钢铁建材生产过程中的生态包袱系数研究

曾庆娜，定 花，陈伟亚

（武汉工程大学 环境与城市建设学院，湖北 武汉 430073）

1 引言

建筑业是我国国民经济建设中的重要产业之一，目前我国正处于工业化时期，建筑用钢材的需求量较大，建筑用钢作为我国钢材消费的最主要部分，其用量约占钢材总消费量的60%以上［1］。同时，钢铁工业的发展与资源、生态环境等问题密切相关，其原材料提取、制备、加工、使用、再生等过程消耗了大量的资源和能源，同时也排放出大量的废气、废水和工业固体废弃物，对生态环境造成了巨大的、直接及间接的破坏。

随着建筑业的发展，钢铁工业随之进一步发展。然而，不可再生资源和能源的消耗，废气、粉尘的大量排放对生态环境造成的破坏已经严重影响整个行业的可持续发展。因此，从输入端控制环境污染，追踪整个生产过程的物质投入，全面量化钢铁产品对自然资源的消耗和对生态环境的冲击，对整个行业的可持续发展具有重要意义。

2 生态包袱的概念及计算方法

2.1 生态包袱

生态包袱（Ecological Rucksack）概念最早是由德国人魏兹舍克提出的，指人类为获得有用物质及产品而动用的没有直接进入交易和生产过程的物料，在物质流账户中被又称为隐藏流、非使用物质开采或非直接流。例如为了生产钢铁，直接投入了铁矿石，而为了开采铁矿石有可能开挖巷道以及剥离表土，因此造成的消耗并未直接进入生产过程，称为隐藏流，也称为生态包袱［2］。例如德国1996年建筑材料共消耗632万t钢材，而生产每t钢材需要4.08t的隐性投入。生态包袱是经济系统物质代谢的重要组成部分，形象地表达出人类为获得有用物质而造成的附加的生态压力。生态包袱是物质流分析账户中的重要分析指标，越来越多的被用于研究某一产品的资源动用情况，以及对生态环境产生的冲击等问题。

2.2 生态包袱系数

生态包袱系数是物质投入总重量与产品自身重量的比值，反映生产单位产品的物质投入总重量，能够直观的反映出产品生产过程中对投入物质的消耗水平，生态包袱系数越小，说明投入物质的消耗越小，反之，则说明对投入物质的消耗量越大。进而说明对生态环境施加的压力也越大，对生态环境的影响越大。生态包袱及系数的研究对于分析如何提出改进生产工艺和方法以降低对生态环境的影响具有重要的实际意义。

2.3 生态包袱及系数的计算

生态包袱从输入端揭示了产品的生产过程中资源消耗水平，进一步量化了对生态环境的影响程度。计算产品的生态包袱时需要考虑涉及到的所有物质，包括直接使用和间接动用的物质，并且所有物质都以质量计量。某一产品的生态包袱等于直接和间接投入到该产品的物质的总质量与该产品自身质量之差，生态包袱系数则是物质投入总质量与产品自身质量的比值。一件产品含有的和生产中直接消耗的各种物质的质量乘以各自的生态包袱系数再求和就是该产品的物质投入总质量，再减去产品自身的质量就是该产品的生态包袱，公式为：

R为生态包袱；ri为第i种物质的生态包袱系数；wi为第i种物质的消耗量；W 为产品产量。该产品的生态包袱系数为：

r为生态包袱系数；ri为第i种投入物质的生态包袱系数；wi为第i种物质的消耗量；W为产品产量。

对某一产品的生态包袱计算关键是找出所有投入，即能量消耗（如电力）也作为“物质”投入；需追踪“投入的投入”及其生态包袱，如电力投入引起的煤炭投入和煤炭的生态包袱、钢铁投入引起的铁矿石投入和铁矿石的生态包袱等，需不断追踪某工序之前一工序的所有投入。有了生态包袱系数就是不需要再重复对每一道工序的计算。

3 钢材生产过程中的生态包袱计算与分析

我国钢材生产主要以普通钢为主，本研究以20号普通碳素钢为主要研究对象，研究系统为转炉20号钢从矿石到钢材的生命过程。研究中只考虑系统边界内各生产工艺及运输产生的资源、能源消耗对生态环境造成的冲击，不考虑与之相关的基础设施建设、固定资产采购和工人生活等造成的环境影响。系统研究边界见图1［3］。

图1 钢材生产过程中生态包袱研究系统边界

研究过程中主要考虑系统边界内消耗量较大的原材料，对于用量较小的原材料，因数据缺乏，造成的环境影响可能较低，在此不予考虑。钢材生产过程中主要物质投入强度账户见表1、表2。

表1 生产1t型材、线材和板材主要原材料投入强度账户 kg／t

由于国内对生态包袱系数的研究相对不完整，因此，研究过程中，一些物质的生态包袱系数借鉴并参考国外研究数据，如表3所示。对于目前尚未开展过生态包袱系数的研究的物质，采用近似处的方法，将该物质的消耗量近似看作投入量。

表3 钢材生产过程中消耗资源的生态包袱系数

表2 生产1t钢材产品的能源投入强度账户 单位：kg／t

计算过程中，天然气、柴油、汽油、焦炉气、高炉气、重油的低热值分别按 34.91MJ／m3、42.6MJ／kg、46MJ／kg、2000kg／m3、3500kJ／m3、2.8MJ／kg计。焦炉气、高炉气及其它能源投入均折合成标准煤进行计算。钢材生产过程中物质投入总量见表4。

表4 钢材生产过程中物质投入总量

经计算，我国大型钢材、中小型材、线材、热轧带钢、冷扎带钢的生态包袱系数为11.81、9.76、9.67、10.21、13.49。由图2可知，建筑用钢材生产过程中，铁矿石、煤及电力消耗量较大，由于大量开采铁矿石、煤炭及电力生产给生态环境造成了巨大的扰动，由此可见，倡导循环经济，优化生产工艺，推进清洁生产，有效节约能源，提高废弃资源有效利用率能够有效减少物质投入，降低产品生态包袱，减少环境影响。

图2 钢材生产过程中物质投入总量柱状分析

4 结语

我国人口众多，人均资源拥有量少，生态环境具有多样性但整体上比较脆弱，随着城镇化进程的加快，建筑钢材的用量必然进一步增加，给生态环境带来的压力也将越来越沉重，因此，有效减少进入社会经济系统的物质流动才能有效地减小对环境的冲击。我们必须不断减少单位产出的资源消耗，推进物质减量化及资源的循环利用，以最大限度地减少生态压力及环境污染。

［1］环球咨询公司.2010年中国建筑用钢产品调研报告［R］.北京：环球咨询公司，2010.

［2］陶在朴.生态包袱与生态足迹［M］.北京：经济科学出版社，2003.

［3］龚志起.建筑材料生命周期中的物化环境状况的定量评价研究［D］.北京：清华大学，2004.

［4］王 青，丁 一，顾晓薇，等.中国铁矿资源开发中的生态包袱［J］.资源科学，2005，27（1）：2～7.

［5］瞿泓莹.中国金矿资源开发中的生态包袱［D］.北京：中国地质大学，2007.

［6］杜 涛，蔡九菊.典型钢铁生产流程的环境负荷分析［J］.中国冶金，2006，16（12）：38～41.

［7］杨建新，刘炳江.中国钢材生命周期清单分析［J］.环境科学学报，2002，22（4）：519～522.

［8］蔡九菊，杜 涛.钢铁企业投入产出模型及t钢能耗和环境负荷分析［J］.黄金学报，2001，3（4）：305～312.