钢铁行业节能减排论文

摘要：钢铁企业节能减排工作局限于产业内部，空间有限，因此钢铁行业需要从生命周期视角系统化地从钢铁上下游全产业链来开展节能减排工作。介绍了钢铁工业生命周期视角的内涵及基于生命周期视角的生命周期评价方法与工具。从生命周期视角分析了钢铁行业节能减排的现状及问题，指出：现阶段，在能源结构、能源耗量短期内不太可能有太大提升的情况下，提高钢铁产品的成材率和下游材料利用率是钢铁行业节能减排的重点方向；整合下游工序、用户端解决方案是从全生命周期理念出发的节能减排方向和发展机遇。

关键词：钢铁行业；节能减排；生命周期评价；材料利用率；用户端解决方案

钢铁工业是一个物质质量和能量高度聚集的产业，因而社会对钢铁业的普遍认识是，钢铁工业是“高能耗、高排放、高污染”行业，要节能减排，就要抑制钢铁业的发展。然而，从全生命周期的思想来看，事实并非如此，钢铁是世界经济发展的基石，是可持续的，在经济发展与环境责任同等重要的绿色经济中，钢铁占据着核心地位。在人类目前的生产力发展水平上，钢铁作为人们生活中不可或缺的一种基础材料，集强度、成形性和多功能性于一体的独特特征是其他任何材料不可媲美的，钢铁材料仍然是一种不可替代的、经济性和环保性俱佳的良好材料[1]。也就是说，如果不使用钢铁材料而又要实现同样的功能、达到同样的产量，就意味着有比使用钢铁更高的环境负荷。因此，对钢铁工业目前的处境及发展前景，需要从生命周期视角来看问题，不仅钢铁业内需要重新认识，全社会都有必要重新认识。因为钢铁业的良性发展，需要一个客观、理性的社会环境，尤其是在当前中国的现状下。

一、生命周期视角与生命周期评价

钢铁产品全生命周期思想的提出，旨在通过全生命周期评价（LifeCycleAssessment，简称LCA）理念下的钢铁工业对全社会节能减排贡献的研究，澄清社会对钢铁工业的误解，体现钢铁工业在全社会的可持续发展中所承担的责任及促进作用，从全生命周期视角来反映钢铁产业升级、品种结构调整的环境效益，以及在全生命周期评价理念下，钢铁行业的节能减排方向与发展机遇。钢铁产品性能的提升、高附加值产品的生产，一般会增加钢铁制造流程的环境负荷，但从生命周期视角来看，却可能更大程度地减少下游产业及全社会的环境负荷，钢铁行业实际上承载了更多的社会责任。因此，在制订行业发展规划、出台节能减排政策措施、进行相关决策时，企业应充分认识这一点，从全社会、全产业链角度系统化考虑，做出科学决策。生命周期评价是一种“从摇篮到坟墓”的环境管理和分析工具，其是从产品生命周期的全过程来量化其资源能源消耗和环境排放，并评价这些消耗和排放对资源、生态环境及人体健康带来的影响。其特点就是定量化、数字化评价产品的全生命周期过程的各种消耗和排放。生命周期评价提供了一种对产品全生命周期进行扫描的方法，是国际上评价绿色产品的主要标准。LCA可以让每一卷钢材都有自己的生命周期环境绩效数据档案，是节能减排重要的科学依据。从钢铁产品全生命周期的视角，可以定义“钢铁绿色产品”是指在产品设计、制造、运输、使用、回收、再利用和废弃等全生命周期内能够节省资源、降低消耗、减少污染物排放，并且对环境质量和人体健康的负面影响相对较小的产品。从绿色产品的用途来看，绿色产品具有如下特征（即绿色产品内涵）：——有利于环境保护，指不含有害物质、降低噪音和减少振动等；——提高能源效率和资源利用率，指产品轻量化、简化加工工艺、低能耗、低资源消耗、提高耐磨性、高吸热等；——提高产品寿命并利于回收再利用，指提高耐腐蚀性、提高耐久性、利于回收、便于再制造与再利用、减少废弃物等；——绿色产品外延，指具有上述特性的钢铁产品及包装、标志/标识、商标等，以及提供给用户的一系列附加利益，包括生态服务、绿色解决方案等。应用LCA研究钢铁产品的环境特性在国际钢铁行业已广泛开展。国际钢铁协会于1995年开始LCA研究，常设LCA项目组，由全球主要大钢企的成员组成LCA专家组，世界钢协LCA专家组会议每年春季、秋季各举办1次。2004年，宝钢加入该专家组。以前是每隔5年更新1次全球钢铁产品LCA数据，目前随着LCA工作在国际上越来越重要，已经提高到每年更新1次。涉及的产品覆盖了钢铁主要的大类品种。开展的主要工作包括：收集并提供全行业的钢铁产品LCA数据；把LCA及相关领域的发展情况通报给会员公司；向用户和市场提供相关信息；通过LCA分析方法证明使用钢铁产品可带来的环保效益；推广LCA应用工作中好的经验。专家组的工作重点是使LCA评价流程中的所有利益相关方都参与进来，以便在市场推广和与替代材料的竞争中更好地利用LCA这一方法与工具。奥钢联、安赛乐米塔尔、蒂森克虏伯、塔塔、新日铁、浦项等国际上有影响力的钢铁企业均有各自的LCA团队，并持续开展了多年的研究应用工作。

二、从全生命周期范围看钢铁业节能减排现状与问题

长期以来，钢铁企业节能减排的管理模式是将钢铁制造流程分割为若干工序、装置，然后将工序、装置解析的某种化学反应过程，或将传质、传热和动量传输的过程以工序之间的拼接、叠加形成制造流程，这导致钢铁企业的节能减排工作局限于局部、末端。钢铁生产动态运行过程中的相互作用关系和协同链接的界面技术往往被忽视，就像是拿着听诊器在各个点上找问题，集中注意的是局部性的“实”，而往往忽略贯通全局的“流”。因此，钢铁企业需要把“听诊器”变为“CT机”，进行全流程的全面精确的扫描诊断，以找到问题。IPCC（政府间气候变化专门委员会）指出，为应对气候变化挑战，2050年全球碳排放量需要较1990年减少50％以上。钢铁行业作为最大的工业碳排放领域，排放量占比达25％。据预测，至2050年钢铁需求量将在目前的基础上增加1倍，而世界钢铁协会制定的碳减排目标是碳排放量减半[3][4]，这是行业面临的巨大挑战。那么，如何解决需求翻倍而碳减排50%的问题呢？宝钢钢铁产品生命周期评价模型分析表明，对于钢铁企业节能减排影响最大的3个因素分别为：成材率（材料利用率）、能源结构和能源耗量。在现阶段能源结构、能源耗量暂时不太可能有太大提升的情况下，提高钢铁产品的成材率和下游材料的利用率是钢铁行业节能减排的重点方向。这一结论与剑桥大学JULIANMALLWOOD教授的LCA团队得出的结论一致。剑桥大学LCA团队的研究发现，世界钢铁生产过程中有1/4的钢水未能形成产品而直接变成废钢，其中冲割、剪切和加工工序是造成这一结果的主要原因，而最终回用的废钢量还不及这些产出废钢量的一半。据剑桥大学LCA团队课题组的生命周期统计数据显示：甚至在某些行业，全部板材中大约有一半从未制成成品[2]。从全生命周期视角来看，最终的钢铁产品是最重要的载能体，承载了大量的资源、能源和材料的投入及环境的排放，最后如果得不到有效利用，前面的投入都将浪费。因此，有大量的技术和商业创新成果有待开发，创新成果可以节省大量因废钢产生所浪费的能量。此外，在很多下游行业，对钢材加工完成后，还需要重新进行退火等热处理，以消除加工过程中所产生的应力，或使产品具有更好的理化性能，而下游很多企业热处理炉分布零散、热效率低下、生产不连续，导致能源损失很大。而这些热处理工作，却是钢铁企业所擅长的。钢铁企业的热处理炉处理能力大，燃料是钢铁厂副产煤气，生产连续，能效高。钢铁行业将下游这些热态工序重新整合，对用户及社会都会产生很大的价值。此外，下游很多用户在购买钢板后，还需进行喷涂处理，因此存在大量“小作坊”式的无序生产与排放，而钢铁企业彩涂板采用大规模集中式生产，可有效提高资源、能源利用效率，可对污染物进行集中处理，减少下游无序生产造成的资源、能源浪费与环境污染。

三、全生命周期理念下的钢铁业节能减排方向与发展机遇

从全生命周期视角来看，目前主要有2种可能的途径：一是产业内部解决方案；二是用户端解决方案。——产业内部解决方案，是钢铁业一直在努力做的工作，也是与企业经营成本密切相关的，所以各企业开展内部节能降耗减排的积极性都很高。产业内部解决方案主要是通过提高能效来实现。但经过全行业对于这项工作的长期努力，剩余的节能空间有限，加之技术创新面临的诸多不确定性，业内普遍认为能效提高的极限是20％。因此，如果从最乐观的视角观察钢铁产业的未来，若需求翻倍，即使在现有工艺范围内想尽一切办法，二氧化碳排放量也只能控制在目前的水平。如果无所作为，那么单凭产业内部能源回收量的增加，二氧化碳排放量就将几乎翻1倍。因此，在最理想的情况下，2050年钢铁行业的碳排放量将维持在目前的水平，但不可能达到减半的要求。——用户端解决方案，是从全生命周期理念出发的节能减排措施。即在保证现有生活质量的前提下减少钢材的消耗量，提高材料利用效率，从而达到碳排放减少50%的目标。用户端解决方案的核心是提高材料利用效率，从上述当前存在的问题来看，针对这些问题的解决方案和策略包括：通过全生命周期生态设计减少钢材使用量；减少生产损失（如冲割、剪切和加工等工序的损失、边角料等）；废钢转移回用；废钢不熔融直接回用；延长产品使用寿命；减少终端需求。只有产业内部解决方案和用户端解决方案2种方式并用，钢铁行业方能应对需求加倍而碳排放减半的挑战。对钢铁产业而言，为客户减少钢材用量和提供更多服务是未来的发展机遇。目前，钢铁产业制造的是中间产品（材料），而用户需要的是由这些中间产品（材料）组装的制成品。这是钢铁业的一个重大机遇，钢铁产业应关注下游动向，跟踪中间产品被做成了什么，通过整体设计参与到这个过程中甚至到产品结束；或整合下游的一个阶段，提供组件而不是库存产品，那么就可以为客户提供更高价值且用料更省的组件，这也是节省出25%产出损失的方式所在，是创造价值的重要机会。未来，轧钢厂可以通过升级和更新轧制工艺，最终成为开放式产品机构的设计单元，设计其他产品，升级旧产品特征，达到与市场新产品兼容的目标。综上所述，从生命周期视角，对钢铁行业而言，未来的机遇在于：整合下游产业，研发具有高附加值的新工艺；从铁水到成品部件进行系统优化设计，减少生产过程的损失；研发具备更长使用寿命的产品；钢铁构件的再制造与修复利用，如报废汽车的钢铁配件的再使用；钢铁废料转移回用；提高钢铁的强度。

总之，从全生命周期评价的理念来看，未来钢铁业有足够多的选项来应对节能减排压力，化解产能、优化品种、调整结构、提高材料利用率是钢铁行业可持续发展、体现社会责任的必经之路。

参考文献：

[1]何文波.新时代新钢铁[J].宝钢技术，2011（1）.

[2]JULIANMALLWOOD.Sustainablematerialswithbotheyesopen[M].Cambridge:UITCambridgeLtd,2012.

[3]WorldsteelAssociation.TheWorldSteel2050Report[R].

[4]EdwinBasson.Steelindustryinasustainablesociety[C].WorldsteelAssociationBeijingSeminar,2012.

作者:刘涛 刘颖昊 单位:宝山钢铁股份有限公司中央研究院