鋼鐵行業節能減排論文

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摘要：鋼鐵企業節能減排工作局限于產業內部，空間有限，因此鋼鐵行業需要從生命周期視角系統化地從鋼鐵上下游全產業鏈來開展節能減排工作。介紹了鋼鐵工業生命周期視角的內涵及基于生命周期視角的生命周期評價方法與工具。從生命周期視角分析了鋼鐵行業節能減排的現狀及問題，指出：現階段，在能源結構、能源耗量短期內不太可能有太大提升的情況下，提高鋼鐵產品的成材率和下游材料利用率是鋼鐵行業節能減排的重點方向；整合下游工序、用戶端解決方案是從全生命周期理念出發的節能減排方向和發展機遇。

關鍵詞：鋼鐵行業；節能減排；生命周期評價；材料利用率；用戶端解決方案

鋼鐵工業是一個物質質量和能量高度聚集的產業，因而社會對鋼鐵業的普遍認識是，鋼鐵工業是“高能耗、高排放、高污染”行業，要節能減排，就要抑制鋼鐵業的發展。然而，從全生命周期的思想來看，事實并非如此，鋼鐵是世界經濟發展的基石，是可持續的，在經濟發展與環境責任同等重要的綠色經濟中，鋼鐵占據著核心地位。在人類目前的生產力發展水平上，鋼鐵作為人們生活中不可或缺的一種基礎材料，集強度、成形性和多功能性于一體的獨特特征是其他任何材料不可媲美的，鋼鐵材料仍然是一種不可替代的、經濟性和環保性俱佳的良好材料[1]。也就是說，如果不使用鋼鐵材料而又要實現同樣的功能、達到同樣的產量，就意味著有比使用鋼鐵更高的環境負荷。因此，對鋼鐵工業目前的處境及發展前景，需要從生命周期視角來看問題，不僅鋼鐵業內需要重新認識，全社會都有必要重新認識。因為鋼鐵業的良性發展，需要一個客觀、理性的社會環境，尤其是在當前中國的現狀下。

一、生命周期視角與生命周期評價

鋼鐵產品全生命周期思想的提出，旨在通過全生命周期評價（LifeCycleAssessment，簡稱LCA）理念下的鋼鐵工業對全社會節能減排貢獻的研究，澄清社會對鋼鐵工業的誤解，體現鋼鐵工業在全社會的可持續發展中所承擔的責任及促進作用，從全生命周期視角來反映鋼鐵產業升級、品種結構調整的環境效益，以及在全生命周期評價理念下，鋼鐵行業的節能減排方向與發展機遇。鋼鐵產品性能的提升、高附加值產品的生產，一般會增加鋼鐵制造流程的環境負荷，但從生命周期視角來看，卻可能更大程度地減少下游產業及全社會的環境負荷，鋼鐵行業實際上承載了更多的社會責任。因此，在制訂行業發展規劃、出臺節能減排政策措施、進行相關決策時，企業應充分認識這一點，從全社會、全產業鏈角度系統化考慮，做出科學決策。生命周期評價是一種“從搖籃到墳墓”的環境管理和分析工具，其是從產品生命周期的全過程來量化其資源能源消耗和環境排放，并評價這些消耗和排放對資源、生態環境及人體健康帶來的影響。其特點就是定量化、數字化評價產品的全生命周期過程的各種消耗和排放。生命周期評價提供了一種對產品全生命周期進行掃描的方法，是國際上評價綠色產品的主要標準。LCA可以讓每一卷鋼材都有自己的生命周期環境績效數據檔案，是節能減排重要的科學依據。從鋼鐵產品全生命周期的視角，可以定義“鋼鐵綠色產品”是指在產品設計、制造、運輸、使用、回收、再利用和廢棄等全生命周期內能夠節省資源、降低消耗、減少污染物排放，并且對環境質量和人體健康的負面影響相對較小的產品。從綠色產品的用途來看，綠色產品具有如下特征（即綠色產品內涵）：——有利于環境保護，指不含有害物質、降低噪音和減少振動等；——提高能源效率和資源利用率，指產品輕量化、簡化加工工藝、低能耗、低資源消耗、提高耐磨性、高吸熱等；——提高產品壽命并利于回收再利用，指提高耐腐蝕性、提高耐久性、利于回收、便于再制造與再利用、減少廢棄物等；——綠色產品外延，指具有上述特性的鋼鐵產品及包裝、標志/標識、商標等，以及提供給用戶的一系列附加利益，包括生態服務、綠色解決方案等。應用LCA研究鋼鐵產品的環境特性在國際鋼鐵行業已廣泛開展。國際鋼鐵協會于1995年開始LCA研究，常設LCA項目組，由全球主要大鋼企的成員組成LCA專家組，世界鋼協LCA專家組會議每年春季、秋季各舉辦1次。2004年，寶鋼加入該專家組。以前是每隔5年更新1次全球鋼鐵產品LCA數據，目前隨著LCA工作在國際上越來越重要，已經提高到每年更新1次。涉及的產品覆蓋了鋼鐵主要的大類品種。開展的主要工作包括：收集并提供全行業的鋼鐵產品LCA數據；把LCA及相關領域的發展情況通報給會員公司；向用戶和市場提供相關信息；通過LCA分析方法證明使用鋼鐵產品可帶來的環保效益；推廣LCA應用工作中好的經驗。專家組的工作重點是使LCA評價流程中的所有利益相關方都參與進來，以便在市場推廣和與替代材料的競爭中更好地利用LCA這一方法與工具。奧鋼聯、安賽樂米塔爾、蒂森克虜伯、塔塔、新日鐵、浦項等國際上有影響力的鋼鐵企業均有各自的LCA團隊，并持續開展了多年的研究應用工作。

二、從全生命周期范圍看鋼鐵業節能減排現狀與問題

長期以來，鋼鐵企業節能減排的管理模式是將鋼鐵制造流程分割為若干工序、裝置，然后將工序、裝置解析的某種化學反應過程，或將傳質、傳熱和動量傳輸的過程以工序之間的拼接、疊加形成制造流程，這導致鋼鐵企業的節能減排工作局限于局部、末端。鋼鐵生產動態運行過程中的相互作用關系和協同鏈接的界面技術往往被忽視，就像是拿著聽診器在各個點上找問題，集中注意的是局部性的“實”，而往往忽略貫通全局的“流”。因此，鋼鐵企業需要把“聽診器”變為“CT機”，進行全流程的全面精確的掃描診斷，以找到問題。IPCC（政府間氣候變化專門委員會）指出，為應對氣候變化挑戰，2050年全球碳排放量需要較1990年減少50％以上。鋼鐵行業作為最大的工業碳排放領域，排放量占比達25％。據預測，至2050年鋼鐵需求量將在目前的基礎上增加1倍，而世界鋼鐵協會制定的碳減排目標是碳排放量減半[3][4]，這是行業面臨的巨大挑戰。那么，如何解決需求翻倍而碳減排50%的問題呢？寶鋼鋼鐵產品生命周期評價模型分析表明，對于鋼鐵企業節能減排影響最大的3個因素分別為：成材率（材料利用率）、能源結構和能源耗量。在現階段能源結構、能源耗量暫時不太可能有太大提升的情況下，提高鋼鐵產品的成材率和下游材料的利用率是鋼鐵行業節能減排的重點方向。這一結論與劍橋大學JULIANMALLWOOD教授的LCA團隊得出的結論一致。劍橋大學LCA團隊的研究發現，世界鋼鐵生產過程中有1/4的鋼水未能形成產品而直接變成廢鋼，其中沖割、剪切和加工工序是造成這一結果的主要原因，而最終回用的廢鋼量還不及這些產出廢鋼量的一半。據劍橋大學LCA團隊課題組的生命周期統計數據顯示：甚至在某些行業，全部板材中大約有一半從未制成成品[2]。從全生命周期視角來看，最終的鋼鐵產品是最重要的載能體，承載了大量的資源、能源和材料的投入及環境的排放，最后如果得不到有效利用，前面的投入都將浪費。因此，有大量的技術和商業創新成果有待開發，創新成果可以節省大量因廢鋼產生所浪費的能量。此外，在很多下游行業，對鋼材加工完成后，還需要重新進行退火等熱處理，以消除加工過程中所產生的應力，或使產品具有更好的理化性能，而下游很多企業熱處理爐分布零散、熱效率低下、生產不連續，導致能源損失很大。而這些熱處理工作，卻是鋼鐵企業所擅長的。鋼鐵企業的熱處理爐處理能力大，燃料是鋼鐵廠副產煤氣，生產連續，能效高。鋼鐵行業將下游這些熱態工序重新整合，對用戶及社會都會產生很大的價值。此外，下游很多用戶在購買鋼板后，還需進行噴涂處理，因此存在大量“小作坊”式的無序生產與排放，而鋼鐵企業彩涂板采用大規模集中式生產，可有效提高資源、能源利用效率，可對污染物進行集中處理，減少下游無序生產造成的資源、能源浪費與環境污染。

三、全生命周期理念下的鋼鐵業節能減排方向與發展機遇

從全生命周期視角來看，目前主要有2種可能的途徑：一是產業內部解決方案；二是用戶端解決方案。——產業內部解決方案，是鋼鐵業一直在努力做的工作，也是與企業經營成本密切相關的，所以各企業開展內部節能降耗減排的積極性都很高。產業內部解決方案主要是通過提高能效來實現。但經過全行業對于這項工作的長期努力，剩余的節能空間有限，加之技術創新面臨的諸多不確定性，業內普遍認為能效提高的極限是20％。因此，如果從最樂觀的視角觀察鋼鐵產業的未來，若需求翻倍，即使在現有工藝范圍內想盡一切辦法，二氧化碳排放量也只能控制在目前的水平。如果無所作為，那么單憑產業內部能源回收量的增加，二氧化碳排放量就將幾乎翻1倍。因此，在最理想的情況下，2050年鋼鐵行業的碳排放量將維持在目前的水平，但不可能達到減半的要求。——用戶端解決方案，是從全生命周期理念出發的節能減排措施。即在保證現有生活質量的前提下減少鋼材的消耗量，提高材料利用效率，從而達到碳排放減少50%的目標。用戶端解決方案的核心是提高材料利用效率，從上述當前存在的問題來看，針對這些問題的解決方案和策略包括：通過全生命周期生態設計減少鋼材使用量；減少生產損失（如沖割、剪切和加工等工序的損失、邊角料等）；廢鋼轉移回用；廢鋼不熔融直接回用；延長產品使用壽命；減少終端需求。只有產業內部解決方案和用戶端解決方案2種方式并用，鋼鐵行業方能應對需求加倍而碳排放減半的挑戰。對鋼鐵產業而言，為客戶減少鋼材用量和提供更多服務是未來的發展機遇。目前，鋼鐵產業制造的是中間產品（材料），而用戶需要的是由這些中間產品（材料）組裝的制成品。這是鋼鐵業的一個重大機遇，鋼鐵產業應關注下游動向，跟蹤中間產品被做成了什么，通過整體設計參與到這個過程中甚至到產品結束；或整合下游的一個階段，提供組件而不是庫存產品，那么就可以為客戶提供更高價值且用料更省的組件，這也是節省出25%產出損失的方式所在，是創造價值的重要機會。未來，軋鋼廠可以通過升級和更新軋制工藝，最終成為開放式產品機構的設計單元，設計其他產品，升級舊產品特征，達到與市場新產品兼容的目標。綜上所述，從生命周期視角，對鋼鐵行業而言，未來的機遇在于：整合下游產業，研發具有高附加值的新工藝；從鐵水到成品部件進行系統優化設計，減少生產過程的損失；研發具備更長使用壽命的產品；鋼鐵構件的再制造與修復利用，如報廢汽車的鋼鐵配件的再使用；鋼鐵廢料轉移回用；提高鋼鐵的強度。

總之，從全生命周期評價的理念來看，未來鋼鐵業有足夠多的選項來應對節能減排壓力，化解產能、優化品種、調整結構、提高材料利用率是鋼鐵行業可持續發展、體現社會責任的必經之路。

參考文獻：

[1]何文波.新時代新鋼鐵[J].寶鋼技術，2011（1）.

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

[3]WorldsteelAssociation.TheWorldSteel2050Report[R].

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

作者:劉濤 劉穎昊 單位:寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院