火法煉銅能耗與碳排放情景分析
——基于生命周期的視角

曾廣圓 楊建新 宋小龍 呂 彬

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京100085)

火法煉銅能耗與碳排放情景分析
——基于生命周期的視角

曾廣圓 楊建新 宋小龍 呂 彬

(中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室，北京100085)

以火法煉銅全生命周期過程為研究對象，采用生命周期評價(LCA)方法，定量評價不同熔煉工藝生產銅過程的能源消耗和溫室氣體排放，并應用情景分析法，對2020年我國火法煉銅不同工藝技術結構下的能耗與碳排放強度進行比較，旨在為銅冶煉行業的結構調整與優化升級提供決策支持。結果表明，基于鼓風熔煉、閃速熔煉和熔池熔煉工藝的火法生產銅過程的能耗分別為147．80×103，96．68 ×103，104．20 ×103MJ;其碳排放強度分別為15．32 ×103，8．99 ×103，10．01 ×103kg CO2當量。設定的4 種情景的能耗分別為111．60 ×103，103．37 ×103，101．19 ×103，99．69 ×103MJ;其碳排放強度分別為10．87 ×103，9．87 ×103，9．60 ×103，9．40 ×103kg CO2當量。由此可知，傳統工藝鼓風爐熔煉較閃速熔煉及熔池熔煉的能耗更高，且導致了更多的溫室氣體排放。因此，大力發展閃速熔煉及熔池熔煉技術對降低銅生命周期的能耗及碳排放具有重要意義，徹底淘汰傳統熔煉工藝，推廣先進熔煉技術是減少火法銅生產環境影響的迫切任務。

生命周期評價;銅;情景分析;能耗;碳排放

火法煉銅是銅冶煉的主要工藝，目前我國銅產量的98%以上由火法冶煉獲得［1］。2008年我國精銅產量為377．9萬t，消費量達到480．6萬t，已成為全球最大的精銅生產國和消費國［2］?；鸱掋~過程以及由此帶來的能源消耗及溫室效應問題已不容忽視。

生命周期評價(Life Cycle Assessment)作為一種重要的環境管理工具，可用于火法銅生產過程環境影響的評估，對于改善生產工藝，減少環境污染具有重要的意義。由于目前我國采選礦、吹煉和精煉工藝設備差別不大，火法銅生產的能耗及碳排放主要與在熔煉工藝的技術水平相關。因此，根據目前行業的工藝技術現狀，重點關注鼓風爐熔煉、閃速爐熔煉和熔池熔煉3種主要工藝，運用生命周期評價方法對銅生產過程，即從采礦到電解精煉過程的能耗及碳排放強度進行評價。

情景分析法(Scenario Analysis)是在對經濟、產業或技術的重大演變提出各種關鍵假設的基礎上，通過對未來詳細、嚴密的推理和描述來構想未來各種可能的方案［3］。S．Alvarado針對世界最大的銅生產國智利，對時間尺度為25年的能耗與溫室氣體排放量展開研究，并設定兩種不同情景進行對比［4］;WilhelmKuckshinrichs等基于過程的局部均衡模型，對全球銅流動產生的CO2和SO2進行分析［5］。國內已有姜金龍等運用生命周期評價方法，對火法、濕法生產金屬銅過程及共生礦石生產電解鎳/銅的環境協調性進行了研究［6–7］。韓明霞等運用情景分析對銅冶煉的污染物排放進行分析［1］。本文通過情景分析，對2020年我國火法銅冶煉的主要工藝技術結構進行模擬，對不同情景下的生命周期評價結果進行比較，篩選出能耗與碳排放最低的方案，為我國火法銅冶煉行業的環境管理提供決策支持。

1 研究方法

1．1 生命周期評價

生命周期評價方法針對從產品最初的原材料采掘到產品用后最終廢棄物處理(產品系統)，進行全過程的跟蹤、定量分析與評價［8］。本文基于德國PE公司開發的生命周期評價軟件GaBi 4，對不同熔煉工藝下的銅冶煉能耗及碳排放進行評價。

1．1．1 系統邊界

本研究以火法煉銅為對象，從我國銅生產的實際情況出發，以生產1 000 kg精銅為功能單位，定量計算其生產過程中的能耗及碳排放。研究范圍包括礦石的采選、運輸、干燥、熔煉、轉爐吹煉、陽極爐精煉、電解精煉等工序。由于目前的采選礦、吹煉和精煉工藝設備差別不大，本研究將熔煉技術細化，分別對具有代表性的密閉鼓風熔煉、閃速熔煉和熔池熔煉工藝下的銅冶煉過程進行比較。系統邊界如圖1所示。

圖1 火法煉銅生產流程和系統評價邊界Fig．1 Process and systemboundary of pyrometallurgical copper production

研究系統內，品位約為1%的銅礦石在經過熔煉、轉爐吹煉、陽極爐精煉等工序后，電解出精度約為99．9%的精銅。圖1體現了銅生產的各個工序中其他輔助能源及原料的生產情況，標注出重要的中間產物，細化了該研究的具體邊界。

1．1．2 數據來源

本文評價中所使用的數據主要來源:①我國兩家銅生產企業實際數據;②公開出版的文獻資料數據;③PE-GaBi數據庫。詳見表1。

1．1．3 基本假設

在開展火法銅生產的生命周期評價時，假設生產所需的銅礦石全部來自國內開采，銅礦石的平均運輸距離為50km;采礦炸藥、選礦藥劑、電解添加劑等由于用量較小，在影響評價階段忽略其所造成的環境影響;不考慮熔煉及吹煉階段的煙氣制酸過程、爐渣貧化及陽極泥回收工序;轉爐煙塵、陽極爐煙塵和爐渣等固廢通過內部再循環方式返回生產過程。

1．1．4 量化方法

本研究選用的能耗和碳排放的量化方法如表2所示。

1．1．5 能源清單

經整理得到我國火法銅生產的能源清單如表3所示。

表1 生命周期清單數據來源Tab．1 Life cycle inventory data sources

表2 能耗和碳排放量化方法Tab．2 The quantified method for energy consumption and carbon emissions

表3 火法煉銅生產的能源清單Tab．3 The energy inventory of pyrometallurgical copper production

1．2 情景設定

據行業有關資料，2007年我國銅冶煉的熔池熔煉工藝約占42%，閃速熔煉工藝約占35%［9］。本研究以2007年為情景基準年，根據近幾年火法銅冶煉技術的發展趨勢，將2020年定為情景年，逐漸增加先進工藝技術比重，淘汰落后技術，進行情景設定(見表4)，分析不同情景下能耗及碳排放情況。

表4 2020年我國火法煉銅冶煉情景設定(%)Tab．4 The scenario of China’s pyrometallurgical copper in 2020

凍結情景:為2007年的基準情景，符合我國火法銅冶煉的真實熔煉技術結構，作為對比情景。

情景一為低目標方案，即2020年在熔煉技術結構調整政策落實不到位，或者客觀條件不利的情況下，沒有徹底貫徹新政策，未完全淘汰落后工藝。此外，仍殘留不少隱蔽的小型冶煉廠，其生產工藝落后、污染嚴重。導致以鼓風熔煉為主的傳統熔煉方法仍占有5%的比例。

情景二與情景三均定義為在順利實施相關政策后，即徹底淘汰如鼓風熔煉的傳統熔煉技術，逐步提高閃速熔煉及熔池熔煉的比重后的目標方案。盡管這兩種熔煉工藝的能耗及碳排放不盡相同，但考慮到其工藝特點和我國銅冶煉實際情況，為了追求較低的環境影響而全力或大規模發展某一種技術并不實際。就兩者比較而言，閃速熔煉尤其是采用了富氧工藝后，精礦反應放出的熱量可以占到總熱量收入的60%以上，大大降低了燃料的消耗;另外閃速熔煉的精礦經過深度干燥處理，具有顯著的節能效果［9］。發展閃速熔煉工藝對降低火法銅生產過程的能耗具有現實的意義，然而就我國不斷下降的銅品位的和冶煉技術現狀而言，熔池熔煉憑借其不高的爐料要求、較低的煙塵排放和可以接受的節能效果的特點［10］，具有重要的發展必要性，不能完全被閃速工藝取代。

因此根據我國銅冶煉業的實際發展情況設定了情景二和情景三，兩個情景的主要差異在于2020年兩種先進熔煉技術的結構比例:情景二體現的是熔池熔煉得到了大力發展，普及率明顯高于閃速熔煉;情景三體現在鼓勵閃速熔煉發展的形式下，閃速熔煉快速普及，應用比例超過了熔池熔煉。

2 結果與討論

2．1 不同冶煉工藝生產銅的能耗及碳排放

本文主要從能源消耗和碳排放(全球變暖潛值，100年)對我國火法銅生產過程進行評價。基于3種不同熔煉工藝銅生產的能耗及碳排放強度結果分別如圖2、圖3所示。

由圖2可知，鼓風熔煉、閃速爐熔煉、熔池熔煉的能源消耗分別是 147 803．93MJ、96 675．47MJ 和 104 203．30 MJ。鼓風爐熔煉的能源消耗高出其他兩種工藝近40%。這主要是由鼓風爐的技術特點決定的，其造锍熔煉極大程度上依靠外加熱，即利用礦物燃料燃燒熱或電熱，因此消耗了較多能源。而通過對閃速熔煉及熔池熔煉比較可知，前者的能耗略低于后者。從清單上看，閃速爐熔煉過程消耗的能源較鼓風爐和熔池熔煉爐低很多。然而由于閃速熔煉對原料的要求比較嚴格，需要對原料進行預先干燥，使得閃速熔煉工藝下火法銅生產的總能耗增加，但所占比例不大。從總過程的評價結果可以看出，閃速工藝下的能耗仍然是3種工藝中最低的。

圖3列出了3種不同熔煉工藝下的銅生產的碳排放情況，其趨勢與能耗趨勢相同，即鼓風熔煉對全球變暖的貢獻最大。通過對3者生命周期評價結果的比較，傳統熔煉技術鼓風爐熔煉下的銅生產過程在能耗和溫室氣體排放上要遠遠高出閃速熔煉和熔池熔煉;而在對閃速熔煉及熔池熔煉的比較可知，前者的能耗及碳排放值更低。

2．2 不同情景下的能耗及碳排放

根據不同熔煉工藝的生命周期評價結果，對3種情景下能耗及碳排放進行分析，并與凍結情景對比，計算結果見圖4、圖5。

對3種不同工藝下的生命周期評價結果分析可知，降低鼓風熔煉等傳統熔煉工藝能極大程度上的降低能源消耗和溫室氣體排放。從圖4、圖5中可以看出，情景一與凍結情景相比，鼓風爐的比例從23%降到了5%，體現在總的銅生產過程中，其能源消耗下降了8 824．5 MJ，碳排放值減少了1 006．8 kg CO2當量，差距尤其明顯。從這點可以看出，鼓風熔煉下的火法銅生產過程對能耗和碳排放的影響較其他兩種工藝更為顯著。因此，淘汰鼓風熔煉等傳統熔煉工藝，發展先進熔煉工藝是降低銅生產能耗及碳排放的重要手段。

此外，情景二和情景三以較低的能耗及溫室氣體排放量符合未來銅生產的發展趨勢，均成為可行方案，兩者評價結果差別不明顯，但由于閃速熔煉下的環境影響更小，因此普及閃速熔煉更高的情景三是最優方案。然而鑒于閃速熔煉及熔池熔煉的各自技術特點和在我國發展的必要性，熔池熔煉并不能由閃速熔煉完全取代，應根據冶煉實際情況進行技術結構調整。

2．3 結果討論

國際銅組織(ICI)評估認為，歐洲生產噸銅的能耗約為6×107kJ，約是本研究核算的火法銅生產的60%。根據評價結果，分析與國外相比我國能耗相差較大的原因是:①評價邊界及基本假設不同;②我國銅生產工藝的能效與國外先進水平相比仍存在一定差距;③銅礦石的品位的差異。

此外，本研究僅限于閃速熔煉及熔池熔煉，并不能完全代表我國火法銅冶煉熔煉工藝的真實情況。在關注和發展閃速熔煉及熔池熔煉的同時，還應大力開展其他先進環境友好的冶煉方法(如濕法煉銅)的開發研究，及對其他已有工藝的能耗及碳排放開展評價，以期找到最適合的產業技術結構，建立低能耗低污染的銅生產模式。

3 結論及建議

本文核算了不同熔煉工藝下我國火法銅生產生命周期的能耗和碳排放，并利用情景分析法對2020年可能的熔煉工藝結構進行評價分析。結果表明，傳統工藝鼓風爐熔煉較先進的閃速熔煉及熔池熔煉產生了更多的能耗和碳排放。此外，閃速熔煉工藝較熔池熔煉工藝會產生更小的環境影響，但基于兩種工藝的不同特點和適用范圍，閃速熔煉并不能完全取代熔池熔煉。因此，徹底淘汰傳統熔煉工藝，推廣先進熔煉技術是減少火法銅生產環境影響的迫切任務，也是我國火法銅生產技術發展的必然趨勢。

基于研究結論，提出以下兩點建議:①優化工藝結構。一方面嚴格執行清潔生產標準，要求銅生產企業具備煙氣制酸、除塵、資源綜合利用、節能等設施;另一方面，淘汰鼓風熔煉等落后生產工藝，采用閃速熔煉、熔池熔煉等生產效率高、工藝先進、能耗低、環保達標、資源綜合利用效果好的新型強化熔煉工藝。此外，應綜合考慮閃速熔煉與熔池熔煉的技術特點，合理選擇，權衡發展。同時，鼓勵有序推進濕法煉銅工藝，與世界先進煉銅技術接軌。②開展二次銅資源的利用。我國銅供需矛盾日益突出，銅已成為我國的急缺礦產，極度依賴國外進口。因此，應從綜合利用低品位銅礦、含銅尾礦及銅冶煉渣等出發，有效節約資源，提高生產效率;另外廢雜銅的回收和再生利用對降低我國銅冶煉業能耗及碳排放同樣具有重要意義。

Reference)

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Energy Consumption and Carbon Emissions Scenario Analysis of Pyrometallurgical Copper Based on LCA

ZENG Guang-yuan YANG Jian-xin SONG Xiao-long LV Bin
(Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China)

In this paper，the pyrometallurgical copper production on different smelting processes is studied by life cycle assessment(LCA)method，to make a quantitative evaluation on energy consumption and carbon emissions in the whole life cycle of copper production．Moreover，the energy consumption and carbon emissions scenario are designed on the possible process structures of different smelting technology in 2020，aiming at providing policy support to the structural adjustment and optimization of China’s copper production．The results showed that the energy consumption of pyrometallurgical copper production on ISF smelting，flash smelting，and bath smelting processes respectively are 147．80，96．68，and 104．20 × 103MJ，and the carbon emission intensity are 15．32，8．99，10．01 × 103kg CO2eq;the energy consumption of four scenarios are 111．60，103．37，101．19，and 99．69 × 103MJ，respectively，and the carbon emission intensity are 10．87，9．87，9．60，and 9．40 × 103kg CO2eq．As a result，traditional ISF smelting has the highest energy consumption and carbon emissions comparing with the other two．Therefore，it is urgent to eliminate outdate smelting technology，and promote advanced technology to reduce the environmental burden of pyrometallurgical copper production．

LCA;copper;scenario analysis;energy consumption;carbon emissions

X757:X820

A

1002－2104(2012)04－0046－05

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．04．009

2011－12－08

曾廣圓，碩士生，主要研究方向為產業生態學。

楊建新，博士，研究員，博導，主要研究方向為產業生態學、環境經濟和環境管理學。

中國科學院戰略性先導科技專項“應對氣候變化的碳收支認證及相關問題”(編號:XDA05140200);城市與區域生態國家重點實驗室項目“城市交通系統生命周期分析與生態調控方法”(編號:SKLURE2008－1－01)。

(編輯:常 勇)