株冶和韶冶锌冶炼过程的生命周期评价和清洁生产措施.pdf

第5 5 卷第3 期 20 03 年8 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S v 0 】5 5 ．N o3 A u g u s t 200 3 一一t 株冶和韶冶锌冶炼过程的 生命周期评价和清洁生产措施 肖骁1 ，- ，肖松文1 ，刘卫平1 ，马荣骏1 1 ．长沙矿冶研究院，长沙4 1 0 0 12 ；2 ．中南大学，长沙4 10 0 8 3 摘要以株洲冶琼厂湿法炼锌工艺与韶关冶琼厂火法炼锌工艺为代表，进行锌冶炼工艺生命周期评价研究。结果表明，抹 冶锌冶炼过程的G W P 低干韶冶，而G E R 、A C P 明显高于韶冶。抹冶、韶冶在A C P 、G W P 与国外先进水平存在明显差距。韶冶的 烧结、熔炼、动力与电站及株冶的菠处理、辅助工序是锌冶炼过程环境改善的关键。煤、焦等脏能源的大量使用是造成中国锌冶炼 过程高酸雨气体与温室气体排放的主要原因。提出氧化锌吸收处理低浓度s q 烟气、韶冶能源结构调整及株冶挥发窑原料结构 调整与工艺生产改造等清洁生产措施。 关键词抬金技术；锌冶炼；生命周期评价；清洁生产 中囤分类号T F 8 1 3 ；X 3 8 3 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 I 2 0 0 3 0 3 0 0 7 2 一0 4 清洁生产即一体化预防性环境战略，不断运用 于工艺、产品和服务，提高生态效率和减少人类与环 境风险【1 】。自1 9 8 9 年联合国规划署开始在全球推 行清洁生产计划以来，清洁生产已在世界各国广泛 推广，尤其是美国、日本、欧洲等发达国家和地区，著 名跨国公司纷纷积极推行清洁生产。我国政府十分 重视清洁生产，1 9 9 2 年国家环保局制定出全国推广 清洁生产行动计划，1 9 9 3 年清洁生产被确认为我国 2 0 世纪9 0 年代和跨世纪时期的工业持续发展的重 要战略性举措，随之开展了清洁生产试点工作，中 华人民共和国清洁生产促进法于2 0 0 2 年6 月由第 九届全国人民代表大会常务委员会第二十八次会议 通过，2 0 0 3 年1 月1 日起施行，标志着我国清洁生 产进入一新的历史阶段。 生命周期评价 L C A 是一种系统评价产品、过 程和服务从原材料获取、加工制造、使用到废弃处理 乃至再生循环利用全生命过程的投入产出和环境影 响的标准化环境管理工具，是判断产品和工艺是否 属于清洁生产范畴的基础，是清洁生产最有效的支 持工具，广泛用于产品和工艺的清洁生产审计，以识 别环境“瓶颈”，从而指导产品或工艺的再设计”J 。 株洲冶炼厂、韶关冶炼厂是我国锌冶炼大型骨 干企业，是锌湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺的代表， 对其开展生命周期评价与清洁生产工艺措施探讨， 基金项目湖南省社会发展重大科技项目 9 9 S S Y l 0 0 7 3 收稿日期2 0 0 2 0 7 3 0 作者简介肖骁 1 9 7 1 一 ，女．湖南武冈县人，工程师，硕士 马荣骏 1 9 3 1 一 ．男．河北大城县人，教授．博士生导师 斯洛伐克工程院院士 从而对我国锌工业推行清洁生产提供指导。 1 锌，台炼工艺生命周期评价 1 ．1 锌冶炼工艺简介 锌冶炼分为湿法炼锌和火法炼锌。湿法炼锌， 主要包括锌精矿焙烧、焙砂浸出、浸出液净化、电解、 阴极锌熔铸等生产工序。我国株洲冶炼厂采用湿法 炼锌工艺，中性浸出渣处理用威尔兹还原挥发处理， 挥发氧化锌再采用专门浸出系统浸出锌，同时回收 其它有价金属。 火法炼锌，即在高温下用焦炭还原锌氧化物生 成锌蒸汽，再经冷凝蒸馏提纯回收金属锌。火法炼 锌包括鼓风炉炼锌、蒸馏法炼锌、电热法炼锌等，其 中我国韶关冶炼厂采用的密闭鼓风炉炼锌即帝国熔 炼 I s P 工艺是火法炼锌工艺主流。鼓风炉炼锌生 产原料主要为铅锌混合精矿或铅锌氧化矿，原料烧 结得到的烧结块与焦炭和溶剂一起加到密闭鼓风炉 中熔炼。一些杂质通过造渣除去，熔炼产生的锌蒸 气经冷凝与铅分离得到金属锌，再经过精炼与深加 工得到精锌及其制品。 1 ．2 生命周期评价方法 锌冶炼过程生命周期评价范围包括锌冶炼工艺 系统所有主辅工序。依据物料流向，株冶锌冶炼系 统划分为焙烧、浸出、电解、锌品生产、渣处理及辅助 工序6 个子模块。韶冶则划分为烧结、熔炼、锌精 炼、碳化硅生产、动力与电站、运输6 个模块。锌冶 炼系统外的电、焦炭、煤及铅锌精矿开采、锌材料的 使用及回收、运输等过程的环境负担未加考虑。功 能单位定义为吨 t 基础锌 含锌9 9 ．9 9 5 ％ 。 万方数据 竺 塑堕壁竺 苎塑翌塑堕竺塑苎苎里塑兰鱼望塑 塑塑堕堕生兰堂堕旦 清单数据主要来源于株洲冶炼厂、韶关冶炼厂 的能源平衡表、环境监测年报与工业企业“三废”排 放与处理利用情况报表，以上信息均具有法律效力， 真实可靠。另外，以上三大报表没有的数据，则基于 相关安环部门日常统计，同时参照有关文献资料确 定，其真实可靠性同样可以得到保证。 对于锌、铅、硫酸等共产品，环境影响分配采用 系统扩展和替换方法【3J ，即锌产品承担共生产过程 及废弃物处理过程的环境影响。具体到株冶锌系 统，除硫酸生产工序外的其他主辅工序的环境影响 都由锌产品承担；韶冶锌产品承担烧结、熔炼 粗锌、 氧化锌及烟化炉蒸汽等中问产品的生产 、锌精馏、 运输、热电、动力、碳化硅、废物处理等过程的环境影 响。对于锌锭、热镀锌、铸造锌、锌粉等锌系组合产 品，它们之间环境影响分配可采用质量法【4 ’。 环境影响主要考虑能源消耗、温室气体排放、酸 雨、重金属污染以及固体废弃物五个方面，并分别用 能源总需求 G E R 、温室效应指数 G W P 、酸化指 数 A P 、重金属当量 H M E 及固体废弃物负担 S W B 等5 个环境指数 E c o _ i n d i c a t o r 表征，特征 化系数采用芬兰P R ∈咨询公司研究开发的E c o i n ． d i c a t o r 9 5 体系中的特征化系数⋯5 。 1 ．3 生命周期评价结果 2 0 0 0 年株冶湿法炼锌及韶冶I S P 炼锌工艺环境 影响指数值如表1 所示。从表1 可以看出，株冶能源 总需求指数G E R 明显高于韶冶火法工艺，而火法工 艺全球变暖指数G W P 又远高于湿法工艺，达5 倍多， 在酸化指数上，株冶湿法工艺为火法工艺的近2 倍， 在重金属指数和固体废弃负担上，两者差别不大。 表1株冶和韶冶锌冶炼过程的环境影响指数 T a b l e1E c o - i a d i c a t o r so fz i n cm e t a U w g i c a lp r o c c 8 o fZ h u z h o ua n dS h a o g u a ns m e l t e l “ ⋯数鬟芦。器，。盏洲 ，⋯W B 韶冶／火法21 2 81 09 2 61 0 ，9 9 402 0 20 5 8 2 与国外企业相比【6J ，株冶、韶冶在酸化指数、全 球变暖指数方面差距明显，我国与日本锌冶炼过程 S O ，和C q 排放值比较见表2 。在火法工艺上，中 国S O ，和C O ，排放值远高于日本，接近日本的3 倍；湿法工艺上，两者c 0 2 排放相差不大，但株冶 S O 排放几乎达到日本的7 倍。因此，下一步应将 S 0 2 等酸雨气体及c 0 2 温室气体排放控制作为我 国锌冶炼过程环境改善的重点和关键。 表2 中日锌冶炼过程s O ，和C 0 2 排放量⋯ T a b l e2E m i s s i o no fS O ；a n dC 0 2f r o mz i n c m e t a l l u r g i c a lp r o c e s si nJ a p a na n dC h i n a 撇物丽意‰ 面及i 忑丁1 而面丽 S O ．／ k g t1 A 1 09 9 41 8 9 6 9 日 火法 33 9 38 4 本 提法 17 5 27 株冶、韶冶各子模块对环境指数贡献率如图l 和图2 所示。火法 韶冶 冶炼过程的烧结、熔炼及 动力与电站是A C P 和G W P 的主要贡献者，湿甚 株 冶 冶炼过程的渣处理、辅助工序是A C P 和G W P 的 主要贡献者，是锌冶炼工艺环境指数改善的关键。 图1 株冶锌冶炼过程各子模块 对环境指数贡献率 F i g ．1 C o n t r i b u t i o no fs u b m o d u l e st ot o t a lE e o - i n d i c a r o r s o fZ h u z h o uS m e l t e r 图2 韶冶锌冶炼过程各子模块 对环境指数贡献率 F i g2C o n t r i b u t i o no fs u b - m o d u l e st ot o t a l E c o - i n d i c a t o r so fS h a o g u a r tS m e l t c r 表3 列出了中国和日本锌冶炼过程的能源情 况，不论火法还是湿法，E l 本直接碳质“脏”能源使用 量均远低于中国。在火法冶炼中已经用天然气等清 洁能源部分取代煤、焦等较“脏”能源，而中国基本上 不使用天然气。在湿法冶炼中，日本主要使用电力 能源，而中国仍大量使用焦、煤气。另外值得注意的 是，日本的电力生产基本上都以水或天然气作为直 接动力 燃料 ，而中国电方生产主要为火力发电，以 煤为主要燃料，这是造成中日两国锌冶炼在酸雨气 体与温室气体排放上差距悬殊的主要原因，也是进 一步调整能源结构时必须重视的问题。 万方数据 有色金属第5 5 卷 表3 中目锌冶炼过程主要能源种类及消耗⋯ T a b l e3M a i ne n e r g yc o r 4 u m p t i o r to fz i n cm e t a l t u r g i c a l p r o c e s ．qi nJ a p a na n dC h i n a 2 锌冶炼清洁生产措施探讨 2 ．1 锌冶炼过程s o , 零排放措施 无论是株冶还是韶冶，目前s 0 2 气体排放量都 远高于国外水平，因此，实施s c h 气体排放控制，实 现S 0 2 零排放将是将来一段时间内株冶、韶冶治理 污染、改善环境的重要工作。具体地，韶冶S 0 2 排 放主要源自烧结机头、烧结机尾、电站锅炉以及硫酸 生产，其中烧结机头低浓度S 0 2 烟气排放的S 0 2 约 占排放总量的5 0 ％左右。株冶锌生产过程的S 0 2 排放主要来自于锌挥发窑、锌多膛炉收尘及硫酸生 产，其中锌挥发窑为S C h 排放总量的6 6 ．5 ％，应作 为S o ，零排放工程的重点。 目前，国内外烟气脱硫主要采用石灰石／消石灰 浆 作为吸收剂，但投资与运行成本高，且脱硫石膏 渣处理与堆放也存在问题。吸收剂除石灰石／消石 灰外．也可使用氨水、氢氧化钠、亚硫酸钠溶液、氢氧 化镁浆、氧化锌浆或氯基硫酸铝溶液。例如目前韶 冶硫酸生产尾气就是采用氨水吸收处理，吸收产物 硫酸氢铵作为化肥销售。当然相对于石灰而言，氨 水、氢氧化钠、亚硫酸钠溶液作吸收剂原料成本高， 但它通过吸收产物直接销售或循环利用能显著降低 运行成本，因而在冶炼、化工厂得到了一定推广。 锌矿烧结、浸出渣挥发产生的烟气同时还含重 金属，采用氢氧化钠或氨水作吸收剂、脱硫产品中有 重金属杂质，既不能矗接向外销售。又不能返回工艺 过程回收利用。若采用铅锌冶炼过程产生的次级氧 化锌作吸收剂，同时利用富余生产设施处理脱硫产 物 亚硫酸锌 ，回收有价金属，不仅节省脱硫剂和回 收副产品加工费用，而且脱硫效率高 达9 0 _ 6 ～ 9 7 ％ ，回收利用S C h ，不产生二次污染，适宜于锌冶 炼烟气脱硫处理。早在上世纪六七十年代，日本安 中冶炼厂 A n n a k aR e f i n e r y 就采用氧化锌吸收酸分 解脱硫技术处理锌浸出渣挥发窑的低浓度S O z 烟 气[ ”。 氧化锌脱硫有吸收一热分解、吸收～酸分解、吸 收一空气氧化三种工艺路线，具体可视企业情况而 定。S 0 2 污染控制除了采用烟气脱硫技术外，还应 通过清洁生产，例如使用水电、天然气等清洁能源， 从源头控制s 。，产生与排放。 2 ．2 韶冶锌冶炼能源结构调整 仅从能源消耗量角度考虑，I S P 工艺在所有炼 锌工艺中，能耗最小，同时韶冶能耗已达到国内外 I S P 厂家中的先进水平。但是韶冶采用的主要为冶 金焦、无烟块等“较脏”的碳质能源，使用过程中排放 大量C 0 2 温室气体和S 0 2 ，N O 等酸雨气体，从而 导致韶冶锌产品全球变暖指数 G W P 、酸化指数 A C P 远高于国外同类企业水平。随着关于控制 温室气体排放的京都议定书签订与实施，国外著名 锌冶炼公司，例如澳大利亚的P a s m i n c o 公司已经主 动采取措施，降低c 0 2 温室气体排放，并已取得显 著成绩”J ，到时高o 。2 排放将成为韶冶锌产品进入 国际市场的绿色壁垒。因此，韶冶应及早行动，调整 能源结构，采用清洁能源，以达到清洁生产的目的。 具体讲，韶冶近期可以根据国家西电东送、西气 东输工程建设进度，在成本可以接受的情况下，尽可 能多采用水电、天然气等清洁能源，最终在锌蒸馏等 设备上使用电力能源，从而减少S 0 2 与。岛排放。 实际上，在国外，例如日本，锌蒸馏炉采用的都是电 能，因而s 0 2 与。岛排放较少。远期，韶冶应基于 国外在太阳能炼锌方面的研究成果，积极探讨太阳 能炼锌在I S P 系统上应用的可能性。 2 ．3 株冶挥发回转窑原料调整与工艺改造 L C A 发现挥发窑渣处理作业存在重大问题。 1 采用脏能源“焦粉”作燃料，能源效率低、能耗高、 温室气体排放量大。 2 低浓度S q 烟气未经处理 即排放，是株冶重要酸雨气体排放源，导致株冶锌产 品酸雨指数居高不下。 3 提出渣中的铁未得以回 收利用，造成最终商体废渣最大。挥发窑已成为影 响株冶锌系统环境绩效的关键，因此宜将之作为株 冶进一步环境改善与推行清洁生产的重点。其中低 浓度s c h 烟气脱硫处理，株冶正在采用前面介绍的 氧化锌脱硫技术进行技术改造。下面详细讨论其原 料调整与工艺改造设想。 随着挥发窑渣处理能力持续增长，几年之后老 浸出渣就将被完全消化，挥发窑会出现原料供应不 足，必须开发新的原料来源。根据国外实践经验与 我国现状，电弧炉 E A F 烟灰将是最佳选择。目前， 国外锌产量3 0 ％左右来源于二次锌原料，其中绝大 部分来源于E A F 烟灰，日本每年从E A F 烟灰中回 万方数据 第3 期肖骁等株冶和韶冶锌冶炼过程的生命周期评价和清洁生产措施 7 5 收金属锌达7 万t 。据1 9 9 0 初调查，当时我国钢铁 行业每年产出烟尘含锌达6 ～8 万t ，近1 0 年我国钢 铁产量以及进口废钢量都显著增长，无疑含锌烟灰 量也大幅增长，目前基本都未利用，急待处理，因此 该原料供应有充分保证。 工艺技术方面，威尔兹法处理浸出渣、E A F 烟 灰等含锌二次原料，具有工艺成熟、设备产能大等优 点，是目前应用最广泛的商业化二次锌原料处理技 术，国外二次原料尤其是E A F 烟灰主要采用该法处 理。该法得到的粗级氧化锌既可作为I S P 冶炼原 料【9 】，也可经脱氧处理后浸出电解炼锌【l ⋯。对于株 冶而言，已有现成氧化锌浸出系统，粗级氧化锌经多 膛炉脱氯后进入氧化锌浸出、净化、电解，回收金属 锌无需增加任何大型设备与改变主体流程，因此宜 将E A F 烟灰作为威尔兹挥发窑原料之一，进行必要 的前期工艺改进探索。 3 结论 1 锌冶炼过程L C A 表明，锌湿法冶炼过程的 渣处理、锌电解及火法冶炼过程的烧结、熔炼及动力 与电站是锌冶炼过程环境改善的关键。 2 基于锌冶炼过程L C A 结果与我国锌冶炼 厂实际情况，提出了氧化锌吸收处理低浓度S 0 2 烟 气、韶冶能源结构调整及株冶挥发窑原料调整等清 洁生产工艺措施。 参考文献 [ 1 ] 史捍民企业清洁生产实施指南[ M ] 北京化学工业出版杜，1 9 9 7 9 [ 2 ] 孙启宏作为清洁生产工具的生命周期评价在中国的应用前景[ z ] ．h t t p ／／w w wc h i n a c oc o r n ／n e w c n ／c h i n a c p ／i c c p p a 。 p e r 一3 1h t m [ 3 jB oW e i d e m aA v o i d i n gC op r o d u c ta l l o c a t i o ni nl i f e c y c l ea a s e ≈m e n t [ J ] J o u r n a lo fI n d t l s r t i a lE c o l o g y ，2 0 0 1 ，4 3 ；1 1 [ 4 ] B o u s t e a dI ，D o v eWT ，H a l a d aK ，e ta lP r i m a r ym e t a li n d u s t r ye c o p r o f i l ec a l c u l a t i o n s ad i s c u s s i o no fa l l o c a t i o nm e t h o d [ Z ] h t t p ／／w w w ．b o u s t e a d - c o n s u l t i n g ．C O ．u k ／d o w n l o a d ／g i f u 9 9p d f [ 5 ] M a r kGT h ee e o - i n d i c a t o r9 5 ，f i n a lr e p o r t [ z ] h t t p ／／w w wp r en l [ 6 ] 井岛清，原田幸明C a l c u l a t i o no f c 0 2 ，s 0 2 ，N O ，e m i s s i o n f r o mn o n f e r r o u s m e t a lp r o d u c t i o np r o c e s sb a s e dO Ne c o n o m i cs t a f f s - t i e s [ J ] 日本金属学会志，2 0 0 1 ，6 5 7 5 7 1 [ 7 ] 松重保司，获森健治E l e c t r o l y t i cz i n cp r o d u c t i o na t A n m k a R e f i n e r y [ J ] 日本矿业会志，1 9 8 1 ，9 7 1 1 2 2 7 0 5 [ 8 ] S i g m u n dF u g l e b e r g ．F i n n i s he x p e r tr e p o r to nb e s ta v a i l a b l e t e c h n i q u e s i nz i n cp r o d u c t i o n [ z ] ．h t t p ／／w w wv y hf i ／e n g ／o r g i n f o ／p u b l i c s ／e l e c t r o ／r e 3 1 5 ／f e 3 1 5h t m [ 9 ] T a k a s l f iY o s h i d aZ i n cs m e l t i n ga n d i t sr e c y c l i n g [ J ] 资源E 素材，1 9 9 7 ，1 1 3 9 6 7 [ 1 0 ] C h a b o tSS ，J a m e sSE ．T r e a t m e n to fs e c o n d a r yz i n co x i d e sf o ru s ei na r td e c t r o l y t i ez i n cp l a n t [ A ] ／／L e a dZ i n c2 0 0 0S y m p o s l u m [ c ] ．U S A ，2 0 0 0 L i f eC y c l eA s s e s s m e n ta n dC l e a nP r o d u c t i o no fZ i n cM e t a l l u r g i c a lP r o c e s s i nZ h u z h o uS m e l t e ra n dS h a o g u a nS m e l t e r X I A O X i a 0 1 一，X I A OS o n g Ⅲe n l ，L I U W e i p i n g 。，M AR ∞目“n 1 1C h a n g s h aR e ．a r c hI n s t i t u t eo f M i n i n ga n dM e t a l l u r g y ．C h a n g z h a ．4 1 0 0 1 2 ，C h i n a ； 2C e n t r a lS o u t hU n i 抛r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A B s T R A C T T a k i n gZ h u z h o uS m e l t e ra n dS h a o g u a nS m e l t e ra st h ee x a m p l e so fz i n ch y d r o m e t a l l u r g ya n dp y r o m e t a l l u r g y t e c h n o l o g i e s ，t h el i f ec y c l ea s s e s s m e n ti sp e r f o r m e df o rz i n cm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s ．T h eL C Ar e s u l t ss h o wt h a t t h eG W Po fZ h u z h o uS m e l t e ri sl o w e rw h e r e a sG E Ra n dA C Pa r eh i g h e rt h a nS h a o g u a nS m e l t e r ，a n dt h e r ei s g r e a td i f f e r e n c eb e t w e e na d v a n c e df o r e i g nz i n cm e t a l l u r g i c a lp r o c e s sa n dt h a to fZ h u z h o uS m e l t e ra n dS h a o g u a n S m e t l e rT h es i n t e r i n g ，s m e l t i n ga n dp o w e rs u p p l ya n ds t a t i o ni nS h a o g u a nS m e l t e r ，a n dt h er e s i d u eh a n d l i n g a n da u x i l i a r yp r o c e s s e si nZ h u z h o uS m e l t e ra r et h em a i ns u b m o d u l e st oi m p r o v e ．T h eu s eo f ”d i r t y ”e n e r g ys u c h a sc o a la n dc o k ei nz i n cm e t a l l u r g i c a lp r o c e s si nC h i n ar e s u l t si nt h ei n c r e a s eo fa c i dr a i na n dg r e e n h o u s eg a se m i s s i o nO nt h eb a s i so fL C A ，t h em e a s u r e so ne n v i r o n m e n t a li m p r o v e m e n ta n dc l e a n e rp r o d u c t i o ns u c ha sr e m o v i n gt h eI o wc o n c e n t r a t i o ns o f r o mf l u eg a sb yz i n co x i d ea b s o r p t i o n ，r e g u l a t i n gt h es t r u c t u r eo fe n e r g ys o u r c eo f S h a o g u a nS m e l t e ra n da d j u s t i n gt h em a t e r i a lo fW a e l zr o t a r yf u r n a c eo fZ h u z h o uS m e l t e ra r ep r o p o s e d K E YW O R D S m e t a l l u r g i c a it e c h n o l o g y ；z i n cm e t a l l u r g y ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；c l e a np r o d u c t i o n 万方数据