高端視點|蘇長永等:鋼鐵行業(yè)固廢綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展路徑
綜述:鋼鐵行業(yè)固廢綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展路徑
作者|蘇長永 李新宇 林嚴(yán) 蘇步新
來源|《燒結(jié)球團》第47卷 第6期 2022年12月;
再編輯|武安君
鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱行業(yè),2021年我國粗鋼產(chǎn)量為10.35億噸,約占全球粗鋼總產(chǎn)量的54.02%。鋼鐵行業(yè)作為高載能和高排放的大戶,能源消費量約占全國能源消費總量的11%,碳排放量約占全國碳排放總量的15%,是碳排放量最高的制造行業(yè)。在鋼鐵生產(chǎn)過程中,隨之也產(chǎn)生大量冶金固體廢棄物,通常分為三類,包括冶金渣類、冶金塵泥類和粉煤灰。以每噸鋼產(chǎn)生固廢600kg估算,鋼鐵行業(yè)全年共產(chǎn)生廢棄物約為6.1億噸,這其中約有5億噸爐渣和1億噸塵泥。多年累積堆置的鋼鐵行業(yè)固廢已超10億噸,不僅大量占用土地資源,而且污染環(huán)境。每年新增固廢雖有80%左右可以通過各種資源化處理方式實現(xiàn)利用,但一些難處理的危廢、鋼渣、不銹鋼污泥等,仍會帶來潛在的環(huán)境污染。
近年來,我國鋼鐵行業(yè)對固廢的處理愈加重視,開發(fā)并應(yīng)用了一系列固廢處理的新工藝和技術(shù)措施,部分企業(yè)也取得了不錯的應(yīng)用效果,并在行業(yè)內(nèi)開展推廣應(yīng)用,但面對巨大的等待處理和復(fù)用的固廢資源,存在的問題和挑戰(zhàn)仍十分嚴(yán)峻,也亟需尋找出更好、更優(yōu)解決固廢的系統(tǒng)處理方案。隨著國家多項產(chǎn)業(yè)政策陸續(xù)發(fā)布實施,文件要求鋼鐵行業(yè)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)間耦合發(fā)展的資源循環(huán)利用體系,并重點推廣鋼鐵行業(yè)成熟節(jié)能的降碳工藝。鋼鐵行業(yè)自身也應(yīng)秉持“減量化、資源化、無害化”的原則,大力推動鋼鐵固廢資源綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文簡要概括我國鋼鐵行業(yè)固廢種類分布和利用存在的問題,著重對固廢綠色低碳發(fā)展方向加以探討,并整理近期發(fā)布的固廢利用產(chǎn)業(yè)政策,以期對鋼鐵行業(yè)固廢資源化高質(zhì)量發(fā)展提供參考。
1 鋼鐵行業(yè)固廢種類分布及利用存在的問題
1.1 鋼鐵行業(yè)固廢種類分布
我國2022年上半年粗鋼產(chǎn)量為5.27億噸,其中“高爐—轉(zhuǎn)爐”長流程生產(chǎn)模式占到粗鋼產(chǎn)量的約90%,預(yù)計“十四五”期間我國每年粗鋼產(chǎn)量仍會維持在10億噸左右;鋼鐵行業(yè)未來一段時間內(nèi)發(fā)展的重點是通過提高短流程電爐煉鋼占比,以實現(xiàn)行業(yè)節(jié)能減排綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。因“非高爐煉鐵—電爐煉鋼”短流程生產(chǎn)工藝模式仍處于開發(fā)階段,改變現(xiàn)有鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工序模式尚需時間,因此,鋼鐵行業(yè)固廢種類也會繼續(xù)維持現(xiàn)有的規(guī)模數(shù)量。主要固廢種類分布如表1所示。
1.2 鋼鐵行業(yè)固廢利用存在的問題
我國鋼鐵行業(yè)固廢利用技術(shù)研究與生產(chǎn)已持續(xù)一段時間,但就目前綜合利用效果來看,仍存在諸多問題:部分企業(yè)重視不夠,固廢利用管理水平待提升;底數(shù)不清楚,各類固廢處理利用過程中統(tǒng)計不完善;各類固廢處理技術(shù)瓶頸仍存在,產(chǎn)學(xué)研用一體化推進不足;固廢利用產(chǎn)品市場接受度低,市場也無法大量消化;行業(yè)壁壘難以突破,多行業(yè)間協(xié)同發(fā)展受阻等。
2 鋼鐵行業(yè)固廢綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展實施路徑
回收利用好固廢資源主要就是要實現(xiàn)“量少效率高”,包括產(chǎn)生的固廢數(shù)量少、處理中間產(chǎn)品能源消耗少、固廢回收綜合利用效率高等方式。其本質(zhì)就等同于一種低碳的行為,最終實現(xiàn)固廢不出廠、固廢全部資源化、廠內(nèi)無“固廢”這一概念,從而實現(xiàn)減碳降碳綠色環(huán)保的發(fā)展理念。
對于固廢資源回收利用的過程,建議從系統(tǒng)的角度出發(fā),科學(xué)研判企業(yè)自身與所處城市范圍內(nèi)的固廢范圍、數(shù)量,協(xié)同創(chuàng)建“無廢城市”,統(tǒng)籌考慮固廢資源化回收的體系建設(shè)、資源利用和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等,最終從源頭、過程、末端、綜合利用和產(chǎn)業(yè)間耦合五方面實現(xiàn)“固廢不出廠”和打造“無廢城市”,具體實施路徑如圖1所示。
圖1 鋼鐵行業(yè)固廢綠色低碳發(fā)展實施路徑
2.1 源頭減量化發(fā)展
如何減少固廢的產(chǎn)生,其本質(zhì)就是要抓住固廢的源頭,“抓源頭”即從源頭上避免或是降低固廢的產(chǎn)生,走固廢減量化發(fā)展的路線。固廢產(chǎn)生的數(shù)量少,就意味著物質(zhì)在傳遞過程中涉及到的能耗也將同步減少,從物質(zhì)流和能量流兩部分實現(xiàn)減碳、降碳。對于傳統(tǒng)的“高爐—轉(zhuǎn)爐”長流程煉鋼生產(chǎn)工藝而言,想要從源頭減量化發(fā)展,首先應(yīng)踐行高爐的“精料方針”,保證相對合理的高爐入爐綜合品位。高爐入爐綜合品位應(yīng)至少保證50%以上,越高的入爐品位就意味著相對少的渣量產(chǎn)生,渣量少了對應(yīng)固廢的產(chǎn)量就少,可從源頭上降低固廢的產(chǎn)生,實現(xiàn)源頭減量化和低碳的目的。對于短流程電爐煉鋼工藝而言,一方面需保證廢鋼的來源相對穩(wěn)定,廢鋼的類型及產(chǎn)品雜質(zhì)相對少;另一方面盡可能將廢鋼預(yù)熱后送至電爐,從源頭上盡可能降低電爐除塵灰的產(chǎn)生,減少固廢和危廢的數(shù)量,降低電爐生產(chǎn)過程的石墨電極消耗和噸鋼電耗,從而實現(xiàn)減碳、降碳生產(chǎn)。
2.2 過程多點化控制
過程多點化控制要求一方面通過生產(chǎn)過程監(jiān)控、減少固廢產(chǎn)生點,另一方面增加有益元素進產(chǎn)品、不出廠,同時盡可能減少有害元素在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)富集。過程多點化控制是源頭減量化發(fā)展的延伸,通過精準(zhǔn)、精確、精細的過程管理和有效監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)固廢產(chǎn)出的新增源頭,采取技術(shù)創(chuàng)新、工藝調(diào)整、裝備升級等手段減少過程中固廢產(chǎn)生的數(shù)量,解決固廢轉(zhuǎn)移過程中統(tǒng)計缺失等問題。在多點控制的基礎(chǔ)上,盡可能回收并確保有益元素一次性實現(xiàn)進入終端產(chǎn)品,不再為重新提取有益元素回收后進系統(tǒng)付出更多的能量,降低物質(zhì)在系統(tǒng)的流轉(zhuǎn),再一次實現(xiàn)物質(zhì)流和能量流兩方面的減碳、降碳。
2.3 末端就地化利用
在工藝各流程的節(jié)點處或產(chǎn)品、產(chǎn)線的終端實現(xiàn)附屬品包括熱態(tài)渣、高爐沖渣水余熱、余能等連續(xù)化回收利用,作為新工藝源頭,達到“直接用”的效果。品質(zhì)好的余熱余能發(fā)電效果好、利用率高,自發(fā)電率已從2015年的44%提高到2021年的54%,但如果品質(zhì)相對差的余熱一方面其自發(fā)電利用率低,另一方面因其內(nèi)循環(huán)技術(shù)還不夠成熟等問題依舊存在,就需要將其通過技術(shù)研發(fā)迭代、設(shè)備優(yōu)化升級等手段,使之成為另一產(chǎn)品線的源頭,最終的目的還是實現(xiàn)“直接用”,最大化地減少產(chǎn)品因中間形態(tài)變化和留置不用而帶來的能量耗損,進而實現(xiàn)過程碳利用最大化,避免新增碳使用。
2.4 固廢綜合化利用
傳統(tǒng)方法對于高爐渣、鋼渣等固廢資源化利用后的產(chǎn)品多數(shù)附加值低,同時受到渣成分多變和安定性差等因素的影響,廠內(nèi)堆放固廢會占用大量土地。此外,廠區(qū)內(nèi)固廢產(chǎn)生的點多、量大、難轉(zhuǎn)運等問題,導(dǎo)致有價元素重新回到系統(tǒng)中成為產(chǎn)品要付出比丟棄更大的代價。因此在現(xiàn)有固廢處理資源化利用的基礎(chǔ)上,從技術(shù)端入手,結(jié)合低碳環(huán)保的要求,國內(nèi)部分鋼鐵廠已經(jīng)在廠區(qū)內(nèi)開展綜合利用的項目。如太鋼在原有對高爐渣生產(chǎn)礦渣超細粉和礦渣棉的基礎(chǔ)上,持續(xù)研發(fā),通過對設(shè)備進行適應(yīng)化改造和優(yōu)化,實現(xiàn)礦渣棉到高等級巖棉的產(chǎn)品升級,產(chǎn)品品類擴大的同時實現(xiàn)了高爐熱態(tài)渣顯熱的回收利用,實現(xiàn)了綠色降碳。山西建邦成功開發(fā)了“冶金除塵灰智能分選技術(shù)”,該技術(shù)根據(jù)除塵灰顆粒細、流動性強、親水性差、化學(xué)成分復(fù)雜等原料特點,對磁選、浮選、重選等傳統(tǒng)選礦設(shè)備進行了顛覆性的技術(shù)改造和創(chuàng)新,最終可分選出鐵精粉、碳粉、硫酸鋅、氯化鉀、氯化鈉、金、銀、銦、水泥原料等九大產(chǎn)品,徹底實現(xiàn)工業(yè)固廢全量化、資源化,最終將除塵灰“吃干榨凈”。包鋼200萬噸CCUS(碳捕集利用與封存)一期50萬噸示范項目將對工業(yè)廢煙氣中的二氧化碳進行捕集,一部分經(jīng)管道輸送包鋼碳化法鋼鐵渣綜合利用項目進行固化利用。雖然該項目的實施目前還在探索階段,但其在固廢資源化利用和節(jié)能降碳之間實現(xiàn)耦合,將為固廢資源化利用提供更多的解決思路和方案。
2.5 產(chǎn)業(yè)間耦合協(xié)同
圍繞產(chǎn)業(yè)所在城市,以創(chuàng)建“無廢城市”為目標(biāo),在政府部門指導(dǎo)監(jiān)管下,由鋼鐵廠設(shè)立固廢危廢綜合利用中心。該中心將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)間固廢危廢和城市廢棄物的集中回收處理資源化利用,在產(chǎn)業(yè)間耦合協(xié)同的基礎(chǔ)上,既擴大原有固廢資源利用數(shù)量和范圍,又完成對城市廢棄物集中處理,實現(xiàn)“無廢城市”建設(shè)目標(biāo),彰顯鋼鐵行業(yè)的社會責(zé)任與價值。
3 固廢資源綜合利用法規(guī)政策標(biāo)準(zhǔn)體系支持
我國自“八五”時期開始對固廢處理的行業(yè)政策均有定性表述,具體如表2所示,工業(yè)固廢利用率定量的指標(biāo)要求如圖2所示。
圖2 不同發(fā)展時期工業(yè)固廢綜合利用率變化情況
由圖2可以看出,從“八五”到“十二五”,工業(yè)固廢綜合利用率的目標(biāo)要求迅速提升,“十五”期間雖沒有具體目標(biāo)值設(shè)定,但后續(xù)“十一五”和“十二五”利用率目標(biāo)值的進一步提升,表明“十五”期間仍在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。結(jié)合表2的內(nèi)容可知,“十三五”“十四五”連續(xù)十年的規(guī)劃中,均只有對工業(yè)固廢定性化描述,缺少定量化目標(biāo),直到2022年2月,工信部等部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推動工業(yè)資源綜合利用的實施方案》中再一次明確提到利用率的具體目標(biāo)值。文件要求到2025年,鋼鐵等重點行業(yè)工業(yè)固廢產(chǎn)生強度下降,力爭大宗工業(yè)固廢綜合利用率達到57%。可以看到,57%的利用率其值遠低于“十二五”時的72%,究其原因主要為近十年內(nèi)大宗工業(yè)固廢的絕對量增加值遠超之前規(guī)劃時的預(yù)期值,同時近些年對于大宗工業(yè)固廢的規(guī)范統(tǒng)計使得原有隱藏的固廢量得以重新暴露,加上綜合回收處理大宗固廢的突破性技術(shù)少,以上3個因素疊加使得《實施方案》設(shè)定的目標(biāo)值僅為57%。該《實施方案》同時要求到2025年,冶金渣的利用率要達到73%,廢鋼鐵資源利用量達到3.2億噸。
2022年2月,《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》和《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級實施指南(2022年版)》等產(chǎn)業(yè)政策落地執(zhí)行,文件要求鋼鐵行業(yè)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)間耦合發(fā)展的資源循環(huán)利用體系,對節(jié)能降碳工作提出了最新要求,指出應(yīng)加快成熟工藝的普及與推廣,其中與固廢產(chǎn)生及處理相關(guān)的有開展余熱余能梯級綜合利用和循環(huán)經(jīng)濟低碳改造等,具體內(nèi)容如表3所示。
自“十三五”以來,我國加大重視固廢資源化回收利用,工業(yè)資源綜合利用法規(guī)政策標(biāo)準(zhǔn)體系日益完善,技術(shù)裝備水平顯著提升,產(chǎn)業(yè)集中度和協(xié)同發(fā)展能力大幅提高。在法規(guī)政策和標(biāo)準(zhǔn)體系的引領(lǐng)下,企業(yè)可更好地制定固廢資源利用發(fā)展規(guī)劃方案,優(yōu)化設(shè)計固廢資源化利用實施路徑。“十三五”以來重要的工業(yè)資源綜合利用法規(guī)政策匯總?cè)绫?所示。
由表4可以看出,進入“十四五”后,我國對于鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策發(fā)布數(shù)量和頻次均大幅增加,涉及鋼鐵行業(yè)固廢資源利用的政策內(nèi)容更詳實,定量指標(biāo)要求重要程度愈發(fā)凸顯,一方面要求固廢產(chǎn)生總量大幅下降,另一方面要求固廢資源利用率明顯提升。一升一降的目標(biāo)實現(xiàn)不僅要靠企業(yè)提高自身環(huán)保認識程度和管理能力,將固廢視為資源,還需要加大固廢利用的資金和人員投入,盡快實現(xiàn)技術(shù)突破。鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗綠色低碳發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn),對整個工業(yè)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大而深遠的影響,是最終完成“雙碳”目標(biāo)的重要突破口。
因此,不管是實現(xiàn)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策對固廢資源利用的定量化指標(biāo)要求,還是加快固廢資源利用成熟工藝技術(shù)的推廣,亦或是開發(fā)新綜合利用處理技術(shù),出發(fā)點和落腳點還得通過企業(yè)自身圍繞產(chǎn)業(yè)政策制定規(guī)劃實施路徑,同時相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)政策也需要及時跟進。在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)政策的基礎(chǔ)上,建議國家在科技立項和財政支持等方面出臺政策支持,以提升鋼鐵行業(yè)固廢綜合利用等重點領(lǐng)域新處理工藝技術(shù)、解決方案的不斷探索實踐和有效落地實施。此外,為了更好地摸清固廢底數(shù),須不斷細化和完善相關(guān)法律法規(guī)和政策,實行嚴(yán)格的固廢處理登記制度和固廢利用企業(yè)準(zhǔn)入機制,強化對固廢的規(guī)范化處置和資源化利用。同時也應(yīng)看到,隨著鋼鐵行業(yè)逐漸短流程化,鋼材品質(zhì)高端化的過程中,電爐除塵灰和酸洗污泥的危廢產(chǎn)生量也大量增加,帶來了新的固廢利用難題,需加以重視并提前做好技術(shù)儲備。因此,鋼鐵行業(yè)固廢利用產(chǎn)業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)體系和系列標(biāo)準(zhǔn)也需動態(tài)完善調(diào)整,以實現(xiàn)全行業(yè)內(nèi)固廢利用各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)體系全覆蓋。目前,冶金工業(yè)出版社已出版《燒結(jié)用鋼渣磁選料》《鋼渣基固結(jié)粉尾砂膠結(jié)充填技術(shù)規(guī)范》等70余項涉及冶金行業(yè)固廢利用的標(biāo)準(zhǔn)體系,及《熔融高爐渣在線制備無機纖維理論與實踐》《固廢資源化利用生態(tài)工業(yè)園區(qū)規(guī)劃》等20余本各類固廢利用專業(yè)書籍,為廣大科技工作者、專業(yè)人員及企業(yè)提供專業(yè)幫助和參考。
4 結(jié) 論
1、我國鋼鐵高位產(chǎn)量仍將維持一段時間,每年伴生的鋼鐵行業(yè)固廢資源量短時間不會迅速減少,固廢雖有一部分能得到較好的資源化利用,但因固廢利用處理工藝尚未實現(xiàn)較好的突破,仍有大量的難處理固廢需占用大量土地資源而帶來環(huán)保問題。
2、鋼鐵行業(yè)固廢綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展要遵循“減少固廢總量,提高綜合利用效率”的總原則。通過源頭、過程、末端和綜合利用四方面入手,實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)“固廢不出廠”的目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)耦合與城市固廢危廢協(xié)同處理,最終創(chuàng)建“無廢城市”,打造綠色環(huán)保生態(tài)城市圈。
3、我國自“八五”開始在產(chǎn)業(yè)政策中對固廢利用已有具體要求。企業(yè)應(yīng)緊緊依托現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)政策,提高自身對固廢的管理和認識,抓緊落實現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)政策,應(yīng)用現(xiàn)有成熟固廢利用技術(shù)。政府層面也應(yīng)持續(xù)優(yōu)化并完善固廢利用法規(guī)政策標(biāo)準(zhǔn)體系,為提升固廢利用做好保障,從而早日實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)固廢綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展。