皮江法炼镁过程生命周期评价.pdf

第6 l 卷第4 期 2 009 年11 月 有色金属 N o n f e r ／o t i sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 N o v e m b e r ．20 09 皮江法炼镁过程生命周期评价 高枫1 ”，冯乃祥1 ，毕颖2 ，彭建平1 ，任保轶1 ’2 1 ．东北大学材料与冶金工程学院，沈阳110 0 0 4 ；2 ．沈阳化工学院化学工程学院，沈阳1 10 1 4 2 摘要应用生命周期评价方法研究皮江法炼镁过程能量消耗和环境负荷，定量的分析整个生产工艺中资源、能源投入、环境排放及环 境影响。结果表明．皮江法炼镁能耗大，为1 ．4 8X 1 0 5 M J ／t 。温室效应对环境负荷影响最大，占总环境负荷额的4 9 ．6 5 ％。 关键词环境工程；皮江法炼镁；生命周期评价；能量消耗；环境负荷 中图分类号X 8 2 0 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 4 0 1 8 5 0 4 镁是一种性能优良的金属材料，主要应用在铝 合金 4 3 ％ ，钢铸件 3 3 ％ 和钢铁脱硫 1 0 ％ ⋯， 由于镁具有密度小，强度高，并能与铝、铜、锌等金属 构成高强度合金及较好的合金铸造性能等优点，因 此镁及镁合金的开发和应用日益受到重视，近年来 世界对镁的需求量逐年增加。至2 0 0 1 年平均递增 率5 ％～6 ％，到2 0 0 7 年达到6 0 万t 口o ，是2 0 0 0 年需 求量的1 6 3 ．5 ％。我国是世界上最大的镁生产国 家，提供世界镁需求量的4 0 ％～5 0 ％，皮江法炼镁 是我国镁生产的主要方法，与电解法炼镁工艺相比， 具有工艺流程简单、投资省、建设周期短、生产过程 中不使用有毒原料，但由于冶金技术落后，生产过程 中存在着能源消耗大、环境污染严重等缺点。 生命周期评价 L i f eC y c l eA s s e s s m e n t ，L C A 是 一种对产品、生产工艺及活动的环境负荷进行评价 的客观过程，它通过对能量和物质消耗以及由此产 生的废弃物排放进行辨识和量化，来评估能量和物 质利用对环境的影响，以寻求改善产品和工艺的途 径1 。由于这种评价贯穿产品、工艺和活动的整个 生命周期，包括原材料的提取与加工、产品制造、运 输和销售，废物循环和最终废弃物处置等各个环节。 因此在国内外各个领域被广泛应用一。运用L C A 法系统研究皮江法炼镁过程中的环境负荷，以期望 其综合分析结果能为企业作为高效决策提供依据。 1目标和范围的确定 研究是以我国某镁厂的生产过程为研究对象。 得到L C A 过程中对环境影响的工艺环节和影响类 别，分析其产生的原因，并提出合理性改进意见。评 价过程以1 t 镁锭为功能单位，其他生产设备和建筑 物设施相关的环境污染暂不考虑，系统边界如图1 所示。 l 矿石I - l 煤l 一磊p - l 呱．№盏臻⋯魍卜 矿石 硅铁、萤石t - - 压团 I 真空冶炼 2 C a O ‘M g O F e S i 1 - 2 M g 2 C a O ’S i O z F e 图1 皮江法炼镁L C A 边界 F i g ．1S c o p eo fL C Ao fP i d g e o nm a g n e s i u mp r o d u c t i o np r o c e s s 废气 烟尘 炉渣 收稿日期2 0 0 9 - 0 3 - 0 3 2 清单分析 L C I 基金项目国家“十一五”科技支撑计划重点项目 2 0 0 6 B I F J 4 8 5 - 4 作者简介高枫 1 9 7 6 一 。男．辽宁营口市人，讲师，博士．主要从 根据工艺过程和实际调查，所研究的体系主要 事镁冶炼等方面的研究。 有 1 能源消耗，运输过程燃料、生产过程电、煤等 万方数据 1 8 6 有色金属第6 1 卷 能源消耗； 2 物质消耗，白云石、还原剂硅铁、添加 剂萤石等原料消耗； 3 生产过程中废气的排放， C O 、C O 、N O x 等气体排放； 4 冶炼后废渣； 5 产 品镁锭。 对皮江法炼镁工艺运行状况进行调研和数据采 集。工艺流程中，白云石和煤运输采用1 0 t 全封闭 柴油车，运输距离分别设为5 k m 和8 0 k m 。1 0 t 卡车 柴油消耗2 ．9 2 6 k ．g ／k m ，发热量1 3 2 ．6 1 M J ，二氧化碳 排放量为0 ．7 4 2 k g ，二氧化硫0 ．0 0 0 9 1k g ，氮氧化物 0 ．0 0 2 2 9 k g 1 。煅烧工段和真空冶炼工段主要煤能 源消耗，按照国家发改委提供的数据，1 t 标准煤燃 烧发热量2 9 2 7 0 M J ，二氧化碳排放量为2 6 2 0 k g ，二氧 化硫8 ．5 k g ，氮氧化物7 ．4 k g 。电力消耗1 k W h 折 算标准煤3 1 6 ．4 9 进行计算。 冶炼后废渣主要成分为C a O S i O ，可以用作 石膏和工业用砖，硅铁与萤石用量很少，这两部分生 产过程能量消耗和环境负荷暂不做分析。表1 列出 皮江法炼镁过程各环节的基础数据。 表l镁锭单位物耗、能耗与排放物⋯9 1 T a b l e1 I n v e n t o r yo f1 tM gi n g o tp r o d u c t i o np r o c e s s 3 影响评价 L C I A 与分析 根据L C I 过程中列出的要素对环境影响进行定 量和定性分析，对潜在环境影响的程度进行评价，研 究中采用S E T A C 生命周期评价组织提供的方法论， 即分类、特征化和评价。 3 ．1 分类及特征化 将表1 中数据组合成相对一致的影响类型，通常 包括不可再生资源消耗、生态影响和人类健康三大类。 表2 皮江法炼镁环境影响分类结果 T a b l e2E n v i r o n m e n t a li m p a c tr e s u l to fP i d g e o n m a g n e s i u mp r o c e s s 不可再生资源消耗 A D P 温室效应 G W P 酸化效应 A P 光化学烟雾形成 P O C P 人体健康损害 H T 煤、白云石、萤白．、柴油 C 0 2 S 0 2 ，N O ， N O ， S 0 2 、N O ，、烟尘 特征化是根据环境影响指标分类，依据一定的 模型将各编目分析的数据转化为相应的环境影响指 标，目的将每一个影响类别中的不同物质转化和汇 总为统一的单元。目前国际上使用的特征化模型主 要有负荷模型、当量模型、固有化学特性模型、总体 暴露一效应模型、点源暴露一效应模型0 | ，研究中 采用采用当量模型的方法，环境影响因素特征化因 子参考文献⋯。1 引。 表3 特征化结果 T a b l e3C h a r a c t e r i s t i c sr e s u l t 3 ．2 评价结果 评价是将不同环境影响给予相对的权重，以得 到整合性影响指针，使决策者在决策过程中能够完 整的捕捉及衡量所有方面的影响“，为确定不同影 响类型相对贡献大小，需对特征化结果进行归一化， 归一化步骤是以类型参数结果除以选定的基准值加 以转换，采用世界范围内环境负荷总量归一化标准， 分别为A D P 为1 ．5 7 1 0 ”k g 锑当量，G W P 为3 ．8 6 1 0 ”k gC 0 2 当量，A P 为2 ．9 9 1 0 “k gS 0 2 当量， P O C P 为4 ．5 5 1 0 ⋯k g 乙烯当量、Ⅳr 为4 ．9 8 1 0 ” k g l ，4 - 二氯苯当量。在评价过程中需用数据不同的 加权因子和加权方法进行敏感性分析以评估不同价 值选择和加权方法对评价结果造成的影响。研究中 采用文献‘1 纠的权重系数A D P ，G W P ，A P ，P O C P ，日r 加权因子分别为0 ．0 5 2 ，0 ．4 4 4 ，0 ．2 6 2 ，0 ．1 5 3 ，0 ．0 8 9 。 万方数据 第4 期高枫等皮江法炼镁过程生命周期评价 1 8 7 表4 单位功能镁锭评价结果 T a b l e41lM gi n g o te n v i r o n m e n t a li m p a c tr e s u l t 影响类型 A D PC W PA PP O C PH T 7 ．4 24 5 ．3 91 6 ．0 22 2 ．5 5 0 ．0 3 9 8 ．1 24 9 ．6 5 1 7 ．5 2 2 4 ．6 70 ．0 4 评价结果 嚣二釜； 3 ．3 能量损耗分析 由表I 可知，采用皮江法生产I t 镁锭总能耗为 I ．4 8 1 0 5 M J ，能耗非常高。能源构成主要有煤、电、 柴油三种，其中能耗最多的资源是煤。从生产阶段 看，压团阶段、原料运输、粉碎阶段能源消耗少，分别 占总能源消耗0 ．4 4 ％，0 ．6 2 ％，0 ．9 5 ％，煅烧阶段耗 能相对较多，能耗比例1 5 ．2 1 ％。能耗最多的是真 空冶炼阶段，占到总能耗的8 0 ．8 4 ％，真空冶炼阶段 是还原剂高温真空下还原金属镁的过程，温度要求 维持在1 2 0 0 ℃一1 3 0 0 ℃，还原过程中采用大型真空 设备保持真空1 3 ．3 P a ，还原过程周期长 保持8 一 l O h ，采用新鲜水对镁蒸汽冷凝，因此能量消耗比 例相对较大。 图2皮江法炼镁能耗分析 F i g ．2E n e r g yc o s ta n a l y s i so fP i d g e o nm a g n e s i u m p r o d u c t i o np r o c e s s 3 ．4 环境负荷分析 分析皮江法炼镁过程环境负荷，由图3 可知，在 不可再生资源、温室效应、酸化效应等5 种影响类型 中，温室效应负荷最大，占环境负荷总值4 9 ．6 5 ％， 其次是光化学烟雾和酸化指数，所占比例分别为 2 4 ．6 7 ％和1 7 ．5 2 ％，不可再生资源相对重要性较小 占8 ．1 2 ％，而皮江法炼镁过程对人体健康损害比较 微小。由此可见，温室效应是环境负荷最重要的影 响类型，应得到严格管理和控制。 C O ，的排放主要发生在煅烧阶段和真空冶炼阶 段。主要来源于两个环节，煅烧阶段白云石高温分解 排放和煤燃烧的排放。因此在生产过程中可采取相 应措施减少C O ，，S O ，，N O ，等废气的排放。 1 采 用清洁高效能源 如煤气、天然气等 代替煤能源。 2 在煅烧和真空冶炼阶段可设置废气回收装置， 避免直接排放到大气中。 3 改进真空冶炼设备， 采用新型创新节能技术，减小能量损失。 4 工业 烟尘方面主要发生在破碎阶段，可利用袋式除尘设 备进行工业除尘。 图3 皮江法炼镁环境负荷分析 F i g ．3 E n v i r o n m e n t a ll o a d i n ga n a l y s i so fP i d g e o n m a g n e s i u mp r o d u c t i o np r o c e s s 4结论 1 采用L C A 法对生产1 t 镁锭皮江法炼镁过 程进行评价，结果显示皮江法炼镁过程能耗大，为 1 ．4 8X1 0 5 M J ／t ，其中真空冶炼阶段和煅烧阶段能耗 较多，分别占能耗总额的8 0 ．4 8 ％和1 5 ．2 l ％。温室 效应对环境负荷影响最大，所占比例4 9 ．6 5 ％。 C O ，S O ，，N O 。等废气的排放主要来源于煤的燃烧， 对煅烧炉和真空冶炼炉装置改进或采用清洁能源替 代煤能源可减少能量损耗和减轻对环境的负荷。 2 我国是世界上镁生产最大的国家，近几年 镁产量占世界总产量5 0 ％左右，皮江法炼镁是我国 炼镁主要方法，对皮江法工艺装置改进，提升皮江法 炼镁产业水平是皮江法炼镁当务之急。 3 L C A 评价方法克服了传统环境评价片面 性、局部性等弊病，有助于企业认识生产工艺各阶段 对环境负荷的影响，对于企业的可持续性发展有重 要的指导意义。应用L C A 评价方法考察l t 镁锭整 体生产行为与环境交互作用，分析和解决环境问题， 对于炼镁工业技术改造、新工艺的研发与环境方面 改善具有一定的参考意义。 万方数据 1 8 8 有色金属 第6 1 卷 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 6 7 8 9 F r a n c e s c oC h e r u b i n i ，M a r c oR a u g e i ，S e r g i oU l g i a t i ．L C Ao fm a g n e s i u mp r o d u c t i o nT e c h n o l o g i c a lo v e r v i e wa n dw o r l d w i d e e s t i m a t i o no f e n v i r o n m e n t a lb u r d e n s [ J ] ．R e s o u r c e s 。C o n s e r v a t i o na n dR e c y c l i n g ，2 0 0 8 。5 2 8 ／9 1 0 9 3 一1 1 0 0 ． 徐日遥．硅热法炼镁生产工艺学[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 2 7 ． I n t e r n a t i o n a lO r g a n i s a t i o nf o rS t a n d a r d i s a t i o n I S O ．1 S O1 4 0 4 0 1 9 9 7 ．E n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t - L i f ec y c l ea s s e s s m e n t P f i n c i - p l e sa n df r a m e w o r k [ s ] ． B e l i n d aL 6 p e z M e s a ，6 n g e lP i t a r c h ，A n aT o m d s 。e ta 1 ．C o m p a r i s o no fe n v i r o n m e n t a li m p a c t so fb u i l d i n gs t r u c t u r e sw i t hi ns i t u c a s tf l o o r sa n dw i t hp r e c a s tc o n c r e t ef l o o r s [ J ] ．B u i l d i n ga n dE n v i r o n m e n t ，2 0 0 9 ，4 4 4 6 9 9 7 1 2 ． M a r t l n e zE ，S a n zF ，P e l l e g r i n iS ，e ta 1 ．L i f ec y c l ea s s e s s m e n to fam u l t i m e g a w a t tw i n dt u r b i n e [ J ] ．R e n e w a b l eE n e r g y ，2 0 0 9 ， 3 4 3 6 6 7 6 7 3 ． 何静，马荣骏，曾光明，等．生命周期评价在锌冶炼加工过程中的应用[ J ] ．有色金属，2 0 0 6 ，5 8 2 9 9 1 0 2 ． 袁宝荣，聂诈仁，狄向华，等．乙烯生产的生命周期评价 I [ J ] ．化工进展，2 0 0 6 ，2 5 3 3 3 4 3 3 6 ． 李冬，司继涛，王洪涛．铬渣处理处置方法的生命周期评价[ J ] ．现代化工，2 0 0 6 ，2 6 s 1 2 9 8 3 0 1 ． R a m a k r i s h n a nS ，K o h u nP ．G l o b a lw a r m i n gi m p a c to ft h em a g n e s i u mp r o d u c e di nC h i n au s i n gt h eP i d g e o np r o c e s s [ J ] ． R e s o u r c e s ，C o n s e r v a t i o na n dR e c y c l i n g ，2 0 0 4 ，4 2 1 4 9 6 4 ． 樊庆锌，敖红光，孟超．生命周期评价[ J ] ．环境科学与管理，2 0 0 7 ，3 2 6 1 7 7 一1 8 0 ． 袁宝荣，聂诈仁，狄向华，等．乙烯生产的生命周期评价 Ⅱ [ J ] ．化丁进展，2 0 0 6 ，2 5 4 4 3 2 4 3 5 ． 王超．电石渣水泥和石灰石水泥生命周期评价的比较研究[ D ] ．成都西南交通大学，2 0 0 7 3 8 ． 邓胜南，王小兵．生命周期评价[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 3 1 3 3 ． 高峰．生命周期评价研究及其在中国镁工业中的应用[ D ] ．北京北京科技大学，2 0 0 8 7 9 ． L i f eC y c l eA s s e s s m e n to fP i d g e o nM a g n e s i u mP r o d u c t i o nP r o c e s s G A OF e n 9 1 ，2 ，F E N GN a i ．x i a n g ’，B IY i n 9 2 ，P E N GJ i a n - p i n g ’，R E NB a o ．y i l ’2 I ．M a t e r i a la n dM e t a l l u r g yA c a d e m y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，S h e n y a n gI n s t i t u t eo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y ，S h e n y a n g11 0 1 4 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee n e r g yc o s ta n de n v i r o n m e n t a ll o a d i n go fm a g n e s i u mp r o d u c t i o nw i t hP i d g e o np r o c e s sa r ei n v e s t i g a t e db y l i f ec y c l ea s s e s s m e n tm e t h o d ，a n dt h ew h o l em a g n e s i u mp r o d u c t i o np r o c e s sr e s o u r c e sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n ， e n v i r o n m e n t a le m i s s i o n sa sw e l la se n v i r o n m e n t a li m p a c ta r ea n a l y z e d ．A sac o n s e q u e n c e ，t h ec o n s u m p t i o no ft h e a b u n d a n c ee n e r g yw i t hP i d g e o nm a g n e s i u mp r o d u c t i o np r o c e s si sI ．4 8X10 3M J ／t M gi n g o ta n dg r e e n h o u s ee f f e c ti s t h eb i g g e s to n et oe n v i r o n m e n tl o a d i n g ，a c c o u n t sf o rt h et o t a la m o u n t4 9 ．6 5 ％． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；P i d g e o np r o c e s so fm a g n e s i u mp r o d u c t i o n ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ； e n e r g y c o s t ；e n v i r o n m e n t a ll o a d i n g 万方数据