绿色制造与钢铁工业

第35卷　第6期2000年6月

钢　铁

IRONANDSTEEL

　

Vol.35,No.6June2000

绿色制造与钢铁工业

殷瑞钰

(钢铁研究总院)

3

摘　要　从可持续发展观点出发,论述了绿色制造工程的主要概念、内涵、方法和绿色制造技术的对策思路等问题。在此基础上讨论了环境友好的钢铁工业的命题和内涵。指出钢铁企业环境保护的内涵不仅是对污染物的末端治理,而且要强调从源头上阻止污染物生成的新策略。环境友好的钢铁工业涉及资源、能源的选择;钢铁制造流程的优化;钢厂排放过程的控制和排放物的再能源化、再资源化和无害化处理。同时,还要重视钢材生命周期体系的“绿色度”研究。最后指出,钢铁工业面向新世纪的时代命题之一是走绿色制造的道路,构筑符合可持续发展战略的钢铁工业。

关键词　绿色制造　可持续发展　钢铁工业X

GREENMANUFACTURINGVSSTEELINDUSTRY

YINRuiyu

(CentralIron&SteelResearchInstitute)

ABSTRACT　Theconceptandconnotationof,

andthemainmeasuresfor“Green

manufacturing”arebrieflydiscussedfromtheviewpointofsustainabledevelopment1Theissueismorecloselydealtwithinregardtothesteelindustry1Itispointedoutthatadequateenvironmentprotectionina“green”steelplantdoesnotmerelymeanatoleratedisposalofpollutantsemittedfromitsoperationunits,butrathertheeffectiveimplementationofastrategywherebytheformationofanypollutingagentsinanypartofthisplantisincludeproperchoiceandcontrolofrawmaterials,andanuntiringendeavorefforttooptimizethecompletemanufacturingprocessofthewholesteelplant1

KEYWORDS　greenmanufacturing,sustainabledevelopment,steelindustry

1　可持续发展

随着社会、经济的发展,工业化、城市化进程的

逐步加快,人类赖以生存和发展的环境正发生着急剧的变化。无节制地使用资源、能源来进行大量生产,不顾后果地大量消费以及无序的大量废弃是造成20世纪以来环境日趋恶化的主要原因。一般而

),言,环境是指人类生存的周围空间(即“环人之境”

特别是指人类生存的地球上各种自然要素的总和及其相互关系。而所谓环境污染是指不同层次、不同地域的“环人之境”而言,超过生态平衡的外源性污染。人们由忧虑环境污染、生态平衡而提出可持续发展问题。这就是指由于自然或人为活动而使环境发生

不利于人类和生物的变化。要改变不利于环境的因素,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,消费过程和废弃、回收过程入手,全过程、全寿命期地综合思考,从总体上解决问题,走可持续发展的道路。

环境保护不仅仅是污染物的末端处理问题,更为根本的是产品制造过程和物质消费过程的环境友好问题,工业环境友好的关键是要积极地治本。

可持续发展突出强调的是经济发展和环境保护、环境友好的协调发展,追求人与自然的和谐。社会、经济的发展应建立在生态持续平衡和保护环境不对后代人的生存和发展构成威胁和不良制约的基

X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

础上。可持续发展的核心内容:环境保护与经济发展的相互依赖,相互协调;传统生产方式、消费方式和废弃方式的改变。2　绿色制造

在可持续发展概念的推动下,环境保护的研究和实践领域得到了新的发展,人们用“绿色标志”来表达产品的环境信息、环境负荷;运用产品生命周期分析的方法来比较产品的环境性能。推广清洁生产技术和发展绿色(清洁)制造流程以及工业生态链;建立企业环境管理体系来改善企业的环境行为,并在全世界建立起ISO14000环境管理系列标准来推进可持续发展。

绿色制造是一个值得高度重视的问题。现在“大制造”的概念已在全球范围内得到广泛认可,这几乎包括了一切生产工业产品的制造业,例如:冶金工业、化学工业、建材工业、机械工业等。因此,绿色制造必将涉及一切制造业的生存、发展和改造。211　绿色制造的主要概念

绿色制造的主要概念是:

(1)从源头入手根治造成污染的制造过程,并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工业生态链,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。环境治理的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,这种方法往往导致企业成本增加,甚至削弱市场竞争力;绿色制造则是强调从源头上阻止污染物生成的新策略。必须高度重视绿色制造,要从过程科学、技术与工程研发入手,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。

212　绿色制造内涵和方法

由于环境问题的形成和解决是从局部、区域乃至全球在不同尺度上多层次地开展的,绿色制造必然具有多尺度、多层次的内涵。它需要运用可持续发展观点和系统论等普遍的方法进行整体性的研究。

要将不同层次、不同尺度上的理论、技术、工具集成起来;在微观层次上采用产品设计,原材料、能源选择代替,工艺、装备和管理完善等方法;在介观层次上采用区域内物料流循环和行业共生、共存等工业生态链策略;在宏观层次上采取政策、法规等行政—经济杠杠来导向。

在研究、开发绿色制造流程、绿色生产技术时,有必要借鉴艺术上采用的先总体构思的方法。首先要从整体上(既有微观的,又有宏观的)把握好“完美”的概念和内涵,作为解决环境友好的绿色制造体系的方法。由于环境问题往往需要从整体上来把握好解决问题的眼光和途径,因此,人们应以一种总体设计者的眼光来观察问题,即先从整体、宏观上思考,逐步深入到介观、微观层次。而且,对于从整体到介观、微观之间的联结方法可以用“白箱”、“灰箱”、“黑箱”等方式来解决。213　绿色制造技术

根据所关注对象及考察问题的角度,绿色制造可派生出各种不同类型的技术:以制造过程为对象的清洁生产设计,考察废弃物产生的流量与组成等;产品生命周期评价对产品的全寿命进行分析,确定产品在全过程中的能量消耗及原材料利用情况等;工业生态学则以一系列相关的原料、能源、产品、副产品、排放物等物质群体为研究对象,考察这些物质的相互作用及最终归宿。这些方法、技术都涉及从不同角度、不同尺度、不同层次上对污染防治的机会和可行性进行综合评估,同时也是对污染防治的技术进行综合的研究、开发的过程。

绿色制造技术的大致框架包括有面向原料能源的策略性选择,面向制造过程技术的解析—集成、重构—优化策略,面向产品的使用、废弃、回收的全寿命分析策略,面向物质能量充分(循环)利用的工业生态链的构筑策略等。

绿色制造技术作为工程技术需要经历一段开发、发展的进程,而且既有从微观、介观到宏观、整体的发展进程,例如从单元局部到总体的发展进程;又有从宏观顶层整体设计到微观、介观(单元局部)的发展进程。面对环境问题,绿色制造技术的大致对策思路是:

(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。3　环境友好的钢铁工业

钢铁工业的环境负荷,包括资源的摄取度、能源消耗量、污染物排放量及其危害、废弃物产生量及其回收和处理的难易程度等。

一般地讲,环境友好的钢铁工业是指对环境的负荷最小、甚至希望不污染环境。因此,可以看成是最佳能源效率与最小环境负荷的钢材生产体系。广义地讲是要“改善环境”和“创造优良环境”,也可以理解为兼顾社会整体节能、降低社会环境负荷的协同优化生产体系——绿色钢材生命周期体系。311　绿色钢材生命周期体系

所谓绿色钢材生命周期体系(图1),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、回收利用过程等因果链。对这些过程进行生命周期的分析研究和检测评估也是非常重要的

。

图1　绿色钢材生命周期

Fig11　Theconceptoflifecyclesystemofsteelproduct

312　钢铁企业环境保护的内涵

就钢铁企业而言,环境保护的内涵如图2所示。

图2　钢铁企业环境保护的内涵

Fig12　Theconnotationofenvironmentalprotectionofsteelenterprises

313　钢铁制造流程系统的优化

再利用的过程看,分析不同类型钢厂的能源效率和环境负荷是重要的,如短流程钢厂的能耗及吨钢有害气体排放量都远低于高炉长流程钢厂[3]。在此基础上组成若干区域性的兼顾社会整体节能、降低社会环境负荷、协同优化的钢铁生产体系也是值得提倡的。诸如钢厂与发电厂的结合,钢厂与建筑材料厂的结合,甚至某些地区的钢厂(利用排出的CO、CH4、H2等)与石油加工或某些化工厂的结合,可能会成为一种趋势。特别是一些新型还原炼铁装置的

钢铁制造过程的优化既包括环境友好、可持续

发展又兼顾提高钢的市场竞争力[1]。钢铁制造过程正以积极推进最有效技术(BestAvailableTechnology)为基本,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—流程短的方向发展,以使物质收得率最大化、能源效率最佳化和制造流程时间最小化[2]。

从铁矿石+能源—钢材—制品(工程)—废弃—

开发、应用,将有可能在新建钢厂时,就进行相应的投资(诸如发电站等)。这样,在某些特定条件下,有可能形成包括钢铁生产企业在内的工业生态链,甚至形成工业生态区。

必须注意到,就钢厂的环境友好而言,其根本是以节能、提高钢的收得率、改善钢的性能等为核心的钢铁制造流程的优化,它将从根本上有利于过程排放、排放物质和产品的“绿色度”。

314　钢厂生产过程的排放与环境保护

钢厂是资源、能源的消耗大户,在中国约占工业总能耗的9%～10%。解决钢铁制造过程的过程排放及排放物质对环境影响的有效途径有以下几点。

(1)再能源化

排放物质(包括剩余能源)再能源化的问题,主要集中在化学冶金过程中,特别是高炉炼铁系统中。高炉是以还原过程为特征的冶金装置,还原装置的排放尾气一般都含有剩余热值,甚至还包括动能。高炉联合企业正在向只买煤、不买电的方向发展(图3)。一方面得到便宜的自产电力,一方面又减轻了社会环境负荷。

转炉煤气回收,可使炼钢厂实现“负能炼钢”,向钢铁企业反馈5～10kg(标煤)t(钢)的能源

。

钢铁企业的无害化处理比较集中在水处理、烟

尘处理以及某些有害刺激性气体的处理上。

作为水处理问题,电炉流程的钢厂要比高炉—转炉联合企业简单得多。然而更为根本的问题是:如何少用水、不用水或是水的充分循环利用。作为再能源化和不用水的绝妙结合的例子就是干熄焦(CDQ)。北美有的新建焦炉将原来炼焦—化工系统转为炼焦—发电系统也是值得注意的新动向。

烟气脱硫对于酸雨等大面积区域生态环境以及居民的健康有着直接的影响。目前氮氧化合物(NOx)的防治也引起人们的重视。

总之,中国钢厂的无害化处理尚处于起步阶段。4　钢材及其制品的“绿色度”

应该注意到钢材及其制品的性能、设计方法以及回收循环使用是环境友好的钢铁工业在社会上的重要体现。钢材及其制品与其他材料相比在不少方面显示出了它对环境友好的“绿色度”。同时某些“绿色度”的指标也可以用于比较不同钢材之间的相对环境友好程度。

(1)关于单位产品的环境负荷不同钢厂及其制品的环境负荷主要取决于制造过程以及对资源、能源的消耗量。虽然,现在还缺乏不同钢材环境负荷的系统数据,但是人们也不难看到螺纹钢筋与不锈钢冷轧薄板之间对环境负荷影响的差别,热轧薄板与镀锡薄板之间的环境负荷差别将更为直观。

提高钢材的性能,使之结构轻型化(汽车、啤酒罐等),改进钢制品的设计,使之更易拆解、分类并有利于收集处理等组成的钢制品的“绿色化”设计,也是改善钢材及其制品对环境负荷影响的重要途径。

(2)关于使用寿命与使用效率

图3　高炉炼铁过程的物料与能源利用框

Fig13　MaterialandenergyrecyclingofBFprocess

电炉炼钢过程中的废气余热回收技术,有可能使电炉炼钢节电100kW・ht(钢)以上,并提高电炉的生产效率。

(2)再资源化

高炉渣的再资源化率几近100%。转炉渣的再资源化也受到了充分的重视,然而各主要产钢国在转炉渣的再资源化方面还处在不同水平上,我国与日本的差距就不小(中国转炉渣利用率约为80%,日本转炉渣利用率为9716%[4])。

(3)无害化处理

提高钢材及其制品的使用寿命,提高耐久性和可靠性,是显示其“绿色度”的另一途径。改善钢板表面涂镀层、改善轴承钢的抗疲劳性能、改善不锈钢耐热、抗腐蚀性能以及一系列抗大气腐蚀钢材的开发等均属此例。

提高钢材的使用效率可以直接或间接地显示其“绿色度”。高强度耐腐蚀管线用钢的开发、轻型钢结构、钢制房屋的开发以及高性能电工钢板的开发、超临界高效锅炉用钢管的开发等属于此例。

(3)关于钢材及其制品对环境的污染负荷这里是指来自钢材及其制品本身的环境污染负荷,如含有铅、铬等污染物的涂镀层钢板、含铅易切削钢等。目前正在开发减少和淘汰这些易污染元素

的新产品的工作(如无铬镀锌钢板等)。

(4)关于钢材及其制品的可再生性

钢材及其制品的循环使用率明显高于塑料、水泥、纸、铝、玻璃等大宗使用的材料,可以说可再生性相对来说是最好的。现在全球每年可回收4亿吨左右的废钢铁用于生产钢铁,在全球年产8亿吨左右的粗钢中占有相当大的比例。

为了再生循环利用,钢材及其制品在生产、设计使用、拆解、分类处理、收集等过程已经有了一系列措施,最为突出的是废旧汽车拆解、分类处理、回收。钢制罐头容器的回收率也达到了很高的水平(目前日本钢罐的再资源化率已达80%[5])。5　可持续发展的钢铁工业——绿色制造

在可以预见的未来时期内,钢铁仍然是非常重要的结构材料和迄今为止产量最大的功能材料,在众多的使用领域内钢铁仍属必选材料,是工、农业、交通运输业和国防工业的基础。

钢铁工业属于流程制造业。钢铁制造过程从本质上看是集物质状态转变、物质性质控制和物流有序、有效管制于一体的生产制造体系。在钢铁制造体系中大量的物质产品流、大量能量转换过程、多种形式的排放过程和大量的排放废弃物都对环境造成不同层次、不同程度上的影响。钢铁工业面向新世纪的重要命题(也是根本性的命题)之一是走绿色制造的道路,构筑可持续发展的钢铁工业。

参　考　文　献

1　殷瑞钰1关于钢铁工业的大趋势1钢铁,1997,32(增刊):16～281

2　YINRiuyu1TheIssuesonContinuationoftheProductionProcessinSteelPlant1TheEightJapan2China

～161SymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,千叶,Japan1998,10

3　YINRiuyu,CAIJiuju1SteelProductionProcessandEmissioninAtmosphere1InternationalSymposiumon

98)Proceedings,Beijing,China:1998,15～211GlobalEnvironmentandIronandSteelIndustry(ISES’4　国岗计夫1能源循环と钢铁工业11998年春季371:3～121

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