封亞輝 嚴(yán)文勛 潘生林 戴東情 許仁富 查燕青 王 慧

(南京海關(guān)工業(yè)產(chǎn)品檢測中心，南京 210001)

前言

跨境可再生礦冶資源是補(bǔ)充我國資源短缺的重要原料，特別是對于我國當(dāng)前最新確立的碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)，做好資源的高效利用，可以統(tǒng)籌做好國內(nèi)和進(jìn)口資源產(chǎn)品的平衡利用，達(dá)到優(yōu)化資源利用結(jié)構(gòu)的目的。隨著再生資源利用技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)需求，礦冶產(chǎn)品的再生利用范圍將會不斷擴(kuò)充[1]。

最近十多年來，我國再生鋅冶煉技術(shù)在原生鋅冶煉的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新、進(jìn)步，處理復(fù)雜物料的能力顯著提升，涌現(xiàn)了一批成功將技術(shù)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)項目的企業(yè)，為實現(xiàn)鋅資源的循環(huán)利用提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，其中，氧化鋅富集物即是代表性產(chǎn)品之一。氧化鋅富集物屬于典型的再生鋅冶煉原料，通常為煉鉛爐渣、銅煙灰、煉鋼煙塵，高爐瓦斯灰(泥)和用以上二次物料經(jīng)火法冶金設(shè)備富集而成，主要包括鋅浸出渣氧化鋅富集物，鉛煙化爐氧化鋅富集物，電爐灰氧化鋅富集物和瓦斯灰(泥)氧化鋅富集物等類型。符合利用要求、品級良好的氧化鋅富集物已成為我國大量進(jìn)口的二次含鋅物料，可替代鋅礦作為鋅冶煉原料，這對于緩解我國鋅資源供應(yīng)不足、降低國內(nèi)含鋅產(chǎn)品行業(yè)生產(chǎn)成本、減輕環(huán)境影響具有積極意義。

在考慮資源化利用的同時，科學(xué)評估氧化鋅富集物資源再利用過程的低碳節(jié)能、利用效率和資源化價值，可為我國統(tǒng)籌做好國內(nèi)氧化鋅富集物資源再利用和進(jìn)口管控政策提供決策支持和參考。合理利用氧化鋅富集物可減少原生鋅礦的開采和利用，但跨境氧化鋅富集物的運(yùn)輸、存儲和生產(chǎn)加工過程會消耗物料、造成能耗和環(huán)境排放，資源化利用價值需要科學(xué)評估。本文圍繞跨境產(chǎn)品特定的生命周期過程(包括國際運(yùn)輸、海關(guān)查驗、國內(nèi)運(yùn)輸、初級產(chǎn)品加工4個環(huán)節(jié))，研究分析基于生命周期視角的綜合能耗(包括產(chǎn)量能耗、產(chǎn)值能耗、投入能耗)，并對比分析基于國內(nèi)CLCD數(shù)據(jù)庫的eFootprint系統(tǒng)的生命周期能耗，同時計算分析對應(yīng)收益(包括經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境收益)，以該過程的能耗和收益分析為依據(jù)，為其它可再生礦冶產(chǎn)品資源利用價值評估提供技術(shù)支撐，并對其應(yīng)用前景作了簡要介紹。

1 氧化鋅富集物能耗和收益分析

1.1 能耗評估

基于對能耗的分析研究，可將能耗評估主要類型歸為如下幾種：單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗、單位投入能耗、生命周期能耗、基于生命周期視角的綜合能耗等。

前三種類型一般可歸為傳統(tǒng)綜合能耗范疇，源于國標(biāo)及經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效率條件下的能耗表現(xiàn)，其中單位產(chǎn)量能耗為主要基準(zhǔn)類型，應(yīng)用最為普遍，以產(chǎn)量能耗表達(dá)的綜合能耗值評估如式(1)[2]所示：

(1)

式中，E為綜合能耗值(以單位產(chǎn)量核算即為產(chǎn)量能耗)，GJ/t；n為消耗的能源品種數(shù)；ei為消耗第i種能源實物量或者耗能工質(zhì)的量，kW·h或MJ或t；pi為第i種能源折算系數(shù)(按能量當(dāng)量值或能源等價值折算)。

單位產(chǎn)值能耗和單位投入能耗一般多可以通過產(chǎn)品價值和投入產(chǎn)值系數(shù)進(jìn)行核算而得。其中產(chǎn)量能耗是以單位噸位的產(chǎn)品產(chǎn)出為基準(zhǔn)，而單位產(chǎn)值能耗則考慮了產(chǎn)品的行業(yè)價格因素，單位投入能耗則考慮了投入產(chǎn)出系數(shù)的影響。目前礦冶行業(yè)中如鋅冶煉、銅冶煉、鉛冶煉、鎳冶煉等均有單位產(chǎn)品能耗限額的國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。但是，此類標(biāo)準(zhǔn)均是基于以精礦或者混合精礦為原料進(jìn)行冶煉的產(chǎn)量能耗限額要求，而對于可再生礦冶產(chǎn)品，能耗評估研究較為有限，而大部分采用的綜合能耗研究也是側(cè)重反映某一單個生產(chǎn)系統(tǒng)(包括輔助系統(tǒng))能耗水平，應(yīng)用一般局限于生產(chǎn)領(lǐng)域，而無法反應(yīng)產(chǎn)品的全流程[3-5]。

生命周期能耗是基于生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)理論衍生而來的新興領(lǐng)域。LCA研究實質(zhì)性起步是在1990年左右，其中，歐洲、日本是國外研究較為集中的代表，隨后，ISO相繼頒布國際標(biāo)準(zhǔn)，20世紀(jì)90年代我國也開啟了LCA研究，特別是馬雪等[6]研究建立的中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫(CLCD)并設(shè)計開發(fā)eFootprint評價系統(tǒng)為代表取得重要推動作用，岳忠春[7]等分析了近年國內(nèi)總體呈現(xiàn)迅速發(fā)展的研究趨勢。生命周期能耗正是基于LCA過程，側(cè)重反映全生命周期中物質(zhì)流和能量流定量輸入輸出而顯現(xiàn)的全過程能耗水平。相比而言，綜合能耗可能對于某個單一生產(chǎn)系統(tǒng)呈現(xiàn)合格值甚至先進(jìn)值，但在產(chǎn)品全生命周期過程中，處于其上游和下游的不同階段可能存在潛在的能耗轉(zhuǎn)移，該產(chǎn)品全鏈條周期的總能耗水平可能并不合理。劉欣等[8]基于跨境可再生資源對我國原生資源的替代關(guān)系，提出一種跨境可再生資源生命周期能耗評估方法，該研究是采用基于ecoinvent數(shù)據(jù)庫建立生產(chǎn)過程的流程和物耗數(shù)據(jù)模型，利用CML-IA方法計算評估。

基于生命周期視角的綜合能耗，是本文結(jié)合了傳統(tǒng)綜合能耗和生命周期能耗的特點，針對跨境可再生礦冶產(chǎn)品設(shè)定的另一類型。該類型界定并涵蓋國際運(yùn)輸、海關(guān)查驗、國內(nèi)運(yùn)輸、初級產(chǎn)品加工4個過程的特定生命周期全過程數(shù)據(jù)，分析過程不局限于傳統(tǒng)綜合能耗的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，而擴(kuò)展至跨境的全過程，表達(dá)形式采用產(chǎn)量能耗、產(chǎn)值能耗、投入能耗評估，核算基于跨境生命周期視角的不同類型的綜合能耗。這有利于反映跨境可再生礦冶產(chǎn)品的特定生命周期過程的能源消耗實況、跨境市場行情、投入產(chǎn)出效率的多維要素，這也是跨境產(chǎn)品收益分析的并行指標(biāo)，可以連同收益分析共同作為跨境產(chǎn)品利用效率的綜合評價要素。

1.2 收益分析

收益分析可以基于目標(biāo)產(chǎn)品在國際國內(nèi)礦冶產(chǎn)業(yè)的利用價值或利用效率的角度，對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、利用效率等維度的收益分析，通過經(jīng)濟(jì)收益、環(huán)境收益或者能效評價等不同方式和不同技術(shù)路徑進(jìn)行，本文針對前兩者進(jìn)行收益分析。

對跨境氧化鋅富集物而言，可以針對其特定生命周期過程，從經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境收益的角度，開展收益分析，與能耗指標(biāo)共同作為評價其利用的支撐數(shù)據(jù)。此外，也可以從能效評價角度開展分析，傳統(tǒng)的能效評估起初多應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品，后來在工業(yè)領(lǐng)域逐步得到一定的應(yīng)用擴(kuò)展。宋晨希[9]等從理論分析角度，對不同國家能效項目中工業(yè)行業(yè)能效領(lǐng)域出現(xiàn)的6種典型能效評價方法，分別為簡單指標(biāo)對比法、隨機(jī)前沿分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)法、逼近理想值排序法、泰勒展開法、可拓物元法。其中，隨機(jī)前沿分析法主要服務(wù)于美國的能源之星項目，數(shù)據(jù)包絡(luò)法是涵蓋基于“輸入”和“輸出”的線性規(guī)劃方法和基于數(shù)據(jù)包絡(luò)模型構(gòu)造綜合指標(biāo)的技術(shù)方法[9-11]。楊紹鵬等基于區(qū)域能源管理云平臺的企業(yè)能耗數(shù)據(jù)，選取產(chǎn)品單耗、產(chǎn)值能耗、能源加工轉(zhuǎn)換效率、能效數(shù)據(jù)質(zhì)量和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)5個維度指標(biāo)，構(gòu)建了工業(yè)能效指數(shù)EEI模型[12]。但是從能效評估的應(yīng)用類文獻(xiàn)分析，工業(yè)行業(yè)的總體應(yīng)用仍不夠廣泛，可再生礦冶產(chǎn)品屬于一般工業(yè)原料，開展此類能效評估的應(yīng)用有待深入[13]。

2 跨境氧化鋅富集物能耗和收益分析實例

2.1 分析實例基準(zhǔn)條件

實例分析選擇國內(nèi)某大型冶煉企業(yè)的跨境氧化鋅富集物(以60%ZnO核算)加工生產(chǎn)鋅錠的資源利用過程為對象，采用該企業(yè)和相關(guān)行業(yè)2019年度信息為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，評估涉及過程為氧化鋅富集物自出口國開始，集裝箱海運(yùn)方式入境，至我國加工成鋅錠為止。評估企業(yè)主要工藝條件如圖1、圖2所示。

圖1 氧化鋅富集物制備鋅液流程Figure 1 Preparation of liquid zinc from zinc oxide concentrate.

2.2 能耗分析計算

2.2.1 基于生命周期視角的綜合能耗

評估計算實例中，分別以單位產(chǎn)量、單位產(chǎn)值、單位投入為基準(zhǔn)單位，核算各種能源實物量或耗能工質(zhì)總量ei，結(jié)合對應(yīng)折算系數(shù)pi，量化計算得到單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗、單位投入能耗數(shù)值，計算中，區(qū)別于傳統(tǒng)綜合能耗，考慮涵蓋跨境可再生礦冶的特定生命周期過程中所有能源和耗能工質(zhì)消耗，具體分解詳見圖3。

圖2 鋅電解熔鑄工藝流程Figure 2 Process flow of zinc electrolytic melting and casting.

圖3 不同能耗對應(yīng)的計算基準(zhǔn)變量Figure 3 Calculation benchmark variables corresponding to different energy consumption.

同時，以采用濕法煉鋅工藝(有浸出渣火法處理工藝)的一般工業(yè)產(chǎn)品鋅冶煉國標(biāo)限額進(jìn)行對比[14]，其中，產(chǎn)值能耗與投入能耗的國家標(biāo)準(zhǔn)參比值分別以評估周期產(chǎn)品市場價格和投入產(chǎn)出系數(shù)折算確定，參比分析情況如圖4所示。

評估計算結(jié)果表明，單位產(chǎn)量能耗、單位產(chǎn)值能耗、單位投入能耗這三個能源效率一級指標(biāo)均低于國家標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)參比值，列于優(yōu)越水平，驗證結(jié)果符合評估企業(yè)在國內(nèi)行業(yè)中的代表水平。

2.2.2 基于eFootprint評價系統(tǒng)的生命周期能耗

區(qū)別上述基于生命周期視角的綜合能耗算法，本方法依據(jù)國內(nèi)CLCD數(shù)據(jù)庫，基于eFootprint評價系統(tǒng)計算跨境氧化鋅富集物的生命周期能耗，即初級能源消耗PED值。

計算分析中，以進(jìn)口氧化鋅富集物生產(chǎn)1 t鋅錠為功能單位，涵蓋國際運(yùn)輸、海關(guān)查驗、國內(nèi)運(yùn)輸以及包含選定工藝中除氯、浸出、凈化、電解、熔鑄和副產(chǎn)品生產(chǎn)等系列過程，采用初級能源消耗(PED值)作為能耗評估指標(biāo)。根據(jù)評估對象，對上述過程中物質(zhì)流和能量流的基礎(chǔ)采集數(shù)據(jù)，建立生命周期中原輔料輸入、能源輸入與產(chǎn)品輸出數(shù)據(jù)的物料清單，詳見表1。

圖4 評估值與國家標(biāo)準(zhǔn)限額的參比分析Figure 4 Comparative analysis of evaluation value and national standard limit.

表1 氧化鋅富集物生產(chǎn)鋅錠生命周期物料清單

利用eFootprint評價系統(tǒng)對跨境氧化鋅富集物生產(chǎn)鋅錠的特定過程實施建模，關(guān)聯(lián)生命周期上下游過程，通過eFootprint評價系統(tǒng)綜合運(yùn)算，得到目標(biāo)建模過程的跨境氧化鋅富集物生命周期能耗(PED值)。運(yùn)算中取舍原則以各項原材料投入占產(chǎn)品重量或過程總投入的重量比為依據(jù)，普通物料重量<1%產(chǎn)品重量時，以及含稀貴或高純成分的物料重量<0.1%產(chǎn)品重量時，可忽略該物料上游生產(chǎn)數(shù)據(jù)，累計忽略物料重量不超過5%；副產(chǎn)品采用價值占比分配進(jìn)行。

同時，為了對比可再生產(chǎn)品和一般工業(yè)產(chǎn)品過程，利用該評價系統(tǒng)查詢得到相同工藝基準(zhǔn)下，一般工業(yè)產(chǎn)品冶煉鋅錠的初級能源消耗PED值，對比如表2所示。

表2 兩種冶煉途徑的初級能源消耗對比

綜上計算結(jié)果和對比分析，跨境氧化鋅富集物冶煉鋅錠的初級能源消耗值要稍高于一般工業(yè)產(chǎn)品精礦冶煉鋅錠的初級能源消耗值，這可能與氧化鋅富集物本身富集成分復(fù)雜，導(dǎo)致后期冶煉過程消耗稍多能源有關(guān)。同時，通過對初級能源消耗和千克標(biāo)準(zhǔn)煤的折算發(fā)現(xiàn)，跨境氧化鋅富集物冶煉鋅錠的生命周期能耗(初級能源消耗PED值)也是低于前述基于生命周期視角的綜合能耗(產(chǎn)量能耗)，這是由于，在采用eFootprint評價系統(tǒng)的生命周期能耗中，不僅考慮能源和耗能工質(zhì)，還追溯每一種添加物料的上游生產(chǎn)數(shù)據(jù)消耗。在氧化鋅富集物等可再生礦冶的利用中，可能會依據(jù)實際情況而確定采用何種評估數(shù)據(jù)方式，或者確定接受能耗上下浮動和收益的綜合利用價值。

2.3 收益分析計算

在跨境這一特定生命周期過程，以單噸富集物加工生產(chǎn)得到鋅錠價值與利用單噸富集物耗費(fèi)總成本差值，作為經(jīng)濟(jì)收益核算；同時，利用單噸富集物與一般精礦工業(yè)產(chǎn)品相比，通過有效含量折算，以單噸富集物節(jié)省精礦價值和能源消耗以及環(huán)保處理費(fèi)用總額，作為環(huán)境收益核算。結(jié)果如表3所示。

表3 收益分析結(jié)果

經(jīng)濟(jì)收益和環(huán)境收益分析結(jié)果表明，評估對象顯示出較為優(yōu)越的收益綜合表現(xiàn)，符合評估企業(yè)在行業(yè)中的技術(shù)水平，也符合選定評估產(chǎn)品在行業(yè)中的代表水平；同時，結(jié)合前述能耗評估結(jié)果，根據(jù)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需求現(xiàn)狀，可以共同作為可再生礦冶產(chǎn)品資源利用價值綜合評估的重要參考要素。

3 跨境氧化鋅富集物能耗和收益分析應(yīng)用前景

3.1 健全完善礦冶再生資源利用技術(shù)的應(yīng)用價值評估體系

隨著再生資源利用技術(shù)的不斷提升和市場發(fā)展需求的逐步變化，其它可再生礦冶的利用覆蓋率可能會不斷擴(kuò)大，每一種礦冶產(chǎn)品領(lǐng)域的資源化利用技術(shù)，需要全方位的科學(xué)評估，而針對于跨境來源的產(chǎn)品，受到的政策影響、產(chǎn)品品質(zhì)、耗能實況、經(jīng)濟(jì)價值、環(huán)境影響等因素較多，合理科學(xué)的能耗和收益分析能夠為礦冶領(lǐng)域的再生資源科學(xué)利用提供更多選擇，能夠更為有效促進(jìn)礦冶資源利用技術(shù)的綠色發(fā)展。同時，能耗和收益分析可以作為碳耗評估和碳耗效率評估的重要參考要素，因此，開展跨境可再生礦冶產(chǎn)品能耗和收益的科學(xué)評估，對于在口岸環(huán)節(jié)研究促進(jìn)碳耗調(diào)減策略、促進(jìn)我國確立的碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實現(xiàn)具有積極意義。

3.2 有效支撐跨境可再生礦冶產(chǎn)品的事后監(jiān)管

傳統(tǒng)的固體廢物和可再生資源產(chǎn)品之間的管理政策紅線已經(jīng)明晰，新版《固廢法》(2020版)和2020年11月生態(tài)環(huán)境部、商務(wù)部、發(fā)改委和海關(guān)總署聯(lián)合公告(2020年第53號)《關(guān)于全面禁止進(jìn)口固體廢物有關(guān)事項的公告》的頒布，進(jìn)一步指明了跨境禁止進(jìn)口類別的管理要求。隨著可再生資源利用技術(shù)的提高，可再生產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，國內(nèi)利用市場的不斷變化，跨境可再生資源產(chǎn)品可能會呈現(xiàn)動態(tài)調(diào)整局面，而這就需要事后監(jiān)管提供可靠依據(jù)。在此背景下，開展跨境可再生礦冶產(chǎn)品的能耗和收益分析，合理評估資源化利用的實際效率，對于環(huán)保、工信、海關(guān)等部委實施事后監(jiān)管支撐具有重要意義，可為國家管控政策動態(tài)調(diào)整提供技術(shù)依據(jù)。

4 結(jié)語

通過對能耗和收益分析的基礎(chǔ)方法及其應(yīng)用狀況分析，明確了跨境氧化鋅富集物的自身特點，利用基于生命周期視角的綜合能耗和經(jīng)濟(jì)環(huán)境綜合收益在可再生礦冶產(chǎn)品中的評估應(yīng)用，計算評估了代表性的氧化鋅富集物礦冶產(chǎn)品的能耗和收益狀況，顯示出合理結(jié)果。這為該評估方法在跨境可再生礦冶領(lǐng)域其它產(chǎn)品的應(yīng)用提供了重要參考，也為可再生礦冶產(chǎn)品能耗和收益評估這一工作在未來的綠色低碳發(fā)展和應(yīng)用方向拓寬了技術(shù)方法支撐。

當(dāng)前，我國已明確提出實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)計劃，這為國家宏觀管理層面和各個產(chǎn)業(yè)運(yùn)行層面的能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展指明了方向。首先，在各領(lǐng)域內(nèi)謀劃產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和降碳政策的同時，系統(tǒng)完善多維度的綠色評估技術(shù)也是實現(xiàn)科學(xué)統(tǒng)籌的重要一環(huán)。其次，未來工業(yè)產(chǎn)品的生態(tài)準(zhǔn)入標(biāo)簽可能會得到普及，綠色設(shè)計產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系正在不斷擴(kuò)展，能耗和收益評估技術(shù)可以作為進(jìn)口固廢禁令后技術(shù)研究和政策優(yōu)化的重要方向。此外，任何評估技術(shù)都會促進(jìn)行業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，反之，可再生資源的合理利用在一定程度上也依賴于專業(yè)數(shù)據(jù)庫，因此，可再生資源利用及評估技術(shù)的行業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)在未來具有較大發(fā)展空間。