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參考。本文以典型鋼鐵工業(yè)產品為例，選取包括原材料、能源、燒結、煉鐵、煉鋼等工序為系統(tǒng)邊界，評價其水稀缺足跡，以期促進企業(yè)用水科學管理，提高水資源利用效率，推進鋼鐵企業(yè)的整體節(jié)水減排。

[關鍵詞]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威脅到全球可持續(xù)發(fā)展。“水足跡”(waterfootprint)，主要用于研究人類消費與用水之間以及全球貿易與水資源管理之間的隱含聯(lián)系，廣泛應用于過程、產品、企業(yè)、行業(yè)和國家等層面[1]。對特定產品、企業(yè)或項目等水足跡的評價和認證已成為評估人類生產及消費模式對區(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)的長流程生產占比大，高耗水和高污染的特點使得對鋼鐵企業(yè)進行水足跡評價與管理的需求迫在眉睫。通過對鋼鐵行業(yè)進行水足跡評價，以實現(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者Hoekstra在虛擬水理論研究的基礎上提出的，用以描述人類消費對水資源系統(tǒng)的影響[3]。隨著水足跡理論研究的不斷深入及其實證研究范圍的不斷擴大，質量產品水足跡研究也成為熱點，目前，國際上有兩個組織分別發(fā)布了水足跡的評估標準：一是水足跡網絡(WFN)，二是國際標準化組織（ISO）。WFN描述的水足跡中包括藍水、綠水和灰水足跡3種，所得水足跡結果為具體的數值，此方法側重于過程、產品、消費者、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，所得水足跡結果為當量值，此方法側重于通過對產品、過程和組織各生命周期階段水足跡的量化結果，識別和理解與水相關的潛在環(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原則、要求和方法學框架提供了依據，也為進一步研究和制定具體行業(yè)或產品的水足跡標準奠定了基礎。

2.目的和范圍的確定

開展產品水足跡的核算和評價，其首要任務是確定研究目的和范圍，主要包括確定系統(tǒng)邊界。產品水足跡評價通常包括產品生命周期的所有階段，即原材料階段、生產加工階段、消費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據。4.影響評價水足跡影響評價可以將水足跡清單結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品全生命周期過程中對水資源短缺的影響，其計算公式如下：（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)邊界內的間接水消耗(m3)；i—系統(tǒng)邊界內的各單元過程。（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的質量(m3)；i—產品生命周期階段；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的質量(m3)；i—產品生命周期階段；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、有機污染物等所造成的潛在毒性影響。計算公式如下：（4）式（4）中，WFeco—水生態(tài)毒性足跡（m3H2Oeq）；αecoi，j—排入水環(huán)境介質的污染物j的特征化因子，無量綱；Mecoi，j—排入水環(huán)境介質的污染物j的質量(m3)；i—產品生命周期階段；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，該鋼廠主導產品為熱軋帶肋鋼筋、高線、圓鋼、鋼坯。現(xiàn)已成為從原料、燒結、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋材到供電、制氧等配套設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，對粗鋼產品生命周期主要用水階段進行水資源使用量、能源消耗量、物料消耗，同時進行能源、物耗、水污染排放的分析進行間接水足跡分析，建立水稀缺足跡量化模型。本研究選擇“從大門到大門”，以鋼材生產階段為系統(tǒng)邊界，包括燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼、輔助生產單元和附屬生產單元，由于鋼材生產的原材料獲取階段過程復雜、數據獲取等問題，以及鋼材使用的年限問題，本研究不考慮原材料生產、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，數據收集時間范圍為2019年。

2.水足跡清單分析

根據評價要求進行數據收集和清單量化。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，地下水為應急水源。供水系統(tǒng)單元劃分為主要生產單元、輔助生產單元和附屬生產單元。其中，主要生產單元包括燒結車間、煉鐵車間、煉鋼車間、軋鋼車間四個主要用水單元。輔助生產單元包括動力車間、發(fā)電車間、制氧車間等單元。附屬生產單元包括辦公樓、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品用水、工藝用水以及保護機械設備正常運轉的間接冷卻循環(huán)水，煉鐵、軋鋼的直接冷卻循環(huán)水等。2019年，企業(yè)日均產量分別為19666.5t，每日用新水量為30765.0m3。數據清單詳情見表1。本次評價數據取自鋼鐵廠實時監(jiān)控數據。該鋼廠采用管道排至廠內污水處理站，經污水處理后循環(huán)使用，水重復利用率達到98.97%，廢水回用率100%，實現(xiàn)廢水零排放。因此，此次水足跡評價報告僅選取產品水稀缺足跡進行評價。

3.水稀缺足跡評價

根據GB/T37756-2019的方法和要求，結合生命周期評價方法，根據公式（1）計算單位產品的水稀缺足跡，包括能源、資源利用產生的間接水足跡，以及由主要生產單元過程產生的直接水足跡兩部分，參考常用能源水足跡系數，詳情見表3，得到計算結果，如表2所示。

4.結果解釋

基于GB/T37756-2019的方法和要求，結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行改進，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階段。這說明鋼鐵企業(yè)在加強生產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用水進行綜合管理，從而真正實現(xiàn)降低水資源消耗。根據圖2可以看出，主要生產用水階段集中在煉鋼和軋鋼階段，主要是用于轉爐連鑄濁環(huán)水、連鑄機及噴淋水凈環(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算鋼鐵產品水稀缺足跡，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)加強原材料、能源資源管理，發(fā)展綠色、低碳生產提供技術支撐。

四、結論及建議

通過本研究，得到以下結論及建議。一是，本研究建立了鋼鐵工業(yè)水足跡評價方法和相關參數，能夠滿足鋼鐵工業(yè)水足跡評價的要求，評價結果能夠反映鋼鐵工業(yè)水足跡強度，具有較好的操作性和準確性，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階段。該鋼鐵企業(yè)在加強生產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，該鋼廠應進一步加強公司用水科學管理，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，明確責任目標。強化節(jié)水意識，努力建設節(jié)水型企業(yè)，推進鋼鐵行業(yè)節(jié)水減排工作。

作者:孫中梅 馬莉 胡禎 張士震 單位:中冶檢測認證有限公司