鋼鐵工業(yè)水稀缺足跡評(píng)價(jià)案例淺析

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[摘要]水足跡評(píng)價(jià)能夠量化人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源環(huán)境的影響，并識(shí)別改善路徑，為水資源可持續(xù)利用與管理提供科學(xué)參考。本文以典型鋼鐵工業(yè)產(chǎn)品為例，選取包括原材料、能源、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等工序?yàn)橄到y(tǒng)邊界，評(píng)價(jià)其水稀缺足跡，以期促進(jìn)企業(yè)用水科學(xué)管理，提高水資源利用效率，推進(jìn)鋼鐵企業(yè)的整體節(jié)水減排。

[關(guān)鍵詞]鋼鐵工業(yè)水足跡評(píng)價(jià)水稀缺足跡

一、引言

水資源是人類(lèi)生存和社會(huì)發(fā)展最重要的基本要素和戰(zhàn)略資源，水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)威脅到全球可持續(xù)發(fā)展。“水足跡”(waterfootprint)，主要用于研究人類(lèi)消費(fèi)與用水之間以及全球貿(mào)易與水資源管理之間的隱含聯(lián)系，廣泛應(yīng)用于過(guò)程、產(chǎn)品、企業(yè)、行業(yè)和國(guó)家等層面[1]。對(duì)特定產(chǎn)品、企業(yè)或項(xiàng)目等水足跡的評(píng)價(jià)和認(rèn)證已成為評(píng)估人類(lèi)生產(chǎn)及消費(fèi)模式對(duì)區(qū)域、國(guó)家及全球水資源安全影響的重要研究課題[2]。鋼鐵行業(yè)是能耗消耗較高的行業(yè)，在水資源消耗上十分突出。我國(guó)鋼鐵行業(yè)的長(zhǎng)流程生產(chǎn)占比大，高耗水和高污染的特點(diǎn)使得對(duì)鋼鐵企業(yè)進(jìn)行水足跡評(píng)價(jià)與管理的需求迫在眉睫。通過(guò)對(duì)鋼鐵行業(yè)進(jìn)行水足跡評(píng)價(jià)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水，降低廢水排放量，提高水資源利用效率，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。

二、水足跡評(píng)價(jià)方法

1.水足跡概念

水足跡概念是由荷蘭學(xué)者Hoekstra在虛擬水理論研究的基礎(chǔ)上提出的，用以描述人類(lèi)消費(fèi)對(duì)水資源系統(tǒng)的影響[3]。隨著水足跡理論研究的不斷深入及其實(shí)證研究范圍的不斷擴(kuò)大，質(zhì)量產(chǎn)品水足跡研究也成為熱點(diǎn)，目前，國(guó)際上有兩個(gè)組織分別發(fā)布了水足跡的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：一是水足跡網(wǎng)絡(luò)(WFN)，二是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）。WFN描述的水足跡中包括藍(lán)水、綠水和灰水足跡3種，所得水足跡結(jié)果為具體的數(shù)值，此方法側(cè)重于過(guò)程、產(chǎn)品、消費(fèi)者、企業(yè)、區(qū)域、流域和國(guó)家的水足跡核算方法。ISO14046涵蓋了不同環(huán)境影響類(lèi)型的水足跡評(píng)價(jià)，所得水足跡結(jié)果為當(dāng)量值，此方法側(cè)重于通過(guò)對(duì)產(chǎn)品、過(guò)程和組織各生命周期階段水足跡的量化結(jié)果，識(shí)別和理解與水相關(guān)的潛在環(huán)境影響的大小和重要性。ISO14046的發(fā)布，為統(tǒng)一和規(guī)范水足跡評(píng)價(jià)的相關(guān)原則、要求和方法學(xué)框架提供了依據(jù)，也為進(jìn)一步研究和制定具體行業(yè)或產(chǎn)品的水足跡標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

2.目的和范圍的確定

開(kāi)展產(chǎn)品水足跡的核算和評(píng)價(jià)，其首要任務(wù)是確定研究目的和范圍，主要包括確定系統(tǒng)邊界。產(chǎn)品水足跡評(píng)價(jià)通常包括產(chǎn)品生命周期的所有階段，即原材料階段、生產(chǎn)加工階段、消費(fèi)使用階段和廢棄回收階段等。

3.清單分析

水足跡清單分析包括產(chǎn)品生命周期所有階段涉及的水資源使用量、能源消耗量、物料消耗量、廢水或廢物排放量等輸入和輸出數(shù)據(jù)。4.影響評(píng)價(jià)水足跡影響評(píng)價(jià)可以將水足跡清單結(jié)果劃歸以下主要的影響類(lèi)型。（1）水稀缺足跡水稀缺足跡是用來(lái)評(píng)價(jià)鋼鐵產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中對(duì)水資源短缺的影響，其計(jì)算公式如下：（1）式（1）中，WFsc—為水稀缺足跡（m3H2Oeq）；Vd,i—單元過(guò)程i直接水消耗量(m3)；Vin—系統(tǒng)邊界內(nèi)的間接水消耗(m3)；i—系統(tǒng)邊界內(nèi)的各單元過(guò)程。（2）水劣化足跡a.水富營(yíng)養(yǎng)化足跡水富營(yíng)養(yǎng)化足跡用來(lái)評(píng)價(jià)鋼鐵產(chǎn)品在各階段存在的排入各種水體的氮、磷等污染物所造成水資源潛在富營(yíng)養(yǎng)化影響。計(jì)算公式如下:式（2）中，WFeu—水富營(yíng)養(yǎng)化足跡(kgPO43－eq)；αeui，j—排入水體的污染物j的特征化因子，無(wú)量綱；Meu，j—為排入水體的污染物j的質(zhì)量(m3)；i—產(chǎn)品生命周期階段；j—污染物種類(lèi)。b.水酸化足跡水酸化足跡用來(lái)評(píng)價(jià)組織中存在的排入各種水體的酸性污染物所造成的潛在酸化影響。計(jì)算公式如下：（3）式（3）中，WFac—水酸化足跡(kgSO2eq)；αaci,j—排入水體的污染物j的特征化因子，無(wú)量綱；Maci,j—排入水體的污染物j的質(zhì)量(m3)；i—產(chǎn)品生命周期階段；j—污染物種類(lèi)。c.水生態(tài)毒性足跡水生態(tài)毒性足跡用來(lái)評(píng)價(jià)組織中存在的排入各種水體的金屬、有機(jī)污染物等所造成的潛在毒性影響。計(jì)算公式如下：（4）式（4）中，WFeco—水生態(tài)毒性足跡（m3H2Oeq）；αecoi，j—排入水環(huán)境介質(zhì)的污染物j的特征化因子，無(wú)量綱；Mecoi，j—排入水環(huán)境介質(zhì)的污染物j的質(zhì)量(m3)；i—產(chǎn)品生命周期階段；j—污染物種類(lèi)。

三、案例分析

1.目的和范圍的確定

本研究基于ISO14046的工業(yè)產(chǎn)品水足跡評(píng)價(jià)方法，選擇某家鋼鐵有限公司作為評(píng)價(jià)對(duì)象，該鋼廠主導(dǎo)產(chǎn)品為熱軋帶肋鋼筋、高線、圓鋼、鋼坯?，F(xiàn)已成為從原料、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋材到供電、制氧等配套設(shè)施齊全的中性鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。針對(duì)該鋼廠的流程型加工方式，對(duì)粗鋼產(chǎn)品生命周期主要用水階段進(jìn)行水資源使用量、能源消耗量、物料消耗，同時(shí)進(jìn)行能源、物耗、水污染排放的分析進(jìn)行間接水足跡分析，建立水稀缺足跡量化模型。本研究選擇“從大門(mén)到大門(mén)”，以鋼材生產(chǎn)階段為系統(tǒng)邊界，包括燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼、輔助生產(chǎn)單元和附屬生產(chǎn)單元，由于鋼材生產(chǎn)的原材料獲取階段過(guò)程復(fù)雜、數(shù)據(jù)獲取等問(wèn)題，以及鋼材使用的年限問(wèn)題，本研究不考慮原材料生產(chǎn)、使用和廢棄回收階段，具體系統(tǒng)邊界見(jiàn)圖1。功能單位為每噸粗鋼，數(shù)據(jù)收集時(shí)間范圍為2019年。

2.水足跡清單分析

根據(jù)評(píng)價(jià)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和清單量化。其中，該企業(yè)取用的水源主要以黃河水為水源，自來(lái)水為輔，地下水為應(yīng)急水源。供水系統(tǒng)單元?jiǎng)澐譃橹饕a(chǎn)單元、輔助生產(chǎn)單元和附屬生產(chǎn)單元。其中，主要生產(chǎn)單元包括燒結(jié)車(chē)間、煉鐵車(chē)間、煉鋼車(chē)間、軋鋼車(chē)間四個(gè)主要用水單元。輔助生產(chǎn)單元包括動(dòng)力車(chē)間、發(fā)電車(chē)間、制氧車(chē)間等單元。附屬生產(chǎn)單元包括辦公樓、餐廳、浴室、供熱首站、綠化道路沖洗五個(gè)子單元。該鋼廠的用水主要分為產(chǎn)品用水、工藝用水以及保護(hù)機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的間接冷卻循環(huán)水，煉鐵、軋鋼的直接冷卻循環(huán)水等。2019年，企業(yè)日均產(chǎn)量分別為19666.5t，每日用新水量為30765.0m3。數(shù)據(jù)清單詳情見(jiàn)表1。本次評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)取自鋼鐵廠實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。該鋼廠采用管道排至廠內(nèi)污水處理站，經(jīng)污水處理后循環(huán)使用，水重復(fù)利用率達(dá)到98.97%，廢水回用率100%，實(shí)現(xiàn)廢水零排放。因此，此次水足跡評(píng)價(jià)報(bào)告僅選取產(chǎn)品水稀缺足跡進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.水稀缺足跡評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T37756-2019的方法和要求，結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)方法，根據(jù)公式（1）計(jì)算單位產(chǎn)品的水稀缺足跡，包括能源、資源利用產(chǎn)生的間接水足跡，以及由主要生產(chǎn)單元過(guò)程產(chǎn)生的直接水足跡兩部分，參考常用能源水足跡系數(shù)，詳情見(jiàn)表3，得到計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

4.結(jié)果解釋

基于GB/T37756-2019的方法和要求，結(jié)合生命周期評(píng)價(jià)方法中間接排放的概念，對(duì)水足跡評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，即在考慮直接水稀缺足跡的同時(shí)，加入對(duì)間接水足跡的考慮，計(jì)算得到典型鋼鐵企業(yè)水稀缺足跡為13.37m3H2Oeq/t，其中來(lái)自間接水足跡占85.56%，主要來(lái)自原輔料的使用以及煤炭、焦炭、電力等能源消耗。直接水足跡主要來(lái)自煉鋼和軋鋼生產(chǎn)階段。這說(shuō)明鋼鐵企業(yè)在加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程直接用水管理的同時(shí)，也要注重來(lái)自間接用水的管理，利用全生命周期方法對(duì)生產(chǎn)用水進(jìn)行綜合管理，從而真正實(shí)現(xiàn)降低水資源消耗。根據(jù)圖2可以看出，主要生產(chǎn)用水階段集中在煉鋼和軋鋼階段，主要是用于轉(zhuǎn)爐連鑄濁環(huán)水、連鑄機(jī)及噴淋水凈環(huán)系統(tǒng)等工序。本文建立的水足跡評(píng)價(jià)方法是從生命周期角度計(jì)算鋼鐵產(chǎn)品水稀缺足跡，不僅僅是新鮮水消耗，考慮了直接和間接用水，此方法為鋼鐵企業(yè)水足跡評(píng)價(jià)提供了基本理論方法，能為企業(yè)加強(qiáng)原材料、能源資源管理，發(fā)展綠色、低碳生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

四、結(jié)論及建議

通過(guò)本研究，得到以下結(jié)論及建議。一是，本研究建立了鋼鐵工業(yè)水足跡評(píng)價(jià)方法和相關(guān)參數(shù)，能夠滿足鋼鐵工業(yè)水足跡評(píng)價(jià)的要求，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠反映鋼鐵工業(yè)水足跡強(qiáng)度，具有較好的操作性和準(zhǔn)確性，為鋼鐵工業(yè)水足跡評(píng)價(jià)提供了方法支持。二是，本研究選取的典型鋼鐵企業(yè)水稀缺足跡評(píng)價(jià)結(jié)果為13.37m3H2Oeq/t，其中來(lái)自間接水足跡占85.56%，主要來(lái)自原輔料的使用以及煤炭、焦炭、電力等能源消耗。直接水足跡主要來(lái)自煉鋼和軋鋼生產(chǎn)階段。該鋼鐵企業(yè)在加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程直接用水管理的同時(shí)，也要注重來(lái)自間接用水的管理。三是，該鋼廠應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)公司用水科學(xué)管理，建立和完善用水、節(jié)水的規(guī)章制度，確定節(jié)約用水工作措施，明確責(zé)任目標(biāo)。強(qiáng)化節(jié)水意識(shí)，努力建設(shè)節(jié)水型企業(yè)，推進(jìn)鋼鐵行業(yè)節(jié)水減排工作。

作者:孫中梅 馬莉 胡禎 張士震 單位:中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司