鋼鐵工業(yè)水稀缺足跡評價案例淺析

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[摘要]水足跡評價能夠量化人類活動對水資源環(huán)境的影響，并識別改善路徑，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，評價其水稀缺足跡，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)水足跡評價水稀缺足跡

一、引言

水資源是人類生存和社會發(fā)展最重要的基本要素和戰(zhàn)略資源，水資源短缺問題已經(jīng)威脅到全球可持續(xù)發(fā)展?！八阚E”(waterfootprint)，主要用于研究人類消費(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)用于過程、產(chǎn)品、企業(yè)、行業(yè)和國家等層面[1]。對特定產(chǎn)品、企業(yè)或項(xiàng)目等水足跡的評價和認(rèn)證已成為評估人類生產(chǎn)及消費(fèi)模式對區(qū)域、國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。我國鋼鐵行業(yè)的長流程生產(chǎn)占比大，高耗水和高污染的特點(diǎn)使得對鋼鐵企業(yè)進(jìn)行水足跡評價與管理的需求迫在眉睫。通過對鋼鐵行業(yè)進(jìn)行水足跡評價，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，推動鋼鐵行業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型升級。

二、水足跡評價方法

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，用以描述人類消費(fèi)對水資源系統(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，國際上有兩個組織分別發(fā)布了水足跡的評估標(biāo)準(zhǔn)：一是水足跡網(wǎng)絡(luò)(WFN)，二是國際標(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)重于過程、產(chǎn)品、消費(fèi)者、企業(yè)、區(qū)域、流域和國家的水足跡核算方法。ISO14046涵蓋了不同環(huán)境影響類型的水足跡評價，所得水足跡結(jié)果為當(dāng)量值，此方法側(cè)重于通過對產(chǎn)品、過程和組織各生命周期階段水足跡的量化結(jié)果，識別和理解與水相關(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)范水足跡評價的相關(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

開展產(chǎn)品水足跡的核算和評價，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)品水足跡評價通常包括產(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.影響評價水足跡影響評價可以將水足跡清單結(jié)果劃歸以下主要的影響類型。（1）水稀缺足跡水稀缺足跡是用來評價鋼鐵產(chǎn)品全生命周期過程中對水資源短缺的影響，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)的各單元過程。（2）水劣化足跡a.水富營養(yǎng)化足跡水富營養(yǎng)化足跡用來評價鋼鐵產(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養(yǎng)化影響。計(jì)算公式如下:式（2）中，WFeu—水富營養(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。b.水酸化足跡水酸化足跡用來評價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。c.水生態(tài)毒性足跡水生態(tài)毒性足跡用來評價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。

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)品水足跡評價方法，選擇某家鋼鐵有限公司作為評價對象，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)。針對該鋼廠的流程型加工方式，對粗鋼產(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“從大門到大門”，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程復(fù)雜、數(shù)據(jù)獲取等問題，以及鋼材使用的年限問題，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)邊界見圖1。功能單位為每噸粗鋼，數(shù)據(jù)收集時間范圍為2019年。

2.水足跡清單分析

根據(jù)評價要求進(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，自來水為輔，地下水為應(yīng)急水源。供水系統(tǒng)單元劃分為主要生產(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)車間、煉鐵車間、煉鋼車間、軋鋼車間四個主要用水單元。輔助生產(chǎn)單元包括動力車間、發(fā)電車間、制氧車間等單元。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)清單詳情見表1。本次評價數(shù)據(jù)取自鋼鐵廠實(shí)時監(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，此次水足跡評價報告僅選取產(chǎn)品水稀缺足跡進(jìn)行評價。

3.水稀缺足跡評價

根據(jù)GB/T37756-2019的方法和要求，結(jié)合生命周期評價方法，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)合生命周期評價方法中間接排放的概念，對水足跡評價方法進(jìn)行改進(jìn)，即在考慮直接水稀缺足跡的同時，加入對間接水足跡的考慮，計(jì)算得到典型鋼鐵企業(yè)水稀缺足跡為13.37m3H2Oeq/t，其中來自間接水足跡占85.56%，主要來自原輔料的使用以及煤炭、焦炭、電力等能源消耗。直接水足跡主要來自煉鋼和軋鋼生產(chǎn)階段。這說明鋼鐵企業(yè)在加強(qiáng)生產(chǎn)過程直接用水管理的同時，也要注重來自間接用水的管理，利用全生命周期方法對生產(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價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)水足跡評價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)水足跡評價方法和相關(guān)參數(shù)，能夠滿足鋼鐵工業(yè)水足跡評價的要求，評價結(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)水足跡評價提供了方法支持。二是，本研究選取的典型鋼鐵企業(yè)水稀缺足跡評價結(jié)果為13.37m3H2Oeq/t，其中來自間接水足跡占85.56%，主要來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)過程直接用水管理的同時，也要注重來自間接用水的管理。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，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:中冶檢測認(rèn)證有限公司