材料与环境 课件全套 第1-8章 绪论、材料的环境协调性评价与生态设计 -环境替代材料

材料与环境01材料在国民经济中的地位与发展02材料与环境的关系03课程的主要内容与学习方法Contents目录第一章绪论中国天眼量子科学卫星天宫一号国产航母国产C919第一节材料在国民经济中的地位与发展材料是人类社会发展程度的重要标志石器（新、旧）时代石、木、皮、陶器、瓷器

↓铜器时代

紫铜、青铜

↓铁器时代

钢、铁及其它金属材料

↓合成材料时代金属、高分子、无机非金属、复合材料（合金、半导体、塑料、橡胶、纤维……）航天时代？航空航天新材料的研发

中国天眼量子科学卫星天宫一号国产航母国产C919港珠澳跨海大桥材料是人类社会发展程度的重要标志第一章第一节材料是高新技术发展的先导第一章第一节神州十二号飞船外涂层：低吸收、低发射热控涂层材料机身：高温隔热材料（陶瓷、纤维增强材料等）舱体蒙皮：铝合金火箭零部件：钨合金操纵棒：高强度纤维复合材料出舱服：高性能纤维材料头盔面窗：聚碳酸酯共聚物密封件：绝热材料与橡胶材料对接机构零件：离子注入+沉积复合表面强化层关键部件：金属材料（不锈钢、镁合金、钛合金、铝合金、结构钢、高温合金等）非金属材料（航空陶瓷、特种陶瓷、特种橡胶、碳纤维复合材料等）加工而成。全部材料均为我国自主研发材料是高新技术发展的先导第一章第一节中国自主研发的第一台航母-山东舰2019.12.17辽宁号：前苏联库兹涅佐夫级航空母舰的改进研发这一国之重器凝聚着中国钢铁人的心血所用钢材全部由我国自主研发生产高端材料、舰船制造、舰载机、动力系统、电子信息系统和武器弹药无磁镍铬钛合金钢：耐海水腐蚀、防鱼雷攻击甲板钢：承受重达二三十吨的舰载机在起飞和降落过程中产生的强烈冲击和高摩擦力，还要承受喷气式飞机高达几千度的火焰的灼烧。特种钢材的焊接技术材料是高新技术发展的先导第一章第一节《科技日报》列出的与材料相关的“卡脖子”技术清单2018年制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术，27项与材料密切相关中国“芯”与美国芯片差距的核心：光刻技术和设备半导体材料从硅的晶圆加工，再到芯片光刻用的光刻胶、薄膜沉积用的靶材第一章第一节华为Mate60Pro搭载了全新麒麟9000S芯片，具体到实际性能表现，我们通过高品质游戏测试来评估这款彻底“去美化”的“国产芯”。中国“芯”7nm国产光刻机的突破？-另辟蹊径-SSMB-EUV光刻机第一章第一节材料人逐梦前行，突破“卡脖子”难题柔性太阳能电池柔性全固态薄膜锂电池研制图折叠手机材料人逐梦前行，突破“卡脖子”难题60年代初：开始，技术、条件限制，进展缓慢1975年起：联合研发，解决有无，质量差2000年起：材料泰斗师昌绪先生牵头成立课题组，集中攻关。2015年：先后实现千吨级T300和T700级碳纤维量产，迫使日美降价。2019年：实现千吨级吨T-800和T-1000高性能碳纤维生产线的建设和工业应用，打破技术封锁歼20机身碳纤维材料冬奥会火炬广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车第二节材料与环境的关系材料与环境的关系图a:自然环境为材料的生产提供原料（资源和能源）b-c-d:原料通过生产、加工制成物品或产品；供生产、生活使用e-f:a-b-c-d过程产生废水、废气和固体废物“三废”又回到环境传统材料的生命周期：a→b→c→d→e→f消耗越大→废弃物越多→环境影响越大↑a↑f改善途径：降低a和f的物质流↓a:

改进制备工艺降低消耗

强化废弃物回收与再利用b-g-h↓f:采用节能减排工艺、降低污染（氢冶金）

环境友好材料第二节材料与环境的关系材料环境相互作用，双重关系环境为材料提供物质与能量起到风化、腐蚀、降解等作用，削弱材料的性能可以用于修复环境、治理环境、减轻环境负担消耗资源与能源，造成环境污染、增加环境负担材料生产过程污染材料加工过程污染材料废弃过程污染材料使用过程污染资源、能源支撑着材料的发展第一章第二节我国的资源、能源现状我国的资源相对紧缺，人均资源占有量只有世界人均水平的三分之一水资源：（1）水资源总量丰富，人均水资源贫乏（世界1/4）；（2）水资源分布不平衡，呈现东多西少、南多北少的格局。缺水原因：先天性淡水资源短缺、资源开发利用效率不高、污染造成的生态破坏土地资源：（1）绝对数量大、人均占有量少（世界44%）；7%土地—20%人

（2）类型多样、区域差异显著；西部地区占56.5%，土地利用率极低

（3）资源利用率低。土地流失、土地荒漠化、土地的次生盐碱化、酸化和污染矿产资源：（1）矿产资源总量丰富，人均资源相对不足；（2）矿产品种齐全配套，资源丰度不一；（3）矿产质量贫富不均，贫矿多，富矿少；（4）超大型矿床少，中小型矿床多；（5）共生伴生矿多，单矿种矿床少。2030年，45种主要矿产资源中，只有2~3种能够自足；铁矿石、氧化铝等长期短缺资源、能源支撑着材料的发展第一章第二节我国的资源、能源现状我国是世界上最大的能源生产国和消费国以煤炭为主，份额将逐步减少2024年我国能源消费结构图2007年73.6%2019年57.7%2024年53.2%比世界平均水平高30%煤炭消耗占比油气自给率低，将更多地依赖进口六大高能耗产业：钢铁、水泥、有色金属中国是全球最大的油气进口国2007年47.0%2.0%2019年

70.2%42.1%2021年72.2%45.0%2023年73.6%42.3%2030年>77%50%石油对外依存度天然气对外依存度水能资源比重将会下降，发展空间有限清洁可再生资源比重将上升，核电发展潜力很大材料的环境负荷第一章第二节能源消耗（材料产业占全国总能耗~45%）+污染物排放（气、液、固废排放）材料生产中的资源、能源消耗类别能源消耗/104tce能源消耗占比/%黑色金属矿采选业17570.32有色金属矿采选业11140.22非金属矿采选业12090.22其他矿采选业9050.17石油、煤炭及其他燃料加工业419697.76化学原料及化学制品制造业6632712.26化学纤维制造业26340.49橡胶和塑料制品业53800.99非金属矿物制品业370496.85黑色金属冶炼及压延加工业6601112.20有色金属冶炼及压延加工业276635.11金属制品业64511.19合计25846947.78表1-12022年我国主要原材料工业的能源消耗统计表保持高位：煤炭、铁、锰等大宗矿产适度增长：石油、天然气、锂、钴、镍等战略性矿产我国煤炭消耗49.8×109tce（占世界54%）钢铁：5.7×108tce有色金属：3.0×108tce石化化工：5.2×108tce水泥：2.7×108tce燃料加工业：3.30×108tce石油消耗量6.9×108tce铁矿石消耗量为1.43×109t（占世界的67%）铜矿石消耗量为1.45×107t（占世界的49%）磷矿石的消耗量为8.85×107t（占世界的40%）2020年我国材料工业的资源能源消耗未来十五年资源需求：材料的环境负荷第一章第二节材料生产中的污染物排放材料生产中废气污染物的排放（2023年数据）SO2：材料工业排放106.6万吨，占比59.1%

Nox：

材料工业排放164.1万吨，占比50.0%

非金属矿物制品业、黑色金属冶炼和压延加工业排放量在42个工业行业中位居前三颗粒物（海盐粒子、燃烧烟尘、硫酸盐等）：材料工业排放244.6万吨，占比79.6%挥发性有机物：材料工业排放75.0万吨，占比35.0%

材料生产中废水污染物的排放水域中被稀释的污染物在自然界生物体内会被浓缩和富集Cr：5×10-11（游水中）→3.5×10-2

（鱼类体内），浓缩了1000万倍化学原料化学需氧量排放量为9.6万吨，占比29.4%；氨氮排放量为0.38万吨，占比31.6%材料生产中固体污染物的排放（2022年数据）工业固废产生量23.1亿吨，占比54.1%；工业危险废物产生量4819.8万吨，占比45.7%。工业危险废物引发灾难事故原因：企业在镁合金铸件机加工过程中，使用了含水较高的乳化切削液，收集的镁合金碎屑废物未进行有效的除水作业，镁与水发生放热反应，释放氢气，又因镁合金碎屑堆垛过于集中，散热不良，使得反应加剧，瞬间引发集装箱内氢气发生爆燃。思考：镁合金燃烧起火用什么灭火器？材料的环境负荷第一章第二节资源与材料的循环利用初步建立了“回收—加工—再利用”的废旧资源回收利用产业体系成效废钢、废弃有色金属等资源的回收规模已是世界首位

2023年，我国废钢、废弃有色金属的回收量分别为2.60×108t、1.8×107t问题资源及材料的循环利用产业体系不健全，回收利用水平较低2023年，我国钢铁原料中的废钢占比25%，美国>70%、欧盟55%-60%、韩国>50%、日本>35%报废汽车回收率为0.7%（国际水平为4%-6%），家电、电子产品、废旧电池等的回收率低于国际平均水平金属资源循环利用方面的法律与标准体系不健全、规范化水平低材料与“双碳”发展目标第一章第二节工业发展化石能源消耗能源枯竭CO2排放温室效应系列环境问题国际背景

全球超130个国家和地区设定了碳中和目标，其中大部分计划在2050年实现，如：欧盟、英国、加拿大、日本、新西兰、南非等。国内背景2014年9月，《中美气候变化联合宣言》首次提出2030年“碳达峰”计划2020年9月，习总书记在75届联合国大会一般性辩论宣布碳达峰、碳中和目标2020年9月-2021年3月，9次发表“碳中和”讲话材料与“双碳”发展目标第一章第二节石化、钢铁、电力、建材、有色金属、航空运输是需重点关注碳排的六大行业，其碳排放总量大于全国碳排放总量74%。行业大类细分行业CO2排放/亿吨占比（%）电力燃煤电厂35.3934.11工业钢铁15.9815.40工业水泥11.1210.71工业石油化工5.495.29工业其他建材生产1.921.85工业有色金属冶炼1.391.34工业合计

35.934.59表1-52020年中国细分行业碳排放数据2020年全国共排放103.76亿吨二氧化碳。排行前三的行业分别是燃煤电厂、钢铁和水泥，排放量占比>全国总量的60%。材料相关行业的排放量达35.9亿吨，占比为34.59%，超过燃煤电厂。作为能源高效生产与利用的关键和重要组成部分，新材料的发展与应用在实现“双碳”的进程中将起到至关重要的作用。第三节材料与环境的主要内容与学习方法主要内容一门研究材料的生产与开发同环境之间相互协调的课程主要内容材料的环境协调性评价与生态设计传统材料的环境生态化治理新型生态环境材料及相关技术环境治理材料金属材料的环境生态化治理无机非金属材料的环境生态化治理高分子材料的环境生态化治理复合材料的环境生态化治理环境替代材料课程编号：0804705018课程名称：材料与环境A（MaterialsandEnvironment)课程学时：16课程学分：1.0先修课程：材料科学基础、工程材料学等相关课程知识目标了解材料与环境的关系材料的环境协调性评价方法与生态设计方法传统材料的环境生态化治理方法环境治理和替代材料的特点及应用能力目标了解相关政策和方法能够正确评估材料科学与工程领域复杂工程对

可持续发展的影响素质目标能够尊重社会价值具备工程伦理素养树立家国情怀激发奋斗热情培养创新意识课程目标第一章第三节第一章第三节课程特点及学习方法课程特点多学科融合。材料学和环境工程两个学科；物理、化学、生物等学科的知识；几乎所有的工业，如钢铁、非金属、石油化工、矿产等。内容丰富。材料与环境关系、材料的环境协调性评价和生态设计、降低材料环境负担性的工艺和技术、开发与环境相容的新材料以及环境治理材料等；大量案例和统计数据。教学方式多样化。线上（学院网站）+线下；课堂教学+自学；讨论+课程论文/（学院工程伦理网站）学习方法以知识应用为主线。结合材料学基本原理和环境生态化治理应用案例，深入了解材料环境协调性评价与生态设计原理，以用为主。拓宽相关学科知识。加强环境工程相关知识的学习，如：废水、废固、废气综合治理原理和途径等。（文献、网络资源）与实践环节相结合。材料回收再生实验周、生产实习等实践环节，深入理解教学重点。教材及参考书第一章第三节教材：自编讲义《材料与环境》，2022年参考书1.聂祚仁.《生态环境材料学》[M].北京：机械工业出版社，20162.翁端，冉锐，王蕾.《环境材料学》[M].北京：清华大学出版社，20153.陈庆华，肖建良，肖荔人.《环境友好材料》[M].北京：科学出版社，2010

4.黄占斌.《环境材料学》[M].北京：冶金工业出版社，2017考核方式平时（40%）+期末（60%）平时：出勤+回答问题情况期末：课程论文（40%）+课程汇报（20%）材料与环境01材料的环境负荷02材料的环境协调性评价03材料的生态设计Contents目录第二章材料的环境协调性评价与生态设计材料的环境负荷的定量指标能耗能耗即能源的消耗，其中的单位能是反应能源消耗水平和节能降耗状况的主要指标，是一次能源供应总量与国内生产总值（GDP）的比率，表示能源利用效率的指标。第二章第一节环境影响因子环境影响因子（EAF）表达材料对环境的影响EAF={资源、能源、排放物、生物效应、区域性……}EAF值可以定量地对各种金属材料的环境作用进行相互比较，EAF值越大，该材料的环境负荷越重环境负荷单位环境负荷单位（ELU）指某一具体材料在其生产、使用、消费或再生产过程中耗用的自然资源数量，以及其向环境体系排放的各种废弃物（如气态固态和液态废物）的总量。单位服务的材料消耗单位服务的材料消耗量（MIPS）指在某一单位过程中的材料消耗量，这一单位过程可以是生产过程，也可以是消费过程。材料的环境负荷的定量指标第二章第一节生态指数生态指数表示法即对某一过程或产品，根据其污染物的产生量及其他环境作用的大小，综合计算出该产品或过程的生态指数，判断其环境影响程度。生态因子生态因子（ECOI）考虑两部分内容：材料的环境影响（EI）、材料的使用或服务性能（SP）。ECOI=EI/SP，客观比较材料环境性能。环境熵值环境熵值（EQ）是综合考虑材料和产品生成过程中产生废弃物量的多少、物化性质及其在环境中的毒性行为等的评价指标。EQ=E×Q生命周期评价生命周期评价（LCA）是一种评价产品在整个寿命周期中所造成的环境影响的方法。第二节材料的环境协调评价生命周期评价（LCA）的产生与发展LCA发展20世纪60年代20世纪70-80年代20世纪90年代对不同包装材料从原材料获取到废弃物处理进行了全过程的跟踪研究LCA的研究已经开始从实验室阶段转变到实际生产ISO正式将生命周期评价纳入环境管理体系美国可口可乐公司一次性塑料瓶？可回收玻璃瓶？关注资源、能源消耗关注能源高效利用显著发展国际环境毒理学和化学学（SETAC）国际标准化组织（ISO）第二章第二节生命周期评价国内外研究进展国外研究进展理论研究应用研究生命周期清单分析方法生命周期影响评价方法数据库建立评价软件开发国内研究进展90年代1998年2012年2016年开展LCA相关研究全面引进ISO14040

系列标准首个“材料的环境协调性评价研究”项目立项国家和部委先后出台相关政策均提出要“强化产品全生命周期绿色管理“工业大数据应用技术国家工程实验室”获批建设第二章第二节材料的生命周期评价的概念与评价方法RawmaterialandenergyconsumptionEmissionstoair,waterandland材料生命周期评价是一种通过汇总某个产品或服务体系在整个生命周期内的所有投入和产出，评价研究对象能源消耗及环境影响的研究方法。是对一种产品及其包装物、生产工艺、原材料、能源或其他人类活动行为全过程评价。包括原材料的采集、加工、生产、包装、运输、消费和回收以及最终处理等，进行资源和环境的分析与评价。生命周期评价定义第二章第二节生命周期评价的步骤生命周期评价框架图生命周期评价的步骤步骤4

结果解释步骤3

生命周期影响评价步骤2

生命周期清单分析步骤1

目标与范围的确定材料的生命周期评价的概念与评价方法第二章第二节生命周期评价的数据库与评价软件按应用系统的数据处理分类LCA数据库LCA软件分析SPOLD数据格式：生命周期评价发展促进会提出统一的清单分析数据格式BousteadModel数据库：重于客观量化生命周期清单的数字WestonModel数据库：生命周期清单分折数据库+生命周期影响评价数据库SimaPro软件：可完整地应用于LCA清单分析及影响评估的各个要素及不同生命周期工序阶段GaBi软件：主要由BUWAL与APME发展而得，是结合工业企业与研究单位的清单分析数据库EcoPro软件：内含一套由瑞士环境、森林及景观联邦办公室所建立的数据库eBalance软件：全面支持LCA工作开展的全部标准以及步骤材料的生命周期评价的概念与评价方法第二章第二节应用范围的局限性评估范围的局限性评估方法的局限性时间和地域的局限性1432只考虑生态环境、人体健康、资源消耗等方面的环境问题，而不涉及技术、经济或社会效果方面没有包括所有与环境相关的问题既包括了客观成分，也包括了主观的成分存在时间和地域上的限制材料的生命周期评价的局限性第二章第二节材料生命周期评价的特点与应用特点性能要求要明确作为研究目标的材料所要求的特性及其允许的范围、表面处理等技术操作的要求以及使用寿命的影响技术系统建立与材料对应的技术系统，包括材料的制备、加工成形和再生处理技术以及相应的副产品、排放物等基本情况材料流向着眼于分析资源的使用和流向，特别是作为微量添加元素的使用，因为这些元素很难再被循环使用统计分析对技术流程中各阶段的能源和资源的消耗、废弃物的产生和去向进行分析和跟踪1234第二章第二节LCA在钢铁材料中的应用包钢稀土钢产品LCA研究目的和范围生命周期清单分析生命周期解释生命周期影响评价对外的环境交流：提供产品的生命周期信息；获取绿色标识；环境宣传等对内的环境管理：掌握产品生命周期环境指标及其在各阶段的分布辅料与能源开采、稀土钢产品生产、循环再利用三个阶段5类指标：资源、能源消耗、大气排放物、水体排放物、副产和固体废弃物内部：包钢内部数据通过调查问卷的形式收集外部：上游阶段过程等数据来源于文献和其它LCI数据库包钢稀土钢产品生命周期环境影响评价是根据CML方法，确定了资源损耗、能源损耗、气候变化、酸化、富营养化、光氧化剂形成、人体毒性和生态毒性8个环境影响指标。包钢稀土钢LCA研究在生命周期解释中提出分布分析方法，分析包钢产品的清单指标环境负荷以及环境影响潜值在生命周期各阶段的分布情况。材料生命周期评价的特点与应用可准确发现产品生产流程中各工序降低资源、能源消耗、减少环境排放的潜力点和改进潜能，从而优化工艺，设计开发生态产品。第二章第二节LCA在固废建材评价中的应用呼和浩特生活垃圾焚烧灰渣目标和范围清单分析环境影响评价与分析将功能单元拟定为制备1kg生活垃圾焚烧灰渣掺合料，定量分析灰渣掺合料的前期准备、制备过程中消耗能源和所造成的环境影响。通过收集垃圾焚烧灰渣掺合料的各阶段能源消耗，整理形成环境符合的相关物质的输入输出数据清单。按照评估计算流程对焚烧垃圾灰渣掺合料的4个主要过程进行环境影响计算，整体评估范围到垃圾焚烧灰渣掺合料制备结束，作混凝土掺合料输出为止，通过计算得出不同的影响指标在整个生活垃圾焚烧灰渣掺合料制备途径的占比。材料生命周期评价的特点与应用第三节材料的生态设计如何解决上述问题？大气污染水污染固体废弃物污染海洋污染土地荒漠化气候变暖臭氧层破坏生物多样性减少酸雨森林锐减全球十大环境问题第二章第三节什么是生态（Eco-）？Eco-源于古希腊字，意思是指“家”（house）或者我们的环境一切生物的生存状态，以及它们之间和它与环境之间环环相扣的关系早在1869年，德国生物学家ErnstHaeckel最早提出生态学的概念，它是研究动植物之间及其对生态系统的影响的一门学科。第二章第三节生态设计的目的是实现可持续性发展材料的可持续性发展既能满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。第二章第三节可持续性发展的内涵社会学内涵：可持续发展的社会学内涵强调的是“发展”。经济学内涵：在不破坏资源、不牺牲环境质量的前提下，实现真正意义上的社会财富的增加生态学内涵：发展必须考虑生物和非生物资源基础，使生物圈既能满足当代人的最大利益，又能保证其满足后代人需要与欲望的权利伦理学内涵：可持续发展中就是其所追求的公平性原则，包括本代人的公平和代际间的公平1234材料的可持续性发展第二章第三节材料产业的可持续发展实现材料产业可持续发展的关键材料的可持续性发展传统材料生产是物质单向流动的生产过程材料产业是资源、能源的主要消耗者和环境污染的主要责任者之一技术：优化传统材料的制备工艺、开发新材料，满足材料使用性能及可接受的经济性能，注意材料的环境性能。管理：加强资源再生利用研究，特别是废物再生循环利用的研究和应用，提高资源效率第二章第三节生态设计（eco-design;ED）基本概念

又称生命周期设计（lifecycleengineeringdesign;LCED）；绿色设计（greendesign;GD）；为环境而设计以及环境协调性设计；是指在材料和产品的设计中将保护生态、人类健康和安全意识有机地融入其中的设计方法。生态设计LCA:环境负荷设计：1.设计性；2.环境协调性；3.经济性；4.舒适性；材料生态设计理论第二章第三节生态设计的内涵生态设计的特点扩大了产品的生命周期生态设计是并行闭环设计生态设计有利于保护环境，维护生态系统平衡生态设计可以防止地球上矿物资源的枯竭生态设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题从“以人为中心”的产品设计转向既考虑人的需求又考虑生态安全的生态设计从产品开发概念阶段就引进生态环境变量，并与传统的设计因子进行综合考虑将产品的生态环境特性看作是提高产品市场竞争力的一个重要因素材料生态设计理论第二章第三节产品生态设计的主要内容原材料的生态设计产品的生态设计生产过程的生态设计产业生态系统的生态设计材料再生设计尽可能减少生产环节选择对环境影响小的生产技术使用清洁能源和材料建立ISO14001环境管理体系减少使用量采用再循环材料采用低能值材料整合产品功能优化产品结构产品部件的功能优化模块化设计易于维护和维修易于再循环将产业生产过程比拟为一个自然生态系统，对系统的输入与产出进行综合平衡，推动产业系统的演进、使之由低级生态系统向三级生态系统转化充分考虑材料的循环再生性例如：金属材料可再生循环设计第二章第三节生态设计方法性能performance;P成本Cost;C环境影响Impact；I传统生态设计𝑊tra=P⁄（I×C）综合价值指标：传统生态设计三要素第二章第三节材料生态设计方法𝑊𝑚𝑎𝑡=P⁄（I×R）综合生态设计指标：生态设计方法第二章第三节新能源汽车电池负极材料的生态设计及应用整体研究技术路线基于电池应用场景的生态设计分析电池负极材料环境负荷对比分析动力电池负极材料生态设计效果分析分别基于相同质量参数和相同放电性能参数，从性能、资源影响和环境影响三个角度综合分析材料的生态设计指标，以单一指标结果表征材料的综合生态价值，辨识最佳绿色生态负极材料。各类负极材料质量需求结果，结合单位质量各类负极材料生命周期清单，通过质量构建清单关系，获得相同放电功能单位下负极材料生产的原料、能源的消耗量及污染物排放情况。动力电池应用场景模型的建立动力电池模型的模拟计算基于应用场景的负极材料生态设计结果生态设计案例打造绿色材料专业

建设绿水青山美丽中国金属材料的环境生态化治理01钢铁与有色金属典型生产工艺02金属生产的环境负荷03法律、法规与政策文件04金属生产的环境生态化治理Contents目录清洁生产与节能减排0501钢铁与有色金属典型生产工艺天然矿加工处理烧结矿/球团矿上料机焦炭高炉脱氧还原铁铁水铁水罐转炉钢水火车吊车钢包连铸机冷却结晶连续铸造铸坯除杂脱碳氧化铁Fe（C）Fe（O）Fe（钢）C，COO2Si、Al合金化炼铁炼钢钢铁生产的基本流程——长流程

铁矿粉造块

（人造富矿或熟料）

烧结法——将矿粉、熔剂、燃料按一定比例混合，在1300-1500℃条件下，矿粉局部熔化造渣，烧结成具有一定强度、一定粒度、化学成分稳定的高炉料。

球团法——不适宜烧结的细磨精矿粉和其它含铁粉料造块的方法。将细磨精矿粉、熔剂、燃料（1～2%，有时不加)等原料经配料混合，在造球机上滚成10～15mm的生球，生球在高温焙烧机上进行高温焙烧，焙烧好的球团经冷却、破碎、筛分得到成品球团矿。

炼钢炼钢炉1823-1923K热源氧化剂钢水钢渣炉气铁水生铁废钢造渣剂炼钢过程示意图氧化精炼

炉渣炉渣作用（炼钢先炼渣）及组成

(1)控制金属中各元素的氧化和还原过程

(2)向钢中输送氧以氧化各种杂质

(3)吸收钢液中的非金属夹杂物

(4)对钢液有保护作用（吸气、散热、二次氧化等）炼钢炉渣主要是氧化物，还有少量氟化物、磷化物、硫化物。炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO系

转炉炼钢装铁水顶吹转炉吹炼

短流程炼钢

铜冶金目前世界上原生铜产量中80-85%用火法冶金方法生产，约15-20%用湿法生产。湿法炼铜通常用于处理氧化矿、低品位废矿和复杂难选矿。火法炼铜用于处理各种铜精矿，硫化矿主要用火法冶金处理火法炼铜工艺流程硫化铜精矿（20-30%Cu）焙烧烧结反射炉电炉闪速熔炼鼓风熔炼连续炼铜冰铜30-70吹炼火法精炼阳极板电解精炼电铜99.7粗铜98.5SO2

铝冶金直接以苛性钠溶液处理铝土矿，使矿石中氧化铝生成铝酸钠，而矿石中的二氧化硅则成为赤泥与铝酸钠溶液分离，将净化后的铝酸钠溶液进行分解，再经过滤得到氢氧化铝，经洗涤后焙烧成氧化铝，分离所得的大量苛性碱溶液称为母液，母液经蒸发再用于处理下一批矿石赤泥：溶出铝土矿得到的泥渣，常常含有大量氧化铁，呈红色，习惯上称为赤泥。氧化铝生产规模庞大，赤泥的产出量很大，它的分离、汲涤、地放和利用很值得重视。拜耳法（氢氧化铝晶种）02金属生产的环境负荷

钢铁与有色金属生产能耗特点钢铁能源消耗中，煤炭平均占65%~70%

；电力占比25%～30%；燃料油和天然气均低于3%；煤炭能源转化效率和使用效率低于燃料油、天然气；大多数钢铁行业对余热、余能的回收利用率在30%-50%

；烧结工序球团工序

基于钢铁生产工序的能耗分析高炉炼铁工序转炉炼钢工序轧钢工序1kg标准煤的低位热值为29307.6千焦耳，统一各种燃料燃烧释放的热量长流程能耗比短流程能耗高出2倍以上，二氧化碳排放量是短流程的3.8倍

燃料不完全燃烧；高炉煤气带走化学能占总能耗35%负能炼钢；铁水含物理热、化学热；消耗：电力、氧气、水；回收：转炉煤气+蒸汽钢坯加热过程煤气燃烧；轧制设备电耗炼焦工序炼焦过程以炼焦煤为原料高温干馏消耗焦炉煤气/混合煤气

钢铁生产主要污染物表钢铁厂每吨轧材排放的污染物（kg）

冶金工业废气污染——分类颗粒物：液体、固体状物质，又称尘。硫氧化物：是硫的氧化物的总称，包括二氧化硫，三氧化硫，三氧化二硫，一氧化硫等。碳的氧化物：主要包括二氧化碳和一氧化碳。氮氧化物：是氮的氧化物的总称，包括氧化亚氮，一氧化氮，二氧化氮，三氧化二氮等。碳氢化合物：是以碳元素和氢元素形成的化合物，如甲烷、乙烷等烃类气体。其它有害物质：如重金属类，含氟气体，含氯气体等等。钢铁企业废气主要来源：烧结、炼焦、高炉、后续加热系统。有色金属企业废气来源：选矿、冶炼等

冶金工业废气污染——危害气候影响：工业污染物对局部地区和全球气候产生影响，长远来看非常严重，如温室效应，酸雨，臭氧空洞等等；动植物危害：工业生产中排放的有毒物质影响生物的生长发育，使生物组织中含有有毒物质；对人类的危害：通过人的直接呼吸而进入人体；附着在食物上或溶于水中，使之随饮食而侵入人体；通过接触或刺激皮肤而进入到人体，造成“矽肺”、致癌等危害；

冶金工业废水特点废水量大废水流动性介于废气和固体废物之间，主要通过地表水流扩散，造成对土壤、水体的污染。废水成分复杂，污染物浓度高，不易被净化。常有悬浮物、溶解物组成，COD高（化学需氧量，反映有机物含量），含重金属多，毒性较大，废水偏酸性，有时含放射性物质。处理过程复杂，治理难度大。带有颜色和异味、臭味或易生泡沫，呈现使人厌恶的外观。

工业废水分类悬浮物（含油）工业废水：除尘水、洗涤水、轧钢废水含无机溶解物工业废水：电镀废水、酸洗废水、矿山废水；有用物质可回收含有机物工业废水冷却用水：量最大，应提高循环效率排放单元污染特征主要污染物浑浊臭味颜色有机污染物无机污染物热污染酚苯硫化物氟化物氰化物油酸碱锌镉砷铅铬铜锰钒烧结●

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焦化●●●●●●●●●

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炼铁●

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炼钢●

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轧钢●

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酸洗●

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铁合金●

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钢铁生产废水污染物

冶金工业固体废弃物的危害堆渣侵占土地，污染土壤我国历年堆存的废渣和尾矿达60亿吨，占地约59万亩，平均每1万吨渣占一亩地，侵占大量农田，与农业争地问题十分突出。大量废渣在自然界的风化作用下，到处流失，对土壤造成危害；污染水体废渣可通过土壤渗入地下水，还可以通过风吹雨淋或人为因素进入地表水。废渣对水域的污染，以冶炼废渣和化工废渣最为突出；污染大气废渣和垃圾在堆放过程中，在周围温度、水分的作用下，使某些有机物质发生分解，产生有害气体固体废物污染控制应着重于：防治固体废物污染和综合利用废物资源03法律法规与政策文件

环境保护类法律法规及国家标准《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》、《中华人民共和国环境影响评价法》、《排污费征收使用管理条例》《中华人民共和国节约能源法》、《中华人民共和国清洁生产促进法》《污水综合排放标准》、《大气污染物综合排放标准》、《钢铁工业水污染物排放标准》、《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》、《炼铁工业大气污染物排放标准》、《炼钢工业大气污染物排放标准》、《轧钢工业大气污染物排放标准》

冶金行业相关政策文件（关键词：绿色、产能、质量、排放）1、《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》

——生态环境部发展改革委工业和信息化部财政部交通运输部生产工序生产设施基准含氧量（%）污染物项目颗粒物二氧化硫氮氧化物烧结（球团）烧结机机头/球团竖炉16103550链篦机回转窑带式球团焙烧机18103550烧结机机尾/其他生产设备-10--炼焦焦炉烟囱81030150装煤、推焦-10

-干法熄焦-1050-炼铁热风炉-1050200高炉出铁场、高炉矿槽-10--炼钢铁水预处理、转炉（二次烟气）、电炉、石灰窑、白云石窑-10--轧钢热处理炉81050200自备电厂燃气锅炉353550燃煤锅炉6103550燃气轮机组1553550燃油锅炉3103550钢铁企业超低排放指标限值（单位：毫克/立方米）

冶金行业相关政策文件2、《冶金、建材重点行业严格能效约束推动节能降碳行动方案（2021-2025）》

——发展改革委工业和信息化部生态环境部市场监管总局能源局序号产品名称指标名称指标单位基准水平标杆水平相关计算等参考标准1钢铁高炉工序单位产品能耗千克标准煤/吨435361GB212562转炉工序单位产品能耗千克标准煤/吨-10-303电解铝铝液交流电耗千瓦时/吨1335013000GB213464水泥熟料可比熟料综合能耗千克标准煤/吨117100GB16780千克标准煤/吨5平板玻璃≥500≤800吨/天单位产品能耗千克标准煤/重量箱13.59.5GB21340汽车用平板玻璃能耗修正系数参照此标准6>800吨/天单位产品能耗千克标准煤/重量箱128重点行业能效基准水平和标杆水平

冶金行业相关政策文件3、《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》

——工业和信息化部发展改革委生态环境部主要目标：力争到2025年，钢铁工业基本形成布局结构合理、资源供应稳定、技术装备先进、质量品牌突出、智能化水平高、全球竞争力强、绿色低碳可持续的高质量发展格局。与节能环保相关的目标包括：氢冶金、低碳冶金、洁净钢冶炼、薄带铸轧、无头轧制等先进工艺技术取得突破进展；工艺结构明显优化，电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至15%以上；构建产业间耦合发展的资源循环利用体系，80%以上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，水资源消耗强度降低10%以上，确保2030年前碳达峰；废钢回收加工体系基本健全，利用水平显著提高，钢铁工业利用废钢资源量达到3亿吨以上。4、工信部：坚决全面取缔“地条钢”支持部分特殊企业合法合规使用中频炉

5、《排污许可证申请与核发技术规范有色金属工业-汞冶炼、镁冶炼、镍冶炼、钛冶炼、锡冶炼、钴冶炼、锑冶炼》6、《铝行业规范条件》、《镁行业规范条件》、《铅锌行业规范条件》等

04金属生产的环境生态化治理

废气治理废气治理的一般方法1、冷凝法利用不同物质在同一温度下具有不同的饱和蒸气压，以及同一物质在不同温度具有不同的饱和蒸气压这一性质，将混合气体冷却或加压，使其中某种或几种污染物冷凝成液体或固体，从而由混合气体中分离出来；适用于：高浓度有机蒸气和汞、砷、硫、磷、高湿废气中水蒸气2、吸收法用适当的液体吸收剂处理气体混合物，以除去其中一种或多种组分的方法；净化气态污染物最常用的方法；适用于：含有SO2、NOX、HF、SiF4、HCl、NH3的气态污染物以及汞蒸气、酸雾、沥青烟和多种组分有机物蒸气常见的吸收备与湿式除尘设备：空塔、板式塔、气泡塔和湍球塔3、吸附法使废气与多孔性固体（吸附剂）接触，使其中的污染物（吸附质）吸附在固体表面上而从气流中分离出来;适用于：净化废气中的低浓度污染物质；（物理吸附、化学吸附）常见设备：吸附床4、燃烧法通过燃烧将废气中的污染物（可燃气体、有机蒸气、微细的尘粒等）转变成无害物质或容易除去的物质。分为：直接燃烧法、焚烧法和催化燃烧法

废气治理废气治理的一般方法5、催化转化法利用催化剂的催化作用，将废气中的污染物转化成无害的化合物或者比原来存在状况更易除去的物质；包括：催化氧化、催化还原冷凝塔湍球塔火炬燃烧法

废气治理焦化厂废气治理来源及特点

1）焦化过程燃料燃烧废气——直接高烟囱排放；

2）各类烟尘

3）煤气净化和化学产品精制产生的废气：氨、苯、焦油沥青废气治理方法

#烟尘控制：

1）装煤烟尘控制：双集气管+高压氨水或蒸气喷射——烟尘减少60%～80%；

2）连续泄漏烟尘控制

3）湿法熄焦烟尘控制

4）焦炭筛分和储运系统烟尘控制

#污染物排放控制：煤气净化系统增加脱硫化氢、氰化氢工艺喷淋塔

废气治理炼铁厂废气治理污染源：1）高炉原料、燃料以及辅助原料在运输、筛分和转运过程中产生的粉尘；

2）高炉出铁场作业时产生的烟尘和有害气体，污染物主要是粉尘和一氧化碳、二氧

化硫、硫化氢等气态有害物；

3）高炉煤气的放散；

4）铸铁机浇注铁水时产生的烟尘，污染物主要是粉尘、石墨炭等。特点：散发污染物量大（钢铁生产最大）；烟尘/有害物多，危害性较大；综合利用潜力大治理方法：一次除尘系统+二次除尘系统布袋滤筒除尘器系统静电除尘器

废气治理炼钢厂废气治理污染物：CO、CO2、烟尘特点：烟气中粉尘浓度高、粒度细，污染严重；含有大量CO，烟气毒性大；烟气温度高，废气治理工艺复杂；热能、CO以及烟尘中的含铁物质，均具有回收和综合利用的条件治理方法：电炉废气治理：密闭罩集烟+废钢预热回收显热+除尘器转炉废气治理：回收CO（干法、湿法）铁合金厂废气治理特点：废气量大、粉尘浓度高、含SO2、Cl2、NOX、CO等有害气体、回收利用价值大治理方法：除尘+回收

废气治理低浓度SO2烟气吸收法处理技术来源：火法炼铜厂，400~500mg/m3，国标要求低于400mg/m3才能排放；

治理方法：湿法：用水或水溶液作吸收剂吸收干法：用固体吸收剂或吸附剂吸收或吸附干法优势：不产生废水、废渣；同时脱硫（90%以上）、脱硝（80%以上）；系统简单，操作方便，过程易于控制；有较好的适应性和负荷跟踪性；副产品为硫铵和硝铵混合物，可用作化肥：成本低含氟烟气治理来源：电解铝；主要组成：HF；SiF4；

治理方法：湿法：氨或碳酸钠分解氟硅酸钠或氟硅酸制冰晶石；干法：用铝电解槽的原料氧化铝作吸附剂，吸附烟气中的HF并截留烟气中的粉尘，吸附了HF的氧化铝仍为电解的原料

废气治理酸雾及含氯废气的净化技术来源：有色金属冶炼：海绵钛、海绵锆、钛白、镍/钴冶炼等

治理方法：水吸收法：用于低浓度带氯废气；碱吸收法：用NaOH、Ca(OH)2、

纯碱等；产物用于制造：氯酸钾、高氯酸钾、二水氯化钡、漂白剂、氯化铁等沥青烟气治理来源：电解铝的阳极或阳极糊（18%~25%的游离碳、60%~70%的挥发分、不大于5%的水分以及少量灰分）

治理方法：燃烧法：利用废气中高分子物质可以氧化燃烧的特性，将其变成无害气体排出，投资少，但烟气浓度要求高；吸附法：利用多孔性固体吸附剂吸附废气中的有害物质，但无法二次使用；高压静电法：用高压静电捕集焦油，主流方法，但成本较高；洗涤法：利用液体（水或溶剂）来吸收废气中的有害物质，设备简单，后续处理难

废水治理废水治理的一般方法1、物理法（1）重力沉降法：在重力作用下，废水中密度大于1的悬浮物下沉，使其从废水中去除；用重力沉降法分离水中悬浮固体的设备称为沉淀池（2）过滤法

#筛滤：通过网目状和格子状设备（如格栅或筛子等）进行液固分离的方法；

#粒状介质过滤：通过粒状介质层分离不溶性污染物的方法称（3）浮力上浮法：借助于水的浮力，使废水中密度小于1或接近于1的固态或液态原生悬浮污染物浮出水面而加以分离（4）离心分离法：利用高速旋转产生的离心力分离水中悬浮物的方法，分为水旋分离设备、器旋分离设备（离心机）（5）磁力分离法：借助外加磁场的作用，将废水中具有磁性的悬浮固体吸出的方法平流式沉淀池辐流式沉淀池四种沉淀类型2、生物化学法利用自然界大量存在的各种微生物来分解废水中的有机物和某些无机毒物（如氰化物、硫化物等），通过生物化学过程使之转化为较稳定的、无毒的无机物，从而使废水得到净化

废水治理废水治理的一般方法3、物理化学方法（1）吸附法：利用多孔性固体吸附剂的表面，吸附废水中一种或多种污染物溶质的方法。常用的吸附剂：活性炭、沸石、硅藻土、焦炭、木炭、木屑、矿渣、炉渣、矾土、大孔径吸附树脂以及腐殖酸类吸附剂等，其中以活性炭使用最为广泛；（2）离子交换法：利用离子交换剂，等当量地交换废水中离子态污染物的方法称为离子交换法。包括：阳离子交换剂、阴离子交换剂；常用有机或无机离子交换剂（3）液膜分离法：液膜分离法实质上是一种除盐的方法。在降低溶液中盐的总含量的同时，可以得到一种盐的浓缩液。4、化学方法（1）混凝沉淀法：通过投加混凝剂来破坏细微悬浮颗粒和胶体在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体，然后通过重力沉降法予以分离的方法，称为混凝沉淀法。（2）中和法：利用酸碱中和处理酸性、碱性废水的方法。（3）氧化还原法：通过氧化剂或还原剂将废水中的有害物质氧化或还原为无毒或微毒物质的方法。（4）有机溶剂萃取法：将有机溶剂加入到水溶液中，使其中一个或多个组分转入有机相的分离溶液组分的方法；（5）化学沉淀法：向废水中投加某些化学药剂，使其与废水中的污染物发生直接的化学反应，形成难溶的固体生成物（沉淀物)，然后进行固液分离，从而除去水中污染物的方法。最常用、最传统的方法-去重金属离子排放废水的工厂按污染物主要成分分类的废水单元处理工艺选择含酚氰废水含氟废水含油废水重金属废水含悬浮物废水热废水酸废（液）水碱废水沉淀混凝沉淀过滤冷却中和气浮化学氧化生物处理离子交换膜分离活性炭磁分离蒸发结晶化学沉淀混凝气浮萃取烧结厂

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焦化厂●●

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●炼铁厂●

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炼钢厂

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轧钢厂

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铁合金●

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其他

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钢铁企业主要废水及其单元处理工艺选择一览表

固体废弃物治理基本原则（1）控制排放量：排放降到最低程度（2）综合利用：作为二次资源（3）无害化处理：安全化、稳定化、无害化，还原于自然环境矿石和尾矿的处理（1）矿石：复土造田，恢复农业生态环境；废石资源作建筑材料或回收其中的有用金属（2）尾矿：尾矿制砖；制尾矿加气混凝土；尾矿作井下充填料；（3）尾矿库：尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的，用以堆存金属或非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿或其他工业废渣的场所。（保护环境、利用水资源、保护矿产）尾矿库加气混凝土

固体废弃物治理钢铁生产渣（1）高炉矿渣：我国一般为中性渣，利用率已达90%以上，大部分用于水泥混合原料，少部分用于矿渣砖瓦，道路路基渣等；（2）钢渣：烧结矿中以钢渣代替熔剂；从钢渣中提取稀有元素，作为二次资源；钢渣制砖；钢渣矿渣水泥；钢渣在农业中应用（钢渣磷肥、钙硅肥料）含铁沉泥来源：湿法除尘排出的污水经处理后产生的污泥和干法除尘收集的烟尘，统称为含铁尘泥特点：主要成分是铁和铁的氧化物以及氧化钙、二氧化硅等；应用：1）氧气顶吹转炉—除尘污泥配加碱性物料，制成FeO-CaO混合系渣料，在低温下固结造块，直接返回转炉；

2）将含水25%~30%的含铁尘泥与烧结厂的返矿混合成球（含水率小于10%），加入烧结料中配料；

固体废弃物治理赤泥处理与资源化技术来源与特点：铝土矿用碱提取氧化铝残留的工业废渣，主要成分：SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，同时含有大量的稀土元素；无害化堆存技术：减轻赤泥附水的碱渗透和污染；高效资源化利用：赤泥选铁：分离Al、Fe、Ti；赤泥制水泥：普通硅酸盐水泥、油井水泥、赤泥硫酸盐水泥

赤泥中利用成分赤泥的用途方向碱性化合物生产含碱（钠）建筑或结构材料中和处理酸性废气，废水或者废料生产碱性添加剂（用于酸性土壤，配料组分）氧化铁还原提取金属铁，选出铁精矿有价金属提取钛，钪，镓等稀土金属低价格废弃物生产建筑材料，筑炉材料，硅肥，填料等赤泥赤泥高效资源化利用的主要途径

固体废弃物治理铜渣处理与资源化技术（1）火法贫化：返回重熔、还原造锍，回收铜、钴、镍；（2）炉渣选矿：磁选和浮选分离富集（3）湿法浸出：克服火法贫化过程的高能耗和废气污染，更适合于处理低品位铜渣；（4）水泥、建筑行业（5）铜渣选择性析出：分离Fe（6）铜冶炼高砷物料中砷的脱除与稳定化用途性能代替砂配制混凝土和砂浆铜渣混凝土力学性能之间的关系和普通混凝土力学性能之间的关系基本一致，铜渣碎石混凝土比铜渣卵石混凝土力学性能优，力学性能也随铜渣混凝土标号增加而成比例提高。修筑铁路、公路路基利用炼铜炉渣作铁路、公路路基，必须掺配一定的胶结材料，如石灰、石灰渣或电石渣等，不能单独使用。在水泥生产中的应用以炼铜渣为主要原料，掺入少量激发剂（石膏和水泥熟料）和其他材料细磨而成。具有后期强度高、水化热低、收缩率小、抗冻性能好等特点，符合GB164-82257的275号和325号标准生产铜渣磨料作防腐除锈剂铜渣磨料作为最佳除锈材料，可代替黄砂石，降低成本。应用于船舶、桥梁、石油化工、水电等部门，这种磨料在国内外市场上有广阔的应用前景其他利用途径生产矿棉渣，采矿业中作充填料，应用于砖，小型砌块，空心砌块和隔热板制作

固体废弃物治理镁还原渣的处理与资源化技术（1）特点：热法炼镁，每吨产品将产生6.5t固体废渣。镁渣自身具有很高的水化活性，可生成水化硅酸钙凝胶。（2）综合利用利用镁渣制作新型墙体材料利用金属镁渣制作矿化剂利用镁渣生产建筑水泥：砌筑水泥、复合硅酸盐水泥利用镁渣做脱硫剂冶炼废水治理污泥的处理与资源化技术冶炼行业中废水处理后产生的含重金属污泥废物，为列入国家危险废物名单中的第十七类危险废物；冶炼废水重金属污泥的无害化处置：固化、填埋；重金属污泥的资源化利用：回收重金属、铁氧体综合利用技术、生产改性塑料制品05清洁生产与节能减排

清洁生产概述钢铁工业清洁生产的目标（1）推进铁矿石资源综合开发利用（2）强化节能降耗（3）推动余热余压、固体废物和废水资源化利用（4）鼓励钢铁生产系统与社会生活系统循环链接（5）构建钢铁行业循环经济产业链钢铁工业发展循环经济基本模式图钢铁回收再生资源来源：(1)自产废钢：指钢铁厂炼钢及前后相关工序生产过程中产生的废钢，也称厂内废钢；(2)加工废钢：指使用钢铁产品的用户在加工使用过程中产生的废钢，也称即期或者当期废钢；(3)折旧废钢：指固定资产使用到期或拆除的产品经再生回收的废钢。工艺（1）废钢—金属打包液压机—包块储存—冶炼（2）废钢—剪切机—短废钢—除杂、转运设备—合格废钢—金属打包液压机—包块储存—冶炼（3）废钢—破碎生产线—散状废钢—金属打包液压机—包块储存—冶炼典型工序清洁生产技术（1）烧结工序清洁生产球团烧结、小球烧结工艺：提高10%～15%的产量；降低20%左右的能耗烧结烟气氨酸法脱硫技术：利用烧结废气中的SO2和焦炉煤气中的NH3，制备硫酸铵化肥（2）焦化工序清洁生产技术准确控制整个流程系统中的温度分布，回收大量显热和各类副产品（3）炼铁工序清洁生产技术高炉富氧喷煤技术：在高炉冶炼过程中喷入大量的煤粉和一定量的氧气，强化高炉冶炼，提高产量、节约焦炭、降低能耗的目的TRT技术：设置高炉炉顶余压透平设施（TRT），将煤气的压力能、热能转换为电能炼铁废水零排放技术：高炉软水闭路循环系统、废水分质处理技术、渗透废水回用深度处理技术

高炉热风炉余热利用技术典型工序清洁生产技术高炉软水密闭循环系统（4）炼钢工序清洁生产技术转炉负能炼钢工艺技术转炉炼钢工序消耗的总能量小于回收的总能量，即转炉炼钢工序能耗小于零

节能减排干熄焦技术原理：利用惰性气体冷却熄灭从炼焦炉推出的温度为1000~1050℃的红焦

过程：炽热的红焦由干熄炉炉顶送入，向下降落，与干熄炉底部向上鼓入的惰性气体进行逆行换热高温的惰性气体用于加热干熄焦锅炉内的热水，使其变成水蒸气，用来发电或供热提升焦炭品质、节省水资源

节能减排高炉节能减排（一）氢冶金技术原理：采用纯H2代替碳作为炼铁还原剂时，产物为H2O，避免了碳还原产生的CO2，理论上可实现温室气体的零排放，为钢铁冶金的绿色发展提供了可能热力学：810℃以上H2还原能力强于CO动力学：在相同温度条件下，H2-H2O的互扩散系数(1000K时，7.330cm2/s)大于CO-CO2

的互扩散系数(1000K时，1.342cm2/s)

提出：1999年第125次香山科学会议上，徐匡迪院士提出了铁矿氢还原工艺设想基本思路：碳冶金→碳代替→氢冶金（以煤代焦炭、以天然气代焦炭）氢冶金技术工艺进展（一）高炉富氢冶炼工艺以焦炉煤气改质或者天然气裂解制氢得到的还原气进行高炉风口喷吹日本COURSE50项目的高炉富氢还原炼铁开发高炉富氢还原炼铁技术和高炉炉顶煤气CO2捕集储存技术，将钢铁生产CO2排放减至最小工艺进展（一）高炉富氢冶炼工艺中国宝武的核能-制氢-冶金耦合技术以世界领先的第四代高温气冷堆核电技术为基础，开展超高温气冷堆核能制氢技术的研发，并与钢铁冶炼和煤化工工艺耦合，依托中国宝武产业发展需求，实现钢铁行业的二氧化碳超低排放和绿色制造氢冶金技术工艺进展（一）高炉富氢冶炼工艺德国蒂森克虏伯高炉“以氢代煤”炼铁计划到2050年投资100亿欧元。目的是将H2代替煤作为还原剂，以减少钢铁生产的CO2排放。2019年11月11日，在杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂，H2被喷吹入9号高炉的一个风口，进行富氢还原炼铁试验，目的是证明喷吹纯氢低碳冶炼技术的可行性和安全性。计划逐步将H2使用范围扩展到该高炉的全部28个风口，降低钢铁生产CO2排放，降幅可达20%。氢冶金技术氢冶金技术工艺进展（二）全氢直接还原铁工艺直接还原铁工艺（DRI）（非高炉炼铁）①以CO和H2复合气体作为还原剂的气基竖炉直接还原工艺；②以煤作为还原剂的煤基回转窑直接还原工艺全氢直接还原：气基还原竖炉工艺的升级，通过将还原气体从原来的天然气裂解制气、焦炉煤气改质制气以及煤制气逐步提升H2/CO体积分数比，并最终实现全氢还原技术。欧洲ULCOS项目的新型竖炉直接还原和氢气竖炉直接还原炼钢采用H2作为还原剂，氢气来源于电解水，还原尾气产物只有水。氢气竖炉直接还原的碳排放几乎为零，若考虑电力产生的碳排放，全流程CO2排放量仅有300kg/吨钢，与传统高炉-转炉流程1850kg/吨钢相比减少84%。该工艺的未来取决于氢气大规模、经济、绿色制取与储运。瑞典HYBRIT突破性氢能炼铁项目核心概念是采用可再生能源发电、电解水制氢、氢气直接还原铁矿石生产直接还原铁，不使用焦炭和煤等化石能源，达到碳减排的目的；2035年之前拥有一个无碳炼铁解决方案；与高炉流程相比，HYBRIT新工艺二氧化碳排放降低1575kg，降低了98.44%；能源消耗减少1376kWh，减少了36.19%。氢冶金技术工艺进展（二）全氢直接还原铁工艺氢冶金技术工艺进展（二）全氢直接还原铁工艺MIDREXH2®工艺富氢煤气竖炉直接还原技术早在20世纪中叶实现了工业化应用；目前该工艺的还原气H2/CO值为3.7-3.8（H2最高体积分数达80%），目标实现100%H2；将外部生成的H2引入常规MIDREX生产系统，无需重整装置，利用气体加热装置将氢气加热到所需温度；与高炉流程相比，该工艺可将CO2排放量降低80%左右氢冶金的限制与未来发展氢还原的强吸热效应导致全氢竖炉煤气量大幅增加，生产成本上升；全氢操作将致使H2还原速率下降；全氢操作对气基竖炉设备及操作压力要求高；全氢竖炉DRI产品无渗碳，反应活性大；H2生产成本高，储存困难高炉节能减排（二）高炉冲渣水余热回收技术冲渣水余热供热技术：钢厂区内建筑物供暖，成本低；长期有沉积物、管路腐蚀；冲渣水余热供冷技术原理：发生器中的制冷剂-吸收剂溶液吸收了冲渣水中的热量，制冷剂沸点较低，受热变为蒸汽，进入冷凝器放热形成高压液体，再经节流阀降低压力后送入蒸发器，制冷剂蒸发吸热，完成制冷过程高炉节能减排（三）高炉喷吹塑料技术利用废塑料代替部分煤粉（高炉炼铁过程），塑料的利用率可达80%

转炉煤气回收技术烧结余热利用成形工艺短流程开发——非调质钢材料与环境01硅酸盐水泥材料02陶瓷材料03玻璃材料Contents目录第四章无机非金属材料的环境生态化治理中国天眼国产航母无机非金属材料概况及其产业特点概念：量子科学卫星天宫一号无机非金属材料传统无机非金属材料先进无机非金属材料水泥玻璃陶瓷结构陶瓷（氮化物、碳化物和氧化物）功能陶瓷（电磁声光热）生物材料（生物陶瓷、玻璃）信息材料（硅材料、磁存储）能源材料（太阳能、超导）是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤化物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质所组成的材料。几乎包含了除金属材料和高分子材料以外的所有材料。中国天眼量子科学卫星天宫一号国产航母产业特点及其环境负荷：水泥、陶瓷、玻璃等传统无机非金属产业均存在量大面广，生产过程中需粉磨、高温烧结或熔融，因此传统无机非金属产业具有能耗高、废气排放量大、且很难被环境所消纳、降解等特点。发展趋势：

（1）低维化发展：纤维、薄膜和纳米化（2）复合化发展：玻璃钢（3）智能化发展：材料性能的多元化

（4）节能降耗发展：废气余热利用，污染物排放控制（5）生态节能化：工业废弃物及城市垃圾的再循环利用，低品位原燃料的利用，生态水泥中国水泥产量连年居世界首位2019年，中国水泥产量占世界水泥产量的55.6%近年来，中国水泥产量波动式下降，但仍然位居世界首位2019年人均产量为1.6吨，远高于发达国家的0.5吨/人数据来源：美国地质调查局、国家统计局中国水泥碳排放体量大全球2018年，全球水泥行业CO2排放量达23亿吨，约占工业CO2排放总量的27%，占全球CO2排放总量的7%2018年，中国水泥行业CO2排放量约占全球水泥行业CO2排放总量的51.4%，在全国CO2排放量中占比约12.5%中国中国水泥生产技术水平与发达国家仍有一定差距近年来中国生产单位水泥的综合能耗不断下降，但是与日本、德国等发达国家的差距仍然较大中国能源统计年鉴，2020年我国作为世界上最大的水泥生产国，实现水泥行业低碳发展更具意义。1、硅酸盐水泥行业概况及其环境负荷硅酸盐水泥：凡以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，5%以下的石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。国际上统称为波特兰水泥。分类：Ⅰ型硅酸盐水泥（P·Ⅰ），不掺加混合材料；Ⅱ型硅酸盐水泥（P·Ⅱ），掺加不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料。强度等级（耐压强度）：42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R应用：水泥是国民经济建设的重要基础原材料，目前国内外尚无一种材料可以替代它的地位。第四章第一节1、硅酸盐水泥行业概况及其环境负荷硅酸盐水泥材料生产流程两磨一烧第四章第一节1、硅酸盐水泥行业概况及其环境负荷硅酸盐水泥材料生产的产污环节生料制备和水泥粉磨主要是无组织排放的粉尘污染。熟料煅烧则是主要排污环节，排放污染物包括颗粒物（Particulatematter，PM）、硫化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、氟化物、汞、挥发性有机物（VolatileOrganicCompounds，VOCs）和二氧化碳（CO2）等。据测算，我国2018年水泥行业排放的PM、SO2和NOx

总量分别为7.29、70、105万吨，分别占中国工业排放总量的15～20%、2～2.5%和9～11%。除了颗粒物、SO2、NOx等常规污染物，还贡献了中国10%以上的CO2

排放量。目前，水泥行业已经成为中国第一大排放源和重点管控行业，其污染对人体和环境的危害不言而喻。第四章第一节2、水泥行业的低碳转型之路生料粉磨熟料煅烧水泥粉磨原料替代燃料替代燃烧效率提升预处理或再利用技术熟料替代末端治理技术（CCS）第四章第一节3、水泥行业的节能减排技术“十三五”全国水泥行业节能减排总目标如下：

①控制熟料产量：14.0