钢铁全生命周期评价：推动可持续产业发展

钢铁行业是仅次于石油天然气行业的世界第二大产业。钢铁广泛应用于建筑建设、包装、交通运输、电力及可再生能源等几乎所有领域。现代社会几乎没有任何材料或产品不含钢铁，或在其生产过程中未使用过钢铁。

过去三十年间，粗钢产量翻了一番以上，2020年达18.64亿吨，2019年为18.69亿吨。钢铁始终是社会演进与进步的基石与赋能者，让世界更宜居。未来的智慧城市将建立在钢铁之上。作为无限可循环、可再利用的资产，钢铁的使用有助于减轻地球资源负担。

高水平的钢铁生产使钢铁冶炼部门对其环境影响负有更大责任。因此，必须分析钢铁行业工艺流程，明确主要环境影响，并结合循环经济范式提出解决方案。

钢铁的关键特性与决策考量

在设计决策阶段，需综合考量钢铁的以下特性：

• 化学、冶金与力学性能
• 耐腐蚀性能
• 耐火性能
• 可回收性
• 长寿命
• 维护要求
• 卫生要求
• 美观性
• 环境影响

钢铁可无损回收。由于金属键在再凝固时恢复，钢铁在多次循环后仍保持原有性能，可反复用于同一用途。相比之下，大多数非金属材料回收后性能会下降。

典型集成路线生产的钢铁产品，工艺废钢回用率仅10%-20%，而报废钢铁回收率达85%-95%。"回收含量法"仅核算当前环境效益，"报废回收法"则额外核算报废阶段产生废钢的未来环境效益。对钢铁行业而言，"报废回收率"是最合适的指标，但现有报废废钢量不足以满足当前需求。图1展示了钢铁的生命周期。

图1 钢铁生命周期

原生钢生产与环境负荷

原生（初级）钢生产通常包括矿石开采选矿、冶炼、精炼以获得特定成分的钢铁，存在多种工艺路线。各阶段分离杂质与副产品，最终产品铁含量逐级提升。精炼至足够纯度常需高能耗、精控的熔炼阶段，通常直接依赖化石燃料作为还原剂，或间接用于供热和供电。钢铁生产占全球工业二氧化碳排放的显著比例。

在采矿选矿环节，通过液相处理分离伴生矿物以富集矿石。部分工艺虽不需极高温度，但需高压维持，消耗能量。随着高品位矿石枯竭、转向低品位及复杂矿床，采矿选矿能耗强度预计将上升，可通过提升工艺效率改善。

火法冶金需在高温下处理矿石精矿，剥离铁元素，需化石燃料加热或电力驱动炉窑。钢铁厂同一初级流程可生产多种钢材，各产品面向终端用户需不同后续加工路线。图2展示生命周期评价（LCA）原则。

图2 生命周期评价原则

材料科学家与产品开发者拥有越来越多工具评估材料选择的环境影响，但多数工具仅覆盖有限环境终点，数据缺口犹存。鉴于全球钢铁需求预期增长及其在现有技术中的重要地位，亟需高可重复性的钢铁生产全生命周期环境负荷数据，并明确多产品协同生产的含义。

可持续发展与钢铁的三重维度

人类物质与能源消费活动对生态系统造成气候变化、资源枯竭、废弃物产生、污染等不可逆影响，长期威胁人类健康与生存。1987年《布伦特兰报告》将可持续发展定义为"满足当代需求而不损害后代满足其自身需求的能力"。建筑环境在可持续发展子集中扮演关键角色，演进已逾25-30年。

可持续发展是复杂动态挑战，需多领域协同。气候变化与自然资源可持续利用是当前社会主要挑战，长期处于政治环境议程核心。

可持续性贯穿产品全周期：原料获取、规划、设计、建设运营、使用至报废废物管理。钢铁行业面临重大挑战，已通过提升可回收性、改进工艺减少碳足迹。

可持续发展鼓励经济环保兼顾的方法，就近取材、减少运输。钢铁可持续性包含环境、社会、经济三大维度。钢铁行业在发达与发展中国家均高度活跃，能有效推动三维可持续发展。行业从地球获取自然资源生产钢铁，用于建筑、桥梁、道路及日用品。

钢铁全生命周期分析（LCA）用于确定环境影响，三大决定因素为：钢铁产品生产、使用、报废回收。影响因素包括：自然资源利用、环境管理、废气液固污染防治。

材料效率遵循"减量、再利用、再循环"三原则。通过提升工艺效率减少原料消耗降低CO₂排放。钢铁产品报废后，部分钢铁成分可无损再利用，使再利用极具价值。钢铁100%可回收，所有废钢回炉重造。副产品被其他行业利用，减少其原料需求，保护自然资源。

社会影响

钢铁社会影响深远，受生活水平、教育、社区、平等机会影响。可持续材料不伤害生产、使用、回收、处置全链条从业者。钢铁生产使用均不害人，故成为多领域首选材料。零伤害、健康职场是钢铁行业核心优先事项。钢铁推动技术进步提升生活质量，日用品无处不见钢铁身影，现代生活离不开钢铁。

经济维度

经济因素包括生产成本、利润、成本节约、经济增长、研发投入收入。全生命周期成本（LCC）是经济可持续性关键指标。LCC指资产全生命周期满足性能要求的总成本（ISO 15686-5），涵盖构思、生产制造、使用运营、报废四阶段。LCC是辅助投资决策、对比方案的数学工具。从全生命周期看，钢铁并不昂贵，其他材料成本随时间大幅上升，钢铁成本相对稳定。

三维交叉领域

除三大维度外，存在环境-社会、社会-经济、经济-环境三个交叉领域：

• 环境-社会：关注环境与自然资源保护，兼顾局部与全球效应
• 社会-经济：关注伦理、公平、员工健康安全福利
• 经济-环境：运营效率、能源效率、可再生资源利用

图3 钢铁可持续性组成

全生命周期视角的核心价值

钢铁可持续性的关键在于认识到：全生命周期评价是评估产品环境影响的最佳途径，也是辅助社会就材料选择与经济重要性做出明智决策的最佳方式。仅关注单一阶段（如材料生产）会扭曲真实图景，忽略使用阶段等其他环节的影响增量。

材料选择需综合技术经济因素：功能性、耐久性、成本。在可持续发展成关键议题的今天，材料从制造到产品性能的环境表现日益成为指定者的重要考量。

量化各生命周期阶段环境负荷及钢铁产品生产系统的关联性，有助于建模全球技术变革、材料替代、供应链脆弱性与供应风险下的产品关键性。全面理解有助于更好管理钢铁产品影响与效益，实现可持续资源利用的明智决策。

生命周期评价（LCA）方法论与发展历程

钢铁是众多合格应用中的高耐久材料。同所有材料一样，其生产使用以多种方式影响环境。评估产品总体环境影响需采用集成方法，覆盖全生命周期，即生命周期评价（LCA）。

项目可持续性评价可借助近年开发的多种工具。LCA是基于生命周期概念最完整详尽的分析方法论，覆盖原料开采、材料生产能耗、使用至报废处理全过程。通过系统梳理识别并规避环境负荷。LCA可在项目各阶段识别环境绩效改进机会。目标是建立产品全生命周期完整环境档案，以环境指标直观呈现结果。

生命周期概念研究始于1960年代末至1970年代初，美国在公共采购领域开展产品/功能生命周期研究。1959年Novick为兰德公司撰写的武器系统全生命周期成本分析报告首次以"生命周期"命名。当时用于包含采购、使用、报废运营的武器系统成本分析，也作为政府预算管理工具。

1972年，Ian Boustead计算了玻璃、塑料、钢铁、铝等饮料容器生产总能耗，其方法论适用于多种材料。公众关注度提升，该时期开展多项生命周期研究。1992年，环境毒理学与化学学会（SETAC）举办LCA研讨会，聚焦生命周期影响评价与数据质量。

1993年发布《生命周期评价：实践守则》（即"LCA圣经"）。1990年代，荷兰LCA指南、北欧指南、联合国环境规划署《生命周期评价：是什么与怎么做》、欧洲环境署《生命周期评价：方法、经验与信息源指南》相继问世。LCA中产品定义为产品或服务，亦称"生命周期法"、"从摇篮到坟墓分析"或"生命周期分析"。完整研究覆盖原料（摇篮）、使用阶段至报废（坟墓）。

1993年11月，ISO/TC 207/SC 5在巴黎启动LCA标准化，基于SETAC实践守则。现ISO已发布14040系列标准与技术报告，规定LCA方法与严谨性，要求独立第三方关键评审。

ISO 14000系列含环境管理体系标准ISO 14001。ISO 14040系列包括：ISO 14040《原则与框架》、ISO 14041《目标范围定义与清单分析》、ISO 14042《生命周期影响评价》、ISO 14043《生命周期解释》、ISO 14044《要求与指南》、ISO 14047《ISO 14042应用实例》、ISO 14048《数据文档格式》、ISO 14049《ISO 14041应用实例》。按标准，LCA用于产品开发改进、战略规划、公共政策制定、营销等。

LCA定义与核心特征

LCA是评估产品全生命周期各阶段环境方面的工具。ISO 14040定义LCA为"对产品系统全生命周期的输入、输出及潜在环境影响进行汇编与评价"。产品生命周期含原料获取、材料生产制造、使用、最终处置含回收选项，及各阶段运输。

LCA含生产运输、产品服务运营全阶段。比较性LCA研究不仅比较产品本身，还纳入产品功能。LCA采用整体法，将环境影响置于一致框架，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。基于"生命周期清单（LCI）数据库"的环境影响数据收集管理。LCA方法与LCI数据助力行业：

1. 向客户及其客户提供信息
2. 理解钢铁在不同应用产品系统环境绩效中的贡献
3. 支持技术评估（基准测试、环境改进计划确定与优先排序）
4. 开展影响评价降低自身工艺环境影响，与客户紧密合作掌握钢铁使用产品全生命周期总环境影响
5. 提升公众对钢铁应用全生命周期环境效益的认知，明确其改善环境绩效的有效场景

LCA在组织环境与温室气体报告、营销销售支持、法规合规与自愿倡议（如环境产品声明）中发挥关键作用。

全球已认识到产品设计与消费者行为影响产品总体环境绩效与效率。制造商更关注制造、利用、报废环节，这日益成为材料指定者的重要因素。LCA是"基于稳健方法论的整体法，通过产品全生命周期环境影响定量评估，将科学转化为洞见"。

在评估材料与消费品环境、社会、经济绩效（含气候变化与自然资源影响）的工具中，LCA提供覆盖制造、使用、报废（再利用、回收、处置）所有阶段潜在影响的综合方法，基于可靠方法论与透明报告，是辅助政策制定的重要工具。

通过LCA系统分析产品系统环境表现，是通过更多回收再利用"闭合产品生命周期回路"的第一步。

LCA量化评价从地球原料开采至报废废物处置的产品系统与活动相关环境负荷与影响。工业界、政府、环保组织越来越多地用于环境相关战略与材料选择决策支持。

生命周期清单（LCI）与钢铁行业数据

LCI是结构化、综合、国际标准化方法。量化产品全生命周期相关排放、资源消耗、环境健康影响与资源枯竭问题。LCI是LCA阶段之一。LCI数据量化功能系统（如生产1kg热轧卷）的物料、能源、排放，是完整LCA（含LCIA）跨更宽边界全生命周期的基础，也可用于单一议题如产品碳足迹。

各类LCI数据库提供钢铁全生命周期能耗与环境影响重要研究数据。钢铁是汽车、建筑、包装等广泛市场应用的主要组成材料。钢铁行业早期即认识到开发可靠方法收集全球LCI数据以支持市场与客户的必要性。世界钢铁协会LCI数据量化钢铁生产"从摇篮到大门"的投入（资源利用、能源）与产出（环境排放），涵盖：资源开采与再生材料利用、钢铁产品至厂门、报废回收利用。

ULCOS（超低二氧化碳炼钢）联盟由欧洲炼钢企业、能源工程合作伙伴、研究机构、大学组成，致力开发降低炼钢CO₂排放技术，将LCA作为主要环境评价工具。已研究80余项降碳技术，入围部分正通过生命周期范式评估环境特性。具体将集成长流程炼钢LCI与流程模拟软件结合，建模涉及新技术、还原剂、碳捕获封存的潜在可持续工艺CO₂排放。

LCA驱动因素与应用拓展

LCA驱动因素获"国家自愿指南原则"支持，因其：提供全生命周期可持续产品服务；确保从设计到处置全生命周期资源最优利用；连接设计师、生产商、价值链成员、客户、回收商促进可持续消费。LCA助力"企业责任报告"：报告融入社会环境关切/风险/机遇的产品服务设计；详述采购/生产/分销/消费者使用阶段单位产品资源（能源、水、原材料等）消耗削减情况。

典型LCA研究从目标范围定义开始，经清单分析、影响评价，以解释结束。LCA是计算（数学）过程，实践者可能需回溯目标范围定义等阶段。阶段关系见图4（采自ISO 14040的LCA框架）。

图4 生命周期评价框架

LCA四阶段详解

产品系统建模

产品生命周期建模为执行一个或多个定义功能的产品系统。产品系统以功能定义，细分为通过流连接的单元过程集合。单元过程含产品系统输入输出，活动产生输出供其他过程。产品系统亦可通过产品流链接其他系统。

目标与范围定义

LCA研究目标含：预期应用与受众、研究理由、结果是否用于比较断言及公开披露。范围含：产品系统定义、功能与功能单元、系统边界、分配程序、影响类别、数据要求、假设、局限、初始数据质量要求、关键评审类型、报告类型格式。范围需在广度、深度、细节上满足研究需要。系统边界依目标范围定义确定纳入的单元过程。

功能单元主要目的是提供可度量参考系。为确保LCA结果可比，需确定参考流量，即履行功能所需产品量。例如研究涂漆表面，以"1升油漆"为功能单元比较两种油漆不合理，因性能不同。宜定"特定涂层度与10年使用寿命的1平方米涂漆表面"为功能单元。

清单分析

清单分析涉及产品系统相关输入输出数据收集计算。属计算过程。数据收集深入中可能出现新数据需求或局限，有时需修订目标范围。数据类型包括原材料、能源输入、大气水体排放、产出等。处理多产品与回收系统时需考虑分配程序，可按程序将输入输出分配给不同产品。此阶段最耗时耗资。

生命周期影响评价（LCIA）

LCIA是基于功能单元的相对法，需精心规划落实目标范围。旨在依据清单分析结果评价产品服务全生命周期潜在环境影响。含强制与可选两要素。强制：影响类别、类别指标、特征模型选择；分类与特征化。可选：标准化、分组、加权、数据质量分析。

两大影响评价主流方法：问题导向法（中间点）与损害导向法（终点）。中间点涉及气候变化、酸化、富营养化、光化学臭氧生成潜力、人类毒性。终点将流分类为人类健康、资源等环境损害组别。表1列出常用影响类别及定义。

表1 LCA常用影响类别
影响类别	定义
全球变暖	地球平均温度升高
矿物与化石燃料枯竭	不可再生能源或物质资源消耗
光化学氧化（烟雾）	挥发性有机物、氮氧化物等物质排入大气
人类毒性	人类暴露于环境中毒性物质浓度升高
臭氧层消耗	平流层臭氧分解加剧
富营养化	水体与陆地化学营养物浓度增加
水资源消耗	水消耗
土地利用	土地为各种用途被改变
酸化	酸性物质排入大气与水体
生态毒性	有机物与化学品排入大气、水体、土地

注：LCA——生命周期评价，VOCs——挥发性有机化合物

生命周期解释

生命周期解释是LCA最终阶段，总结讨论研究结果。综合评价清单分析与影响评价结果。揭示符合既定目标范围的结论并提出建议。

LCA的优势与应用前景

在环境绩效评价工具中，LCA通过考虑制造、使用、报废所有阶段潜在影响，提供整体评价方法，即"从摇篮到坟墓"法。LCA作为成熟环境评价工具，实施简便、成本效益高，为材料决策与产品设计提供可负担、有益的解决方案。

LCA应用日益广泛，因其核算产品制造工艺环境影响、原料提取、消费者使用维护、报废（再利用、回收、处置）及链条各环节运输方式。现有越来越多国家/区域数据库覆盖主要工业部门。许多制造企业设LCA部门，LCA软件包增多，高校也开设相关课程。

欧洲环境产品声明（EPD）是遵循生命周期分析量化产品系统环境影响的标准化方式。对钢铁企业而言，展示生命周期方法（政府政策层面）具有战略意义，使钢铁长寿命、再利用、多次循环特性获充分认可与度量。

LCA数据亦可用于：生态设计/可回收设计应用、特定产品基准测试、采购供应链决策、纳入"I型生态标签"标准、纳入基于生命周期的"III型环境产品声明"、特定指标分析（如碳足迹或一次能源消耗）。

生命周期思维的优势

生命周期思维的重要优势：LCA可评估产品全寿命——生产、使用、报废处置。环境影响贯穿整个供应链：生产现场、原料开采运输、供能电厂。捕获直接与间接影响可避免环境负荷在生命周期阶段间转移。仅管控产品生命周期单一阶段（使用）的环境法规可能导致意外后果（如CO₂排放增加）。正确建模钢铁产品报废阶段回收潜力，对行业与其他材料竞争、展示钢铁方案满足"最佳实践"可持续用途需求至关重要。