精煉銅行業的生命周期節能減排目標評價

樊歡歡，王洪濤,*，謝阿弟，侯 萍

1. 四川大學建筑與環境學院，成都 6100652. 成都億科環境科技有限公司，成都 610065

精煉銅行業的生命周期節能減排目標評價

樊歡歡1，王洪濤1,*，謝阿弟1，侯 萍2

1. 四川大學建筑與環境學院，成都 6100652. 成都億科環境科技有限公司，成都 610065

按照生命周期評價方法，建立了精煉銅的生命周期模型，采用生命周期節能減排評價指標(ECER)，對比評價了原生銅和再生銅生產的生命周期節能減排效果，計算了改變再生銅市場份額所能帶來的節能減排削減幅度，并與精煉銅行業實現節能減排政策目標所需的綜合削減幅度進行了對比。結果表明，再生銅比原生銅的ECER指標小62.5%，因此廢銅的再生循環明顯有利于節能減排政策目標的實現。但是，當再生銅市場份額由2010年的38.5%提升至《有色金屬“十二五”發展規劃》中要求的40%時，其綜合削減幅度僅為1.3%，遠未達到銅冶煉行業的目標綜合削減幅度27.8%。因此，精煉銅行業不僅需要更大幅度地提高銅再生比例，同時還需要采用更多清潔技術和改進措施。本文方法可用于計算各種行業的節能減排目標綜合削減幅度，從而幫助判斷各種改進方案和措施是否足以達到節能減排宏觀政策目標的要求。

原生銅；再生銅；生命周期評價；節能減排；目標綜合削減幅度

銅作為基礎原材料，廣泛應用于電氣、電子、能源石化、交通運輸、機械冶金、建筑和藝術、醫療以及國防等行業[1]。2013年，中國精煉銅產量已達684萬t[2]。與此同時，銅冶煉過程中也造成大量的資源能源消耗與污染物排放。因此，實現銅冶煉行業的節能減排對完成我國“十二五”節能減排政策目標具有重要意義。

生命周期評價(life cycle assessment, LCA)作為標準的資源環境評價方法，廣泛應用于量化評價產品生命周期過程中所造成的資源環境影響[3]。曾廣圓[4-5]等以火法煉銅全生命周期過程為研究對象，定量評價原生銅生產過程的能耗與碳排放強度；姜金龍[6]等運用LCA方法，對原生銅與再生銅生產過程的環境協調性進行了研究。上述研究采用了國際上常用的LCA評價指標，但沒有針對國內目前關注的節能減排政策目標進行評價。

廢銅再生循環被認為是銅冶煉行業實現節能減排的重要措施之一。2010年全國再生銅市場份額為38.5%，2011年的《有色金屬“十二五”發展規劃》中提出，到2015年再生銅占當年銅產量的比例應達到40%[7]。就此措施而言，有兩個問題需要量化評價：首先，再生銅的生產過程中也會造成一定的環境影響，用再生銅代替原生銅究竟能帶來多大的節能減排效果？其次，與“十二五”節能減排宏觀政策目標要求的削減幅度相比，再生銅市場份額從38.5%提高到40%，在多大程度上完成了宏觀政策目標的要求？這也是幾乎所有行業進行節能減排措施分析面臨的普遍性問題。

為此，本文采用工業和信息化部文件中推薦生命周期節能減排綜合評價方法與指標體系(ECER)[8]評價原生銅和再生銅的生命周期環境影響，計算銅冶煉行業為實現“十二五”節能減排政策目標綜合削減幅度；并分析了再生銅市場份額變化時，銅冶煉行業的生命周期節能減排效果，以期為銅冶煉行業以及其他行業開展節能減排分析提供方法支持。

1 評價方法(Assessment methods)

1.1 目標與范圍定義

本研究旨在分析精煉銅的生命周期的環境影響。根據上述研究目標，本文選取生產1 t精煉銅為功能單位。研究范圍包括銅市場平均過程(原生銅與再生銅占銅產量的比例)，原生銅冶煉過程與再生銅冶煉過程，銅礦采選、電力混合、蒸汽生產等上游原材料與能源的生產階段，銅精礦運輸階段以及銅礦石、原煤、石灰石、天然氣開采等資源開采階段。因銅冶煉過程中，鉛、鋅等副產品、電解添加劑等次要輔料的用量比例較小，故本研究中忽略其環境影響數據。本文精煉銅的生命周期過程如圖1所示，采用eBalance[9]軟件完成LCA建模計算與分析。

選取《“十二五”國民經濟與社會發展規劃綱要》(以下簡稱《綱要》)中規定的7項節能減排指標，量化評價精煉銅生命周期的環境影響。

1.2 清單數據收集

1.2.1 精煉銅市場平均過程

市場中，精煉銅可分為以銅精礦為生產原料的原生銅和以廢銅為原料的再生銅。2010年我國銅產量為457.3萬t[7]，再生銅產量為176.2萬t[10]，因此，每生產1 t銅，原生銅的產量為615 kg，再生銅的產量為385 kg。

1.2.2 冶煉過程

原生銅冶煉過程的工藝技術有火法工藝和濕法工藝[11]。采用火法冶煉技術生產的銅產量占銅總量的98%[12]，因此本文中只包含火法煉銅生產過程，忽略了濕法工藝。原生銅冶煉過程包含熔煉吹煉、陽極爐精煉、電解精煉工序[13]。

再生銅冶煉過程的工藝技術多采用一段法和二段法，其中一段法主要針對含銅量達90%以上的高品位的廢雜銅，二段法主要針對含銅量低于90%的廢雜銅料[14]。二段法是目前我國采用最多的再生銅生產工藝[6]，因此本文采用二段法生產再生銅過程的數據。再生銅冶煉過程包含鼓風爐熔煉、反射爐精煉、電解精煉工序[15]。

圖1 精煉銅生命周期流程Fig. 1 Life cycle flow chart of refined copper

原生銅冶煉過程中原材料投入主要為銅精礦、水、石英[16-17]，能源消耗主要為電力、煤、重油、天然氣[4]。再生銅的冶煉過程中原料投入主要為廢銅、水、硫酸[18]，能源消耗主要為電力、煤、重油、天然氣[6]。在冶煉過程排放的主要污染物質主要有CO2、SO2、飛灰、廢水、重金屬等排放，因為本文選取的評價指標為《綱要》中規定的7項節能減排指標，所以文中只列出CO2、SO2、COD、NOx和氨氮的數量[17-22]。主要原材料的運輸距離取2010年公路貨物運輸平均距離177 km[23]。原生銅與再生銅冶煉過程的清單數據，詳見表1。

1.2.3 上游原材料與能源生產過程

上游原材料生產過程以及銅礦石開采、銅精礦生產過程的數據均來自于中國生命周期核心數據庫(CLCD)[24]。

2 結 果(Results)

2.1 生命周期節能減排綜合評價

生命周期節能減排綜合評價指標(ECER)[25]是基于“十二五”節能減排政策目標提出的量化指標，按照公式(1)進行計算。

(1)

式(1)中，E表示綜合指標ECER值；Ai表示一種產品(特定技術方案下)的生命周期初級能耗、工業用水量、CO2、SO2、COD、NOx和氨氮7項節能減排指標值；Ti表示可比的節能減排政策目標[25]；Ni為2010年對應指標的全國總量[25-29]，見表2所示。

按照LCA分段法[30]規則，再生銅生命周期從廢銅回收開始。原生銅與再生銅的ECER值，計算結果如表2所示。

表1 原生銅與再生銅冶煉過程的清單數據Table 1 Inventory data of the smelting process of primary copper and secondary copper

注：1)該SO2值為原生銅冶煉尾氣中SO2經制酸后，最終排放的數據。

Note: 1) The value of SO2is the final emission data, after producing sulfuric acid using the SO2in the primary copper smelting exhaust.

表2 精煉銅環境影響分析Table 2 Analysis of life cycle environmental impact indicators of copper

注：2)精煉銅是指原生銅與再生銅的市場平均。計算2010年精煉銅的環境影響時，再生銅市場份額為38.5%(見1.2.1論述)；3)初級能耗以千克標準煤計(/kgce)，各能源的特征化因子，參見文獻[29]。

Note: 2) Refined copper means the market average of primary copper and secondary copper. When calculating the environmental impact of refined copper in 2010, the market share of secondary copper was 38.5% (see 1.2.1 section); 3) The unit of primary energy consumption is kgce. The characterization factor of each energy refers to the reference [29].

由表2可見，再生銅冶煉過程的生命周期環境影響各項指標均比原生銅的結果小，再生銅比原生銅的ECER小62.5%，這表明廢銅循環這一措施有利于實現節能減排政策目標。

2.2 目標綜合削減幅度

目標綜合削減幅度是指產品生命周期各項節能減排指標(基準方案)各自削減至政策目標所要求幅度時，其ECER綜合指標的削減幅度，按照公式(2)進行計算。

(2)

式(2)中，D表示目標綜合削減幅度；E0表示基準方案的ECER值，按公式(1)進行計算。E'表示產品的各項指標各自削減至政策目標所要求幅度時ECER的值，按公式(3)進行計算；

(3)

按照公式(2)與(3)，以表2中的原生銅和再生銅各項指標值以及2010年再生銅市場份額(R=38.5%)作為基準方案，計算得到銅冶煉行業達到“十二五”節能減排政策目標時的綜合削減幅度為27.8%，詳見表3。

2.3 措施評價

選取ECER指標以評價再生銅市場份額(以R表示)變化時，銅冶煉行業的節能減排效果。《有色金屬“十二五”發展規劃》中提出，到2015年再生銅占當年銅產量的比例達到40%，以2010年再生銅市場份額R=38.5%作為基準方案，計算得到行業目標R=40%(方案二)的ECER的削減幅度，與“十二五”節能減排政策目標要求(方案一)進行對比分析。結果如表3所示。

由表3可知，以2010年再生銅市場份額(R=38.5%)作為基準方案，計算得到的目標綜合削減幅度為27.8%，而完成行業目標(R=40%)時，相對于基準方案，綜合削減幅度僅為1.3%，遠遠小于政策目標要求值。

只采取廢銅再生循環措施時，若要達到“十二五”節能減排政策目標要求，再生銅市場份額R按照公式(4)進行計算，計算結果為72.2%。由于原生銅與再生銅的市場份額是由多種因素決定的，短期內也很難有大幅度的變化，因此銅冶煉行業若要達到“十二五”節能減排政策目標，還應加強清潔生產、技術改造等其他措施的實施力度。

(4)

式(4)中，R表示再生銅市場份額；Epr表示R=0時，ECER值；Ere表示R=100%時，ECER值；E'表示達到“十二五”節能減排政策目標時ECER值。

表3 生產1 t精煉銅的生命周期節能減排指標值Table 3 ECER indicator for 1 t refined copper

3 討 論(Discussion)

生命周期節能減排綜合評價指標(ECER)涵蓋產品生命周期多個過程、包含涵蓋了初級能耗、工業用水量、CO2、SO2、COD、NOx、氨氮指標，評價過程基本避免了人為主觀意見，最終可得出量化的單一綜合指標和明確的評價結論，適用于各種產品和方案措施的節能減排效果評價。選取ECER指標計算得到的再生銅的生命周期環境影響小于原生銅的生命周期環境影響，因此廢銅的再生循環有利于節能減排政策目標的實現，應加強銅再生循環利用。

基于ECER指標，可以計算得出產品目標綜合削減幅度，從而可以衡量各種方案措施的有效程度。以2010年再生銅市場份額(R=38.5%)作為基準方案，計算得到的目標綜合削減幅度為27.8%。再生銅市場份額由2010年的38.5%提升至《有色金屬“十二五”發展規劃》中要求的40%時，其目標綜合削減率為1.3%，遠遠小于27.8%，其節能減排效果并不顯著。只采取廢銅再生循環措施時，若要達到“十二五”節能減排政策目標要求，再生銅市場份額應為72.2%。因此，銅冶煉行業若要達到“十二五”節能減排政策目標，還應加強清潔生產、技術改造等其他措施的實施力度。

本文方法可用于計算各種行業的節能減排目標綜合削減幅度，從而幫助判斷各種改進方案和措施是否足以達到節能減排宏觀政策目標的要求。

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◆

LifeCycleEnergyConservationandEmissionReductionTargetsAssessmentofRefinedCopperIndustry

Fan Huanhuan1, Wang Hongtao1,*, Xie Adi1, Hou Ping2

1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China2. IKE Environmental Technology, Chengdu 610065, China

14 May 2014accepted4 September 2014

Life cycle model of refined copper was developed and analyzed in terms of life cycle Energy Conservation and Emission Reduction indicator (ECER). The life cycle energy conservation and emission reduction performance of primary copper and that of secondary copper was compared. Moreover, when the market shares of primary and secondary copper change, overall ECER reduction of refined copper industry was calculated and compared with national political targets. The results showed that the ECER of secondary copper is 62.5% less than that of primary copper, which confirms that copper recycling is an effective way for energy conservation and emission reduction. However, by changing the market share of secondary copper from 38.5% in 2010 to 40% in 2015 as suggested in "twelfth five-year" plan of non-ferrous metals industry, the overall reduction of ECER of refined copper industry was only 1.3%, which is far from 27.8% as prescribed by the national political targets. Therefore, the market share of secondary copper should be raised as much as possible, meanwhile cleaner technologies and means are needed urgently. The method proposed in this paper could be applied to calculate the ECER reduction of other industries too, which could help to estimate whether various technologies or schemes are adequate to reach the national targets.

primary refined copper; secondary refined copper; life cycle assessment; energy conservation emission reduction; overall reduction rate;

2014-05-14錄用日期：2014-09-04

1673-5897(2014)4-737-07

： X171.5

： A

王洪濤(1970—)，男，副教授，主要從事生命周期評價(LCA)基礎理論，數據庫及其應用研究。

樊歡歡(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為產業生態學與生命周期管理，E-mail: fanhuan26@gmail.com

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: wanght@scu.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140514008

樊歡歡，王洪濤，謝阿弟, 等. 精煉銅行業的生命周期節能減排目標評價[J]. 生態毒理學報, 2014, 9(4): 737-743

Fan H H, Wang H T, Xie A D, et al. Life cycle energy conservation and emission reduction targets assessment of refined copper industry [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(4): 737-743 (in Chinese)