鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式研究

鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式研究

鋼鐵材料是人類社會(huì)最廣泛、產(chǎn)量最高的材料。這是中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首選。鋼鐵工業(yè)是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)支柱，也是推動(dòng)新型工業(yè)化的重要工程。然而,鋼鐵工業(yè)又是資源能源密集型產(chǎn)業(yè)(表1),面臨資源、能源和環(huán)境對(duì)進(jìn)一步發(fā)展的制約,必須建立一種發(fā)展鋼鐵工業(yè)的新型模式。工業(yè)生態(tài)化將資源、能源和環(huán)境問題的認(rèn)識(shí)和解決提高到了一個(gè)更高的層次,將為根本解決鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題提供有效的解決方案。1工業(yè)生態(tài)的基本內(nèi)涵工業(yè)生態(tài)學(xué)是20世紀(jì)80年代以后,在工業(yè)領(lǐng)域?qū)で罂沙掷m(xù)發(fā)展的過程中逐步形成的。1.1全面的、一體化的分析視角有關(guān)工業(yè)生態(tài)學(xué)不同的定義達(dá)20多種,但其三大基本要素是相同的:(1)工業(yè)生態(tài)學(xué)是一種關(guān)于工業(yè)體系的所有組成部分及其同生物圈的關(guān)系問題的全面的、一體化的分析視角;(2)工業(yè)體系的生物物理基礎(chǔ),亦即與人類活動(dòng)相關(guān)的物質(zhì)和能量流動(dòng)與儲(chǔ)存的總體,是工業(yè)生態(tài)學(xué)研究的范圍,與目前常見的學(xué)說不同,工業(yè)生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)主要運(yùn)用非物質(zhì)化的價(jià)值單位來考察經(jīng)濟(jì);(3)科技的動(dòng)力,亦即關(guān)鍵技術(shù)種類的長(zhǎng)期發(fā)展進(jìn)化,是工業(yè)體系的一個(gè)決定性(但不是惟一的)因素,有利于從生物系統(tǒng)的循環(huán)中獲得知識(shí),把現(xiàn)有的工業(yè)體系轉(zhuǎn)換為可持續(xù)發(fā)展的體系。1.2心的循環(huán)利用工業(yè)生態(tài)學(xué)的基本觀點(diǎn)來源于自然生態(tài)系統(tǒng)。其核心是物質(zhì)和能量的循環(huán)利用。從產(chǎn)品的生產(chǎn)之前、生產(chǎn)過程中和廢棄的整個(gè)生命周期著手,使工業(yè)廢物得以避免、減少和再利用則是工業(yè)生態(tài)學(xué)的基本思想。1.3工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工業(yè)生態(tài)學(xué)以工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,研究工業(yè)行為和環(huán)境之間的相互關(guān)系,引導(dǎo)和促進(jìn)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定發(fā)展,構(gòu)建理想的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(圖1)。1.4工業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系研究工業(yè)生態(tài)學(xué)研究通過建立各種宏觀和微觀的模型,確定各種變量和指標(biāo),對(duì)人為的工業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行研究,尋找解決問題的途徑。一般由三大方法組成:①工業(yè)代謝—面向原料的研究方法;②生命周期評(píng)價(jià)—面向產(chǎn)品的研究方法;③區(qū)域產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)—面向區(qū)域的研究方法。1.5清潔生產(chǎn)與工業(yè)生態(tài)園區(qū)工業(yè)生態(tài)學(xué)在應(yīng)用與實(shí)踐中,主要有3個(gè)層次:①單個(gè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)(綠色制造);②企業(yè)間共生形成的工業(yè)生態(tài)園區(qū);③消費(fèi)后的資源再生回收,由此形成“自然資源—產(chǎn)品—再生資源”的整個(gè)社會(huì)循環(huán),完成物質(zhì)閉環(huán)過程。2鋼鐵工業(yè)的生態(tài)研究2.1科學(xué)規(guī)劃生產(chǎn)過程,注重發(fā)展非生物利用技術(shù)鋼鐵工業(yè)的生態(tài)化就是根據(jù)鋼鐵工業(yè)物質(zhì)/能量流的輸入/輸出特點(diǎn),運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理,通過生產(chǎn)體系或環(huán)節(jié)之間的系統(tǒng)耦合,仿照自然界生態(tài)過程中的物質(zhì)循環(huán)方式來規(guī)劃生產(chǎn)過程系統(tǒng),通過資源和能源的總體優(yōu)化配置,使物質(zhì)和能量得到多級(jí)利用和高效產(chǎn)出,從而使鋼鐵工業(yè)向可持續(xù)發(fā)展的工業(yè)模式轉(zhuǎn)變,建設(shè)以鋼鐵工業(yè)為主要環(huán)節(jié)的、具有高效經(jīng)濟(jì)過程及和諧生態(tài)功能的網(wǎng)絡(luò)型工業(yè),達(dá)到整體社會(huì)資源、能源使用效率最大化,污染物排放量最小化,同時(shí)獲得最好的投資效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。2.2污染制造工藝鋼鐵工業(yè)生態(tài)化主要體現(xiàn)在鋼鐵生產(chǎn)流程優(yōu)化、綠色制造、綠色產(chǎn)品和廢棄物循環(huán)利用、生態(tài)工業(yè)鏈接等方面。其實(shí)現(xiàn)途徑為:(1)提高資源/能源使用效率,優(yōu)化鋼鐵制造流程,從源頭入手根治造成污染的制造過程;(2)控制鋼鐵制造過程的排放,使污染物消除在制造過程中;(3)對(duì)排放物進(jìn)行再能源化和無害化處理,協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益;(4)開發(fā)和研制綠色化產(chǎn)品;(5)與相關(guān)行業(yè)形成工業(yè)生態(tài)鏈并發(fā)揮社會(huì)友好功能,促進(jìn)構(gòu)成污染物的“零”排放體系,最終成為社會(huì)工業(yè)生態(tài)鏈的一環(huán);(6)制定生態(tài)化的規(guī)劃和評(píng)價(jià)與管理體系。2.3鋼鐵行業(yè)生態(tài)化的戰(zhàn)略目標(biāo)鋼鐵工業(yè)的生態(tài)化技術(shù):即降低自身生產(chǎn)中的有害物排放和大量消納工業(yè)廢棄物,使鋼鐵生產(chǎn)與環(huán)境共容。生態(tài)化技術(shù)是鋼鐵工業(yè)生態(tài)化的重要依托,只有采用有效的生態(tài)化技術(shù),才能最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)工業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)。在具體實(shí)施過程中,清潔生產(chǎn)、綠色化是實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)生態(tài)化的前提和基礎(chǔ),而生態(tài)化技術(shù)則是清潔生產(chǎn)和綠色化技術(shù)的延伸、擴(kuò)展和更高層次上的體現(xiàn)。具體而言,綠色化重點(diǎn)技術(shù)主要包括以下3個(gè)層次:(1)普及、推廣一批成熟的節(jié)能環(huán)保技術(shù):如干熄焦CDQ、轉(zhuǎn)爐煤氣回收、鋼廠發(fā)電綜合技術(shù)、鑄坯熱裝熱送、高爐噴吹煤粉等技術(shù);(2)投資開發(fā)一批有效的生態(tài)化技術(shù):高爐噴吹廢塑料或焦?fàn)t處理廢塑料、燒結(jié)煙氣脫硫等技術(shù);(3)探索研究一批未來的生態(tài)化技術(shù):熔融還原鐵煉技術(shù)及新能源開發(fā)、新型焦?fàn)t技術(shù)和垃圾資源化處理等與社會(huì)友好的廢棄物處理技術(shù)。2.4環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用(1)國(guó)外研究?jī)?nèi)容主要包括:①建立了鋼廠能量和物質(zhì)流動(dòng)模型,為模擬冶煉過程中能量利用和廢棄物排放奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ);②開發(fā)研究新型節(jié)能環(huán)保冶煉工藝,從源頭減少污染和有害物排放;③采取措施減少能源消耗和降低CO2排放;④再循環(huán)利用鋼鐵制品、爐渣等副產(chǎn)品和粉塵等排放物、廢棄物;⑤進(jìn)行鋼鐵產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià),生產(chǎn)環(huán)境友好的“生態(tài)”產(chǎn)品;⑥再循環(huán)利用其他工業(yè)所產(chǎn)生的廢棄物和副產(chǎn)品,處理廢舊輪胎、塑料等社會(huì)廢棄物,并利用自身技術(shù)優(yōu)勢(shì),開發(fā)垃圾熔融焚燒等環(huán)境保護(hù)技術(shù)。(2)最近幾年,我國(guó)在這方面的相關(guān)研究也取得了一定的進(jìn)展。主要有:①鋼鐵生產(chǎn)流程環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià):對(duì)我國(guó)幾種典型鋼鐵工業(yè)流程的物流、能流及環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行了分析,研究了過程排放與資源、能源消耗及結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)要素配置、操作參數(shù)等之間的關(guān)系,以及產(chǎn)品使用性能、效率、壽命等對(duì)整個(gè)生命周期環(huán)境負(fù)荷的影響,提出了鋼鐵產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;②綠色制造與鋼鐵工業(yè):對(duì)我國(guó)鋼鐵工業(yè)綠色化問題進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究,提出了鋼鐵工業(yè)綠色化的概念、內(nèi)涵及其本質(zhì)特征,提出了我國(guó)鋼鐵工業(yè)在今后的發(fā)展中所應(yīng)采取的綠色化對(duì)策以及所依托的重點(diǎn)綠色化技術(shù),并建立了評(píng)價(jià)鋼鐵工業(yè)綠色化程度的量化指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。上述研究成果是鋼鐵工業(yè)清潔生產(chǎn)理論的延續(xù)和發(fā)展,同時(shí)也為研究開發(fā)鋼鐵工業(yè)生態(tài)化發(fā)展模式奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3分析鋼鐵工業(yè)生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)3.1可持續(xù)發(fā)展是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新表現(xiàn)進(jìn)入21世紀(jì),國(guó)際鋼鐵工業(yè)共同的時(shí)代命題是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展問題。(1)鋼鐵工業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是包括有價(jià)格/成本、質(zhì)量/品種、資本回收時(shí)間、產(chǎn)品供貨速度、過程服務(wù)、環(huán)境友好等多方面和多因素構(gòu)成的綜合競(jìng)爭(zhēng)。(2)可持續(xù)發(fā)展是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力在更深層次上的反映,強(qiáng)調(diào)的是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)、環(huán)境友好的協(xié)調(diào)發(fā)展。其主要內(nèi)容是:①環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互依賴相互協(xié)調(diào);②改變傳統(tǒng)生產(chǎn)形式、消費(fèi)方式和廢棄方式,由環(huán)境保護(hù)發(fā)展為環(huán)境友好,甚至出現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型。3.2高爐渣的主要功能從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)和工業(yè)生態(tài)學(xué)及循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念來審視鋼鐵工業(yè),應(yīng)該看到,鋼鐵廠(企業(yè))將拓展如下3種功能:(1)鋼鐵產(chǎn)品制造功能;(2)能源轉(zhuǎn)換功能;(3)社會(huì)廢棄物消納處理的功能。鋼鐵生產(chǎn)在本質(zhì)上是一個(gè)煤—鐵化工過程,除生產(chǎn)鋼鐵制品外,同時(shí)還產(chǎn)生大量的伴生物和剩余能。只要開發(fā)出合適的鏈接技術(shù),就可以成為其他產(chǎn)業(yè)的有價(jià)原料,這一點(diǎn)已為高爐渣作為水泥優(yōu)質(zhì)原料所證明(表2)。鋼鐵生產(chǎn)的另一特點(diǎn)是吞吐量大,可以有效地處理大宗社會(huì)廢棄物,同時(shí)也可以為社區(qū)集中處理廢水,為城市集中供暖、供熱水等。3.3都市及其周邊地區(qū)從先進(jìn)制造技術(shù)和綠色制造流程的概念出發(fā),鋼廠將逐步演變?yōu)閮煞N典型的模式:都市周邊型鋼廠和港口生態(tài)工業(yè)帶鋼廠。(1)都市周邊型鋼廠:這類鋼廠將充分利用都市及其周邊地區(qū)的資源、能源、產(chǎn)生的廢棄物和各類廢鋼等,可以兼顧處理一些城市廢棄物、垃圾等功能(圖2)。(2)港口生態(tài)工業(yè)帶鋼廠:這類鋼廠將是大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)、水泥廠、發(fā)電廠、鋼結(jié)構(gòu)或造船廠、汽車廠甚至石油化工企業(yè)的綜合工業(yè)態(tài)鏈的集中地區(qū)(圖3)。當(dāng)然無論是都市周邊型鋼廠還是港口生態(tài)工業(yè)帶鋼廠,都將采用緊湊化—準(zhǔn)連續(xù)化—專業(yè)化的工藝流程,采用集物質(zhì)/能源轉(zhuǎn)化和信息轉(zhuǎn)化于一體的先進(jìn)制造技術(shù),增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和環(huán)境價(jià)值。3.4程—鋼鐵工業(yè)生態(tài)化—環(huán)境與發(fā)展和諧化的解決方案經(jīng)過實(shí)踐,人們認(rèn)識(shí)到要解決好環(huán)境問題,必須從產(chǎn)生問題的根源著手,即從自然資源的利用—物質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程—物質(zhì)產(chǎn)品的消費(fèi)過程—廢棄/回收過程入手,全過程、全壽命周期地綜合思考,才能從總體上解決問題。在以生態(tài)工業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)為主要特征的未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,用工業(yè)生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)重新審視并定位鋼鐵工業(yè),把鋼鐵工業(yè)的發(fā)展同節(jié)約能源和資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和治理污染有機(jī)結(jié)合起來,使鋼鐵工業(yè)能夠按照生態(tài)化的模式發(fā)展,成為具有生態(tài)性質(zhì)的綠色化流程工業(yè),實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的同步提高。3.5國(guó)際鋼鐵工業(yè)環(huán)保水平的現(xiàn)狀我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化進(jìn)程中,鋼鐵材料市場(chǎng)需求將進(jìn)一步增長(zhǎng),鋼鐵工業(yè)還有較大的發(fā)展空間。近20年來,由于技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)需求等諸多因素的促進(jìn),中國(guó)鋼鐵工業(yè)依靠技術(shù)進(jìn)步和結(jié)構(gòu)調(diào)整,鋼鐵生產(chǎn)高速發(fā)展,自1996年起鋼鐵產(chǎn)量連續(xù)突破1億t,產(chǎn)量居世界首位,成就令人矚目(圖4)。但同時(shí),中國(guó)鋼鐵工業(yè)環(huán)境保護(hù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距,環(huán)境問題仍然突出。國(guó)際鋼鐵工業(yè)的環(huán)境保護(hù)經(jīng)歷了公害治理、節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)、綠色制造(變?yōu)榉e極的源頭治理)階段,20世紀(jì)90年代后期開始提出循環(huán)經(jīng)濟(jì)(將社會(huì)制造生產(chǎn)鏈納入到工業(yè)生態(tài)鏈中)(圖5)。中國(guó)鋼鐵工業(yè)面對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和減輕地球環(huán)境負(fù)荷的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),應(yīng)從結(jié)構(gòu)調(diào)整入手,研究開發(fā)基于新工藝、新裝置的新一代鋼鐵制造流程的優(yōu)化和集成,改變現(xiàn)有生產(chǎn)模式,積極推進(jìn)清潔生產(chǎn)和綠色制造,進(jìn)而向生態(tài)工業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的方向努力,最終在競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位,在經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展中居于領(lǐng)先地位,推動(dòng)中國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。4生態(tài)工業(yè)的未來發(fā)展是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo),是技術(shù)工業(yè)生態(tài)學(xué)用系統(tǒng)的、更大時(shí)空尺度的眼光來研究和改進(jìn)人類工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,為更綜合地解決生物圈環(huán)境問題提供了一個(gè)系統(tǒng)的框架,將成為人類社會(huì)和諧化解決環(huán)境與發(fā)展的有力武器。