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1、文章编号:0253?2468(2002)?04?0519?04?中图分类号:X82?文献标识码:A中国钢材生命周期清单分析杨建新1,刘炳江2?(1.中国科学院生态环境研究中心,北京?100085,2.清华大学环境科学与工程系)摘要:采用生命周期清单分析方法分析了我国普通钢材生产过程中的能源消耗,物料消耗以及对环境的排放,研究表明我国钢铁生产生命周期过程中值得关注的环境问题有:能源消耗远高于发达国家平均水平,其主要存在于各相连工艺间及内部的运输过程;水循环利用率较低,造成大量淡水资源浪费;废气排放主要是 CO2和SOx,其主要来源于煤的燃烧和工艺过程,十分巨大的工业固体废弃物将造成严峻的局地环境
2、问题.关键词:钢材;生命周期清单分析;环境影响Life cycle inventory of steel products in ChinaYANG Jianxin1,LIU Bingjiang2?(1.Research Center for Eco?Environmental Sciences,ChineseAcademy of Sciences,Beijing?100085,2.TsinghuaUniversity,Beijing?100084)Abstract:Based on the methodology of life cycle inventory,the general ste
3、el production in China was analysed in context of energy andmaterial consumption and environmental emissions.The results showedthat energy requirement for steel production is highlyhigherthan that ofthe developed countries,whichis mainly expended inthe transportation process.As a result of low water
4、 recycling rate,thewater consumptionis double of Britain.The key gas emission is CO2and SOx,which are mainly emitted from coal burning and industrial process.The hugeindustrial solid waste from steel production will lead to severe local environmental pressure.Keywords:steel;life cycle inventory;envi
5、ronmental impacts收稿日期:2001?08?31;修订日期:2001?10?25基金项目:国家自然科学基金(79870027)作者简介:杨建新(1965?),男,副研究员(博士)钢铁工业是我国的一个十分重要的基础工业部门,而且在世界钢铁业中也占据重要地位.1996年我国钢铁产量达 10124 万 t,占世界总产量约 20%,居世界首位.钢铁工业的发展与资源、环境问题密切相关.钢铁原料提取、制备、生产、使用和废弃过程消耗大量的资源和能源,同时也排放出大量的废气、废水和工业固体废弃物,污染环境,恶化人类赖以生存的空间.例如钢铁工业能耗占我国国民经济总能耗的 10%左右,排在工业能耗
6、大户之首.所排放废水、废气占工业排放量的 13%?14%,成为仅次于化工的第二污染大户,同时钢铁企业也排放大量的固体废弃物.生命周期评价已经成为一个重要的环境管理与分析工具 1.本研究遵循最新颁布的国家标准 GB T?24040 2,采用生命周期评价方法分析我国钢铁生产不同生命周期实际阶段的资源消耗与环境排放,建立其生命周期清单分析数据库,为其它工业产品开展生命周期评价提供方法和数据支持.1?研究对象与功能单位我国钢材主要以普通钢为主.如1997 年普通钢占 72?26%,优质钢仅占27?74%.而发达国家目前一般优质钢生产占 60%以上.本研究主要以我国普通钢生产为研究对象,功能单位采第 2
7、2 卷第 4期2002 年7 月环?境?科?学?学?报ACTA SCIENTIAE CIRCUMSTANTIAEVol.22,No.4Jul.,2002用1kg 普通钢材.2?研究目标与系统边界研究目标为分析我国钢材生产不同生命周期实际阶段的资源消耗与环境排放,建立我国钢材生产生命周期基础数据库,并提供开展清洁生产的机会与途径.所确定的产品系统边界以我国钢铁工业普遍采用的工艺流程进行划分,包括主要原料和辅助原料的采掘、生产、使用等诸过程.因为钢材主要是作为其它制造业的原料,因此不考虑最终处置阶段(图 1).主原料工艺过程:铁矿石开采及运输,矿石精选、造粒及运输,铁矿石烧结,高炉炼铁,炼钢,轧钢
8、(粗轧).其中炼钢分别考虑了平炉、转炉和电炉三种不同工艺.辅助原料生产工艺:石灰石(CaCO3)开采及其石灰(CaO)生产;原煤采掘及运输,炼焦,其中部分原煤经处理后直接用于炼铁高炉,大部分送入炼焦炉,其中部分焦炭用于烧结过程,部分用于炼铁高炉,而焦炉气则用于炼钢炉.另外也包括了采用锰铁矿的开采与运输及熔化废钢的工艺.再循环过程:考虑了工艺内循环(边角料再循环)和外循环(废钢再循环).钢材生产系统边界锰铁矿开采及运输回收废钢采煤及运输炼焦制氧边角料再循环石灰石开采石灰生产钢材球化及运输烧结高炉炼铁炼钢轧钢矿石开采运输图1?中国钢材生产系统边界Fig.1?System boundary of s
9、teel production in China3?数据来源及数据质量由于所研究的是我国钢铁工业的平均情况,因此以?中国钢铁年鉴?(1998)为主要数据参考源.对一些非统计性工艺数据参阅我国主要钢铁企业内部报告.基本上反映了我国钢铁工业技术水平现状.总体的数据质量较高.输入数据中的能源数据来源于实际的统计,质量较高.物料投入数据依据下料清单,也比较准确.由于所研究的是普通钢,辅料数据也比较完备.排放数据由于我国现行的环境监测制度属于比较宏观的监测,监测项目较少,监测时段并不固定,数据出入较大.在具体处理上依据工艺统计数据,同时参阅了?工业污染物产生和排放系数手册?3的部分研究成果.以前述系统框
10、架为基础.对每一过程单元进行清单分析(建立单位过程的输入、输出表).520环?境?科?学?学?报22 卷各过程单元之间的系统连接采用英国 Boustead 公司开发的 Boustead 模型,(该模型中的中国数据来源于中欧合作项目?工业初级产品生产过程中的生态可持续性研究?的结果).4?清单分析结果与解释4.1?能源消耗分析表1?中国生产 1kg 普通钢材的能源消耗(MJ)Table 1?Energy requirement for production of 1 kg steel in China能源类型 燃料生产 燃料使用运输燃料能耗原料能 总能耗电10.674.40.22 0.0115.
11、28燃油0.462.880.03 0.013.37煤5.2326.690.375.737.99合计16.3633.970.615.756.65?据清单分析结果(表 1),我国生产 1 kg 普通钢材需要消耗能源 56?65 MJ,而英国仅需22?57MJ.其中消耗煤 37?99MJ,占 67?1%,消耗二次能源电力 15?28MJ,燃油 3?37MJ.如果进一步考虑生产电力所消耗的其它一次性能源,则总耗煤 49?55MJ,占总能耗的 87?5%,这是我国以煤为主的能源结构决定的,也说明了燃煤在我国能源生产和工业生产中的重要地位.从能源的消耗过程来看,主要是能源使用过程(即燃煤)过程,占 60%
12、.其次是燃料生产过程,其中一部分能量并不是以燃料的形式出现,而是存在于原料中,燃料运输过程能耗则相对很少.表2?钢材生产主要工艺的功能单位能耗(MJ?kg)Table 2?Energy requirement for selected unitoperations of steel production主要工序原料能运输耗能直接能耗(燃料)间接能耗(燃料)总能耗直接能耗比重,%焦化工序1.110.240.060.051.463.98烧结工序2.316.432.152.1113.0116.54炼铁工序5.41 16.874.164.3130.7613.53转炉6.38 18.206.409.36
13、40.3415.86平炉工序9.94 36.2714.5110.6871.4020.32电炉工序2.557.372.824.7917.5316.11kg 钢能耗8.59 27.519.6610.8956.6517.06表 3?中国生产 1 kg普通钢材的原材料消耗Table 3?Raw materials comsumption for production of 1kgsteel in China原材料名称消耗量,g原材料名称消耗量,g生铁1500砂砾5.6石灰石1700斑脱土4.8氧680铝土矿1.5原油150氯化钠0.27粘土63空气0.05橄榄石39氮0.01铁锰矿24硫0.003白云
14、石14水34000氟石13生命周期评价的思想包括了从?摇篮?到?坟墓?的整个生命周期,因此各工艺阶段的输入和输出都是其它相联工艺阶段输入和输出的累积.在实际计算模型中通过功能单位进行连接和求和.例如炼焦工艺的能耗单位为MJ?kg(焦炭),而炼铁过程的能耗单位为MJ?kg(生铁)等等.工艺的燃料能耗分为直接能耗(工艺过程本身消耗的燃料)和间接能耗(该工艺相连的其它工艺所消耗的燃料).通过分析主要工艺的直接能耗和间接能耗,可以比较清楚地认识整个钢铁生产的工艺链和能源消耗链.表 2 列出了一些主要工艺过程的功能单位能耗量.以炼铁过程为例,如果仅仅考虑炼铁过程的直接能耗,仅占 13?5%,而其它86?
15、5%的能源消耗都存在于与其相连的其它生产工艺的间接能耗以及运输能耗和原料能.尽管炼铁过程本身的燃料运输能耗仅占总能耗的0?61%,但各种原材料和中间产品,尤其是各种矿石的运输量非常大.总运输能耗占总能耗的55%.因此生命周期清单分析完整地再现了整个产品系统的能流分布.4.2?原材料消耗在整个钢铁生产系统中,共消耗的原材料有17 种(消耗量低于 1g 的不计)(表 3),消耗最多的是水,为 34 kg,而英国相应工艺的耗水5214 期杨建新等:中国钢铁产品生命周期清单分析仅为 17kg.其次为石灰石 1?7 kg,铁矿石 1?5 kg(折合为生铁).水消耗量大的原因主要是我国钢铁生产水循环利用率
16、低.主要辅料的消耗也比英国多,进一步降低消耗尚有潜力可挖.4.3?环境排放清单分析结果解释表 4?中国生产 1kg 钢材对环境的排放(g?kg)Table 4?Environmental emissions from the production of 1 kg steel in China污染物燃料生产燃料使用燃料运输过程工艺过程总计废气排放Dust1.1180.612545CO0.283.10.56100110CO2300520063021008200SOx0.91440.595.851NOx0.44140.6116碳氢化合物0.371.20.150.131301.9甲烷180.008-0
17、.0118.008H2S 0.01-0.0870.087HCl0.0040.87-0.0010.874排入水体的污染物悬浮物0.54-120120.54NH+40.71-0.280.99COD0.022-0.2600.282BOD0.005-0.0010.005酚0.005-0.0010.005Na+-0.380.38固体废弃物矿渣430-35003980工业混合固废0.48-870870粉尘、灰尘5100-190295钢铁生产过程中的废弃物分为废气、废水和固体废弃物.废气排放中排放量最大的是 CO2,为 8?2 kg,其次是CO为 110g,SOx为 51g,灰尘为 45g,甲烷 18g,N
18、Ox为 16g,碳氢化合物为1?9g,其它排放均在 1g 以下,可以忽略不计.通过分析 CO2的排放源,表明主要来源于燃料的使用过程,占63?4%,其次是工艺过程,占 25?6%.其它废气排放如 CO,SOx和NOx也呈相似格局.因此削减燃料的使用是削减废气排放量的主要途经.排入水体的污染物量最大的是悬浮物,为 120?5 g,其它依次为 NH+40?99 g,钠离子 0?38 g,COD 0?28 g.其它排放物依次是酚、BOD,H+和其它金属离子.从排放源看,主要来源于生产工艺过程,只有极少部分来源于燃料生产过程.固体废弃物的排放量非常巨大,其中矿渣为 3?98kg,工业混合固废0?87
19、kg,粉尘和灰尘约 0?3 kg.主要来源于工艺过程和燃料生产过程.其中工艺过程排放的矿渣占总矿渣的 90%,工艺过程排放的粉尘和灰尘占粉尘和灰尘总量的95%.因此对固体废弃物的管理须重点考虑削减工艺过程排放量.5?讨论中国生产 1kg 普通钢材需要消耗能源 56?65MJ,而英国仅需 22?57MJ(依据 Boustead 模型),前者是后者的 2 倍多.能源主要消耗于运输过程(包括燃料运输和原料及产品运输).相应的主要废气排放为 CO2以及 SOx,其主要来源于煤的燃烧过程以及工艺过程.现有工艺水循环利用率低造成大量淡水资源浪费.工业固体废弃物(包括采矿废物)的排放量十分巨大,将造成严峻的局地性环境问题.参考文献:1?杨建新.面向产品的环境管理工具:产品生命周期评价 J.环境科学,1999,20(1):100?103 2?GBT24040,环境管理生命周期评价原则与框架S.北京:中国标准出版社.1999 3?国家环境保护局科技标准司.工业污染物产生和排放系数手册 M.北京:中国环境科学出版社,1996522环?境?科?学?学?报22 卷