一、前言
钢铁企业一向以高能耗、高排放、高污染的负面形象示人, 为适应现阶段经济发展形势, 企业亟待绿色转型发展, 成为节能减排和发展循环经济的工厂。钢铁企业应以减量化、再利用、资源化为原则, 以低消耗、低排放、高效率为特征, 对生产过程中的余热、余压、余气、废水和固体废弃物充分循环利用, 成为环境友好、服务社会、资源节约的绿色工厂, 截止到2018年年底全国已有39家钢铁企业被工信部列入“绿色工厂名单”。
钢铁企业要成为一个环境友好、服务社会、资源节约的绿色工厂, 应以低消耗、低排放、高效率为特征, 对生产过程中的余热、余压、余气、废水和固体废弃物充分循环利用;以减量化、资源化、再利用为原则, 大力推进水渣、钢渣、除尘灰、轧钢氧化铁皮等各类固体废弃物的高效循环利用。例如建设钢渣处理生产线, 实现炼钢工序含铁物质100%内部自循环利用;建设流程短、污染小、与高炉配套的炉渣细磨生产线新模式, 将高炉水渣转变为高品质的建筑原料, 提高固废附加值;利用焦炉型煤项目, 有效处置焦油渣、酸焦油等固体废物。
但当前钢铁企业的节能减排工作一般都聚焦于局部、末端, 局限于产业内部、工序内部, 会遇到提升空间的瓶颈, 短期内难有巨大突破。越来越严格的市场绿色准入门槛和壁垒、用户对产品环境绩效的需求, 促进钢铁企业变被动为主动地做环保。只有保持钢铁产品生命周期生态环保特性, 将环境效益转化为产品竞争力, 才是广大钢铁企业的根本出路。从根本解决钢铁企业实现绿色制造, 需要系统的从钢铁制造全流程、上下游产业链视角开展节能减排工作, 由末端治理向过程导向和产品导向转变。基于环境绩效的钢铁产品绿色设计就是把环境因素纳入设计之中, 在产品开发的所有阶段均考虑环境因素, 从产品的整个生命周期入手减少对环境的影响, 从而确定设计的决策方向, 最终引导产生一个更具有可持续性的生产和消费系统。
二、生命周期评价的设计方法
生命周期评价 (LCA) 是对一个产品系统的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价 (引自GB/T24040-1999) 。基于单元过程的从摇篮到坟墓 (Gradle-toGrave) 的评价方法是本文采用的LCA方法。产品生命周期评价 (LCA) 的特点是系统化和定量化, 研究范畴包含从“摇篮到坟墓”的产品生产全过程系统化, 数据收集以单元过程为基础, 从资源、能源和环境排放定量化。根据全流程各生产工序, 通过对上游供应商和下游用户的数据采集, 同时开展基础性研究和应用性研究。读取钢铁行业企业各类系统中的数据库和外部环境指标数据库, 建立产品LCA清单模型。生命周期清单分析是生命周期评价中环境影响评价的基础, 具体是对所研究系统整个生命周期阶段资源和能源的使用及向环境排放废物进行定量的技术过程[1]。通过数据的收集与确认、系统边界的修改以及数据的反馈等, 建立产品的系统模型, 根据产品生命周期系统模型, 确定产品的生产工序。表1是国际钢铁协会1kg热轧卷LCA数据。通过定量化分析产品生产全流程环境绩效, 完成绿色制造全流程优化排产, 分析废弃物再利用的环境收益, 进行产品生命周期成本分析和温室气体排放核算。
利用LCA工具软件Gabi, 整合钢铁产业界与研究单位的清单数据库, 自动计算复杂流程图并显示各单元名称及流量。
三、基于环境绩效的钢铁产品绿色设计预测
基于LCA清单模型输入不同的技术参数变量, 预测环境指标变量, 通过模型诊断发现改进点, 以及与先进水平的差异, 将设计参数转化为环境参数。例如热轧钢板的设计参数一般包括成分、温度、轧制力、规格、成材率、能耗、生产周期等等, 设计时将针对改变钢种成分 (合金品种及用量) 、不同工艺设计方式、改变产品的工艺参数、简化下游工序、或下游典型行业代表性企业的节能减排需求等不同的设计情景, 完成设计输出。设计参数的变化会影响LCA模型参数的变化, 造成最终环境绩效的变化。
某轿车车门主要是以钢结构外板、内板和加强版的设计, 可以选用不同的高强度钢板和不同的成型工艺方案, 如表2所示。
带入LCA工具软件, 利用具体指标输出图像化评价结果, 如图1所示, 可知三种方案CO2排放量、零件重量都会降低, 但材料成本各有不同变化, 综合考虑环境效益和经济效益方案3更为合理。
四、结论
基于LCA评价是系统科学地进行钢材绿色设计的有效工具, 依据LCA相关标准和规范的要求, 结合钢材产品生产特点, 以钢铁行业企业各类系统中的数据库和外部环境指标数据库为基础, 建立产品生命周期评价模型, 定量化评估钢材产品的环境效益和经济效益, 利用相关软件完成钢材产品的参数化设计。
摘要：根据LCA相关标准, 结合钢铁产品的生产流程和上下游的相关产品需求, 对生命周期评价在钢铁产品领域的应用进行了研究, 讨论全生命周期评价应用于钢铁产品的绿色设计方法和过程。
关键词：绿色设计,环境绩效
参考文献
[1] 刘颖昊, 黄志甲, 沙高原等.电镀锌产品的生命周期清单研究[J].中国冶金, 2007, 17 (2) :20-24.