这一工具,研究我国钢铁工业产生的转炉钢渣在钢铁企业内的综合利用模式,评价各种应用模式在消解钢铁产品生命周期碳排放上的效果,并探讨LCA在工业固废综合利用中的应用方式和应用效果等问题。

1 钢渣及其主要钢企内部综合利用方式

钢渣是炼钢过程产生的主要固体废弃物,也是钢铁生产过程中排放的主要固废之一,其产生量约为粗钢产量的12%-15%[6]。资料显示,我国目前钢渣的堆存量已超过1亿t,而综合利用率只有约10%[7]。依据不同的炼钢工艺,钢渣可分为转炉炼钢过程产生的转炉钢渣和电炉炼钢过程产生的电炉钢渣。目前我国炼钢工艺以转炉冶炼方法为主(转炉钢约占钢产量的88%[8]),转炉钢渣是我国钢铁行业排放的主要类型的钢渣。

钢渣中含有金属铁及CaO等成分,具备较高的回收价值,主要的钢铁企业内部综合利用途径包括:

(1)破碎磁选回收废钢铁:钢渣的废钢铁含量在10%以上,钢渣磁选工艺可得到含铁量在55%以上的渣钢。目前的钢渣破碎磁选回收工艺的废钢回收率在90%以上[9]。

(2)作为烧结熔剂返回烧结工序:钢渣含有大量的CaO、MnO、MgO等成分,可代替石灰石用作烧结配料。但钢渣中的P会导致烧结矿中P含量升高,从而对后续的炼铁及炼钢环节产生不利影响,因此钢渣回用做烧结熔剂必须注意对P含量的控制[10]。

(3)作为高炉配料返回炼铁工序:钢渣用作高炉配料,可减少高炉炼铁工序的石灰石、白云石、萤石等的消耗,并降低高炉的能耗[7]。钢渣用作高炉配料同样存在P富集的问题。

(4)作为转炉造渣料:转炉钢渣可直接返回转炉炼钢工序,代替部分石灰石等熔剂,并可降低耐火材料的消耗并减少污染排放。但为保证粗钢质量,宜选用炼钢终期渣作为返回 渣[9]。

2 LCA研究系统定义

LCA通过对产品或服务生命周期内的输入、输出进行核算,进而评价其潜在环境影响,已成为ISO14000环境质量管理体系的核心环节,是对产品或服务进行环境管理的重要支持工具。LCA旨在辨识影响产品或服务潜在环境影响的关键工序或过程,并识别改善环境绩效、节约资源消耗的潜力及可能途径。

LCA的研究过程包括确定研究的目的和范围、清单分析、影响评价、生命周期解释等4个阶段[11]。确定研究的目的和范围阶段需要:①确定研究的对象和目的;②依据研究的对象和目的确定研究的功能单位和系统边界。清单分析的目的是收集工艺单元的输入输出数据并建立清单。生命周期环境影响评价(Life Cycle Impact Assessment,LCIA)的目的在于更加清晰地表达清单分析的结果,并将研究聚焦到所关注的问题上,比如温室气体排放、酸化、资源耗竭等。生命周期解释是依据研究目的和范围,对清单分析及影响评价的结果进行讨论[12]。

2.1 研究目的和范围

本文的研究对象为转炉钢渣的钢铁企业内部综合利用,但为使下文的4个方案的结果具有可比性,本文以

1 kg粗钢为LCA研究的功能单位。

针对本文的研究对象,建立的系统边界见图1,主要的工艺流程包括:① 原材料采选(包括铁矿石采选、煤炭开采、石灰石、白云石开采等);② 洗精煤生产; ③炼焦过程;④烧结;⑤生石灰生产;⑥高炉冶炼;⑦制氧;⑧转炉冶炼;⑨转炉钢渣处理及内部综合利用。其它的辅助过程,如辅料生产、原料、半成品运输等过程没有在图1列明。由于钢材品种多样且使用广泛,追踪钢材在社会系统内的使用、报废、回收等过程存在较大的难度和不确定性,本文的系统边界不包括钢材、钢制品的加工、使用、报废回收等过程,此外社会废钢及工业废钢等的回收过程亦没有包括在系统边界内。

如前所诉,本文的研究对象为转炉钢渣的钢铁企业内部综合利用,但转炉钢渣内部综合利用过程与钢铁生产的主工艺流程间存在复杂的能流与物流联系,单独核算转炉钢渣钢铁企业内部综合利用过程的能流物流是极为困难的。基于上述原因,本文的系统边界不仅括了转炉渣处理及内部综合利用环节,也包括原料开采、选矿、炼焦、烧结、冶炼等工艺过程,从而将系统边界扩展到了整个粗钢生产过程,并以

1 kg粗钢作为本文的功能单位。

2.2 方案设计

钢渣回收前首先需进行降温破碎处理,目前国内外钢渣处理工艺较多,本文涉及的钢渣处理工艺有:

(1)热泼工艺:高温红热液态钢渣运至炉渣车间后,被均匀泼在渣厢中,经过集中连续喷水冷却,并过滤多余水分后,钢渣平均温度降至75℃左右。经此处理后的钢渣被运至渣场进行回收及处理处置。热泼工艺较为简单、处理能力大、运行安全可靠;但由于需消耗大量的喷淋水,造成循环水量大,初期的冷却水大量外排,废水量较大,且缺乏配套的废热回收工艺。

(2)水淬工艺:水淬工艺将高温红热液态钢渣置于水中急速冷却,在限制其结晶的同时发生粒化。目前普遍采用的水淬方法有渣池水淬和炉前水淬两种。渣池水淬即将熔渣缓慢倒入水池中,熔渣遇水急剧冷却成粒状水渣,水渣用吊车抓出放置在堆渣场,脱水后装车外运;炉前水淬时,高温红热液态钢渣从渣罐底部的开口处自由落体下落,下降过程与高压水柱相遇,热熔钢渣被压力水分割、击碎的同时急冷收缩而破裂,从而完成粒化过程,水淬渣输送到沉渣池,经抓斗抓出,堆放脱水后外运。

(3)风淬工艺:高温红热液态钢渣由中间罐底部小孔流出后,与从特别设计的喷嘴喷出的空气相遇,熔渣被破碎成球形微粒,其平均粒径只有2 mm。冲渣后的高温空气和粒渣进入罩式锅炉,回收热量并收集渣粒。风淬法具有工艺简单、安全可靠、投资成本及运行成本低、处理能力大、粒化彻底、无二次污染等优点,风淬法得到的渣粒无需再次破碎即可进入磁选工序;但风淬法对钢渣的流动性要求较高,因此仅部分钢渣可使用风淬法冷却破碎。

通过对现有转炉钢渣内部综合利用方式的调研(包括文献调研和现场调研),本文设定了四种转炉钢渣钢铁企业内部综合利用方案,即:

方案1:方案1使用热泼工艺冷却转炉钢渣,冷却后转炉钢渣经破碎后进入磁选工 序,得到的废铁大部分返回烧结工序,部分返回高炉炼铁工序和转炉炼钢工序,余渣则外售,在系统外得到综合利用。方案1主要工序见图2a。

方案2:方案2使用水淬工艺处理转炉钢渣,冷却后的转炉钢渣进入破碎磁选工序,得到的废铁约有44%返回烧结工序,47%返回高炉炼铁工序,大约7%返回转炉炼钢工序;部分余渣返回烧结工序用作烧结原料,剩余余渣则在系统外得到综合利用。方案2的主要工序见图2b。

方案3a和方案3b:方案3a和方案3b的工艺较为相近。两者使用风淬或水淬工艺处理不同炼钢环节产生的转炉钢渣。对使用水淬工艺处理的转炉钢渣,使用与方案2相同的破碎及磁选方式;而风淬后的转炉钢渣由于粒径较小,因此无需破碎工序即可进入磁选工序,磁选的废钢大部分可作为高炉炼铁的原料。转炉钢渣可细分为脱硅渣、脱磷渣、脱硫渣、转炉渣、精炼渣等。脱硫渣及部分脱磷渣可返回烧结工序作为烧结配料,脱硅渣及剩余的脱磷渣则在系统外得到综合利用。对转炉渣和精炼渣而言,既可作为高炉炼铁的原料,也可作为炼钢的原料,在方案3a中,转炉钢渣和精炼渣作为炼钢原料;而在方案3b中,转炉渣和精炼渣则作为高炉炼铁的原料。方案3a及3b的主要工序见图2c。

3 清单分析

本文生命周期清单的数据包括多个数据来源:①通过与国内某特大型钢铁企业以及某大型钢铁企业进行现场访谈及调查问卷的方式,获取了其工艺过程的主要物料数据;②上述企业的环境影响评价报告、循环经济报告等内部报告也是本文重要的数据来源;③本文在研究过程还参阅了大量国内有关钢渣处理及综合利用的文献[7,10,13-15];④各类工业产排污系数也是本文重要辅助数据来源。本文总体数据质量较高。通过对不同途径数据来源一致性检验,显示不同数据源间的数据具备较高的一致性,本文所得结果反映了我国钢铁行业整体的工艺水平。

本研究所涉及的部分生命周期清单数据来自中国科学院生态环境研究中心所完成的LCA数据库,主要的清单包括:我国洗精煤生产过程的生命周期清单、国家电网电力的生命周期清单、石灰石、白云石生产的生命周期清单等。

4 基于LCIA的温室气体减排效果分析

LCIA由多个步骤组成,分为必备要素和可选要素,其中分类、特征化、以及影响类型、参数、评价模型等是LCIA的必备要素;评估阶段(包括归一化、分组、加权、数据质量评价等)是可选要素[11]。

本文采用IPCC 2007评价模型,对本文4个方案中功能单位的环境影响进行评价。IPCC 2007评价模型是政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)建立的一套综合评价各类温室气体对全球变暖影响的方法,其评价结果表达为全球变暖潜值(Global Warming Potential,GWP)这一指标。IPCC 2007评价模型的结果包括GWP 20a、GWP 100a、GWP 500a三个评价指标,分别代表短期、中期、长期的温室效应影响,其中GWP 100a是应用最为广泛的评价指标。IPCC 2007评价模型已经被集成到Simapro这一LCA软件内。不同于其它综合性LCIA模型,基于IPCC 2007评价模型建立的LCIA模型仅包括单一的评价指标,因此无需归一化、分组、加权等评估阶段的工作。利用IPCC 2007 评价模型计算得到的针对本文4个方案的评价结果如表1所示。

如表1所示,方案1的GWP 100a结果最高,方案2次之,方案3a与方案3b的GWP 100a结果最小。相比方案1和方案2,方案3a与方案3b在碳减排上的贡献相当明显,这主要归功于化石能源及生石灰消耗量的减少。通过对各个单元过程在碳排放上的贡献的解析,得到了4个方案中转炉钢渣处理过程、渣钢回收过程、剩余转炉钢渣内部综合利用过程、以及其它过程(指除上述过程外的其它工艺过程,包括采矿、烧结、炼铁、炼钢等)对GWP 100a贡献,结果如图3所示。

如图3所示,转炉钢渣内部综合利用节省了炼铁炼钢工艺过程的能耗和物耗,是方案3a和方案3b碳减排的主要途径;而回收废铁及转炉钢渣本身消解的碳排放则相对处于较为次要的地位。综合表1和图3,方案3a和方案3b的转炉钢渣内部综合利用率并没有区别,利用途径也大同小异,但方案3b的GWP 100a影响明显低于方案3a,可见将LCA引入到碳减排以及工业固废综合利用的研究中,可帮助决策者系统分析比较多种碳减排方案及工业固废综合利用方案的优劣,并寻找最为合理的方案。

5 结 论

转炉钢渣的内部综合利用,既可以节约钢铁生产所需的资源和能源,也是钢铁行业消解碳排放,实现低碳经济的有效途径。合理规划转炉钢渣的综合利用方案,可有效地消解钢铁生产生命周期过程内的碳排放。如本文的方案3a和方案3b消解的GWP 100a影响分别为方案1的10.4%和14.2%。

LCA是研究工业产品碳排放,以及评价低碳方案碳减排效果的重要工具,可帮助决策者寻找最为合理的低碳方案。本文的方案3b在无法提高转炉钢渣内部综合利用率的情况下,通过对转炉钢渣回收路线的优化,使得粗钢产品的GWP 100a影响在方案3a的基础上进一步降低了

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