燒結機超低排放改造環境負荷分析

曹曉明 班華 馬志明 高馨梅 王健奇 季雅露

［1. 包鋼集團節能環保中心，內蒙古包頭 014010；2. 中國北方稀土（集團）高科技股份有限公司，內蒙古包頭 014030］

1 引言

打好污染防治攻堅戰，打贏藍天保衛戰是黨中央、國務院的重要方針政策。超低排放改造是推進實施鋼鐵行業高質量發展、促進產業轉型升級，打好兩場戰役的重要措施［1-2］。2019 年中央五部委聯合印發《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》（以下簡稱《意見》），要求到2020 年年底前，重點區域鋼鐵企業超低排放改造取得明顯進展，力爭60%左右產能完成改造；到2025 年年底前，重點區域鋼鐵企業超低排放改造基本完成，全國力爭80%以上產能完成改造［3］。超低排放已經成為鋼鐵企業關注的焦點，包鋼集團作為大型鋼鐵企業，已經投入大量資金開展超低排放改造工作，確保按照時限要求完成改造。

燒結工序的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量分別占整個鋼鐵行業排放總量的30%，60%和50%左右，是鋼鐵行業大氣污染排放量最大的工序［4］，因此是超低排放改造的重點之一。生命周期評價（LCA）是一種從“搖籃到墳墓”的環境管理和分析工具［5］，本文利用該工具對燒結工序超低排放改造的技術方案進行研究，從全生命周期的角度分析改造前后環境負荷的變化情況，為改造工藝和技術的選擇提供環境負荷方面的數據支持。經濟成本、技術難度等不在本文研究范圍內。

2 燒結機超低排放改造分析

《意見》要求，燒結機機頭煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于10，35，50 mg/m3，其他主要污染源原則上分別不高于10，50，200 mg/m3；物料儲存、輸送及生產工藝過程采取密閉、封閉等有效措施，實現無組織排放有效管控。以此為標準，本文以包鋼一臺265 m2燒結機為研究對象，對該燒結機的一個超低排放備選方案進行LCA 分析。該改造方案如下：對燒結機采用新的密封材料和技術解決漏風問題；對機頭進行電除塵改造，降低粉塵濃度。石灰配料設置生石灰消化器，加強設施的維護和管理，減少生石灰環境污染。對煙氣脫硫脫硝工藝進行改造，采用石灰石-石膏法濕法脫硫，方案要增設一座濕法脫硫塔，并采用高效除霧器和濕式電除塵器保證出口塵含量達到10 mg/m3要求。脫硫后設置煙氣換熱裝置、補熱裝置和SCR脫硝裝置。煙氣換熱和補熱裝置能保證煙氣溫度提升至中低溫SCR 脫硝所需的200 ℃左右的溫度范圍，同時升溫的過程有效解決煙氣白色煙羽問題，煙氣排放溫度約在120 ℃，可見白煙基本消除。通過一系列的改造，可以保證燒結機頭各類排放達到超低排放要求。

3 LCA 分析

本文以生產1 kg 燒結礦為功能單位，利用LCA方法計算分析燒結機進行超低排放改造前后的環境負荷變化。根據實際生產情況綜合分析后選取CML2001 方法中的環境影響類型：能源消耗潛力（EDP）、全球變暖潛力（GWP 100）、酸化潛力（AP）、富營養化潛力（EP），并且進一步分析了能耗、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等環境指標的變化。計算標準依據ISO14040 和ISO14044 以及世界鋼鐵協會生命周期評價方法論等，采用包鋼自主研發的LCA 計算模型完成計算過程。該計算過程是依據設計方案開展，不能代表實際的生產和排放，更大的意義是對環境負荷變化趨勢的探討分析。

設定研究邊界分為3 個階段：原輔料與能源開采、生產和運輸階段，燒結礦生產階段，循環再利用階段，見圖1。

圖1 燒結工序超低排放LCA 研究邊界

選取2019 年其中幾個月為數據收集時間段，數據類型及獲取方法主要包括以下幾類：

（1）燒結生產及排放數據采集現場實際生產數據。

（2）超低排放改造的數據采用方案中的技術參數。

（3）原輔料與能源開采、運輸等上游數據主要來源于商業數據庫。

通過對現場進行工藝流程調研并結合超低排放改造技術方案，確定燒結生產工序研究邊界從燒結配料開始到成品燒結礦結束，LCA 輸入輸出見圖2。圖2 中虛線框內為進行超低排放改造的部分。數據收集按照圖2 分工序完成。

圖2 燒結機LCA 輸入輸出

4 計算結果及分析

數據收集整理后，通過LCA 軟件計算得出生命周期清單（LCI）和生命周期影響評價結果（LCIA），在該設計方案的條件下燒結機生產1 kg 燒結礦的生命周期影響評價結果見表1。分析結果可知，超低排放改造后能源消耗潛力增加3.64%，全球變暖潛力增加14.47%，酸化潛力減少48.19%，富營養化潛力減少36.19%。

表1 1 kg 燒結礦產品生命周期影響評價結果

為了進一步明確環境指標的變化情況，通過生命周期清單數據進一步分析能耗、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的變化情況。生產1 kg 燒結礦的數據見表2。從全生命周期來分析（包括包鋼內部、上游負荷、運輸負荷和副產品外部收益4 部分），改造后與改造前的數據對比發現，能源消耗增加3.64%，二氧化碳排放增加14.48%，二氧化硫排放減少54.97%，氮氧化物排放減少36.45%。

表2 1 kg 燒結礦全生命周期內清單變化情況

從表3 中包鋼內部改造后與改造前的數據對比發現，能源消耗增加4.67%，二氧化碳排放增加22.51%，二氧化硫排放減少74.49%，氮氧化物排放減少49.29%。

表3 1 kg 燒結礦包鋼內部清單變化情況

針對該LCA 研究邊界和燒結機超低排放改造方案的計算結果來看，改造方案可以大幅度降低燒結工序的排放，達到超低排放要求的數值。從全生命周期的角度來看，由于在改造過程中要增加一些除塵及脫硫脫硝設備，因此會造成電耗和物料消耗的增加，致使部分環境指標升高。從計算結果來看，生命周期影響評價結果中能源消耗潛力和全球變暖潛力增高，酸化潛力和富營養化潛力大幅降低；從全生命周期和包鋼內部2 個角度的清單環境指標來分析，可以看出能源消耗和二氧化碳排放增加，二氧化硫和氮氧化物排放減少，并且所有增加的幅度要遠低于減少的數據，說明通過燒結機超低排放改造后，能耗和碳排放會有小幅度的增加，但是二氧化硫和氮氧化物排放會大幅度下降，環境負荷改善效果明顯。利用LCA 分析燒結機超低排放改造，得到了工藝改造的環境負荷變化趨勢，并說明了該工藝的可行性。

5 結論

（1）燒結機超低排放改造可大幅度降低二氧化硫和氮氧化物的排放，小幅度增加能源消耗和二氧化碳排放，環境負荷改善明顯，說明該超低排放改造方案科學可行。

（2）超低排放改造雖然增加了鋼鐵企業的投入，并造成部分環境指標小幅度升高，但從全生命周期的角度來看，利大于弊。

（3）利用LCA 來分析超低排放改造，為技術方案選擇和改造前后的環境負荷變化提供了定量科學的數據支持，為鋼鐵企業打好污染防治攻堅戰，打贏藍天保衛戰提供了新的思路和方法。