鋼鐵建材生產(chǎn)過程中的生態(tài)包袱系數(shù)研究

曾慶娜，定 花，陳偉亞

（武漢工程大學(xué) 環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430073）

1 引言

建筑業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一，目前我國(guó)正處于工業(yè)化時(shí)期，建筑用鋼材的需求量較大，建筑用鋼作為我國(guó)鋼材消費(fèi)的最主要部分，其用量約占鋼材總消費(fèi)量的60%以上［1］。同時(shí)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展與資源、生態(tài)環(huán)境等問題密切相關(guān)，其原材料提取、制備、加工、使用、再生等過程消耗了大量的資源和能源，同時(shí)也排放出大量的廢氣、廢水和工業(yè)固體廢棄物，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大的、直接及間接的破壞。

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，鋼鐵工業(yè)隨之進(jìn)一步發(fā)展。然而，不可再生資源和能源的消耗，廢氣、粉塵的大量排放對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的破壞已經(jīng)嚴(yán)重影響整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，從輸入端控制環(huán)境污染，追蹤整個(gè)生產(chǎn)過程的物質(zhì)投入，全面量化鋼鐵產(chǎn)品對(duì)自然資源的消耗和對(duì)生態(tài)環(huán)境的沖擊，對(duì)整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 生態(tài)包袱的概念及計(jì)算方法

2.1 生態(tài)包袱

生態(tài)包袱（Ecological Rucksack）概念最早是由德國(guó)人魏茲舍克提出的，指人類為獲得有用物質(zhì)及產(chǎn)品而動(dòng)用的沒有直接進(jìn)入交易和生產(chǎn)過程的物料，在物質(zhì)流賬戶中被又稱為隱藏流、非使用物質(zhì)開采或非直接流。例如為了生產(chǎn)鋼鐵，直接投入了鐵礦石，而為了開采鐵礦石有可能開挖巷道以及剝離表土，因此造成的消耗并未直接進(jìn)入生產(chǎn)過程，稱為隱藏流，也稱為生態(tài)包袱［2］。例如德國(guó)1996年建筑材料共消耗632萬t鋼材，而生產(chǎn)每t鋼材需要4.08t的隱性投入。生態(tài)包袱是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)物質(zhì)代謝的重要組成部分，形象地表達(dá)出人類為獲得有用物質(zhì)而造成的附加的生態(tài)壓力。生態(tài)包袱是物質(zhì)流分析賬戶中的重要分析指標(biāo)，越來越多的被用于研究某一產(chǎn)品的資源動(dòng)用情況，以及對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的沖擊等問題。

2.2 生態(tài)包袱系數(shù)

生態(tài)包袱系數(shù)是物質(zhì)投入總重量與產(chǎn)品自身重量的比值，反映生產(chǎn)單位產(chǎn)品的物質(zhì)投入總重量，能夠直觀的反映出產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對(duì)投入物質(zhì)的消耗水平，生態(tài)包袱系數(shù)越小，說明投入物質(zhì)的消耗越小，反之，則說明對(duì)投入物質(zhì)的消耗量越大。進(jìn)而說明對(duì)生態(tài)環(huán)境施加的壓力也越大，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響越大。生態(tài)包袱及系數(shù)的研究對(duì)于分析如何提出改進(jìn)生產(chǎn)工藝和方法以降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響具有重要的實(shí)際意義。

2.3 生態(tài)包袱及系數(shù)的計(jì)算

生態(tài)包袱從輸入端揭示了產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中資源消耗水平，進(jìn)一步量化了對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度。計(jì)算產(chǎn)品的生態(tài)包袱時(shí)需要考慮涉及到的所有物質(zhì)，包括直接使用和間接動(dòng)用的物質(zhì)，并且所有物質(zhì)都以質(zhì)量計(jì)量。某一產(chǎn)品的生態(tài)包袱等于直接和間接投入到該產(chǎn)品的物質(zhì)的總質(zhì)量與該產(chǎn)品自身質(zhì)量之差，生態(tài)包袱系數(shù)則是物質(zhì)投入總質(zhì)量與產(chǎn)品自身質(zhì)量的比值。一件產(chǎn)品含有的和生產(chǎn)中直接消耗的各種物質(zhì)的質(zhì)量乘以各自的生態(tài)包袱系數(shù)再求和就是該產(chǎn)品的物質(zhì)投入總質(zhì)量，再減去產(chǎn)品自身的質(zhì)量就是該產(chǎn)品的生態(tài)包袱，公式為：

R為生態(tài)包袱；ri為第i種物質(zhì)的生態(tài)包袱系數(shù)；wi為第i種物質(zhì)的消耗量；W 為產(chǎn)品產(chǎn)量。該產(chǎn)品的生態(tài)包袱系數(shù)為：

r為生態(tài)包袱系數(shù)；ri為第i種投入物質(zhì)的生態(tài)包袱系數(shù)；wi為第i種物質(zhì)的消耗量；W為產(chǎn)品產(chǎn)量。

對(duì)某一產(chǎn)品的生態(tài)包袱計(jì)算關(guān)鍵是找出所有投入，即能量消耗（如電力）也作為“物質(zhì)”投入；需追蹤“投入的投入”及其生態(tài)包袱，如電力投入引起的煤炭投入和煤炭的生態(tài)包袱、鋼鐵投入引起的鐵礦石投入和鐵礦石的生態(tài)包袱等，需不斷追蹤某工序之前一工序的所有投入。有了生態(tài)包袱系數(shù)就是不需要再重復(fù)對(duì)每一道工序的計(jì)算。

3 鋼材生產(chǎn)過程中的生態(tài)包袱計(jì)算與分析

我國(guó)鋼材生產(chǎn)主要以普通鋼為主，本研究以20號(hào)普通碳素鋼為主要研究對(duì)象，研究系統(tǒng)為轉(zhuǎn)爐20號(hào)鋼從礦石到鋼材的生命過程。研究中只考慮系統(tǒng)邊界內(nèi)各生產(chǎn)工藝及運(yùn)輸產(chǎn)生的資源、能源消耗對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的沖擊，不考慮與之相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、固定資產(chǎn)采購(gòu)和工人生活等造成的環(huán)境影響。系統(tǒng)研究邊界見圖1［3］。

圖1 鋼材生產(chǎn)過程中生態(tài)包袱研究系統(tǒng)邊界

研究過程中主要考慮系統(tǒng)邊界內(nèi)消耗量較大的原材料，對(duì)于用量較小的原材料，因數(shù)據(jù)缺乏，造成的環(huán)境影響可能較低，在此不予考慮。鋼材生產(chǎn)過程中主要物質(zhì)投入強(qiáng)度賬戶見表1、表2。

表1 生產(chǎn)1t型材、線材和板材主要原材料投入強(qiáng)度賬戶 kg／t

由于國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)包袱系數(shù)的研究相對(duì)不完整，因此，研究過程中，一些物質(zhì)的生態(tài)包袱系數(shù)借鑒并參考國(guó)外研究數(shù)據(jù)，如表3所示。對(duì)于目前尚未開展過生態(tài)包袱系數(shù)的研究的物質(zhì)，采用近似處的方法，將該物質(zhì)的消耗量近似看作投入量。

表3 鋼材生產(chǎn)過程中消耗資源的生態(tài)包袱系數(shù)

表2 生產(chǎn)1t鋼材產(chǎn)品的能源投入強(qiáng)度賬戶 單位：kg／t

計(jì)算過程中，天然氣、柴油、汽油、焦?fàn)t氣、高爐氣、重油的低熱值分別按 34.91MJ／m3、42.6MJ／kg、46MJ／kg、2000kg／m3、3500kJ／m3、2.8MJ／kg計(jì)。焦?fàn)t氣、高爐氣及其它能源投入均折合成標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行計(jì)算。鋼材生產(chǎn)過程中物質(zhì)投入總量見表4。

表4 鋼材生產(chǎn)過程中物質(zhì)投入總量

經(jīng)計(jì)算，我國(guó)大型鋼材、中小型材、線材、熱軋帶鋼、冷扎帶鋼的生態(tài)包袱系數(shù)為11.81、9.76、9.67、10.21、13.49。由圖2可知，建筑用鋼材生產(chǎn)過程中，鐵礦石、煤及電力消耗量較大，由于大量開采鐵礦石、煤炭及電力生產(chǎn)給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的擾動(dòng)，由此可見，倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，推進(jìn)清潔生產(chǎn)，有效節(jié)約能源，提高廢棄資源有效利用率能夠有效減少物質(zhì)投入，降低產(chǎn)品生態(tài)包袱，減少環(huán)境影響。

圖2 鋼材生產(chǎn)過程中物質(zhì)投入總量柱狀分析

4 結(jié)語

我國(guó)人口眾多，人均資源擁有量少，生態(tài)環(huán)境具有多樣性但整體上比較脆弱，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建筑鋼材的用量必然進(jìn)一步增加，給生態(tài)環(huán)境帶來的壓力也將越來越沉重，因此，有效減少進(jìn)入社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物質(zhì)流動(dòng)才能有效地減小對(duì)環(huán)境的沖擊。我們必須不斷減少單位產(chǎn)出的資源消耗，推進(jìn)物質(zhì)減量化及資源的循環(huán)利用，以最大限度地減少生態(tài)壓力及環(huán)境污染。

［1］環(huán)球咨詢公司.2010年中國(guó)建筑用鋼產(chǎn)品調(diào)研報(bào)告［R］.北京：環(huán)球咨詢公司，2010.

［2］陶在樸.生態(tài)包袱與生態(tài)足跡［M］.北京：經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社，2003.

［3］龔志起.建筑材料生命周期中的物化環(huán)境狀況的定量評(píng)價(jià)研究［D］.北京：清華大學(xué)，2004.

［4］王 青，丁 一，顧曉薇，等.中國(guó)鐵礦資源開發(fā)中的生態(tài)包袱［J］.資源科學(xué)，2005，27（1）：2～7.

［5］瞿泓瑩.中國(guó)金礦資源開發(fā)中的生態(tài)包袱［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2007.

［6］杜 濤，蔡九菊.典型鋼鐵生產(chǎn)流程的環(huán)境負(fù)荷分析［J］.中國(guó)冶金，2006，16（12）：38～41.

［7］楊建新，劉炳江.中國(guó)鋼材生命周期清單分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（4）：519～522.

［8］蔡九菊，杜 濤.鋼鐵企業(yè)投入產(chǎn)出模型及t鋼能耗和環(huán)境負(fù)荷分析［J］.黃金學(xué)報(bào)，2001，3（4）：305～312.