我国工业固废综合利用现状与生态链建设研究

我国工业固废综合利用现状与生态链建设研究

2008年，中国工业固垃圾处理能力达到1299亿吨，比去年增加了8.31%。工业固废综合利用率为64.33%,整体利用水平不高,剩余部分大都堆存在城市工业区和河滩荒地上,不但大量占用土地,还对环境造成污染。我国工业固废主要是尾矿、冶炼渣、化工废物、原液及母液。这些废物中还蕴藏着可用资源,经过一定技术开发,可以转化为工业原料重新利用。目前工业固废的利用途径主要有行业内循环和行业间利用两种模式。其中行业间利用模式主要是以固废为载体,通过构建工业固废生态链(简称固废链),使一种行业的废物成为其他行业的原料,从而达到消纳固废的作用。通过构建固废链,不但可以大量减少固废链上游行业(输出固废的行业)的固废排放,还可以减少固废链下游行业(接受固废作为部分原料的行业)的原生材料消耗,进而可能影响到区域物质流动状况。在区域层次上构建工业固废链符合循环经济的“3R”原则,是促进我国可持续发展的有效手段。目前国内外对于工业固废链的研究主要包含在生态产业链的研究之中,而对于生态产业链的研究主要集中在以下三个方面:生态产业链的构建和设计研究,生态产业链的稳定性研究,生态产业链的评价和影响研究。其中对于生态产业链的评价和影响研究,由于数据来源的限制,大都停留在方法理论的定性研究上,定量研究较少。已有的定量研究主要是对进行工业生态链构建后的产业(或生态园)进行火用分析,很少有从区域物质流动的角度来研究固废链构建的影响。本文采取物质流分析方法,通过定量研究工业固废链建立前后区域经济系统物质流总量及效率的变化,旨在揭示工业产业与区域经济和环境的相互影响机制,为基于物质流调控的区域循环经济模式构建提供数据支持。1学习方法1.1区域物质流指标的确定物质流分析方法(MaterialFlowAnalysis,MFA)是指针对社会经济系统的物质投入和产出进行量化分析,建立物质投入和产出账户,以便进行以物质流为基础的优化管理的方法。它的基本观点是人类活动所产生的环境影响很大程度上取决于进入经济系统的自然资源和物质的数量与质量,以及从经济系统排入自然环境的废弃物质的数量和质量。前者对自然环境产生扰动,引起环境功能退化,后者则引起环境污染。目前物质流分析测算的指标分为两个方面,一是物质总量分析,另一个是物质使用强度分析。前者是测度一定经济规模所需要的总物质投入、总物质消耗和总循环量;后者则主要关注一定生产或消费规模下,物质的使用、消耗和循环强度。本文依照“欧盟导则”中的物质流分析框架,并参考徐一剑、单永娟的区域物质流分析方法进行核算。由于主要考察工业固废链的构建对区域经济系统的输入输出的影响,所以不考虑区域存量的变化,只考察物质输入输出和消耗强度等指标。其中物质输入指标包括:直接物质输入量,指输入区域经济系统的所有原材料的数量,包括区域内开采和区域外调入。间接物质输入量,主要指各类原材料的生态包袱。物质需求总量,指区域经济发展对物质的总需求,数量上等于直接物质输入量和间接物质输入量的总和。物质输出指标包括:区域污染物排放,指区域内排入水体、气体中的污染物和固废排放。区域物质调出,指区域内向区域外输出的产品,包括成品及半成品。区域物质总输出,指区域内向外部输出的物质总量,数量上为区域污染排放和区域物质调出的总和。强度和效率指标:物质消耗强度,等于物质需求总量除以人口数,表征的是区域内人均物质消耗量,数值越小越好。物质生产力,表征的是物质利用的效率,以单位物质产生的GDP表示,数值越大越好,公式为GDP除以物质需求总量。在核算中没有将水的流动纳入其中,这是因为根据已有的计算经验,水的输入量约为固体物质的10倍,因此如将水纳入在内,将掩盖固体物质的输入情况。工业固废链构建前的物质流输入输出数据主要来自于统计数据,而固废链构建后的数据则没有宏观数据可查,主要是通过固废链构建后相关产业输入输出物质的变化量来估算。其中输入输出的变化量可以通过再生产品的物能代谢系数乘以产品产量得出(本文再生产品指利用工业固废作为原料生产的产品)。1.2钢铁工业固废的利用价值目前城市工业固废主要来源于矿业、冶金业、建筑业等工业行业,其中钢铁工业产生的固废占总产生量的76.3%1,是工业固废的主要来源。钢铁工业固废主要是采选尾矿和冶炼废渣,其中含有大量可回收的金属和石灰石等原生矿物,再生利用价值很高,而且钢铁工业作为国民经济发展的支柱产业和基础产业,也应是推进循环经济的重要切入点。本文以北京地区钢铁工业为例,进行钢铁工业固废链的构建,通过分析构建前后钢铁及其相关产业输入输出物质量的变化,估算工业固废链对于区域物质流的影响。2我国钢铁工业固良利用现状2.1生产工序固废产生及排放废水来源钢铁工业按其产品和工艺流程分为长流程生产和短流程生产两类。本文所指钢铁工业为长流程生产,主要包括铁矿采选、烧结(球团)、焦化、炼铁、炼钢、轧钢等生产工序,这些工序中产生的固体废物主要包括尾矿、粉煤灰、高炉渣、钢渣、含铁尘泥等。具体生产流程及固废产生见图1。本文考察的钢铁工业固废主要指铁矿选矿过程中的尾矿和钢铁生产过程中的废渣。由于按现有统计中行业划分方法,尾矿和冶炼废渣的数据包含在黑色金属采选业和黑色金属冶炼及延压业中,所以计算中的钢铁工业固废数据也为这两个行业固废的总和。2.2尾矿、钢渣、粉煤灰的综合利用2008年我国粗钢产量5亿t,生铁产量4.71亿t,年产生固废3.2亿t,综合利用率61.23%。只就钢铁渣而言,2008年产生量2.25亿t,其中钢渣6500万t,高炉渣为1.6亿t。钢铁渣综合利用率为59.56%,其中钢渣利用率约10%,高炉渣的利用率约80%。目前高炉矿渣、化铁炉渣、铁合金渣和含铁尘泥由于综合利用技术和装备水平不断提高,逐渐实现产业化。而尾矿、钢渣和粉煤灰的利用率较低,若不处理和综合利用,会造成渣满为患,影响钢铁工业可持续发展。由于钢铁工业固废中主要含有CaO、SiO2、Al2O3、FeO、MnO等成分,其综合利用途径主要是用于建材和化工行业。目前钢铁工业固废的主要利用途径包括:返回钢铁工业内部再选或作为冶炼原料;将固废粉末化作水泥行业的混合材;作混凝土骨料;生产再生砖;作道路和井下填充物;生产微晶玻璃、花岗岩、陶瓷等墙体材料;制作复合磁性肥料等。从表1中可以看出,我国钢铁工业固废利用水平总体不高,尤其是尾矿和钢渣的利用率仅为10%,所以本文重点考察尾矿和冶炼渣的综合利用途径。目前国外对于钢铁固废的利用已达较高水平,其中对尾矿的利用达60%以上,主要是用于混凝土骨料、公路路面材料、农业复合肥和制作空心砖、装饰面砖等。钢渣的利用一直是钢铁固废中利用的难点,主要是由于钢渣本身物化性能波动范围较大(含游离氧化钙(fCaO),吸水后体积膨胀)杂质多,影响了其综合利用率。目前国外应用技术,已有效解决了钢渣膨胀性的问题,将其应用于建材、筑路、农业等行业,利用率可达90%以上。可见,在先进固废利用技术的支持下,扩展钢铁固废产业间流动是有其可行性的,我国也应加大工业固废利用技术的投入,积极扩展现有钢铁固废利用途径。3工业固碳链对区域物质流的影响3.1北京钢铁工业固良链建设3.1.1钢铁工业固废根据钢铁工业年鉴,2008年北京地区粗钢产量466余万t,实现产值约600亿元左右,约占北京工业总产值的6%,居行业工业产值排名第五。北京拥有钢铁企业40余个,其中最大的为首钢集团,其粗钢年产量约占北京总量的95%左右,其余企业多为钢材加工和商贸企业,主要分布在北京城区周边的石景山、丰台、大兴、朝阳等地区。根据全国钢铁工业固废综合利用水平推算,2008年北京钢铁工业固废产生约798万t(包括尾矿和各种冶炼固废),综合利用量约为370万t,利用率接近50%。从固废的种类来看,高炉渣利用较好:首钢利用矿渣粉作为混凝土掺合料,每年可以处理60万t矿渣,有效地实现了高炉渣的减排。钢渣利用也逐渐起步:首钢资源综合利用科技开发公司建成国内第一条钢渣干混砂浆生产线,年处理钢渣量达到30万t,并与卢沟桥海龙渣钢厂联手,通过两年多的时间,基本上完成了卢沟桥地区300万t囤积钢渣的处理2。除了综合利用以外,还有约428万t钢铁固废没有得到利用。这些废物大量堆存在工厂内部,虽经过简单的防风防尘处理,但仍然会造成土地的占用和环境污染,也是对资源的浪费。所以在现有基础上扩建钢铁固废链,积极寻求更多途径加以利用,是实现固废“零排放”,促进循环经济发展的必然要求。3.1.2其他原生材料的利用目前北京地区未利用的钢铁固废中,铁矿石采选尾矿最多,约占90%左右,其余为钢渣和少量高炉渣。根据产业生态学理论,钢铁工业固废链构建原则如下:(1)清洁性原则:一方面要求有效减少上游行业废物,另一方面要求下游行业尽量减少其他原材料的利用以及废物的排放。不能为了利用固废而造成生产过程中其他原生材料的过度利用或者增加污染排放。(2)灵活性原则:固废链内各成员之间在类别、规模、方位上要相匹配,当链上任何一个企业生产状况发生改变时,与其相联系的企业能及时调节,保证整个固废链的稳定平衡。(3)可操作性原则:固废链的构建要立足现有利用途径,依托循环技术水平,结合当地实际情况,遵循未来发展趋势,从经济性和环境性两方面挖掘现有废物综合利用潜力,使建立的固废链在区域内得以真正实现。在上述原则指导下,构建北京地区钢铁工业固废链,如图2所示。在保留现有工业固废链的基础上,一方面扩大现有固废链物质流动的数量和规模,另一方面通过构建新的固废链,使现在未利用的废物得到综合利用。其中废物到固废链下游行业的流量应根据北京地区钢铁固废产生和下游行业的生产能力而定,流向则优先流向那些现有综合利用技术成熟、利用成本低、环境效益好的行业。本文根据目前的技术水平和北京地区的现状,选取钢铁工业固废优先进入水泥、混凝土和制砖行业,其次是玻璃制造和农业化肥生产行业。3.2分析北京物质流3.2.1国际生态打包系数测算本文以北京2005年数据为基础进行物质流分析,数据主要来自北京统计年鉴、北京工业年鉴、中国环境统计年鉴、中国钢铁工业年鉴等统计资料。其中,间接物质输入量主要通过国际上通用的生态包袱系数计算得出。由于本文主要考察固废链构建前后物质流量的变化,所以不涉及物质流平衡问题,核算中没有考虑水蒸气、空气等平衡项的输入。固废链构建后涉及的输入输出数据,主要参考文献书籍中各类再生产品物能代谢系数(表2)推算。由于固废链是由多条产业链组成,则按前文所述流向顺序逐一计算。每条固废链输入的固废数量满足以下条件:输入时首先满足第一条固废链的需求,再满足第二条固废链的需求,以此类推。这样,输入输出数据将是所有固废链数据的总和。每条固废链的物质流量计算方法为:输入输出物质量等于固废链下游行业产品量乘以再生产品的物能代谢系数。其中产品量采取如下方法估算:如果将钢铁固废全部利用后产生的再生产品数量大于该行业常规产品生产量,则认为把固废全部利用于该行业将造成该行业产品供过于求,所以取常规产品生产量作为固废链下游行业产品量进行计算。反之,则认为该地区没有足够的固废去生产该行业的再生产品,则取再生产品量作为产品量进行计算。见(1)。M=M1×γ(1)其中M1=Min(Mc,Mre)M为输入输出物质量;M1为固废链下游行业产品量;Mc为常规产品生产量;Mre为再生产品量;γ为物能代谢系数。以钢铁固废-水泥行业固废链为例:2005年,北京地区产生钢铁工业固废约为1120.01万t,尚未利用(包括堆存量和排放量)的固废约为614.72万t。北京地区水泥产量1183.8万t,其中矿渣水泥约占水泥总产量的37.5%3,其余还有1183.8×(1-37.5%)=739.88万t的常规水泥可以接受钢铁工业固废。根据目前我国矿渣水泥生产水平,矿渣的最高掺加量可达40%,则可以等量替代40%的水泥熟料。根据文献21和文献22中,对比水泥熟料物能代谢系数以及矿渣水泥生产能耗系数,得出表2中两种水泥物能代谢系数。根据系数计算可知,若将全部钢铁固废都用来生产水泥,可产生614.72÷40%=1536.8万t矿渣水泥,远远超过北京地区水泥生产量。依前文计算方法,则取可接纳钢铁固废的常规水泥产量为产品量。那么生产739.88万t矿渣水泥可消纳钢铁固废739.88×40%=295.95万t,节省石灰石和粘土原料分别为739.88×(1.13-0.67)=340.34万t和739.88×(0.22-0.12)=73.99万t,同时可减少煤炭输入量739.88×(0.086-0.066)=14.79万t。以目前国际生态包袱系数估算,可减少煤炭、石灰石和粘土的生态包袱数量共计340.34×4+73.99×3+14.79×18.62=1858.87万t。依表2中污染排放系数可知,生产矿渣水泥可减排粉尘739.88×(0.003-0.002)=0.74万t,减排SO2为739.88×(0.0005-0.0003)=0.15万t。则建立钢铁固废-水泥行业固废链可以减少物质输入共计340.34+73.99+14.79+1858.87=2288.01万t,减少污染物输出295.95+0.15+0.74=296.84万t。3.2.2产品供给的量计算全部钢铁行业固废链,总计可减少物质输入3581.21万t,减少污染物输出616.65万t。由于本文固废链的构建是建立在区域原有产品规模不变的基础之上,仅将原有常规产品部分或者全部替代为再生产品,所以对于区域调出的产品数量没有影响。则减少区域输出的数量就为污染物输出的减少量,为616.65万t。(1)构建钢铁行业固废链2005年北京地区经济系统物质总需求为104217.54万t,其中直接物质输入量为33324.83万t,间接物质输入量为70892.71万t。通过构建钢铁行业固废链可以减少物质总输入3581.21万t,约占物质总需求的3.43%,其中直接物质输入量减少约2.51%,间接物质输入量减少约3.87%。从图3中可以看出,间接物质输入在物质总需求中所占的比例较大,约为68%,这表明北京经济发展对于环境造成的扰动较大,容易造成环境的退化。而通过构建钢铁行业固废链,则主要减少了原生矿物的利用,并连带减少了其生态包袱,所以利用固体废弃物替代原生矿物,可以有效地减少经济系统的环境负荷。(2)构建钢铁固废链2005年北京市经济系统的物质总输出为17088.88万t,其中区域物质调出为15272.70万t,污染物排放为1816.18万t。通过构建钢铁固废链可减少污染物排放616.65万t,占总输出量的3.61%,占污染物排放总量的33.95%。由于工业固废产生量占北京污染物排放的比例较大,为68%左右;而钢铁工业固废又占北京工业固废的50%左右,所以通过构建钢铁工业固废链,不但全部消纳了钢铁工业固废,同时还减少了下游行业的污染排放,对于北京地区物质流调控影响重大。(3)物质生产力物质消耗强度等于物质需求总量与地区人口数的比值,单位为:t。表征的是区域内人均物质消耗量,数值越小越好。钢铁固废链构建前北京地区物质消耗强度为67.76t/人,构建后为65.43t/人,物质消耗强度减少3.43%。物质生产力表征的是物质利