韓繼標(biāo)，趙 娜，李一夫，蒲正浩，徐寶強(qiáng)，楊 斌，戴永年

(1. 昆明理工大學(xué) 真空冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093； 2. 復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093； 3. 云南省有色金屬真空冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

錫冶煉過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)

韓繼標(biāo)1,2,3，趙 娜1,2，李一夫1,2，蒲正浩1,2,3，徐寶強(qiáng)1,2,3，楊 斌1,2,3，戴永年1,2

(1. 昆明理工大學(xué) 真空冶金國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093； 2. 復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093； 3. 云南省有色金屬真空冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)的技術(shù)框架和原則，對(duì)國(guó)內(nèi)某企業(yè)錫生產(chǎn)焙燒、還原熔煉、精煉、爐渣熔煉及煙化處理等過(guò)程進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明：不可再生資源消耗指數(shù)(ADP)5.85×10-8，溫室效應(yīng)指數(shù)(GWP)4.35×10-9，酸化效應(yīng)指數(shù)(AP)4.66×10-10，光化學(xué)煙霧形成指數(shù)(POCP)2.14×10-10。錫冶煉系統(tǒng)的各種環(huán)境影響嚴(yán)重性排序?yàn)锳DP>GWP>AP>POCP。發(fā)現(xiàn)錫冶煉系統(tǒng)中對(duì)ADP的影響幾乎全部源于焙燒過(guò)程中錫精礦的使用；錫冶煉系統(tǒng)的能耗主要集中在電力的消耗，所占比重為65%，其次是粉煤，占比重28%；錫冶煉系統(tǒng)氣體污染物排放所造成的環(huán)境影響中，溫室效應(yīng)的影響最為嚴(yán)重。

錫；冶煉過(guò)程；生命周期評(píng)價(jià)；資源消耗；能量消耗

0 前 言

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是一種對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)和環(huán)境的壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)的客觀過(guò)程[1-2]。作為一種重要的環(huán)境管理工具，該方法被廣泛應(yīng)用于清潔生產(chǎn)和環(huán)境影響評(píng)價(jià)過(guò)程中，對(duì)改善生產(chǎn)工藝，減少環(huán)境污染具有重要意義[3-6]。Reza Memary等[7]分析了銅的開(kāi)采及冶煉過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)，結(jié)果表明在不同的時(shí)間和空間因素下，銅的生命周期有所不同。安靜等[8]研究了硼鐵礦火法分離過(guò)程中的生命周期評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)硼鐵礦原材料生產(chǎn)、高爐冶煉、硼砂生產(chǎn)環(huán)節(jié)中能耗高、污染大等缺點(diǎn)。高楓等[9]研究了皮漿法煉鎂過(guò)程能量消耗和環(huán)境負(fù)荷，最終得到溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響最大，占總環(huán)境負(fù)荷的49.65%。

綜上，LCA現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于有色冶金過(guò)程。但目前，關(guān)于錫冶煉的研究都側(cè)重于工藝參數(shù)和技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面，生命周期評(píng)價(jià)研究鮮有報(bào)道。所以本文將生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)用于錫冶煉過(guò)程，結(jié)合某錫冶煉廠的生產(chǎn)報(bào)表以及收集到的各類文獻(xiàn)對(duì)錫冶煉流程中包括焙燒、還原熔煉、精煉、爐渣熔煉和煙化處理5大環(huán)節(jié)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)研究，以期了解我國(guó)錫冶煉過(guò)程中環(huán)境狀況，實(shí)現(xiàn)錫行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 目標(biāo)定義及范圍界定

1.1 目標(biāo)定義

依據(jù)LCA評(píng)價(jià)的技術(shù)框架和原則[10]，本研究以某錫冶煉廠為研究對(duì)象，結(jié)合其冶煉工藝及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)的研究與分析。

1.2 范圍界定

本文選取錫冶煉流程為研究對(duì)象，在錫的生產(chǎn)過(guò)程中主要涉及焙燒、還原熔煉、精煉、爐渣熔煉及煙化處理5個(gè)冶煉工序，對(duì)于采礦、選礦過(guò)程，運(yùn)輸過(guò)程、使用直至最終處置等過(guò)程，不列入本文的評(píng)價(jià)體系。錫精礦經(jīng)過(guò)焙燒，去除部分硫、砷、銻等雜質(zhì)；把經(jīng)過(guò)焙燒的錫精礦投入反射爐進(jìn)行還原熔煉，盡量使原料中錫的氧化物(SnO2)還原成金屬，與爐渣分離；還原熔煉產(chǎn)生的粗錫經(jīng)過(guò)精煉處理，去除其中的雜質(zhì)，得到滿足工業(yè)要求的精錫；還原熔煉產(chǎn)生的爐渣含錫較高，要經(jīng)過(guò)爐渣熔煉和煙化處理兩個(gè)煉渣工序來(lái)處理，進(jìn)一步回收渣中的錫，提高錫的回收率。因此本文把錫冶煉的流程以這5大工序來(lái)體現(xiàn)，列在本次評(píng)價(jià)的邊界范圍之內(nèi)。

2 清單分析

根據(jù)技術(shù)框架和錫冶煉工藝過(guò)程，所研究的體系主要包括資源消耗、能源消耗、氣體廢棄物排放、固體廢棄物排放、冶煉后廢渣等。該系統(tǒng)內(nèi)的水資源可循環(huán)利用，認(rèn)為該系統(tǒng)無(wú)廢水產(chǎn)出。所列清單數(shù)據(jù)大部分來(lái)自于具體錫冶煉廠實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，有色金屬工業(yè)年鑒等公開(kāi)出版物，還有部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得到。其中噸精錫產(chǎn)品在焙燒過(guò)程中消耗錫精礦1.923 t；還原熔煉過(guò)程中消耗石灰石0.131 t；精煉過(guò)程中消耗木屑0.016 t，硫磺0.006 t，氯化銨0.010 t，鋁片0.009 t；爐渣熔煉過(guò)程中消耗石灰石0.026 t；煙化處理過(guò)程中消耗黃鐵礦0.173 t。而能源消耗見(jiàn)表1。

表1 噸精錫產(chǎn)品的能源消耗清單

計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程中的氣體廢棄物排放見(jiàn)表2。

表2 氣體廢棄物排放清單 kg

本次評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)固體廢棄物的排放僅包含煙化處理過(guò)程的丟渣排放。焙燒階段產(chǎn)出的固體物料是焙砂，還原熔煉階段產(chǎn)出的有富渣、乙錫等，精煉階段產(chǎn)出的是離心渣、焊錫等物料，爐渣熔煉階段會(huì)產(chǎn)出乙錫、合金粗錫等，這些固體物料均在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)處理，不外排，即不屬于固廢物范疇。工廠全年精錫產(chǎn)量為15 015.324 6 t，煙化處理過(guò)程全年產(chǎn)丟渣1 683.239 6 t，即噸精錫產(chǎn)丟渣0.112 t。

3 影響評(píng)價(jià)

3.1 環(huán)境影響分類

本文所涉及到的影響類型為能源總需求(GER)、溫室效應(yīng)(GWP)、酸化效應(yīng)(AP)、不可再生資源消耗(ADP)、光化學(xué)煙霧形成(POCP)。其中錫冶煉流程影響分類結(jié)果：ADP：煤，柴油、錫精礦，黃鐵礦；GWP：CO2，NOX；AP：SO2，NOX；POCP：NOX。

3.2 環(huán)境影響特征化

加權(quán)評(píng)估是將不同影響類型通過(guò)加權(quán)后，用一個(gè)值表征說(shuō)明產(chǎn)品或工藝的最終影響。環(huán)境影響加權(quán)后的影響潛值為：

φwp(j)=φwf(j)×φnp(j)[20]

(1)

式中，φwp(j)為種環(huán)境影響的權(quán)重因子，φnp(j)為標(biāo)準(zhǔn)化后的影響潛值。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 1 t精錫產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響加權(quán)結(jié)果

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)表3中的加權(quán)結(jié)果，得到反應(yīng)噸精錫產(chǎn)品的最終環(huán)境影響柱形圖，如圖1所示。

圖1 環(huán)境影響標(biāo)加權(quán)結(jié)果

由圖1可看出，錫冶煉過(guò)程中各個(gè)環(huán)境影響類型的重要性排序?yàn)锳DP>GWP>AP>POCP，而其中ADP的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3項(xiàng)，成為最突出和絕對(duì)的環(huán)境影響。表明溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境影響的重要性大于酸化效應(yīng)和光化學(xué)煙霧形成。通過(guò)數(shù)據(jù)可知，對(duì)ADP貢獻(xiàn)最大的環(huán)節(jié)在焙燒階段。焙燒階段所用的不可更新資源只有錫精礦，因此決定焙燒階段ADP數(shù)值大的因素就是錫精礦的資源耗竭特征化因子較大，表明錫精礦資源的稀缺性。此現(xiàn)象由兩個(gè)原因?qū)е拢篴精錫的生產(chǎn)過(guò)程中錫精礦用量大；b錫精礦的資源稀缺性較大。各錫礦面臨著砂礦資源消失，錫礦品位下降，后續(xù)資源不足。

從圖1中體現(xiàn)出焙燒工序?qū)DP的影響，所占比重接近100%。為了了解其他工序的影響情況，去除焙燒工序做圖2。

圖2 除焙燒之外各子模塊對(duì)ADP的貢獻(xiàn)率

從圖2可以看出：精煉工序的影響是最小的，這是由于該工序所用原料大多屬于可再生資源，所用的煤及柴油量較少，所以影響甚微。其他3個(gè)工序的影響大小排序?yàn)檫€原熔煉>煙化處理>爐渣熔煉。造成這個(gè)結(jié)果的原因在于還原熔煉中石灰石用量較大，而煙化處理結(jié)果較高的原因是有黃鐵礦的使用。

為了了解錫冶煉系統(tǒng)中工各工序和各種能源占總能源消耗的比重，作圖3～4。

圖3 錫冶煉系統(tǒng)各子模塊對(duì)GER的貢獻(xiàn)率

圖4 錫冶煉系統(tǒng)各種能源對(duì)GER的貢獻(xiàn)率

由圖3所示，在錫冶煉系統(tǒng)中，對(duì)能源需求量較多的分別是還原熔煉，煙化處理和精煉3個(gè)階段。這3個(gè)階段的共同特點(diǎn)是用電量都比較大。其中還原熔煉對(duì)能源需求最多，超過(guò)總需求的1/3，是因?yàn)槠洳粌H用電量大，而且用煤量也很大。由圖4所示，可知錫冶煉系統(tǒng)所用能源中電占了絕對(duì)比重，貢獻(xiàn)率達(dá)到65%，其次為粉煤，占28%的比重。

錫冶煉系統(tǒng)各工序?qū)WP、AP、POCP影響程度順序?yàn)镚WP>AP>POCP，說(shuō)明溫室效應(yīng)是錫冶煉系統(tǒng)所造成環(huán)境污染問(wèn)題的主要原因。而這3個(gè)階段的共同特點(diǎn)是用電量大，表明錫冶煉系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的污染物排放主要是電力的生產(chǎn)引起的間接排放。通過(guò)分析，錫冶煉廠CO2的直接排放集中在還原熔煉和煙化處理兩個(gè)工序，可以通過(guò)降低他們的煤耗來(lái)改善。而評(píng)價(jià)系統(tǒng)中更大部分的CO2排放是由于使用電力而產(chǎn)生的間接排放，因此在電力消耗方面，更應(yīng)該寄希望于發(fā)電廠從火力發(fā)電到水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電甚至更清潔地發(fā)電方式的轉(zhuǎn)型，從而降低CO2排放造成的溫室效應(yīng)影響。

4 結(jié) 論

1) 在錫冶煉系統(tǒng)中，不可再生資源消耗的影響是最突出的，而對(duì)ADP的貢獻(xiàn)幾乎全部源于焙燒過(guò)程中錫精礦的使用。因此錫冶煉企業(yè)可以改善錫精礦的利用率，通過(guò)企業(yè)完善管理制度，提高設(shè)備的工作性能等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2) 錫冶煉系統(tǒng)的能耗主要集中在電力的消耗，所占比重為65%，其次是粉煤，占比重28%。還原熔煉、煙化處理和精煉都是用電較多的工序，而粉煤的使用也主要集中在還原熔煉和煙化處理兩個(gè)階段。因此要想降低錫冶煉系統(tǒng)的能耗，可以先在還原熔煉和煙化處理兩處著手降低。

3) 錫冶煉系統(tǒng)氣體污染物排放所造成的環(huán)境影響中，溫室效應(yīng)的影響較酸化效應(yīng)和光化學(xué)煙霧形成要嚴(yán)重得多，因此降低CO2的排放量是首要問(wèn)題。

[1] Heijungs R. Environmental life cycle assessment of products: backgrouds[M]. Leiden: Multicopy, 1992.

[2] Heijungs R. Environmental life cycle assessment of products: guide[M]. Leiden: Multicopy, 1992.

[3] 王天明. 生態(tài)環(huán)境材料[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2000.

[4] Xu J C. Ecodesign for wear resistant ductile iron with medium manganese content [J]. Materials & Design, 2003(24): 63-68.

[5] Stuart R, David E. Use of life cycle Assessment in environmental management [J]. Environmental Management, 2002, 29(1): 132-142.

[6] 孫啟宏. 生命周期評(píng)價(jià)在清潔生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2002，15(4)：4-5.

[7] Reza M, Damien G, Gavin M, et al. Life cycle assessment: a time-series analysis of copper[J]. Journal of Cleaner Production, 2012(33): 97-108.

[8] 安靜，薛向欣，姜濤. 硼鐵礦火法分離過(guò)程的生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J]. 過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2010, 10(2): 321-326.

[9] 高楓，馮乃祥，畢穎, 等. 皮漿法練鎂過(guò)程生命周期評(píng)價(jià)[J]. 有色金屬, 2009，61(4): 185-188.

[10] 姜金龍，吳玉萍，馬軍, 等. 生命周期評(píng)價(jià)的技術(shù)框架及研究進(jìn)展[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 31(4): 23-26.

A Study on Life Cycle Assessment of Tin Smelting Process

HAN Jibiao1,2,3, ZHAO Na1,2, LI Yifu1,2, PU Zhenghao1,2,3, XU Baoqiang1,2,3, YANG Bin1,2,3, DAI Yongnian1,2

(1.NationalEngineeringLaboratoryforVacuumMetallurgy,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan, 650093,China; 2.StateKeyLaboratoryofComplexNon-ferrousMetalResourcesClearUtilization,Kunming,Yunnan, 650093,China; 3.KeyLaboratoryofVacuumMetallurgyforNonferrousMetalofYunnanProvince,Kunming,Yunnan, 650093,China)

According to technical framework and principle of life cycle assessment(LCA)，we have made a research of the process of tin production roasting, reduction smelting, refining, slag melting and fuming treatment in a tin company in China. The research results show that the weighted results of Abiotic Depletion Potential(ADP) was 5.85×10-8, the Global Warming Potential(GWP) was 4.35×10-9, the Acidification Potential(AP) was 4.66×10-10and the Photochemical oxidants contribution potential(POCP) was 2.14×10-10after calculated. It can be seen that the environmental impact severity of tin smelting system is ADP>GWP>AP>POCP. In the whole smelting system the influence of ADP is almost 100% due to the usage of tin concentrate in the roasting process. The energy consumption of tin smelting system is mainly concentrated in the consumption of electricity, accounting for 65%. Followed by pulverized coal, it is accounting for 28%. The greenhouse effect is the most serious in the environmental impact of gas emissions from tin smelting system. So it is reducing CO2of emissions, as is the primary problem.

Tin; Smelting process; Life cycle assessment; Resource consumption; Energy consumptio

2017-02-20

云南省科技領(lǐng)軍人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(2014HA003)；云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014FA001)；科技部有色金屬真空冶金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2014RA4018)；NSFC-云南省聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1502271)

韓繼標(biāo)(1991-)，男，河南新鄉(xiāng)人，在讀碩士研究生，研究方向：有色金屬冶金，手機(jī)：14736534556，E-mail：hanjibiaol@163.com.

TF803.4

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.027