基于EIO LCA的鐵礦石采選溫室氣體排放強度分析

馮 超，朱海玲，徐志強

(1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京100083；2. 濰坊學院物理與光電工程學院，山東 濰坊 261061)

基于EIO LCA的鐵礦石采選溫室氣體排放強度分析

馮 超1，朱海玲2，徐志強1

(1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京100083；2. 濰坊學院物理與光電工程學院，山東 濰坊 261061)

鐵礦石采選過程是重要的能源消費源和溫室氣體排放源，為更好的推進鐵礦石采選業(yè)的溫室氣體減排，需要采用全生命周期方法對鐵礦石采選過程中的直接和間接溫室氣體排放進行詳細計算。為避免傳統(tǒng)的過程生命周期評價方法在計算過程中產生的截斷誤差，本文基于投入產出全生命周期評價方法(EIO LCA)對鐵礦石采選全生命周期的能源消費和溫室氣體排放進行了計算。計算結果顯示，最終獲取1 t鐵礦石的能源消費強度為0.089 tce；溫室氣體排放強度為2.138 tCO2-eq，主要源于煤炭，約占總排放量的48.1%。

鐵礦石采選；投入產出全生命周期評價；能源消費；溫室氣體排放

近年來，我國CO2排放量日益增高，已接近全球的30%[1]，巨額的溫室氣體(Greenhouse Gas，GHG)排放給我國在國際上的氣候談判帶來了巨大的壓力[2]，溫室氣體減排日益受到重視。鐵礦石不僅是重要的礦產資源，而且其采選過程也是重要的能源消費源和溫室氣體排放源。為了更好的推進鐵礦采選業(yè)的溫室氣體減排，有必要對其溫室氣體排放量進行詳細計算。鐵礦石開采、選礦過程中的溫室氣體排放，除直接能源消費引起的溫室氣體排放外，還包括間接排放，即鐵礦石開采、選礦過程中需要投入產品i，生產i的過程會產生排放，同時又需要投入產品j，依次向產品上游朔源，直至最初的能源和資源的開采過程，間接排放是全部上游階段的排放之和。例如，在鐵礦石開采、選礦過程中需要消耗電力，而電力的生產過程同樣會產生溫室氣體排放，且需要煤炭、天然氣等的投入。因此，對鐵礦石采選過程溫室氣體排放的計算需要從全生命周期進行考慮。

全生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)是一種在國際上得到較為普遍認同的環(huán)境負荷量化評價方法[3]。該方法可以對產品“從搖籃到墳墓”的全過程中所涉及的能源、環(huán)境等問題進行有效的定量分析和評價，因而在解決面向產品的能源、區(qū)域環(huán)境、氣候變化等重要問題時有著較為廣泛的應用[4]。

目前，國內針對鐵礦石采選過程中溫室氣體排放的研究還很少，且在礦產采選全生命周期計算過程中一般基于傳統(tǒng)的過程生命周期評價方法(Process-based Life Cycle Assessment，PLCA)[5]。PLCA方法主要是自下而上對研究對象的能源、環(huán)境清單進行編制和分析，在國際環(huán)境毒理學與化學學會(Society of Environmental Toxicology and Chemistry, SETAC)及國際標準化組織(International Organization for Standards，ISO)的推動下，PLCA在國際范圍內迅速發(fā)展，目前仍是主流的生命周期評價方法。但是，PLCA在應用過程中均基于系統(tǒng)邊界定義將能源消費和環(huán)境清單溯源終止于某個節(jié)點，使得計算結果存在截斷誤差[6]。截斷誤差的存在使得利用PLCA方法對同一對象進行研究時，有時甚至會出現(xiàn)矛盾的結論[7]，例如Hocking[8]與Camo[9]等人均在《科學》雜志上發(fā)表了對一次性紙杯和塑料杯的環(huán)境影響評價，但二者得出的結論卻正好相反。

為了克服PLCA在截斷誤差上的弊端，Lave[10-11]等在20世紀90年代將經濟投入產出法(Economic Input-output，EIO)引入到了LCA中，創(chuàng)建了經濟投入產出全生命周期評價(Economic Input-output Life Cycle Assessment，EIO LCA)方法。EIO LCA是基于投入產出表建立的一種自上而下的LCA分析方法，由于投入產出表的統(tǒng)計系統(tǒng)邊界為整個國民經濟系統(tǒng)，根據(jù)其計算輸出的能耗、環(huán)境影響的核算邊界也將是整個國民經濟系統(tǒng)，因此能夠較為完整的核算所研究對象的能耗及環(huán)境影響，有效避免截斷誤差的產生。

因此，本文基于EIO LCA方法對鐵礦石開采、選礦全生命周期的能源消費和溫室氣體排放進行了計算，這對于推進鐵礦采選業(yè)的高效低碳開發(fā)有著重要的現(xiàn)實意義。

1 基于EIO LCA方法的鐵礦石采選能源消費與溫室氣體排放模型

1.1 方法與模型

定義鐵礦石采選的單位能源消費強度為最終獲得1 t鐵礦石的全生命周期能源消費量；單位溫室氣體排放強度為最終獲得1 t鐵礦石的全生命周期溫室氣體排放量。

1.1.1 能源消費計算模型

將鐵礦石采選的全生命周期能源消費強度記為EIO，則有式(1)[12]。

EIO=R(I-A)-1F

(1)

式中：F表示最終需求向量(n×1階)；I為單位矩陣(n×n階)；A表示技術矩陣(n×n階)；R為產品部門活動所消耗的直接能源消費系數(shù)(1×n階)，其矩陣元素Ri表示部門i單位貨幣產出所直接消耗的能源，見式(2)。

(2)

式中：ci為部門i的直接能源消費量；xi為部門i的總產出。

將R(I-A)-1記為B，稱為完全能源消費系數(shù)，見式(3)。

B=R(I-A)-1

(3)

本文在計算過程中所涉及的主要能源種類包括原煤、原油、天然氣、汽油、柴油、燃料油及電力，這些能源類型在國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)中可區(qū)分(除去“其他”字樣的綜合類型能源)且不含熱力、焦炭和煤氣(在汽車能源動力研究過程中應用很少)的終端能源消費總量中占到90%以上[13]。

1.1.2 溫室氣體排放計算模型

本文涉及的主要GHG排放包括二氧化碳(CarbonDioxide，CO2)，甲烷(Methane，CH4)和一氧化二氮(DinitrogenOxide，N2O)等導致全球氣候變暖的氣體。

GHG計算模型首先對全生命周期的CO2、CH4和N2O的排放量分別進行計算，最后根據(jù)全球增溫潛勢因子(GlobalWarmingPotential，GWP)統(tǒng)一折算為CO2當量。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)第五次評估報告的研究結果，CH4和N2O的GWP分別為34和298[14]。

將第j種能源的GHG排放強度記為Gj(j=1,…，7)，第j種能源的CO2、CH4和N2O排放量分別記為CO2,j、CH4,j和N2Oj，則有式(4)。

Gj=CO2,j+34×CH4,j+298×N2Oj

(4)

CO2、CH4和N2O排放強度的具體計算公式見歐訓民等構建的Tinghua-CA3EM模型相關文獻[15-18]。

1.2 模型基礎數(shù)據(jù)來源

要利用上述模型對鐵礦石采選的能源消費與溫室氣體排放進行計算，最重要的是要基于國內投入產出表計算出各部門的直接能源消費系數(shù)和完全能源消費系數(shù)。本文依據(jù)國內最新發(fā)布的2012年139部門的投入產出表，以及國家統(tǒng)計局公布的2014年各部門能源消費量[19-20]，利用式(1)～(3)進行矩陣運算，計算得出了139部門的完全能源消費系數(shù)，限于篇幅本文僅列出部分部門的完全能耗系數(shù)(表1)。

根據(jù)國民經濟行業(yè)分類(GB/T 4754-2011)[21]，鐵礦采選業(yè)(代碼0810)屬于黑色金屬礦采選業(yè)(代碼08)。黑色金屬礦采選業(yè)主要包括鐵礦、錳礦、鉻礦等，其中鐵礦石采選是黑色金屬礦采選業(yè)中最主要的過程。本文計算得出的黑色金屬礦采選產品的完全能源消費系數(shù)為0.96 tce/萬元，并將其作為鐵礦采選業(yè)的完全能源消費系數(shù)。

鐵礦石價格數(shù)據(jù)來源于中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會[22]。目前，國家統(tǒng)計局公布的分部門能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)截止于2014年，投入產出表的發(fā)布相對滯后，最新版為2012年版。由于每年的價格存在一定的通貨膨脹(Inflation)或者緊縮(Deflation)現(xiàn)象，因此鐵礦石價格還需要根據(jù)價格指數(shù)進行調整。

設鐵礦石在第m年的價格為Pm，價格指數(shù)為Im，在第n年的生產者價格為Pn，價格指數(shù)為In，則有式(5)[12]。

(5)

文中，m=2012，即其他年的價格均調整至2012年。2014年底國內鐵礦石的平均價格為631.33元/t ，生產者價格指數(shù)為236.31，2012年生產者價格指數(shù)為345.99[22]，由此計算得出鐵礦石的價格為924.35元/t 。

溫室氣體排放因子數(shù)據(jù)來自IPCC、《省級溫室氣體清單編制指南》、國家統(tǒng)計局、專業(yè)報告、文獻及專家咨詢等[19, 23-24]。

2 結果與分析

2.1 能源消費計算結果與分析

根據(jù)式(1)～(4)，可計算出最終獲取1 t鐵礦石的能源消費強度為0.089 tce，如圖1所示，其中消耗最大的是原煤，占到總能源消費量的48.1%，這是由于在開采和選礦過程中，消耗了大量的電力，而我國目前的電力主要來源于煤炭，因此導致在鐵礦石開采和選礦的全生命周期過程中，消耗了大量的原煤。其次是原油和可再生能源，分別占到21.6%和14.5%。其他天然氣、柴油、汽油和燃料油分別占到6.0%、5.9%、2.4%和1.6%。

圖1 鐵礦石開采和選礦的全生命周期能源消費結構

2.2 溫室氣體排放計算結果與分析

鐵礦石開采和選礦的全生命周期溫室氣體排放計算結果如表2所示，其總的溫室氣體排放強度為2.138 tCO2-eq，主要源于煤炭，約占總排放量的48.1%。

其中在CH4排放方面，最終獲取1 t鐵礦石排放的CH4為0.195 tCO2-eq，其中96.1%源于原煤。

在N2O排放方面，最終獲取1 t鐵礦石排放的N2O為0.011 tCO2-eq，其中53.9%源于原煤，柴油和汽油位居其后，分別占到17.1%和14.1%。

在CO2排放方面，最終獲取1t鐵礦石排放的CO2為1.932 tCO2-eq，其中62.1%源于原煤，其次是原油，占到22.7%。

表2 鐵礦石開采和選礦的全生命周期溫室氣體排放強度(單位：tCO2-eq/t)

從全生命周期的視角審視我國鐵礦石開采和選礦的溫室氣體排放，電力上游階段的原煤消費是溫室氣體排放的主因。未來鐵礦石開采和選礦過程中的減排，一方面是要依靠在行業(yè)內采取有效的節(jié)電措施，大幅減少電力的消耗量；另一方面，我國煤電的發(fā)電效率及電力結構的改變，也將大幅影響鐵礦石開采和選礦過程中的溫室氣體排放量。

3 結論

本文基于EIO LCA方法，對鐵礦石開采和選礦過程的全生命周期能源消費和溫室氣體排放情況進行了計算，主要得出以下結論。

1)在鐵礦石開采和選礦過程的全生命周期過程中，最終獲取1t鐵礦石的能源消費強度為0.089 tce，其中消耗最大的是原煤，占到總能源消費量的48.1%；其次是原油和可再生能源，分別占到21.6%和14.5%；其他天然氣、柴油、汽油和燃料油分別占到6.0%、5.9%、2.4%和1.6%。

2)鐵礦石開采和選礦的全生命周期過程溫室氣體排放強度為2.138tCO2-eq，主要源于煤炭，約占總排放量的48.1%。其中CH4、N2O和CO2的排放強度分別為0.195tCO2-eq、0.011tCO2-eq和1.932 tCO2-eq。

3)從全生命周期的視角審視我國鐵礦石開采和選礦的溫室氣體排放，電力上游階段的原煤消費是溫室氣體排放的主因。

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Study on greenhouse gas emission of iron ore mining and processing based on EIO LCA

FENG Chao1，ZHU Hailing2，XU Zhiqiang1

(1.School of Chemical & Environmental Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing)，Beijing 100083，China; 2. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Weifang University, Weifang 261061, China)

The mining and processing of iron ore is an important source of energy consumption and greenhouse gas emission. In order to reduce the mining and processing of iron ore greenhouse gas emission, the direct and indirect emissions of greenhouse gas should be calculated based on life cycle method. In order to avoid the truncation error produced by the process-based life cycle assessment method, the economic input-output life cycle assessment method has been used to calculate the life cycle energy consumption and greenhouse gas emissions from mining and processing of iron ores in this article. The calculation results show that the energy consumption intensity is 0.089 tce, and the greenhouse gas emission intensity is 2.138 tCO2-eq. The coal is the main source of greenhouse gas emissions, which is accounting for about 48.1% of total emissions.

mining and processing of iron ores; economic input-output life cycle assessment (EIO LCA); energy consumption; greenhouse gas

2016-12-05

馮超(1983-)，男，漢族，山東臨沂人，博士研究生，潔凈能源技術與工程專業(yè)，主要研究方向為能源經濟等，E-mail：fcfifa2002@163.com。

徐志強(1965-)，男，博士，教授，博導，主要研究方向為潔凈煤技術等，E-mail：xzq@cumtb.edu.cn。

TD353

A

1004-4051(2017)03-0103-04