烧结机超低排放改造环境负荷分析

曹晓明 班华 马志明 高馨梅 王健奇 季雅露

［1. 包钢集团节能环保中心，内蒙古包头 014010；2. 中国北方稀土（集团）高科技股份有限公司，内蒙古包头 014030］

1 引言

打好污染防治攻坚战，打赢蓝天保卫战是党中央、国务院的重要方针政策。超低排放改造是推进实施钢铁行业高质量发展、促进产业转型升级，打好两场战役的重要措施［1-2］。2019 年中央五部委联合印发《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（以下简称《意见》），要求到2020 年年底前，重点区域钢铁企业超低排放改造取得明显进展，力争60%左右产能完成改造；到2025 年年底前，重点区域钢铁企业超低排放改造基本完成，全国力争80%以上产能完成改造［3］。超低排放已经成为钢铁企业关注的焦点，包钢集团作为大型钢铁企业，已经投入大量资金开展超低排放改造工作，确保按照时限要求完成改造。

烧结工序的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量分别占整个钢铁行业排放总量的30%，60%和50%左右，是钢铁行业大气污染排放量最大的工序［4］，因此是超低排放改造的重点之一。生命周期评价（LCA）是一种从“摇篮到坟墓”的环境管理和分析工具［5］，本文利用该工具对烧结工序超低排放改造的技术方案进行研究，从全生命周期的角度分析改造前后环境负荷的变化情况，为改造工艺和技术的选择提供环境负荷方面的数据支持。经济成本、技术难度等不在本文研究范围内。

2 烧结机超低排放改造分析

《意见》要求，烧结机机头烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度小时均值分别不高于10，35，50 mg/m3，其他主要污染源原则上分别不高于10，50，200 mg/m3；物料储存、输送及生产工艺过程采取密闭、封闭等有效措施，实现无组织排放有效管控。以此为标准，本文以包钢一台265 m2烧结机为研究对象，对该烧结机的一个超低排放备选方案进行LCA 分析。该改造方案如下：对烧结机采用新的密封材料和技术解决漏风问题；对机头进行电除尘改造，降低粉尘浓度。石灰配料设置生石灰消化器，加强设施的维护和管理，减少生石灰环境污染。对烟气脱硫脱硝工艺进行改造，采用石灰石-石膏法湿法脱硫，方案要增设一座湿法脱硫塔，并采用高效除雾器和湿式电除尘器保证出口尘含量达到10 mg/m3要求。脱硫后设置烟气换热装置、补热装置和SCR脱硝装置。烟气换热和补热装置能保证烟气温度提升至中低温SCR 脱硝所需的200 ℃左右的温度范围，同时升温的过程有效解决烟气白色烟羽问题，烟气排放温度约在120 ℃，可见白烟基本消除。通过一系列的改造，可以保证烧结机头各类排放达到超低排放要求。

3 LCA 分析

本文以生产1 kg 烧结矿为功能单位，利用LCA方法计算分析烧结机进行超低排放改造前后的环境负荷变化。根据实际生产情况综合分析后选取CML2001 方法中的环境影响类型：能源消耗潜力（EDP）、全球变暖潜力（GWP 100）、酸化潜力（AP）、富营养化潜力（EP），并且进一步分析了能耗、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等环境指标的变化。计算标准依据ISO14040 和ISO14044 以及世界钢铁协会生命周期评价方法论等，采用包钢自主研发的LCA 计算模型完成计算过程。该计算过程是依据设计方案开展，不能代表实际的生产和排放，更大的意义是对环境负荷变化趋势的探讨分析。

设定研究边界分为3 个阶段：原辅料与能源开采、生产和运输阶段，烧结矿生产阶段，循环再利用阶段，见图1。

图1 烧结工序超低排放LCA 研究边界

选取2019 年其中几个月为数据收集时间段，数据类型及获取方法主要包括以下几类：

（1）烧结生产及排放数据采集现场实际生产数据。

（2）超低排放改造的数据采用方案中的技术参数。

（3）原辅料与能源开采、运输等上游数据主要来源于商业数据库。

通过对现场进行工艺流程调研并结合超低排放改造技术方案，确定烧结生产工序研究边界从烧结配料开始到成品烧结矿结束，LCA 输入输出见图2。图2 中虚线框内为进行超低排放改造的部分。数据收集按照图2 分工序完成。

图2 烧结机LCA 输入输出

4 计算结果及分析

数据收集整理后，通过LCA 软件计算得出生命周期清单（LCI）和生命周期影响评价结果（LCIA），在该设计方案的条件下烧结机生产1 kg 烧结矿的生命周期影响评价结果见表1。分析结果可知，超低排放改造后能源消耗潜力增加3.64%，全球变暖潜力增加14.47%，酸化潜力减少48.19%，富营养化潜力减少36.19%。

表1 1 kg 烧结矿产品生命周期影响评价结果

为了进一步明确环境指标的变化情况，通过生命周期清单数据进一步分析能耗、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的变化情况。生产1 kg 烧结矿的数据见表2。从全生命周期来分析（包括包钢内部、上游负荷、运输负荷和副产品外部收益4 部分），改造后与改造前的数据对比发现，能源消耗增加3.64%，二氧化碳排放增加14.48%，二氧化硫排放减少54.97%，氮氧化物排放减少36.45%。

表2 1 kg 烧结矿全生命周期内清单变化情况

从表3 中包钢内部改造后与改造前的数据对比发现，能源消耗增加4.67%，二氧化碳排放增加22.51%，二氧化硫排放减少74.49%，氮氧化物排放减少49.29%。

表3 1 kg 烧结矿包钢内部清单变化情况

针对该LCA 研究边界和烧结机超低排放改造方案的计算结果来看，改造方案可以大幅度降低烧结工序的排放，达到超低排放要求的数值。从全生命周期的角度来看，由于在改造过程中要增加一些除尘及脱硫脱硝设备，因此会造成电耗和物料消耗的增加，致使部分环境指标升高。从计算结果来看，生命周期影响评价结果中能源消耗潜力和全球变暖潜力增高，酸化潜力和富营养化潜力大幅降低；从全生命周期和包钢内部2 个角度的清单环境指标来分析，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减少，并且所有增加的幅度要远低于减少的数据，说明通过烧结机超低排放改造后，能耗和碳排放会有小幅度的增加，但是二氧化硫和氮氧化物排放会大幅度下降，环境负荷改善效果明显。利用LCA 分析烧结机超低排放改造，得到了工艺改造的环境负荷变化趋势，并说明了该工艺的可行性。

5 结论

（1）烧结机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，环境负荷改善明显，说明该超低排放改造方案科学可行。

（2）超低排放改造虽然增加了钢铁企业的投入，并造成部分环境指标小幅度升高，但从全生命周期的角度来看，利大于弊。

（3）利用LCA 来分析超低排放改造，为技术方案选择和改造前后的环境负荷变化提供了定量科学的数据支持，为钢铁企业打好污染防治攻坚战，打赢蓝天保卫战提供了新的思路和方法。