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生命周期评价在铜渣回收工艺中的应用前景 ＊ 李英顺 1 路迈西 1 胡华龙 2 罗庆明 2 温雪峰 2 1. 中国矿业大学, 北京 100083; 2. 环境保护部, 北京 100029 摘要 生命周期评价是判断生产工艺是否真正属于清洁生产范畴的基本方法, 为了对铜渣回收工艺的清洁生产评价提 供依据, 有必要对铜渣回收工艺进行生命周期评价。 据此对国内铜渣的回收现状和对钢铁、锌、镁、铬渣、再生铜和电 解铜的生产工艺生命周期评价现状进行研究。 研究表明 用统计方法和SimaPro 7. 1 软件, 通过 Eco -indicator99 生态指 数法, 对铜渣回收工艺进行生命周期评价有很好的应用前景。 关键词 铜炉渣; 回收工艺; 生命周期评价 APPLICATION PROSPECTS OF LIFE CYCLE ASSESSMENT IN COPPER SLAG RECOVERY PROCESS Li Yingshun1 Lu Maixi1 Hu Hualong2 Luo Qingming2 Wen Xuefeng2 1. China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 2.State Environmental Protection Administration of China, Beijing 100035, China AbstractLife cycle assessment is a basic to judge whether product and process really belong to the scope of a clean production.In order to offer a basis for uation on copper slag clean production, it is necessary to carry out a life cycle assessment for copper slag recycle process. Hereby this article summarize that the existing condition of the copper slag recycle and life cycle assessment of production process of steel, zine, magnesium, chrome slag, secondary copper and electrolytic copper in China. It is very promising that life cycle assessment of copper slag recovery process using statistic analyses and Simapro 7. 1 software, as well as by Eco-indicator99. Keywordscopper -slag; recycle process; life cycle assessment LCA ＊环境保护部固体废物管理项目 2007 。 0 引言 生命周期评价 LCA 又称“环境负荷评价” 、 “环 境协调性评价” ,是评价一个产品或生产工艺过程在 其整个生命周期的所有投入以及产出对环境所造成 的潜在影响,它通过对能量和物质利用以及由此造成 环境废物的排放来进行识别和量化 ,是从源头控制污 染、 实现清洁生产的基础和关键, 是判断产品和工艺 是否真正属于清洁生产范畴的基本方法。通过 LCA 分析 ,能找出存在的问题 ,提出解决方案 [ 1] 。 铜渣 [ 2] 指的是冶炼过程产生的含铜炉渣, 根据产 渣设备不同可分为熔炼渣 、 转炉渣 、 电炉渣等 ; 根据炉 渣冷却方式的不同又可分为水淬渣 、 自然冷却渣、保 温冷却渣等。铜的冶炼炉渣主要是指冰铜熔炼渣和 转炉渣,其中铜转炉渣是冰铜经转炉吹炼而产出并由 铸渣机缓冷铸出的渣 ,品位高于其他炉渣 。某铜冶炼 厂铜转炉渣多元素分析见表 1 [ 3] 。其中的 Cu 、 Au、 Ag 和Co 等金属含量较高 , 其回收和利用有很高的经济 价值。同时 ,铜渣中含有的 Pb 和As 等重金属对环境 和生物具有严重的潜在危害, 处理不当就会造成生态 环境的巨大破坏 。 1 铜炉渣的回收现状 1. 1 选矿工艺 铜炉渣经过铸渣机成块后 ,表面结构致密, 性脆 坚硬,易碎难磨, 外观呈黑色和黑中透绿, 密度约为 4～ 4. 5 g cm 3 。铜主要以硫化铜形式存在, 还含有方 辉铜矿 、 辉铜矿、黄铜矿、斑铜矿、金属铜和氧化铜以 及铜的含铁硅酸盐。含量较大的元素通常是铁和硅, 铁以铁橄榄石 Fe2SiO4 、 磁性氧化铁和磁黄铁矿形式 存在, 而硅主要以硅灰石及无定形、不透明的玻璃体 81 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 表 1 铜转炉渣多元素分析结果 Au gt- 1Ag gt- 1CuSFeSiO2PCaOMgOAl2O3PbZnCoNiAs 0. 153 . 041. 530 . 72453. 5520 . 940 . 003 70. 251. 390 . 4020. 1570. 9230 . 0810 . 00660. 022 形式存在 。 炼铜炉渣实为“人造铜矿石” , 根据不同的冶炼方 式其处理工艺各异。炉渣成份见表 1。目前我国工 业化应用的主要方法有选矿法和电炉贫化法两种。 其中电炉贫化处理的原理是还原脱硫, 但由于炉渣中 含铁 45～ 50, 且大部分呈 Fe3O4形式存在, 所以 存在着炉渣返回熔炼时黏性增大, 冰铜和炉渣的分离 条件变坏等诸多问题, 导致冶炼综合回收指标的下 降 [ 4] 。而采用选矿方法处理炉渣可消除渣中 Fe3O4 对熔炼的不利影响, 具有处理量大 、回收率高 、成本 低、 耗电少 、 污染小的优点 ,所以该技术具有较好的发 展潜力。 早在 20 世纪 50 年代中期日本就开始用浮选方 法回收铜渣中的有价金属, 并于 1986 年 1 月在中国 的贵溪冶炼厂转炉渣选矿车间进行试生产 。根据转 炉渣的特性,目前国内处理铜转炉渣的选矿流程一般 具有以下特点 a. 多碎少磨, 高浓度磨矿; b . 较高的浮 选浓度; c . 第一段磨矿后快速中间浮选 ,多段磨矿多 段浮选; d. 浮磁联合 ; e. 较充分的单体解离; f . 药剂制 度简单。在国内闪速炉渣和诺兰达炉渣的生产实践 中,目前铜渣选厂大都采用阶段磨浮的生产流程, 典 型的工艺流程一般为三段一闭路破碎 、 阶段磨矿、阶 段浮选、 中矿再磨再选。炉渣选矿的矿浆质量分数一 般为 30～ 60, pH 值一般为 8 ～ 9 ,中间浮选时间 一般为 1 ～ 4 min , 粗 、扫 、精时间一般控制在 15 ～ 45 min ,浮选药剂采用 Z-200、丁基黄药、松醇油等。 已经有许多成功的范例。 [ 5-7] 1. 2 影响铜炉渣选矿的因素 1. 2. 1 铜渣组成的影响 当渣中 SiO2含量高时, 会有较多的坚硬的非晶质 物产生 ,造成渣的黏度增加 ,阻碍铜相晶粒的迁移聚 集,生长速度降低,晶粒细小, 铜相中硫化铜的含量下 降。因此 SiO2含量越高,选铜难度越大。另外存在酸 性炉渣中 FeO 含量增加能降低炉渣黏度, 增加流动 性, 其含量可调整炉渣熔点 。但是 FeO 在炉内还原 气氛较弱的情况下会生成 Fe3O4, Fe3O4的存在会显 著增加炉渣黏度, 使铜与渣分离不好。此外, 渣中 Al2O3或 CaO 含量增加 ,也会促进渣非晶质的生成 ,妨 碍硫化物颗粒的沉淀生长 ,对选矿不利 [ 8] 。 1. 2. 2 铜渣冷却速度的影响 冷却速度对炉渣的结晶和铜相分子聚集长大有 着密切的关系, 从而影响铜炉渣的综合利用方式。冷 却速度快, 就会使炉渣形成非晶质构造 , 铜矿物结晶 粒度细小而分散 ,并嵌布在呈树状或针状的其他矿物 中,使炉渣中的铜难以浮选回收; 冷却速度慢 ,炉渣中 熔体的初析微晶可通过溶解沉淀形式规范性成长 ,形 成结晶良好的自形晶或半自形晶,同时有用矿物藉此 扩散迁移, 聚集长大成相对集中的独立相 ,有利于提 高单体解离度, 易于回收 [ 9] 。 1. 2. 3 冶炼工艺的影响 铜冶炼通常采用火法 特别是黄铜矿的冶炼 和 湿法冶金两种工艺。火法冶炼包括传统熔炼 、 闪速熔 炼、 熔池熔炼 3种 ,由于传统熔炼工艺相对落后 ,环保 难以达标, 正逐渐被较为先进的闪速熔炼或熔池熔炼 所代替。闪速熔炼采用了国外先进的 4 高 高投料 量、 高热强度、 高冰铜品位 、高富氧浓度 的熔炼技术 和设备 ,熔炼时产生大量 Fe3O4, 炉内氧势大 ,炉渣氧 化程度高, 所以渣含铜必然较高 , 炉渣含铜一般为 4～ 5,这种铜渣适合用选矿方法回收 [ 10-11] 。在富 氧侧吹回转式熔池熔炼诺兰达 nornada 炉内, 炉渣和 铜锍顺流接触, 产出含铜 63～ 73高品位冰铜后, 将冰铜送到较小的转炉内继续吹炼成粗铜。 1. 3 对铜渣回收工艺进行 LCA 评价的必要性 我国于 2003年 1 月 1 日起正式施行中华人民 共和国清洁生产促进法 ,标志着我国清洁生产进入 一新的历史阶段。目前对铜的生命周期评价主要集 中在冶炼工序上 ,例如姜金龙等 [ 12] 对用火法 、湿法两 种方法生产金属铜过程的环境协调性进行了研究。 评价结果表明, 铜冶炼的环境影响与生产工艺相关。 湿法炼铜的能耗 、 温室效应、 酸化效应,人体毒害分别 只有火法炼铜的 43. 2、45. 2、 5. 1和 5. 0。湿 法冶炼铜过程环境影响明显低于火法炼铜的环境影 响。国内目前还没有对铜渣生产过程进行过系统的 环境评价, 所以有必要进行进一步相关的研究和探 索,为我国铜渣回收工业推行清洁生产提供指导。 2 对生产工艺进行生命周期评价的研究进展 采用生命周期评价标准化环境管理工具可在源 82 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 头上解决环境问题, 而不是在环境问题产生后再去治 理, 不再走“先污染 ,后治理”的老路, 这是环境保护 战略的重要转变。据此众多学者针对本领域进行了 开创性的研究, 研究工作主要包括对钢铁 、锌、铝、镁 和铜等的生产工艺的评价 。 1生命周期评价能为技术选择和生产过程改进 提供信息 。生命周期评价是一种有用的手段 ,能够对 生产工艺的环境因素做出评价 ,为技术选择和生产过 程改进提供其所需的信息 。例如肖骁等 [ 13] 对锌两种 冶炼工艺生命周期评价研究的结果表明 株冶 、 韶冶 酸化指数 、 温室效应指数与国外先进水平存在明显差 距。“韶冶”及“株冶”的渣处理等工序是锌冶炼过程 环境改善的关键 。煤 、 焦等非清洁能源的大量使用是 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 SO2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 。 2生命周期评价和物流分析相结合为矿业的发 展提供依据。物流分析的目的是描述材料物流的大 小、 组成和位置 ,即该材料源自何处 ,最终被处置于何 处。在进行分析之后 ,就可以通过生命周期评价来确 定与物流分析的所有环节有关的潜在环境影响。综 合物流分析与生命周期评价, 可以为矿产业的战略发 展提供依据,有助于其实现可持续发展的目标 。高峰 等 [ 14] 应用生命周期评价思想, 结合物质流分析方法, 对我国皮江法炼镁生产过程中物质能量代谢的数量 特征和环境负荷状况进行了研究。结果表明 皮江 法炼镁工艺的生态包袱是资源直接输入量的 3. 1 倍。 由于镁产量增加较快, 导致CO2和SO2直接排放量逐 年增长。此外, 由硅铁生产引起的资源消耗和环境影 响也不容忽视。所以皮江法炼镁仍需大力提高资源 和能源的利用效率, 降低污染排放的水平, 否则将 会抵消镁及镁合金应用中的“绿色”效应 。 3 用生命周期清单分析方法分析能源 、 物料消耗 以及对环境的排放。杨建新等 [ 15] 对我国普通钢材生 产过程中的能源 、 物料消耗以及对环境的排放进行了 研究 。产品系统边界以我国钢铁工业普遍采用的工 艺流程进行划分 ,对每一过程单元进行清单分析 建 立单位过程的输入、输出表 , 各过程单元之间的系统 连接采用英国 Boustead 公司开发的 Boustead 模型。 研究表明 我国生产 1 kg 普通钢材需要消耗能源 56. 65MJ, 能源消耗远高于发达国家平均水平 ,其主 要存在于各相连工艺间及内部的运输过程; 水循环利 用率较低, 造成大量淡水资源浪费; 废气排放主要是 CO2和 SOx,其主要来源于煤的燃烧和工艺过程排放, 矿渣排放量为 3. 98 kg ,巨大的工业固体废弃物产生 将造成严峻的局部性环境问题 。 4对二次资源的环境协调性研究。姜金龙等 [ 16] 对二段法生产再生铜过程的环境协调性进行研究。 运用生命周期评价的方法得到再生铜生产过程中各 工序的环境负荷数据 ,然后将再生铜与精矿铜生产的 环境负荷进行比较。结果表明 , 生产1 000 kg再生铜 的能源消耗 、 温室效应 、酸化效应和人体毒害分别为 生产精矿铜的 29. 8、 25. 7、 2. 3 和 2. 4, 说明再 生铜的生产过程具有良好的环境协调性 。再生铜的 案例说明再生资源的二次利用很有意义 ,由于再生铜 没有采选和铜熔炼等过程 ,所以环境负荷远小于精矿 铜。由此得出再生铜冶炼技术的提高和利用对于节 约资源和能源, 减小环境危害具有重要的意义 。 5运用国外成熟的Simapro 7. 1 软件进行生命周 期评价 。林逢春等 [ 17] 以两种一次性塑料餐盒为例, 在Simapro 7. 1 软件的支持下 , 运用软件中提供的 Eco-indicator 99 影响评价模型完成了对两种餐盒的生 命周期评价 。能源数据、原材料生产数据和废弃物处 置数据主要来自 Simapro 5. 1 中 Buwal 250数据库, 个 别数据来自 Simapro 5. 1 中的 Idemat 2001 数据库。 Eco-indicator 99 影响评价模型分为下列步骤 特征化、 损害评价、标准化和加权评估 。研究结果表明 两种 餐盒的环境影响主要产生于生产阶段,主要影响为资 源损害。王文涛 [ 18] 以具有国内先进水平的钢铁企业 为研究对象 ,对转炉流程和电炉工艺生产过程进行生 命周期评价。采用国际上流行的成熟 LCA 评价方 法 生态指数法 Eco-indicator99 ,借助 SimaPro 5. 1 软件实现其计算过程。Eco-Indicator99 方法的实施步 骤为 a. 将过程或产品中消耗和排放的原始数据进行 整理 ,并依据方法中的特征化标准进行分类。 b . 将编目清单中的单位产品的消耗和排放数据 与相应的特征化因子相乘得出 11 类对环境的损害 值 矿产资源减少、 化石资源减少、 区域动植物物种影 响、 本地动植物物种影响 、 酸雨和土壤酸化、 环境毒素 积累、 气候变化引起疾病 、臭氧层破坏 、 辐射致癌、呼 吸道感染、导致癌症 。 c. 将损害值标准化后分类相加得出 3 大类损害 83 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 值 人类健康、 生态系统损害、资源损害 。 d . 将 3类损害值加权后相加得出生产过程的总 体环境负荷的单个值 记为Single Score 结果表明 转炉流程在人类健康和生态环境的损 害方面优于电炉流程 ,而资源消耗和综合环境影响上 差于电炉流程。 3 结语 作为一种环境废弃物处理和资源化手段 ,大多数 工业生命周期评价主要集中在冶炼技术上,而对金属 选矿回收过程环境评价研究甚少。所以有必要对铜 渣回收工艺进行生命周期评价, 进行突破性的研究。 今后应该着重加强以下几个方面的相关研究 1运用统计方法和 SimaPro7. 1 软件, 通过 Eco- indicator99 生态指数法 ,对铜渣工艺进行生命周期评 价有着很重要的现实意义 。此法通过特征化 、 标准化 和加权将工艺过程的输入输出数据转化为单一的环 境负荷值, 极大减少了人工计算的工作量 ,便于整理 分析 ,避免了很多重复的工作 。 2对工艺路线的整体性能的评价不但要考虑环 境影响的指标, 同时还应采用其他手段来提供技术经 济和社会经济信息, 才能对整个工艺进行整合 。 参考文献 [ 1] 李冬, 司继涛. 铬渣处理处置方法的生命周期评价[ J] . 现代化 工, 2006,26 7 298 -301. 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