丁紹蘭，劉云，汪雁，王家宏，桑向偉，嚴(yán)賽寧

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710021;2.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院 清潔生產(chǎn)技術(shù)中心，陜西 西安 710010)

氯化鋇是一種重要的化工原料。制造氯化鋇產(chǎn)生大量的氯化鋇廢渣，嚴(yán)重影響氯化鋇的生產(chǎn)單耗[1]。因此深入研究氯化鋇生產(chǎn)過程污染物產(chǎn)生及排放情況，確定污染治理措施，減少環(huán)境污染具有重要意義。

生命周期評估(LCA)是對物質(zhì)能量利用和環(huán)境排放的定量研究，以評估由產(chǎn)品或生產(chǎn)活動引起的環(huán)境問題[2-5]，并最終識別和量化減少環(huán)境負(fù)荷的關(guān)鍵機(jī)會，并探索改善環(huán)境的有效方法[6-8]。

本研究基于LCA的原理及理論框架，對氯化鋇項目的清單數(shù)據(jù)進(jìn)行收集量化，進(jìn)行生命周期影響評價。進(jìn)而提出氯化鋇產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的參考依據(jù)，促進(jìn)氯化鋇產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈的綠色發(fā)展和清潔生產(chǎn)[9-10]。

1 研究方法和工具

生命周期評估法是根據(jù)ISO14040《環(huán)境管理生命周期評估原則和框架》的相關(guān)規(guī)定和相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)制定的。研究對象是傳統(tǒng)的氯化鋇生產(chǎn)工藝，它包括酸化、精制、壓濾、離心干燥、包裝和蒸發(fā)6個過程的完整生命周期模型，通過收集輸入輸出數(shù)據(jù)得到完整的生命周期清單，分析軟件eBalance(該軟件內(nèi)置中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)、歐盟ELCD數(shù)據(jù)庫和瑞士Ecoinvent數(shù)據(jù)庫[11])進(jìn)行生命周期影響評估。

1.1 目標(biāo)和范圍的確定

1.1.1 功能單位 產(chǎn)量是影響化工行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)。對于氯化鋇而言，產(chǎn)率通常指的是單位質(zhì)量產(chǎn)率，因此單位質(zhì)量是制造氯化鋇過程中非常重要的參數(shù)[12]。為符合本次課題的研究目的，確定了質(zhì)量參數(shù)，功能單位是1 t氯化鋇固體。

1.1.2 系統(tǒng)邊界 采用入廠門到出廠門(即產(chǎn)品生產(chǎn)過程)的觀點。系統(tǒng)邊界包括氯化鋇在廠內(nèi)的生產(chǎn)加工、能耗的輸入，不包括生產(chǎn)原料的加工和運(yùn)輸，即不考慮鹽酸和礦粉等原料的生產(chǎn)過程。

采用碳酸鋇(BaCO3)生產(chǎn)氯化鋇只用鹽酸一步反應(yīng)既得，反應(yīng)原理：將碳酸鋇粉加入稀釋到一定濃度的鹽酸中浸泡在攪拌條件下使其充分反應(yīng)，該法中粉末狀礦粉與鹽酸反應(yīng)迅速，產(chǎn)生大量氣泡，反應(yīng)完全后控制pH值為2。然后加入石灰調(diào)節(jié)pH 8，再經(jīng)結(jié)晶、板框壓濾機(jī)過濾，過濾出的清液流入成品池，清液送至濃縮蒸發(fā)工段，然后離心甩干，經(jīng)干燥、包裝即得固體氯化鋇產(chǎn)品。主要包括6個工段：酸化工段、精制工段、壓濾工段、離心、干燥工段、包裝工段和蒸發(fā)工段。系統(tǒng)中不包括生產(chǎn)機(jī)械所需物料，即在環(huán)境影響因素中不考慮制氯化鋇機(jī)械的制造。

1.2 清單分析

ISO將清單分析定義為“對產(chǎn)品、過程或活動在其整個生命周期內(nèi)的所有輸入和輸出進(jìn)行匯編和量化的過程”[13]。清單分析 (LCI) 是LCA四個步驟中最重要的部分，也是最耗時，最復(fù)雜的部分。它直接影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。清單分析是一個迭代過程，有時需要在數(shù)據(jù)收集的情況下適當(dāng)修改系統(tǒng)邊界。

這一部分是重點，涉及的方面多、工作量大，目的是建立氯化鋇的生命周期清單，為此需要采集制氯化鋇企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)詳見圖1。生命周期的清單數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古某制氯化鋇企業(yè)實地調(diào)研與相關(guān)文獻(xiàn)。

圖1 氯化鋇生產(chǎn)LCI清單數(shù)據(jù)及系統(tǒng)邊界圖Fig.1 Life cycle inventory data and system boundary of barium chloride production process

2 生命周期影響評價

氯化鋇生產(chǎn)過程的生命周期影響評估(LCIA)是根據(jù)物料消耗數(shù)據(jù)和相關(guān)能源和污染物排放數(shù)據(jù)的清單分析，對氯化鋇生產(chǎn)過程的環(huán)境影響進(jìn)行評估。選取的環(huán)境評價指標(biāo)包括:非生物資源消耗潛力(ADP)、酸化潛力(AP)、中國化石能源消耗潛力(CADP)、中國資源消耗潛力(CADP)、一次能源消耗(PED)、工業(yè)用水量(IWU)、可吸入無機(jī)物(RI)和淡水消耗(用水)。

2.1 特征化指標(biāo)

特征化計算采用不同的量化方法，主要有定性法和定量法兩類。定量方法一般采用當(dāng)量因子法，定量計算影響因子對環(huán)境影響的強(qiáng)度。對于在生命周期中具有相似環(huán)境效應(yīng)的物質(zhì)，可根據(jù)與該物質(zhì)相關(guān)的等效因子(即LCA特征化因子)換算累加參考值，所得結(jié)果稱為該效應(yīng)類型的生命周期特征化指標(biāo)。可以對同一影響類別下的數(shù)據(jù)進(jìn)行表征，使其具有可比性，并且不能在不同影響類別之間進(jìn)行表征比較[14]。

使用eBalance軟件計算得到氯化鋇生產(chǎn)過程各工段環(huán)境影響特征化指標(biāo)的數(shù)據(jù)，見表1。生產(chǎn)過程中各生產(chǎn)工序?qū)Ω鳝h(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)率見圖2。

由表1、圖2可知，酸化工段和蒸發(fā)工段對工業(yè)用水量和淡水消耗量影響最大，其中蒸發(fā)工段為4.53E+02和4.53E+02，酸化工段為2.33E+02和2.33E+02；離心、干燥工段和壓濾工段對工業(yè)用水量和淡水消耗量稍有影響，影響遠(yuǎn)小于酸化與蒸發(fā)工段。這是因為酸化階段投入鹽酸的過程中帶入了大量的新鮮水，而后生成氯化鋇母液循環(huán)或隨廢液排出，為達(dá)到節(jié)約用水，綠色發(fā)展，可以在未來引進(jìn)更加先進(jìn)的工藝，提高毒重石質(zhì)量和與鹽酸的反應(yīng)配比，提高反應(yīng)效率，以減少新鮮水的投入。蒸發(fā)段蒸發(fā)過程采用三效下游蒸發(fā)過程，消耗大量淡水進(jìn)行冷凝。在施工中，應(yīng)建立回循環(huán)池，用于冷凝水的回收利用，以減少淡水的損失。

表1 氯化鋇生產(chǎn)過程特征化指標(biāo)數(shù)值表Table 1 Characteristic index values of barium chloride production process

圖2 氯化鋇生產(chǎn)過程各個工序特征化指標(biāo)的貢獻(xiàn)圖Fig.2 Contribution of each process in barium chloride production process to characteristic index

蒸發(fā)、酸化、壓濾和離心干燥工段對一次能源消耗都有所影響，分別是6.45E+00、3.71E+00、2.98E-02、2.86E-01，這是由于在這些過程中都有電力的消耗，而所消耗的電力均來源于煤的燃燒，未來若想要減少一次能源消耗對環(huán)境的影響，可以尋求一些替代能源，如清潔的風(fēng)力發(fā)電或者太陽能發(fā)電。另外，酸化、壓濾、離心干燥與蒸發(fā)工段對于中國化石能源消耗潛值和中國資源消耗潛值都稍有影響，但影響微乎其微。酸化工段還對酸化潛值有所影響，為1.53E-03，這是因為酸化工段使用碳酸鋇粉、鹽酸和循環(huán)母液作為原料，且反應(yīng)的pH值在4～5之間，這些都會對酸化潛值有所影響，酸化潛值的影響主要體現(xiàn)在未來處理酸性廢液，需要注意酸堿度，選用合適的工藝來進(jìn)行綠色無害化處理。

2.2 歸一化結(jié)果

歸一化處理結(jié)果見圖3。

圖3 氯化鋇生產(chǎn)過程各工序?qū)^程清單歸一化指標(biāo)貢獻(xiàn)圖Fig.3 Contribution of each process in barium chloride production process to process list normalization index

歸一化是一種去量綱的方法，以方便不同指標(biāo)之間的相互比較。歸一化的具體方法是將產(chǎn)品或系統(tǒng)的特征指標(biāo)值除以歸一化參考值。歸一化的參考值通常是特征指標(biāo)在特定范圍內(nèi)(如全局、區(qū)域或局部)的值，從而得到一個無量綱的值[15]。歸一化可以更好地識別該產(chǎn)品或系統(tǒng)的主要環(huán)境影響類型。本論文所使用的標(biāo)準(zhǔn)是“CN-2010”的標(biāo)準(zhǔn)化方案，它集成在eBalance軟件中，以2010年中國的資源消耗總量和環(huán)境排放總量為基準(zhǔn)，計算得到氯化鋇生產(chǎn)過程產(chǎn)生的各類環(huán)境影響類型的歸一化指標(biāo)，其中ADP為5.37E-14、AP為4.20E-14、CADP(fossil fuel)為3.24E-14、CADP為3.24E-14、PED為1.19E-13、IWU為4.95E-12、RI為2.95E-14、Water Use為1.18E-12。綜上能夠得出工業(yè)用水量(EIWU)是氯化鋇生產(chǎn)全生命周期中最重要的環(huán)境影響類型，這是因為制取氯化鋇的各工段，都需要使用大量新鮮水，因此造成工業(yè)水用量高居不下，使得工業(yè)用水量成為制取氯化鋇的關(guān)鍵環(huán)境影響類型。該工藝技術(shù)可以改進(jìn)，如鹽酸水解硫化鋇黑灰(重晶石與煤還原煅燒的產(chǎn)物)生產(chǎn)氯化鋇以減少工業(yè)用水量，減少對環(huán)境的影響實現(xiàn)更高程度的清潔生產(chǎn)。通過歸一化結(jié)果可以看出未來在制氯化鋇企業(yè)清潔生產(chǎn)審核的過程中應(yīng)當(dāng)更加注意水和一次能源的消耗，清潔生產(chǎn)的審核重點應(yīng)關(guān)注節(jié)水和降耗。

3 生命周期結(jié)果解釋

清單數(shù)據(jù)敏感性是指由單位存貨數(shù)據(jù)的變化率引起的相應(yīng)指標(biāo)的變化率。敏感性分析可以識別對生命周期評價結(jié)果影響最大的關(guān)鍵過程和庫存數(shù)據(jù)，從而提出相應(yīng)的改進(jìn)[16]。通過eBalance軟件的計算分析，得到各類生產(chǎn)工藝對氯化鋇生產(chǎn)過程中環(huán)境影響的敏感性，直觀展示出氯化鋇生產(chǎn)工藝對全生命周期各類環(huán)境影響的貢獻(xiàn)量，見圖4。

圖4 氯化鋇生產(chǎn)過程各工序?qū)Σ煌h(huán)境影響指標(biāo)的敏感度累計圖Fig.4 Cumulative sensitivity of each process in barium chloride production process to different environmental impact indicators

由圖4可知，蒸發(fā)工序中硬煤的消耗對各個指標(biāo)貢獻(xiàn)最大，其次是酸化工序中濃縮母液消耗和硬煤的消耗，然后是離心干燥工序中硬煤的消耗，酸化過程中的氯化鋇固體的生成次之。煤的消耗主要是用于提供蒸發(fā)所需要的蒸汽與電能，因此，可以通過提升改造來減少蒸汽的損失，提高熱轉(zhuǎn)化效率，或使用清潔能源來提供蒸汽和電力，以此來減少煤炭的消耗。

4 結(jié)論

本論文收集制氯化鋇各個工段的輸入和輸出流，利用LCA系統(tǒng)分析制氯化鋇過程中所產(chǎn)生的污染物，對制氯化鋇的整個生命周期進(jìn)行研究。對提高制氯化鋇廠的綠色環(huán)境管理水平，挖掘清潔生產(chǎn)內(nèi)在動力具有重大意義。LCA有許多的用途，它有助于不同地域、不同工藝的分析比較，從而取長補(bǔ)短；同時可以針對氯化鋇生產(chǎn)過程的排污細(xì)節(jié)量化，為相關(guān)工作提供一個可以借鑒的方法。另外，制氯化鋇LCA可以幫助分析清潔生產(chǎn)工藝對于環(huán)境的友好程度。

研究結(jié)果表明，工業(yè)用水量(EIWU)是氯化鋇生產(chǎn)全生命周期中最主要的環(huán)境影響類型，淡水消耗量(WU)、一次能源消耗(PED)次之。在各個生產(chǎn)工序中，蒸發(fā)工序中硬煤的消耗是各個指標(biāo)貢獻(xiàn)最大的過程，其次是酸化工序中濃縮母液消耗和硬煤的消耗，然后是離心干燥工序中硬煤的消耗，酸化過程中的氯化鋇固體的生成次之。

酸化工段、離心、干燥工段和蒸發(fā)工段這3個工段對環(huán)境污染影響值高于其他工段。在工業(yè)設(shè)計及實際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)格外關(guān)注，并及時改進(jìn)調(diào)整。