鋼鐵綠色制造系統(tǒng)物料資源與環(huán)境影響關(guān)聯(lián)模型研究

江志剛,張 華,,鄢 威,趙 剛,王艷紅

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430081;2.武漢科技大學(xué)綠色制造與節(jié)能減排科技研究中心,湖北武漢,430081)

鋼鐵工業(yè)為原材料制造業(yè),屬于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。同時(shí),鋼鐵工業(yè)也是高能耗、高水耗、高污染的產(chǎn)業(yè)。綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式,其目標(biāo)是使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、包裝、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期中,對(duì)環(huán)境負(fù)面影響小、資源利用率高、綜合效益大,使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益得到協(xié)調(diào)優(yōu)化[1]。綠色制造是解決鋼鐵工業(yè)資源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題的根本方法,是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[2-3]。

鋼鐵工業(yè)實(shí)施綠色制造引起了研究人員的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了鋼鐵制造系統(tǒng)資源和能源的廠礦層次、企業(yè)層次以及企業(yè)與社會(huì)層次的循環(huán),建立了生態(tài)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈和社會(huì)功能鏈模型。文獻(xiàn)[5-6]指出,在鋼鐵工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中有企業(yè)內(nèi)部的小循環(huán)、企業(yè)之間的中循環(huán)和產(chǎn)品使用報(bào)廢后的重新利用等3個(gè)層面上的循環(huán)。文獻(xiàn)[7]研究了含不同成分的廢鋼按不同比例混合在電爐中煉鋼對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和環(huán)境排放的影響。文獻(xiàn)[8]研究了高爐-轉(zhuǎn)爐流程、電爐流程和混合流程等不同的生產(chǎn)工藝對(duì)鐵資源利用效率的影響。文獻(xiàn)[9]基于協(xié)調(diào)學(xué)原理,提出了鋼鐵工業(yè)的導(dǎo)引協(xié)調(diào)、循環(huán)協(xié)調(diào)、分組協(xié)調(diào)和全息協(xié)調(diào)的節(jié)能模式。文獻(xiàn)[10]建立了鋼鐵行業(yè)綠色制造評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,用于對(duì)鋼鐵行業(yè)環(huán)保問(wèn)題的監(jiān)督、管理和改進(jìn)。以上研究從生態(tài)模式、工藝技術(shù)革新和綠色評(píng)價(jià)技術(shù)等方面為鋼鐵制造系統(tǒng)的資源循環(huán)利用提供了有效途徑,本文則對(duì)鋼鐵制造系統(tǒng)源頭上的物料資源與環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,以期為降低資源消耗、減少環(huán)境污染物排放量提供技術(shù)參考。

1 鋼鐵制造系統(tǒng)輸入輸出框架模型

從本質(zhì)上看,鋼鐵制造系統(tǒng)是集物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)控制以及物流有序、有效管制于一體的生產(chǎn)制造體系[11]。一般地說(shuō),鋼鐵制造系統(tǒng)中存在3種不同的物質(zhì)流動(dòng):①物料流,即礦石、燒結(jié)礦、鐵水、鋼水及輔助原料(如油、空氣、化學(xué)品、耐火材料、合金、精煉材料和水等物質(zhì))的流動(dòng);②能量流,即煤炭、蒸汽、煤氣、電等能源物質(zhì)的流動(dòng);③環(huán)境排放流,即含鐵副產(chǎn)品、CO2、SO2、NOx、粉塵、殘?jiān)扰欧盼锏牧鲃?dòng)[12]。鋼鐵制造系統(tǒng)是在物料資源和能量流的配合下,經(jīng)過(guò)一系列工序而形成主副產(chǎn)品的輸入輸出系統(tǒng),如圖1所示。

鋼鐵制造的每一道工序都有不同的物料投入,生成主副產(chǎn)品的同時(shí)產(chǎn)生各種環(huán)境影響,如表1所示。這些不同的物料投入是鋼鐵制造系統(tǒng)資源消耗和環(huán)境影響的根源,它們之間的配合關(guān)系決定了資源轉(zhuǎn)化效率、能源消耗和環(huán)境影響的程度。因此,揭示鋼鐵制造系統(tǒng)物料資源和環(huán)境排放之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是優(yōu)化鋼鐵制造單元、改善單元過(guò)程的功能-結(jié)構(gòu)-效率以及降低單元過(guò)程環(huán)境負(fù)荷的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 鋼鐵制造系統(tǒng)的輸入輸出框架模型Fig.1 Input and output of iron and steel making system

表1 鋼鐵制造過(guò)程的物料投入、污染物排放及環(huán)境影響Table 1 Material input,pollutants emission and environmental impact during iron and steel making process

2 鋼鐵制造系統(tǒng)物料資源與環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)模型

投入產(chǎn)出優(yōu)化是將最優(yōu)化理論與投入產(chǎn)出技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)化方法[13]。應(yīng)用投入產(chǎn)出優(yōu)化方法分析鋼鐵制造系統(tǒng)物料資源投入和環(huán)境排放的關(guān)聯(lián)關(guān)系,可為決策者掌握鋼鐵制造過(guò)程的物料投入與環(huán)境排放、實(shí)施鋼鐵工業(yè)的綠色制造提供參考。

為了分析鋼鐵制造過(guò)程物料流和環(huán)境排放流之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,構(gòu)造了鋼鐵制造過(guò)程輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系,如表2所示。

表2 鋼鐵制造過(guò)程的輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 2 Input and output transformation in iron and steel making process

表2中共有m個(gè)輸入量、m+n個(gè)輸出量,其中=1,2,…,m)是保持原物料形態(tài)的輸出量,yk(k=1,2,…,n)是在制造過(guò)程中新產(chǎn)生的物料輸出量。zij表示從輸入物料i(i=1,2,…,m)到保持原形態(tài)的輸出物料j(j=1,2,…,m)的物料流,wik表示從輸入物料i(i=1,2,…,m)到新產(chǎn)生的物料k(k=1,2,…,n)的物料流。

假定制造過(guò)程的輸入和輸出之間有一定的線性關(guān)系,基于物質(zhì)守恒定律,則有

式中:aij、bik為技術(shù)系數(shù)。

在工藝條件不變的情況下,aij、bik固定不變,基于式(1)可得

式(3)可寫成矩陣形式

A和B是制造過(guò)程中的技術(shù)矩陣,A表示在制造過(guò)程輸出中物質(zhì)形態(tài)沒(méi)有變化的系數(shù)矩陣,B表示在制造過(guò)程輸出中產(chǎn)生了新物質(zhì)的系數(shù)矩陣。A是一個(gè)方陣,在制造過(guò)程輸入量數(shù)目和形式不變的情況下,(I-A)是非奇異的,則輸入量X可根據(jù)輸出量Y表示為

式(5)具有特殊意義,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的排放物通常出現(xiàn)在矢量Y中,可以通過(guò)改變制造過(guò)程的輸入來(lái)降低這些環(huán)境排放物的影響。

3 實(shí)例分析

煉鋼是鋼鐵制造系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng),本文以煉鋼工藝過(guò)程為例對(duì)鋼鐵制造系統(tǒng)物料資源與環(huán)境影響關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行分析。煉鋼是將來(lái)自高爐的鐵水配以適當(dāng)?shù)膹U鋼,在煉鋼爐內(nèi)進(jìn)行氧化、脫碳及造渣的工藝過(guò)程,其輸入物料包括生鐵、生石灰和氧氣等,輸出物料主要由鋼、爐渣、粉塵、廢氣(CO和CO2等)組成。某煉鋼工藝過(guò)程在一定操作條件下的物料輸入輸出量數(shù)據(jù)見表3。

表3 煉鋼工藝過(guò)程的物料輸入輸出量轉(zhuǎn)換關(guān)系(單位:kg)Table 3 Input and output transformation of steelmaking process

該煉鋼工藝過(guò)程的輸入矢量X和輸出矢量Y分別為X=[x(Fe),x(C),x(Si),x(O2)]T,Y=[y(Fe2O3),y(CO),y(CO2),y(SiO2)]T,將表3中的數(shù)據(jù)分別代入式(2)和式(4)可求得其技術(shù)系數(shù)矩陣為

則該煉鋼工藝物料輸入輸出關(guān)系為

基于式(6)可對(duì)各種減少污染物排放量的方法進(jìn)行分析。例如,如果將CO和CO2的排放量各減少20%和15%,即輸出向量從Y=[28.65,73.01,8.11,9.73]T改變?yōu)閅=[28.65,58.41,6.89,9.73]T,則輸入向量X=[912.08,37.02,7.04,61.99]T變?yōu)閄=[912.08,29.73,7.05,52.76]T,即物料輸入中的碳含量從37.02 kg減至29.73 kg。這表明,通過(guò)減少碳的輸入量可以顯著改變CO和CO2的輸出量。煉鋼工藝過(guò)程中的碳主要來(lái)自煉鐵時(shí)加入的焦炭,因此,煉鐵時(shí)采用適當(dāng)?shù)慕固苛靠梢詼p少煉鋼過(guò)程中CO和CO2的排放。根據(jù)上述分析可知,鋼鐵綠色制造系統(tǒng)物料資源與環(huán)境影響關(guān)聯(lián)模型可以輔助決策者分析物料輸入與環(huán)境排放之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從而為改善鋼鐵制造過(guò)程的環(huán)境友好性提供解決思路。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中輸入的物料資源是鋼鐵制造系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)境影響的根源。從鋼鐵制造物料資源的輸入著手,對(duì)可能產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行分析,利用資源減量化來(lái)改善鋼鐵制造過(guò)程的環(huán)境友好性是實(shí)施綠色制造的重要技術(shù)基礎(chǔ)。本文提出了一種鋼鐵制造系統(tǒng)物料資源與環(huán)境影響的關(guān)聯(lián)模型,該模型能夠?qū)χ圃爝^(guò)程中的物料流和環(huán)境影響之間的關(guān)系進(jìn)行描述,通過(guò)對(duì)模型中的輸入輸出進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,達(dá)到改進(jìn)輸入、抑制環(huán)境排放流的目的,從源頭上減少鋼鐵制造過(guò)程的環(huán)境污染物排放量。

[1] 劉飛,曹華軍,張華.綠色制造的理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005:1.

[2] 殷瑞鈺.綠色制造與鋼鐵工業(yè)——鋼鐵工業(yè)的綠色化問(wèn)題[J].科技和產(chǎn)業(yè),2003,3(9):25-31.

[3] 謝企華.鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的途徑[J].中國(guó)工程科學(xué),2005,7(5):9-15.

[4] 但智鋼,蒼大強(qiáng),宗燕兵,等.工業(yè)生態(tài)學(xué)理論在生態(tài)鋼鐵工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29(10):98-101.

[5] 陸鐘武.關(guān)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)幾個(gè)問(wèn)題的分析研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2003,16(5):1-6.

[6] 殷瑞鈺.關(guān)于鋼鐵制造流程的研究[J].金屬學(xué)報(bào),2007,43(11):1 121-1 128.

[7] Hayashi Seiichi,Tamaki Wakana,Tomota Yo.Relationship between scrap mixing and steel products for electric furnace[J].Journal of the Iron and Steel Institute of Japan,2005,91(1):147-149.

[8] 戴鐵軍.論鐵資源效率、環(huán)境效率和廢鋼指數(shù)間的關(guān)系[J].中國(guó)冶金,2008,18(7):40-44.

[9] 孫浩,涂序彥.基于協(xié)調(diào)學(xué)的鋼鐵工業(yè)節(jié)能模式研究[J].冶金能源,2006(1):3-5.

[10] 馬珊珊,齊二石,霍艷芳,等.鋼鐵行業(yè)綠色制造評(píng)價(jià)體系研究[J].科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理,2007,28(9):194-196.

[11] 江志剛,張華,但斌斌.鋼鐵企業(yè)實(shí)施綠色制造技術(shù)的策略研究[J].冶金設(shè)備,2005(2):44-47.

[12] 杜濤,蔡九菊.鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流、能量流和污染物流研究[J].鋼鐵,2006,41(4):82-87.

[13] 江志剛,張華,肖明.制造過(guò)程資源消耗和環(huán)境影響分析模型及應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2008,28(7):132-137.