中國鋼鐵工業空氣污染物排放現狀及趨勢
張建良，尉繼勇，劉征建，徐潤生
(北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京100083)
摘要：目前中國粗鋼產量已經占世界總產量的一半以上，中國鋼鐵工業的發展對世界意義重大。中國鋼鐵工業主要采用以煤炭為主要燃料的“高爐-轉爐”長流程冶煉工藝，因此在鋼鐵生產過程中排放出大量的空氣污染物，主要包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM2.5)等。從鋼鐵工業污染物的來源、污染物的排放總量變化情況、不同冶煉工序污染物排放特點、中國鋼鐵工業污染物排放量地域分布特點以及不同規模的鋼鐵企業污染物排放特點等多角度綜述了近年來中國鋼鐵工業的空氣污染物排放現狀。同時簡要綜述了中國鋼鐵工業為治理空氣污染物而進行的
超低排放改造進展情況，據此提出了中國鋼鐵工業空氣污染物治理存在的問題，并分析了未來中國鋼鐵工業空氣污染物排放及減排趨勢。
關鍵詞：鋼鐵工業；空氣污染物；排放現狀；未來趨勢；減排
文獻標志碼：A文章編號：0449-749X（2021）12-0001-09
Current situation and trend of air pollutant emission in China′s steel industry
ZHANG Jian-liang，YU Ji-yong，LIU Zheng-jian，XU Run-sheng
(State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)
Abstract：At present,China′s crude steel output has accounted for more than half of the world′s total output,and the development of China′s steel industry is of great significance to the world.China′s steel industry mainly adopts the long-process smelting technology of"blast furnace-converter"which uses coal as the main fuel.As a result，a large number of air pollutants，including sulfur dioxide(SO2)，nitrogen oxides(NOx)and particulate matter(PM2.5)，etc.are emitted during steel production.This paper summarizes the current status of air pollutant emissions in China′s steel industry from the sources of pollutants in the iron and steel industry,changes in the total emissions of pollutants,the characteristics of pollutant emissions from different smelting processes,the regional distribution of pollutant emissions in China′s iron and steel industry and the characteristics of pollutant emissions from iron and steel enterprises of different scales.In addition,the article also briefly reviewed the progress of ultra-low emission transformation of China′s steel industry to control air pollutants,and based on this,put forward the problems existing in the control of air pollutants in China′s steel industry and analyzed the development trend of air pollutant emission in the future of China′s steel industry.
Key words：iron and steel industry；air pollutant；emission status；development trend；emission reduction
鋼鐵材料是國民經濟重要的原材料之一，是象征一個國家工業文明和經濟實力的重要標志之一。雖然現在出現了許多新型材料，但是鋼鐵材料作為各國經濟建設最重要的結構材料和使用量最大的功能材料的地位仍然沒有改變。近年來，中國鋼鐵產量、出口量和消費量均是世界第一。根據世界鋼鐵工業協會統計數據，2020年中國粗鋼產量達到10.53億t，同比增長了5.2%。然而，鋼鐵生產過程中需要消耗大量的資源和能源，同時也會排放大量的污染物，在廢物排放結構(固體廢物、廢氣和廢水)中，空氣污染物排放最多，噸鋼排放廢氣44.7 t，占廢物排放總量的88.2%。中國鋼鐵工業主要空氣污染物排放量占中國工業總排放量的7.35%左右，中國鋼鐵工業發展面臨著嚴峻的減排任務，尤其是在中國鋼鐵產業相對集中的地區。近年來，中國采取了一系列措施來降低鋼鐵企業污染物排放，也取得了顯著效果，鋼鐵企業污染物排放正在逐漸減少。本文綜述和分析了近年來中國鋼鐵工業空氣污染物排放情況、發展趨勢，并提出了未來努力方向。
1、中國鋼鐵工業空氣污染物特點
1.1鋼鐵工業空氣污染物主要組成
中國鋼鐵工業規模大、產量高，2020年中國粗鋼產量約占世界粗鋼總產量的56.49%，如圖1所示。由于中國約90%以上鋼鐵是采用“高爐-轉爐”長流程工藝生產，因此中國鋼鐵工業的能源和資源消耗大，而且主要消耗煤炭資源，導致中國鋼鐵企業空氣污染物排放總量大，排污環節多，且污染物的成分復雜、種類繁多，對大氣環境帶來了嚴重影響。中國鋼鐵工業的主要空氣污染物有二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、細顆粒物(PM2.5)和揮發性有機物(VOCs)等。自從2017年中國完成對火電行業實施超低排放改造后，鋼鐵工業成為中國工業部門的最大空氣污染物排放源，其中SO2、NOx和細顆粒物的排放量分別位列中國工業總排放量的第三、第一、第三。據2018年統計數據，中國鋼鐵工業SO2、NOx和細顆粒物的排放量已達到105萬、163萬和273萬t，分別占中國總排放量的6%、9%和19%。
1.2鋼鐵工業空氣污染物來源
中國鋼鐵工業空氣污染物主要來源于以下環節。
(1)鋼鐵生產用原燃料在運輸、裝卸及加工生產過程中所產生的大量含塵煙氣。比如原料場中原燃料堆放、裝卸過程產生的粉塵；原料系統向高爐、燒結、球團等工序輸送轉運原燃料過程產生的粉塵；原燃料破碎篩分過程產生的粉塵；配料時外溢的粉塵等。除了廠區內的運輸污染外，中國鋼鐵企業運輸多采用公路運輸，導致在運輸過程中會排放大量的貨物揚塵。本文中粉塵指懸浮在空氣中的固體顆粒物的總稱，PM10是指粒徑小于10μm的粉塵，PM2.5是指粒徑小于2.5μm的粉塵。
(2)鋼鐵生產過程中各種窯爐在燃燒時產生的大量含塵、SO2、NOx的煙氣。如燒結機、球團豎爐、熱風爐、熱軋加熱爐、冷軋退火爐等爐窯在使用煤粉、天然氣、焦爐煤氣等時所產生的含大量有害氣體的廢氣。
(3)鋼鐵生產過程中因冶煉與鋼材加工而產生的煙氣。如煉鐵、煉鋼、精煉、煉焦、軋鋼和鋼材酸洗過程產生的煙氣。
1.3鋼鐵生產各工序空氣污染物排放情況
鋼鐵生產過程中污染排放最嚴重的兩個環節為燒結和焦化工序。李莎核算出中國某大型鋼鐵企業污染排放情況，指出該鋼鐵企業在2017年SO2和NOx有組織排放量最大的工序為燒結工序，其次為焦化工序，該結果與GAO C等的研究一致。顆粒物排放主要包含主排放口、一般排放口和無組織排放，如圖2所示，鋼鐵企業顆粒物有組織主要排放口排放量最大的為燒結工序，其次為焦化工序；一般排放口顆粒物排放量最大的為煉鋼工序，其次為燒結工序和原料系統；無組織顆粒物排放最大的為原料系統，其次為燒結和煉鐵工序。湯鈴等的研究也表明，中國鋼鐵工業空氣污染物主要來源于燒結工序，燒結工序所排放的SO2、NOx、PM10和PM2.5分別占鋼廠總排放量的64.84%、78.72%、52.21%和56.40%(圖3)。因此，目前燒結、焦化、球團和高爐煉鐵4個鐵前工序仍然是中國鋼鐵企業空氣污染物排放最嚴重的環節，未來減少空氣污染物還是應該從這4個鐵前工序入手。圖4所示為中國鋼鐵工業冶煉工序(不含原料系統)減排潛力分析情況，可以看出SO2和NOx在燒結工序減排潛力最大，在不考慮原料系統的顆粒物排放的情況下，顆粒物在煉鐵工序減排潛力最大，這是因為相對于燒結工序，對高爐煉鐵工序的無組織排放治理最差，高爐出鐵場和礦槽的顆粒物治理率不足42%，而燒結機頭和燒結機尾的顆粒物治理率均為99%以上。
2、近年來中國鋼鐵工業空氣污染物排放情況
2.1主要空氣污染物排放總量變化情況
2005年以來，中國政府陸續頒布了系列鋼鐵工業綠色發展的政策法規，中國鋼鐵工業逐步推進淘汰落后產能、尾氣末端治理以及節能環保先進技術等，鋼鐵工業污染物排放量在逐年下降。鄭昊天等測算出2005—2017年中國鋼鐵工業主要空氣污染物變化情況如圖5所示。PM2.5排放量從2005年的226萬t增加至2008年的263萬t，隨后一直下降，2017年中國鋼鐵工業排放PM2.5為131萬t，占中國總排放量的17%。SO2排放量從2005年增加至2010年，隨后一直下降，2017年排放量為127萬t，占中國總排放量的11%。NOx排放量整體呈現增長趨勢，2010年到2012年略有下降，隨后又持續增長，2017年鋼鐵工業NOx排放量達66萬t，占中國總排放量的3%。VOCs主要是焦化環節排放，經過2013年對焦化行業VOCs進行控制約束后逐漸降低，2017年鋼鐵和焦化行業VOCs排放量為98萬t，占中國總排放量的5%。李新等的研究表明，從2012年到2017年中國鋼鐵工業SO2、粉塵排放量均呈現下降趨勢，只有NOx略有提高(圖6)。WANG X等的研究也表明了相似的趨勢，從2010年至2015年，在中國粗鋼產量不斷上升的情況下，除了NOx排放量不斷升高外，SO2和顆粒物排放量都在不斷降低(圖7)。
2.2中國鋼鐵工業空氣污染物地域分布排放特點
中國鋼鐵工業空氣污染物排放地域分布特點極其明顯，各地區鋼鐵工業空氣污染物排放差異顯著。中國鋼鐵工業空氣污染物排放量最大的區域是華北地區(京津冀)，其次是華東地區(長三角)和華中地區，分別排放SO2 572.52、531.11和276.45 kt，排放量所占比例如圖8所示。這是因為中國鋼鐵產能主要集中在華北和華東地區，2019年中國華北和華東地區的粗鋼產能所占比例分別為35.02%和31.94%(圖9)，合計占中國總產能的67%左右。
從中國各省份鋼鐵工業空氣污染物排放的統計結果來看，2012年中國鋼鐵工業SO2排放量前三的省份為河北、遼寧和江蘇，排放量所占比例分別為27.08%、10.04%和8.91%；NOx排放量前三的省份為河北、山東和江蘇，排放量占比分別為28.40%、9.00%和8.90%；PM2.5排放量前三的省份為河北、江蘇和遼寧，排放量所占比例分別為28.30%、9.11%和8.40%。據2018年數據，中國鋼鐵工業SO2排放量靠前的三個省份依次為河北、遼寧和江蘇，排放量所占比例分別為17.69%、10.32%、10.17%；NOx排放量靠前的3個省份依然為河北、江蘇和山東，排放量所占比例分別為20.13%、11.34%、10.75%；PM10排放量靠前的3個省份依次為河北、江蘇和遼寧，排放量占比分別為18.94%、10.96%、9.33%。經過多年的發展，主要空氣污染物排放省份并未發生變化，這主要與中國的鋼鐵產業分布有關，河北、江蘇、山東和遼寧一直是中國鋼鐵產能最大的4個省份。這4個省份在2018年的粗鋼產能分別占中國總產能的24.5%、9.8%、7.3%和6.5%(圖10)。此外，從上述結果還可以發現，從2012年到2018年中國第一產鋼大省河北省的鋼鐵工業空氣污染物排放大幅減小，這與河北省從2013年開始的去產能“6643”工程的成果息息相關。截止到2019年，河北省淘汰粗鋼產能共計11 941萬t。綜上分析，京津冀和長三角地區仍然是中國鋼鐵產業的主要區域，也是鋼鐵工業空氣污染物排放最嚴重的區域。
2.3中國不同規模鋼鐵企業空氣污染物排放特點
中國鋼鐵企業間的規模、水平差異顯著，其中有規模大、設備先進、環保綠色的大型企業，比如寶武集團、首鋼集團和河鋼集團等，同時也有很多小型民營鋼鐵企業，這些企業的環保能力相對較弱，污染物排放情況較嚴重。湯鈴等調研了2018年中國不同規模鋼鐵企業的污染物排放情況(圖11)，中國中型鋼鐵企業污染物排放量最多，小型企業次之，大型企業排放量最小，所占比例分別為71.20%、16.73%和12.07%。這主要是因為中國中型企業的鋼鐵產量最大，約占全國粗鋼產能的79.65%，小型企業粗鋼產能所占比例為5.1%，大型企業粗鋼產能所占比例為15.25%。這里需要重點關注的是小型企業粗鋼產能占比最小，但是污染物排放量卻為第二。這主要是因為中國小型鋼鐵企業多數裝備落后、環保意識淡薄，存在著高污染、高排放、高能耗的問題。
圖片
2.4中國鋼鐵工業超低排放改造情況
為了推進鋼鐵工業高質量綠色發展、促進鋼鐵工業轉型升級。2018年，中國政府啟動鋼鐵工業超低排放改造工程，2019年，生態環境部發布了《關于推進實施鋼鐵工業超低排放的意見》，要求中國鋼鐵工業爭取到2020年底60%的鋼鐵產能完成超低排放改造，到2025年底80%以上鋼鐵產能完成超低排放改造。
截至到2020年底，中國有229家鋼鐵企業6.2億t粗鋼正在進行超低排放改造。重點區域的103家鋼鐵企業，約3.2億t粗鋼產能正在開展實施超低排放改造的評估監測工作。截止到目前為止，中國已經有首鋼遷鋼公司、首鋼京唐公司、山鋼日照公司、邢臺德龍鋼鐵集團、山西太鋼不銹鋼公司、新興鑄管公司、河北豐南鋼鐵公司、上海梅鋼、首鋼長鋼、安陽鋼鐵公司、山西建龍和江蘇永鋼等11家鋼鐵企業完成了超低排放改造和評估監測工作。從表1可以看出，經過超低排放改造后，噸鋼各項污染物的排放量大幅下降。
2.5中國鋼鐵工業空氣污染物治理存在的問題
雖然中國鋼鐵工業的空氣污染物治理已經取得了一定的成果，但是目前仍然存在很多問題和難題有待解決。首先，中國鋼鐵工業目前的超低排放改造工程缺乏經濟的指導與規劃，給企業帶來了較大的經濟壓力。根據冶金工業規劃研究院的初步測算顯示，一個年產500萬t鋼鐵企業完成超低排放改造的一次性建設投資約20億元，環保運行成本將達到250元/t（鋼）以上。其次，目前國外先進鋼鐵企業已基本完成了對主要空氣污染物的治理，正著手推進治理鋼鐵工業其他污染物(CO、HF、Hg、PCDD/Fs、Pb和Ni等)，國外鋼鐵工業其他廢氣污染物排放限值和現狀見表2，而目前中國大多數鋼鐵企業尚未考慮對其他污染物的治理。再次，中國的鋼鐵生產結構有待優化，2019年中國的電爐所占比例僅為10%，遠低于美國68%、歐盟40%、日本24%的發展水平。而相比于長流程煉鋼工藝，使用電爐短流程煉鋼能夠減少噸鋼能耗50%、噸鋼污染物排放70%以上。其次，中國的高爐爐料結構過于依賴燒結礦，噸球團礦的SO2和NOx排放量僅為燒結礦的約1/2和1/3，因此提高高爐入爐原料中的球團礦比例可以大大減小污染物的排放，中國大多數鋼鐵企業的球團礦入爐比例不足20%，而歐美國家的高爐球團礦比例普遍為90%以上，瑞典SSAB廠為100%全球團冶煉。此外，中國鋼鐵冶煉能源結構有待調整，目前化石燃料依存度高，導致CO2排放量大，2015年中國鋼鐵工業排放約19.4億t CO2，占中國總排放量的16.7%，為此未來中國鋼鐵工業需要大力調整能源結構。目前世界各大鋼鐵企業均已將“氫冶金”作為未來的發展方向。德國的SALCOS、瑞典的HYBRIT和奧地利的H2Future等都是利用可再生的電力制取氫氣來替代傳統煉鐵所使用的煤炭資源，中國寶武集團、河鋼集團、建龍集團等也逐步啟動“氫冶金”研發工程。
3、未來中國鋼鐵工業空氣污染物排放趨勢
3.1未來中國鋼鐵工業主要空氣污染物排放預測
近年來，中國鋼鐵工業已經在節能減排方面取得了顯著成果，隨著中國鋼鐵工業繼續推進節能減排工作，未來中國鋼鐵工業的空氣污染物排放量將不斷降低。根據ZHANG Qi等的預測，在綜合采用末端治理、提高能源效率和調整生產結構后，到2050年中國鋼鐵工業SO2排放量將減少到798.42 kt，PM10排放量將減少到1 344.07 kt，NOx排放量將減少到263.20 kt。未來京津冀地區和長三角地區的鋼鐵工業污染物排放量將下降，山東和遼寧等北部鋼鐵工業污染物排放量也將下降，而南部比如廣東、廣西排放量將有所上升，這與中國鋼鐵產能由北向南區域性轉移的結果相對應。
3.2未來中國鋼鐵工業空氣污染物減排的努力方向
針對目前鋼鐵工業面臨的上述問題和難題，未來中國鋼鐵工業綠色低碳發展需要從政府、行業和企業3個層次共同努力。
(1)中國政府相關部門做好鋼鐵行業節能減排的頂層設計，從政策、資金等多方面對鋼鐵企業超低排放改造給予扶持。比如通過減少綠色企業稅收的方法為企業減輕負擔，幫助鋼鐵企業推進綠色鋼廠的建設。同時，繼續制定和頒布鋼鐵工業其他廢氣污染物的治理方案和排放限值，相關監管部門嚴格做好對鋼鐵企業的監管、檢查工作和減排指導工作，扎實有序地推進不同類型、不同地區鋼鐵企業的減排工作。針對短流程建設面臨的廢鋼回收率低、電價高等問題，中國政府可以采用多政策和多部門聯合調控，來逐步提高廢鋼回收率、降低短流程冶煉用電成本，推動短流程項目建設。此外，針對國際上先進的節能減排工藝，中國政府可以牽頭組織國際間的科研合作，不斷提升中國減排技術和污染物治理水平。
(2)中國鋼鐵行業要堅決執行中國政府提出的超低排放改造和鋼鐵產能置換工作，積極調整鋼鐵生產能源結構和工藝流程。針對京津冀和長三角等排污重點區域，要嚴格禁止新增產能，積極淘汰落后產能，降低重點區域的鋼鐵產能總量，產能由北向南區域性轉移。針對落后、缺乏治理污染物排放能力的小型企業，要積極推進兼并重組，淘汰落后產能，推進大型鋼鐵企業深度整合優化。針對鋼鐵企業節能減排面臨的關鍵共性問題，中國鋼鐵行業應整合行業內的優勢技術資源、平臺資源和資金資源，組織企業間的協同攻關、經驗分享，解決氫能冶煉技術、提高電弧爐煉鋼比例等先進節能減排技術面臨的“卡脖子”問題，推動整個鋼鐵行業的減排工作不斷深入。
(3)中國鋼鐵企業應該根據鋼鐵冶煉不同工序的污染物排放特點制定最合理的減排方案，重點對燒結、焦化、球團和高爐煉鐵4大鐵前工序進行“源頭減排、過程減排和末端治理”。在源頭減排方面，要積極尋找清潔、低碳燃料替代傳統的化石燃料，比如積極探索生物質類燃料、富氫燃料、低硫低灰蘭炭等用于鐵前生產，從源頭減少空氣污染物的產生；在過程減排方面，積極采用低碳厚料層燒結技術、燒結煙氣循環燒結技術、球團低溫焙燒技術、氧氣高爐煉鐵技術、氫冶金等先進的冶煉技術來不斷降低燃料消耗，進而達到過程減排的效果。在末端治理方面，加強低成本高效率的SO2、NOx和顆粒物的脫除工藝研發，開發高效、長壽、經濟、環保的吸附劑，實現煙氣處理廢料的資源化利用，同時應考慮選用脫硫和脫硝技術的匹配性，避免前后治理工藝配置不合理導致系統難以正常運行，應優先考慮脫硫脫硝一體化技術。此外，高質量實施超低排放改造，鋼鐵企業需強化無組織排放管控，加強產塵點的封閉和密閉，減少收塵系統的無效浪費；強調治理設施和生產設施的同步運行，減少治理設施的無效運行和能源浪費。比如建設封閉料場、采用鐵路運輸等手段減少粉塵的排放，鋼鐵企業不斷完善監測監控體系等。
4、結語
中國鋼鐵工業空氣污染物排放量大、來源廣、種類多，近年來，中國鋼鐵工業主要空氣污染物排放量在持續下降。目前燒結、焦化、球團和高爐煉鐵4大鐵前工序仍然是污染物排放的最嚴重環節，減排潛力巨大。中國鋼鐵工業排放空氣污染物最嚴重的區域為華北和華東地區，京津冀、長三角地區仍然是未來減少鋼鐵工業空氣污染物排放的主戰場。中國的小型鋼鐵企業缺乏治理污染物的能力，存在高排放、高污染的問題。目前鋼鐵工業超低排放改造已經取得了較好的成果，一些優秀鋼鐵企業已然達到了世界先進排放水平。隨著未來中國鋼鐵工業超低排放改造的不斷推進，中國鋼鐵工業的空氣污染物排放量將持續降低，鋼鐵企業也將更加綠色環保。
