由于钢铁企业高能耗、高污染、高排放，因此钢铁行业的发展与资源、环境问题密切相关^[1].钢铁工业“十二五”规划中提出单位工业增加值能耗和二氧化碳排放分别下降18%，固体废弃物综合利用率达97%以上^[2].

现代钢铁生产工艺主要分为高炉-转炉长流程和电炉短流程两类.基于生命周期评价法(LCA)研究钢铁两个全生产流程环境负荷对比的文献较少，文献[3]对高炉-转炉钢铁生产流程的环境影响进行了研究；文献[4]对比长流程和短流程的半生命周期评价.本文选取了国内典型的钢铁联合企业，对该企业长、短两种流程的钢铁产品进行全生命周期评价，并对生产过程中各工序进行系统、定量的环境负荷分析.从中可以准确识别生产过程中各环节节能降耗、降低环境负荷的关键环节，为钢铁企业对生产流程进行改进或优化提供理论依据.

1 研究模型

生命周期评价(life cycle assessment，LCA)，用于评估与产品有关的环境因素及其潜在的影响，其研究贯穿产品生命全过程(即从“摇篮”到“坟墓”)^[5].生命周期评价的技术框架分为4个部分^[6]，如图 1所示.

本次评价采用目前比较常用的CML2001 (Centre for Environmental Science，Leiden University，Netherlands)环境影响分类方法^[7].文中各清单项目对环境影响的特征化因子中气候变化的特征化因子参考IPCC的成果^[8]，酸化、光化学臭氧形成、水体富营养化的特征化因子参考美国EPA的成果.CML2001中描述固体废弃物产生量的环境影响是土地占用，有些环节排放的固体废弃物可以循环利用，不占用土地.因此，直接以固体废弃物的质量表征其产生量，不转换成土地占用面积.本文研究的各清单项目对环境影响的特征化因子见表 1^[9-10].

为了便于比较评价结果，文中对各环境影响归一化后加权求和，权重的确定采取专家咨询法，各环境影响的权重，见表 2.

2 典型钢铁联合企业的生命周期评价

本研究对钢铁企业A的长流程和短流程进行分析评价.污染物排放包括气体污染物、液体污染物和固体废弃物.此外，生产过程可能导致的其他生态影响，如采矿过程会造成植被破坏等，由于其影响程度与管理部门的管理情况密切相关，且难以获得准确数据.因此，本研究不予考虑.

2.1 钢铁企业A长流程的全生命周期评价

长流程钢铁产品的生命周期评价包括原材料的开采和选矿、烧结、球团、高炉炼铁、转炉炼钢、连铸、轧钢、成品及废钢处置和回收利用环节，对其建立的研究边界如图 2所示.

结合实际情况，本文针对长流程炼钢过程作如下简化：1)考虑到连铸环节的能耗相对较小，本文不对此阶段进行数据清单分析；2)由于钢铁成品的种类多，各产品的污染物排放少且种类复杂，对此作忽略处理；3)炼钢过程中所需的电力由外购和自产两部分组成.考虑到我国发电的主要来源为燃煤发电，本文以文献[11]的相关数据另行来计算污染物排放量.

基于对钢铁企业A的调研，分别计算出单位原煤生产污染物排放清单；每t精铁矿产品、焦化工序中单位产品、烧结工序中单位产品，球团工序中单位产品、高炉炼铁工序单位产品、转炉炼钢中单位产品、轧钢工序中生产单位产品等的输入输出清单，以及回收1 t废钢的环境影响值.其中:

① 生产精铁矿过程产生的气体污染物主要为煤气燃烧的产物，包括CO₂、SO₂、NO_x和烟尘，计算为

(1)

式中：W为生产1 t钢材生成的CO₂的质量；V为生产1 t钢材生成的焦炉煤气或高炉煤气的体积；P₁、P₂、P₃分别为煤气中CO₂、CO和CH₄的体积百分比；ρ为CO₂的密度取1.98 kg/m³.

② 焦化生产过程中SO₂、NO_x和工业粉尘的排放数据从第1次全国污染源普查(2008年)工业污染源排污系数^[12]中得到.

③ 烧结过程固体燃料的CO₂排放量根据中国燃煤中碳的排放系数和实际的燃煤量计算.碳的排放系数取24.74 t/TJ^[13]，碳的氧化率取90%.不完全燃烧产物CO和CH₄的排放因子根据IPCC推荐的值，分别为150和10 kg/TJ^[14]，NMVOC的排放因子取15 g/GJ^[15].烧结生产过程中SO₂、NO_x和工业粉尘的排放数据取自第1次全国污染源普查(2008年)工业污染源排污系数.

④ 球团矿生产的主要燃料消耗是高炉煤气和转炉煤气.因此，球团工序的二氧化碳排放量可以按式(1)计算，其他污染物的排放量根据第1次全国污染源普查(2008年)工业污染源排污系数来求得.

⑤ 高炉炼铁过程中固体燃料的CO₂排放量根据中国燃煤中碳的排放系数和实际燃煤量计算.煤气燃烧产生的CO₂量按式(1)计算.把固体燃烧CO₂排放量与煤气燃烧CO₂排放量相加就是高炉炼铁过程的总CO₂排放量.生产过程中SO₂、NO_x和工业粉尘的排放数据取自第1次全国污染源普查(2008年)工业污染源排污系数.

⑥ 转炉炼钢过程的污染物排放量与高炉炼铁工程的计算方法相同.

⑦ 轧钢工程中煤气燃烧产生的CO₂量按式(1)计算.其他污染物的排放数据取自第1次全国污染源普查(2008年)工业污染源排污系数，且水处理采用化学混凝沉淀.

⑧ 在废钢回收阶段，根据第1次全国污染源普查(2008年)工业污染源排污系数0.03 t/t-原料和我国平均废钢回收率为38%^[16]可知，每t钢产品最后回收能够得到0.38 t.

在电力排放清单中，根据对企业A的调研可知，长流程每生产1 t不锈钢材的电耗为88.63 kW·h，其中有69.35 kW·h的电力来自外购，那么长流程每生产1 t不锈钢材的电耗所携带的环境负荷，见表 3.

在企业A长流程生产过程中物质消耗以及污染物排放分析的基础上，根据环境影响特征化因子，对1 t不锈钢材的全生命周期所产生的环境影响值进行综合比较分析，结果见表 4.

基于上述建立的模型和分析过程，如图 3、4所示，图中结果表明：

1) 在长流程的炼钢过程中，主要是焦化、烧结、高炉炼铁和废钢回收环节的环境影响.其中，高炉炼铁工序的环境影响最大，占全生命周期总环境影响的31%.其次是废钢回收过程的环境影响，占总环境影响的22%.相对来说，转炉炼钢过程、原材料生产和轧钢过程的环境影响都很小.

2) 针对各环节的不同环境影响类型的比较可以得出，高炉炼铁过程对气候变化、人体毒性和固体废弃物的影响最大，分别占该类型总环境影响值的33%，95%, 92%.这是由于在高炉炼铁过程中的SO₂、NO_x和工业粉尘的大量排放.因此，在炼铁过程中要做好污染物的监测和治理，并普及高炉炼铁过程的相关清洁生产技术.

3) 焦化过程中对化石能源耗竭的影响最大，占该类型总影响值的84%.其次是对水生生态毒性的影响，占总影响值的59%.这主要是在生产焦炭的过程中产生的挥发酚和氰化物造成的.因此，做好副产品的回收利用工作以及污水的处理很重要.

4) 烧结工序中以对酸化影响较大，占总影响值的47%.这主要是由于在生产烧结矿时SO₂和NO_x的大量排放造成的.其次，烧结工序和球团工序对矿产资源耗竭的影响最大，分别占总影响值的54%, 46%.这是由于在生产烧结矿和造球过程中对铁精矿的大量消耗造成的.

5) 在废钢回收过程中，产生的污染物对水体富营养化的形成和光化学臭氧形成的影响最大，分别占总影响值的65%, 93%.这主要是由于废钢在加工时产生了二次污染.

2.2 钢铁企业A短流程全生命周期评价

钢铁生产的短流程包括废钢、电炉炼钢、薄板坯连铸和热轧工序.对于短流程的生命周期评价则还包括了成品和最后产品的处置回收阶段，故整个流程为废钢、电炉、连铸、轧钢、成品和产品报废处置回收，如图 5所示.

依据相关参数和计算分析模型，同样分析企业A短流程生产过程中环境负荷排放，如图 6所示.

分析图 6可得：1)在企业A的短流程炼钢过程中，主要的环境影响来源于铁水和电炉炼钢过程，分别占总影响值的50%, 31%；2)比较各环节的环境影响，电炉炼钢过程对气候变化、酸化和光化学臭氧形成的影响最大，分别占相应环境总影响值的62%, 73%, 82%.这主要是由于电炉炼钢过程对电力的大量消耗，而电力的主要来源为燃煤发电; 3)铁水所携带的环境负荷主要对水生生态毒性、人体毒性、固体废弃物和矿产资源耗竭有影响，分别占相应环境总影响值的100%, 82%, 68%和100%.因此，对于短流程炼钢过程要尽量减少铁水的投入.

2.3 长流程与短流程全生命周期评价结果比较分析

对比企业A不锈钢长流程和短流程全生命周期的环境影响值，见表 5，结果表明：企业A长流程在化石能源耗竭、矿产资源耗竭、水生生态毒性和人体毒性的环境影响分别是短流程的177.18%, 143.93%, 175.30%, 175.21%.这是由于在烧结球团高炉炼铁过程消耗了许多能源和矿产资源，焦化对化石能源消耗影响、水生生态毒性很大，而高炉炼铁也是影响水生生态毒性的主要因素之一.而在对气候变化、酸化和光化学臭氧形成的影响中，长流程只有短流程的56.22%, 40.42%, 24.74%.这是因为考虑了电力生产的环境影响.对于固体废弃物，长流程却是短流程的72.11%，这是由于短流程的炼钢过程中投入了大量的铁水，而在短流程的评价过程中考虑了铁水所携带的环境负荷.

3 结论

1) 利用生命周期评价方法，对中国典型钢铁企业的不同生产流程进行生命周期评价，结果发现：在整个长流程的生产过程中，主要是焦化、烧结、高炉炼铁和废钢回收环节的环境影响.其中，高炉炼铁工序的环境影响最大，约占全生命周期总环境影响的30%.其次是废钢回收过程的环境影响，约占总环境影响的20%，说明在利用生命周期评价钢铁产品时不能忽略废钢回收环节.

2) 针对各环节的不同环境影响类型的比较可以看出，高炉炼钢过程对气候变化、人体毒性、水生生态毒性和固体废弃物的影响较大，分别约占该类型总环境影响值的30%, 95%, 50%, 90%.

3) 比较钢铁生产的两类不同流程的环境影响，可以看出短流程生产过程主要的环境影响为气候变化、酸化和光化学臭氧形成.因此，可适当增加电炉炼钢.