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基于LCA的高炉喷吹废塑料节能减排研究
[ 作者:刘颖昊 刘涛 黎洁 郭水华 周晶 桂志军 | 时间:2012-09-30 | 点击次数: ]

宝山钢铁股份有限公司,上海,201900

摘 要:基于LCA评价方法结合高炉喷吹废塑料技术开展节能减排研究,进行高炉喷吹废塑料情景下钢铁主要产品能耗和CO2气体减排分析。高炉喷吹废塑料后铁水、热轧卷和冷轧卷的能耗在钢厂边界内部有小幅度增加,随着喷吹比例的提高,增加幅度上升;而生命周期能耗有所减少,减少幅度随着喷吹比例的提高而增加;铁水、热轧卷和冷轧卷在钢厂边界内的CO2排放以及生命周期CO2排放都有不同程度的减少,随着喷吹比例的提高,CO2减排幅度迅速增加。

关键词:生命周期评价,废塑料,高炉

The LCA Analysis of the Energy Consumption and CO2 Reduction of Injecting plastic scrap into BF technology

LIU Ying-hao Liu Tao Li Jie Guo Shui-hua Zhou Jin Gui Zhi-jun

BAOSHAN IRON & STEEL CO., LTD, SHANGHAI, 201900

Abstract: Combined with the injecting waste plastic scrap into BF technology, LCA methodology is used to do analysis of the energy consumption and CO2 reduction of main products in Steelworks. After injecting waste plastic scrap into BF, the energy consumption of hot metal, hot rolling coil and cold rolling coil will have small increase in the boundary of steelworks. With a higher proportion of injection, the rate of increase is increased. The energy consumption of steel product will decrease in the boundary of whole life cycle. The rate of decrease is reduced with increasing injection ratio. The CO2 emission of hot metal, hot rolling coil and cold rolling coil will decrease both in the boundary of steelworks and the whole life cycle. Along with higher injection ratio, CO2 emissions reduction rate will be rapidly increased.

Key words: life cycle assessment, waste plastic scrap, blast furnace

1.引言

钢铁工业是我国经济和社会发展的基础性产业,钢铁工业尤其是高炉炼铁的高能耗性,给高炉节能创造了广阔的空间,对我国可持续发展战略具有重要意义。

降低高炉综合焦比或燃烧比是高炉节能的重点。以2006年的消耗速度,估计中国的主焦煤和肥煤资源在70年内将消耗殆尽,全世界的主焦煤和肥煤资源也将在90年内消耗殆尽[1]。炼焦煤资源的日渐枯竭,也促使各大钢厂发展各种高炉喷吹技术,如喷吹重油、煤粉、天然气或还原煤气、废塑料和轮胎等。

本文选择高炉喷吹废废塑料技术,采用LCA方法对该技术“节能减排”效果进行分析,评价高炉喷吹废塑料对铁水和主要产品的环境绩效带来的影响。

2.高炉喷吹废塑料技术简介

随着塑料工业的迅速发展,各种塑料制品已大量用于工业领域和日常生活。然而随之产生的大量废塑料却严重污染环境,成为社会公害。世界各国纷纷立法以加强对废塑料的回收与利用。近年来,废塑料综合利用的新技术也屡见报导。其中由德国首先提出的高炉喷吹废塑料是目前消除白色污染的最佳途径之一,已在德国、日本等国广为采用[2]。我国传统的废旧塑料处理方式主要是通过掩埋和焚烧处理,会造成严重的二次污染[3,4]。同时也浪费了大量的可利用资源,而高炉喷吹技术则是将钢铁工业与废塑料工业有机结合,综合利用了废旧塑料的高热值和化学能,使进入高炉的废塑料颗粒在炉内高温和还原气氛下,被气化成H2CO,随热风上升的过程中,它们作为还原剂,将铁矿石还原成铁[5-8]。该技术从根本上解决了传统废旧塑料的处理方式所带来的严重的二次污染问题。

2.1高炉喷吹工艺基本原理

焦炭是高炉炼铁的能源和还原剂,是炼铁工业不可缺少的主要原料。在炼铁工业的实践中,人们为了降低炼铁成本,采用喷吹煤粉代替部分焦炭的工艺,已是成熟的技术。目前,我国宝钢已达到每吨铁水喷吹200kg煤粉的水平。

废塑料是由碳氢聚合物和一些添加剂组成,在结构、组成上和煤、重油相似,具有很好的燃烧性能和燃烧热值,可以作为高炉炼铁的还原剂和发热剂,适合作为高炉的喷吹燃料。

将分类、清洗、干燥等处理后的废塑料制造成粒径为6mm左右的颗粒,单独或与煤粉混合用于高炉炼铁。喷吹进高炉的废塑料粒子在炉内高温和还原气氛下,被气化成H2CO,随热风上升的过程中,它们作为还原剂,将铁矿石还原成铁。其反应式[9]为:

风口区: CnHm+1/2nO2=nCO +1/2mH2+Q1

气体上升过程:Fe2O3+CO+2H2=2Fe+CO2+2H2O+Q2

式中Q1,Q2是反应过程的生成热。

废塑料在气化中产生的H2/CO比值要大于等量的煤粉。由于H2的扩散能力与还原能力均大于CO,因此,用废塑料代替煤粉有利用于降低焦比,提高生产率。同时,由于废塑料的灰分和硫含量很低,可以减少高炉石灰用量,从而也减少高炉产渣量和炼铁成本。废塑料的平均热值约为44000 kJ/kg,大于煤粉的热值(25000-31000 kJ/kg),也利于提高高炉的生产效率[10]

2.2高炉喷吹废塑料的研究现状

国外对高炉喷吹废塑料的研究其起步比较早[11],德国和日本已经实现工业化。德国的不莱梅钢铁公司是第一家把高炉喷吹废塑料的设想付诸实施的厂家。高炉喷吹结果表明:所喷入的废塑料对高炉冶炼过程的影响介于煤与重油之间,但是喷吹废塑料比较便宜。除此之外,德国的克虏伯一赫施钢铁公司、蒂森钢铁公司以及克虏伯一曼内斯曼冶金公司的胡金根厂也在高炉上正式喷吹或进行半工业试验。在日本,199610月首套投资15亿日元的高炉喷吹废塑料联合处理系统已在NKK公司京滨厂1#高炉(内容积4907m3)运行,年处理废塑料3万吨 [12]

 与国外相比,我国在高炉喷吹废塑料这方面实际上还处于理论研究及可行性论证阶段。到目前为止,宝钢、首钢、鞍钢、钢铁研究总院、安徽工业大学等很多学者做了大量的可行性研究,目前还未见到工业化应用报道。

3 高炉喷吹废塑料“节能减排”LCA研究

3.1 LCA评价

生命周期评价(life cycle assessment, LCA)是从产品生命周期全过程来量化其资源消耗和环境排放,并评价这些消耗和排放对资源破坏、生态环境以及人体健康所带来的影响[13],旨在辨识产品环境质量改善和资源节约的最大机会。LCA从资源采集到产品的最终处置来考虑环境影响,能在环境影响、工艺设计和经济学之间建立联系,从而能克服成本效益分析、环境影响评价和风险评价的不足。

目前关于高炉喷吹废塑料的节能减排效果的评估只是针对废塑料的利用价值和环境性能进行分析,采用的评价方法也大都是从其热值排放系数估计排放变化。其方法也基本是采用技术分析的方法,但技术分析只能估计环保项目对单元过程的直接环境收益,较难估计过程的间接环境收益。而利用生命周期评价的方法不仅可以对单元过程的环境收益进行分析,更可以评估全厂的环境收益。利用LCA分析能够估计高炉喷吹废塑料技术投入使用后,对钢铁企业每种产品的环境收益的影响,产品环境性能的改变。

3.2 LCA评价边界

废塑料加工系统边界见图3-1,本研究喷吹废塑料系统的评估边界见图3-2


3-1废塑料加工系统

Fig. 3-1 System boundary of waste plastic treatment process


3-2喷吹废塑料系统边界

Fig. 3-2 System boundary of injection of waste plastic

喷吹废塑料系统的评估边界包括废塑料的造粒、输送、喷吹以及钢铁产品制造过程,评价的内容是这个系统的输入和输出。评价的功能单位是生产1kg的铁水、热轧卷和冷轧卷。

3.3研究平台

提高钢铁产品环境性能的决策咨询研究是体现钢铁产品生命周期评价的应用价值的一个重要方面。本研究是建立在钢铁产品生命周期清单分析(life cycle inventory, LCI)的基础上。基于钢铁产品的LCA模型是本研究的主要平台,见图3-3


3-3 高炉喷吹废塑料的效果评估过程

Fig. 3-3 the Environmental Assessment process of injection waste plastic in BF

LCA模型是计算钢铁产品生产系统清单负荷和环境影响。当系统的单元发生结构性变化(如喷吹废塑料)和操作性变化(如BFG热值及CO2排放系数变化)时,引起系统最终产品的清单结果变化。图3-3中的替代模型(alternative model)是模拟高炉喷吹废塑料技术投入使用后生产系统的模型。以某钢铁企业产品生产系统的结构和操作参数作为本研究的基准(benchmark),描述该系统的模型称为基准模型(system model)。为了估计改进技术的环境收益,需要计算产品主要环境指标较基准方案的改变。价值模型(value model)是预测替代方案较基准方案主要环境指标的变化。

3.4研究方案

1)情景方案分析

高炉喷吹废塑料的研究方案见表3-1。本研究中分析的指标包括能耗和CO2排放,研究的主要产品有1kg铁水、热轧卷和冷轧卷。

3-1 高炉喷吹废塑料研究方案

Table 3-1 Scenario of waste plastic injection into BF process

情景序号

主要指标(喷塑比)

基准情景

高炉焦比为311kg/t、煤比为176kg/t

情景1

焦比不变、废塑料比40kg/t、煤比127kg/t

情景2

焦比不变、废塑料比60kg/t、煤比103kg/t

情景3

焦比不变、废塑料比100kg/t、煤比54kg/t

情景4

焦比不变、废塑料比144kg/t、煤比0kg/t

2)高炉喷吹废塑料后的喷煤比与喷塑比关系

废塑料在高炉中可以作为发热剂和还原剂,因此高炉喷吹废塑料可以替代煤粉也可替代焦炭,考虑到高炉的焦比较低可能会影响高炉冶炼效果以及焦炭在料层中的骨架作用,本方案假设喷吹的废塑料代替煤粉,并按喷入废塑料的发热量计算减少的喷煤量。

3)高炉喷吹废塑料后BFG成分变化

由于废塑料的H含量高于煤粉,所以高炉喷吹废塑料后煤气的成分会发生变化,高炉煤气的H含量有所增加且C含量有所减少。BFG成分中H2含量的增加和CO含量的减少会导致BFG的热值和CO2排放系数有相应的变化,通过燃料燃烧计算的相关原理可以计算不同喷吹废塑料情景下BFG的热值和CO2排放系数[14]

4高炉喷吹废塑料节能技术的环境效益分析

4.1铁水环境指标分析

高炉喷吹废塑料后铁水环境因子变化如图4-14-2所示。


4-1不同情景下铁水能耗减少率

Fig.4-1 Hot metal energy consumption reduce rate under different scenario


4-2不同情景下铁水CO2排放减少率

Fig.4-2 Hot metal CO2 emission reduce rate under different scenario

由图4-14-2可知,高炉喷吹废塑料后铁水的能耗在钢厂边界内部有小幅度的增加,而生命周期能耗有所减少。铁水钢厂边界内的CO2排放以及生命周期CO2排放都有不同程度的减少。

高炉喷吹废塑料后铁水能耗在钢厂边界内部小幅增加的主要原因在于喷吹废塑料后BFG热值的降低,生命周期能耗降低的原因在于废塑料的加工制作过程能耗远小于煤的加工制作过程能耗,同时提供同样的热量废塑料用量小于煤的用量;CO2排放减少的原因在于H2含量的升高和CO含量的降低,废塑料的加工制作过程CO2排放远小于煤的加工制作过程CO2排放,同时提供同样的热量废塑料用量小于煤的用量。

4.2热轧卷和冷轧卷环境指标分析

高炉喷吹废塑料后热轧卷和冷轧卷环境因子变化如图4-34-4所示。


4-3不同情景下热轧和冷轧卷能耗减少率

 

Fig.4-3 Hot and cold rolled coil energy consumption reduce rate under different scenario


4-4不同情景下热轧和冷轧卷CO2排放减少率

Fig.4-4 Hot and cold rolled coil CO2 emission reduce rate under different scenario

由图4-34-4可知,高炉喷吹废塑料后热、冷轧卷的能耗在钢厂边界内部有小幅度的增加,随着喷吹比例的提高,增加幅度越高,而生命周期能耗有所减少;热、冷轧卷钢厂边界内的CO2排放以及生命周期CO2排放都有不同程度的减少,随着喷吹比例的提高,减少率增加。

高炉喷吹废塑料后热轧卷和冷轧卷能耗和CO2排放的变化趋势与铁水一致,因为它们所用的原料都是铁水,铁水的环境负荷传递到了热轧卷和冷轧卷,因此变化规律也基本一致。冷轧卷流程比热轧卷要长,因此高炉喷吹废塑料对于冷轧卷的影响要略低于热轧卷,同理,高炉喷吹废塑料对于热轧卷的影响要低于铁水。

由此也说明LCA研究边界对于评价高炉喷吹废塑料的环境负荷会有决定性的影响,如果仅仅考虑企业内部边界,高炉喷吹废塑料会带来主要钢铁产品能耗的上升,并不利于企业决策利用高炉喷吹废塑料,但如果考虑整个生命周期边界,则会带来整个社会能耗和CO2排放的降低,体现出钢铁联合企业处理社会大宗废弃物的功能。环境保护和社会可持续的发展的规划一定是以地球大系统为边界来考虑问题,而不仅仅局限于一个钢铁企业甚至钢铁行业,要跨行业。如果没有相关制度的鼓励,则不利于企业实施真正有利于可持续发展的项目。

5结论

1)利用生命周期评价方法,可以定量分析高炉喷吹废塑料对钢铁主要产品如铁水、热轧卷和冷轧卷环境负荷的影响。

2)高炉喷吹废塑料后铁水、热轧卷和冷轧卷的能耗在钢厂边界内部有小幅度的增加,随着喷吹比例的提高,增加幅度上升;而生命周期能耗有所减少,减少幅度随着喷吹比例的提高而增加;铁水、热轧卷和冷轧卷在钢厂边界内的CO2排放以及生命周期CO2排放都有不同程度的减少,随着喷吹比例的提高,CO2减排幅度迅速增加。

3)高炉喷吹废塑料后热轧卷和冷轧卷能耗和CO2排放的变化趋势与铁水一致。因为它们所用的原料都是铁水,铁水的环境负荷传递到了热轧卷和冷轧卷,但由于传递流程的长短决定了:高炉喷吹废塑料对于冷轧卷的影响要略低于热轧卷,对热轧卷的影响要低于铁水。

4)高炉喷吹废塑料这一项目的推进依赖于国家政策,因为这一技术的实施带来的收益只有在以社会为边界时才能能到体现,如果没有激励政策,企业很难实施,因为它会带来企业直接能源成本的上升。

5LCA的评价方法决定了研究边界是基于全生命周期的,而不是某一局部,也正是这一系统的观点,才会避免环境负荷在不同阶段之间的转移,以避免不当的决策。

 

参考文献:

[1]刘竹林, 王建丽. 高炉降焦潜力与措施探讨[J]. 湖南工业大学学报, 2010, 24(5): 1-4.

[2]潘洲. 高炉喷吹废塑料的节能效益及应用前景[J].上海节能.2010, (9):19-22

[3]姚颖悟.我国城市垃圾处理现状与分析[J].环境保护科学.2004, 122(30):37-39

[4]常杰云. 废塑料处理技术在环境保护方面的进展[J]. 辽宁化工.2007, 36(11):767-770

[5]郭延杰.日本高炉喷吹利用废塑料代煤技术简介[J].再生资源研究.2001,(4):35-38.

[6]徐矩良.日本钢管公司京滨钢铁厂高炉喷吹废塑料情况[J].中国冶金.2010,60(5):22,42-43

[7]李博知.高炉喷吹废塑料技术的研究现状和综合效益分析[J].节能技术.2006, 24(137):240-242

[8]吴复忠,蔡九菊,董辉等.高炉喷吹煤和废塑料混合燃料的可行性研究[J]. 工业炉.2009,31(3):4-6

[9]郭兴忠.废塑料综合利用新方法[[J].重庆环境科学.2000,12 (5):45-47

[10]曹枫.高炉喷吹废塑料技术及应用前景[J].冶金能源,2001,20(5):26-29

[11]李博知,尹国才,秦学武. 中国高炉喷吹废塑料的可行性分析[J].中国冶金.2006, 16(6):47-49, 53

[12]李军旗. 高炉喷吹煤与废塑料混合燃料的应用基础研究[D]. 博士论文,昆明理工大学,2007

[13]张亚平,邓南圣. 产品导向的环境政策研究进展[J]. 环境科学与技术,2003, 26(4):18-20

[14]韩昭沧.燃料及燃烧(第二版).[M].北京:冶金工业出版社,1994

 

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