长流程与短流程钢铁生产中三相污染物处理与相应温室气体排放的协同与权衡

《Journal of Environmental Sciences》：Synergy and trade-off between three-phase pollutant treatment and corresponding greenhouse gas emissions in long-process and short-process steelmaking

　　

• •
  评估了三相污染物排放及处理引起的温室气体排放。
• •
  构建了一个包含 158760 条污染物处理技术路线的数据集。
• •
  污染物处理与温室气体排放之间存在权衡关系。
• •
  固体废物在污染物与温室气体协同减排中至关重要。
• •
  与短流程相比，长流程具有更大的协同潜力。

引言

钢铁工业是全球经济的基本支柱，但它仍然是环境污染物和温室气体 (GHG) 排放的主要贡献者之一 (Lei et al., 2023; Tian et al., 2018; Xu et al., 2023)。随着全球碳中和进程的加速，钢铁工业面临着污染物处理和脱碳的双重挑战 (Dong et al., 2020; Liang et al., 2011; Xiong et al., 2020)。环境管理中的一个关键挑战是污染物 - 碳 nexus。虽然处理技术能有效处理空气污染物和废水，但处理技术不可避免地消耗能源和化学品，从而导致温室气体排放 (Dong et al., 2021)。例如，湿法石灰石烟气脱硫和零液体排放显著增加了温室气体排放 (Feng et al., 2011; Shi et al., 2017)。这造成了污染物处理与温室气体排放之间的权衡（处理污染物期间温室气体排放增加）。因此，迫切需要确定能够协调污染物减少与温室气体减排以实现协同控制的途径。固体废物资源化利用代表了实现这一协同效应的富有前景的途径（处理污染物期间温室气体排放减少） (Di et al., 2025; He et al., 2025; Pan et al., 2020; Sun et al., 2022)。粗钢生产产生了大量固体废物，具体为高炉水渣和钢渣。虽然固体废物带来了重大管理挑战，但它也通过资源化利用具有抵消温室气体排放的巨大潜力 (Sun et al., 2022; Wang, H. et al., 2016)。

然而，以前的生命周期评估和污染 - 碳 nexus 侧重于单相污染物，未能充分探索三相污染物处理与相应全生命周期温室气体排放之间的关系。此外，不同污染物处理技术的温室气体排放存在显著差异。另外，从长流程到短流程炼钢的转型已被广泛认为是实现源头污染物减排的关键驱动力，长流程炼钢在全球范围内仍占主导地位。因此，有必要建立一个能够整合不同炼钢途径并涵盖三相污染物相应全生命周期排放的各种处理技术的系统框架。

本研究首先评估了长流程和短流程炼钢中各种处理技术产生的三相污染物排放和温室气体排放特征。随后，通过构建涵盖八类污染物的综合数据库，研究对污染物处理与相应全生命周期温室气体排放相关的权衡和协同进行了定量分析。研究结果为钢铁工业的污染物管理提供了关键见解，强调优化固体废物管理以抵消空气污染物和废水处理产生的温室气体排放。

章节片段

温室气体排放计算

长流程或短流程炼钢生产 1 吨粗钢过程中，空气污染物处理产生的温室气体排放使用公式 (1) 计算：$$\text{GH}{\mathrm{G}}_{i,j,k}=A_i\times \text{PE}{\mathrm{F}}_{i,j}\times R_{j,k}\times \text{GE}{\mathrm{F}}_{j,k}$$

长流程或短流程炼钢生产 1 吨粗钢过程中，废水和固体废物处理产生的温室气体排放使用公式 (2) 计算：$$\text{GH}{\mathrm{G}}_{i,j,k}=A_i\times \text{PE}{\mathrm{F}}_{i,j}\times \text{GE}{\mathrm{F}}_{j,k}$$其中 i, j 和 k 分别代表生产过程、污染物和处理

粗钢生产过程中的三相污染物排放特征

粗钢生产涉及三相污染物排放。本节系统地分析了粗钢生产过程中每吨产品空气污染物、废水和固体废物的排放特征。不同工艺间的污染物排放总量差异显著（图 1）。

在长流程炼钢中，原料准备包括烧结、球团和焦化。烧结和球团化对于铁矿造块至关重要

结论

本研究提供了长流程和短流程炼钢中三相污染物处理与温室气体排放之间协同和权衡的全面比较分析。空气污染物和废水处理本质上增加了温室气体排放。特别是，焦化废水的零液体排放处理使温室气体排放因子高达 26.09 kg CO₂e/m³。这强调了节水政策必须考虑温室气体排放风险。为了使污染物处理从

CRediT 作者贡献声明

Pengyuan Wei: 写作 – 原稿撰写，可视化，方法论，形式分析，数据整理，概念化。 Shaoze Xiao: 可视化，形式分析，数据整理。 Enze Wang: 写作 – 审查与编辑，形式分析。 Huaqiang Chu: 写作 – 审查与编辑，方法论。 Xuefei Zhou: 监督，资金获取。 Yalei Zhang: 写作 – 审查与编辑，监督，资金获取。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到了 国家重点研发计划 (No. 2024YFD1600202)，国家自然科学基金 (No. 52270076) 和 中国宝武低碳冶金创新基金 (No. BWLCF202105) 的支持。

Pengyuan Wei|Shaoze Xiao|Enze Wang|Huaqiang Chu|Xuefei Zhou|Yalei Zhang