欧洲钢铁工业固废资源化方案

钢铁工业是欧盟实现可持续增长、更有价值和高质量发展的重要引擎。欧洲钢铁工业通过开发和升级有关技术，目标是到2030年将钢铁生产过程中的二氧化碳排放量在1990年的基础上降低50%。由欧洲钢铁协会（EUROFER）和欧洲钢铁技术平台（ESTEP）牵头的清洁钢铁伙伴关系（CSP），确定了包括直接避免碳排放、智能碳利用和循环经济在内的二氧化碳减排技术路径。CSP的目标是开发技术就绪水平（TRL）为8级的技术，与1990年的水平相比，将欧洲钢铁生产的二氧化碳排放量减少80%-95%，最终实现气候中和。

实现钢铁工业可持续发展，循环经济是重要支柱之一。炼钢过程中产生的固体废弃物是含有大量有价值物质（如金属和矿物等）的二次资源。因此，借助一些固废资源化技术可以降低对初级资源的需求，减少填埋量，并为钢铁制造商节省经济成本。

本文概述了欧洲产生的钢铁固废数量，并描述了闭合材料循环的CE方法，为工业共生提出的想法，以及在炼钢过程中扩大内部固废的循环利用。在2021年2月举办的“固废4未来——钢铁工业固废资源化：使欧洲未来更清洁和更具竞争力的可持续解决方案”研讨会上，介绍了欧洲钢铁工业针对循环经济而进行的最新研究活动。本次会议由ESTEP的“循环经济”焦点小组组织，阐述了可能的技术解决方案，这些技术解决方案有助于实现欧盟CEAP和EGD中确定的总体目标。此外，本文还综述了当前固体废物处理解决方案的技术发展状况。最后，提出将循环经济方法与CSP路线图相关联。

1.1 欧洲钢铁技术平台概况

欧洲钢铁技术平台（E STEP）成立于2003年，是欧洲首批技术平台之一，汇集 了欧洲钢铁行业的所有主要利益相关方。 成员主要包括钢铁制造商、大学和研究机构，汽车制造商等主要下游用户； 以及欧盟委员会和各国政府等公共机构。

自2018年以来，根据比利时法律（国际ASBL），ESTEP一直是一个非营利性组织。 ESTEP的使命是参与应对欧盟挑 战的技术（特别是可再生能源、气候变化，即低碳排放和循环经济）方面的合作行动和项目，以创建一个可持续的欧盟钢铁行业。 主要通过传播项目结果，促进协作项目 的支持性环境，以及ESTEP社区的活跃网络来实现。

ESTEP由董事会管理。 指导小组负责对整个ESTEP研究项目规划。 它审查焦点小组的活动，确保规划符合ESTEP战略研究议程（SRA），并协调各工作组。 七个焦点小组积极处理SRA在不同领域的实施问题。 其中两个焦点小组涉及钢铁生产，就是低 碳和能源效率以及循环经济。 前者致力于开发安全、清洁、节能和创新的技术，后者则致力于提高钢材循环率的创新解决方案。 关注的重点是减少二氧化碳排放、节约资源、促进废物回收。 另外，三个焦点小组涵盖了钢铁应用： 运输和移动出行的钢铁解决方案，建造和基础设施的钢铁解决方案，以及能源市场（包括工程施工）的钢铁解决方案。 人们小组主要引导人们涉足钢铁行业、实施技能发展、教育和培训计划以及职业安全的活动。 智能工厂小组涵盖了智能和集成制造，应用信息和通信技术领域的发展。 实施小组处理与CSP有 关的所有问题，支持欧盟钢铁工业向气候中和转型。

1.2 欧盟内部钢铁副产品的产生

20 19年，欧洲（欧盟28国）生产了1.588亿吨粗钢，其中9390万吨（ 59.1%）通过高炉-转炉工艺路线生产的，6490万吨（40.9%）通过废钢-电弧炉工艺路线生产的。 2019年，共生产了8700万吨铁水， 占粗钢总产量的54.8%。 表1显示了通过高炉-转炉和废钢-电弧炉工艺路线产生的固废的具体数量。 根据表1，对于高炉-转炉工艺，每吨钢水总计产生426kg固废（均值，为炼铁和炼钢固废之和，不含脱硫 渣、钢包渣和氧化铁皮等固废），而对于废钢-电弧炉工艺，每吨钢水产生185kg固废。 结合上述固废产生量和2019年的钢铁产量，可知大约5200万吨钢铁固废（约4000万吨来自高炉-转炉工艺路线，大约1200万吨来自废钢-电弧炉工艺路线），大部分固废为炉渣 ，主要来自于高炉、转炉和电炉，见图1。

为了可持续发展欧洲钢铁工业，必须通过促进欧洲倡议的不同技术解决方案来创建循环经济，例如欧盟2020年启动EGD和欧盟CEAP。在EGD和CEAP的框架下设想了几项主要行动，这些行动对欧洲钢铁部门特别重要。相关措施包括：引入可持续产品政策框架，支持可持续产品的设计；提升消费者在选择“绿色”产品方面的能力；加强生产过程中的循环性；加强以预防、循环和消除有毒化合物为导向的废物政策；开设二次原材料市场。基于钢铁产品的固有特性以及钢铁工业几十年前创建的循环实践，在循环经济领域大有可为。

然而，这些机会需要实现，欧洲钢铁部门已经确定了一些优先事项，以便能够充分利用这些机会。正在进行的RFCS传播项目，题为“传播欧洲钢铁行业副产品再利用和再循环项目的成果”（缩写为REU Steel，授予协议编号839227），涉及对过去几十年欧盟资助的相关项目在副产品再利用和再循环方面取得的最重要成果进行评估。REU Steel的活动以对有关项目进行深入和关键的综合分析为基础，目的是根据循环经济和工业共生的概念，通过促进增加副产品的再利用和再循环以及钢铁工业与其他行业之间的协同作用来开发成果。

钢铁固废的回收、再循环和再利用有时会因缺乏与临时立法有关的知识而受到阻碍，或者需要采取特殊的预处理方式，才能回收到所需的材料。在此背景下，数字化和工业4.0被确定为循环经济的推动者。

为了克服信息和支持决策缺乏的问题，仿真和优化工具可以提供一些额外知识。在电炉炼钢时，仿真工具和相关的场景分析可以示范地评估炼钢渣作为骨料进行内部再利用的结果。此外，结合不同的仿真和优化工具，可以支持对炉渣预处理步骤的评估，以及在有或没有进一步联合使用副产品的情况下，对分离组分的内部或外部再利用进行优化。这类系统的最大潜力在于：通过在副产品重新应用之前进行初步评估，获得可行的解决方案。

工业4.0结合使用智能传感器和数据分析，也有可能实现对电炉钢厂的实时监测和控制。机器与服务之间的信息交换具有巨大的潜力，特别是机器学习被广泛应用于过程优化,尤为强调废钢的分类和跟踪，这是钢铁工业重要的二次资源。一种可能的方法是卷积神经网络（CNN），可以用于金属废料的自动分类，根据其质量和供应商将其储存在专门的区域。一个装料优化模型可以与这种废料分选方法相结合。最后，动态环境影响评估的在线工具可以连接到环境参数的物理检测系统（传感器）。该工具结合了数字模型、创新传感器和来自内部库存系统的数据。它将能够提供基于生命周期评估（LCA）的信息，以实现全面循环经济的概念，致力于提高钢铁生产的废钢利用率，并实现传统生产批次的环保意识管理。