高爐渣質能耦合處理系統的綜合評價

李佩詩，段文軍，吳沁停，宋慧聰

東北大學冶金學院

鋼鐵工業是我國國民經濟的支柱產業，也是高能耗、高排放行業。高爐渣作為鋼鐵工業的主要副產品，其排出溫度為1 723～1 823 K[1]，蘊含豐富的余熱資源，并含有大量有價組分，可用作其他產品的生產原料。我國高爐渣的年產量約為3億t[2]。盡管當前的高爐渣利用率不斷提升，但所制得的多是低附加值產品，且對高爐渣的利用能力有限。同時，由于產量基數過大，仍有大量高爐渣未被有效利用。這不僅是對資源的浪費，而且堆積的爐渣還會侵占土地、污染環境甚至危害人體健康[3]。因此，高效回收高爐渣余熱并利用高爐渣制備高附加值產品對我國經濟社會的持續健康發展至關重要。

當前高爐渣余熱回收主要采用水淬法，但該法會浪費大量新水且生成污染氣體，故許多學者開始探索新的方法[4-7]，比如物理法和化學法等。物理法主要包括機械破碎法、風淬法和離心?；?。如康月等[4]通過對高爐渣進行不同堿度的調質，研究了高爐渣的流動性、表面張力和結晶行為，并分析了高爐渣物理特性對?；Ч挠绊懀约案郀t渣作為氣淬噴吹原料的可行性；萬新宇等[5]研究了輪式?；鬓D速、霧化冷卻水量等條件對高爐渣?；w粒粒徑分布、球形度等的影響，得出了高爐渣干法輪式?；O備的最佳運行參數?；瘜W法主要是利用甲烷-水蒸氣重整反應、煤氣化反應和生物質熱解及氣化反應來回收高爐渣余熱。如Maruoka等[6]用Ni催化甲烷-水蒸氣重整反應來回收高爐渣余熱，使其顯熱的回收率達到51%；Duan等[7]以高爐渣為熱載體進行了煤氣化制取富氫合成氣的試驗研究。關于高爐渣資源化利用的研究則主要集中在微晶玻璃[8-9]、復合材料[10-11]等方面。如Ma等[8]以高爐渣為原材料通過一步處理法制備了CaO-MgO-Al2O3-SiO2微晶玻璃；蒲華俊等[9]提出了一種無需經過熱處理即可制得具有金色星點的微晶玻璃的方法；Zhang等[10]利用高爐渣制備了一種新型石墨烯地質聚合物，并研究了其微觀結構和光學性能；Zhang等[11]將高爐渣分別與3種不同材料混合制備出高溫復合相變材料，并對其相變性能和熱可靠性進行了研究。

對于高爐渣的處理，當前研究主要集中于余熱回收或資源化利用中的某一方面，能夠兼顧二者的綜合利用技術較少。筆者基于高爐渣的排出溫度及其成分組成，提出了一種新型的高爐渣質能耦合處理系統，可高效回收高爐渣余熱，并制備出沸石和類水滑石2種CO2吸附劑[12-13]。通過對高爐渣質能耦合處理系統展開全生命周期分析，識別了各種負擔的主要來源，比較了不同單元的綜合表現，以期為該系統的進一步優化提供理論指導。此外，根據系統特性，分析了其在環境、能源和經濟方面的效益，以期為其進一步推廣應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 高爐渣質能耦合處理系統

新型高爐渣質能耦合處理系統原理如圖1所示：溫度為1 773 K的高溫高爐渣進入氣化爐中，為煤氣化反應提供熱源；在離心力的作用下，高爐渣被?；晒腆w顆粒；顆粒渣進入下一階段的氣化爐中。在氣化反應中生成的合成氣可以作為化工原料被出售。高爐渣中剩余的熱量被余熱鍋爐回收利用而產生蒸氣。生成的蒸氣不僅可以用于發電，還能在本系統中循環使用。通過將物理余熱回收法和化學余熱回收法相結合，有效地回收了高爐渣中的余熱。同時，渣中所含的有價組分為后續的資源化利用提供了條件。

圖1 高爐渣質能耦合處理系統工藝流程Fig.1 Flowsheet of the mass-energy coupling treatment system for blast furnace slag

充分回收余熱后的高爐渣顆粒，經球磨機研磨至74 μm以下，在353 K的溫度下經HCl酸浸2 h后，渣中的組分被有效分離后制得中間產物硅膠。使硅膠依次與NaOH、NaAlO2發生反應，得到凝膠態液體。然后在晶化時間6 h、晶化溫度363 K的條件下經水熱合成制得沸石。同時，在pH為11.5、溫度為343 K的條件下，利用酸浸液和NaOH發生共沉淀反應得到類水滑石母液，再經過8 h晶化處理得到類水滑石。

根據研究結果，作出如下假設：1）從1 t高爐渣中共可回收1 157.94 MJ的能量；2）利用1 t高爐渣的余熱可生產蒸氣約0.22 t，合成氣約198.31 m3；3）每處理1 t高爐渣可制得0.5 t沸石和0.6 t類水滑石；4）在最佳制備條件下獲得的沸石和類水滑石的最大CO2吸附能力分別為127.01和147.49 mg/g；5）2種吸附劑的循環吸附次數為50次。

1.2 功能單位與系統邊界

功能單位為所研究系統的輸入輸出提供了量化的參考，本文中以處理1 t高爐渣為功能單位。系統生命周期邊界的確定依據“從搖籃到大門”的理論，具體如圖2所示，主要包含余熱回收和資源化利用2個階段，共分為5個單元。其中，所需化學品的生產過程以及電力生產過程所造成的影響被考慮在內，而對于生產設備的建造和原材料的運輸過程不予考慮。

圖2 高爐渣質能耦合處理系統生命周期邊界Fig.2 System boundary of the mass-energy coupling treatment system for blast furnace slag

1.3 清單分析

清單分析是將研究系統的輸入輸出數據經過收集、整理，并基于功能單位進行匯編的過程，也是極為關鍵的一步[14]。高爐渣處理全過程的直接輸入輸出數據依據前期試驗得到，對于有關上游生產過程的背景數據從相關文獻[15-17]及國外數據庫中獲得。對于缺失的背景數據，則基于已知的化學反應，通過簡化假設的方法得到。由于本系統尚處于試驗研究階段，故選取實際工業生產中相似設備的功率替代實驗室設備的功率數據，以更好地反映系統在投入工業化生產后的情況。高爐渣質能耦合處理系統的輸入輸出清單如表1所示，該清單也是后續計算資源、能源消耗及經濟成本的重要依據。

表1 系統清單數據[15-17]Table 1 Inventory data of the system

1.4 評價方法

1.4.1 生命周期評價

生命周期評價被廣泛應用于分析某產品或工藝所造成的環境影響[18]。其中，影響評價這一步驟旨在將清單分析結果轉化成潛在環境影響[19]。利用CML2001-Dec.07方法，并選取全球變暖潛值（global warming potential，GWP），酸化潛值（acidification potential，AP），富營養化潛值（eutrophication potential，EP），人體毒性潛值（human toxicity potential，HTP），光化學臭氧生成潛力（photochemical oxidation potential，POCP）5個環境指標，將所得輸入輸出清單數據進行分類、特征化和歸一化，得到不同單元的環境影響潛值。

1.4.2 資源、能源消耗

系統的生命周期資源消耗包括能源資源和非能源資源消耗。能源資源指化學余熱回收單元中作為氣化反應原料的煤，非能源資源則包括氣化反應消耗的水以及物理余熱回收單元中用于產生蒸氣的水，此外還有資源化利用階段使用的化學品。系統的能源消耗指高爐渣處理全過程中的設備耗電。

1.4.3 生命周期成本

生命周期成本是用于評估某系統在經濟方面可行性的重要手段?？偝杀究蓜澐譃閮炔砍杀竞屯獠砍杀?，如表2所示。內部成本主要包括材料成本和能源成本，外部成本指由于污染物排放所帶來的成本。結合當下日益嚴重的全球變暖趨勢以及政策導向，考慮因CO2排放而帶來的成本是十分必要的，其價格為212元/t[20]。處理高爐渣所消耗的電力價格參考有關文獻[21]，化學品和煤的價格來源于阿里巴巴商業網站，水的價格依據國家水費收取標準。

表2 生命周期成本構成Table 2 Components of life cycle cost

1.4.4 多維分析

為了比較不同單元的整體表現，現將評判標準劃分為環境影響、資源消耗、能源消耗和經濟成本4個方面并進行標準化，計算公式[22]如下：

式中：dij為第j個單元的第i個指標；min(di)為第i個指標的最小值；yij為第j個單元第i個指標的標準化得分。得分越高，說明對應的單元在該方面的表現越好。對于環境影響方面涉及的5個指標，采用等權重方法，即將不同環境影響潛值歸一化結果直接累加得到總環境影響。

2 結果與討論

2.1 主要貢獻者的識別

2.1.1 環境影響

總環境影響的主要貢獻者識別結果如圖3所示。從圖3可以看出，GWP是最主要的環境問題，貢獻率高達47.68%，其次是AP，貢獻率為37.46%。而EP、HTP的影響較小，累計貢獻率不到5%。

圖3 不同環境指標對總影響的貢獻Fig.3 Contribution of each environmental indicator to the total impact

為了更精準地定位系統環境影響的主要來源，依次從單元和具體輸入的層面分析了不同環境影響的主要貢獻者，結果分別如表3和表4所示。由表3可知，預處理是所有環境指標的最主要貢獻者，其貢獻率均在40%以上。這是由于在預處理單元中使用了大量HCl，而HCl的上游生產過程需要消耗大量原料、能量，伴隨有嚴重的污染物排放[23]，因而折算到預處理的環境負荷將大大增加。制沸石單元是所有指標的第二大貢獻者，其貢獻率為20.33%～30.52%。化學、物理余熱回收單元的環境影響程度極小，對各指標的貢獻率均在1%以下。

表3 不同單元對各環境指標的貢獻Table 3 Contribution of each unit to each environmental indicator

表4 關鍵輸入對各環境指標的貢獻Table 4 Contributions of key inputs to each environmental indicator

由表4可知，HCl的使用是所有環境影響的最主要來源，其對AP、EP、HTP、POCP的貢獻率均在50%以上，對GWP的貢獻率也高達47.70%。因此，減少HCl的用量或使用其他替代品是減輕本系統環境影響的關鍵。此外，NaOH的總消耗量是NaAlO2的8.5倍，但二者對環境影響的貢獻程度卻相差不大，可見生產單位質量NaAlO2的環境負荷比NaOH更大。這是因為NaAlO2的制備與高能耗、高排放的鋁工業密切相關，且其生產鏈比NaOH更為復雜。然而，再生鋁生產的總能耗僅為原生鋁的4.86%[24]，因此積極發展再生鋁工業將有利于降低NaAlO2生產的環境負荷，從而進一步減輕本系統的環境影響。電力消耗對各環境指標的貢獻率均在10%左右。

2.1.2 資源、能源消耗

系統處理1 t高爐渣的資源消耗總量約2.8 t，各單元具體消耗資源種類、數量及貢獻率如圖4所示。由圖4可知，在所消耗的資源中，HCl消耗量最大且全部用于預處理，NaOH位居第二位。只在化學余熱回收單元中消耗了少量的煤，而水則主要用于物理余熱回收單元。此外，預處理單元消耗的資源量最大，貢獻率為50%，化學余熱回收單元消耗的資源量最少，貢獻率僅為4.19%。總體來看，資源消耗主要集中在高爐渣資源化利用階段，而余熱回收階段對總消耗量的貢獻率僅為11.14%。

圖4 各單元資源消耗情況Fig.4 Resource consumption of each unit

在所有消耗的資源中，不同類型資源的貢獻率如圖5所示。其中，能源資源的貢獻率僅為1.43%，絕大多數都是非能源資源的形式。而非能源資源中又以HCl和NaOH為主，二者對總消耗量的貢獻率依次為61.98%、24.05%。

圖5 不同資源對總資源消耗量的貢獻Fig.5 Contribution of different resources to the total resource consumption

系統處理1 t高爐渣的能量消耗約為475 MJ。如圖6所示，制類水滑石單元的能耗貢獻率高達42.12%，其次是制沸石單元，貢獻率為37.91%。這是因為在制備沸石和類水滑石的過程中需要較高的溫度、較長的時間以完成晶化處理。此外，過濾得到的產品還需要消耗大量熱能來干燥。余熱回收階段2個單元的能耗之和不到總量的5%。

圖6 各單元能源消耗量對總能耗貢獻Fig.6 Contribution of each unit to the total energy consumption

2.1.3 經濟成本

由于與上游生產過程相關的成本已經包含在材料和能源成本中，故系統的生命周期成本只需計算高爐渣處理過程中直接發生的成本。涉及的各項成本如表5所示。由表5可見，處理1 t高爐渣的生命周期總成本將近3 926元，其主要貢獻者為內部成本，貢獻率為91.89%。內部成本中，HCl和NaOH的成本貢獻率高。由于CO2排放而帶來的外部成本為318.29元，對總成本的貢獻率僅為8.11%。

表5 生命周期成本數據清單Table 5 Inventory data of life cycle cost

圖7顯示了各單元對不同種類成本的貢獻率。從圖7可以看出，污染成本和材料成本主要來自預處理單元，能源成本主要來自制沸石和制類水滑石單元?；瘜W、物理余熱回收單元對各類成本的貢獻都很小，均在5%以下。值得注意的是，污染成本在各單元中的分布情況和材料成本而非能源成本具有相似性，這是由于污染物的排放主要來自原料的上游生產過程，而下游高爐渣處理過程中設備消耗電力所造成的排放很少。

圖7 各單元對不同成本的貢獻Fig.7 Contribution of each unit to different costs

2.2 系統效益

在日益嚴峻的全球變暖形勢以及不斷完善的碳交易機制背景下，筆者提出的高爐渣處理系統與其他系統相比具有以下優勢：1）冷卻高爐渣的過程中，通過將物理余熱回收和化學余熱回收相結合，有效利用了高爐渣的高品質余熱，不僅實現了能源的節約，還制得了合成氣和蒸氣2種副產品，可帶來額外收益。2）高爐渣資源化過程制備的產品沸石和類水滑石都是性能優良、再生性好的吸附劑，可用于吸附CO2，從而產生可觀的環境和經濟效益?；诖?，定量分析系統特性所帶來的環境、能源和經濟效益，結果如表6所示。

由表6可知，在CO2排放方面，每處理1 t高爐渣，系統的CO2排放量為1 501.38 kg，其主要來自預處理單元，貢獻率高達47.96%。而制得的沸石和類水滑石共可吸附7 600.06 kg CO2，使得系統最終的CO2凈排放量為-6 098.68 kg。這說明除了吸附本系統產生的CO2，產品還可額外吸附大量系統之外的CO2。盡管在2.1.1節中提到，GWP是系統產生環境問題的最主要指標，但產品對CO2巨大的吸附能力足以抵消這一不良環境影響。

表6 系統效益分析Table 6 Analysis of the system benefits

在能源消耗方面，盡管在高爐渣處理的過程中消耗了一定能量，但在2個余熱回收單元中回收利用的能量值遠遠超過了所消耗的（約為消耗能量的2.4倍），使得系統的最終凈能耗為負值。

在經濟成本方面，系統的生命周期成本主要產生于高爐渣資源化利用階段，尤其是預處理單元，其對總成本的貢獻率接近50%。依據當前中國市場，取蒸氣單價為280元/t，合成氣單價為0.88元/m3（標準狀況下體積，下同），計算出通過出售余熱回收階段生成的副產品合成氣和蒸氣可獲得234.96元的收入。此外，將制備的產品用于吸附CO2會使碳排放權配額出現盈余，出售多余的碳排放權配額可獲得1 612.66元的收益，對總收益的貢獻率為87.28%?？紤]到以上兩方面的收益，系統的總成本降至2 078.24元，僅為原生命周期（未考慮兩方面收益）成本的52.94%。

2.3 系統優化分析

2.3.1 綜合評價

由圖8可知，預處理單元的綜合表現最差，在4個方面中的標準化值都接近0。因此，提升預處理單元的各方面表現將是整個系統優化的關鍵。物理余熱回收單元在環境影響、能源消耗和經濟成本方面都表現最好，在資源消耗方面位居第二位，主要是因為該單元中消耗了大量水用于產生蒸氣。除物理余熱回收以外的其他4個單元的最大短板都是經濟成本，尤其是對于化學余熱回收單元。因此，降低經濟成本可有效提升4個單元的綜合表現。

圖8 各單元的綜合表現比較Fig.8 Comparison of the overall performance of each unit

2.3.2 敏感性分析

通過將4種輸入參數分別單獨減少5%，然后對比參數變化前后各評價指標的變化情況來分析不同輸入的敏感性，結果如圖9所示。由圖9可見，除了能源消耗，其他指標都對HCl最為敏感，而能源消耗只受電力消耗變化的影響。整體來看，除能源消耗以外的其他指標對電力的敏感性都較低。除AP和POCP外，大部分指標對NaOH的敏感性高于NaAlO2。

圖9 敏感性分析結果Fig.9 Results of the sensitivity analysis

3 結論

（1）系統的環境影響主要是取全球變暖潛值，資源消耗主要是非能源資源，經濟成本主要來自于內部成本。預處理單元是系統環境影響、資源消耗和經濟成本的主要貢獻者，制類水滑石單元是能源消耗的主要貢獻者。

（2）全面考慮系統特性時，處理1 t高爐渣的CO2排放量為-6 098.68 kg，能源消耗為-682.68 MJ，經濟成本為2 078.24元。

（3）由綜合評價可以看出：在所有單元中，預處理的綜合表現最差，是系統進一步優化的關鍵所在。大多數單元的主要短板都是經濟成本。由敏感性分析可以得出：能源消耗對電力變化最敏感，其他所有指標均對HCl消耗量的變化最敏感。