鋼鐵建材生產過程中的生態包袱系數研究

曾慶娜，定 花，陳偉亞

（武漢工程大學 環境與城市建設學院，湖北 武漢 430073）

1 引言

建筑業是我國國民經濟建設中的重要產業之一，目前我國正處于工業化時期，建筑用鋼材的需求量較大，建筑用鋼作為我國鋼材消費的最主要部分，其用量約占鋼材總消費量的60%以上［1］。同時，鋼鐵工業的發展與資源、生態環境等問題密切相關，其原材料提取、制備、加工、使用、再生等過程消耗了大量的資源和能源，同時也排放出大量的廢氣、廢水和工業固體廢棄物，對生態環境造成了巨大的、直接及間接的破壞。

隨著建筑業的發展，鋼鐵工業隨之進一步發展。然而，不可再生資源和能源的消耗，廢氣、粉塵的大量排放對生態環境造成的破壞已經嚴重影響整個行業的可持續發展。因此，從輸入端控制環境污染，追蹤整個生產過程的物質投入，全面量化鋼鐵產品對自然資源的消耗和對生態環境的沖擊，對整個行業的可持續發展具有重要意義。

2 生態包袱的概念及計算方法

2.1 生態包袱

生態包袱（Ecological Rucksack）概念最早是由德國人魏茲舍克提出的，指人類為獲得有用物質及產品而動用的沒有直接進入交易和生產過程的物料，在物質流賬戶中被又稱為隱藏流、非使用物質開采或非直接流。例如為了生產鋼鐵，直接投入了鐵礦石，而為了開采鐵礦石有可能開挖巷道以及剝離表土，因此造成的消耗并未直接進入生產過程，稱為隱藏流，也稱為生態包袱［2］。例如德國1996年建筑材料共消耗632萬t鋼材，而生產每t鋼材需要4.08t的隱性投入。生態包袱是經濟系統物質代謝的重要組成部分，形象地表達出人類為獲得有用物質而造成的附加的生態壓力。生態包袱是物質流分析賬戶中的重要分析指標，越來越多的被用于研究某一產品的資源動用情況，以及對生態環境產生的沖擊等問題。

2.2 生態包袱系數

生態包袱系數是物質投入總重量與產品自身重量的比值，反映生產單位產品的物質投入總重量，能夠直觀的反映出產品生產過程中對投入物質的消耗水平，生態包袱系數越小，說明投入物質的消耗越小，反之，則說明對投入物質的消耗量越大。進而說明對生態環境施加的壓力也越大，對生態環境的影響越大。生態包袱及系數的研究對于分析如何提出改進生產工藝和方法以降低對生態環境的影響具有重要的實際意義。

2.3 生態包袱及系數的計算

生態包袱從輸入端揭示了產品的生產過程中資源消耗水平，進一步量化了對生態環境的影響程度。計算產品的生態包袱時需要考慮涉及到的所有物質，包括直接使用和間接動用的物質，并且所有物質都以質量計量。某一產品的生態包袱等于直接和間接投入到該產品的物質的總質量與該產品自身質量之差，生態包袱系數則是物質投入總質量與產品自身質量的比值。一件產品含有的和生產中直接消耗的各種物質的質量乘以各自的生態包袱系數再求和就是該產品的物質投入總質量，再減去產品自身的質量就是該產品的生態包袱，公式為：

R為生態包袱；ri為第i種物質的生態包袱系數；wi為第i種物質的消耗量；W 為產品產量。該產品的生態包袱系數為：

r為生態包袱系數；ri為第i種投入物質的生態包袱系數；wi為第i種物質的消耗量；W為產品產量。

對某一產品的生態包袱計算關鍵是找出所有投入，即能量消耗（如電力）也作為“物質”投入；需追蹤“投入的投入”及其生態包袱，如電力投入引起的煤炭投入和煤炭的生態包袱、鋼鐵投入引起的鐵礦石投入和鐵礦石的生態包袱等，需不斷追蹤某工序之前一工序的所有投入。有了生態包袱系數就是不需要再重復對每一道工序的計算。

3 鋼材生產過程中的生態包袱計算與分析

我國鋼材生產主要以普通鋼為主，本研究以20號普通碳素鋼為主要研究對象，研究系統為轉爐20號鋼從礦石到鋼材的生命過程。研究中只考慮系統邊界內各生產工藝及運輸產生的資源、能源消耗對生態環境造成的沖擊，不考慮與之相關的基礎設施建設、固定資產采購和工人生活等造成的環境影響。系統研究邊界見圖1［3］。

圖1 鋼材生產過程中生態包袱研究系統邊界

研究過程中主要考慮系統邊界內消耗量較大的原材料，對于用量較小的原材料，因數據缺乏，造成的環境影響可能較低，在此不予考慮。鋼材生產過程中主要物質投入強度賬戶見表1、表2。

表1 生產1t型材、線材和板材主要原材料投入強度賬戶 kg／t

由于國內對生態包袱系數的研究相對不完整，因此，研究過程中，一些物質的生態包袱系數借鑒并參考國外研究數據，如表3所示。對于目前尚未開展過生態包袱系數的研究的物質，采用近似處的方法，將該物質的消耗量近似看作投入量。

表3 鋼材生產過程中消耗資源的生態包袱系數

表2 生產1t鋼材產品的能源投入強度賬戶 單位：kg／t

計算過程中，天然氣、柴油、汽油、焦爐氣、高爐氣、重油的低熱值分別按 34.91MJ／m3、42.6MJ／kg、46MJ／kg、2000kg／m3、3500kJ／m3、2.8MJ／kg計。焦爐氣、高爐氣及其它能源投入均折合成標準煤進行計算。鋼材生產過程中物質投入總量見表4。

表4 鋼材生產過程中物質投入總量

經計算，我國大型鋼材、中小型材、線材、熱軋帶鋼、冷扎帶鋼的生態包袱系數為11.81、9.76、9.67、10.21、13.49。由圖2可知，建筑用鋼材生產過程中，鐵礦石、煤及電力消耗量較大，由于大量開采鐵礦石、煤炭及電力生產給生態環境造成了巨大的擾動，由此可見，倡導循環經濟，優化生產工藝，推進清潔生產，有效節約能源，提高廢棄資源有效利用率能夠有效減少物質投入，降低產品生態包袱，減少環境影響。

圖2 鋼材生產過程中物質投入總量柱狀分析

4 結語

我國人口眾多，人均資源擁有量少，生態環境具有多樣性但整體上比較脆弱，隨著城鎮化進程的加快，建筑鋼材的用量必然進一步增加，給生態環境帶來的壓力也將越來越沉重，因此，有效減少進入社會經濟系統的物質流動才能有效地減小對環境的沖擊。我們必須不斷減少單位產出的資源消耗，推進物質減量化及資源的循環利用，以最大限度地減少生態壓力及環境污染。

［1］環球咨詢公司.2010年中國建筑用鋼產品調研報告［R］.北京：環球咨詢公司，2010.

［2］陶在樸.生態包袱與生態足跡［M］.北京：經濟科學出版社，2003.

［3］龔志起.建筑材料生命周期中的物化環境狀況的定量評價研究［D］.北京：清華大學，2004.

［4］王 青，丁 一，顧曉薇，等.中國鐵礦資源開發中的生態包袱［J］.資源科學，2005，27（1）：2～7.

［5］瞿泓瑩.中國金礦資源開發中的生態包袱［D］.北京：中國地質大學，2007.

［6］杜 濤，蔡九菊.典型鋼鐵生產流程的環境負荷分析［J］.中國冶金，2006，16（12）：38～41.

［7］楊建新，劉炳江.中國鋼材生命周期清單分析［J］.環境科學學報，2002，22（4）：519～522.

［8］蔡九菊，杜 濤.鋼鐵企業投入產出模型及t鋼能耗和環境負荷分析［J］.黃金學報，2001，3（4）：305～312.