一种螺纹钢生命周期环境影响评价方法

技术领域

本发明涉及螺纹钢生产领域，尤其涉及到一种螺纹钢生命周期环境影响评价方法。

背景技术

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，也是典型的资源、能源密集型行业。我国钢铁行业碳排放占全球钢铁碳排放的60％以上，占全国碳排放总量的15％，是国内31个制造业门类中碳排放量最大的行业。电炉炼钢分为长流程炼钢和短流程炼钢，而电炉短流程炼钢的碳排放强度只有长流程炼钢的1/3左右，建筑钢材(以Ⅲ级螺纹钢为主)约占我国钢材产量的50％，因此，采用废钢电炉短流程炼钢工艺生产螺纹钢是钢铁工业实现碳达峰、碳中和的重要途径之一。

钢铁制造过程包含原材料获取、运输、生产、使用、生命末期的处理、循环和最终处置等多个阶段，涉及到多种能源、原辅料、主副产品和排放的输入和输出，采用生命周期评价方法对各个阶段的能源、资源消耗和排放情况，以及对环境的影响程度进行系统化地定量描述和评价，有利于企业从定量的角度来计算、分析及评估减碳潜力，并为政府和企业的低碳发展规划决策提供科学的数据支撑。

为了解决上述技术问题，申请号为201811318871.2的专利申请文件公开了一种稀土钢生命周期环境影响评价方法，采用过程清单分析方法对稀土钢生命周期环境影响因子进行汇编和量化，定量描述稀土钢生命周期环境影响因子对终点环境影响类型的破坏程度，通过层次分析法计算在稀土钢生命周期所带来的环境影响中终点环境影响类型的权重值，最后通过加权求和得出稀土钢生命周期的总环境影响潜值。

上述专利申请技术方案可以评价整个稀土钢生产过程中的环境负荷，分析得到稀土钢产品的清单指标环境负荷以及环境影响潜值在生命周期各阶段的分布情况，但其并不适用于废钢电炉螺纹钢，并未涉及如何根据得到的生命周期影响评价来改进方案和优化生产工艺流程，为实现深度减碳目标提供支撑。

因此，我们有必要对这样一种方法进行改善，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺纹钢生命周期环境影响评价方法，用于评价废钢电炉螺纹钢生产全过程中的环境绩效，对各个阶段的能源、资源消耗和排放情况，以及对环境的影响程度进行量化分析；在此基础上，精确诊断各关键环节的环境影响因素，为企业形成绿色、低碳、高效的工艺流程，实现高质量可持续发展目标提供技术支持。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种废钢电炉螺纹钢生命周期评价方法，以ISO 14040：20062生命周期评价原则与框架和ISO 14044：2006生命周期评价要求与指南，以及世界钢铁协会钢铁产品专用LCI方法论为遵循，对废钢电炉螺纹钢生产生命周期的环境因素和潜在的环境影响进行汇编和量化，建立螺纹钢生命周期清单分析模型，将清单分析结果划分到所选取的环境影响类型中，并根据特征化模型和类型参数确定特征化因子，得到环境影响类型参数结果，以全部类型参数结果来评价废钢电炉螺纹钢产品的环境绩效。主要包括以下四个步骤：

步骤1：生命周期评价目标和范围的确定；

步骤2：生命周期清单分析；

步骤3：生命周期影响评价；

步骤4：生命周期解释。

步骤1中，目标和范围的确定包括：明确评价目标、描述螺纹钢产品的功能单位和系统边界范围三部分内容。

步骤1-1：目标：对以全废钢为原料采用电炉短流程生产螺纹钢的生命周期内各阶段能源、资源、排放相关的输入、输出进行量化，并对其带来潜在的环境影响进行评价，帮助企业量化环境绩效、改进生产工艺流程、促进低碳转型发展。

步骤1-2：功能单位：评价的功能单位为废钢电炉短流程生产的1吨螺纹钢。

步骤1-3：评价边界范围：从“摇篮”到“大门”(包含废钢循环)，包括原辅料与能源开采阶段、运输阶段、生产制造阶段、副产品及钢铁产品循环再利用阶段(不含钢铁产品使用维护阶段)。具体范围见图1。

步骤2中，生命周期清单分析包括：划分单元过程及对每个单元过程中的输入和输出数据建立清单并进行分析。清单参数按照输入输出流可划分为资源和能源输入、辅助性输入、产品、共生产品和废物、气体排放、水体排放、土壤排放及其他环境排放等。

步骤2-1：将废钢电炉螺纹钢生命周期划分为若干个便于清单分析的单元过程。

根据电炉短流程生产螺纹钢的生产过程，结合评价目的和实际情况，可按照废钢收集与处理、电弧炉熔炼、精炼炉精炼、连铸、轧钢等生产阶段进行划分或组合。

步骤2-2：对步骤2-1中划分的单元过程中涉及的能源、资源、物耗、产品/副产品、排放、待处置废物等数据等进行收集和计算，并按照清单将所有单元过程的数据进行分类汇总。

为每个单元过程确定一个合适的流，将所有单元过程的流与基准流建立关联，并且以功能单位为基础计算每个单元过程的输入与输出数据清单。

在清单分析过程中，涉及到物质流、能量流和排放物的分配，可将共生产品和弃置物通过再生利用当作原材料来处理，即根据共生产品和弃置物的实际用途，抵扣其所能替代的产品的环境负荷，如将电炉炉渣和精炼炉钢渣经风淬后的炉渣用作水泥熟料，则炉渣回收利用的环境收益为其替代的相应的水泥熟料的环境负荷。根据《普通钢铁产品及特殊钢产品》产品种类规则(PCR)，废钢电炉短流程生产螺纹钢过程的主要共生产品分配方法如表1所示。

表1废钢电炉短流程生产螺纹钢过程的主要共生产品分配方法

对于单元过程中直接排放的温室气体种类及数量，可采用检测仪器测量的现场数据；对于不具备检测条件难以获取现场数据的，可根据《中国钢铁生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》相关规定，对各单元过程直接产生的温室气体进行测算，测算的温室气体种类为二氧化碳(钢铁生产甲烷和氧化亚氮等排放量占排放总量比重1％以下，未纳入核算)，排放源包括燃料燃烧排放、工业生产过程排放、电力、热力调入调出产生的排放和固碳产品隐含的二氧化碳排放，主要能源/物质对应的碳排放因子如表2。

表2主要能源/物质对应的碳排放因子

本步骤中生命周期各单元过程的过程系数按下式(1)计算：

式中：i≥1，表示从最后一个单元过程开始的第i个单元过程；

I

O

K

I

本步骤中生命周期清单因子f(如CO

式中：

LCI

K

f

本步骤中，清单分析采用的取舍规则以各项原材料投入占产品重量或过程总投入的重量比为依据。具体规则如下：

普通物料重量＜1％产品重量时，以及含稀贵或高纯成分的物料重量＜0.1％产品重量时，可忽略该物料的上游生产数据；总共忽略的物料重量不超过5％；

普低价值废物作为原料，如粉煤灰、矿渣、秸秆、生活垃圾等，可忽略其上游生产数据；

大多数情况下，生产设备、厂房、生活设施等可以忽略；

在选定环境影响类型范围内的已知排放数据不应忽略。

步骤3)中，运用生命周期评价方法体系对螺纹钢生命周期的环境影响进行评价。将步骤2)中得到的生命周期清单数据归类后进行环境影响分析，即将清单数据转化为具体的影响类型，如全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、光化学臭氧合成(POCP)、臭氧层损耗(ODP)、不可再生资源耗竭潜力(ADP)等，并基于相关的物理、化学、生物和毒性数据用特征数学模型定量描述各影响类型的环境损害大小，从而实现对人体健康、生态环境、自然环境的影响及其相互关系量化评价。

按照生命周期评价的目的和范围，选择相适应的环境影响类型、特征化模型及类型参数。通常选择现有的影响类型、类型参数和特征化模型，只有当现有的不能满足评价需求时，才需要重新定义。

将步骤2)中清单分析结果划分到选定的环境影响类型中，通过特征化模型进行特征化，导出特征化因子，如表3所示。以全球变暖(GWP)环境影响类型为例，选取IPCC的100年基准线模型和红外辐射强度分别为特征化模型和类型参数，将清单分析中基于功能单位的每个过程单元的温室气体量进行特征化，确定每种温室气体的特征化因子，即当量CO2的全球变暖潜值，最终得到所选环境影响类型的类型参数结果。

表3环境影响类型及特征化因子

本步骤中，生命周期影响类型的类型参数结果按下式(3)计算：

E

式中：

E

LCI

C

本步骤中，关于废钢循环利用环境收益的计算，采用世界钢铁协会开发的“闭环材料循环模型”，计算方法如式(4)：

LCI

式中：

LC

X是从“摇篮到大门”未考虑废钢循环的LCI结果；

X

X

Y是全废钢电炉炼钢生产中废钢转化为钢的效率；

RR是1吨钢废弃后回收的废钢量，即废钢回收率；

S是生产1吨螺纹钢的废钢加入量。

本步骤中，除废钢外，参与再生循环的再生原料或可再生废料等的环境收益，按照50：50在前一个生命周期和后一个生命周期间进行分配，计算公式如式(5)：

式中：

E

W

E

r是再生原料或可再生废料的再生回收率；

q是再生原料或可再生废料的质量/性能/价格修正系数。

进一步地，所述步骤3中，可按照评价目的和范围，选择一定的基准计算各类环境影响类型参数结果的相对值，即进行归一化处理；在此基础上，将影响类型进行分类和排序，并使用基于价值选择所得到的权重因子对不同的环境影响类型的参数结果进行转化和合并，最终得到废钢电炉螺纹钢生命周期的总环境影响潜值。

步骤4中，根据评价目的和范围，对评价结果及评价局限性做出解释，精确定位和诊断废钢电炉螺纹钢生命周期内产生环境影响的关键环节及其影响因素，为制定可持续改进方案、优化生产工艺流程、实现螺纹钢生产深度减碳目标提供支撑。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明的废钢电炉螺纹钢生命周期评价方法可以系统、科学、客观地对以全废钢为原料采用电炉短流程生产螺纹钢的全生命周期的环境绩效进行评价，得到各类环境影响潜值在生命周期各个阶段的分布情况，帮助识别环境影响改进的关键点，促进企业绿色低碳高质量可持续发展。

附图说明

图1是本发明所述的废钢电炉螺纹钢生命周期系统边界范围示意图。

图2本发明所述的废钢电炉螺纹钢典型生产流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和图2所示，本实施例以某钢铁生产企业废钢电炉短流程生产螺纹钢为例做详细说明，对废钢电炉短流程生产螺纹钢的生命周期评价，辨识和量化整个生命周期阶段中能量和物质的消耗及环境释放对环境的影响具有重要意义，具体步骤如下：

第一步：确定生命周期评价目标和范围

评价的对象为以全废钢为原料采用电炉短流程生的产螺纹钢产品。

评价目标是对废钢电炉螺纹钢的生命周期内各阶段能源、资源、排放相关的输入、输出进行量化，并对其带来潜在的环境影响进行评价，帮助企业量化环境绩效、改进生产工艺流程、促进低碳转型发展。

评价的功能单位是废钢电炉短流程生产的1吨螺纹钢。

评价的边界范围为从“摇篮”到“大门”(不包含废钢循环)，包括原辅料与能源开采阶段、运输阶段、生产制造阶段、副产品及钢铁产品循环再利用阶段(不含钢铁产品使用维护阶段)。

第二步：生命周期清单分析

将废钢电炉螺纹钢生产的生命周期划分为电弧炉熔炼(含废钢收集与处理、自制氧气、废镁碳砖制镁球)、精炼+连铸、轧制及入库3个单元过程。

根据上述划分的单元过程，对每个单元过程的输入和输出数据建立清单，清单数据来源于企业生产现场数据、第三方出具的环境检测报告、现场数据经加工计算后得到的数据，清单列表如表4所示。

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表4废钢电炉螺纹钢生命周期环境影响清单

根据生命周期清单确定各单元过程的过程系数，按下式(1)计算：

式中：i≥1，表示从最后一个单元过程开始的第i个单元过程；

I

O

K

I

本步骤中生命周期清单因子f(如CO

式中：

LCI

K

f

第三步：生命周期影响评价

将第二步中得到的生命周期清单数据归类后进行环境影响分析，即将清单数据转化为具体的影响类型，如全球变暖(GWP)、酸化(AP)、富营养化(EP)、光化学臭氧合成(POCP)、臭氧层损耗(ODP)、不可再生资源耗竭潜力(ADP)等，并基于相关的物理、化学、生物和毒性数据用特征数学模型定量描述各影响类型的环境损害大小，从而实现对人体健康、生态环境、自然环境的影响及其相互关系量化评价。

计算各个生命周期影响类型的类型参数结果，按下式(3)计算：

E

式中：

E

LCI

C

按如上所述，采用eFootprint软件系统建立废钢电炉短流程生产螺纹钢生命周期模型，计算得到不含废钢循环类型参数结果如表5所示。

表5废钢电炉短流程生产螺纹钢生命周期类型参数结果

第四步：生命周期解释

由以上的生命周期评价计算结果显示，全废钢电炉短流程生产1吨螺纹钢产品的全球变暖潜力(GWP100)是1.478E+03kg CO2-eq。对于每个环境影响类别，间接贡献(由于使用能源、资源而间接带来的环境影响)远大于直接贡献(产品生产直接带来的环境影响)。如对GWP100，直接贡献为422.65kg CO2eq，占比仅为28.57％；对于全废钢电炉短流程生产螺纹钢，电弧炉熔炼阶段在每个环境影响类别中的贡献率都是最高的，如该阶段GWP100的贡献率达到78.39％。故从废钢电炉螺纹钢产品减碳的角度，建议进一步提升电弧炉能效水平，从而有效提高炼钢效率、缩短废钢融化所需时间、提高能源利用效率；同时进一步加强全废钢电炉冶炼工艺的开发和流程设计，大力挖掘生产流程的综合节能减排潜力，实现技术节能与管理节能的高度融合。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。