文摘

钢铁行业正面临着严重的环境污染等问题和高资源消耗。与此同时,它缺乏有效的方法来量化潜在的环境影响。这项工作的目的是进行一个特定的环境分析钢厂的炼钢生产。最终目标是发现炼钢的主要污染和改善环境的识别潜在的选项。本文运用生命周期评价方法进行库存和定量分析炼钢系统的环境影响。通过危害分析,分为四个主要类别,人类健康、气候变化、生态环境质量和资源。结果表明,铁水对人类健康的影响最大,其次是对资源的影响最大。废钢对人体健康的影响排名第三。熔铁是一个关键过程,影响人类健康、气候变化、生态环境质量和资源。此外,过程,如燃料,工作液体,和辅助材料也造成一定的环境破坏,占比例相对较小。 Optimizing the utilization of scrap steel and molten iron resources and improving the utilization efficiency of resources and energy are helpful to reduce the environmental hazards of steelmaking system.

1。介绍

钢铁工业是国民经济的支柱产业和能源密集型行业。能源消耗占比例不断上升,占工业总消费量的15%左右。在过去的三十年中,粗钢产量增加了一倍多,2019年达到8426万吨。这种生产力不可避免地对钢铁行业的环境负担。例如,在一个像中国这样的国家,工业占全国的12%股份₂排放(1]。因此,炼钢过程必须分析为了有一个清晰的理解的主要环境影响和可能涉及的实现循环经济的解决方案。

目前,有许多研究中国钢铁行业的环境影响评估,如温室气体减排、空气污染物减排、钢铁废水排放量和产能,资源和能源的排放,等。然而,上面提到的研究未能阐明上游和下游的影响,而生命周期评价(LCA)是一种方法,总结和评估的潜在环境影响的所有输入和输出系统的产品(或服务)在其整个生命周期。LCA评价是基于生产过程对环境的贡献,包括类别,如全球变暖潜力(GWP),土地酸化,土地的占领,呼吸道有机的,和人类的毒性。因此,LCA可以确定最大的单元过程对环境的影响,有针对性的改进(2]。

一些研究也一直在进行全球钢铁行业的生命周期评估。文献[3)也进行了LCA生产的分析,选定1公斤的金属作为一个功能单位,和评估环境影响的钢和不锈钢基于全球变暖潜力,固体废物的负担,和总能量需求。在一个全面的研究,4)相比的影响不同的钢(板、热轧、冷轧、热浸镀锌和用锌电镀钢)对化石燃料,全球变暖的潜力,生态毒性,矿物质,致癌物质,和呼吸无机物;结果表明,热浸镀锌钢板具有最大的影响。在最近的一项研究中,5)开发了一种水足迹计算模型和计算的水足迹钢从生命周期的角度评估。这些数据表明,钢厂对水环境造成了严重的危害。Bieda进行库存分析综合钢铁厂的高炉在克拉科夫,波兰,并收集和整理输入和输出列表的高炉6]。包括烧结矿、石灰石等,能源消耗和燃料包括煤粉、天然气、高炉煤气。操作参数、空气污染物排放,重金属排放。Bieda分析连铸过程的执行在波兰的克拉科夫综合钢铁厂,这不仅包括能源消耗、燃料、材料、和浪费,也运营数据,如灰尘、铁、点₁₀和浪费7]。这是生命周期评价分析的基础。里(8)进行了生命周期评价的波兰钢铁生产通过整合钢铁生产。这项研究指出,在集成的钢铁生产路线在高炉生铁的生产影响最大的温室气体排放,化石燃料的消耗,和铁矿石的烧结过程的最大原因是灰尘。原材料的替代铁制造过程中可以有效地降低钢铁行业对环境的影响。曼弗雷德综合研究当前评价方法对资源的影响,指出它需要改进9]。资源可持续性评估的三个关键问题是提高,再循环能力和临界。模型在本研究中对资源耗竭的影响有不同的表征,指出不同的资源类型和规模的差异。刘使用生命周期评价方法分析12个主要铁矿和主要钢铁生产商,生产强度单位国内生产总值计算,最后提出了污染问题分配国际贸易参与者(10]。他指出,生态毒性钢铁产业链的最严重的后果是,这不是与碳排放的影响可以忽略不计;他还指出,进口国家受益于无污染的材料应该共享造成的环境污染钢加工贸易伙伴。

在上面的研究中,采用生命周期评价方法的概念,但由于基础不同,结果还不具有可比性。此外,影响类别考虑这些研究不能相互比较。因此,本研究旨在作出准确的山东钢铁生产的环境分析,中国,找出改进过程。它使用特定的场景数据现场进行LCA评价钢铁厂的钢铁产量。本文的组织如下:第二部分主要解释了LCA方法和库存。部分3解释了环境影响评价的结果。在最后一部分,讨论的结果,得出一些结论。

2。材料和方法

2.1。系统边界

完整的产品生命周期通常分为以下阶段(11):(1)进入摇篮(原料提取和精炼);(2)工厂门到工厂门(产品制造);(3)工厂大门严重(产品使用、回收和处置)。由于许多不确定因素造成的LCA评价产品的使用、回收和处置,以减少复杂性的LCA评价和改善其可操作性,所选择的边界定义是“从摇篮到工厂门口。“根据原料需求,首次将废钢进炉,然后倒铁水,并添加适当的结渣材料(如生石灰等)。进食后,氧喷枪插入炉炉的顶部和吹氧使它直接与高温铁水氧化去除杂质。当钢水的成分和温度满足要求,钢可以挖掘。所有的原材料和能源消耗的生产设备流程中涉及的炼钢铁水进入炼钢站,冶炼钢液通过转换器,转换器都考虑进去。一吨粗钢作为本研究的功能单元,提供生命周期库存(LCI)和所有结果的量化标准(11]。炼钢系统的边界定义在这个研究显示在图1。废钢、铁水和废物处理(即。,wastewater treatment, solid waste treatment in landfills, hazardous waste incineration, and air emission control). Each process considers the input of raw materials, transportation, energy generation, and consumption (for example, coal-based electricity, coal, and coke), direct waste emissions (for example, dust, nickel, SO₂,没有_x),和土地的占领。

2.2。数据源和生命周期库存

库存分析模型使用一个调查来收集和分类的原材料、运输、能源、基础设施、直接排放,废物处理不同的每个流程步骤。在这项研究中,大部分的分析数据的能源资源消耗和污染物排放清单的炼钢系统(获得1 t钢产品)收集从集团公司在山东,和部分数据来源于文献[12)和清洁生产(HJ / t294 - 2006、HJ / t426 - 2008, HJ / T 1262003, HJ / T 427 - 2008, HJ / T 428 - 2008,和HJ / T 318 - 2006)二级指标(13]。钢产品的生命周期清单如表所示1。

2.3。生命周期影响评价方法

生命周期影响评价的步骤描述,损失评估,规范化,单一的得分。方法的影响,损害分为十五中点类别(14](致癌物质,noncarcinogens、呼吸道无机物、电离辐射、臭氧层损耗、呼吸道有机物、水生生态毒性,陆地生态毒性,陆地酸/营养、土地的占领,水生酸化,水生富营养化,全球变暖,不可再生能源和矿产开采),为方便解释,15中点分为四个端点类别(人体健康、生态系统质量、气候变化和资源)。这样,你不仅可以看到中点冲击值的类别,但也直观地看到最后对环境的影响(15]。摘要软件SimaPro用于计算和2002 +方法的影响。

3所示。结果与讨论

表2列出了生命周期库存评估(LCIA)中点结果基于功能单元。根据气候变化的中点LCIA生产1吨钢水的358.84公斤有限公司₂等效为水生酸化是1.96公斤₂,对呼吸道无机物下午0.42公斤_2。5等效的;15中点的具体值如表所示2。

为了比较不同类别的影响每一个中点和分析每个中点类型对全局的影响,本研究进行了归一化分析。每个功能单元的标准化中点结果如图所示2。需要考虑以下两种情况:正常生产和清洁生产。不同之处在于废钢的比率和铁水生产过程。清洁生产现场使用更多的废钢和更少的铁水。值得注意的是,在这两种情况下,垃圾处理方法被认为是相同的。在环境影响类别,尤其是不可再生资源,呼吸道无机物、水生生物毒性,和陆地生态毒性,现场正常生产明显高于现场清洁生产。这些研究结果可能归因于这样一个事实:正常生产需要更多的铁水,这就需要更多的燃料和矿石,这将不可避免地产生更多的废水,废气,废渣在治疗过程中。它还表明,回收废钢是更科学的生产方法。

表3和图3显示了生命周期评价炼钢系统的端点,通过分类和权衡所有中间伤害类型。从图可以看出3铁水、废钢和辅助材料对环境的影响更大。其中,铁水价值有一个更大的破坏自然资源,人类健康和生态环境。废钢对人类健康的损害价值更大。从图可以看出3废钢、铁水仍然有最大的影响,这基本上是一致的结果(16]。在图3,熔铁是最有害的自然资源,约占60%。废钢是最有害人类健康,大概是60%。辅助材料和工作流体的影响对环境是第二,以及电力和燃料的影响可以忽略不计。

3.1。主要过程

根据标准化评估的结果,最重要的潜在环境影响在整个生命周期的钢产品noncarcinogens,不可再生能源、陆地生态毒性,全球变暖,呼吸道有机物、致癌物质,和水生生态毒性。因此,有必要识别和分析的关键过程,导致上面的环境影响,从而提出相关建议。中点的评价结果的基础上,在生命周期中,识别关键过程,结果如图所示4。从图可以看出4类别,对上述影响,废钢和电是最重要的环境因素,及其对大多数环境影响类别占50%以上。对noncarcinogens废钢有特别重大的影响,陆地生态毒性和致癌物质,其贡献可以达到超过85%的总环境影响。它也有一个对全球变暖产生重大影响和呼吸有机物。与此同时,电力的贡献不可再生能源和水生生态毒性不容忽视。

3.2。主要的贡献者

基于识别的主要过程,本研究还确定每个主要影响类别的主要物质,从而提出相关意见的某些物质或污染物排放。本研究确定了四个关键物质在端点中环境影响类型的评估,结果如图所示5。图5显示了每个主要的贡献显著的特定物质环境类别及其贡献率。环境影响人类的健康,可口可乐占23%,铁矿石22%,剩余17%,符合铁水的严重污染影响。焦炭和煤的两种物质在生态系统产生最大的影响。可以看出,这两个不清洁生产方法,和清洁能源的比例应该增加。关键材料的潜在环境影响气候变化是废钢,占28%,其次是焦炭和矿石。可口可乐矿石产生大量的碳氧化物、硫氧化物、氮氧化物在冶炼过程中,对气候有一个更大的不利影响。在自然资源损害的潜在环境影响,可口可乐占52%,煤炭占37%,表明他们不仅对上述类型有更大的影响,但是也有一个更大的对自然资源的影响。清洁能源的发展具有重要意义的减少环境影响炼钢过程。

3.3。敏感性和不确定性分析

灵敏度分析是一个关键的一部分,LCA LCI的敏感性测试的输入数据,可以计算(17)基于比例调整规则的输入和输出参数(ISO 14044, 2006;ISO 14040, 2006)。敏感性分析是由改变5%的材料输入一次(18]。

表4列出了灵敏度分析的结果的主要贡献者,旨在确定主要影响LCIA这一研究获得的结果。炼钢过程中LCIA结果的比较显示,能耗减少5%将导致减少二氧化碳排放量约1.29千克有限公司₂等价的,不可再生能源是1.47 MJ等价的。对于其他场景和类别,可以用类似的分析灵敏度结果见表4。三个主要过程产生最大的影响在不可再生能源,全球变暖效应和土壤酸化。其中,改变铁水的整体对环境的影响最大,其次是废钢和电力。可以看出,降低铁水的使用和发展清洁钢生产能有效减少环境污染。

表5显示了概率的比较不同的场景使用蒙特卡罗模拟执行。清洁生产方案的概率的全球变暖效应的分数高于正常生产是43%,这意味着清洁生产对全球变暖的影响是低于正常生产。可以观察到类似的情况的不确定性分析结果见表5。一般来说,除了致癌物质和土地富营养化,在大多数类别,清洁生产场景最低环境的负担。在15影响类别中,11个类别是不到50%,这意味着清洁生产对环境的影响远远低于正常生产。

4所示。结论

根据上述钢生产过程的分析和比较,可以发现,熔铁最重要的对环境的影响,占70%的总体影响,资源可以达到89%的伤害,和它的环境负荷主要来自noncarcinogenic物质,陆地生态毒性和全球变暖。其次,废钢的影响对环境占15%,和对人体健康的损害是约32%。环境负荷主要来自不可再生能源,可呼吸的无机物质,和水生生态毒性。相比之下,辅助材料和工作流体的影响很小,而电力和燃料对环境的影响是最小的。

在钢液产品的整个生命周期,最重要的类别如下:不可再生能源,占49%,而17%是noncarcinogens, 11%是呼吸道有机物,然后陆地生态毒性、全球变暖、致癌物质,和水生生态毒性。

2002 +的影响方法将复杂的环境影响分为四种类型的损伤和评估结果适用于铁矿石资源的开发利用和生态环境规划,这有利于决策者做出正确的判断。比较不同过程的环境负荷也可以为决策者提供科学依据,为产品生态设计、清洁生产奠定基础。

当然,因为当前的生命周期环境影响评估研究历史不长,其方法论体系并不完美,有很多不同的研究学者在不同的国家,在中国,很少有应用领域,所以必须有一定的局限性,如生命周期库存的来源的可变性(同一产品的不同生产工艺);模型的不确定性(如环境中污染物的迁移和转换是通过多媒体简化的模型);选择生命周期分析的不确定性(例如,分配方法和系统边界),等等。然而,生命周期环境影响评价(LCEA)提供了对能源和环境问题的初步分析在钢铁生产和提供了一个良好的科学依据优化行业的发展。因此,有必要借鉴国际的经验应用生命周期评价方法,加快推广和应用,真正实现可持续发展服务。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(61803174)、山东省自然科学基金(ZR2019BF024)。