煅烧铁矿石生产的环境可持续性：生命周期评估与情景分析

《Mining》：Environmental Sustainability of Calcined Iron Ore Production: A Life Cycle Assessment and Scenario Analysis

　　

煅烧铁矿石生产具有战略重要性，然而由于其高碳足迹，该生产过程伴随着可观的环境负担。本研究采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估（LCA）方法，对煅烧铁矿石生产的环境影响进行了评价。评估采用ReCiPe 2016 Midpoint (H) V1.13方法、Ecoinvent 3.12数据库及SimaPro 10.5.0.3软件开展。此外，研究设计了四种替代情景，以探究减少环境影响的潜在策略。结果表明，煅烧阶段是大多数影响类别中的主导环境热点。煅烧阶段分别占全球变暖潜势（GWP）总量的98.8%、陆地酸化潜势（TAP）的99.1%以及细颗粒物形成潜势（FPMF）的99.3%。情景分析揭示，聚焦单一参数的技术干预无法同时减少所有环境影响，且在部分情形下引入了额外的环境权衡。情景4采用天然气替代回转窑燃料，在空气质量相关影响类别中实现了显著削减。然而，由于工艺过程相关排放的主导地位，全球变暖潜势的降幅仅为15.77%。情景2引入光伏（PV）电气化，降低了对化石能源的依赖，但导致与光伏组件供应链相关的生态毒性影响增加。基于上述发现，研究人员提出了一种将煅烧过程天然气利用与露天开采及破碎–筛分作业电气化相结合的混合策略，作为改善煅烧铁矿石生产环境绩效的可行路径。总体而言，所提出的混合系统可使每吨产品的排放减少145 kg CO2 eq（降幅19.5%），从而增强煅烧铁矿石生产长期的环境与经济绩效。

煅烧铁矿石生产的环境可持续性：生命周期评估与情景分析解读

一、研究背景与问题提出

铁因其成本低廉和机械强度高，被广泛应用于建筑、交通和汽车制造等众多行业，是全球钢铁生产的主要原材料。受全球工业化进程驱动，过去一个世纪铁的需求量显著增长，带动铁产量同步攀升。全球原矿铁矿石储量估计约2000亿吨，其中土耳其约占0.08%。土耳其粗钢年产量约3810万吨，位居全球第七、欧洲第一。钢铁生产的持续扩张使得生产链中固、液、气态排放不断增加，其环境影响日益受到关注。

煅烧是铁生产中的热处理工艺之一，在550–1150°C高温下处理菱铁矿等含碳酸盐矿物以去除碳酸盐组分。铁生产涵盖采矿、选矿和煅烧等多个阶段，需要消耗大量水、原料、燃料、电力和炸药，并产生工艺相关排放与废弃物，使钢铁工业成为工业环境影响的主要贡献者之一。

尽管国际文献中已有针对铜、锌、镍、铝等金属矿物及水泥、石膏、煤和钢等工业原料的LCA研究，但明确纳入采矿作业的铁生产LCA研究仍相对有限。已有研究或聚焦于生命周期评估，或集中于生产过程的特定阶段，然而在工业规模上综合考虑不同情景的煅烧铁矿石生产环境影响尚未得到全面评估。本研究正是针对这一研究空白，采用生命周期评估方法对工业规模煅烧铁矿石生产过程的环境影响进行定量评估，并为未来研究提供比较参考框架。

二、研究内容与主要结论

本研究以土耳其东部安纳托利亚地区一座工业规模煅烧厂2024年的生产与消耗数据为基础，以生产1吨煅烧铁矿石为功能单位，采用SimaPro 10.5.0.3软件和Ecoinvent 3.12数据库，应用ReCiPe 2016 Midpoint (H) V1.13方法进行生命周期影响评估。系统边界采用从摇篮到大门方法，涵盖三个主要阶段：露天开采、破碎筛分和煅烧。研究同时设计了四种替代情景以评估减少环境影响的潜在策略。

研究结果表明，煅烧阶段是几乎所有影响类别中的主导环境热点。煅烧占全球变暖潜势的98.8%，主要源于碳酸盐矿石分解产生的工艺排放；占陆地酸化潜势的99.1%和细颗粒物形成潜势的99.3%。相比之下，露天开采和破碎–筛分阶段在各影响类别中的贡献均较为有限。每吨煅烧铁矿石的全球变暖影响为742 kg CO₂ eq，其中煅烧阶段贡献733 kg CO₂ eq；煅烧阶段内部89.9%的全球变暖影响来自回转窑中碳酸盐矿石分解产生的工艺相关排放。陆地酸化影响为2.16 kg SO₂ eq，淡水富营养化影响为0.12 kg P eq，海洋富营养化影响为0.0074 kg N eq。矿物资源稀缺影响为27.7 kg Cu eq，其中99.7%来自露天开采阶段的铁矿石开采。化石资源稀缺影响为45.8 kg oil eq，93.9%归因于煅烧阶段。水消耗为0.491 m³，其中80.4%来自煅烧阶段。

情景分析显示，单一参数的技术干预无法同时降低所有环境影响，甚至可能引入新的环境权衡。情景4采用天然气替代褐煤作为煅烧回转窑燃料，空气质量相关影响类别获得显著改善：陆地酸化降低91.57%至0.182 kg SO₂ eq，细颗粒物形成降低75.90%至0.221 kg PM2.5 eq，全球变暖影响降至625 kg CO₂ eq（降幅15.77%），人类致癌毒性降低53.35%。情景2采用光伏电气化替代柴油设备和电网电力，水消耗降至0.381 m³（各情景最低），细颗粒物形成降低20.94%，但光伏组件和锂离子电池供应链导致陆地生态毒性增至129 kg 1,4-DCB（增幅77.94%），成为该情景的主要环境权衡。情景1以绿色石油焦替代褐煤，人类致癌和非致癌毒性分别降低65.57%和72.85%，化石资源稀缺降低60.7%，但高硫含量使陆地酸化增至2.89 kg SO₂ eq（增幅33.8%）和细颗粒物形成增至1.16 kg PM2.5 eq（增幅26.5%）。情景3以20%生物柴油替代采矿设备柴油，环境影响与基线系统基本相当，改善潜力有限。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：生命周期评估（LCA）方法，依据ISO 14040和ISO 14044标准执行四个阶段；ReCiPe 2016 Midpoint (H) V1.13影响评估方法，涵盖中点导向的各影响类别；Ecoinvent 3.12数据库用于背景数据，土耳其特定数据集不可用时依次采用"世界其他地区（ROW）|Cut-off, U"和"全球（GLO）|Cut-off, U"数据集；采用IPCC（2006）Tier 3化学计量质量平衡方法估算CO₂和SO₂排放；采用美国环保署（EPA）AP-42排放因子估算NO_x、PM10及移动源排放；蒙特卡洛模拟（1000次迭代，95%置信区间）用于不确定性分析；敏感性分析通过将清单参数降低5%重新计算环境影响。

四、研究结果

生命周期影响评估（LCIA）结果：煅烧阶段在大多数影响类别中占主导地位，其中全球变暖占98.8%、陆地酸化占99.1%、细颗粒物形成占99.3%、淡水富营养化占99.6%、海洋富营养化占98.7%。煅烧阶段的间接影响主要来自进口煤供应链（占全球变暖4.72%）和电网电力（占3.13%）。露天开采阶段对矿物资源稀缺贡献99.7%，破碎–筛分阶段整体贡献可忽略。化石燃料消耗及其供应链被确定为决定煅烧铁矿石生产环境绩效的最关键因素。

敏感性分析结果：水和电网电力消耗降低5%使水消耗类别改善4.49%；电力消耗降低5%使毒性和富营养化类别改善超过2.0%；煤和柴油输入降低5%使细颗粒物形成改善1.88%、平流层臭氧消耗改善2.61%、全球变暖仅改善0.31%。全球变暖类别改善有限表明气候影响主要由碳酸盐矿石而非燃料输入驱动。

情景分析结果：情景1（石油焦）在毒性和资源稀缺方面具有优势，但增加酸化和颗粒物形成负担；情景2（光伏电气化）在水消耗和颗粒物形成方面表现最佳，但增加生态毒性影响；情景3（生物柴油）环境影响与基线基本一致，改善潜力有限；情景4（天然气）在空气排放和气候变化方面提供实质性改善。情景2与情景4的混合实施预计提供最大环境效益。

五、讨论与结论

混合生产系统结合天然气煅烧与光伏电气化，在空气质量、人类健康、生态毒性和酸化类别中实现60–96%的影响削减，全球变暖潜势降低19.5%（每吨产品减少145 kg CO₂ eq）。光伏及设备供应链导致的陆地生态毒性增加是该系统唯一显著的环境权衡。全球变暖降幅相对有限反映了矿石分解工艺排放的主导贡献，表明以燃料为核心的方案对系统全球变暖影响的削减潜力受限。排除碳捕集、利用与封存（CCUS）技术后，该混合系统被认为是最大限度减少煅烧铁矿石生产环境影响的有效途径。从经济角度看，天然气替代煤系统及灰渣处置基础设施通常只需对工业炉进行相对较小的改造。尽管天然气与光伏电气化转型可能增加资本支出（CAPEX），但电力设备更高的热效率、光伏平准化度电成本（LCOE）下降以及煤灰处理和烟气管理费用的减少可部分抵消这些成本。随着碳边境调节机制（CBAM）和各国碳排放交易体系实施，碳成本预计将直接影响最终产品价格。混合系统每吨产品145 kg CO₂ eq（19.5%）的碳减排可降低工厂的碳成本敞口，从而降低长期单位生产成本并增强竞争力。

研究结论指出，煅烧铁矿石生产的环境负担高度集中于煅烧阶段，而露天开采是矿物资源稀缺的主导阶段。情景分析表明基于单一参数的改进不一定消除总体环境负担，而可能在不同类别间转移影响。基于研究结果，将天然气用于煅烧与光伏供电相结合的混合方法被认为是降低总体环境负担最均衡的方案。热交换器和热风发生器（HGG）单元的集成可提高能源效率，在回转窑系统中实现约10–15%的燃料节省。然而，要实现进一步长期环境改善，钙循环（CaL）、胺吸收、富氧燃烧和矿物碳化等碳捕集技术的集成可进一步减少工艺相关CO₂排放，这是总体气候影响的主导来源。