熊 瑋，胡 憶，袁 琛，李祥坤，畢學(xué)工，周進(jìn)東

(1. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金新工藝湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081)

廢鋼作為一種載能的綠色資源，廢鋼使用越多，對(duì)環(huán)保越有利[1]。從最佳利用方式來看，要增加廢鋼使用量，優(yōu)先考慮的是依靠電爐鋼產(chǎn)量的增加以及轉(zhuǎn)爐廢鋼比的提高。受電價(jià)及廢鋼價(jià)格的影響，電爐鋼煉鋼成本比轉(zhuǎn)爐鋼高出300～500元/噸，由此看來，電爐鋼產(chǎn)能在未來幾年不太可能新增很多。2019年，我國轉(zhuǎn)爐廢鋼單耗已達(dá)到167.8 kg/t，若不依靠外部能源采用熱補(bǔ)償措施，進(jìn)一步提升的空間也十分有限。而中國國內(nèi)每年的廢鋼資源量持續(xù)增加[2-3]，特別是《再生鋼鐵原料》標(biāo)準(zhǔn)即將發(fā)布，廢鋼進(jìn)口有望放開，廢鋼可供給量會(huì)進(jìn)一步提高，同時(shí)中國的鋼產(chǎn)量還可能會(huì)有所下降。目前，我國鋼鐵制造以長流程為主，高爐作為主要的煉鐵設(shè)備，數(shù)量眾多。高爐煉鐵的環(huán)境成本較高，礦石原料、燃料價(jià)格以及廢鋼價(jià)格經(jīng)常處于波動(dòng)狀態(tài)，在保證噸鐵成本的情況下，高爐加入一部分廢鋼煉鐵雖然不一定是最佳選擇，但從降低排放的角度來看，也會(huì)是一種可供選擇的方案。

高爐具有強(qiáng)大的消納能力，國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐表明，廢鋼加入高爐在工藝上是可行的。歐美、日本等發(fā)達(dá)國家的高爐爐料中，都有數(shù)量不等的廢鋼等金屬料，最高已超過200 kg/t，而且高爐可以使用更廉價(jià)、低等級(jí)的廢鋼作為爐料[4-7]。目前，對(duì)高爐添加廢鋼的研究主要集中在其對(duì)原料成本的影響方面，而對(duì)廢鋼的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，以及如何在成本、環(huán)境雙重約束下經(jīng)濟(jì)使用廢鋼的認(rèn)識(shí)還不夠深入。為此，本文從替代傳統(tǒng)爐料的角度，對(duì)高爐使用廢鋼的資源能源消耗和環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行定量分析，并引入環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算廢鋼替代鐵礦石的環(huán)境成本變化，以期為緩解鐵礦石進(jìn)口壓力，多用、用好廢鋼鐵資源提供相對(duì)完善的決策輔助信息。

1 高爐添加廢鋼的噸鐵消耗及污染物排放量

本研究以某煉鐵廠高爐(有效容積3200 m3)為研究對(duì)象，其生產(chǎn)1 t鐵水的實(shí)際資源和能源消耗數(shù)據(jù)如表1所示。

廢鋼作為一種含鐵物料，加入高爐后不僅可以降低其他含鐵爐料的噸鐵消耗，而且廢鋼在高爐內(nèi)主要經(jīng)歷受熱熔化過程，不需要還原耗熱，因而還可以降低燃料消耗。圖1為高爐加入一定量廢鋼后Rist理想操作線的變化，W0-P0線為沒有

表1 某3200 m3高爐生產(chǎn)1 t鐵水的原燃料消耗

圖1 高爐加入廢鋼對(duì)Rist操作線的影響

使用廢鋼的高爐操作線，W1-P1線為加入廢鋼后的高爐操作線，通過斜率差可以得出冶煉1 t鐵減少的燃料消耗量[8]。

設(shè)α為爐料中金屬鐵所占比例，則：

ΔyW=yW1-yW0=-1.05α

(1)

ΔyP=yP1-yP0=-0.112xPα

(2)

(3)

(4)

根據(jù)實(shí)際高爐生產(chǎn)工藝參數(shù)，?。簒W=xW0=xW1=1.29，xP=xP0=xP1=0.54，燃料中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)=85%，鐵水中含鐵量w[Fe]=94.3%。廢鋼中除鐵元素外，還含有合金元素，即會(huì)產(chǎn)生其他必不可少的熱量消耗，另外考慮高爐操作變化可能產(chǎn)生的影響，特取修正系數(shù)F=0.8。計(jì)算結(jié)果顯示，廢鋼裝料比(冶煉1 t鐵水時(shí)廢鋼加入量與含鐵原料總裝入量之比)增加2%，大約可減少燃料消耗5.0 kg/t，相當(dāng)于燃料比的1%左右，這與目前各國所做的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果大致相同。根據(jù)鐵平衡，廢鋼裝料比增加2%可減少含鐵原料(燒結(jié)礦+球團(tuán)礦+塊礦)50 kg/t。

燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和焦炭是由燒結(jié)、球團(tuán)和煉焦工序生產(chǎn)的，這些過程會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、廢氣和污水，高爐添加廢鋼減少了原燃料的消耗量，污染物的排放量也會(huì)相應(yīng)減少。根據(jù)生產(chǎn)1 t鐵水需要的原料量，計(jì)算各工序主要污染物排放量如圖2所示。與未添加廢鋼的情況相比，當(dāng)廢鋼裝料比為2%時(shí)，各工序匯總后得到的生產(chǎn)1 t鐵水污染物減排量列于表2中。

圖2 各工序的污染物排放量

表2 廢鋼裝料比為2%時(shí)生產(chǎn)1 t鐵水污染物減排量Table 2 Reduction of emission to environment in producing a ton of hot metal with scrap charging ratio of 2%

2 環(huán)境負(fù)荷分析

環(huán)境負(fù)荷(Environmental Loading Value，ELV)是用來定量評(píng)價(jià)和分析某產(chǎn)品或技術(shù)對(duì)環(huán)境的干擾和危害程度，其對(duì)資源、能源消耗和污染物排放進(jìn)行定性和定量化描述，最終獲得具有可比性的數(shù)據(jù)[9-11]。為評(píng)價(jià)高爐添加廢鋼對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響，引入了資源因子E1、能源因子E2、廢氣因子E3、廢水因子E4和固廢因子E5，將環(huán)境負(fù)荷表示為：

ELV=f(E1,E2,E3,E4,E5)

(5)

生產(chǎn)鐵水要經(jīng)過不同工序，各工序所用的原料種類、能源形式及廢棄物的排放種類各不相同，為便于比較，負(fù)荷因子可表示為：

(6)

式中：wij為第j種物質(zhì)的消耗量或排放量，γij為第j種物質(zhì)的當(dāng)量系數(shù)。

高爐煉鐵的原料主要是燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和塊礦等含鐵物質(zhì)，按照生命周期評(píng)價(jià)的定義，系統(tǒng)邊界需追溯到自然礦石資源。選擇鐵礦石作為參照物，其當(dāng)量系數(shù)為1，其他原料如石灰石、澎潤土等資源的當(dāng)量系數(shù)為：

(7)

計(jì)算能源因子時(shí)，將各類能源按發(fā)熱量折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，其他能源的當(dāng)量系數(shù)表示為：

(8)

式中：Hce、Hj分別為標(biāo)準(zhǔn)煤和第j種能源的熱值。

對(duì)于生產(chǎn)過程中排放的廢氣和廢水污染物，參照國家環(huán)保稅法，以SO2為參照物計(jì)算廢氣各影響因子的當(dāng)量系數(shù)，以Cr6+為參照物計(jì)算廢水各影響因子的當(dāng)量系數(shù)，即：

(9)

(10)

由于我國碳交易市場尚未成熟，同時(shí)考慮到對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，在國家環(huán)保稅中并沒有將CO2排放列入征稅范圍[10]。在討論CO2排放征稅問題時(shí)，曾有建議將CO2污染當(dāng)量值定為20，故本文以此來計(jì)算CO2的當(dāng)量系數(shù)。另一方面，鋼鐵生產(chǎn)中固體廢棄物主要是廢渣，其性質(zhì)沒有明顯的區(qū)別，故本文將固體廢棄物的當(dāng)量系數(shù)設(shè)置為1。

由式(5)～式(10)分別計(jì)算燒結(jié)、球團(tuán)、焦化和高爐等工序的環(huán)境因子，然后求各因子的累積值，得到不添加廢鋼和廢鋼裝料比為2%時(shí)的結(jié)果如表3所示。高爐加入廢鋼對(duì)環(huán)境因子的影響與各工序的物料消耗和燃料消耗有關(guān)，未加廢鋼時(shí)的各類燃料消耗越大，加入廢鋼后減輕環(huán)境負(fù)荷的效果就越明顯。按現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝條件，含鐵原料的減少量約為加入廢鋼量的1.6倍。2%的廢鋼加入量大約可降低高爐燃料比1%，并且同時(shí)由于減少了燒結(jié)礦和球團(tuán)礦用量，即節(jié)約了燒結(jié)和球團(tuán)工序的能耗，能源因子總體降低了3.12%。由此可見，高爐添加廢鋼不僅降低了高爐過程的廢棄物排放量，還降低了原料制備過程的廢棄物排放量，廢鋼裝料比為2%時(shí)可使廢棄物因子降低3%左右。

表3 廢鋼裝料比對(duì)高爐煉鐵環(huán)境負(fù)荷的影響Table 3 Effect of scrap charging ratio on environmental load of blast furnace ironmaking

3 環(huán)境成本分析

環(huán)境成本是人類開發(fā)利用自然資源所付出的代價(jià)。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來看，只有當(dāng)環(huán)境成本低于環(huán)境收入產(chǎn)生環(huán)境效益時(shí)，人類才值得去開發(fā)和利用自然資源。目前，國際上已經(jīng)把市場機(jī)制引入到環(huán)境排放問題上，以此控制污染物的排放量[12]。為適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，我國也加大了對(duì)環(huán)境污染的懲處力度。

以《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》(2018-01-01)為基礎(chǔ)，基于環(huán)保稅以“污染當(dāng)量”為計(jì)價(jià)單位的特點(diǎn)，參照國家環(huán)?？偩趾蛧医y(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中國綠色國民經(jīng)濟(jì)核算研究報(bào)告》中給出的全國因環(huán)境污染造成的實(shí)際經(jīng)濟(jì)損失，得到了排放污水、廢氣和固體廢物的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表4所示。鋼鐵廠產(chǎn)生的含CO煤氣，除少量泄漏損失外，其余均可回收利用，故將CO對(duì)環(huán)境成本的影響按CO2進(jìn)行處理。由于環(huán)保稅中沒有CO2收費(fèi)項(xiàng)，參考?xì)W洲能源交易所CO2排放指標(biāo)交易市場價(jià)，取CO2的環(huán)境成本為0.18元/kg。

表4 基于環(huán)保稅標(biāo)準(zhǔn)的污染物環(huán)境價(jià)值Table 4 Environmental value of pollutants based on environmental tax standards

高爐加入廢鋼冶煉的環(huán)境成本變化由下式計(jì)算：

(11)

式中：Vi為污染物i的環(huán)境價(jià)值，元/kg；ΔQi為污染物i的減排量，kg；n為污染物數(shù)目。

當(dāng)廢鋼裝料比為2%時(shí)，高爐生產(chǎn)1 t鐵水的環(huán)境成本變化如圖3所示。由圖3可見，在該條件下生產(chǎn)1 t鐵水，環(huán)境成本降低了17.63元；對(duì)環(huán)境成本降低貢獻(xiàn)最大的是大氣污染物，其中CO2排放減少使得環(huán)境成本降低了9.85元，占總環(huán)境成本減少量的一半以上，其次是煙塵和SO2排放。

以該3200 m3高爐為例，其有效容積利用系數(shù)為2.32 t/(m3·d)，年產(chǎn)生鐵272萬t。當(dāng)廢鋼裝料比分別為2%、5%和10%時(shí)，每年可以利用廢鋼資源8.9萬t、23.7萬t和50.0萬t，減少入爐礦石原料14.7萬t、39.2萬t和82.7萬t，同時(shí)可以使噸鐵的燃料比降低約5、13、28 kg?？紤]到高爐添加廢鋼后堿負(fù)荷和硫負(fù)荷的降低，燃料比還有望進(jìn)一步減少。

圖3 廢鋼裝料比為2%時(shí)生產(chǎn)1 t鐵水的環(huán)境成本變化

隨著物料消耗和燃料比的減少，環(huán)境因子也會(huì)相應(yīng)降低。廢鋼裝料比為10%時(shí)，環(huán)境負(fù)荷為不添加廢鋼高爐的80%～85%左右。每年污染物排放量和環(huán)境成本的變化如表5所示，其中CO2的減排可使環(huán)境成本減少1.5億元，總環(huán)境成本減少3.02億元。對(duì)于鋼鐵企業(yè)來說，按照河北省三檔稅額標(biāo)準(zhǔn)，可以減少大氣和水污染物排放的稅收負(fù)擔(dān)4103.3萬元，如果考慮到將來的CO2排放稅，則可以減少稅收負(fù)擔(dān)1億元左右。

表5 廢鋼裝料比10%時(shí)高爐添加廢鋼的環(huán)境價(jià)值Table 5 Environmental value of scrap charge in blast furnace with scrap charging ratio of 10%

4 結(jié)論

(1)對(duì)于某鋼廠3200 m3高爐，廢鋼裝料比增加2%，大約可以代替入爐的礦石原料50 kg/t，減少燃料消耗5 kg/t。隨著堿負(fù)荷和硫負(fù)荷的降低以及操作措施的優(yōu)化，燃料比還有望進(jìn)一步減少。

(2)噸鐵的原燃料消耗減少，使資源因子和能源因子降低，同時(shí)也減少了原燃料準(zhǔn)備各工序的污染物排放量?？偟膩碚f，廢鋼裝料比增加2%，噸鐵的環(huán)境負(fù)荷可降低3%左右，減少環(huán)境成本17.63元，影響最大的是CO2排放，其次是煙塵和SO2排放。

(3)對(duì)于一座有效容積3200 m3的高爐，若高爐的廢鋼裝料比達(dá)到10%，可以減少總環(huán)境成本3.02億元，稅收負(fù)擔(dān)也會(huì)大幅降低。