生命周期評價在硫鐵礦摻燒亞鐵渣制硫酸中的應用研究

袁曉梅，王 斌

(四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

1 引言

硫酸是基本化學工業(yè)中重要產(chǎn)品之一，它不僅是許多化工產(chǎn)品的原料，還廣泛應用于冶金、石化、化纖、農(nóng)用肥、原子能等行業(yè)［1］。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對硫酸的需求量也越來越大。我國目前已開發(fā)利用供生產(chǎn)硫酸的硫資源主要是硫鐵礦，其次是冶煉煙氣［2］。硫酸生命周期中排放一定的污染物，需要通過一定的方法找到其主要的產(chǎn)污點，從而采取一定的措施加以防治，減少其環(huán)境污染。通過對硫酸生命周期的研究，可以找到硫酸生命周期的主要產(chǎn)污點，從而提出切實可行的防治方案。

LCA是一種定量描述和分析產(chǎn)品與環(huán)境相互關(guān)系的方法［3］。生命周期評價能夠幫助企業(yè)有步驟、有計劃地實施清潔生產(chǎn)［4］。LCA基本可以歸納為4個有機聯(lián)系的部分:目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋［4］。

2 材料與方法

2.1 目標和范圍的確定

以某企業(yè)生產(chǎn)的硫酸(98%)為研究對象。功能單元為生產(chǎn)出1t硫酸，定量收集硫酸生產(chǎn)的相應的資源能源投入和環(huán)境排放數(shù)據(jù)。初步分析硫酸生產(chǎn)過程的主要環(huán)境問題和其發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

硫酸生產(chǎn)的全過程可以劃分為4個階段:電力生產(chǎn)階段、采礦選礦階段、硫鐵礦精礦運輸階段、硫酸生產(chǎn)階段。

2.2 清單分析

在硫鐵礦采選階段，所得的清單數(shù)據(jù)見表1。

表1 生產(chǎn)1t硫鐵礦精礦的清單數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在硫鐵礦采選階段排放的廢水和固體廢物量是比較大的，固體廢物主要是硫鐵礦開采階段產(chǎn)生的廢石和浮選階段產(chǎn)生的尾礦。目前，這部分固體廢物采取的處置方式是固定地點堆存。新水的投入為4.2 m3，而廢水的排放只有3 m3，減少的那部分水主要是以蒸發(fā)、滲透的形式損失掉了。電力生產(chǎn)階段的清單數(shù)據(jù)見表2。

表2 1kW·h電力生產(chǎn)階段的清單數(shù)據(jù)

硫酸生產(chǎn)階段的清單數(shù)據(jù)如表3所示。其中，在公路運輸階段，只考慮硫鐵礦精礦的運輸過程。公路平均運輸距離為85km。水的輸入是指新鮮水，不包括循環(huán)水。

表3 硫酸生產(chǎn)階段生產(chǎn)1t硫酸的清單數(shù)據(jù)

硫酸生產(chǎn)階段使用的亞鐵渣是硫酸法鈦白粉生 產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固廢，經(jīng)過一定處理后作為制硫酸的原料之一。從表3可以看出，硫酸生產(chǎn)階段消耗的電量是較大的，電力主要作為硫酸生產(chǎn)中各種機械的運行和電除塵器的動力來源。將亞鐵渣作為生產(chǎn)硫酸的原料之一，減少了硫鐵礦資源的投入，同時實現(xiàn)了鈦白粉生產(chǎn)過程中廢物的綜合利用，減小了對環(huán)境的影響。硫酸生產(chǎn)中礦渣是在焙燒工段中生成的，此工段中礦渣含鐵量能達到60%，因此可以作為優(yōu)質(zhì)的煉鐵原料。可以將此部分礦渣外售，不外排，既有一定的經(jīng)濟效益，又可以減少環(huán)境排放。

綜合表1、表2、表3和運輸?shù)那鍐螖?shù)據(jù)，硫酸生產(chǎn)全過程的清單數(shù)據(jù)見表4。

表4 生產(chǎn)1t硫酸總清單數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 資源與主要原材料消耗分析

以生產(chǎn)1t硫酸為功能單元，各階段的主要資源和原材料消耗見表5。

表5 生產(chǎn)1t硫酸主要資源與原材料消耗 kg

從表5可以看出，每生產(chǎn)1t硫酸需消耗新鮮水10.219 m3，總的耗水量很大。具體來看，電力生產(chǎn)和公路運輸階段的耗水量較少。硫酸生產(chǎn)階段的耗水量最大，占總用水量的64%。此過程中每生產(chǎn)1t硫酸需消耗新鮮水6.5 m3，另外循環(huán)用水100 m3。其主要的耗水環(huán)節(jié)是尾氣吸收，占該階段水耗的50%左右。原油在采選礦階段的消耗量最大。電力階段消耗的硬煤最多，每生產(chǎn)1t硫酸需消耗112.6kg。占總的硬煤投入的78%。提高的煤的燃燒利用率或者在電力生產(chǎn)階段利用更清潔的能源來發(fā)電，比如水力發(fā)電和風力發(fā)電，可以減少煤的投入。

3.2 環(huán)境排放分析

在硫酸生產(chǎn)過程中，有大量的環(huán)境排放，各階段主要的環(huán)境輸出見表6。

表6 生產(chǎn)1t硫酸的主要環(huán)境輸出 kg

從表6可以看出，硫酸生產(chǎn)的廢酸排放量較大，廢酸主要是在硫酸生產(chǎn)階段凈化工段產(chǎn)生的。每生產(chǎn)1t硫酸產(chǎn)生廢酸468kg。直接排入水體會對水體造成污染，這部分酸性廢水需要經(jīng)過中和處理后達標排放。

SO2的排放集中在電力生產(chǎn)階段和硫酸生產(chǎn)階段，電力生產(chǎn)階段排放SO20.73kg，硫酸生產(chǎn)階段排放SO21.31kg。這兩個階段的SO2排放占到了總的SO2排放的99.8%。其中，電力生產(chǎn)階段SO2的排放主要來自于煤的燃燒，所以在電力生產(chǎn)生產(chǎn)階段中減少煤的用量、提高煤的脫硫率可以有效減少SO2的排放。同時，在硫酸生產(chǎn)階段，焙燒工段沸騰爐爐氣會帶出一部分SO2，在此階段設置先進的除SO2的裝置以減少SO2排放。

CO2的排放主要來自于電力生產(chǎn)階段和采選礦階段。CO2造成的的主要環(huán)境影響是全球變暖。

粉塵方面的影響主要來自于采選礦階段，是由于機械在操作過程中會產(chǎn)生較多的粉塵。要減少粉塵哦排放，首先在硫鐵礦采場應該經(jīng)常采取灑水等措施，減少揚塵。其次在硫鐵礦浮選階段，設置先進的除塵設備，比如袋式除塵器進行除塵。

固體廢棄物主要來自于采選礦階段。主要是采礦過程中的廢石和選礦過程中的尾礦。這部分固體廢物長期大量堆存不僅占用土地，還有可能污染土壤和地下水。應該積極尋找這部分固體廢物的利用途徑，避免長期大量堆存造成對環(huán)境的危害。

硫酸生產(chǎn)階段的危險廢物主要是廢觸媒，每生產(chǎn)1t硫酸產(chǎn)生廢觸媒0.04kg。雖然廢觸媒的產(chǎn)生量不大，但是它屬于危險廢物，直接排放對環(huán)境和人體的危害很大，因此需要送專門的公司以妥善的處置。

3.3 影響評價

硫酸生命周期對環(huán)境造成的主要影響表現(xiàn)在全球變暖、酸化、工業(yè)粉塵和固體廢棄物幾個方面。對全球變暖貢獻的主要物質(zhì)因子是CO2和CH4。這兩種物質(zhì)產(chǎn)生量最大的階段都是電力生產(chǎn)階段，主要是由于燃煤產(chǎn)生的。酸化影響主要是由硫酸生命周期排入空氣中的SO2和NOX造成的。在區(qū)域環(huán)境影響方面，硫酸生產(chǎn)對固體廢棄物的貢獻最大，而對工業(yè)粉塵和富營養(yǎng)化的貢獻最小。

4 結(jié)語

通過對硫酸生產(chǎn)的LCA分析，綜合來看，在資源投入方面，降低硫酸生產(chǎn)中的耗水量，提高硫鐵礦中的硫的轉(zhuǎn)化率是重點。

在能源消耗方面，硫酸生產(chǎn)耗能較大。減少煤的使用是重點。減少煤的用量不僅能降低能耗，還能減少CO2、SO2、NOX等廢氣的排放。硫鐵礦中摻燒硫酸法鈦白粉生產(chǎn)中產(chǎn)生的亞鐵渣生產(chǎn)硫酸，實現(xiàn)了廢物的綜合利用，有很好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。可以減少硫鐵礦的消耗量，減小亞鐵渣直接排放對環(huán)境造成的影響。

在環(huán)境輸出方面，可以看到主要的硫酸生命周期的環(huán)境輸出主要集中在電力生產(chǎn)階段和采選礦階段。固體廢物的排放量很大，在硫鐵礦的采選中，要重視對廢石和尾礦的處理，以免對當?shù)氐耐寥馈⒌叵滤斐晌廴尽Ａ蛩嵘a(chǎn)階段的廢酸產(chǎn)生量也較大，這部分廢酸如果直接排入水體，會改變水體的pH值，造成水體酸化，影響水生生物的生長。因此這部分廢酸在排入水體前，要經(jīng)過污水站的中和處理，達到合適的pH值再排放。

［1］陳勇兵.稀硫酸濃縮工藝及設備選型［J］.山東化工，2008(9):23.

［2］沙業(yè)汪.我國硫酸工業(yè)可持續(xù)發(fā)展探討［J］.硫磷設計與粉體工程，2004(6):6.

［3］王春華，王洪濤，肖定全，等.鈦白粉生產(chǎn)過程的生命周期評價［J］.2006，38(11):6.

［4］鄧南圣，王小兵.生命周期評價［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003(4):35～43.

［5］第一次全國污染源普查資料編纂委員會.污染源普查產(chǎn)排污系數(shù)手冊［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2011.