通过深施氮肥来减少氮肥用量，以优化旱地玉米种植系统中的氮素平衡

《Journal of Cleaner Production》：Reducing nitrogen application through deep placement to optimize the nitrogen balance in a dryland maize cropping system

中国钢铁行业面临高能耗、高污染问题，本研究采用生命周期评价法对比BF-BOF长流程与EAF短流程炼钢工艺的环境影响和经济效益。结果表明，EAF短流程可降低78%环境负荷、88%能耗、75%碳排放及6%运维成本，证实其显著的环境与经济优势。建议通过整合清洁能源及优化工艺推动钢铁业低碳转型。

　　中国钢铁行业是推动国家基础设施和制造业发展的关键力量。在2023年，中国的粗钢产量达到了10.191亿吨，位居全球第一，且是第二名的7.2倍，占全球总粗钢产量的53%。同时，中国钢铁行业的总能耗为1.65×101?吉焦，约占全国总能耗的15%。然而，这一能源密集型行业通常伴随着高污染水平，尤其是二氧化碳（CO?）排放。此外，钢铁生产还释放出如二噁英和多环芳烃等致癌物质。因此，钢铁生产过程中的高能耗和显著的环境足迹，给行业的可持续发展带来了严峻挑战。随着环境法规日益严格和全球对减少碳排放的关注加剧，对可持续生产方法的需求变得愈发迫切。

钢铁冶炼方法可分为长流程和短流程。长流程主要依赖高炉（BF）和转炉（BOF）技术，使用铁矿石作为主要原料。而短流程则以电弧炉（EAF）技术为主，主要利用废钢作为原材料。目前，中国的钢铁冶炼仍以长流程为主导，其中约85.47%的产量来自BF-BOF长流程冶炼工艺。然而，短流程被认为更加环保，因为它消耗的能源较少，产生的排放也较低。随着设备技术的进步，大型电弧炉在全球范围内得到广泛应用，占据了全球钢铁产量的28.6%。与全球绿色钢铁转型的领先者相比，中国在采用基于电弧炉的冶炼工艺方面仍显不足，仅占粗钢产量的不到10%。而美国、欧盟和日本则分别达到了约68%、42%和25%的水平，这些国家的成功经验得益于全面的政策支持，如碳定价、电力市场改革和废钢回收体系。

然而，这些国际经验并不完全适用于中国。例如，美国受益于低成本的电力和完善的废钢供应链，而欧盟的进展则主要依靠强有力的监管压力和成熟的碳交易体系。日本则采取了一种更为渐进的方式，专注于技术创新。相比之下，中国的电弧炉发展受到废钢资源有限、电网碳强度较高以及长期建立的高炉-转炉基础设施结构惯性等因素的制约。这些差异凸显了在中国制定针对性政策的重要性。鉴于中国在碳达峰、产业结构调整和可持续制造方面的政策重点，有必要对长流程和短流程在环境影响和运营维护（O&M）成本方面的优势进行全面评估。

目前，生命周期评价（LCA）已成为分析钢铁行业环境影响的主流方法。通过构建能源消耗、材料消耗和废弃物排放的定量清单，LCA能够分析和可视化评估特定过程的正负环境影响。LCA可以提供多维度的环境影响指标，包括气候变化、资源枯竭、土地酸化、人体毒性、臭氧层破坏等，从而避免单一指标的局限性。多项国际研究已成功将LCA应用于钢铁冶炼过程。例如，Burchart-Korol（2013）通过开展波兰综合钢铁生产与电弧炉路线的LCA，识别了环境影响的主要来源，并提出了污染预防方法。Olmez等人（2016）对比了土耳其钢铁生产的各个阶段，发现炼钢和烧结过程的环境负担最大。近年来，Yang等人（2023）将LCA与技术经济分析相结合，探讨了将太阳能整合到电弧炉炼钢中的可能性，强调了清洁生产的潜力。然而，这些研究要么聚焦于单一技术，缺乏全面的成本评估，要么是在非中国背景下进行的。截至目前，很少有研究在符合中国国情的背景下，对BF-BOF长流程与EAF短流程进行全面的LCA对比，涵盖所有冶炼步骤。更少的研究则在同一综合框架下考虑了环境和成本因素。此外，针对冶炼路线策略和原材料/能源替代的基于情景的分析也较为缺乏。

本研究旨在填补这些空白，具体包括：（a）对不同冶炼路线的钢铁生产全过程进行比较LCA；（b）开展涵盖环境影响、能源消耗、温室气体排放和运营维护成本的多标准评估；（c）评估与最新国家减碳政策相一致的可行优化策略。这些分析所获得的见解，为中国的钢铁企业提供科学依据。因此，钢铁行业，特别是本研究中提到的钢铁厂，可以利用本研究的成果调整其生产流程，以实现环境和成本方面的双重提升。研究结果为支持中国向低碳钢铁生产转型提供了新的、具有政策相关性的视角。

本研究采用了生命周期评价（LCA）方法，这是一种广泛认可的科学方法，用于评估工业生产系统的环境和人体健康影响。LCA方法通过量化产品在其整个生命周期中的环境影响，为分析和比较不同生产过程提供了依据。LCA的实施遵循ISO国际标准（ISO, 2006a; ISO, 2006b），这些标准定义了LCA的四个主要阶段：目标和范围定义、数据清单分析、影响评估和解释。在目标和范围定义阶段，明确了研究的目的、范围以及所要评估的环境影响类别。数据清单分析阶段则收集和整理了所有相关数据，包括原材料、能源、废弃物排放等。影响评估阶段对收集的数据进行分析，以评估其对环境的影响程度。最后，解释阶段则对评估结果进行解读，为决策提供支持。

在影响特征化和损害评估分析中，基于IMPACT World + midpoint方法的结果如表2所示。最高和最低的结果以粗体形式强调，以突出其重要性。Midpoint指标代表了在无限时间跨度内的综合影响。在18个Midpoint指标中，案例1在17个指标中表现出最高的环境负担，仅在臭氧层破坏方面略逊一筹。而案例2则在15个指标中表现出最低的环境影响。这一结果表明，短流程冶炼方式在大多数环境影响指标上优于长流程。此外，案例2在能源消耗和运营维护成本方面也表现出明显的优势。这进一步验证了短流程冶炼在实现环境和经济双重效益方面的潜力。

为了全面评估不同冶炼路线的环境影响和经济成本，本研究构建了一个详细的分析框架。该框架涵盖了从原材料获取、冶炼过程、产品制造到最终废弃的整个生命周期。在原材料获取阶段，长流程依赖于铁矿石的开采和运输，而短流程则主要利用废钢。废钢的回收不仅减少了对新资源的需求，还降低了能源消耗和碳排放。在冶炼过程阶段，长流程涉及高炉的炼铁、转炉的炼钢以及连铸等步骤，而短流程则以电弧炉为核心，直接将废钢熔炼成钢水。此外，短流程还可以结合其他清洁能源，如太阳能、风能和生物质能，以进一步降低碳排放和能源消耗。在产品制造阶段，长流程和短流程在轧制、加工和运输等方面存在差异，这些差异对最终产品的环境影响和经济成本也有显著影响。在废弃阶段，不同冶炼路线的废弃物处理方式也有所不同，例如长流程产生的高炉渣和转炉渣，短流程则可能产生较少的固体废弃物，同时减少有害气体排放。

在能源消耗和温室气体排放方面，长流程和短流程的差异尤为显著。长流程由于依赖高炉和转炉技术，需要大量的煤炭和焦炭作为燃料，导致较高的能源消耗和碳排放。而短流程则以废钢为原料，减少了对化石燃料的依赖，从而降低了能源消耗和温室气体排放。此外，短流程在冶炼过程中产生的排放也相对较低，这使得其在环境友好性方面具有明显优势。在运营维护成本方面，长流程由于涉及复杂的设备和长时间的生产流程，其维护成本较高。而短流程由于设备相对简单，且生产周期较短，其运营维护成本较低。这一结果表明，短流程在实现环境和经济双重效益方面具有更大的潜力。

在对不同冶炼路线进行比较分析时，本研究采用了多种指标，包括环境影响、能源消耗、温室气体排放和运营维护成本。这些指标不仅反映了冶炼过程的环境足迹，还涵盖了经济成本。通过对这些指标的综合评估，可以更全面地了解不同冶炼路线的优劣。此外，本研究还评估了多种优化策略，以提高钢铁生产的环境和经济绩效。这些优化策略包括提高能源效率、优化原材料使用、加强废弃物管理以及引入清洁能源等。这些策略的实施不仅有助于减少环境影响，还能降低运营维护成本，提高钢铁生产的可持续性和经济性。

在政策层面，本研究强调了中国在推动钢铁行业向低碳转型方面的重要性。中国目前的政策重点包括碳达峰、产业结构调整和可持续制造，这些政策为钢铁行业的绿色转型提供了方向。然而，要实现这一目标，需要综合考虑环境和经济因素，制定科学合理的政策。此外，还需要针对不同地区和企业的情况，制定针对性的政策措施。例如，一些地区可能更适合推广短流程冶炼，而另一些地区则可能需要通过技术改造和政策引导，逐步向低碳生产转型。这种差异化的政策支持，有助于提高政策的实施效果，促进钢铁行业的可持续发展。

在国际经验的基础上，本研究提出了适合中国国情的冶炼路线优化策略。这些策略不仅借鉴了国际上的成功经验，还结合了中国的实际情况，如废钢资源的限制、电网碳强度较高以及长流程基础设施的惯性等。通过综合考虑这些因素，本研究提出了多种可行的优化方案，包括提高废钢回收率、引入清洁能源、优化冶炼工艺以及加强政策支持等。这些优化方案的实施，不仅有助于减少环境影响，还能提高钢铁生产的经济性，为中国的钢铁行业提供科学依据。

此外，本研究还强调了在钢铁行业转型过程中，需要加强跨部门合作和政策协调。例如，能源部门可以通过提供清洁能源支持，降低钢铁生产过程中的碳排放。环保部门可以通过制定严格的环境法规，推动钢铁企业采用更加环保的冶炼技术。工业部门则可以通过产业结构调整，减少对高能耗行业的依赖，促进绿色钢铁的发展。这种跨部门的协同合作，有助于形成合力，推动钢铁行业的可持续发展。

在技术层面，本研究还探讨了如何通过技术创新，提高钢铁生产的环境和经济绩效。例如，电弧炉技术的改进，可以提高能源利用效率，减少碳排放。同时，智能化和自动化技术的应用，可以降低运营维护成本，提高生产效率。此外，数字化技术的应用，可以帮助钢铁企业更好地管理生产过程，优化资源配置，提高环境和经济绩效。这些技术创新的实施，不仅有助于提高钢铁生产的可持续性，还能增强其在全球市场中的竞争力。

在市场层面，本研究还分析了市场需求对钢铁行业转型的影响。随着全球对绿色产品的关注度不断提高，市场需求正在推动钢铁企业向低碳生产转型。消费者和企业越来越倾向于选择环保和可持续的产品，这为绿色钢铁的发展提供了市场动力。同时，国际市场对低碳产品的认可，也为中国钢铁企业提供了出口机会。因此，钢铁企业需要积极应对市场需求的变化，通过技术创新和政策支持，提高产品的环境和经济性能，以增强市场竞争力。

在社会层面，本研究还探讨了社会因素对钢铁行业转型的影响。例如，公众对环境问题的关注，促使政府和企业采取更加环保的措施。同时，社会对可持续发展的支持，也为钢铁行业的绿色转型提供了动力。此外，钢铁行业的转型还需要考虑社会接受度和公众参与度，以确保政策的顺利实施。因此，钢铁企业需要加强与社会的沟通，提高公众对绿色钢铁的认知和支持，以推动行业的可持续发展。

综上所述，本研究通过对不同冶炼路线的环境影响和经济成本进行全面评估，揭示了短流程冶炼在实现环境和经济双重效益方面的潜力。研究结果表明，从长流程向短流程的转变，可以显著降低环境影响、能源消耗和运营维护成本。同时，通过结合过程优化和清洁能源的整合，可以进一步提升钢铁生产的环境可持续性和经济可行性。这些发现为中国的钢铁企业提供科学依据，支持其向低碳生产转型。此外，本研究还强调了在政策、技术、市场和社会层面，需要采取综合措施，以推动钢铁行业的可持续发展。