钢铁绿色制造系统物料资源与环境影响关联模型研究

江志刚,张 华,,鄢 威,赵 刚,王艳红

(1.武汉科技大学冶金装备及其控制省部共建教育部重点实验室,湖北武汉,430081;2.武汉科技大学绿色制造与节能减排科技研究中心,湖北武汉,430081)

钢铁工业为原材料制造业,属于国民经济的基础产业。同时,钢铁工业也是高能耗、高水耗、高污染的产业。绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式,其目标是使产品在设计、制造、包装、使用到报废处理的整个生命周期中,对环境负面影响小、资源利用率高、综合效益大,使企业经济效益与社会效益得到协调优化[1]。绿色制造是解决钢铁工业资源消耗和环境污染问题的根本方法,是实现钢铁企业可持续发展的有效途径[2-3]。

钢铁工业实施绿色制造引起了研究人员的广泛关注。文献[4]构建了钢铁制造系统资源和能源的厂矿层次、企业层次以及企业与社会层次的循环,建立了生态钢铁工业产业链和社会功能链模型。文献[5-6]指出,在钢铁工业经济系统中有企业内部的小循环、企业之间的中循环和产品使用报废后的重新利用等3个层面上的循环。文献[7]研究了含不同成分的废钢按不同比例混合在电炉中炼钢对产品品质和环境排放的影响。文献[8]研究了高炉-转炉流程、电炉流程和混合流程等不同的生产工艺对铁资源利用效率的影响。文献[9]基于协调学原理,提出了钢铁工业的导引协调、循环协调、分组协调和全息协调的节能模式。文献[10]建立了钢铁行业绿色制造评价指标体系,用于对钢铁行业环保问题的监督、管理和改进。以上研究从生态模式、工艺技术革新和绿色评价技术等方面为钢铁制造系统的资源循环利用提供了有效途径,本文则对钢铁制造系统源头上的物料资源与环境影响的关联性进行分析,以期为降低资源消耗、减少环境污染物排放量提供技术参考。

1 钢铁制造系统输入输出框架模型

从本质上看,钢铁制造系统是集物质状态转变、物质性质控制以及物流有序、有效管制于一体的生产制造体系[11]。一般地说,钢铁制造系统中存在3种不同的物质流动:①物料流,即矿石、烧结矿、铁水、钢水及辅助原料(如油、空气、化学品、耐火材料、合金、精炼材料和水等物质)的流动;②能量流,即煤炭、蒸汽、煤气、电等能源物质的流动;③环境排放流,即含铁副产品、CO2、SO2、NOx、粉尘、残渣等排放物的流动[12]。钢铁制造系统是在物料资源和能量流的配合下,经过一系列工序而形成主副产品的输入输出系统,如图1所示。

钢铁制造的每一道工序都有不同的物料投入,生成主副产品的同时产生各种环境影响,如表1所示。这些不同的物料投入是钢铁制造系统资源消耗和环境影响的根源,它们之间的配合关系决定了资源转化效率、能源消耗和环境影响的程度。因此,揭示钢铁制造系统物料资源和环境排放之间的关联关系是优化钢铁制造单元、改善单元过程的功能-结构-效率以及降低单元过程环境负荷的重要技术基础。

图1 钢铁制造系统的输入输出框架模型Fig.1 Input and output of iron and steel making system

表1 钢铁制造过程的物料投入、污染物排放及环境影响Table 1 Material input,pollutants emission and environmental impact during iron and steel making process

2 钢铁制造系统物料资源与环境影响的关联模型

投入产出优化是将最优化理论与投入产出技术相结合的优化方法[13]。应用投入产出优化方法分析钢铁制造系统物料资源投入和环境排放的关联关系,可为决策者掌握钢铁制造过程的物料投入与环境排放、实施钢铁工业的绿色制造提供参考。

为了分析钢铁制造过程物料流和环境排放流之间的关联关系,构造了钢铁制造过程输入输出转换关系,如表2所示。

表2 钢铁制造过程的输入输出转换关系Table 2 Input and output transformation in iron and steel making process

表2中共有m个输入量、m+n个输出量,其中=1,2,…,m)是保持原物料形态的输出量,yk(k=1,2,…,n)是在制造过程中新产生的物料输出量。zij表示从输入物料i(i=1,2,…,m)到保持原形态的输出物料j(j=1,2,…,m)的物料流,wik表示从输入物料i(i=1,2,…,m)到新产生的物料k(k=1,2,…,n)的物料流。

假定制造过程的输入和输出之间有一定的线性关系,基于物质守恒定律,则有

式中:aij、bik为技术系数。

在工艺条件不变的情况下,aij、bik固定不变,基于式(1)可得

式(3)可写成矩阵形式

A和B是制造过程中的技术矩阵,A表示在制造过程输出中物质形态没有变化的系数矩阵,B表示在制造过程输出中产生了新物质的系数矩阵。A是一个方阵,在制造过程输入量数目和形式不变的情况下,(I-A)是非奇异的,则输入量X可根据输出量Y表示为

式(5)具有特殊意义,对环境产生影响的排放物通常出现在矢量Y中,可以通过改变制造过程的输入来降低这些环境排放物的影响。

3 实例分析

炼钢是钢铁制造系统的一个重要子系统,本文以炼钢工艺过程为例对钢铁制造系统物料资源与环境影响关联模型进行分析。炼钢是将来自高炉的铁水配以适当的废钢,在炼钢炉内进行氧化、脱碳及造渣的工艺过程,其输入物料包括生铁、生石灰和氧气等,输出物料主要由钢、炉渣、粉尘、废气(CO和CO2等)组成。某炼钢工艺过程在一定操作条件下的物料输入输出量数据见表3。

表3 炼钢工艺过程的物料输入输出量转换关系(单位:kg)Table 3 Input and output transformation of steelmaking process

该炼钢工艺过程的输入矢量X和输出矢量Y分别为X=[x(Fe),x(C),x(Si),x(O2)]T,Y=[y(Fe2O3),y(CO),y(CO2),y(SiO2)]T,将表3中的数据分别代入式(2)和式(4)可求得其技术系数矩阵为

则该炼钢工艺物料输入输出关系为

基于式(6)可对各种减少污染物排放量的方法进行分析。例如,如果将CO和CO2的排放量各减少20%和15%,即输出向量从Y=[28.65,73.01,8.11,9.73]T改变为Y=[28.65,58.41,6.89,9.73]T,则输入向量X=[912.08,37.02,7.04,61.99]T变为X=[912.08,29.73,7.05,52.76]T,即物料输入中的碳含量从37.02 kg减至29.73 kg。这表明,通过减少碳的输入量可以显著改变CO和CO2的输出量。炼钢工艺过程中的碳主要来自炼铁时加入的焦炭,因此,炼铁时采用适当的焦炭量可以减少炼钢过程中CO和CO2的排放。根据上述分析可知,钢铁绿色制造系统物料资源与环境影响关联模型可以辅助决策者分析物料输入与环境排放之间的关联关系,从而为改善钢铁制造过程的环境友好性提供解决思路。

4 结语

钢铁生产过程中输入的物料资源是钢铁制造系统产生环境影响的根源。从钢铁制造物料资源的输入着手,对可能产生的环境问题进行分析,利用资源减量化来改善钢铁制造过程的环境友好性是实施绿色制造的重要技术基础。本文提出了一种钢铁制造系统物料资源与环境影响的关联模型,该模型能够对制造过程中的物料流和环境影响之间的关系进行描述,通过对模型中的输入输出进行关联分析,达到改进输入、抑制环境排放流的目的,从源头上减少钢铁制造过程的环境污染物排放量。

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