摘要： 物料资源是炼钢过程产生环境影响的根源，揭示炼钢过程物料资源输入和环境排放之间的关联关系是研究炼钢过程绿色性重要技术基础。建立一种炼钢过程过程的功能模型，提出一种基于投入产出法的炼钢过程绿色评价模型，用于指导炼钢生产过程的绿色化改进。结合某炼钢过程进行了应用，验证了上述方法和模型的有效性和可行性。
Abstract: Material flows are the source of the environmental impact in the steelmaking process. Input-output modeling is applied to describe the flow of materials and characterize the associated environmental emission associated with steelmaking process. This methodology can be used to identify opportunities for reducing the environmental impacts associated with steelmaking processes. The environmental performance improvement can be achieved by changing the material inputs of the process being considered. A case study of steelmaking process is discussed, which shows that the method is practical.
关键词： 炼钢；物料流；环境；输入输出模型；绿色制造
Key words: steelmaking；material flow；environment；input and output model；green manufacturing
中图分类号：TF08 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）20-0069-03
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钢铁企业是一个以生产钢材为主的原材料制造业，属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，是能源消耗、资源消耗、污染物排放的大户。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，其目标是使产品从设计、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]。绿色制造是解决制造业资源消耗和环境污染问题的根本方法，是实施环境污染源头控制的关键途径。殷瑞钰、张寿荣、陆钟武等院士在国家“绿色制造与钢铁工业——钢铁工业绿色化问题”的咨询项目中指出钢铁工业实施绿色制造的重要性[2]。宝钢原董事长谢企华指出绿色制造是钢铁企业实现可持续发展的有效途径[3]。
炼钢过程是钢铁生产流程中的重要一环，其绿色行如何直接决定了钢铁产品的绿色度。在国家大力号召的低碳冶炼的背景下，有必要炼钢过程的绿色性进行评价。目前，国内外学者在这方面做了广泛的研究。Hayashi，Seiichi等研究了含不同成分的废钢按不同比例混合在电炉中炼铁对产品品质和环境排放的影响[4]。杨武建对炼钢污泥进行回收利用，并取得了良好的生产效果和较大的社会效益[5]。李海波等人以某大型钢铁集团炼钢厂扩建项目为基础，分析了该类建设项目工艺流程和产污环节；确定了转炉炼钢的重点污染因子是粉尘、烟尘等。通过实施治理措施，使排放满足总量控制指标，符合清洁生产要求[6]。李士琦等人提出了“太阳能光伏炼钢”概念，尝试完全以清洁能源替代炼钢过程所需的传统涉碳能源[7]。沈丽娜等人利用离子交换处理工艺对某炼钢废水进行处理，处理后废水能充分回收利用，提高了水的重复利用率，节约了水资源，减少了环境污染，具有明显的环境效益和社会效益[8]。
1 炼钢过程绿色评价模型
1.1 炼钢过程的功能模型 炼钢过程的实质是一个氧化过程，就是用不同来源的氧来氧化炼钢原料中的各种杂质，将其中的碳、硫、硅、磷控制在规定的范围内。炼钢过程所消耗的能源物质主要是碳，用于氧化物的还原和提供热能两个方面：前者主要是化学消耗，后者主要是物理热的转化，而所消耗的碳元素，最终都转化为CO2，直接关系到温室气体的减排。除此之外，在钢铁生产过程中会产生很多冶金副产品，如：铁屑、钢渣、炼钢铁尘、除尘灰、高炉瓦斯灰等，因其中含有Fe、C、CaO、MgO等可再利用成份，称为可再利用资源，可以进行循环利用。
从本质上看，炼钢过程是集物质状态转变、物质性质控制和物流有序的生产制造体系[9]。在炼钢过程中存在三种不同的物质流动：①物料流：铁水、生铁块、废钢、碳化铁、铁合金及辅助原料如氧气、造渣材料、冷却剂和增碳剂等物质的流动；②能量流，即氧气、二氧化碳、煤气、电、天然气等能源物质的流动；③环境排放流，即尘泥、CO、SO2、NOx、粉尘、悬浮固体等排放物的流动[10]。对于炼钢系统来说，其功能模型如图1所示。
从图1可以看出，揭示炼钢过程物料资源和环境排放之间的关联关系是提高炼钢过程绿色性和降低单元过程环境负荷的重要基础支持。
1.2 炼钢过程物料资源与环境影响关联模型 投入产出优化方法是指将最优化理论与投入产出技术相结合的方法[11]。应用投入产出优化方法分析炼钢过程物料资源投入和环境排放的关联关系，可为决策者掌握炼钢过程物料投入与环境排放关系，绿色化改进炼钢过程提供参考。
为了分析炼钢过程物料流和环境排放流之间的关联关系，构造了炼钢过程输入输出转换关系表，如表1所示。