近年来，我国多地持续出现严重的灰霾天气.减少以可吸入颗粒物(PM₁₀)、细颗粒物(PM_2.5)和总悬浮颗粒物(TSP)为特征污染物的烟粉尘排放，是有效缓解我国灰霾天气、改善城市空气质量的主要途径之一.我国钢铁工业的烟粉尘治理，迫在眉睫.据中国钢铁工业协会统计，2012年全国重点统计企业的吨钢烟粉尘排放量为0.99 kg/t钢，韩国浦项钢铁公司2011年的排放量仅为0.11 kg/t钢.如果我国钢铁企业的烟粉尘排放指标达到国外先进水平，其排放总量将降低一半以上.

物质流分析(material flow analysis,MFA)是对某个区域的物质出入量进行定量和定性分析的一种方法，是在工业代谢理论和社会代谢理论基础上提出的^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}.目前，利用物质流分析方法对钢铁生产企业的生产过程及烟粉尘排放进行分析并找到关键技术点的研究较少.为此，选择一个典型钢铁生产企业，选择钢铁生产过程为一个系统，利用物质流分析法构建物质代谢模型，通过投入指标、消耗指标和产出指标的计算分析，力求找到钢铁企业烟粉尘排放指标的影响因素，提出企业节能减排和产业结构调整的方向性建议，推动钢铁行业的可持续发展.

冶金工业属于流程制造业，流程制造业是以天然资源为初始原料，在输入能源的支持下，按特定的工艺流程加工出期望产品的过程工业，经过若干道生产工序，经一系列物理和化学变化，且每道工序均消耗能源和非能源，还产生各种废弃物和副产品，各工序的产出产品(中间产品)作为下一工序的物质投入，如图 1所示.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 流程制造业生产过程物流模型 Fig. 1 Production material flow model of flow manufacturing

本研究的系统边界界定为钢铁产品的生产过程及其周边环境，包括烧结、炼焦、炼铁、炼钢、铸钢及轧钢等工序，周边环境是指外部能源和资源的投入、内部产品的产出及污染物和废弃物的排放等.只考虑生产过程各工序的资源能源消耗和烟粉尘排放，暂不考虑诸如原材料的获取、加工、销售等过程，如图 2所示.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 某钢铁企业高炉-转炉长流程代谢平衡图 Fig. 2 Metabolic balance diagram of BF-BOF process in an iron and steel enterprise

选取典型钢铁生产企业作为研究对象，基于企业实际生产数据，采用物质流分析法(MFA)，根据物质流分析指标定量化描述资源能源消耗和烟粉尘排放的情况，分析生产各工序的物质代谢情况，力图找到企业实现“低耗、高产、减排”的有效途径.

采用的基础数据来自某钢铁企业实际生产数据和环境监测数据(由于钢铁企业数据不易获得，因此仅选取一个生产能力和设备具有代表性的企业进行分析研究).以生产1t钢统计，钢铁企业生产长流程和短流程代谢平衡图如图 2，图 3所示.长流程投入产出表如表 1，表 2所示，其中外部流和内部流分别指研究边界外与系统相关的物质流动和研究边界内的中间产品.高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气及部分废铁用于系统内部循环.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 某钢铁企业电炉短流程代谢平衡图 Fig. 3 Metabolic balance diagram of EAF process in an iron and steel enterprise

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 某钢铁企业高炉-转炉长流程资源能源投入表 Table 1 Resources and energy input table of BF-BOF process in an iron and steel enterpris 投入 单位 烧结工序 炼焦工序 炼铁工序 炼钢工序 连铸工序 热轧工序 外部流 内部流中间产品 资源 铁矿石 kg/t钢 1 202.68 36.76 1 239.44 石灰石 kg/t钢 180.16 180.16 白云石 kg/t钢 34.25 5.34 39.59 生石灰 kg/t钢 20.61 62.46 83.07 球团 kg/t钢 250.00 250.00 润滑油 kg/t钢 3.50 2.19 2.46 33.85 42.00 耐火材料 kg/ t钢 63.19 0.14 63.33 自来水 m3/t钢 0.35 90.60 0.54 13.27 104.76 废铁 kg/t钢 295.54 209.32 86.22 烧结矿 kg/t钢 1 307.71 1 307.71 生铁 kg/t钢 947.16 947.16 粗钢 kg/t钢 1 042.66 1 042.66 铸钢 kg/t钢 358.30 358.30 循环冷却水 m3/t钢 0.43 0.536 23.08 9.78 1.40 35.23 能源 电能 kW·h/t钢 79.2 29.8 25.52 27.80 10.62 40.49 213.44 无烟煤 kg/t钢 10.56 10.68 21.24 洗精煤 kg/t钢 591.5 591.5 焦粉 kg/t钢 59.83 59.83 焦炭 kg/t钢 428.27 97.46 330.81 焦炉煤气 m3/t钢 4.81 3.5 72.76 3.85 38.76 123.68 天然气 m3/t钢 0.39 0.41 0.10 2.71 3.61 高炉煤气 m3/t钢 7.25 438.92 596.06 8.45 28.65 1 079.33 转炉煤气 m3/t钢 0.36 0.36

表 1 某钢铁企业高炉-转炉长流程资源能源投入表 Table 1 Resources and energy input table of BF-BOF process in an iron and steel enterpris

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 某钢铁企业高炉-转炉长流程产出表 Table 2 Output table of BF-BOF process in an iron and steel enterprise 投入 单位 烧结工序 炼焦工序 炼铁工序 炼钢工序 连铸工序 热轧工序 外部流 内部流中间产品 产品 烧结矿 kg/t钢 1 307.71 1 307.71 焦炭 kg/t钢 330.81 330.81 生铁 kg/t钢 947.16 947.16 粗钢 kg/t钢 1 042.66 1 042.66 铸钢 kg/t钢 1 000.00 641.70 358.30 轧钢 kg/t钢 358.30 358.30 副产品 高炉渣 kg/t钢 303.22 303.22 转炉渣 kg/t钢 141.11 141.11 主要污染物 烟粉尘 g/t钢 291.48 39 233 82.9 1.68 648.08 SO2 g/t钢 1 014 10 6 4 1 034 NOx g/t钢 773 18 4 21 815 CO2 g/t钢 1 321 809 CO g/t钢 31 630

表 2 某钢铁企业高炉-转炉长流程产出表 Table 2 Output table of BF-BOF process in an iron and steel enterprise

在参照欧盟物质流分析指标的基础上，结合钢铁企业实际情况，采用以下三大类指标，即能源利用指标、资源利用指标和污染物排放指标^[10].

1) 能源利用指标:

2) 资源利用效率:

3) 污染物排放指标:

根据上述生产数据及分析指标，可计算该钢铁企业生产流程物质代谢数据结果，见表 3.

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 某钢铁企业生产流程物质代谢分析(企业层面) Table 3 Material metabolism analysis of the iron and steel enterprise production(enterprise level) 分析指标 高炉-转炉长流程 电炉短流程计算值 烧结份额 炼焦份额 炼铁份额 炼钢份额 铸钢份额 热轧份额 计算值 Ee(kgce/t钢) 32.00 12.04 10.31 4.54 4.29 16.36 79.54 168.42 Eh(kgce/t钢) 75.07 533.1 572.2 4.94 0.12 29.05 1 214.51 5.79 Et(kgce/t钢) 107.07 545.15 582.53 9.48 4.41 45.41 1 294.05 174.21 Mt(t/t钢) 1.96 25 155.10 11.40 15.10 208.6 1.31 DTSP(g/ t钢) 291.48 39 233.01 82.90 - 1.68 648.08 67

表 3 某钢铁企业生产流程物质代谢分析(企业层面) Table 3 Material metabolism analysis of the iron and steel enterprise production(enterprise level)

由表 3可知，高炉-转炉长流程吨钢烟粉尘排放量是电炉短流程排放量的近10倍，究其原因主要是能源结构不同引起的.长流程吨钢能源消耗总量是短流程的近7.5倍，燃料能消耗量大导致烟粉尘排放量大，因为烟粉尘细颗粒物主要来源于燃料燃烧.而吨钢烟粉尘排放量的主要贡献者是烧结和炼铁工序，分别占排放总量的45%和36%.此外，吨钢总资源消耗及利用率也是影响烟粉尘排放的主要因素之一，资源消耗量越少，利用率越高，烟粉尘排放量就越小.

工序层面物质代谢分析结果见表 4.各工序中，炼铁、烧结和炼焦工序的单位产品烟粉尘排放量较大，分别为245.27 g/t铁、222.50 g/t烧结矿、118.20 g/t焦，主要原因是燃料能消耗量大.同时也注意到，烧结和炼铁工序的烟粉尘排放量最高却不是燃料能消耗最大的工序，这主要与工序排放的烟粉尘粒度分布及除尘效率有关.

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 某钢铁企业生产流程物质代谢分析(工序层面) Table 4 Material metabolism analysis of the iron and steel enterprise production(process level) 分析指标 烧结工序 炼焦工序 炼铁工序 炼钢工序 铸钢工序 热轧工序 Ee 24.42 36.48 10.85 4.54 4.29 16.36 Eh 57.31 1 615.45 602.32 4.94 0.12 29.05 Et 81.73 1 652.00 613.20 9.48 4.41 45.21 Mt 1.50 26.32 155.10 11.40 15.10 DTSP 222.50 118.20 245.27 82.90 - 1.68 注：为便于比较Ee,Eh,Et单位均换算为kgce /t产品;Mt单位为t/ t产品;DTSP单位为g/ t产品.

表 4 某钢铁企业生产流程物质代谢分析(工序层面) Table 4 Material metabolism analysis of the iron and steel enterprise production(process level)

研究表明^{[11, 12]}烧结机头、高炉出铁场及焦炉出焦时PM₁₀/TSP的值分别为99.4%，50.8%，8%.因此工序吨产品烟粉尘排放量指标同时受资源能源消耗量、颗粒物粒度分布及除尘效率的影响.

1) 没有过量的消耗就没有多余的排放.钢铁工业应调整能源结构，从源头控制污染物的排放，将资源能源的高效利用和污染物减排工作重点放在烧结和炼铁工序.

2) 从环境污染和清洁生产的角度，电炉短流程可以在一定程度上解决钢铁行业的污染物排放问题，因此钢铁企业需考虑如何将高炉-转炉长流程和电炉短流程有效地结合，调整生产流程结构以减少环境压力.

3) 工序吨产品烟粉尘排放量指标同时受资源能源消耗量、颗粒物粒度分布及除尘效率的影响. 钢铁工业应加强对于细颗粒物的控制研究和实践.

本文采用物质流分析法定量分析了典型钢铁企业资源能源利用及烟粉尘排放情况，根据计算结果和分析提出了企业节能减排和产业结构调整的方向性建议，从而促进钢铁企业减少环境压力，实现可持续发展.