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中国钢铁工业空气污染物排放现状及趋势

2022-08-11 来源:原创 浏览量:1097


  中国钢铁工业空气污染物排放现状及趋势

  张建良,尉继勇,刘征建,徐润生
  (北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京100083)

  摘要:目前中国粗钢产量已经占世界总产量的一半以上,中国钢铁工业的发展对世界意义重大。中国钢铁工业主要采用以煤炭为主要燃料的“高炉-转炉”长流程冶炼工艺,因此在钢铁生产过程中排放出大量的空气污染物,主要包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM2.5)等。从钢铁工业污染物的来源、污染物的排放总量变化情况、不同冶炼工序污染物排放特点、中国钢铁工业污染物排放量地域分布特点以及不同规模的钢铁企业污染物排放特点等多角度综述了近年来中国钢铁工业的空气污染物排放现状。同时简要综述了中国钢铁工业为治理空气污染物而进行的超低排放改造进展情况,据此提出了中国钢铁工业空气污染物治理存在的问题,并分析了未来中国钢铁工业空气污染物排放及减排趋势。

  关键词:钢铁工业;空气污染物;排放现状;未来趋势;减排

  文献标志码:A文章编号:0449-749X(2021)12-0001-09

  Current situation and trend of air pollutant emission in China′s steel industry

  ZHANG Jian-liang,YU Ji-yong,LIU Zheng-jian,XU Run-sheng

  (State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

  Abstract:At present,China′s crude steel output has accounted for more than half of the world′s total output,and the development of China′s steel industry is of great significance to the world.China′s steel industry mainly adopts the long-process smelting technology of"blast furnace-converter"which uses coal as the main fuel.As a result,a large number of air pollutants,including sulfur dioxide(SO2),nitrogen oxides(NOx)and particulate matter(PM2.5),etc.are emitted during steel production.This paper summarizes the current status of air pollutant emissions in China′s steel industry from the sources of pollutants in the iron and steel industry,changes in the total emissions of pollutants,the characteristics of pollutant emissions from different smelting processes,the regional distribution of pollutant emissions in China′s iron and steel industry and the characteristics of pollutant emissions from iron and steel enterprises of different scales.In addition,the article also briefly reviewed the progress of ultra-low emission transformation of China′s steel industry to control air pollutants,and based on this,put forward the problems existing in the control of air pollutants in China′s steel industry and analyzed the development trend of air pollutant emission in the future of China′s steel industry.

  Key words:iron and steel industry;air pollutant;emission status;development trend;emission reduction

  钢铁材料是国民经济重要的原材料之一,是象征一个国家工业文明和经济实力的重要标志之一。虽然现在出现了许多新型材料,但是钢铁材料作为各国经济建设最重要的结构材料和使用量最大的功能材料的地位仍然没有改变。近年来,中国钢铁产量、出口量和消费量均是世界第一。根据世界钢铁工业协会统计数据,2020年中国粗钢产量达到10.53亿t,同比增长了5.2%。然而,钢铁生产过程中需要消耗大量的资源和能源,同时也会排放大量的污染物,在废物排放结构(固体废物、废气和废水)中,空气污染物排放最多,吨钢排放废气44.7 t,占废物排放总量的88.2%。中国钢铁工业主要空气污染物排放量占中国工业总排放量的7.35%左右,中国钢铁工业发展面临着严峻的减排任务,尤其是在中国钢铁产业相对集中的地区。近年来,中国采取了一系列措施来降低钢铁企业污染物排放,也取得了显著效果,钢铁企业污染物排放正在逐渐减少。本文综述和分析了近年来中国钢铁工业空气污染物排放情况、发展趋势,并提出了未来努力方向。

  

 1、中国钢铁工业空气污染物特点

  1.1钢铁工业空气污染物主要组成

  中国钢铁工业规模大、产量高,2020年中国粗钢产量约占世界粗钢总产量的56.49%,如图1所示。由于中国约90%以上钢铁是采用“高炉-转炉”长流程工艺生产,因此中国钢铁工业的能源和资源消耗大,而且主要消耗煤炭资源,导致中国钢铁企业空气污染物排放总量大,排污环节多,且污染物的成分复杂、种类繁多,对大气环境带来了严重影响。中国钢铁工业的主要空气污染物有二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、细颗粒物(PM2.5)和挥发性有机物(VOCs)等。自从2017年中国完成对火电行业实施超低排放改造后,钢铁工业成为中国工业部门的最大空气污染物排放源,其中SO2、NOx和细颗粒物的排放量分别位列中国工业总排放量的第三、第一、第三。据2018年统计数据,中国钢铁工业SO2、NOx和细颗粒物的排放量已达到105万、163万和273万t,分别占中国总排放量的6%、9%和19%。


  1.2钢铁工业空气污染物来源

  中国钢铁工业空气污染物主要来源于以下环节。

  (1)钢铁生产用原燃料在运输、装卸及加工生产过程中所产生的大量含尘烟气。比如原料场中原燃料堆放、装卸过程产生的粉尘;原料系统向高炉、烧结、球团等工序输送转运原燃料过程产生的粉尘;原燃料破碎筛分过程产生的粉尘;配料时外溢的粉尘等。除了厂区内的运输污染外,中国钢铁企业运输多采用公路运输,导致在运输过程中会排放大量的货物扬尘。本文中粉尘指悬浮在空气中的固体颗粒物的总称,PM10是指粒径小于10μm的粉尘,PM2.5是指粒径小于2.5μm的粉尘。

  (2)钢铁生产过程中各种窑炉在燃烧时产生的大量含尘、SO2、NOx的烟气。如烧结机、球团竖炉、热风炉、热轧加热炉、冷轧退火炉等炉窑在使用煤粉、天然气、焦炉煤气等时所产生的含大量有害气体的废气。

  (3)钢铁生产过程中因冶炼与钢材加工而产生的烟气。如炼铁、炼钢、精炼、炼焦、轧钢和钢材酸洗过程产生的烟气。

  1.3钢铁生产各工序空气污染物排放情况

  钢铁生产过程中污染排放最严重的两个环节为烧结和焦化工序。李莎核算出中国某大型钢铁企业污染排放情况,指出该钢铁企业在2017年SO2和NOx有组织排放量最大的工序为烧结工序,其次为焦化工序,该结果与GAO C等的研究一致。颗粒物排放主要包含主排放口、一般排放口和无组织排放,如图2所示,钢铁企业颗粒物有组织主要排放口排放量最大的为烧结工序,其次为焦化工序;一般排放口颗粒物排放量最大的为炼钢工序,其次为烧结工序和原料系统;无组织颗粒物排放最大的为原料系统,其次为烧结和炼铁工序。汤铃等的研究也表明,中国钢铁工业空气污染物主要来源于烧结工序,烧结工序所排放的SO2、NOx、PM10和PM2.5分别占钢厂总排放量的64.84%、78.72%、52.21%和56.40%(图3)。因此,目前烧结、焦化、球团和高炉炼铁4个铁前工序仍然是中国钢铁企业空气污染物排放最严重的环节,未来减少空气污染物还是应该从这4个铁前工序入手。图4所示为中国钢铁工业冶炼工序(不含原料系统)减排潜力分析情况,可以看出SO2和NOx在烧结工序减排潜力最大,在不考虑原料系统的颗粒物排放的情况下,颗粒物在炼铁工序减排潜力最大,这是因为相对于烧结工序,对高炉炼铁工序的无组织排放治理最差,高炉出铁场和矿槽的颗粒物治理率不足42%,而烧结机头和烧结机尾的颗粒物治理率均为99%以上。

  

  2、近年来中国钢铁工业空气污染物排放情况

  2.1主要空气污染物排放总量变化情况

  2005年以来,中国政府陆续颁布了系列钢铁工业绿色发展的政策法规,中国钢铁工业逐步推进淘汰落后产能、尾气末端治理以及节能环保先进技术等,钢铁工业污染物排放量在逐年下降。郑昊天等测算出2005—2017年中国钢铁工业主要空气污染物变化情况如图5所示。PM2.5排放量从2005年的226万t增加至2008年的263万t,随后一直下降,2017年中国钢铁工业排放PM2.5为131万t,占中国总排放量的17%。SO2排放量从2005年增加至2010年,随后一直下降,2017年排放量为127万t,占中国总排放量的11%。NOx排放量整体呈现增长趋势,2010年到2012年略有下降,随后又持续增长,2017年钢铁工业NOx排放量达66万t,占中国总排放量的3%。VOCs主要是焦化环节排放,经过2013年对焦化行业VOCs进行控制约束后逐渐降低,2017年钢铁和焦化行业VOCs排放量为98万t,占中国总排放量的5%。李新等的研究表明,从2012年到2017年中国钢铁工业SO2、粉尘排放量均呈现下降趋势,只有NOx略有提高(图6)。WANG X等的研究也表明了相似的趋势,从2010年至2015年,在中国粗钢产量不断上升的情况下,除了NOx排放量不断升高外,SO2和颗粒物排放量都在不断降低(图7)。

  

  2.2中国钢铁工业空气污染物地域分布排放特点

  中国钢铁工业空气污染物排放地域分布特点极其明显,各地区钢铁工业空气污染物排放差异显著。中国钢铁工业空气污染物排放量最大的区域是华北地区(京津冀),其次是华东地区(长三角)和华中地区,分别排放SO2 572.52、531.11和276.45 kt,排放量所占比例如图8所示。这是因为中国钢铁产能主要集中在华北和华东地区,2019年中国华北和华东地区的粗钢产能所占比例分别为35.02%和31.94%(图9),合计占中国总产能的67%左右。

  
  从中国各省份钢铁工业空气污染物排放的统计结果来看,2012年中国钢铁工业SO2排放量前三的省份为河北、辽宁和江苏,排放量所占比例分别为27.08%、10.04%和8.91%;NOx排放量前三的省份为河北、山东和江苏,排放量占比分别为28.40%、9.00%和8.90%;PM2.5排放量前三的省份为河北、江苏和辽宁,排放量所占比例分别为28.30%、9.11%和8.40%。据2018年数据,中国钢铁工业SO2排放量靠前的三个省份依次为河北、辽宁和江苏,排放量所占比例分别为17.69%、10.32%、10.17%;NOx排放量靠前的3个省份依然为河北、江苏和山东,排放量所占比例分别为20.13%、11.34%、10.75%;PM10排放量靠前的3个省份依次为河北、江苏和辽宁,排放量占比分别为18.94%、10.96%、9.33%。经过多年的发展,主要空气污染物排放省份并未发生变化,这主要与中国的钢铁产业分布有关,河北、江苏、山东和辽宁一直是中国钢铁产能最大的4个省份。这4个省份在2018年的粗钢产能分别占中国总产能的24.5%、9.8%、7.3%和6.5%(图10)。此外,从上述结果还可以发现,从2012年到2018年中国第一产钢大省河北省的钢铁工业空气污染物排放大幅减小,这与河北省从2013年开始的去产能“6643”工程的成果息息相关。截止到2019年,河北省淘汰粗钢产能共计11 941万t。综上分析,京津冀和长三角地区仍然是中国钢铁产业的主要区域,也是钢铁工业空气污染物排放最严重的区域。

  

  2.3中国不同规模钢铁企业空气污染物排放特点

  中国钢铁企业间的规模、水平差异显著,其中有规模大、设备先进、环保绿色的大型企业,比如宝武集团、首钢集团和河钢集团等,同时也有很多小型民营钢铁企业,这些企业的环保能力相对较弱,污染物排放情况较严重。汤铃等调研了2018年中国不同规模钢铁企业的污染物排放情况(图11),中国中型钢铁企业污染物排放量最多,小型企业次之,大型企业排放量最小,所占比例分别为71.20%、16.73%和12.07%。这主要是因为中国中型企业的钢铁产量最大,约占全国粗钢产能的79.65%,小型企业粗钢产能所占比例为5.1%,大型企业粗钢产能所占比例为15.25%。这里需要重点关注的是小型企业粗钢产能占比最小,但是污染物排放量却为第二。这主要是因为中国小型钢铁企业多数装备落后、环保意识淡薄,存在着高污染、高排放、高能耗的问题。

  图片

  2.4中国钢铁工业超低排放改造情况

  为了推进钢铁工业高质量绿色发展、促进钢铁工业转型升级。2018年,中国政府启动钢铁工业超低排放改造工程,2019年,生态环境部发布了《关于推进实施钢铁工业超低排放的意见》,要求中国钢铁工业争取到2020年底60%的钢铁产能完成超低排放改造,到2025年底80%以上钢铁产能完成超低排放改造。

  截至到2020年底,中国有229家钢铁企业6.2亿t粗钢正在进行超低排放改造。重点区域的103家钢铁企业,约3.2亿t粗钢产能正在开展实施超低排放改造的评估监测工作。截止到目前为止,中国已经有首钢迁钢公司、首钢京唐公司、山钢日照公司、邢台德龙钢铁集团、山西太钢不锈钢公司、新兴铸管公司、河北丰南钢铁公司、上海梅钢、首钢长钢、安阳钢铁公司、山西建龙和江苏永钢等11家钢铁企业完成了超低排放改造和评估监测工作。从表1可以看出,经过超低排放改造后,吨钢各项污染物的排放量大幅下降。



  2.5中国钢铁工业空气污染物治理存在的问题

  虽然中国钢铁工业的空气污染物治理已经取得了一定的成果,但是目前仍然存在很多问题和难题有待解决。首先,中国钢铁工业目前的超低排放改造工程缺乏经济的指导与规划,给企业带来了较大的经济压力。根据冶金工业规划研究院的初步测算显示,一个年产500万t钢铁企业完成超低排放改造的一次性建设投资约20亿元,环保运行成本将达到250元/t(钢)以上。其次,目前国外先进钢铁企业已基本完成了对主要空气污染物的治理,正着手推进治理钢铁工业其他污染物(CO、HF、Hg、PCDD/Fs、Pb和Ni等),国外钢铁工业其他废气污染物排放限值和现状见表2,而目前中国大多数钢铁企业尚未考虑对其他污染物的治理。再次,中国的钢铁生产结构有待优化,2019年中国的电炉所占比例仅为10%,远低于美国68%、欧盟40%、日本24%的发展水平。而相比于长流程炼钢工艺,使用电炉短流程炼钢能够减少吨钢能耗50%、吨钢污染物排放70%以上。其次,中国的高炉炉料结构过于依赖烧结矿,吨球团矿的SO2和NOx排放量仅为烧结矿的约1/2和1/3,因此提高高炉入炉原料中的球团矿比例可以大大减小污染物的排放,中国大多数钢铁企业的球团矿入炉比例不足20%,而欧美国家的高炉球团矿比例普遍为90%以上,瑞典SSAB厂为100%全球团冶炼。此外,中国钢铁冶炼能源结构有待调整,目前化石燃料依存度高,导致CO2排放量大,2015年中国钢铁工业排放约19.4亿t CO2,占中国总排放量的16.7%,为此未来中国钢铁工业需要大力调整能源结构。目前世界各大钢铁企业均已将“氢冶金”作为未来的发展方向。德国的SALCOS、瑞典的HYBRIT和奥地利的H2Future等都是利用可再生的电力制取氢气来替代传统炼铁所使用的煤炭资源,中国宝武集团、河钢集团、建龙集团等也逐步启动“氢冶金”研发工程。


  3、未来中国钢铁工业空气污染物排放趋势

  3.1未来中国钢铁工业主要空气污染物排放预测

  近年来,中国钢铁工业已经在节能减排方面取得了显著成果,随着中国钢铁工业继续推进节能减排工作,未来中国钢铁工业的空气污染物排放量将不断降低。根据ZHANG Qi等的预测,在综合采用末端治理、提高能源效率和调整生产结构后,到2050年中国钢铁工业SO2排放量将减少到798.42 kt,PM10排放量将减少到1 344.07 kt,NOx排放量将减少到263.20 kt。未来京津冀地区和长三角地区的钢铁工业污染物排放量将下降,山东和辽宁等北部钢铁工业污染物排放量也将下降,而南部比如广东、广西排放量将有所上升,这与中国钢铁产能由北向南区域性转移的结果相对应。

  3.2未来中国钢铁工业空气污染物减排的努力方向

  针对目前钢铁工业面临的上述问题和难题,未来中国钢铁工业绿色低碳发展需要从政府、行业和企业3个层次共同努力。

  (1)中国政府相关部门做好钢铁行业节能减排的顶层设计,从政策、资金等多方面对钢铁企业超低排放改造给予扶持。比如通过减少绿色企业税收的方法为企业减轻负担,帮助钢铁企业推进绿色钢厂的建设。同时,继续制定和颁布钢铁工业其他废气污染物的治理方案和排放限值,相关监管部门严格做好对钢铁企业的监管、检查工作和减排指导工作,扎实有序地推进不同类型、不同地区钢铁企业的减排工作。针对短流程建设面临的废钢回收率低、电价高等问题,中国政府可以采用多政策和多部门联合调控,来逐步提高废钢回收率、降低短流程冶炼用电成本,推动短流程项目建设。此外,针对国际上先进的节能减排工艺,中国政府可以牵头组织国际间的科研合作,不断提升中国减排技术和污染物治理水平。

  (2)中国钢铁行业要坚决执行中国政府提出的超低排放改造和钢铁产能置换工作,积极调整钢铁生产能源结构和工艺流程。针对京津冀和长三角等排污重点区域,要严格禁止新增产能,积极淘汰落后产能,降低重点区域的钢铁产能总量,产能由北向南区域性转移。针对落后、缺乏治理污染物排放能力的小型企业,要积极推进兼并重组,淘汰落后产能,推进大型钢铁企业深度整合优化。针对钢铁企业节能减排面临的关键共性问题,中国钢铁行业应整合行业内的优势技术资源、平台资源和资金资源,组织企业间的协同攻关、经验分享,解决氢能冶炼技术、提高电弧炉炼钢比例等先进节能减排技术面临的“卡脖子”问题,推动整个钢铁行业的减排工作不断深入。

  (3)中国钢铁企业应该根据钢铁冶炼不同工序的污染物排放特点制定最合理的减排方案,重点对烧结、焦化、球团和高炉炼铁4大铁前工序进行“源头减排、过程减排和末端治理”。在源头减排方面,要积极寻找清洁、低碳燃料替代传统的化石燃料,比如积极探索生物质类燃料、富氢燃料、低硫低灰兰炭等用于铁前生产,从源头减少空气污染物的产生;在过程减排方面,积极采用低碳厚料层烧结技术、烧结烟气循环烧结技术、球团低温焙烧技术、氧气高炉炼铁技术、氢冶金等先进的冶炼技术来不断降低燃料消耗,进而达到过程减排的效果。在末端治理方面,加强低成本高效率的SO2、NOx和颗粒物的脱除工艺研发,开发高效、长寿、经济、环保的吸附剂,实现烟气处理废料的资源化利用,同时应考虑选用脱硫和脱硝技术的匹配性,避免前后治理工艺配置不合理导致系统难以正常运行,应优先考虑脱硫脱硝一体化技术。此外,高质量实施超低排放改造,钢铁企业需强化无组织排放管控,加强产尘点的封闭和密闭,减少收尘系统的无效浪费;强调治理设施和生产设施的同步运行,减少治理设施的无效运行和能源浪费。比如建设封闭料场、采用铁路运输等手段减少粉尘的排放,钢铁企业不断完善监测监控体系等。



  4、结语

  中国钢铁工业空气污染物排放量大、来源广、种类多,近年来,中国钢铁工业主要空气污染物排放量在持续下降。目前烧结、焦化、球团和高炉炼铁4大铁前工序仍然是污染物排放的最严重环节,减排潜力巨大。中国钢铁工业排放空气污染物最严重的区域为华北和华东地区,京津冀、长三角地区仍然是未来减少钢铁工业空气污染物排放的主战场。中国的小型钢铁企业缺乏治理污染物的能力,存在高排放、高污染的问题。目前钢铁工业超低排放改造已经取得了较好的成果,一些优秀钢铁企业已然达到了世界先进排放水平。随着未来中国钢铁工业超低排放改造的不断推进,中国钢铁工业的空气污染物排放量将持续降低,钢铁企业也将更加绿色环保。


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