钢铁工业生态化发展模式研究

钢铁工业生态化发展模式研究

钢铁材料是人类社会最广泛、产量最高的材料。这是中国社会经济发展的首选。钢铁工业是我国重要的经济支柱，也是推动新型工业化的重要工程。然而,钢铁工业又是资源能源密集型产业(表1),面临资源、能源和环境对进一步发展的制约,必须建立一种发展钢铁工业的新型模式。工业生态化将资源、能源和环境问题的认识和解决提高到了一个更高的层次,将为根本解决钢铁工业的可持续发展问题提供有效的解决方案。1工业生态的基本内涵工业生态学是20世纪80年代以后,在工业领域寻求可持续发展的过程中逐步形成的。1.1全面的、一体化的分析视角有关工业生态学不同的定义达20多种,但其三大基本要素是相同的:(1)工业生态学是一种关于工业体系的所有组成部分及其同生物圈的关系问题的全面的、一体化的分析视角;(2)工业体系的生物物理基础,亦即与人类活动相关的物质和能量流动与储存的总体,是工业生态学研究的范围,与目前常见的学说不同,工业生态学的观点主要运用非物质化的价值单位来考察经济;(3)科技的动力,亦即关键技术种类的长期发展进化,是工业体系的一个决定性(但不是惟一的)因素,有利于从生物系统的循环中获得知识,把现有的工业体系转换为可持续发展的体系。1.2心的循环利用工业生态学的基本观点来源于自然生态系统。其核心是物质和能量的循环利用。从产品的生产之前、生产过程中和废弃的整个生命周期着手,使工业废物得以避免、减少和再利用则是工业生态学的基本思想。1.3工业生态系统构建工业生态学以工业生态系统为研究对象,研究工业行为和环境之间的相互关系,引导和促进工业生态系统健康、稳定发展,构建理想的工业生态系统(图1)。1.4工业和社会经济系统与自然生态系统的关系研究工业生态学研究通过建立各种宏观和微观的模型,确定各种变量和指标,对人为的工业和社会经济系统与自然生态系统之间的关系进行研究,寻找解决问题的途径。一般由三大方法组成:①工业代谢—面向原料的研究方法;②生命周期评价—面向产品的研究方法;③区域产业生态系统建设—面向区域的研究方法。1.5清洁生产与工业生态园区工业生态学在应用与实践中,主要有3个层次:①单个企业的清洁生产(绿色制造);②企业间共生形成的工业生态园区;③消费后的资源再生回收,由此形成“自然资源—产品—再生资源”的整个社会循环,完成物质闭环过程。2钢铁工业的生态研究2.1科学规划生产过程,注重发展非生物利用技术钢铁工业的生态化就是根据钢铁工业物质/能量流的输入/输出特点,运用生态学原理,通过生产体系或环节之间的系统耦合,仿照自然界生态过程中的物质循环方式来规划生产过程系统,通过资源和能源的总体优化配置,使物质和能量得到多级利用和高效产出,从而使钢铁工业向可持续发展的工业模式转变,建设以钢铁工业为主要环节的、具有高效经济过程及和谐生态功能的网络型工业,达到整体社会资源、能源使用效率最大化,污染物排放量最小化,同时获得最好的投资效益、经济效益、社会效益和环境效益。2.2污染制造工艺钢铁工业生态化主要体现在钢铁生产流程优化、绿色制造、绿色产品和废弃物循环利用、生态工业链接等方面。其实现途径为:(1)提高资源/能源使用效率,优化钢铁制造流程,从源头入手根治造成污染的制造过程;(2)控制钢铁制造过程的排放,使污染物消除在制造过程中;(3)对排放物进行再能源化和无害化处理,协调经济效益和环境效益;(4)开发和研制绿色化产品;(5)与相关行业形成工业生态链并发挥社会友好功能,促进构成污染物的“零”排放体系,最终成为社会工业生态链的一环;(6)制定生态化的规划和评价与管理体系。2.3钢铁行业生态化的战略目标钢铁工业的生态化技术:即降低自身生产中的有害物排放和大量消纳工业废弃物,使钢铁生产与环境共容。生态化技术是钢铁工业生态化的重要依托,只有采用有效的生态化技术,才能最终实现生态工业的战略目标。在具体实施过程中,清洁生产、绿色化是实现钢铁工业生态化的前提和基础,而生态化技术则是清洁生产和绿色化技术的延伸、扩展和更高层次上的体现。具体而言,绿色化重点技术主要包括以下3个层次:(1)普及、推广一批成熟的节能环保技术:如干熄焦CDQ、转炉煤气回收、钢厂发电综合技术、铸坯热装热送、高炉喷吹煤粉等技术;(2)投资开发一批有效的生态化技术:高炉喷吹废塑料或焦炉处理废塑料、烧结烟气脱硫等技术;(3)探索研究一批未来的生态化技术:熔融还原铁炼技术及新能源开发、新型焦炉技术和垃圾资源化处理等与社会友好的废弃物处理技术。2.4环保技术的应用(1)国外研究内容主要包括:①建立了钢厂能量和物质流动模型,为模拟冶炼过程中能量利用和废弃物排放奠定了数据基础;②开发研究新型节能环保冶炼工艺,从源头减少污染和有害物排放;③采取措施减少能源消耗和降低CO2排放;④再循环利用钢铁制品、炉渣等副产品和粉尘等排放物、废弃物;⑤进行钢铁产品生命周期评价,生产环境友好的“生态”产品;⑥再循环利用其他工业所产生的废弃物和副产品,处理废旧轮胎、塑料等社会废弃物,并利用自身技术优势,开发垃圾熔融焚烧等环境保护技术。(2)最近几年,我国在这方面的相关研究也取得了一定的进展。主要有:①钢铁生产流程环境负荷评价:对我国几种典型钢铁工业流程的物流、能流及环境负荷进行了分析,研究了过程排放与资源、能源消耗及结构、生产要素配置、操作参数等之间的关系,以及产品使用性能、效率、寿命等对整个生命周期环境负荷的影响,提出了钢铁产品生命周期评价方法和评价指标体系;②绿色制造与钢铁工业:对我国钢铁工业绿色化问题进行了比较系统的研究,提出了钢铁工业绿色化的概念、内涵及其本质特征,提出了我国钢铁工业在今后的发展中所应采取的绿色化对策以及所依托的重点绿色化技术,并建立了评价钢铁工业绿色化程度的量化指标和评价方法。上述研究成果是钢铁工业清洁生产理论的延续和发展,同时也为研究开发钢铁工业生态化发展模式奠定了坚实的基础。3分析钢铁工业生态发展趋势3.1可持续发展是市场竞争力的新表现进入21世纪,国际钢铁工业共同的时代命题是市场竞争力和可持续发展问题。(1)钢铁工业市场竞争力是包括有价格/成本、质量/品种、资本回收时间、产品供货速度、过程服务、环境友好等多方面和多因素构成的综合竞争。(2)可持续发展是市场竞争力在更深层次上的反映,强调的是经济发展和环境保护、环境友好的协调发展。其主要内容是:①环境保护与经济发展相互依赖相互协调;②改变传统生产形式、消费方式和废弃方式,由环境保护发展为环境友好,甚至出现生态化转型。3.2高炉渣的主要功能从可持续发展的观点和工业生态学及循环经济的理念来审视钢铁工业,应该看到,钢铁厂(企业)将拓展如下3种功能:(1)钢铁产品制造功能;(2)能源转换功能;(3)社会废弃物消纳处理的功能。钢铁生产在本质上是一个煤—铁化工过程,除生产钢铁制品外,同时还产生大量的伴生物和剩余能。只要开发出合适的链接技术,就可以成为其他产业的有价原料,这一点已为高炉渣作为水泥优质原料所证明(表2)。钢铁生产的另一特点是吞吐量大,可以有效地处理大宗社会废弃物,同时也可以为社区集中处理废水,为城市集中供暖、供热水等。3.3都市及其周边地区从先进制造技术和绿色制造流程的概念出发,钢厂将逐步演变为两种典型的模式:都市周边型钢厂和港口生态工业带钢厂。(1)都市周边型钢厂:这类钢厂将充分利用都市及其周边地区的资源、能源、产生的废弃物和各类废钢等,可以兼顾处理一些城市废弃物、垃圾等功能(图2)。(2)港口生态工业带钢厂:这类钢厂将是大型钢铁联合企业、水泥厂、发电厂、钢结构或造船厂、汽车厂甚至石油化工企业的综合工业态链的集中地区(图3)。当然无论是都市周边型钢厂还是港口生态工业带钢厂,都将采用紧凑化—准连续化—专业化的工艺流程,采用集物质/能源转化和信息转化于一体的先进制造技术,增强其市场竞争力和环境价值。3.4程—钢铁工业生态化—环境与发展和谐化的解决方案经过实践,人们认识到要解决好环境问题,必须从产生问题的根源着手,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、全寿命周期地综合思考,才能从总体上解决问题。在以生态工业和循环经济为主要特征的未来社会经济发展中,用工业生态学的观点重新审视并定位钢铁工业,把钢铁工业的发展同节约能源和资源、保护生态环境和治理污染有机结合起来,使钢铁工业能够按照生态化的模式发展,成为具有生态性质的绿色化流程工业,实现钢铁企业的经济效益、社会效益和环境效益的同步提高。3.5国际钢铁工业环保水平的现状我国实现工业化进程中,钢铁材料市场需求将进一步增长,钢铁工业还有较大的发展空间。近20年来,由于技术进步、市场需求等诸多因素的促进,中国钢铁工业依靠技术进步和结构调整,钢铁生产高速发展,自1996年起钢铁产量连续突破1亿t,产量居世界首位,成就令人瞩目(图4)。但同时,中国钢铁工业环境保护水平与国际先进水平还有很大差距,环境问题仍然突出。国际钢铁工业的环境保护经历了公害治理、节能减排和清洁生产、绿色制造(变为积极的源头治理)阶段,20世纪90年代后期开始提出循环经济(将社会制造生产链纳入到工业生态链中)(图5)。中国钢铁工业面对国际竞争和减轻地球环境负荷的严峻挑战,应从结构调整入手,研究开发基于新工艺、新装置的新一代钢铁制造流程的优化和集成,改变现有生产模式,积极推进清洁生产和绿色制造,进而向生态工业和循环经济的方向努力,最终在竞争中处于有利地位,在经济与可持续发展中居于领先地位,推动中国钢铁工业的发展。4生态工业的未来发展是中国可持续发展的战略目标,是技术工业生态学用系统的、更大时空尺度的眼光来研究和改进人类工业经济的发展,为更综合地解决生物圈环境问题提供了一个系统的框架,将成为人类社会和谐化解决环境与发展的有力武器。