生命周期评估和钢铁可持续性

生命周期评估和钢铁可持续性

钢铁工业是仅次于石油和天然气工业的世界第二大工业。钢铁几乎用于建筑和施工、包装、运输行业以及电力和可再生能源领域的各个领域。在当今社会，钢铁的使用随处可见。几乎没有任何材料或产品不存在或没有在其生产中发挥作用。

在过去的三十年里，粗钢产量翻了一番多，2020 年的产量达到 18.64 亿吨，2019 年的产量达到 18.69 亿吨。钢铁仍然是社会发展和进步的支柱和推动者。它让世界变得更美好。未来的智慧城市将建立在钢铁之上。钢铁是一种无限可回收和可重复使用的资产，它的使用有助于减轻地球资源的负担。

高水平的钢铁生产不可避免地使炼钢部门对其环境影响承担更多责任。因此，有必要对钢铁行业的流程进行分析，以便清楚地了解主要的环境影响以及涉及实施循环经济范式的可能解决方案。

钢具有多种特性，在设计状态下的决策过程中要考虑这些特性。这些特性包括 (i) 化学、冶金和机械特性，(ii) 耐腐蚀特性，(iii) 耐火特性，(iv) 可回收性，(v) 长寿命 (vi) 维护要求，(vii) 卫生要求， (viii) 美学，以及 (ix) 环境影响。

钢材可以在不损失质量的情况下回收利用。由于金属键在重新凝固后恢复，即使经过多次回收循环，钢也会不断恢复其原始性能。这使它们可以一次又一次地用于同一应用程序。相比之下，大多数非金属材料在回收利用后性能会下降。

通常，通过综合路线制造的钢铁产品的返回工艺废料含量限制在 10% 到 20% 的范围内，而报废的钢铁产品的回收率在 85% 到 95% 之间。 “回收内容”方法仅包含今天实现的环境效益，而“报废”方法还考虑了报废时产生的废料带来的未来环境效益。对于钢铁行业来说，“报废回收率”是最合适的指标，而报废废钢的可用数量不足以满足当前的需求。图1显示了钢的生命周期。

图1钢的生命周期

初级（原始）钢的生产通常包括矿石开采和选矿、冶炼和精炼，以获得特定化学成分的钢，并有多种加工路线可供选择。在每个阶段，杂质和副产品都被分离出来，最终产品中铁的浓度增加。将钢精炼到足够纯度通常需要能源密集型和精确控制的熔化阶段，这通常基于使用化石燃料直接作为还原剂或间接用于热和电。钢铁生产占全球工业二氧化碳 (CO2) 排放量的很大一部分。

在采矿和选矿区，有一些工艺包括在液体溶液中处理矿石，通过将矿石与伴生矿物分离来浓缩矿石。在一些过程中，通常不需要非常高的温度，并且可以在需要能量来维持压力的高压下进行处理。此外，随着矿山从高品位矿石转向低品位矿石以及开始开采更复杂的矿床，采矿和选矿过程的能源强度更有可能随着时间的推移而增加。能源消耗可以通过提高工艺效率来改善。

火法冶金涉及在高温下处理精矿，以便从其相关矿物成分中剥离铁。这反过来又需要在加热炉中使用化石燃料或为炉子供电。此外，钢铁工业生产不同类型的钢铁产品。这些不同类型的钢铁产品可以在同一个钢厂和相同的初级生产过程中生产。这些产品中的每一种都需要不同的加工路线来生产最终消费者使用的产品。图2显示了生命周期评估（LCA）的原理。

图2生命周期评估原理

材料科学家和产品开发人员现在有越来越多的工具可供他们使用，这些工​​具使他们能够考虑材料选择对环境的影响，但总的来说，这些工具只考虑少数环境端点，并且仍然存在许多数据差距。然而，鉴于全球未来对钢铁需求的预期增长及其在当今技术中的重要性，重要的是获得基于生命周期的钢铁生产环境负担的高可重复数据，以及几种钢铁联合生产的影响产品一目了然。

人类活动需要物质和能源来发展，对生态系统和环境产生了不可逆转的影响，如气候变化、自然资源枯竭、废物产生和污染等。这些影响大多对人类健康和生存造成危害，大部分这些影响具有长期的效果。在 1987 年发表的布伦特兰报告中，可持续发展被定义为“既满足当代人的需要又不损害后代满足其自身需要的能力的发展”。作为可持续发展的一个子集，在全球范围内已经发展了近 25 年到 30 年，建筑环境的作用非常重要。

布伦特兰报告中定义的可持续发展概念是一个非常复杂和动态的挑战，需要最多样化的活动部门做出贡献。气候变化和自然资源的可持续利用是当今社会面临的主要挑战之一。这将它们置于政治环境议程的首位，在可预见的未来它们很可能会继续存在

可持续性涉及产品生产的整个周期，即从原材料采购到规划、设计、施工和运营，再到产品的使用和报废废物管理。这是钢铁行业未来面临的巨大而重要的挑战。钢铁行业已做出多项努力，通过提高可回收性和改进工艺来减少碳足迹。

在持续发展中，鼓励开发经济和环境健康的方法。材料的生产和分配以最少的运输方式进行。此外，使用的材料尽可能接近。

钢铁可持续性由三个部分组成，即 (i) 环境、(ii) 社会和 (iii) 经济。钢铁行业是促进社会、经济和环境可持续发展的高效行业，并且在这两个方面都正在成为一个高度活跃的行业发达国家和发展中国家。该行业需要来自地球的自然资源来生产用于建造建筑物、桥梁和道路等人造结构以及我们日常生活中使用的产品的钢材。

钢的生命周期分析用于确定环境影响。确定环境影响的三个方面是（i）钢铁产品的生产，（ii）钢铁产品的使用，以及（iii）报废材料的回收利用。环境影响受以下因素的影响：(i) 自然资源的使用，(ii) 环境管理，以及 (iii) 防止废气、液体和固体对空气、水和土地的污染。

钢铁产品的材料效率由三个标准决定，即（i）减少，（ii）再利用，和（iii）回收。生产钢铁的原材料数量将通过提高工艺效率来减少二氧化碳排放量。钢材使用寿命结束后，产品中的部分钢含量可以重复使用，而不会损失钢材的基本性能。这使得钢材的再利用变得非常重要。钢是 100% 可回收的。所有的废钢都被重新用于制造新钢。此外，钢铁生产过程中产生的副产品被各个行业使用，这减少了这些行业对原材料的需求，从而有助于保护自然资源。

钢铁的社会影响是相当大的。社会影响受 (i) 生活水平、(ii) 人民教育、(iii) 社区和 (iv) 人人平等机会的影响。

可持续材料不会伤害生产它的人，或在使用、回收和最终处置过程中处理它的人。钢铁在生产或使用过程中对人无害。由于这些原因，钢是多种应用中使用的主要材料。安全，如员工的无伤害和健康的工作场所，是钢铁行业的重中之重。钢铁还通过使技术进步成为可能来提高生活质量。这就是为什么人们会在日常生活中使用的所有物品中看到钢的存在。事实上，今天的生活没有钢铁是行不通的。

钢铁可持续性的经济成分非常重要。影响经济学的因素包括 (i) 生产成本，(ii) 利润，(iii) 成本节约，(iv) 经济增长，以及 (v) 为投资产生的收入是研发活动。

生命周期成本 (LCC) 是衡量钢铁可持续性经济成分的重要标准。 LCC 是资产在其整个生命周期内的成本，同时满足性能要求 (ISO 15686-5)。它是在生命周期内与产品相关的所有成本的总和，包括 (i) 概念、(ii) 生产/制造、(iii) 其使用/操作和 (iv) 寿命终止。 LCC 是一种数学程序，有助于做出投资决策和/或比较不同的投资选择。如果考虑到生命周期成本，钢材并不昂贵。其他材料的成本会随着时间的推移而大幅增加，而钢材的成本通常保持不变。

除了钢铁可持续性的环境、社会和经济方面，还有三个重叠的领域，例如 (i) 环境-社会、(ii) 社会-经济和 (iii) 经济-环境。环境社会领域包括对环境保护和自然资源的关注，因为它们具有当地和全球影响。社会经济领域包括对道德、公平以及员工健康、安全和福利的关注。经济环境领域包括运营效率、能源效率和可再生资源的使用。图3显示了钢铁可持续性的所有组成部分。

图 3 钢铁可持续性的组成部分

钢铁可持续性的关键是认识到全生命周期方法是评估产品对环境影响的最佳方式。因此，这也是帮助社会就材料的使用及其经济重要性做出明智决策的最佳方式。只关注产品生命周期的一个方面（例如材料生产）会扭曲真实情况，因为它会忽略在另一个生命周期阶段（例如使用阶段）增加的影响。

为任何应用选择最合适的材料取决于对一系列技术和经济因素的考虑，例如功能性、耐用性和成本。在可持续发展是一个关键问题的世界中，对于指定材料的人们来说，另一个越来越重要的因素是，从制造和产品性能的角度来看，材料应用的相关环境性能。

在根据供应链脆弱性和供应风险对技术、材料替代和产品关键性的全球变化进行建模时，需要量化每个生命周期阶段的环境负担和钢铁产品生产系统的相互联系。全面了解可以更好地管理钢铁产品的影响和效益，并在知情的情况下可持续地利用资源。

钢是一种高度耐用的材料，可用于许多合格的应用。像所有材料一样，它的生产和使用以许多不同的方式影响环境。评估产品的整体环境影响需要一种综合方法，考虑产品的整个生命周期。这种评估被称为“生命周期评估（LCA）”。

可以借助在过去几年中开发的一些工具来评估项目的可持续性。基于生命周期概念的最完整和最详细的分析方法之一是 LCA。它考虑了产品或系统的整个生命周期，从原材料提取到材料生产和能源需求，再到使用和报废处理。通过这样的系统概述，可以识别并可能避免环境负担。 LCA 可以帮助确定在项目生命周期的各个阶段改善环境绩效的机会。 LCA 的目标是创建产品在其整个生命周期内的完整环境概况，并借助环境指标以更易于理解的方式显示结果。

关于生命周期概念的第一次研究是在六十年代末和七十年代初进行的。产品或功能的生命周期概念已在美国公共采购领域发展起来。但第一次提到“生命周期”这个名字是在1959年诺维克为兰德公司准备的一份关于成本生命周期分析的报告中。当时“生命周期分析”（尚未评估）用于成本武器系统，包括购买、使用和报废操作。生命周期分析也被用作政府改进预算管理的工具。

1972 年，Ian Boustead 于 1979 年计算了生产各种类型饮料容器（包括玻璃、塑料、钢和铝）的总能耗，这使得他的方法适用于各种材料。在那个时代，公众兴趣增加了，并且进行了不同的生命周期研究。 1992年，环境毒理学和化学学会（SETAC）举办了生命周期评估（LCA）研讨会，其中一个侧重于生命周期影响评估和其他数据质量。

1993 年，发布了“生命周期评估：实践准则”指南，也称为“LCA 圣经”。在 1990 年代，LCA 也被多个团体研究，这些团体发表了各种指南，例如荷兰关于 LCA 的指南，以及北欧国家，即瑞典、芬兰、丹麦和挪威的作者，发表了北欧生命周期评估指南。联合国环境规划署发布了“生命周期评估：什么是以及如何做”。欧洲环境署还出版了“生命周期评估：方法、经验和信息来源指南”。 “产品在 LCA 研究中被定义为商品或服务。 LCA 有时也被称为“生命周期方法”、“从摇篮到坟墓分析”或“生命周期分析”。完整的从摇篮到坟墓的研究着眼于从原材料（摇篮）到使用阶段到生命终结（坟墓）的生产过程。

1993 年 11 月，在 ISO（国际标准化组织）与技术委员会 (TC 207) 分委员会 SC 5 在巴黎开始进行 LCA 标准化。该标准基于 SETAC 制定的实践守则。目前ISO已经发布了一系列标准，称为14040系列和LCA技术报告。此 ISO 14040 系列标准概述了 LCA 活动需要遵守的方法和严格性，包括独立第三方严格审查工作的必要性。

ISO 14000 系列标准包括关于环境管理体系的 ISO 14001。 ISO 14040 系列标准包括标题为“原则和框架”的 ISO 14040、标题为“目标和范围定义和清单分析”的 ISO 14041、标题为“生命周期影响评估”(LCIA) 的 ISO 14042、标题为 ISO 14043 “生命周期解释”、标题为“要求和指南”的 ISO 14040、标题为“ISO 14042 应用示例”的 ISO 14047、标题为“数据文档格式”的 ISO 14048 和标题为“ISO 应用示例”的 ISO14049 14041'。根据 ISO 14040 系列标准，LCA 用于产品开发和改进、战略规划、公共政策制定、营销等目的。

LCA 是评估产品在其生命周期的所有阶段的环境因素的工具。 LCA 在 ISO 14040 标准中被定义为“对产品系统在其整个生命周期中的输入、输出和潜在环境影响的编译和评估”。产品的生命周期包括从原材料采购到材料生产和制造再到使用和最终处置的所有过程，包括回收选项。这些阶段的任何运输也都要考虑在内，

LCA 包括所有阶段，包括生产中的运输以及商品和服务的运营阶段。在比较 LCA 研究中，要比较的不是产品本身，而是这些产品的功能。 LCA 采用整体方法，将环境影响置于一致的框架中，无论何时何地发生。

LCA是目前最广泛认可和使用的可持续性评价方法之一。它基于从可用的“生命周期清单 (LCI) 数据库中最常提取的环境影响数据的收集和管理”。 LCA 方法和 LCI 数据帮助行业 (i) 向客户及其客户提供信息，(ii) 了解钢铁在不同应用中对产品系统环境性能的贡献，(iii) 支持技术评估 ( (iv) 进行影响评估，以减少其自身流程对环境的影响，并与客户密切合作，了解产品使用钢材的总体影响在整个生命周期中对环境的影响，以及 (v) 增加公众对在应用中使用钢的生命周期环境效益以及在哪些方面可以有效改善环境绩效的知识。 LCA 在组织环境和温室气体报告要求、营销和销售支持以及确保遵守法规和自愿倡议（如环境产品声明）方面也发挥着至关重要的作用。

目前全世界都意识到产品设计和消费者行为会影响产品的整体环境性能和效率。制造产品的组织正在更加关注制造、使用和报废，这对于指定材料的设计师来说是一个越来越重要的因素。 LCA 是“一种基于稳健方法的整体方法，通过对产品在整个生命周期内的环境影响进行定量评估，将科学转化为洞察力”。

在可用于评估材料和消费品的环境、社会和经济性能（包括它们对气候变化和自然资源的影响）的工具和方法中，LCA 提供了一种综合方法，它考虑了制造、产品各个阶段的潜在影响使用和报废（再利用、回收或处置）。它基于健全的方法和透明的报告，因此是协助决策的重要工具。

尝试通过更大程度的回收和再利用来“闭合”产品生命周期的第一步是通过 LCA 从环境角度有效和系统地分析此类产品系统。

LCA 是一种工具，可帮助量化和评估与产品系统和活动相关的环境负担和影响，从地球上的原材料提取到报废和废物处理。该工具越来越多地被行业、政府和环保组织用于协助制定与环境相关的战略和材料选择的决策。

LCI 是一种结构化、综合性和国际标准化的方法。它量化了与产品整个生命周期相关的所有相关排放和消耗的资源以及相关的环境和健康影响以及资源缺失问题。 LCI 是 LCA 的阶段之一。 LCI 数据量化了与功能系统相关的材料、能源和排放（例如，制造 1 公斤热轧卷材）。此 LCI 数据是完整 LCA 的基础，包括 LCIA，跨越更广泛的边界和完整的产品生命周期。此外，这些数据还可用于解决产品碳足印等单一问题。

各种 LCI 数据库中提供了有关钢材生命周期范围内的能源使用和更广泛的环境影响的重要研究数据。钢铁是广泛的市场应用和产品的主要组成材料，例如汽车、建筑和包装行业。钢铁行业在很早的阶段就认识到需要开发一种完善的方法来收集全球 LCI 数据，以支持市场和客户。钢铁行业的 LCI 数据，世界钢铁协会量化了钢铁生产的“从摇篮到大门”的投入（资源使用、能源）和产出（环境排放），来自 (i) 资源的提取和再生材料的使用，(ii) 生产将钢铁产品运送到钢铁厂的大门，以及 (iii) 钢铁的报废回收和循环利用。

由欧洲炼钢公司、能源和工程合作伙伴、研究机构和大学组成的 ULCOS（超低二氧化碳炼钢）联盟目前正在努力开发减少钢铁生产 CO2 排放的技术，并将 LCA 作为其主要环境评估之一工具。迄今为止，该研究已经调查了 80 多种二氧化碳减排技术，并已将其中一些技术列入候选名单，目前正在通过使用生命周期范式评估其环境特征等方面。具体而言，将集成经典炼钢路线的 LCI 与过程模拟软件相结合，对可能更可持续的过程的 CO2 排放进行建模，其中涉及新技术、还原剂以及捕获和储存 CO2 的方法。

LCA 允许通过全面考虑产品的所有生命周期阶段（从原材料提取到产品的最终处置）从环境的角度评估产品系统。它通常用作量化产品、服务和技术的全系统（从摇篮到大门或从摇篮到坟墓）环境负担的工具。这种工具过去曾用于评估钢铁产品系统的环境性能。

LCA 驱动程序受到“国家自愿指南原则”的支持，因为它们 (i) 提供有助于其整个生命周期可持续性的商品和服务，(ii) 确保在产品从设计到处置的整个生命周期内优化资源使用， (iii) 确保设计师、生产商、价值链成员、客户和回收商等每个人都相互联系并促进可持续消费。 LCA 还协助“商业责任报告”，因为它提供有关其设计包含社会或环境问题、风险和/或机会的产品或服务的报告，并且因为它提供了在采购/生产/分销和使用过程中减少的细节消费者每单位产品的资源（能源、水、原材料等）使用情况

通常，LCA 研究从目标和范围定义作为第一阶段开始，然后进入清单分析阶段，继续到影响评估阶段，作为最后阶段，研究以解释结束。 LCA 是一个计算（数学）过程，从业者可能需要回到其他阶段，例如目标和范围定义。这些阶段之间的关系如图 4 所示，该图显示了从 ISO 14040 采用的 LCA 框架。

图4生命周期评估框架  

产品的生命周期被建模为执行一个或多个定义功能的产品系统。产品系统根据其功能进行定义，并细分为一组由流程链接的单元过程。单元过程包括产品系统的输入和输出，并作为其活动的结果为其他过程生成输出。一个产品系统也可以通过产品流链接其他产品系统。

LCA 研究的目标是包括 (i) 预期应用和研究对象，(ii) 进行研究的原因，以及 (iii) 研究结果是否旨在用于比较断言并披露给公众。范围包括 (i) 产品系统的定义，(ii) 功能和功能方面，(iii) 单元系统边界，(iv) 分配程序，(v) 影响类别，(vi) 数据要求，(vii) 假设，( viii) 限制，(ix) 初始数据质量要求，(x) 严格审查的类型，以及 (xi) 研究是否需要任何类型和格式的报告。范围应在研究的广度、深度和细节上足够。系统边界根据研究的目标和范围定义，定义了系统中要包含的单元过程。

功能单元的主要目的是提供一个可测量的参考系统。为了使其成为可能并确保 LCA 结果的可比性，还需要确定参考流程。参考流量是指完成功能所需的产品数量。例如，当研究油漆表面时，将两种不同类型的油漆与一升油漆的功能单位进行比较是没有用的。这是因为两种不同类型的油漆不能提供相同的性能。取而代之的是，以“一平方米的涂漆表面，具有特定的涂层度和10年的使用寿命”为功能单位来确定是合适的。

库存分析阶段涉及对产品系统的相关输入和输出数据的收集和计算。库存分析是一个计算过程。在收集数据并了解更多有关系统的信息时，可能会出现新的数据要求或限制。有时需要对研究的目标或范围进行修订。需要收集的数据类型示例包括原材料、能源输入、空气和水排放、输出等。在此阶段，处理涉及一系列产品和回收系统的系统，将考虑分配程序考虑。可以根据分配程序将输入和输出分配给不同的产品。此阶段是 LCA 研究中最耗时和最昂贵的过程之一。 

生命周期影响评估阶段是一种基于功能单元的相对方法，该功能单元将被仔细规划以实施研究的目标和范围。此阶段的目的是根据产品或服务在其生命周期内的生命周期清单分析结果，评估其潜在的环境影响。影响评估阶段包括两个要素，即 (i) 是强制性的，和 (ii) 这是可选的。强制性要素是 (i) 影响类别、类别指标和表征模型的选择，以及 (ii) 分类和表征。可选元素是归一化、分组、权重分配和数据质量分析。

影响评估有两种主要方法。这些是面向问题的方法（中点）和面向损害的方法（终点）。中点法涉及环境影响，例如气候变化、酸化、富营养化、潜在的光化学臭氧产生和人类毒性。终点法是一种以损害为导向的方法，将流量分为人、资源等各种环境损害组别。各种影响类别及其定义见表 1。

Life cycle interpretation is the final phase of the LCA, in which the results of study is summarized and discussed. In this phase of LCA, the results of the inventory analysis and the impact assessment are evaluated together.  Life cycle interpretation reveals   conclusion which is to be consistent with the defined goal and scope and which offers suggestions.

Among the tools available to evaluate environmental performance, LCA provides a holistic approach to evaluate environmental performance by considering the potential impacts from all stages of manufacture, product use and end-of-life stages. This is referred to as the cradle-to-grave approach. LCA is well established as a sound environmental assessment tool which is easy to implement, and cost effective and produces affordable and beneficial solutions for material decision making and product design.

The use of LCA is becoming more widespread since it takes into account the environmental impacts of the manufacturing processes of a product, the extraction of the raw materials used by these processes, the use and maintenance of the product by the consumer, its end–of-life (reuse, recycling or disposal) as well as the various methods of transport occurring between every link of the chain. Presently, there is an increasing number of national or regional databases are available which cover major industrial sectors. Many manufacturing organizations have LCA departments and there are more and more LCA software packages are now available. It is also now a subject which is taught at universities.

In Europe, an environmental product declaration (EPD) is a standardized way of quantifying the environmental impact of a product or system following life cycle analysis. For a steelmaker, it is also strategically important to demonstrate this life-style approach (in terms of governments and policies) so that the long service-life, re-use and multi-recycling characteristics of steel are adequately appreciated and measured.

The LCA data can also be used for other purposes including (i) eco-design / design for recycling applications, (ii) benchmarking of specific products, (iii) procurement and supply chain decisions, (iv) inclusion in ‘Type I Ecolabel’ criteria for products, (v) inclusion in life cycle based ‘Type III environmental product declarations’ for specific products, and (vi) the analysis of specific indicators, e.g. carbon footprints or primary energy consumption.

Thinking in life cycles has an important advantage. With LCA, the whole lifespan of a product can be evaluated i.e. the production, use and disposal at the end of life. Environmental impacts occur along the entire supply chain i.e. at the production site itself as well as in the extraction of raw materials and their transport, and at power plants supplying the energy to the production site. Capturing both direct and indirect impacts can help to avoid shifting environmental burden from one life cycle stage to another. Environmental regulations which only regulate one phase (use) of a product’s life cycle can create unintended consequences, i.e. increased CO2 emissions.  Correct modelling of the recycling potential of steel products at the end-of-life phase is critical for our sector to compete with other materials and demonstrate the performance of steel solutions to meet the demand for ‘best in class’ sustainable uses.