應用LCA分析中國典型鋼鐵企業(yè)的環(huán)境負荷

高成康，陳 杉，陳 勝，王申川

(1.國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室(東北大學)，110819 沈陽；2.海信容聲(廣東)冰箱有限公司開發(fā)中心，528000 廣東 佛山；3.上海嘉德環(huán)境能源科技有限公司，200336 上海)

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應用LCA分析中國典型鋼鐵企業(yè)的環(huán)境負荷

高成康1，陳 杉1，陳 勝2，王申川3

(1.國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室(東北大學)，110819 沈陽；2.海信容聲(廣東)冰箱有限公司開發(fā)中心，528000 廣東 佛山；3.上海嘉德環(huán)境能源科技有限公司，200336 上海)

為得到鋼材的環(huán)境負荷，基于生命周期評價方法對中國典型鋼鐵企業(yè)中不同流程中的各工序，系統(tǒng)、定量地分析評價環(huán)境負荷.采用GaBi 4.3 軟件提供的CML2001環(huán)境影響分類方法，將各工序的環(huán)境影響進行分類，并根據(jù)特征化因子，分析生產1 t 鋼材產生的環(huán)境影響.分析結果表明：長流程生產過程主要的環(huán)境影響是焦化、燒結、高爐煉鐵和廢鋼回收環(huán)節(jié)產生的水生生態(tài)毒性、人體毒性、化石能源耗竭和礦產資源耗竭等.其中，長流程的煉鋼過程對氣候變化、人體毒性、水生生態(tài)毒性和固體廢棄物的影響較大，分別約占該類型總環(huán)境影響值的30%，95%，50%和90%；短流程生產過程主要的環(huán)境影響為鐵水和電爐煉鋼過程產生的氣候變化、酸化和光化學臭氧形成等.該研究結果可為鋼鐵企業(yè)調整兩種不同流程提供一定的理論依據(jù)，有助于準確發(fā)現(xiàn)生產過程中各環(huán)節(jié)節(jié)能降耗、降低環(huán)境負荷的潛力所在，從而有利于鋼鐵企業(yè)對生產流程進行改進或優(yōu)化.

生命周期評價；鋼鐵聯(lián)合企業(yè)；長流程；短流程；環(huán)境影響

由于鋼鐵企業(yè)高能耗、高污染、高排放，因此鋼鐵行業(yè)的發(fā)展與資源、環(huán)境問題密切相關[1].鋼鐵工業(yè)“十二五”規(guī)劃中提出單位工業(yè)增加值能耗和二氧化碳排放分別下降18%，固體廢棄物綜合利用率達97%以上[2].

現(xiàn)代鋼鐵生產工藝主要分為高爐-轉爐長流程和電爐短流程兩類.基于生命周期評價法(LCA)研究鋼鐵兩個全生產流程環(huán)境負荷對比的文獻較少，文獻[3]對高爐-轉爐鋼鐵生產流程的環(huán)境影響進行了研究；文獻[4]對比長流程和短流程的半生命周期評價.本文選取了國內典型的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，對該企業(yè)長、短兩種流程的鋼鐵產品進行全生命周期評價，并對生產過程中各工序進行系統(tǒng)、定量的環(huán)境負荷分析.從中可以準確識別生產過程中各環(huán)節(jié)節(jié)能降耗、降低環(huán)境負荷的關鍵環(huán)節(jié)，為鋼鐵企業(yè)對生產流程進行改進或優(yōu)化提供理論依據(jù).

1 研究模型

生命周期評價(life cycle assessment，LCA)，用于評估與產品有關的環(huán)境因素及其潛在的影響，其研究貫穿產品生命全過程(即從“搖籃”到“墳墓”)[5].生命周期評價的技術框架分為4個部分[6]，如圖1所示.

本次評價采用目前比較常用的CML2001 (Centre for Environmental Science，Leiden University，

Netherlands)環(huán)境影響分類方法[7].文中各清單項目對環(huán)境影響的特征化因子中氣候變化的特征化因子參考IPCC的成果[8]，酸化、光化學臭氧形成、水體富營養(yǎng)化的特征化因子參考美國EPA的成果.CML2001中描述固體廢棄物產生量的環(huán)境影響是土地占用，有些環(huán)節(jié)排放的固體廢棄物可以循環(huán)利用，不占用土地.因此，直接以固體廢棄物的質量表征其產生量，不轉換成土地占用面積.本文研究的各清單項目對環(huán)境影響的特征化因子見表1[9-10].

圖1 生命周期評價技術框架

為了便于比較評價結果，文中對各環(huán)境影響歸一化后加權求和，權重的確定采取專家咨詢法，各環(huán)境影響的權重，見表2.

表1 環(huán)境影響類型和相應的特征化因子

注：kgXnYm-eq·kg-1表示1 kg相應物質產生的環(huán)境影響等同于特征化因子對應的質量XnYm產生的環(huán)境影響.

表2 各環(huán)境影響的權重值

2 典型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的生命周期評價

本研究對鋼鐵企業(yè)A的長流程和短流程進行分析評價.污染物排放包括氣體污染物、液體污染物和固體廢棄物.此外，生產過程可能導致的其他生態(tài)影響，如采礦過程會造成植被破壞等，由于其影響程度與管理部門的管理情況密切相關，且難以獲得準確數(shù)據(jù).因此，本研究不予考慮.

2.1 鋼鐵企業(yè)A長流程的全生命周期評價

長流程鋼鐵產品的生命周期評價包括原材料的開采和選礦、燒結、球團、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、連鑄、軋鋼、成品及廢鋼處置和回收利用環(huán)節(jié)，對其建立的研究邊界如圖2所示.

結合實際情況，本文針對長流程煉鋼過程作如下簡化：1)考慮到連鑄環(huán)節(jié)的能耗相對較小，本文不對此階段進行數(shù)據(jù)清單分析；2)由于鋼鐵成品的種類多，各產品的污染物排放少且種類復雜，對此作忽略處理；3)煉鋼過程中所需的電力由外購和自產兩部分組成.考慮到我國發(fā)電的主要來源為燃煤發(fā)電，本文以文獻 [11]的相關數(shù)據(jù)另行來計算污染物排放量.

基于對鋼鐵企業(yè)A的調研，分別計算出單位原煤生產污染物排放清單；每t精鐵礦產品、焦化工序中單位產品、燒結工序中單位產品，球團工序中單位產品、高爐煉鐵工序單位產品、轉爐煉鋼中單位產品、軋鋼工序中生產單位產品等的輸入輸出清單，以及回收1 t廢鋼的環(huán)境影響值.其中:

①生產精鐵礦過程產生的氣體污染物主要為煤氣燃燒的產物，包括CO2、SO2、NOx和煙塵，計算為

(1)

式中：W為生產1 t鋼材生成的CO2的質量；V為生產1 t鋼材生成的焦爐煤氣或高爐煤氣的體積；P1、P2、P3分別為煤氣中CO2、CO和CH4的體積百分比；ρ為CO2的密度取1.98 kg/m3.

②焦化生產過程中SO2、NOx和工業(yè)粉塵的排放數(shù)據(jù)從第1次全國污染源普查(2008年)工業(yè)污染源排污系數(shù)[12]中得到.

圖2 長流程鋼鐵產品全生命周期評價邊界

③燒結過程固體燃料的CO2排放量根據(jù)中國燃煤中碳的排放系數(shù)和實際的燃煤量計算.碳的排放系數(shù)取24.74 t/TJ[13]，碳的氧化率取90%.不完全燃燒產物CO和CH4的排放因子根據(jù)IPCC推薦的值，分別為150和10 kg/TJ[14]，NMVOC的排放因子取15 g/GJ[15].燒結生產過程中SO2、NOx和工業(yè)粉塵的排放數(shù)據(jù)取自第1次全國污染源普查(2008年)工業(yè)污染源排污系數(shù).

④球團礦生產的主要燃料消耗是高爐煤氣和轉爐煤氣.因此，球團工序的二氧化碳排放量可以按式(1)計算，其他污染物的排放量根據(jù)第1次全國污染源普查(2008年)工業(yè)污染源排污系數(shù)來求得.

⑤高爐煉鐵過程中固體燃料的CO2排放量根據(jù)中國燃煤中碳的排放系數(shù)和實際燃煤量計算.煤氣燃燒產生的CO2量按式(1)計算.把固體燃燒CO2排放量與煤氣燃燒CO2排放量相加就是高爐煉鐵過程的總CO2排放量.生產過程中SO2、NOx和工業(yè)粉塵的排放數(shù)據(jù)取自第1次全國污染源普查(2008年) 工業(yè)污染源排污系數(shù).

⑥ 轉爐煉鋼過程的污染物排放量與高爐煉鐵工程的計算方法相同.

⑦軋鋼工程中煤氣燃燒產生的CO2量按式(1)計算.其他污染物的排放數(shù)據(jù)取自第1次全國污染源普查( 2008年) 工業(yè)污染源排污系數(shù)，且水處理采用化學混凝沉淀.

⑧在廢鋼回收階段，根據(jù)第1次全國污染源普查(2008年)工業(yè)污染源排污系數(shù)0.03 t/t-原料和我國平均廢鋼回收率為38%[16]可知，每t鋼產品最后回收能夠得到0.38 t.

在電力排放清單中，根據(jù)對企業(yè)A的調研可知，長流程每生產1 t不銹鋼材的電耗為88.63 kW·h，其中有69.35 kW·h的電力來自外購，那么長流程每生產1 t不銹鋼材的電耗所攜帶的環(huán)境負荷，見表3.

表3 生產單位不銹鋼材外購電力的主要環(huán)境負荷

在企業(yè)A長流程生產過程中物質消耗以及污染物排放分析的基礎上，根據(jù)環(huán)境影響特征化因子，對1 t不銹鋼材的全生命周期所產生的環(huán)境影響值進行綜合比較分析，結果見表4.

基于上述建立的模型和分析過程，如圖3、4所示，圖中結果表明：

1)在長流程的煉鋼過程中，主要是焦化、燒結、高爐煉鐵和廢鋼回收環(huán)節(jié)的環(huán)境影響.其中，高爐煉鐵工序的環(huán)境影響最大，占全生命周期總環(huán)境影響的31%.其次是廢鋼回收過程的環(huán)境影響，占總環(huán)境影響的22%.相對來說，轉爐煉鋼過程、原材料生產和軋鋼過程的環(huán)境影響都很小.

2)針對各環(huán)節(jié)的不同環(huán)境影響類型的比較可以得出，高爐煉鐵過程對氣候變化、人體毒性和固體廢棄物的影響最大，分別占該類型總環(huán)境影響值的33%，95%,92%.這是由于在高爐煉鐵過程中的SO2、NOx和工業(yè)粉塵的大量排放.因此，在煉鐵過程中要做好污染物的監(jiān)測和治理，并普及高爐煉鐵過程的相關清潔生產技術.

3)焦化過程中對化石能源耗竭的影響最大，占該類型總影響值的84%.其次是對水生生態(tài)毒性的影響，占總影響值的59%.這主要是在生產焦炭的過程中產生的揮發(fā)酚和氰化物造成的.因此，做好副產品的回收利用工作以及污水的處理很重要.

表4 長流程生產1 t不銹鋼材的環(huán)境影響值

圖3 長流程各生產環(huán)節(jié)環(huán)境影響比例統(tǒng)計

圖4 鋼鐵企業(yè)A全生命周期各環(huán)節(jié)總環(huán)境影響值比較

4)燒結工序中以對酸化影響較大，占總影響值的47%.這主要是由于在生產燒結礦時SO2和NOx的大量排放造成的.其次，燒結工序和球團工序對礦產資源耗竭的影響最大，分別占總影響值的54%, 46%.這是由于在生產燒結礦和造球過程中對鐵精礦的大量消耗造成的.

5)在廢鋼回收過程中，產生的污染物對水體富營養(yǎng)化的形成和光化學臭氧形成的影響最大，分別占總影響值的65%, 93%.這主要是由于廢鋼在加工時產生了二次污染.

2.2 鋼鐵企業(yè)A短流程全生命周期評價

鋼鐵生產的短流程包括廢鋼、電爐煉鋼、薄板坯連鑄和熱軋工序.對于短流程的生命周期評價則還包括了成品和最后產品的處置回收階段，故整個流程為廢鋼、電爐、連鑄、軋鋼、成品和產品報廢處置回收，如圖5所示.

圖5 短流程鋼鐵生產生命周期評價邊界

依據(jù)相關參數(shù)和計算分析模型，同樣分析企業(yè)A短流程生產過程中環(huán)境負荷排放，如圖6所示.

圖6 企業(yè)A短流程各生產環(huán)節(jié)環(huán)境影響比例統(tǒng)計圖

分析圖6可得：1)在企業(yè)A的短流程煉鋼過程中，主要的環(huán)境影響來源于鐵水和電爐煉鋼過程，分別占總影響值的50%, 31%；2)比較各環(huán)節(jié)的環(huán)境影響，電爐煉鋼過程對氣候變化、酸化和光化學臭氧形成的影響最大，分別占相應環(huán)境總影響值的62%, 73%, 82%.這主要是由于電爐煉鋼過程對電力的大量消耗，而電力的主要來源為燃煤發(fā)電;3)鐵水所攜帶的環(huán)境負荷主要對水生生態(tài)毒性、人體毒性、固體廢棄物和礦產資源耗竭有影響，分別占相應環(huán)境總影響值的100%, 82%, 68%和100%.因此，對于短流程煉鋼過程要盡量減少鐵水的投入.

2.3 長流程與短流程全生命周期評價結果比較分析

對比企業(yè)A不銹鋼長流程和短流程全生命周期的環(huán)境影響值，見表5，結果表明：企業(yè)A長流程在化石能源耗竭、礦產資源耗竭、水生生態(tài)毒性和人體毒性的環(huán)境影響分別是短流程的177.18%, 143.93%, 175.30%, 175.21%.這是由于在燒結球團高爐煉鐵過程消耗了許多能源和礦產資源，焦化對化石能源消耗影響、水生生態(tài)毒性很大，而高爐煉鐵也是影響水生生態(tài)毒性的主要因素之一.而在對氣候變化、酸化和光化學臭氧形成的影響中，長流程只有短流程的56.22%,40.42%,24.74%.這是因為考慮了電力生產的環(huán)境影響.對于固體廢棄物，長流程卻是短流程的72.11%，這是由于短流程的煉鋼過程中投入了大量的鐵水，而在短流程的評價過程中考慮了鐵水所攜帶的環(huán)境負荷.

表5 企業(yè)A生產1 t不銹鋼長流程和短流程環(huán)境影響評價結果比較

環(huán)境影響長流程短流程相對值/%氣候變化/(kgCO2-eq)2.62×1034.66×10356.22酸化/(kgSO2-eq)6.791.68×10140.42光化學臭氧形成/(kgC2H4-eq)5.79×10-22.34×10-124.74富營養(yǎng)化/(kgPO43--eq)3.32×10-13.27×10-1101.53水生生態(tài)毒性/(kgC6H4Cl2-eq)7.30×10-24.12×10-2177.18人體毒性/(kgC6H4Cl2-eq)8.78×1016.10×101143.93化石能源耗竭/(kgSb-eq)7.24×10-54.13×10-5175.30礦產資源耗竭/(kgSb-eq)4.10×10-32.34×10-3175.21固體廢棄物/kg3.80×1025.27×10272.11

3 結 論

1)利用生命周期評價方法，對中國典型鋼鐵企業(yè)的不同生產流程進行生命周期評價，結果發(fā)現(xiàn)：在整個長流程的生產過程中，主要是焦化、燒結、高爐煉鐵和廢鋼回收環(huán)節(jié)的環(huán)境影響.其中，高爐煉鐵工序的環(huán)境影響最大，約占全生命周期總環(huán)境影響的30%.其次是廢鋼回收過程的環(huán)境影響，約占總環(huán)境影響的20%，說明在利用生命周期評價鋼鐵產品時不能忽略廢鋼回收環(huán)節(jié).

2)針對各環(huán)節(jié)的不同環(huán)境影響類型的比較可以看出，高爐煉鋼過程對氣候變化、人體毒性、水生生態(tài)毒性和固體廢棄物的影響較大，分別約占該類型總環(huán)境影響值的30%,95%,50%,90%.

3)比較鋼鐵生產的兩類不同流程的環(huán)境影響，可以看出短流程生產過程主要的環(huán)境影響為氣候變化、酸化和光化學臭氧形成.因此，可適當增加電爐煉鋼.

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(編輯 張 紅)

Life cycle assessment of integrated iron and steel works in China

GAO Chengkang1, CHEN Shan1, CHEN Sheng2, WANG Shenchuan1

(1.State Environmental Proteetion Key Laboratory of Eco-Industry(Northeastern University), 110819 Shenyang, China; 2.Hisense Rongshen (Guangdong) Refrigerator Co., Ltd Development Center, 528000 Foshan, Guangdong, China; 3.Shanghai Cadre Environment Energy Science and Technology Co., Ltd, 200336 Shanghai,China)

Based on the data from a steel company, this paper applied life cycle assessment and GaBi 4.3 to analyze the material, energy consumption and emission during production of 1 t on steel by CML2001 method was used to perform environmental impact assessment of steel production. The results showed that the major environmental impact of BF-BOF steelmaking process includes aquatic ecotoxicity, human toxicity, fossil energy depletion and mineral resource depletion from coking, sintering, blast furnace and steel scrap recycling. And climate change, human toxicity, aquatic ecotoxicity, solid waste take up 30%, 95%, 50% and 90% of the total environmental impact, respectively. The major environmental impact of electric furnace steelmaking process includes mainly climate change, acidification and photochemical ozone formation from the molten iron and electric steelmaking processes. So a reliable basis of for decision making for iron and steel enterprises to adjust two different processes is provided. And the research helps to accurately discover energy saving, reduce the potential for environmental load in various aspects of the production process, thus contribute to iron and steel enterprises to improve or optimize production processes.

life cycle assessment；integrated iron and steel works；BF-LD process；electric furnace steelmaking process；environmental impact

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.04.030

2014-09-10.

國家自然科學基金(41301643，71373003，41401636)；遼寧省社會發(fā)展攻關計劃資助(2012201011)；國家環(huán)保部公益項目資助(201009063).

高成康(1977—)，女，副教授.

高成康，gaock@smm.neu.edu.cn.

X757

A

0367-6234(2016)04-0177-05