高　峰，陽(yáng)丹品，聶祚仁，龔先政

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

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基于MFA/LCA的典型有色金屬生產(chǎn)環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)與優(yōu)化

高峰，陽(yáng)丹品，聶祚仁，龔先政

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

摘要：有色金屬生產(chǎn)、消費(fèi)和循環(huán)利用是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，與其相關(guān)的資源消耗及其產(chǎn)生的環(huán)境影響很難預(yù)測(cè)。近年來(lái)，物質(zhì)流分析和生命周期評(píng)價(jià)方法在有色金屬行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域發(fā)展迅速。它們作為定量化的決策分析工具，不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)技術(shù)升級(jí)改造提供可行的建議和措施，還能為行業(yè)宏觀節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度提供評(píng)判依據(jù)。闡述了物質(zhì)流分析和面向流程的生命周期評(píng)價(jià)方法的主要觀點(diǎn)、理論基礎(chǔ)、研究思路和框架，以鋁、鎂、銅、鉛、鋅等為例，對(duì)上述方法在典型有色金屬生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和分析，并對(duì)其在有色金屬工業(yè)節(jié)能減排中的進(jìn)一步研究予以討論和展望。

關(guān)鍵詞：有色金屬；環(huán)境負(fù)荷；節(jié)能減排；物質(zhì)流分析；生命周期評(píng)價(jià)

1前言

有色金屬是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)原材料，由于其產(chǎn)品種類(lèi)多、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至國(guó)防工業(yè)建設(shè)等方面發(fā)揮著重要的作用。2000～2014年我國(guó)10種常用有色金屬產(chǎn)量增長(zhǎng)了4.6倍，年均遞增13.3%，產(chǎn)量連續(xù)12年位居世界第一。其中，鋁、銅、鉛、鋅的產(chǎn)量占10種常用有色金屬總產(chǎn)量的95%以上；其他有色金屬產(chǎn)量也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖1)。從能耗方面來(lái)看，2000～2014年我國(guó)有色金屬行業(yè)主要產(chǎn)品的單位能耗大幅下降(表1)，一些主要指標(biāo)如鋁錠綜合交流電耗已接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平。但由于產(chǎn)量的過(guò)快增長(zhǎng)導(dǎo)致能耗總量居高不下。2012年有色金屬行業(yè)總能耗約16 020萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤(按發(fā)電煤耗值計(jì)算)，占全國(guó)能耗總量的4.4%。其中，電力消耗為3 909億千瓦時(shí)，占全國(guó)電力消費(fèi)量的7.9%，其中，電解鋁生產(chǎn)電力消耗占有色金屬行業(yè)電力消耗的71.6%，占全國(guó)電力消耗的5.6%。

圖1　2000～2014年10種常用有色金屬產(chǎn)量Fig.1　The outputs of ten kinds of non-ferrous metals from 2000 to 2014

IndicatorUnit200020052010201120122013Overallenergyconsumptionofcoppersmelting&refiningkgce/t1277.2733.1398.8407.1424.3316.4Specificoverallenergyconsumptionofaluminakgce/t1212.4998.2590.6573.7542.8527.8A.C.OverallconsumptionofaluminumingotskWh/t154801457513964139021382713740Specificoverallenergyconsumptionofaluminumingotskgce/t1986.01870.01791.61783.61774.01762.8Overallenergyconsumptionofleadsmeltingkgce/t721.0654.6421.1433.8467.7469.3Overallenergyconsumptionofelectrolyticzinckgce/t2306.91953.1999.1945.7901.9909.3Overallenergyconsumptionofmagnesiumsmeltingkgce/t12184.49165.95453.65159.84959.84859.8Overallenergyconsumptionofnicklesmeltingkgce/t5581.74056.13594.83527.63274.2—Overallenergyconsumptionofcopperprocessingkgce/t1106.8719.9243.6254.3222.7—Overallenergyconsumptionofaluminumprocessingkgce/t1139.5746.2390.8372.5342.8—

根據(jù)2013年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《關(guān)于有色金屬工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見(jiàn)》，有色金屬行業(yè)為實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)，提出了以重有色金屬冶煉生產(chǎn)過(guò)程控制為重點(diǎn)，針對(duì)鉛、鎘、砷、汞等重金屬污染物生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，組織實(shí)施了清潔生產(chǎn)技術(shù)改造，推廣了一批先進(jìn)適用的節(jié)能減排技術(shù)，從源頭消減了有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生量，降低了末端治理的難度和壓力。然而，礦產(chǎn)資源開(kāi)采和冶煉生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)期累積的污染問(wèn)題仍比較突出，有色金屬行業(yè)面臨的節(jié)能減排任務(wù)仍十分艱巨。從國(guó)內(nèi)發(fā)展環(huán)境看，我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)及國(guó)防科技工業(yè)的發(fā)展，為有色金屬工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了更大的空間；同時(shí)，能源、資源和生態(tài)環(huán)境的制約因素也將日趨強(qiáng)化。有色金屬行業(yè)過(guò)去十多年依靠資源密集、產(chǎn)量增長(zhǎng)、勞動(dòng)力成本和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)低等作為支撐的發(fā)展模式已經(jīng)難以維持，迫切需要加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，加速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。從國(guó)際環(huán)境看，金融危機(jī)之后的世界經(jīng)濟(jì)緩慢曲折復(fù)蘇，圍繞資源、市場(chǎng)、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等方面的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。應(yīng)對(duì)全球氣候變化，減少二氧化碳等溫室氣體排放的新形勢(shì)，使有色金屬工業(yè)發(fā)展的外部環(huán)境更趨復(fù)雜。

有色金屬冶煉環(huán)節(jié)約占產(chǎn)業(yè)能源消耗總量的70%左右，因此生產(chǎn)過(guò)程節(jié)能降耗技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是有色金屬工業(yè)節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。結(jié)合有色金屬生產(chǎn)過(guò)程重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用情況及未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)冶煉工藝的資源效率、節(jié)能減排效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)技術(shù)升級(jí)改造提供可行的建議和措施，還能為行業(yè)宏觀節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度提供評(píng)判依據(jù)。本文闡述了物質(zhì)流分析和面向流程的生命周期評(píng)價(jià)方法的主要觀點(diǎn)、理論基礎(chǔ)、研究思路和框架，以鋁、鎂、銅、鉛、鋅等為例，對(duì)上述方法在典型有色金屬生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和分析，并對(duì)其在有色金屬工業(yè)節(jié)能減排中的進(jìn)一步研究予以討論和展望。

2生命周期評(píng)價(jià)方法與物質(zhì)流分析

2.1面向流程的生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment，簡(jiǎn)稱(chēng)LCA)是對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)[1]。生命周期評(píng)價(jià)通過(guò)考察產(chǎn)品、行業(yè)甚至產(chǎn)業(yè)鏈的整個(gè)生命周期，對(duì)決策過(guò)程中的環(huán)境因素做出評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)可以是戰(zhàn)略性的，也可以是具體運(yùn)營(yíng)和細(xì)節(jié)操作方面的，從而促使產(chǎn)業(yè)內(nèi)部行為更符合可持續(xù)發(fā)展的原則。對(duì)于面向產(chǎn)品系統(tǒng)的完整的生命周期評(píng)價(jià)所涉及的系統(tǒng)邊界范圍包括資源開(kāi)采、原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造、使用與維護(hù)、廢棄處置與循環(huán)再利用等過(guò)程，即從“搖籃到墳?zāi)埂盵2]。如果研究的對(duì)象和目的是單位有色金屬生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷，則定義其系統(tǒng)邊界時(shí)通?？紤]其生產(chǎn)工藝過(guò)程及其主要的輔助生產(chǎn)過(guò)程，因此對(duì)于這類(lèi)原材料生產(chǎn)過(guò)程的生命周期評(píng)價(jià)，也稱(chēng)之為從“搖籃到大門(mén)”的評(píng)價(jià)。

面向有色金屬生產(chǎn)工藝流程的生命周期分析模型，首先需要詳盡描述其生產(chǎn)過(guò)程，包括重要的輔助生產(chǎn)過(guò)程，即對(duì)系統(tǒng)邊界的確定。第二，定義物質(zhì)流。所謂物質(zhì)流是指系統(tǒng)中區(qū)分各種物質(zhì)的標(biāo)識(shí)，用于描述系統(tǒng)中的物質(zhì)與能量流向。對(duì)于物質(zhì)流的描述包括物質(zhì)流名稱(chēng)、化學(xué)結(jié)構(gòu)與主要成分等，另外還要定義每個(gè)物質(zhì)流所具有的形態(tài)及形態(tài)間的轉(zhuǎn)換因子。第三，建立單元過(guò)程。功能單元是系統(tǒng)中某一過(guò)程的輸入輸出流集合，其主要作用是將產(chǎn)品系統(tǒng)中單元過(guò)程所涉及到的輸入、輸出流組織在一起，并通過(guò)配置參數(shù)，建立不同單元過(guò)程間的流入與流出比例關(guān)系。第四，流程建模。流程建模就是對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的建模，用于將各個(gè)單元過(guò)程組織在一起，單元過(guò)程間以物質(zhì)流(或中間產(chǎn)品)相互連接。各個(gè)單元過(guò)程的輸入輸出通常存在一定的比例關(guān)系，系統(tǒng)模型將根據(jù)指定的基準(zhǔn)功能單位，將各單元的輸入輸出量調(diào)整為以功能單位為基準(zhǔn)的參數(shù)，以保證流程模型內(nèi)的輸入輸出平衡，形成完整的生產(chǎn)流程圖。第五，平衡計(jì)算。平衡計(jì)算對(duì)流程模型進(jìn)行匯總計(jì)算，系統(tǒng)將不同單元過(guò)程的輸入輸出按其層次進(jìn)行分類(lèi)匯總，將相同的輸入輸出項(xiàng)目進(jìn)行合并，最終用一個(gè)S×N矩陣表示計(jì)算結(jié)果，其中N表示單元過(guò)程數(shù)，S表示物質(zhì)流數(shù)，每個(gè)矩陣單元Kij表示物質(zhì)i在單元過(guò)程j中的輸入/輸出量。圖2描述了生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入和輸出及其內(nèi)部單元過(guò)程。

圖2　生產(chǎn)系統(tǒng)及其內(nèi)部單元過(guò)程示意圖Fig.2　The sketch of production system and its unit processes

2.2物質(zhì)流分析方法

物質(zhì)流分析(Material Flow Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)MFA)是研究特定工業(yè)部門(mén)或區(qū)域經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)物質(zhì)新陳代謝的一種方法，其通過(guò)對(duì)自然資源的開(kāi)采、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移、消耗、循環(huán)和廢棄等過(guò)程的分析，揭示物質(zhì)在特定區(qū)域中的流動(dòng)特征和轉(zhuǎn)化效率。其基本思想是，人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的環(huán)境影響在很大程度上取決于進(jìn)入經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的自然資源和物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量，以及從經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)排入環(huán)境的資源和廢棄物的數(shù)量和質(zhì)量[3-4]。

物質(zhì)流分析方法為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、商業(yè)管理和制定公共政策等資源管理措施提供了系統(tǒng)分析的觀點(diǎn)與方法。從總體上看，物質(zhì)流分析主要分為兩種類(lèi)型：

(1)研究某種物質(zhì)材料的環(huán)境問(wèn)題，目的是減小這類(lèi)物質(zhì)材料在流動(dòng)過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷。工業(yè)系統(tǒng)是全球生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，應(yīng)以生態(tài)學(xué)的理論和方法來(lái)觀察和分析工業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量流動(dòng)。在考慮工業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)流動(dòng)時(shí)，應(yīng)在全球生態(tài)的背景下，設(shè)計(jì)原料和廢棄物的使用，以便將其對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的影響最小化。

(2)對(duì)不同空間尺度進(jìn)行物質(zhì)流分析，研究解決物質(zhì)使用效率、使用強(qiáng)度和減少?gòu)U棄物產(chǎn)生的策略和方法。從部門(mén)、區(qū)域或國(guó)家的尺度，分析原料與能量的流動(dòng)以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)全球或某個(gè)地區(qū)物質(zhì)流動(dòng)與循環(huán)的影響，研究物質(zhì)生產(chǎn)及其生產(chǎn)結(jié)構(gòu)是否符合可持續(xù)發(fā)展的要求，此類(lèi)物質(zhì)流分析的研究目的是，工業(yè)或社會(huì)新陳代謝的重構(gòu)和減量化，以及資源生產(chǎn)力的提高。從某一產(chǎn)品的角度，分析原料、能量和廢棄物在產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、廢棄等整個(gè)生命周期內(nèi)的分配和流動(dòng)，其目的是開(kāi)展生態(tài)設(shè)計(jì)、源頭減量化或替換、再循環(huán)、再制造、有毒有害廢物的減少、延伸生產(chǎn)者的責(zé)任等。

物質(zhì)流分析主要是一種靜態(tài)的分析工具，其分析方法多是建立在輸入-輸出(Input-Output)分析的思想基礎(chǔ)之上。物質(zhì)流分析總的指導(dǎo)原則是質(zhì)量守恒。一定數(shù)量的物質(zhì)因人類(lèi)活動(dòng)而散失在自然界中，但其質(zhì)量總是不變的。對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)，其物質(zhì)平衡表現(xiàn)為以下形式：總輸入=總輸出+凈累積，如公式(1)。這說(shuō)明系統(tǒng)中的物質(zhì)總是與輸入、在系統(tǒng)中累積以及作為輸出而離開(kāi)系統(tǒng)這三股物質(zhì)流相聯(lián)系。

∑Finput=∑Foutput+∑Fnetstore

(1)

式中，F(xiàn)input表示系統(tǒng)物質(zhì)的輸入量；Foutput表示系統(tǒng)物質(zhì)的流出量；Fnetstore表示物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的凈累計(jì)量。

針對(duì)有色金屬的特點(diǎn)，基于輸入輸出分析方法建立的用于模擬其全生命周期的物質(zhì)流動(dòng)過(guò)程如圖3所示。這一輸入輸出流分析包括兩項(xiàng)基本研究?jī)?nèi)容：首先是追蹤并描述出入于環(huán)境的物質(zhì)流，構(gòu)建一個(gè)材料流和能量流分析的輸入輸出模型框架，包括研究對(duì)象，即物質(zhì)或過(guò)程、以及系統(tǒng)邊界；其次是描述與物質(zhì)流動(dòng)量相關(guān)的系統(tǒng)行為，即對(duì)系統(tǒng)中材料所流經(jīng)過(guò)程的度量以及對(duì)材料循環(huán)的度量，主要度量指標(biāo)包括：物質(zhì)總需求、物質(zhì)直接輸入量、生產(chǎn)過(guò)程排出量、生態(tài)包袱(Eco-Rucksack)或隱流(Hidden Flow)以及進(jìn)口和出口等。最后，根據(jù)系統(tǒng)行為的衡量結(jié)果，在總體考慮外在環(huán)境和材料流系統(tǒng)變量的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的措施。

圖3　物質(zhì)流分析框圖Fig.3　The framework of Material Flow Analysis

材料的生命周期評(píng)價(jià)主要是對(duì)材料系統(tǒng)從原材料獲取階段開(kāi)始到最終廢棄的全過(guò)程中的環(huán)境影響(資源、能源、排放物)進(jìn)行綜合評(píng)估。它作為一種定量化的決策分析工具，在材料及產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷分析、生態(tài)設(shè)計(jì)、清潔生產(chǎn)審計(jì)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。從清單分析和影響評(píng)價(jià)階段的研究?jī)?nèi)容來(lái)看，它們都與物質(zhì)的輸入和輸出有著緊密的聯(lián)系。生命周期評(píng)價(jià)和物質(zhì)流分析都從研究系統(tǒng)或過(guò)程的各個(gè)子階段入手，但是前者注重研究生態(tài)環(huán)境、人體健康、資源消耗等方面的環(huán)境問(wèn)題，而后者主要分析物質(zhì)材料流動(dòng)的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和特征。因此在LCA分析中結(jié)合MFA分析，能夠彌補(bǔ)生命周期評(píng)價(jià)中空間、時(shí)間等方面信息的局限性，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的可靠性和全面性，進(jìn)而提高影響評(píng)價(jià)的精確性[5]。

3環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)與物質(zhì)流分析

3.1鎂

由于鎂合金材料在交通工具的節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，國(guó)際上針對(duì)鎂生產(chǎn)和使用階段的環(huán)境影響開(kāi)展了相關(guān)研究工作。自2002年以來(lái)，由于世界鎂生產(chǎn)和技術(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，澳大利亞等國(guó)的研究者們開(kāi)展了原鎂生產(chǎn)工藝過(guò)程及鎂產(chǎn)品的環(huán)境負(fù)荷研究[6-9]，大部分原鎂生產(chǎn)環(huán)境影響的研究報(bào)告和論文都將焦點(diǎn)集中于中國(guó)皮江法工藝的溫室氣體排放。Ramakrishnan等[8]對(duì)2003年鎂生產(chǎn)工藝的研究結(jié)果顯示，電解法的溫室氣體排放在20.4～26.4 kg CO2eq/kg Mg，而中國(guó)皮江法的溫室氣體排放則在37～47 kg CO2eq/kg Mg，皮江法的排放量約是電解法的兩倍。這也成為國(guó)際上對(duì)中國(guó)皮江法煉鎂環(huán)境影響的負(fù)面評(píng)價(jià)。在已開(kāi)展的鋁、鎂等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料替代鋼質(zhì)汽車(chē)零部件的生命周期比較分析中，仍有相當(dāng)一部分研究以此結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)[10-13]。

自2005年，作者課題組基于中國(guó)資源、能源消費(fèi)特征，結(jié)合我國(guó)皮江法煉鎂的典型工藝過(guò)程，建立了面向鎂生產(chǎn)流程的LCA分析模型。并對(duì)直接燃煤、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣3種能源利用方案的皮江法煉鎂工藝進(jìn)行了“從搖籃到大門(mén)”的流程分析，計(jì)算得到了我國(guó)原鎂生產(chǎn)3種能源利用方案工藝過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明：煉鎂過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷最大，在3種方案中所占比重均超過(guò)了60%。煉鎂過(guò)程燃料的使用量決定了環(huán)境負(fù)荷的大小。盡管考慮了焦?fàn)t煤氣和發(fā)生爐煤氣生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷，采用焦?fàn)t煤氣作為煉鎂主要能源的總體環(huán)境負(fù)荷相對(duì)最小，與直接燃煤相比下降17.5%[14]。該評(píng)價(jià)結(jié)果為構(gòu)建煤焦化-硅鐵-煉鎂共生型產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈中各成員間的物質(zhì)傳遞、副產(chǎn)品交換和能量的梯級(jí)利用，并為減少焦炭和原鎂生產(chǎn)污染物排放提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。該產(chǎn)業(yè)共生模式在中國(guó)鎂工業(yè)中推廣后，作者單位與鎂業(yè)協(xié)會(huì)合作進(jìn)行了持續(xù)的跟蹤研究，結(jié)果如圖4所示，中國(guó)原鎂生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放持續(xù)下降?？紤]到中國(guó)原鎂生產(chǎn)技術(shù)在清潔能源、余熱利用等新技術(shù)和新裝備的推廣應(yīng)用仍有很大的提升空間，因此，中國(guó)鎂原材料溫室氣體排放的連續(xù)降低仍是值得期待的。

圖4　生產(chǎn)1 kg原鎂的能耗和溫室氣體排放指標(biāo)比較Fig.4　Comparisons of energy consumption and greenhouse gas emission of 1 kg primary magnesium

國(guó)際鎂業(yè)協(xié)會(huì)在2013年發(fā)布了《交通工具結(jié)構(gòu)中鎂部件的生命周期評(píng)價(jià)》報(bào)告，這對(duì)于彌補(bǔ)鎂LCA研究數(shù)據(jù)的缺失起到了積極的作用[15]，該報(bào)告也引用和評(píng)述了作者課題組的相關(guān)工作。

3.2鋁

鋁是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，因此其生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響在20世紀(jì)90年代初就受到了普遍關(guān)注。自1992年，美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)、歐洲鋁業(yè)協(xié)會(huì)和國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)先后編制了原生鋁錠、鋁板帶、鋁箔、鋁擠壓材和再生鋁錠的生命周期清單，并進(jìn)行了環(huán)境影響評(píng)價(jià)[16-18]。在國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)的倡導(dǎo)和推動(dòng)下，世界主要鋁生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)建立了以生命周期評(píng)價(jià)為基本原則的鋁與資源、能源和生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略框架和主要目標(biāo)。

在生命周期評(píng)價(jià)方面，作者課題組通過(guò)構(gòu)建鋁生產(chǎn)流程模型，計(jì)算編制了我國(guó)原鋁從鋁土礦開(kāi)采、氧化鋁生產(chǎn)、炭陽(yáng)極制備、鋁電解和錠鑄等階段的生命周期清單，并對(duì)能耗和溫室氣體排放這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了時(shí)間序列分析和比較；通過(guò)構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)度分析模型，分析了資源消耗和生產(chǎn)工序能耗等影響因素與溫室氣體排放的關(guān)聯(lián)性[19]；計(jì)算了我國(guó)再生鋁和原鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放指標(biāo)，并與歐洲再生鋁生產(chǎn)進(jìn)行了比較，找出了我國(guó)再生鋁生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放較高的原因[20]。根據(jù)主要影響因素對(duì)溫室氣體排放的關(guān)聯(lián)度等設(shè)定減排方案的系統(tǒng)邊界、排放清單的概率密度函數(shù)以及主要影響因素的變化范圍等相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合我國(guó)鋁工業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，對(duì)我國(guó)原鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放進(jìn)行蒙特卡羅模擬，獲得了溫室氣體減排的目標(biāo)預(yù)測(cè)值。結(jié)果表明，中國(guó)單位原鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放量在低效率方案、中等效率方案和高效率方案中分別下降24%，30%和37%；其中，氧化鋁和電解鋁生產(chǎn)的溫室氣體減排值分別占到總溫室氣體減排的8%和13%，12%和16%，18%和17%，而且氧化鋁生產(chǎn)在減少總排放時(shí)的潛力不斷上升；并預(yù)測(cè)在2023年我國(guó)原鋁的溫室氣體排放總量將達(dá)到峰值并呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

在物質(zhì)流分析方面，陳偉強(qiáng)等[21-22]基于金屬元素物質(zhì)流分析的一般性框架，細(xì)化了鋁在國(guó)家尺度上的社會(huì)流動(dòng)過(guò)程，為進(jìn)行中國(guó)國(guó)家尺度的鋁物質(zhì)流分析提供了研究框架；并以2005 年為時(shí)間截面，定量地描繪了中國(guó)國(guó)家尺度的鋁物質(zhì)流靜態(tài)圖景，提出了一系列改善進(jìn)出口結(jié)構(gòu)、減少鋁損耗量、增加鋁循環(huán)利用量的政策建議。楚春禮等[23]應(yīng)用投入產(chǎn)出方法描述了中國(guó)鋁物質(zhì)流各過(guò)程之間的相關(guān)關(guān)系，揭示了各過(guò)程的隱藏流，追蹤了全國(guó)鋁損失的主要來(lái)源，為鋁行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了政策建議。岳強(qiáng)等[24-25]繪制了鋁的物質(zhì)循環(huán)流圖，并分析了我國(guó)2007年的鋁循環(huán)狀況以及2003～2007年間各種含鋁物質(zhì)的凈進(jìn)口量、鋁循環(huán)中各種含鋁物質(zhì)損失量和鋁社會(huì)蓄積量?jī)粼隽康淖兓岢隽宋覈?guó)今后鋁工業(yè)進(jìn)出口政策的重點(diǎn)和減少鋁損失的工作重點(diǎn)。

3.3銅

目前，我國(guó)是全球最大的銅消費(fèi)國(guó)和重要的銅加工制造基地。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)銅資源不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和消費(fèi)的需求，尤其是近年來(lái)中國(guó)銅冶煉產(chǎn)能的急劇擴(kuò)張而導(dǎo)致供需缺口較大，而且進(jìn)口依賴(lài)性高，由此引起的資源瓶頸和環(huán)境約束問(wèn)題日益突出。銅的生產(chǎn)、消費(fèi)和循環(huán)回收與銅資源的保障能力密切相關(guān)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)物質(zhì)流分析對(duì)銅的生產(chǎn)、供應(yīng)預(yù)測(cè)和銅資源的循環(huán)回收進(jìn)行了相關(guān)研究。溫宗國(guó)等[26]應(yīng)用情景分析、存量模型和物質(zhì)流方法分析研究了中國(guó)未來(lái)銅資源的代謝趨勢(shì)，并用情景分析方法比較3種減量化措施的資源環(huán)境影響。岳強(qiáng)等[27]在物質(zhì)流分析中引入熵分析來(lái)研究我國(guó)銅資源效率，并提出通過(guò)減少尾礦和熔渣中銅的損失量，能夠有效降低銅產(chǎn)品生命周期的熵增。在回收階段，含銅物質(zhì)聚集度的提高更有利于銅資源的回收。郭學(xué)益等[28-29]運(yùn)用“STAF”模型研究了我國(guó)銅的礦石指數(shù)、資源效率、貿(mào)易平衡指標(biāo)、廢銅指數(shù)等物質(zhì)流分析指標(biāo)，并與歐洲水平進(jìn)行了對(duì)比，提出了控制原生銅產(chǎn)能，推進(jìn)銅消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加強(qiáng)再生銅的回收利用，以及尾礦和爐渣的回收利用，并加大相關(guān)工藝的研發(fā)，努力降低環(huán)境影響等措施。丁一等[30]利用生態(tài)包袱系數(shù)對(duì)中國(guó)銅資源開(kāi)發(fā)利用中的物質(zhì)投入進(jìn)行了估算，但生態(tài)包袱系數(shù)與不同國(guó)家物質(zhì)資源的特點(diǎn)、生產(chǎn)方式和技術(shù)水平等相關(guān)，對(duì)于如何確定中國(guó)本土資源的生態(tài)包袱系數(shù)還有待于進(jìn)一步研究。Daigo等[31]運(yùn)用動(dòng)態(tài)的物質(zhì)流分析方法研究了日本銅資源的存量和廢銅循環(huán)的潛力，并指出日本的高純銅與銅合金在回收統(tǒng)計(jì)上的誤差，強(qiáng)調(diào)了進(jìn)一步細(xì)化分類(lèi)回收對(duì)于提高含銅廢料循環(huán)利用的重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)銅的開(kāi)采、冶煉等生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響也開(kāi)展了大量的研究。姜金龍等[32]運(yùn)用LCA方法，對(duì)比了火法和濕法生產(chǎn)金屬銅的環(huán)境負(fù)荷。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，濕法煉銅工藝簡(jiǎn)單、能耗低，污染物排放少，環(huán)境協(xié)調(diào)性好于火法煉銅。然而，我國(guó)濕法工藝發(fā)展較為緩慢，90%以上的銅產(chǎn)量均來(lái)源于火法。另外，SO2回收率低是造成酸雨和人體毒害效應(yīng)較大的主要原因。因此，提高SO2的回收率對(duì)減小火法煉銅的環(huán)境負(fù)荷至關(guān)重要。阮仁滿(mǎn)等[33]對(duì)生物提銅、浮選—閃速煉銅生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了生命周期分析，結(jié)果表明，生物提銅生產(chǎn)流程短、物耗少、節(jié)能減排，與火法煉銅相比,對(duì)環(huán)境的影響顯著減少。從保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，應(yīng)加強(qiáng)生物冶金技術(shù)研究開(kāi)發(fā)。李英順等[34]對(duì)銅爐渣和銅礦石回收銅的選礦過(guò)程的環(huán)境協(xié)調(diào)性進(jìn)行了對(duì)比研究，并獲得了選礦各工序過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)結(jié)果。該研究認(rèn)為，盡管銅爐渣選礦生產(chǎn)過(guò)程每生產(chǎn)1 kg精礦的環(huán)境負(fù)荷約為銅礦石的1.32倍，但隨著國(guó)內(nèi)銅精礦供應(yīng)缺口的增大，從銅爐渣中回收銅資源將顯著地提高資源利用率，有利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。Memarya等[35]運(yùn)用時(shí)間序列的生命周期評(píng)價(jià)方法研究了澳大利亞銅采礦和冶煉生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響。結(jié)果表明，礦石品位的變化、生產(chǎn)技術(shù)及區(qū)域能源結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)銅生產(chǎn)的碳足跡和其它環(huán)境負(fù)荷產(chǎn)生重要影響，其中礦石品位的變化對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響較為顯著。隨著銅資源的短缺和銅冶煉能力的提高，大量銅爐渣中的銅經(jīng)過(guò)選礦過(guò)程得到了回收，但是不可避免地帶來(lái)了環(huán)境負(fù)荷。

3.4鉛鋅

2013年我國(guó)鉛鋅產(chǎn)量合計(jì)978萬(wàn)噸，占世界鉛鋅總產(chǎn)量的41%，產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界第一。鉛鋅廣泛用于電氣工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、軍事工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輕工業(yè)和醫(yī)藥業(yè)等領(lǐng)域。世界上80%以上的鉛被用于生產(chǎn)鉛酸電池。此外，鉛金屬在核工業(yè)、石油工業(yè)等部門(mén)也有較多的用途。鋅金屬具有良好的壓延性、耐磨性和抗腐蝕性，能與多種金屬制成物理與化學(xué)性能更加優(yōu)良的合金。我國(guó)鉛鋅工業(yè)的快速發(fā)展，也給生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響和破壞。張偉建等[36]采用LCA方法針對(duì)韶冶帝國(guó)熔煉法(ISP法)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行了環(huán)境負(fù)荷評(píng)價(jià)，確定了能源總需求、溫室效應(yīng)和酸化效應(yīng)在各工藝階段中所占的比重，找出了生產(chǎn)流程主要環(huán)境壓力所在，并在此基礎(chǔ)上指出了韶冶ISP工藝改進(jìn)的措施。何靜等[37]以株洲冶煉廠為例，對(duì)鋅冶煉過(guò)程的環(huán)境影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定了渣處理過(guò)程是該廠環(huán)境負(fù)荷的主要承擔(dān)者，并針對(duì)該環(huán)節(jié)提出了進(jìn)一步削減污染物排放的措施。Daniel等[38]采用LCA方法對(duì)廢棄電池中鉛的兩種處置方式進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明廢電池中鉛的回收在危險(xiǎn)廢棄物排放、持續(xù)性毒性、富營(yíng)養(yǎng)化、酸化效應(yīng)和光化學(xué)煙霧形成潛力等方面的環(huán)境表現(xiàn)更好，但在人體毒性、溫室效應(yīng)等方面的影響大于廢電池中鉛的常規(guī)處置。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉛鋅的物質(zhì)流進(jìn)行了研究，其目的在于進(jìn)一步闡明鉛鋅物質(zhì)的流向及其資源循環(huán)利用的狀況，為實(shí)現(xiàn)鉛鋅資源的高效綜合利用提供指導(dǎo)。萬(wàn)文玉等[39]對(duì)再生鉛熔煉各個(gè)工序的鉛物質(zhì)流核算表明，鉛污染主要來(lái)源于短窯熔煉工序爐渣和鉛塵的排放，以及合金工序中的浮渣。因此，應(yīng)加強(qiáng)熔煉工序中煙塵的處理，降低爐渣和浮渣的產(chǎn)生量。郭學(xué)益等[40]分析了2006 年我國(guó)鉛的社會(huì)存量變化及其流動(dòng)狀況，計(jì)算了鉛礦石資源效率、廢鉛指數(shù)等指標(biāo)，總結(jié)了我國(guó)在鉛資源循環(huán)利用方面的不足，并對(duì)鉛工業(yè)的發(fā)展和資源的循環(huán)利用提出了建議。馬蘭等[41-42]運(yùn)用“STAF”模型對(duì)比分析了2000～2010年我國(guó)鉛物質(zhì)流的變化，計(jì)算了鉛礦石消耗量、環(huán)境釋放量、資源和環(huán)境效率、循環(huán)率等指標(biāo)，分別從消費(fèi)、貿(mào)易、技術(shù)、管理等方面分析了我國(guó)鉛物質(zhì)流改變的原因，為鉛工業(yè)資源環(huán)境改善提供了依據(jù)。Spatari等[43]采用“STAF”模型研究了歐洲鋅的物質(zhì)流動(dòng)情況，結(jié)果表明，歐洲廢棄的鋅資源主要來(lái)源于建筑拆遷廢料和報(bào)廢車(chē)輛；然而，只有約34%的廢鋅得到了循環(huán)利用，鋅大量損失到環(huán)境中，對(duì)其帶來(lái)的環(huán)境影響應(yīng)考慮從時(shí)空尺度進(jìn)行評(píng)估。Mao等[44-45]討論了基于時(shí)間和空間因素的鉛全生命周期物質(zhì)流的數(shù)據(jù)采集和評(píng)估方法，指出盡管在數(shù)據(jù)方面存在相當(dāng)大的限制，但對(duì)于在各種空間尺度合理定量描述鉛生命周期的信息是足夠可用和準(zhǔn)確的。并在此基礎(chǔ)上研究了世界范圍內(nèi)鉛的流量和流向，為鉛資源的互補(bǔ)性研究、能源利用、鉛廢棄的管理和環(huán)境問(wèn)題提供了框架。

4結(jié)語(yǔ)

有色金屬生產(chǎn)、消費(fèi)和循環(huán)利用是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，與其相關(guān)的資源消耗、物質(zhì)流動(dòng)及其產(chǎn)生的環(huán)境影響很難預(yù)測(cè)。物質(zhì)流分析方法利用輸入-輸出或投入-產(chǎn)出平衡分析的方法，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)物質(zhì)流動(dòng)的狀況進(jìn)行分析，得到了簡(jiǎn)潔的物質(zhì)流動(dòng)效率和可持續(xù)發(fā)展程度的示蹤指標(biāo)，拓展了可持續(xù)發(fā)展研究方法在有色金屬領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，目前的物質(zhì)流分析方法在研究有色金屬時(shí)也有其不足之處，這主要表現(xiàn)在：①現(xiàn)行的物質(zhì)流分析只考慮物質(zhì)的質(zhì)量，卻沒(méi)有涉及不同物質(zhì)流可能帶來(lái)的不同的環(huán)境影響，弱化了物質(zhì)流指標(biāo)與物質(zhì)流動(dòng)所引起的環(huán)境影響之間的聯(lián)系。一些質(zhì)量小的物質(zhì)流，比如少量的有毒重金屬元素(鉛、汞、鎘等)可能會(huì)帶來(lái)很大的負(fù)面環(huán)境影響。②國(guó)家尺度的物質(zhì)流分析案例較多，原因在于宏觀層面物質(zhì)流分析所需的數(shù)據(jù)比較容易獲得，但是類(lèi)似于小品種的有色金屬，如稀土、鎢、鉬等的相關(guān)數(shù)據(jù)卻經(jīng)常由于一些客觀原因(如統(tǒng)計(jì)內(nèi)容的局限、大公司和企業(yè)的數(shù)據(jù)保密等)難以獲得，而這也限制了物質(zhì)流分析方法在有色金屬中的使用范圍。

由于有色金屬品種眾多而且生產(chǎn)工藝流程各具特點(diǎn)，資源、能源消耗、污染物排放與工藝流程密切相關(guān)，生產(chǎn)系統(tǒng)某一過(guò)程的工藝改進(jìn)或優(yōu)化與哪些過(guò)程的關(guān)系最為密切，即是否會(huì)導(dǎo)致其他過(guò)程環(huán)境負(fù)荷的增加或降低；有色金屬生產(chǎn)過(guò)程中體現(xiàn)中國(guó)資源特點(diǎn)和工藝技術(shù)水平的特征參數(shù)，如能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、先進(jìn)技術(shù)的實(shí)施、二次資源的循環(huán)率等因素與環(huán)境負(fù)荷及節(jié)能減排的關(guān)系等問(wèn)題都具有重要的研究意義。但是，從總體上看，有色金屬生產(chǎn)的生命周期評(píng)價(jià)研究大部分仍局限于能耗和溫室氣體排放等少數(shù)指標(biāo)，并沒(méi)有結(jié)合有色金屬生產(chǎn)流程的特點(diǎn)對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，因此為制定決策提供依據(jù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果尚與業(yè)內(nèi)所期待的標(biāo)準(zhǔn)存在較大差距。中國(guó)有色金屬產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的任務(wù)艱巨，潛力巨大，在有色金屬行業(yè)充分發(fā)揮生命周期評(píng)價(jià)和物質(zhì)流分析技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將為實(shí)現(xiàn)中國(guó)有色金屬工業(yè)節(jié)能減排中長(zhǎng)期目標(biāo)提供有利的決策支持和技術(shù)保障。

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(編輯惠瓊)

The Environment Load Evaluation and Optimization for the Typical Non-Ferrous Metals ProductionBased on the MFA/LCA Method

GAO Feng, YANG Danpin, NIE Zuoren, GONG Xianzheng

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract：The production, consumption and recycling of non-ferrous metals are a complicated nonlinear system. It is difficult to predict their related resources consumption and environmental impacts. In recent years, material flow analysis (MFA) and life cycle assessment (LCA) have been developed and applied in the non-ferrous metals industry for circular economy and sustainable development. These two quantitative decision analysis tools can provide not only feasible suggestions and measures for technology upgrades and renovation of enterprises, but also evaluation basis for non-ferrous metals industry to achieve the goal of energy saving and emissions reduction. The main ideas, theoretical basis, research ideas and frameworks of MFA and process-oriented LCA are elaborated in this paper. The application of these methods in typical non-ferrous metals production, such as aluminum, magnesium, copper, lead and zinc, is summarized and analyzed. Further researches of energy saving and emissions reduction in the non-ferrous metals industry are discussed and prospected.

Key words：non-ferrous metals; environmental load; energy saving and emissions reduction; material flow analysis; life cycle assessment

中圖分類(lèi)號(hào)：X758

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2016)03-0179-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304009)

收稿日期：2015-11-02

第一作者：高峰，男，1978年生，副教授，碩士生導(dǎo)師,Email:gaofeng@bjut.edu.cn