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钢铁工业水稀缺足迹评价案例浅析

[摘要]水足迹评价能够量化人类活动对水资源环境的影响,并识别改善路径,为水资源可持续利用与管理提供科学参考。本文以典型钢铁工业产品为例,选取包括原材料、能源、烧结、炼铁、炼钢等工序为系统边界,评价其水稀缺足迹,以期促进企业用水科学管理,提高水资源利用效率,推进钢铁企业的整体节水减排。

[关键词]钢铁工业水足迹评价水稀缺足迹

一、引言

水资源是人类生存和社会发展最重要的基本要素和战略资源,水资源短缺问题已经威胁到全球可持续发展。“水足迹”(waterfootprint),主要用于研究人类消费与用水之间以及全球贸易与水资源管理之间的隐含联系,广泛应用于过程、产品、企业、行业和国家等层面[1]。对特定产品、企业或项目等水足迹的评价和认证已成为评估人类生产及消费模式对区域、国家及全球水资源安全影响的重要研究课题[2]。钢铁行业是能耗消耗较高的行业,在水资源消耗上十分突出。我国钢铁行业的长流程生产占比大,高耗水和高污染的特点使得对钢铁企业进行水足迹评价与管理的需求迫在眉睫。通过对钢铁行业进行水足迹评价,以实现节约用水,降低废水排放量,提高水资源利用效率,推动钢铁行业向绿色低碳方向转型升级。

二、水足迹评价方法

1.水足迹概念

水足迹概念是由荷兰学者Hoekstra在虚拟水理论研究的基础上提出的,用以描述人类消费对水资源系统的影响[3]。随着水足迹理论研究的不断深入及其实证研究范围的不断扩大,质量产品水足迹研究也成为热点,目前,国际上有两个组织分别发布了水足迹的评估标准:一是水足迹网络(WFN),二是国际标准化组织(ISO)。WFN描述的水足迹中包括蓝水、绿水和灰水足迹3种,所得水足迹结果为具体的数值,此方法侧重于过程、产品、消费者、企业、区域、流域和国家的水足迹核算方法。ISO14046涵盖了不同环境影响类型的水足迹评价,所得水足迹结果为当量值,此方法侧重于通过对产品、过程和组织各生命周期阶段水足迹的量化结果,识别和理解与水相关的潜在环境影响的大小和重要性。ISO14046的发布,为统一和规范水足迹评价的相关原则、要求和方法学框架提供了依据,也为进一步研究和制定具体行业或产品的水足迹标准奠定了基础。

2.目的和范围的确定

开展产品水足迹的核算和评价,其首要任务是确定研究目的和范围,主要包括确定系统边界。产品水足迹评价通常包括产品生命周期的所有阶段,即原材料阶段、生产加工阶段、消费使用阶段和废弃回收阶段等。

3.清单分析

水足迹清单分析包括产品生命周期所有阶段涉及的水资源使用量、能源消耗量、物料消耗量、废水或废物排放量等输入和输出数据。4.影响评价水足迹影响评价可以将水足迹清单结果划归以下主要的影响类型。(1)水稀缺足迹水稀缺足迹是用来评价钢铁产品全生命周期过程中对水资源短缺的影响,其计算公式如下:(1)式(1)中,WFsc—为水稀缺足迹(m3H2Oeq);Vd,i—单元过程i直接水消耗量(m3);Vin—系统边界内的间接水消耗(m3);i—系统边界内的各单元过程。(2)水劣化足迹a.水富营养化足迹水富营养化足迹用来评价钢铁产品在各阶段存在的排入各种水体的氮、磷等污染物所造成水资源潜在富营养化影响。计算公式如下:式(2)中,WFeu—水富营养化足迹(kgPO43-eq);αeui,j—排入水体的污染物j的特征化因子,无量纲;Meu,j—为排入水体的污染物j的质量(m3);i—产品生命周期阶段;j—污染物种类。b.水酸化足迹水酸化足迹用来评价组织中存在的排入各种水体的酸性污染物所造成的潜在酸化影响。计算公式如下:(3)式(3)中,WFac—水酸化足迹(kgSO2eq);αaci,j—排入水体的污染物j的特征化因子,无量纲;Maci,j—排入水体的污染物j的质量(m3);i—产品生命周期阶段;j—污染物种类。c.水生态毒性足迹水生态毒性足迹用来评价组织中存在的排入各种水体的金属、有机污染物等所造成的潜在毒性影响。计算公式如下:(4)式(4)中,WFeco—水生态毒性足迹(m3H2Oeq);αecoi,j—排入水环境介质的污染物j的特征化因子,无量纲;Mecoi,j—排入水环境介质的污染物j的质量(m3);i—产品生命周期阶段;j—污染物种类。

三、案例分析

1.目的和范围的确定

本研究基于ISO14046的工业产品水足迹评价方法,选择某家钢铁有限公司作为评价对象,该钢厂主导产品为热轧带肋钢筋、高线、圆钢、钢坯。现已成为从原料、烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧材到供电、制氧等配套设施齐全的中性钢铁联合企业。针对该钢厂的流程型加工方式,对粗钢产品生命周期主要用水阶段进行水资源使用量、能源消耗量、物料消耗,同时进行能源、物耗、水污染排放的分析进行间接水足迹分析,建立水稀缺足迹量化模型。本研究选择“从大门到大门”,以钢材生产阶段为系统边界,包括烧结、炼铁、炼钢、轧钢、辅助生产单元和附属生产单元,由于钢材生产的原材料获取阶段过程复杂、数据获取等问题,以及钢材使用的年限问题,本研究不考虑原材料生产、使用和废弃回收阶段,具体系统边界见图1。功能单位为每吨粗钢,数据收集时间范围为2019年。

2.水足迹清单分析

根据评价要求进行数据收集和清单量化。其中,该企业取用的水源主要以黄河水为水源,自来水为辅,地下水为应急水源。供水系统单元划分为主要生产单元、辅助生产单元和附属生产单元。其中,主要生产单元包括烧结车间、炼铁车间、炼钢车间、轧钢车间四个主要用水单元。辅助生产单元包括动力车间、发电车间、制氧车间等单元。附属生产单元包括办公楼、餐厅、浴室、供热首站、绿化道路冲洗五个子单元。该钢厂的用水主要分为产品用水、工艺用水以及保护机械设备正常运转的间接冷却循环水,炼铁、轧钢的直接冷却循环水等。2019年,企业日均产量分别为19666.5t,每日用新水量为30765.0m3。数据清单详情见表1。本次评价数据取自钢铁厂实时监控数据。该钢厂采用管道排至厂内污水处理站,经污水处理后循环使用,水重复利用率达到98.97%,废水回用率100%,实现废水零排放。因此,此次水足迹评价报告仅选取产品水稀缺足迹进行评价。

3.水稀缺足迹评价

根据GB/T37756-2019的方法和要求,结合生命周期评价方法,根据公式(1)计算单位产品的水稀缺足迹,包括能源、资源利用产生的间接水足迹,以及由主要生产单元过程产生的直接水足迹两部分,参考常用能源水足迹系数,详情见表3,得到计算结果,如表2所示。

4.结果解释

基于GB/T37756-2019的方法和要求,结合生命周期评价方法中间接排放的概念,对水足迹评价方法进行改进,即在考虑直接水稀缺足迹的同时,加入对间接水足迹的考虑,计算得到典型钢铁企业水稀缺足迹为13.37m3H2Oeq/t,其中来自间接水足迹占85.56%,主要来自原辅料的使用以及煤炭、焦炭、电力等能源消耗。直接水足迹主要来自炼钢和轧钢生产阶段。这说明钢铁企业在加强生产过程直接用水管理的同时,也要注重来自间接用水的管理,利用全生命周期方法对生产用水进行综合管理,从而真正实现降低水资源消耗。根据图2可以看出,主要生产用水阶段集中在炼钢和轧钢阶段,主要是用于转炉连铸浊环水、连铸机及喷淋水净环系统等工序。本文建立的水足迹评价方法是从生命周期角度计算钢铁产品水稀缺足迹,不仅仅是新鲜水消耗,考虑了直接和间接用水,此方法为钢铁企业水足迹评价提供了基本理论方法,能为企业加强原材料、能源资源管理,发展绿色、低碳生产提供技术支撑。

四、结论及建议

通过本研究,得到以下结论及建议。一是,本研究建立了钢铁工业水足迹评价方法和相关参数,能够满足钢铁工业水足迹评价的要求,评价结果能够反映钢铁工业水足迹强度,具有较好的操作性和准确性,为钢铁工业水足迹评价提供了方法支持。二是,本研究选取的典型钢铁企业水稀缺足迹评价结果为13.37m3H2Oeq/t,其中来自间接水足迹占85.56%,主要来自原辅料的使用以及煤炭、焦炭、电力等能源消耗。直接水足迹主要来自炼钢和轧钢生产阶段。该钢铁企业在加强生产过程直接用水管理的同时,也要注重来自间接用水的管理。三是,该钢厂应进一步加强公司用水科学管理,建立和完善用水、节水的规章制度,确定节约用水工作措施,明确责任目标。强化节水意识,努力建设节水型企业,推进钢铁行业节水减排工作。

作者:孙中梅 马莉 胡祯 张士震 单位:中冶检测认证有限公司

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