密闭鼓风炉炼铅锌过程中SO2和CO2排放的生命周期评价.pdf

2 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 密闭鼓风炉炼铅锌过程中S 0 2 和C 0 2 排放的生命周期评价 昊湘华1 ，- ，吴敏1 ，刘明海2 ，张伟健2 1 中南大学信息科学与工程学院，长沙，4 1 0 0 8 3 ；2 ．韶关冶炼厂，韶关，5 1 2 0 2 4 摘要采用生命周期评价的方法对某冶炼厂密闭鼓风炉炼铅锌过程中c o z 和s 0 2 排放进行了清单分析， 5 1 q l f l m 全球变暖指数 G w P 和酸化指数 A c P 表征C O z 和s q 排放对环境造成的影响。结果表明对 G W P 影响最大的是能源和电站，其次是冶炼和锌蒸馏，而烧结过程对A C P 影响最大。 关键词生命周期评价；清单分析；密闭鼓风炉 中国分类号X 2 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 0 5 0 4 0 0 2 0 0 4 L i f eC y c l eA s s e s s m e n to fW a s t e sE m i s s i o no fI m p e r i a lS m e l t i n g P r o c e s sf o rP b - Z nS m e l t e r w uX i a n g h u a l 一，w uM i n l ，L I UM i n g h a ljZ H A N GW e i - j i a n 2 “C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nS c i e n ∞＆E n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C 她s h a ．H u n a n4 1 0 0 8 3 ，C h m a 2S h a o g u a nS m e h e r ，S h a o g u a n ，G u a n g d o n 4 95 1 2 0 2 4 ．C h i n a A b s t r a c t T h ee n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to fw a s t e sp r o d u c e db yt h eI m p e r i a lS m e l t i n gP r o c e s s I s P f o r m e t a l l i cz i n ca n d1 e a dp r o d u c t i o ni nac e r t a i ns m e l t e rh a sd o n eq u a n t i t a t i v e l yb yl i r ec y c l ea s s e s s m e n tm e t h o d ． U s i n gG l o b a lW a r m i n gP o t e n t i a l G W P a n dA c i d i f i c a t i o nP o t e n t i a l A C P a s s e a s P * t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t s ． T h em o s tr e s p o n s i b l ep r o c e s sf o rG W Pi sp o w e ra n de l e c t r i c i t yg e n e r a t i o n ，f o l l o w e db ys m e l t i n ga n dz i n cd i s t i l l a t i o n ，w h e r e a si t i ss i n t e r i n gf o rA C P ．T h i ss t u d yp r o v i d e sas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to f1 S P ． K e y w o r d s L i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；I n v e n t o r ya n a l y s i s ；I m p e r i a lS m e l t i n gP r o c e s s I S P 密闭鼓风炉法 简称I S p 用于锌、铅的生产，是 排放大量温室气体和酸雨气体的工艺。尽管近年来 单元过程操作排放经工艺改进有所减少，但日益增 长的环境问题促使这些企业尽可能减少环境排放。 由于I S P 过程物流、副产品、废物和能源输入的复杂 性，导致分析工艺过程中哪个阶段与其它过程相比 对环境影响最小极为困难。生命周期评价为解决上 述问题提供了一个办法u oJ 。 产品生命周期评价 L i f eC y c l eA s s e s s m e n t ， L C A 是对产品整个生命周期的所有环境影响进行 科学、全面的评估，据此来客观地评价和有效地改善 作者简介吴湘华 1 9 7 4 一 ，男，湖南衡阳人，硕士研究生 产品的环境性能，是对产品生命全过程实施环境管 理的有力工具。一个完整的L C A 一般包括4 个步 聚，即目标界定、清单分析、影响分析和完善化分 析bJ 。 本文对密闭鼓风炉炼铅锌过程三废排放进行生 命周期清单分析，基于生命周期比较了每个工序废 气的排放，由此讨论了减少有关排放指数应采取的 措施。 1系统边界的确定及清单分析 1 ．1 系统边界的确定 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 2 1 功能单位即是度量系统绩效的基本单位，本研 究中，由于锌是主产品，为便于分析，将功能单位定 义为吨精锌 Z n9 9 ．9 9 5 ％ 。同时由于I S P 生产过 程为多产品系统，铅、硫酸也是重要的共产品，所以 当分别计算其环境负担时，相应地选用吨铅与吨硫 酸 9 8 ％ 作为功能单位。其工艺具体包括烧结、焙 烧、锌精馏、铅电解等主体工序，以及碳化硅生产、热 电生产、原材料及产品运输、废弃物 废水 处理等辅 助过程。系统外电、焦炭生产与煤开采与铅锌精矿 采矿及加工数据难以获取，且其环境影响韶冶暂时 难以加以控制，此次研究不予考虑。从本研究需求 出发，选取2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 2 年作为时间范围。 1 ．2 清单分析 1 ．2 ．1 清单数据来源 L C A 清单中向外界排放具体应包括向大气、水 等外界环境排放的废气、废水、固体废物。本次研究 的原始数据主要来源于文献、该厂能源平衡表、环境 监测年报与工业企业“三废”排放与处理利用情况报 表。这些数据均经过一种以上的来源进行了多方面 验证，其它必要数据均根据其年度生产日常统计收 集、计算所得。 1 ．2 ．2 分配 A l l o c a t i o n 原则 该I S P 系统由于镉、银等产品产量太少，环境影 响必须在锌、铅、硫酸等主要产品中分配，而其它产 品不承担环境影响。在生产系统中，锌产品的需求 决定整个铅锌系统的产量，而其它重金属与硫酸产 品都是为了生产工艺和环境保护需要，而加以回收 利用的，其需求并不能引起系统产量的变化，因此锌 产品为决定性产品，其他铅、硫酸产品为锌产品的共 产品。所以锌、铅、硫酸三种产品之间环境影响分配 采用系统扩展与替换方法比较合适，即锌产品承担 共生产过程及废弃物处理过程的环境影响；铅、硫酸 承担的环境影响为中间处理过程加上产品本身的环 境影响并减去废物处理过程的环境影响。根据生产 实际情况，将运输、热电、动力、碳化硅生产也视为共 生产过程。其中，锌产品承担烧结、熔炼 共生产部 分即粗锌、氧化锌 副产 及烟化炉蒸汽等中间产品 的生产 、锌精馏、运输、热电、动力、碳化硅、废物处 理 本系统只有硫酸污水处理W 1 等过程的环境影 响；铅承担熔炼 中间处理部分即中间粗铅生产 、铅 电解等过程的环境影响；硫酸承担硫酸生产过程的环 境影响并减去硫酸污水处理部分的环境影响 W i 。 1 ．2 ．3 产品产出 该I S P 生产系统主要产品为锌、铅、硫酸，此外， 还有汞、镉锭、银等综合回收产品，其具体数据情况 列于表1 ～2 。 袭lI S P 生产系统锌产品数量统计 T a b l e1T h es t a t i s t i co fZ np r o d u c t s 表2 铅、硫酸等产品数量统计 T a b l e2T h es t a t i s t i co fP ba n dH 2 S 0 4 1 ．2 ．4 向外界环境排放 I S P 生产主要是高温过程，因此向大气环境排 放大量烟气，烟气中主要包含S 0 2 、N 0 2 与重金属粉 尘，此外由于大量使用碳质能源，C O s 等温室气体排 放量非常大。具体地，由于目前该厂尾气排放监测 只涉及S 0 2 与H g ，因此本次研究大气排放也只考虑 了C 0 2 、s q 、H g ，其中s q 、H g 排放主要来自烧结 与硫酸生产，此外，干燥、电站锅炉也排放部分S 0 2 与H g 。从2 0 0 0 年到2 0 0 2 年，生产每吨功能单位的 锌排放的s q 呈下降趋势，在烧结机头和锌生产 中，生产每功能单位锌排放S 0 2 的量分别由2 0 0 0 年 的7 ．0 5 k g 和1 4 ．8 8 k g 下降到2 0 0 2 年的4 ．6 2 k g 和 1 0 ．9 9 k g 。 温室效应气体c q 的排放主要来自碳质能源 的燃烧，其计算公式为川 C i G ．og ． 1 其中，C 。一第i 种碳质能源C O s 的排放量 t ， 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 G ．一第i 种碳质能源的燃烧热 to r m 3 ，g i 一第i 种3 ．0 1 、煤焦粉3 ．0 1 、煤气 1 ．1 5 k g ／m 3 5 ．8 5 、煤油 碳质能源的C 0 2 转换系数，有关转换系数如下所 3 ．2 0 、汽油3 ．1 6 。根据分配原则，表3 给出了从2 0 0 0 示冶金焦3 ．0 8 、石油焦3 ．3 9 、硬煤3 ．4 8 、无烟煤年到2 0 0 2 年生产每吨功能单位锌0 0 2 排放量。 表32 0 0 0 2 0 0 2 年生产每吨功能单位锌c 0 2 排放量 T a b l e3 T h eC 0 2o u t l e ti n2 0 0 0 4 2 0 0 2 ／t 能源 堡堕 堕堕壁堕堕塑皇坚 兰曼兰要 垫垄塑皇苎墨竺 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 02 0 0 l 2 0 0 2 2 0 0 0 2 0 0 l2 0 0 22 0 0 02 0 0 l2 0 0 2 冶金焦 o o o3 ．2 83 ．蚰3 ．1 5OOo0ooO ．7 7 0 ．3 4 0 ．3 2Ooo4 ．0 5 3 ，7 43 ，4 7 石油焦 硬煤 无烟煤 煤焦糟 煤气 煤油 汽油 总计 2 S 0 2 和C 0 2 排放影响评价 2 ．1s 0 2 和c 0 2 排放影响评价的计算方法 在本生命周期评价中，主要考虑S 0 2 和C 0 2 的 排放，分别用全球变暖指数 G W P 和酸化指数 A c P 表征其影响大／b [ ”⋯。 2 ．1 ．1 垒球变暖指数 G W P 温室效应最显著的气体是氟氯烃 即氟利昂 类 化合物，不过该I S P 冶炼工艺过程并不产生和排放 氟利昂类化合物。排放的温室气体主要为一次碳质 能源使用中排放的C 0 2 和冶炼过程产生的N o x 及 H F 、H C l 等气体，目前该厂大气监测中不监测H F 、 N O x 、H C I 气体浓度，本次研究只考虑c 0 2 排放。全 球变暖指数计算公式为 G W B G i og 其中G 。一第i 个子模块的C C h 排放量，t 或 m 3 ；g c 0 2 温室气体系数，数值为l 。 2 ．1 ．2 酸雨指数 A P I S P 生产过程排放的酸雨气体包括S 0 2 、S O 。 N 0 2 、N o x 、H C l 、H F 等，基于上面同样的原因，本次 研究酸雨气体只考虑s 0 2 。酸雨指数计算公式为 A P ； C ，xd 其中C } 一第i 个子模块s 0 2 排放量，k g ；a - - S 0 2 的酸雨气体换算系数，数值为l 。 3 环境影响评价结果与讨论 3 ．1 全球变暖指数 G W P 各子模块对锌产品G W P 指数贡献率如表4 所 示，由表4 可见，各子模块中，动力与电站对全球变 暖指数贡献率最大，超过5 0 ％，其次为熔炼 约为 3 0 ％ ，然后是精馏和烧结 约2 0 ％ 。这4 个子模块 对整个锌产品的全球变暖指数贡献率几乎达到 1 0 0 ％。如果排除动力与电站部分，则1 9 9 8 ～2 0 0 0 年度的G W P 值分别为5 ．3 8 8 、5 ．7 4 2 、5 ．3 5 6 。 表4 各子模块对锌产品G W P 的贡献率 T a b l e4T h ec o n t r i b l u t i o nr a t eo fd i f f e r e n tm o d u l e t oz i n cp r o d u c t s ／％ 3 ．2 酸化指数 A C P 锌产品的A c P 如表5 所示，即从2 0 0 0 年到 2 0 0 2 年，A C P 值呈明显下降趋势。可以发现烧结 子模块为A C P 的主要贡献者，最低的2 0 0 1 年度都 为9 14 ％，而最高的2 0 0 2 年度达到9 5 ．1 ％。各排 放源对A C P 的贡献率如表5 所示，烧结机头为A C P 最主要排放源，然后依次为制酸尾气、烧结机尾与电 站锅炉。 可知，I S P 系统锌产品与国外锌产品相比，酸化 指数、全球变暖指数差距明显，例如在日本，精馏锌 生产过程中 包括采矿、选矿过程 吨锌C 0 2 排放仅 为33 9 ～3 ．4 t ，S O 。排放为3 ．8 4 k g ，都不到上述 I S P 企业的1 ／3 D , 8 ] 。因此，s 0 2 等酸雨气体及C 0 2 温室气体排放控制应作为该企业进一步改善企业和 产品环境状况的重点和关键，尤其是s c h 酸雨气体 毗笛∞拍帅，毗J㈣泌㈣嘶Ⅲ。㈣舢 m胛m；号g|o m ∽ 0 5 0 0 1 O l m瑚肼舶彤o m 鹏 O 5 O O l 0 0 o o 窨} m o o m 肺 O 0 0 0 o o m 胆o o 肼胛 0 0 0 0 o o o m o o m 借 0 O O o 岱o o o o o ∞ 5 i，卯，，，，，虬 5 5 o 舶o o o o o “ 5 6 m o o o m o o 成 0 O 0 m o m o m o o m 0 0 O 0 埘oⅢo o o o m 0 O O o o o o m o o m ， ； O 0 O 0 ■O O o o o o 朋o o 留 l I o o o m m o o 胆 O 0 3 o o o ∞m o o 廊 O O 3 o o o o 埘o o 胛 0 3 o o o o 埘o o m 0 0 o o o o 岱o o 省 0 0 o o o o 珥o o 埘 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年4 期 2 3 排放控制。从系统组成子模块 过程 来说，锌精炼、 都较小，烧结、熔炼以及动力与电站是韶冶I S P 生产 碳化硅生产及运输对锌产品各项环境影响指数贡献过程锌产品环境指数改善的关键。 表5 锌产品A C P 指标的构成及各排放源的贡献率 T a b l eST h ec o m p o s i n go fA C Pa n dc o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n tw a s t e se m i s s i o n ／％ 4 结论 在I S P 生产过程中，对G W P 影响最大的是能 源和电站，其次是冶炼和锌蒸馏。在所有能源中，无 烟煤对G W P 影响最大，其次是冶金焦和煤气。低 浓度C 0 2 排放是A C P 最主要的贡献者，烧结过程 对A P 影响最大。因此，该厂减少温室气体排放的 措施重点在于减少碳质能源，尤其是较脏能源“煤” 的直接使用量，积极采用水电等可再生能源。 烧结中低浓度s 0 2 排放控制以及重金属排放 应是该厂近期环境改进的重点，而实现工业废水零 排放以及S O 排放显著减少应作为其环境改善的 近期目标。鉴于I S P 工艺对锌、铅二次资源的适应 性，应调整原料结构，加大锌、铅二次资源I S P 处理 量，减少直接从含硫精矿生产金属锌、铅的产量，从 而有效地控制s c h 气体排放。 参考文献 [ I ] 彭客秋有色金属提取冶金手册z n ，c d ，P b ，B i 卷 [ M ] 北京冶金工业出版社，1 9 9 2 2 3 2 2 4 8 [ 2 ] G a o X u e y i ，X i a o S o n g w e n ，L i Q i h o u ，e ta lL C A c a s es t u d y f o rl e a da n dz i n cp r e o d u c t i o nb ya ni m p e r i a ls m e l t i n gp r o c ∞i nC h i n a ab r i e fp r e s e n t a t i o n [ J ] I n t e r n a t i o n a lJ o l l r I l a lo RL i f eC y c l eA s s 髑m e n t ，2 0 0 2 ，7 5 2 7 6 ． [ 3 ] H u g l e nR ，K v a n d eH ．G l o b a lc o n s i d e r a t i o n so fa l u m i n i u m e l e c t r o l y s i so ne n e r 9 3 , a n dt h ee n v i r o n m e n t [ J ] ．Ⅱg h tM e t - a l s ，1 9 9 4 ， 3 3 7 3 3 8 0 ． [ 4 】“J i m e n ，W e iH o n g l i a n ，L i uY m I g s h e o g ，e ta I ．L i f ec y c l e a n a l y s i so fs a n i t a r yI a n d f i l la n di n c i n e r a t i o no fm u n i c i p a l s o l i dw a s t e [ J ] T r a n s ．N o n f e r r o u sM e t ．S c c ．C h i n a ， 2 0 0 2 ，1 2 3 5 4 5 5 4 8 ． [ 5 ] B 0W e i d e m aA v o i d i n gc o p r o d u c ta l l o c a t i o ni nl i f ec y c l e a s s e s s m e n t [ J ] ．J o u r n a lo fI n d u s t r i a lE c o l o g y ，2 0 0 1 ，4 3 1 1 ． 【6 ] N o r g a t e T E ，R a n k i n WJ a n dn i c k e lp r o d u c t i o n [ J ] 1 3 8 ． L i f ec y d ea s s e s s m e n to fc o p p e r M e l h e u r n e ，2 0 0 0 ， 1 1 3 3 一 [ 7 ] M i r i a mW e e d e r ，A l d oS t e i n f e l d ．Al i f ec y d ea s s e m m e n to f t h ec o n v e n t i o n a la n ds o h rt h e r m a lp r o d u c t i o nz i n ca n ds y n t h e ．s L sg a s 【J ] E n e r g y ，2 0 0 0 2 5 3 9 5 3 9 7 ． [ 8 ] N o r i h i r oI t s u b oS c r e e n i n gl i f ec y c l ei m p a c ta s s e ∞m e n t w i t hw e i g h t i n gm e t h o d o l o g yb a s e do ns i m p l i f i e dd a m a g e f u n o t i o n s [ J ] ．I n t ．J ．L C A ，2 0 0 0 ，5 5 2 7 3 2 7 5 ． 万方数据