节能_清洁生产_绿色制造与钢铁工业的可持续发展

节能、清洁生产、绿色制造与钢铁

工业的可持续发展*

殷瑞钰

(钢铁研究总院)

摘　要　从产品制造链、商品价值的演变出发,讨论了节能、清洁生产和钢铁工业绿色制造问题,强调了钢铁制造流程系统优化的重要性,指出钢厂环境问题的概念是要通过节能、清洁生产—绿色制造过程逐步实现环境友好。与此同时,讨论了钢厂生产流程过程中的节能、清洁生产问题和钢材及其制品的绿色度问题。最后展望了与钢铁企业有关的生态工业链和未来钢铁企业的角色。

关键词　钢铁工业　节能　清洁生产　绿色制造　可持续发展①

ENERGY-S AVI NG,CLEAN PRODUCTION,GREEN MA NUFACTURING AND SUSTAI NABLE DEVELOPMENT OF STEEL INDUSTRY

YIN Ruiyu

(Central Iron and Steel Resea rch Institute)

ABSTRACT　From the view o f ev olutio n of productio n chain a nd goo ds value,the topics of energy-sav ing,clea n productio n and g reen m anufacturing of steel industry is discussed and the impor tance of sy stem optimizatio n o f steel ma nufacturing process is stressed.It is put fo rw ard tha t the ecological co ncept fo r steel w orks to realize env iro nmental friendly will be g radually by energ y-saving,clean productio n and g reen m anufacture.At the sam e time, so me issuses reg arding to energ y-saving,clean pro duction and the g reenness of steel pro ductions and steel fabricated go ods a re discussed.Finally,the eco logical industrial chain related to steel wo rks a nd the social ro le of future steel w o rks are prospected.

KEY W ORDS　steel industry,energ y-saving,clea n productio n,g reen manufacturing, sustainable dev elo pment

1　问题的提出

在整个20世纪内,科学技术的进步促进了社会经济的快速发展;全球范围内工业化、城市化进程加快。与此同时,由于缺乏环境方面的综合认识,环境急剧恶化。其主要原因是无节制地使用资源、能源进行大规模的生产,不顾后果地大量消费以及消费使用后的大量无序废弃。这造成了一系列超过生态自净能力的外源性污染。从而环境问题日益复杂和突出(图1),环境保护引起了各国的高度重视。进而,人们忧虑地球、生态平衡等根本性的问题,从而提出可持续发展问题。

经过实践,人们认识到要解决好环境问题,不仅仅是污染物无害化处理问题(末端治理),而且过多的末端治理会引起企业、社会经济负担增加,甚至影响企业、社会自我发展的动力。所以要改变不利于环境的因素,必须从产生问题的根源着手(所谓源头治理),即从自然资源的利用—物质产品的生产过程—物质产品的消费过程—废弃/回收过程入手,全过程、全寿命期地综合思考,才能从总体上解决问题。

于是不同层次上的一系列可持续发展的命题、

第37卷　第8期2002年8月

钢 铁

IRON AN D ST EEL

V o l.37　N o.8

Aug ust2002

①*国家自然科学基金资助项目(59974023)

联系人:殷瑞钰,工程院院士,北京(100081)钢铁研究总院DOI:10.13228/j.boyu an.i ssn0449-749x.2002.08.001

图1　环境问题的内涵及不同类型

　环境问题影响的关系[1]

Fig .1　Co nno tativ e meaning of env iro nmenta l pro blems

and r ela tio n amo ng v arious envir onmental

pro blems influence

概念、内涵、对策被人们思考着,诸如:①污染物及有毒物质的无害化处理;②节能、清洁生产—绿色制造;③生态工业链;④循环型社会。

2　制造链和商品价值观的演变

人类社会的生存和发展都离不开制造业。当然,制造业的概念、内涵是随着时代的进步而动态发展的。现在,制造业已可具体定义为:将可用资源(物

料、能源等)通过相应的生产(制造)过程转化为工业品和消费品的产业。而现代制造过程的内涵不仅包括从物料、能源到产成品的制造加工过程,而且包括从制造概念逐步扩展成制造链(制造体系)的概念,

因而制造链既包括产成品的制造加工过程,还包括产品设计、制造加工过程的设计、过程排放的控制、循环使用和无害化处理,以至产品使用、废弃、循环利用等产品生命周期评估(LCA )。

随着时代的发展,制造链已从“河流型”逐步发展为“湖泊型”(图2)。

钢铁生产过程属于现代制造过程,

钢材的生命

图2　“河流型”与“湖泊型”制造链示意图[2]

Fig .2　Producing chain fo r “riv er -ty pe

”and “lake -type ”周期将涉及资源、能源的开采、输送过程、钢材制造过程、加工组装过程、使用过程、废弃过程、回收分类

利用过程等因果链(制造链见图3)。

随着可持续发展观点影响的日益扩大,

人们对

图3　钢材生命周期Fig.3　Life cy cle fo r steel product

商品的价值观也正在发生变化。在商品的价值观发生变化的同时,人们对质量的定义也日益深化(见表

1,图4)。从图4可以看到:质量不仅与技术的系统优化和使用优化有关,而且与债务优化(诸如投资

·2·钢　铁 第37卷

额、成本、资金回收速度等)有关。从功能和时间角度上看,则质量应定义为长期系统功能的优化。就商品的价值观而言,其根本的含义是既要有强劲的市场竞争力,又要有利于可持续发展。

表1　商品价值观的演变(图4)Table 1　Evo lution o f co mmodity va lues

原来

今后

高性能满足要求的前提下尽可能长寿低价格

可以接受的价格

注重产品制造流程既注重产品制造流程又注重流程中的排放过程

一侧(动脉)

一侧,(动脉—静脉循环

)

图4　质量定义为长期系统功能优化的结果[2]Fig.4　O ptimum result o f long-ter m system func tion

O —市场竞争力和可持续发展的综合效应

3　节能、清洁生产——绿色制造

节能、清洁生产应是环保和绿色制造的基础,也就是强调以源头治理为主,配合必要的末端治理,来实现绿色制造。

节能、清洁生产作为工程技术经历了一段认识发展的过程。这种进程既有从微观、介观到宏观、整体的发展进程;又有从宏观顶层整体设计到微观、介观的发展进程。面对可持续发展,节能、清洁生产的大致对策如下:

(1)单元制造过程内的优化,改善单元过程的功能—结构—效率,尽量减少制造过程中不必要的输入和输出,降低单元过程资源负荷、能源负荷;(2)单元制造过程间的优化,尽量利用不同过程的排放物、废弃物、剩余能进行过程间的体系设计;

(3)对于暂时无法利用的排放物(包括排放过程)、废弃物,寻求技术革新的方法,使之能够充分再

利用;

(4)采用“末端治理技术”或采用生态学原理发挥生物圈的自身净化能力等。

绿色制造是在节能、清洁生产基础上进一步延

伸、扩展,它的主要概念是:

(1)从源头入手根治造成污染的制造过程,注意资源、能源的选择,高度关注产品绿色生命周期;

(2)使污染物消除在制造过程中,协调经济效益和环境效益;

(3)不同类型、相关类型企业之间形成生态工业链,促进构成污染物的“零”排放体系(或称为最小排放体系);

(4)所谓污染是指在不同尺度上超过生态平衡所能接受的外源性污染;

(5)强调持续性的对环境污染集成预防策略,追求构成可持续发展战略的最佳模式。

绿色制造与环境治理有不同的立场,甚至不完全相同的概念:

(1)环境治理,其立场往往是对已被污染的环境进行治理,使之恢复到被污染前的面貌,往往导致企业成本增加,消弱市场竞争力;

(2)绿色制造,强调从源头上和过程中阻止污染物生成的综合新策略。

看来,必须高度重视绿色制造,要从过程科学、流程工艺技术与工程研发,合理选择资源、能源,产

品设计合理化入手,发展环境友好的生产工艺、技术装备、制造流程,解决好环境污染与可持续发展这对矛盾。

4　钢铁制造流程系统的优化

钢铁制造流程优化既有助于提高钢的市场竞争力,又有助于环境友好、可持续发展。全球钢厂正以积极推进最有效技术为动力,不断使钢铁制造流程从间歇—停顿—流程长向紧凑化—准连续化—流程缩短的方向发展(图5),实际上也是一系列的节能技术、清洁生产技术运用的过程,更是源头治理的体现(图6)。从流程整体优化的高度出发,而不是简单地从单元工序、单个装备改造出发再简单相加,才可以使物质获得率最大化、能源效率最佳化和制造过程时间最小化的综合效果(图7)。当然,同时也得到清洁生产、降低环境负荷的效果。

钢厂环境问题概念——从节能与清洁生产到环境友好,并使无害化处理的负担最小化。特别需要强调的是钢厂要解决环境问题,必须从流程整体集成优化的高度来看(图7),制造流程优化是节能、清洁

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3·第8期 殷瑞钰:节能、清洁生产、绿色制造与钢铁工业的可持续发展

图5　钢铁生产流程的间歇连续与紧凑化的演变趋势[3]

Fig.5　Dev elo ping tr end o f sta rt-stop&co ntinua tio n and co mpa ct in ir on and steel productio n

图6　钢铁企业制造流程与环境保护的内涵[4]

Fig.6　Co nno tativ e meaning of pro ducing process for ir on and steel

enterprises a nd env ironmental pro tectio n

生产最根本的支撑力量。当然,在改进金属制造流程(动脉)的同时,必须高度重视排放过程(静脉)的控制以及排放物质的再能源化、再资源化和尽可能少的无害化处理(图6)。也就是要使“动脉”—“静脉”协调、循环的程度不断提高。

5　不同钢铁制造流程系统中的排放量比较

当代钢铁生产主要以高炉—转炉和电炉两类流程为主。当然,高炉—转炉联合钢铁企业与废钢—电炉短流程企业在生产过程中的排放是不同的,图8、9分别给出了两种流程的吨钢排放量。(都统一到以薄板坯—连铸连轧的工艺生产热轧薄板的基础上)。

因此,仅就钢厂的排放量而言,用废钢为资源、电为能源的电炉流程钢厂比以铁矿石—煤为源头的高炉—转炉钢厂的排放量要小很多。然而,流程的选择除了市场需求以外,资源、能源条件有着重要影响,必须因地制宜。

6　钢厂生产流程的排放过程中的节能与清洁生产问题

·4

·钢　铁 第37卷

图7　钢铁制造流程集成优化的发展方向[5]

Fig.7　Dev eloping trend o f integ ra tio n and o ptimiza tio n fo r iro n a nd steel pr oducting pro

cess

图8　钢铁联合企业的投入/产出平衡图[6]

Fig .8　Input /output ba lance of iro n a nd steel co mplex

钢厂生产流程的排放过程中节能、清洁生产的命题和措施与环境保护是一致的,而且更为积极、更为有效。它的内涵主要是对排放物质/能源首先进行

再能源化循环处理、再资源化循环使用,最后是尽可能小的无害化处理。

(1)再能源化循环处理:主要集中在化学冶金

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5·第8期 殷瑞钰:节能、清洁生产、绿色制造与钢铁工业的可持续发展

图9　“小型钢厂”的投入/产出平衡图[6]Fig.9　Input /o utput balance o f small enter prise

不计入厂外电厂气体排放

图10　高炉炼铁系统的物料与能源利用框图

Fig .10　M aterial a nd energ y ultili zatio n of BF iro nma king system

过程中,特别是高炉炼铁系统中(图10),在转炉、电炉乃至轧钢加热炉中对烟气的化学能、物理热也有非常好的再能源化处理工艺。

(2)再资源化处理与循环使用:主要体现在高炉、转炉、电炉对各类含铁物料和可用资源(废钢、铁皮、含铁尘泥、炉渣等)的处理和加工利用。

·6·钢　铁 第37卷

(3)无害化处理:主要集中在水处理和节水技术、烟气处理技术(特别是烟气脱硫),还有其他有害气体的防止产生和处理技术等。

当前从节能、清洁生产和环境保护角度看,钢厂的节水、水的闭路循环和污水处理技术、热水社区供应技术等值得引起特别重视。

7　关于钢材及其制品的绿色度问题

绿色度是指制造过程中单位产品环境负荷的标志及其在再加工过程、使用过程、废弃、回收过程中对环境友好的程度。其具体指标可分为:

(1)单位产品的环境负荷;

(2)产品的使用寿命与使用效率;(3)钢材及其制品对环境的污染负荷;(4)钢材及其制品的可再生性。

产品生命周期(环境)评价方法是要弄清该产品(某工艺)在整个生命周期中各种能源和非能源物质的消耗量以及残余物和污染物的排放量,进而评估这些物质对环境的影响,并提出改进的方向(或进行不同工艺或产品的对比)。8　生态工业链与循环型社会

可持续发展是指“满足现代人的需求又不危及后代人满足其需求的发展”。

生态工业学是可持续发展的科学,它要求人们尽可能优化物质—能源的整个循环系统;从原料制成的材料、零部件、产品,直到最后的废弃,各个环节都要尽可能优化。生态工业学是多学科的学问,涉及自然科学、工业技术和人文科学等许多学科,需要用系统的方法对待和研究。

对工业系统内部而言,其经济模式的核心就是物质的循环。主要包括如下要点:

(1)企业内部的物质循环——生产过程中产生的废物、残余物不排入环境,而是循环回去进行重新处理;

(2)企业外部的物质循环—报废的产品循环使用,代替天然原料;

(3)物质减量化——为了生产有同样功能的产品,应尽可能降低原材料消耗;

(4)碳的减量化——减少CO 2排放量,减轻大气层的温室效应;

(5)生态工业园区的建立——在此园区内的各工厂,可相互利用对方的废物及废能,形成互补格局;

(6)从只出售产品,到出售“服务”。

因此,可以认为工业生态学研究工业行为和环

境之间的相互关系,为人类的历史发展提供一种全新的环境管理观念。工业生态学是在对工业活动超过环境承载力的感知和理性认识的基础上产生的。工业生态学的根本着眼点是①物质封闭循环度;②能源有效使用效率;③工业生态系统结构及其运行效率。最终归结到①生态优化;②工业物质封闭循环。其根本目标是①重整工业的发展目标及其结构关系;②物质世界、生命体的和谐体现和可持续发展。

图11　生态系统的进化过程[7]Fig .11　Ev o lutio n of ecosy stem

生态工业模式是运用生态学原理(图11),仿照自然界生态平衡过程中物质循环的方式来规划工业

生态系统(生态工业链)的一种可持续发展的工业模式。在生态工业带(区)中,各种生产过程不是相互孤立的,而是通过物质流、能量流和信息流互相关联、互为因果的。即一个生产流程中的半成品、废弃物、排放物可以作为另一生产流程的原料、能源而加以利用(再资源化、再能源化、深加工)。生态工业追求的是把系统(生态流程)中各种生产过程从原料、中间产品、废弃(排放)物直至产品的物质循环,扩展到系统(生产流程)以外的生产流程中去,形成生态工业带(区),达到资源、能源、投资的最佳利用,同时收到环境效益,实现环境友好。作为沿海以进口大宗资源、能源为特点的工业港口区,其生态工业带(区)可

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7·第8期 殷瑞钰:节能、清洁生产、绿色制造与钢铁工业的可持续发展

以考虑的方案之一是在进口国际铁矿资源和原油的情况下,将钢厂+水泥厂+热电厂和石油化工厂、化肥厂、聚合物加工厂综合起来,经过研发甚至有可能大量生产氢,作为新能源的合成源。

为了人类社会的可持续发展,在21世纪中,要改变“大量生产、大量消费、大量废弃”的方式,而确立“最佳生产、最佳消费、最少废弃”的循环型经济社会。

9　未来社会中钢铁企业的角色

由于社会、经济的发展,城市化的进程将进一步加快,从生产、消费角度上看,城市是集中生产、集中消费、集中废弃的地区,因此,特别是对于钢、塑料、水泥、玻璃、铝等基本材料消费和废弃是必须考虑循环使用的。另一方面,从电、水、热水、燃气等能源来看,城市也是大量消耗的。因此,人们不难认识到在若干有条件的城市周围,城市周边型钢厂有其特殊的存在价值。城市生产、生活中产生的废钢、废塑料、垃圾等大量废弃物可以由钢厂处理,城市产生的废水也可以由钢厂集中处理;钢厂除了供应城市及其周边地区所需的钢材以外,还可以供应热水甚至部分电力、燃气。因此,在未来时间里会形成一批都市周边型的环境友好的钢厂。

由于全球经济一体化进程的加速,国际贸易进一步扩大的趋向日甚一日。作为基本材料的钢铁和作为主要能源的石油也将在这一过程中扩大交易量,例如我国2000年已进口了7000万t 铁矿石和6000万t 原油。这将引起某些综合条件优良的港口

城市逐步发展成为生态工业带。在这种条件下,大型钢铁企业可以凭借自己的资金优势、技术优势、人才优势不断延伸其经营链,诸如与造船、集装箱、水泥制造、建筑业结合,形成生产链,同时,大型钢铁企业产生大量气体,经过转换处理,有可能得到大量的氢,大量氢与相邻的石油化工结合,亦可形成具有活力的产业链。为此,在这类生态工业带内,资源、能源得到充分有效的利用,单位产值的环境负荷相当小,可以预期是一种重化工型的生态工业带。

进一步从工程技术角度上看,受到熔融还原工艺的启发,以煤—铁矿—纯氧为源头的炼铁工艺,很有可能发展成为一种铁—煤化工过程,这个过程一方面因生产钢铁制品而立足,同时,由于可以产生巨量的气体而有可能转换成为大量的氢——一种气态的新能源,进而或与石化工业结合或经储存、输送作为清洁能源使用。

未来钢铁厂可能承担角色的构想:

(1)铁—煤化工的起点——新清洁能源的供应者;

(2)未来的海港生态工业——贸易园的起点;(3)城市废弃物的处理站和生活热源供应站(废钢、废塑料、废水、热水、煤气);

(4)排放过程再资源化循环、再能源化转换、无害化处理协调循环的载体过程。

由此,必须认真地重新审视未来社会中在不同条件下钢铁企业的社会角色和经济机遇。

参　考　文　献

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