鋼鐵生產過程環境影響的全生命周期評價

王臘芳 張莉沙

(湖南大學經濟與貿易學院，湖南長沙410079)

鋼鐵企業擁有燒結、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼以及公輔配套設施等完整的生產體系，是資源能源消耗和污染物排放大戶。美國、日本等許多國家都把鋼鐵產業作為影響環境和具有節能減排潛力的主要行業進行管理。中國鋼鐵工業由于產業集中度低，企業規模小而分散，導致鋼鐵工業發展過程中能源和環保方面劣勢明顯，且在未來一段時期內可能難以根本改變。雖然近年來中國鋼鐵產業在節能降耗方面取得了一些成就，但國內外差距依然很明顯，產業的總體節能減排潛力依然很大。那么，鋼鐵生產的哪些環節能耗高、污染大?哪些工序有環保潛力挖掘?如何從源頭和生產的全過程分析并控制資源能源消耗和污染物的產生，分析鋼鐵生命周期節能減排潛力，并采取綜合治理措施以達到改善環境質量，保證中國鋼鐵工業綠色發展和產業升級，已是當前中國鋼鐵工業及全國面臨的重要課題之一。

1 文獻綜述

目前，針對鋼鐵產業能源和環境問題的研究主要分為兩大類:一類研究將重點放在鋼鐵產業的能源效率、節能潛力和技術上，著重探討鋼鐵行業的技術進步對節能減排的影響;另一類研究從鋼鐵生產過程的角度入手，通過建立鋼鐵產品生產的環境負荷數據清單，并運用生命周期評價(Life cycle assessment，LCA)方法衡量和測度鋼鐵產品生產的環境負荷和潛在環境影響，從而為促進鋼鐵產業節能減排提供理論依據和數據支持。LCA方法已經成為了一種重要的環境管理與分析工具，近年來該方法在鋼鐵工業領域的應用研究發展較快，并取得了豐富的成果。國外的研究主要有:Sepp l J等［1］采用 LCA 方法對芬蘭金屬產業的環境影響進行了研究，建立了以冷軋鋼、熱軋鋼、熱鍍鋅和有機涂層鋼作為整合性鋼鐵產品的生命周期清單，對其每一個生命周期階段的環境影響進行了評價，結論顯示鋼鐵產品生產過程對環境造成的影響最大;Tongpool R等［2］通過LCA方法研究了泰國單個的鋼鐵產品，如板材、冷軋鋼、熱軋鋼、熱鍍鋅和電鍍鋅鋼材的環境影響，結論顯示，板材產品對環境的影響最小，熱鍍鋅鋼材對環境的影響最大。國內這方面的研究還處于不斷發展的階段，有代表性的研究主要有:楊建新和劉炳江［3］采用生命周期清單分析方法分析了中國普通鋼材生產過程中的能源消耗、物料消耗和對環境的排放。研究結果表明中國鋼鐵生產的能源消耗遠高于發達國家平均水平，水循環利用率較低，二氧化碳和硫化物等廢氣排放量大;張培和田長生［4］運用LCA方法對寶鋼電鍍鋅產品的環境影響作出評價，結論揭示了電鍍鋅生產過程中最主要的環境影響是資源消耗、溫室效應、能源消耗和酸化，動力、燒結和煉鐵工序是環境影響貢獻度最大的幾個工序;張芳和吳國榮［5］建立了鋼鐵生產的環境負荷清單，并對金融危機背景下中國鋼材生產的生命周期環境影響進行了評價。研究結果表明，中國鋼材生產的環境影響包括全球變暖、酸化、富營養化、固體廢棄物和煙灰塵，煙灰塵對環境影響的貢獻最大。中國鋼材生產的資源耗竭影響中鐵錳礦的資源耗竭系數最大;李興福和徐鶴［6］基于GaBi軟件采用LCA方法研究了中國生產1 kg普通鋼材的物耗、能耗以及對環境的排放，并利用軟件提供的CML方法評價了鋼材生產所造成的環境影響。結論顯示，能源消耗是造成環境影響的最主要因素，鋼材生產過程中的主要環境影響是全球變暖和環境酸化。與以上學者的研究相比，本文的主要貢獻在于從中國鋼鐵產業平均水平的角度，建立2000－2009年中國普通鋼材生產整個生命周期內的能耗、物耗和污染物排放清單，對比分析評價了10年間中國鋼材產品生產所產生的資源環境影響，并對個別年份鋼材生產各工序的環境影響潛力進行具體深入分析。

2 研究方法和數據說明

2.1 研究方法

LCA方法是一種用于評價產品從原材料的獲取、生產和使用，直至使用后的處置階段這一整個生命周期內的能源消耗狀況及其對環境產生的潛在影響的工具和方法［7］。按照國際標準(14040)［8］，LCA的基本技術框架包括目標與范圍界定(Goal and scope definition)、生命周期清單分析(Life cycle inventory，LCI)、生命周期影響評價(Life cycle impact assessment，LCIA)以及結果解釋(Interpretation)四個相互關聯的步驟。

首先，確定研究的目標和范圍。本文的主要目的是考察中國普通鋼材整個生產過程的能耗和污染排放狀況及其對環境的影響。研究范圍的界定是為了確保研究的廣度和深度與要求的目標一致，主要涉及到系統的功能、功能單位、系統邊界等。本文以楊建新和劉炳江［3］所確定的系統邊界為基礎，將中國鋼鐵產業普遍采用的生產工藝流程作為研究范圍，流程主要包括主原料工藝過程中的鐵礦石燒結、高爐煉鐵、煉鋼和軋鋼環節和輔助原料生產工藝中的煉焦環節。煉鋼環節主要考慮轉爐和電爐兩種不同的工藝。考慮到鋼鐵產品主要是其它制造業的生產原材料，以及數據搜集的難度。本文將不考慮鐵礦石、石灰石和原煤等的開采運輸環節，以及鋼鐵生產的再循環和最終處置過程。本文所確定功能單位為生產1 t普通鋼材。

其次，建立生命周期清單并分析。生命周期清單分析可以量化和評價產品、生產工藝整個生命周期各階段資源和能量使用及環境污染排放的過程。本文建立的鋼鐵生產生命周期清單包含了中國普通鋼材生產的資源消耗(礦石和水資源等)、能源消耗(主要是煤)和環境污染排放(主要是廢氣污染，包括 SO2、CO2、NOx、煙塵和粉塵等)、廢水污染(如COD)、工業固廢污染物和重金屬元素等信息。

再次，通過生命周期影響評價，考察生命周期清單結果環境負荷因子的環境影響特點，并定性或定量地評估其潛在環境影響。國際標準化組織、美國“環境毒理學和化學學會”以及美國環保局都傾向于將生命周期影響評價定為一個“三步走”的模型，即影響分類、特征化和量化三個步驟。

第一步，根據所要研究的目標和范圍確定環境影響類型，并將清單分析中所得到的輸入、輸出數據經分類整理后，歸類到不同的環境影響類型中。結合國際上的習慣做法、鋼鐵行業自身的特點，以及數據的可獲得性，本文確定了中國鋼材生產的8類資源環境影響類型，分別為資源消耗、溫室效應、能源消耗、酸化、富營養化、光氧化劑形成、人體毒性和生態毒性。根據已經建立的鋼鐵產品生命周期清單結果，可以將各環境負荷因子進行歸類，一一對應到8類影響類型中去。

第二步，對環境影響類型進行特征化，篩選適用的特征化模型，結合各類負荷因子的特征化系數，歸類評價每類環境影響類型的負荷因子對這一類環境影響的貢獻程度。由于同質量的不同負荷因子對同一種影響類型的貢獻潛力不一樣［4］，所以需要選擇合適的特征化模型，將各負荷因子的貢獻潛力轉化為某種統一的度量單位后進行匯總，最后采用當量物質形式來表示分類評價結果，如溫室效應采用CO2當量表示。本文中資源消耗指標，主要參照張培等(2007)的做法，采用鐵當量，將資源消耗的特征化模型描述為:

其中:ADPj表示資源j的特征化系數;Drj和DrFe分別是資源j和鐵的年產量;Rj和RFe分別表示資源j和鐵的可開采儲存量［4］。能源消耗指標，清單結果以能源的總熱值形式表示，能耗潛值則用能源的總熱值除以標煤的熱值，直接轉化為以kg標煤的形式。其他幾類環境影響也通過篩選出恰當的特征化模型［9－12］，將歸類在其下的環境負荷因子轉化成相應的當量物質。根據已歸類的各類環境負荷因子的特征化系數，結合其生命周期清單數據，由公式(2)可以計算出各類環境影響類型的評價結果。

其中，Ei指的是影響類型j的特征化結果;mj表示環境負荷因子j的清單結果;Qij是環境負荷因子j對影響類型i的特征化系數。本文計算得出的8類環境影響分類評價結果分別表示為:資源消耗潛值(ADP)、全球變暖潛值 (GWP)、能源消耗潛值 (EDP)、酸化潛值 (AP)、富營養化潛值(EP)、光化學氧化物產生潛值 (POCP)、人體毒性潛值(HTP)和生態毒性潛值(TETP)。

第三步，對不同環境影響類型的貢獻大小進行量化評價，即確定權重，從而得到一個數字化的可供比較的總的環境影響評價值。在確定權重之前，通過數據的標準化，消除各單項環境影響結果在量綱和級數上的差異，可以更好地理解環境影響類型的相對大小。數據標準化的方法一般是用分類評價結果除以基準量，本文的基準值采用1995年的世界總量［13］。考慮到不同環境影響類型對同一地區或國家的影響是不同的，因此需要對所計算出的8類影響類型確定權重，并通過加權來實現綜合評價分析。關于各影響類型的權重確定方法，目前國際上尚無統一的標準，比較常用的方法是專家咨詢法和層次分析法。本文根據王壽兵對中國工業產品生命周期生態評價影響類型的權重系數確定方法，參照其權重值，將資源消耗和能源消耗的權重確定為0.112 3，溫室效應、酸化、富營養化、光氧化劑形成、人體毒性和生態毒性的權重分別定為0.097 5、0.085、0.076 4、0.082 5、0.148 8 和 0.125 3［14］。

最后，進行生命周期結果解釋，對生命周期清單進行詳細分析，并對影響評價結果進行辨識、量化、核實和評價，從中發現產品生產的薄弱環節和潛在的改善機會，為減少產品生產的能源和物質消耗及環境排放提供政策建議，也就是所謂的改進評價。

2.2 數據說明

通過查詢《中國統計年鑒》和《中國能源年鑒》得到中國鋼鐵工業化石能源消耗、化學需氧量和鋼材年產量數據。噸鋼CO2排放量參照韓穎等［15］的做法，根據鋼鐵工業的化石能源消耗與燃料本身的屬性和特征，結合碳排放系數和碳氧化率兩項指標估算得到;噸鋼NOx、CO、N2O、CH4和有毒有害重金屬元素的大氣排放數據依據狄向華和聶祚仁［16－17］估算中國火力發電和化石能源生產清單數據的方法計算得到;原材料消耗數據來自中國海關總署和中國商務網的統計數據。由于所需數據涉及面很廣，統計數據不能全面反映所用信息，因此，文章還參考《中國鋼鐵工業年鑒》、我的鋼鐵網、中國鋼鐵工業協會及一些相關的鋼鐵行業分析報告。

3 鋼鐵生產過程生命周期清單結果對比分析

通過搜集、加工和整理原始資料和數據，本文建立了2000－2009年中國普通鋼材生產的生命周期清單，見表1(限于篇幅原因，本文只列出了部分年份結果)。從噸鋼生產的原材料消耗來看，鋼鐵整個生產系統中，原材料消耗數量較大。中國生產1 t普通鋼材，消耗原材料最多的是新水，2000年為25 240 kg，2009年為4 430 kg。國外工業發達國家在2003年時的噸鋼耗新水量為2 400 kg左右［5］，水重復運用率達到98.00%，而中國2003年的噸鋼耗新水量為13 730 kg，是國外的5.72倍，2009年的噸鋼耗新水量是國外2003年的1.85倍。說明雖然中國鋼鐵生產的耗水量正在逐年降低，廢水循環利用率不斷提高，但與國外發達國家相比，中國鋼鐵生產廢水循環利用效率仍然處于較低水平。就噸鋼鐵礦石消耗而言，2000年中國每生產1 t鋼材需要消耗2.23 t鐵礦石，2009年噸鋼鐵礦石消耗為1.54 t，10年間噸鋼生產鐵礦石消耗量一直維持在較高水平。對于錳礦石而言，2000－2009年中國每生產1 t鋼材平均消耗錳礦石28.83 kg，消耗量變化不大，基本處于比較穩定的態勢。

從噸鋼生產的能源消耗來看，就能耗總量而言，縱向看，2000－2009年鋼鐵工業總能耗一直呈下降趨勢，噸鋼能耗減少了8 797.98 MJ，減少了近一半。說明中國鋼鐵產業節能技術取得了重大進步，能源利用效率明顯提高，10年間中國噸鋼生產已經實現節能32.7%。橫向看，與發達國家鋼鐵產業相比，中國鋼鐵生產能耗還比較高。據有關數據顯示，2005年國際先進水平的噸鋼總能耗為19 172.51 MJ(依據中國鋼鐵工業協會的統計數據)，而國內先進水平噸鋼能耗為19 904.28 MJ，與國際先進水平的差距為3.82%;國內平均水平噸鋼總能耗為21 689.81 MJ，與國際先進水平相差了13.13%。對于工序能耗而言，2000年至2009年，中國鋼材生產燒結、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼各工序的能耗都有不同程度下降，其中煉鋼和軋鋼工序的能耗下降明顯。轉爐煉鋼能耗從2000年的845.35 MJ下降到2009年的94.84 MJ，下降了88.78%;電爐煉鋼能耗從7 774.08 MJ下降到2 122.73 MJ，下降了72.69%;軋鋼工序能耗下降了51.11%。

從噸鋼生產的污染物排放來看，噸鋼 CO2排放從2000 年的3 471.78 kg減少到了2009 年的2 061.88 kg，減少了40.61%。SO2、NOX、COD和工業固廢等主要污染物排放也呈現出明顯的減少趨勢。其中，噸鋼SO2排放量從2000年的 5.56 kg減少到 2009年的 2.01 kg，減少了63.87%。NOx從2000年的 10.61 kg，減少到 2009年的5.77 kg，減少了 45.63%。工業固體廢棄物從 11.79 kg 減少到0.72 kg，減少了16.40倍。這充分說明中國鋼鐵工業節能減排為世界范圍污染減排做出了一定的貢獻。此外，大氣中的有毒有害重金屬元素排放對人體健康和生態環境質量的影響非常大。表1的清單結果列出了2000－2009年中國噸鋼生產過程中有毒有害重金屬元素在大氣中的排放數據，雖然這些有毒有害重金屬元素的含量都不高，但其累計的毒害效應對人體健康和生態系統的危害將是不容忽視的。

表1 2000－2009年中國普通鋼材生產的生命周期清單

4 鋼鐵生產過程生命周期環境影響評價對比分析

利用表1的清單結果，結合公式(2)計算出各類環境影響潛值，除以相應的標準化基準值，并加權綜合，可以得到2000－2009年中國鋼材生產的各類環境影響潛值和總的環境影響潛值，鑒于篇幅有限，文中只列出了2000年、2009年的環境影響評價結果(見圖1)。

2000－2009 年，中國普通鋼材生產系統的各類環境影響類型中，溫室效應影響最大，其次是能源消耗和資源消耗影響。除此之外，環境酸化、生態毒性和光氧化劑形成這三類環境影響也比較大，富營養化和人體毒性影響比較小。以2009年為例，2009年中國生產1 t普通鋼材的資源消耗潛值為4.92×10－11kg Fe eq/a，占噸鋼生產生命周期總環境負荷29.17%的比重。全球變暖潛值和能源消耗潛值分別為6.53 ×10－11kg CO2eq/a和 5.17 ×10－11kg ce eq/a，占噸鋼生產生命周期總環境負荷的比重分別為33.58%和30.67%。噸鋼生產過程中環境酸化、生態毒性和光氧化劑形成這三類環境影響占總環境負荷的比重分別為3.02%、1.70%和1.20%。富營養化、人體毒性環境影響對總環境負荷的貢獻比較小，占總環境負荷的比重不足1%，僅為0.59%和0.07%。

總體上看，2000－2009年中國噸鋼生產主要環境影響的潛a力值呈現出下降的趨勢。2000年中國生產1 t普通鋼材的資源消耗、能源消耗和溫室效應潛值分別為7.19×10－11kg Fe eq/a、7.68 ×10－11kg ce eq/a和1.12 ×10－10kg CO2eq/a，占總環境影響的比重分別為 26.68%、28.52%和35.99%。到2009年這三類環境影響潛值分別下降了31.51%、32.67%和41.56%。噸鋼生產總的環境影響潛力從2000年的3.03×10－11/a下降為2009年的1.89 ×10－11/a，10 年間，下降了37.37%。然而，結合 2000年至2009年中國的鋼材產量(2000年為13 146.00萬t，2009年為69 405.40萬t)計算得出2000年和2009年中國鋼鐵產業整個生命周期內總的環境影響潛力分別為3.98×10－3/a和1.32 ×10－2/a，10 年間，中國鋼鐵產業的環境影響潛力增強了2.31倍。

圖1 2000、2009年中國鋼材生產環境影響潛值

根據2009年中國噸鋼生產各工序的詳細清單，評價得出中國生產1 t普通鋼材各主要工序的能源消耗、溫室效應、酸化、富營養化和光氧化劑形成5類環境影響，結果見圖2。由圖2可知，中國鋼材生產過程中煉鐵工序產生的環境影響最大，其各類環境影響類型潛值占整個鋼鐵生產流程中各項環境影響總潛值的比重都比較高，其次是燒結工序和焦化工序，轉爐煉鋼工序的環境影響最小。鋼材生產過程中能源消耗和溫室效應影響主要由煉鐵工序貢獻，煉鐵工序對能源消耗和溫室效應的影響分別占整個鋼材生產流程能源消耗和溫室效應影響的67.79%和49.61%的比重。環境酸化影響主要集中在燒結和焦化工序，這兩個工序的環境酸化影響占鋼材生產整個生命周期酸化影響的53.42%和28.76%的比重。另外光氧化劑形成潛力在煉鐵環節的貢獻也比較明顯，所占比重達到43.31%。

圖2 2009年中國鋼材生產主要生產工序的環境影響潛值

5 主要結論及政策建議

本文結合鋼鐵行業自身的特點，利用生命周期評價方法，建立了中國2000－2009年鋼鐵產品生產整個流程的生命周期清單，并根據清單結果，選取恰當的環境影響類型和特征化模型，對中國普通鋼材生產系統的環境影響進行了評價。結論發現:溫室效應、能源消耗、資源消耗是中國鋼鐵產品生產的主要環境影響類型，占整個生命周期內總的環境影響的累計比重達到93.42%，其余6.58%的影響主要是由其它幾類環境影響類型貢獻;煉鐵、焦化和燒結工序是鋼鐵生產環境影響貢獻度最大的工序。煉鐵工序，對能源消耗和溫室效應的影響占整個生命周期能源消耗和溫室效應影響的比重為67.79%和49.61%。燒結和焦化工序對環境酸化的影響占整個生命周期環境酸化影響的比重為53.42%和28.76%;2000－2009年中國生產1 t普通鋼材整個生命周期總的環境影響潛力減小了37.37%，但中國鋼鐵產業的環境影響潛力卻增強了2.31倍。

以上結論蘊含的政策含義是:①降低中國噸鋼生產的能源消耗應重點采用間接節能方法，通過調整鋼鐵生產工藝結構，合理優化產品結構和能源結構，降低鐵鋼比系數。②應強化燒結、焦化和煉鐵這三大工序的節能，提高二次能源利用率。焦化工序應加強焦爐改造，重點發展高壓干熄焦、煤調濕;燒結工序應加強燒結余熱利用;煉鐵工序應強化高爐噴煤、高爐干式TRT。③加快淘汰落后產能，進一步加強總量控制和結構調整。積極研究制定以節能環保強制性標準淘汰落后產能的具體措施，加快推動規模優勢企業兼并重組落后產能和低水平企業，促進產能改造和技術水平提升。完善落后產能退出機制，努力營造促進企業公平競爭和落后產能退出的市場環境。

(編輯:張 英)

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