基于MFA/LCA的典型有色金屬生產(chǎn)環(huán)境負荷評價與優(yōu)化

高　峰，陽丹品，聶祚仁，龔先政

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

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基于MFA/LCA的典型有色金屬生產(chǎn)環(huán)境負荷評價與優(yōu)化

高峰，陽丹品，聶祚仁，龔先政

(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)

摘要：有色金屬生產(chǎn)、消費和循環(huán)利用是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，與其相關(guān)的資源消耗及其產(chǎn)生的環(huán)境影響很難預(yù)測。近年來，物質(zhì)流分析和生命周期評價方法在有色金屬行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域發(fā)展迅速。它們作為定量化的決策分析工具，不僅能夠為企業(yè)技術(shù)升級改造提供可行的建議和措施，還能為行業(yè)宏觀節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)程度提供評判依據(jù)。闡述了物質(zhì)流分析和面向流程的生命周期評價方法的主要觀點、理論基礎(chǔ)、研究思路和框架，以鋁、鎂、銅、鉛、鋅等為例，對上述方法在典型有色金屬生產(chǎn)中的應(yīng)用進行了總結(jié)和分析，并對其在有色金屬工業(yè)節(jié)能減排中的進一步研究予以討論和展望。

關(guān)鍵詞：有色金屬；環(huán)境負荷；節(jié)能減排；物質(zhì)流分析；生命周期評價

1前言

有色金屬是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)原材料，由于其產(chǎn)品種類多、應(yīng)用領(lǐng)域廣、產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，在國民經(jīng)濟發(fā)展乃至國防工業(yè)建設(shè)等方面發(fā)揮著重要的作用。2000～2014年我國10種常用有色金屬產(chǎn)量增長了4.6倍，年均遞增13.3%，產(chǎn)量連續(xù)12年位居世界第一。其中，鋁、銅、鉛、鋅的產(chǎn)量占10種常用有色金屬總產(chǎn)量的95%以上；其他有色金屬產(chǎn)量也呈現(xiàn)出快速增長的趨勢(圖1)。從能耗方面來看，2000～2014年我國有色金屬行業(yè)主要產(chǎn)品的單位能耗大幅下降(表1)，一些主要指標(biāo)如鋁錠綜合交流電耗已接近或達到世界先進水平。但由于產(chǎn)量的過快增長導(dǎo)致能耗總量居高不下。2012年有色金屬行業(yè)總能耗約16 020萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤(按發(fā)電煤耗值計算)，占全國能耗總量的4.4%。其中，電力消耗為3 909億千瓦時，占全國電力消費量的7.9%，其中，電解鋁生產(chǎn)電力消耗占有色金屬行業(yè)電力消耗的71.6%，占全國電力消耗的5.6%。

圖1　2000～2014年10種常用有色金屬產(chǎn)量Fig.1　The outputs of ten kinds of non-ferrous metals from 2000 to 2014

IndicatorUnit200020052010201120122013Overallenergyconsumptionofcoppersmelting&refiningkgce/t1277.2733.1398.8407.1424.3316.4Specificoverallenergyconsumptionofaluminakgce/t1212.4998.2590.6573.7542.8527.8A.C.OverallconsumptionofaluminumingotskWh/t154801457513964139021382713740Specificoverallenergyconsumptionofaluminumingotskgce/t1986.01870.01791.61783.61774.01762.8Overallenergyconsumptionofleadsmeltingkgce/t721.0654.6421.1433.8467.7469.3Overallenergyconsumptionofelectrolyticzinckgce/t2306.91953.1999.1945.7901.9909.3Overallenergyconsumptionofmagnesiumsmeltingkgce/t12184.49165.95453.65159.84959.84859.8Overallenergyconsumptionofnicklesmeltingkgce/t5581.74056.13594.83527.63274.2—Overallenergyconsumptionofcopperprocessingkgce/t1106.8719.9243.6254.3222.7—Overallenergyconsumptionofaluminumprocessingkgce/t1139.5746.2390.8372.5342.8—

根據(jù)2013年工業(yè)和信息化部發(fā)布的《關(guān)于有色金屬工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見》，有色金屬行業(yè)為實現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)，提出了以重有色金屬冶煉生產(chǎn)過程控制為重點，針對鉛、鎘、砷、汞等重金屬污染物生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，組織實施了清潔生產(chǎn)技術(shù)改造，推廣了一批先進適用的節(jié)能減排技術(shù)，從源頭消減了有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生量，降低了末端治理的難度和壓力。然而，礦產(chǎn)資源開采和冶煉生產(chǎn)過程長期累積的污染問題仍比較突出，有色金屬行業(yè)面臨的節(jié)能減排任務(wù)仍十分艱巨。從國內(nèi)發(fā)展環(huán)境看，我國重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)及國防科技工業(yè)的發(fā)展，為有色金屬工業(yè)發(fā)展帶來了更大的空間；同時，能源、資源和生態(tài)環(huán)境的制約因素也將日趨強化。有色金屬行業(yè)過去十多年依靠資源密集、產(chǎn)量增長、勞動力成本和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)低等作為支撐的發(fā)展模式已經(jīng)難以維持，迫切需要加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，加速實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級。從國際環(huán)境看，金融危機之后的世界經(jīng)濟緩慢曲折復(fù)蘇，圍繞資源、市場、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等方面的競爭將更加激烈。應(yīng)對全球氣候變化，減少二氧化碳等溫室氣體排放的新形勢，使有色金屬工業(yè)發(fā)展的外部環(huán)境更趨復(fù)雜。

有色金屬冶煉環(huán)節(jié)約占產(chǎn)業(yè)能源消耗總量的70%左右，因此生產(chǎn)過程節(jié)能降耗技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用是有色金屬工業(yè)節(jié)能減排工作的重點。結(jié)合有色金屬生產(chǎn)過程重點節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用情況及未來的技術(shù)發(fā)展趨勢，對冶煉工藝的資源效率、節(jié)能減排效果進行分析與評價，不僅能夠為企業(yè)技術(shù)升級改造提供可行的建議和措施，還能為行業(yè)宏觀節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)程度提供評判依據(jù)。本文闡述了物質(zhì)流分析和面向流程的生命周期評價方法的主要觀點、理論基礎(chǔ)、研究思路和框架，以鋁、鎂、銅、鉛、鋅等為例，對上述方法在典型有色金屬生產(chǎn)中的應(yīng)用進行了總結(jié)和分析，并對其在有色金屬工業(yè)節(jié)能減排中的進一步研究予以討論和展望。

2生命周期評價方法與物質(zhì)流分析

2.1面向流程的生命周期評價方法

生命周期評價(Life Cycle Assessment，簡稱LCA)是對產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價[1]。生命周期評價通過考察產(chǎn)品、行業(yè)甚至產(chǎn)業(yè)鏈的整個生命周期，對決策過程中的環(huán)境因素做出評價，這種評價可以是戰(zhàn)略性的，也可以是具體運營和細節(jié)操作方面的，從而促使產(chǎn)業(yè)內(nèi)部行為更符合可持續(xù)發(fā)展的原則。對于面向產(chǎn)品系統(tǒng)的完整的生命周期評價所涉及的系統(tǒng)邊界范圍包括資源開采、原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品加工制造、使用與維護、廢棄處置與循環(huán)再利用等過程，即從“搖籃到墳?zāi)埂盵2]。如果研究的對象和目的是單位有色金屬生產(chǎn)的環(huán)境負荷，則定義其系統(tǒng)邊界時通常考慮其生產(chǎn)工藝過程及其主要的輔助生產(chǎn)過程，因此對于這類原材料生產(chǎn)過程的生命周期評價，也稱之為從“搖籃到大門”的評價。

面向有色金屬生產(chǎn)工藝流程的生命周期分析模型，首先需要詳盡描述其生產(chǎn)過程，包括重要的輔助生產(chǎn)過程，即對系統(tǒng)邊界的確定。第二，定義物質(zhì)流。所謂物質(zhì)流是指系統(tǒng)中區(qū)分各種物質(zhì)的標(biāo)識，用于描述系統(tǒng)中的物質(zhì)與能量流向。對于物質(zhì)流的描述包括物質(zhì)流名稱、化學(xué)結(jié)構(gòu)與主要成分等，另外還要定義每個物質(zhì)流所具有的形態(tài)及形態(tài)間的轉(zhuǎn)換因子。第三，建立單元過程。功能單元是系統(tǒng)中某一過程的輸入輸出流集合，其主要作用是將產(chǎn)品系統(tǒng)中單元過程所涉及到的輸入、輸出流組織在一起，并通過配置參數(shù)，建立不同單元過程間的流入與流出比例關(guān)系。第四，流程建模。流程建模就是對產(chǎn)品系統(tǒng)的建模，用于將各個單元過程組織在一起，單元過程間以物質(zhì)流(或中間產(chǎn)品)相互連接。各個單元過程的輸入輸出通常存在一定的比例關(guān)系，系統(tǒng)模型將根據(jù)指定的基準(zhǔn)功能單位，將各單元的輸入輸出量調(diào)整為以功能單位為基準(zhǔn)的參數(shù)，以保證流程模型內(nèi)的輸入輸出平衡，形成完整的生產(chǎn)流程圖。第五，平衡計算。平衡計算對流程模型進行匯總計算，系統(tǒng)將不同單元過程的輸入輸出按其層次進行分類匯總，將相同的輸入輸出項目進行合并，最終用一個S×N矩陣表示計算結(jié)果，其中N表示單元過程數(shù)，S表示物質(zhì)流數(shù)，每個矩陣單元Kij表示物質(zhì)i在單元過程j中的輸入/輸出量。圖2描述了生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入和輸出及其內(nèi)部單元過程。

圖2　生產(chǎn)系統(tǒng)及其內(nèi)部單元過程示意圖Fig.2　The sketch of production system and its unit processes

2.2物質(zhì)流分析方法

物質(zhì)流分析(Material Flow Analysis，簡稱MFA)是研究特定工業(yè)部門或區(qū)域經(jīng)濟系統(tǒng)物質(zhì)新陳代謝的一種方法，其通過對自然資源的開采、生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移、消耗、循環(huán)和廢棄等過程的分析，揭示物質(zhì)在特定區(qū)域中的流動特征和轉(zhuǎn)化效率。其基本思想是，人類活動所產(chǎn)生的環(huán)境影響在很大程度上取決于進入經(jīng)濟系統(tǒng)的自然資源和物質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量，以及從經(jīng)濟系統(tǒng)排入環(huán)境的資源和廢棄物的數(shù)量和質(zhì)量[3-4]。

物質(zhì)流分析方法為產(chǎn)品設(shè)計、商業(yè)管理和制定公共政策等資源管理措施提供了系統(tǒng)分析的觀點與方法。從總體上看，物質(zhì)流分析主要分為兩種類型：

(1)研究某種物質(zhì)材料的環(huán)境問題，目的是減小這類物質(zhì)材料在流動過程中的環(huán)境負荷。工業(yè)系統(tǒng)是全球生態(tài)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，應(yīng)以生態(tài)學(xué)的理論和方法來觀察和分析工業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量流動。在考慮工業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)流動時，應(yīng)在全球生態(tài)的背景下，設(shè)計原料和廢棄物的使用，以便將其對地球生態(tài)系統(tǒng)的影響最小化。

(2)對不同空間尺度進行物質(zhì)流分析，研究解決物質(zhì)使用效率、使用強度和減少廢棄物產(chǎn)生的策略和方法。從部門、區(qū)域或國家的尺度，分析原料與能量的流動以及相關(guān)經(jīng)濟活動對全球或某個地區(qū)物質(zhì)流動與循環(huán)的影響，研究物質(zhì)生產(chǎn)及其生產(chǎn)結(jié)構(gòu)是否符合可持續(xù)發(fā)展的要求，此類物質(zhì)流分析的研究目的是，工業(yè)或社會新陳代謝的重構(gòu)和減量化，以及資源生產(chǎn)力的提高。從某一產(chǎn)品的角度，分析原料、能量和廢棄物在產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用、廢棄等整個生命周期內(nèi)的分配和流動，其目的是開展生態(tài)設(shè)計、源頭減量化或替換、再循環(huán)、再制造、有毒有害廢物的減少、延伸生產(chǎn)者的責(zé)任等。

物質(zhì)流分析主要是一種靜態(tài)的分析工具，其分析方法多是建立在輸入-輸出(Input-Output)分析的思想基礎(chǔ)之上。物質(zhì)流分析總的指導(dǎo)原則是質(zhì)量守恒。一定數(shù)量的物質(zhì)因人類活動而散失在自然界中，但其質(zhì)量總是不變的。對于一個給定的系統(tǒng)，其物質(zhì)平衡表現(xiàn)為以下形式：總輸入=總輸出+凈累積，如公式(1)。這說明系統(tǒng)中的物質(zhì)總是與輸入、在系統(tǒng)中累積以及作為輸出而離開系統(tǒng)這三股物質(zhì)流相聯(lián)系。

∑Finput=∑Foutput+∑Fnetstore

(1)

式中，F(xiàn)input表示系統(tǒng)物質(zhì)的輸入量；Foutput表示系統(tǒng)物質(zhì)的流出量；Fnetstore表示物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的凈累計量。

針對有色金屬的特點，基于輸入輸出分析方法建立的用于模擬其全生命周期的物質(zhì)流動過程如圖3所示。這一輸入輸出流分析包括兩項基本研究內(nèi)容：首先是追蹤并描述出入于環(huán)境的物質(zhì)流，構(gòu)建一個材料流和能量流分析的輸入輸出模型框架，包括研究對象，即物質(zhì)或過程、以及系統(tǒng)邊界；其次是描述與物質(zhì)流動量相關(guān)的系統(tǒng)行為，即對系統(tǒng)中材料所流經(jīng)過程的度量以及對材料循環(huán)的度量，主要度量指標(biāo)包括：物質(zhì)總需求、物質(zhì)直接輸入量、生產(chǎn)過程排出量、生態(tài)包袱(Eco-Rucksack)或隱流(Hidden Flow)以及進口和出口等。最后，根據(jù)系統(tǒng)行為的衡量結(jié)果，在總體考慮外在環(huán)境和材料流系統(tǒng)變量的基礎(chǔ)上，提出改進系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的措施。

圖3　物質(zhì)流分析框圖Fig.3　The framework of Material Flow Analysis

材料的生命周期評價主要是對材料系統(tǒng)從原材料獲取階段開始到最終廢棄的全過程中的環(huán)境影響(資源、能源、排放物)進行綜合評估。它作為一種定量化的決策分析工具，在材料及產(chǎn)品的環(huán)境負荷分析、生態(tài)設(shè)計、清潔生產(chǎn)審計、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。從清單分析和影響評價階段的研究內(nèi)容來看，它們都與物質(zhì)的輸入和輸出有著緊密的聯(lián)系。生命周期評價和物質(zhì)流分析都從研究系統(tǒng)或過程的各個子階段入手，但是前者注重研究生態(tài)環(huán)境、人體健康、資源消耗等方面的環(huán)境問題，而后者主要分析物質(zhì)材料流動的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和特征。因此在LCA分析中結(jié)合MFA分析，能夠彌補生命周期評價中空間、時間等方面信息的局限性，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的可靠性和全面性，進而提高影響評價的精確性[5]。

3環(huán)境負荷評價與物質(zhì)流分析

3.1鎂

由于鎂合金材料在交通工具的節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，國際上針對鎂生產(chǎn)和使用階段的環(huán)境影響開展了相關(guān)研究工作。自2002年以來，由于世界鎂生產(chǎn)和技術(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，澳大利亞等國的研究者們開展了原鎂生產(chǎn)工藝過程及鎂產(chǎn)品的環(huán)境負荷研究[6-9]，大部分原鎂生產(chǎn)環(huán)境影響的研究報告和論文都將焦點集中于中國皮江法工藝的溫室氣體排放。Ramakrishnan等[8]對2003年鎂生產(chǎn)工藝的研究結(jié)果顯示，電解法的溫室氣體排放在20.4～26.4 kg CO2eq/kg Mg，而中國皮江法的溫室氣體排放則在37～47 kg CO2eq/kg Mg，皮江法的排放量約是電解法的兩倍。這也成為國際上對中國皮江法煉鎂環(huán)境影響的負面評價。在已開展的鋁、鎂等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料替代鋼質(zhì)汽車零部件的生命周期比較分析中，仍有相當(dāng)一部分研究以此結(jié)果作為評價依據(jù)[10-13]。

自2005年，作者課題組基于中國資源、能源消費特征，結(jié)合我國皮江法煉鎂的典型工藝過程，建立了面向鎂生產(chǎn)流程的LCA分析模型。并對直接燃煤、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣3種能源利用方案的皮江法煉鎂工藝進行了“從搖籃到大門”的流程分析，計算得到了我國原鎂生產(chǎn)3種能源利用方案工藝過程的環(huán)境負荷貢獻率。結(jié)果表明：煉鎂過程的環(huán)境負荷最大，在3種方案中所占比重均超過了60%。煉鎂過程燃料的使用量決定了環(huán)境負荷的大小。盡管考慮了焦?fàn)t煤氣和發(fā)生爐煤氣生產(chǎn)過程的環(huán)境負荷，采用焦?fàn)t煤氣作為煉鎂主要能源的總體環(huán)境負荷相對最小，與直接燃煤相比下降17.5%[14]。該評價結(jié)果為構(gòu)建煤焦化-硅鐵-煉鎂共生型產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈中各成員間的物質(zhì)傳遞、副產(chǎn)品交換和能量的梯級利用，并為減少焦炭和原鎂生產(chǎn)污染物排放提供了理論和實踐依據(jù)。該產(chǎn)業(yè)共生模式在中國鎂工業(yè)中推廣后，作者單位與鎂業(yè)協(xié)會合作進行了持續(xù)的跟蹤研究，結(jié)果如圖4所示，中國原鎂生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放持續(xù)下降。考慮到中國原鎂生產(chǎn)技術(shù)在清潔能源、余熱利用等新技術(shù)和新裝備的推廣應(yīng)用仍有很大的提升空間，因此，中國鎂原材料溫室氣體排放的連續(xù)降低仍是值得期待的。

圖4　生產(chǎn)1 kg原鎂的能耗和溫室氣體排放指標(biāo)比較Fig.4　Comparisons of energy consumption and greenhouse gas emission of 1 kg primary magnesium

國際鎂業(yè)協(xié)會在2013年發(fā)布了《交通工具結(jié)構(gòu)中鎂部件的生命周期評價》報告，這對于彌補鎂LCA研究數(shù)據(jù)的缺失起到了積極的作用[15]，該報告也引用和評述了作者課題組的相關(guān)工作。

3.2鋁

鋁是國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，因此其生產(chǎn)過程的環(huán)境影響在20世紀90年代初就受到了普遍關(guān)注。自1992年，美國鋁業(yè)協(xié)會、歐洲鋁業(yè)協(xié)會和國際鋁業(yè)協(xié)會先后編制了原生鋁錠、鋁板帶、鋁箔、鋁擠壓材和再生鋁錠的生命周期清單，并進行了環(huán)境影響評價[16-18]。在國際鋁業(yè)協(xié)會的倡導(dǎo)和推動下，世界主要鋁生產(chǎn)和消費大國建立了以生命周期評價為基本原則的鋁與資源、能源和生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略框架和主要目標(biāo)。

在生命周期評價方面，作者課題組通過構(gòu)建鋁生產(chǎn)流程模型，計算編制了我國原鋁從鋁土礦開采、氧化鋁生產(chǎn)、炭陽極制備、鋁電解和錠鑄等階段的生命周期清單，并對能耗和溫室氣體排放這兩項指標(biāo)進行了時間序列分析和比較；通過構(gòu)建灰色關(guān)聯(lián)度分析模型，分析了資源消耗和生產(chǎn)工序能耗等影響因素與溫室氣體排放的關(guān)聯(lián)性[19]；計算了我國再生鋁和原鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放指標(biāo)，并與歐洲再生鋁生產(chǎn)進行了比較，找出了我國再生鋁生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放較高的原因[20]。根據(jù)主要影響因素對溫室氣體排放的關(guān)聯(lián)度等設(shè)定減排方案的系統(tǒng)邊界、排放清單的概率密度函數(shù)以及主要影響因素的變化范圍等相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合我國鋁工業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，對我國原鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放進行蒙特卡羅模擬，獲得了溫室氣體減排的目標(biāo)預(yù)測值。結(jié)果表明，中國單位原鋁生產(chǎn)的溫室氣體排放量在低效率方案、中等效率方案和高效率方案中分別下降24%，30%和37%；其中，氧化鋁和電解鋁生產(chǎn)的溫室氣體減排值分別占到總溫室氣體減排的8%和13%，12%和16%，18%和17%，而且氧化鋁生產(chǎn)在減少總排放時的潛力不斷上升；并預(yù)測在2023年我國原鋁的溫室氣體排放總量將達到峰值并呈現(xiàn)下降趨勢。

在物質(zhì)流分析方面，陳偉強等[21-22]基于金屬元素物質(zhì)流分析的一般性框架，細化了鋁在國家尺度上的社會流動過程，為進行中國國家尺度的鋁物質(zhì)流分析提供了研究框架；并以2005 年為時間截面，定量地描繪了中國國家尺度的鋁物質(zhì)流靜態(tài)圖景，提出了一系列改善進出口結(jié)構(gòu)、減少鋁損耗量、增加鋁循環(huán)利用量的政策建議。楚春禮等[23]應(yīng)用投入產(chǎn)出方法描述了中國鋁物質(zhì)流各過程之間的相關(guān)關(guān)系，揭示了各過程的隱藏流，追蹤了全國鋁損失的主要來源，為鋁行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展提供了政策建議。岳強等[24-25]繪制了鋁的物質(zhì)循環(huán)流圖，并分析了我國2007年的鋁循環(huán)狀況以及2003～2007年間各種含鋁物質(zhì)的凈進口量、鋁循環(huán)中各種含鋁物質(zhì)損失量和鋁社會蓄積量凈增量的變化，提出了我國今后鋁工業(yè)進出口政策的重點和減少鋁損失的工作重點。

3.3銅

目前，我國是全球最大的銅消費國和重要的銅加工制造基地。長期以來，我國銅資源不能滿足國內(nèi)生產(chǎn)和消費的需求，尤其是近年來中國銅冶煉產(chǎn)能的急劇擴張而導(dǎo)致供需缺口較大，而且進口依賴性高，由此引起的資源瓶頸和環(huán)境約束問題日益突出。銅的生產(chǎn)、消費和循環(huán)回收與銅資源的保障能力密切相關(guān)。國內(nèi)外許多學(xué)者通過物質(zhì)流分析對銅的生產(chǎn)、供應(yīng)預(yù)測和銅資源的循環(huán)回收進行了相關(guān)研究。溫宗國等[26]應(yīng)用情景分析、存量模型和物質(zhì)流方法分析研究了中國未來銅資源的代謝趨勢，并用情景分析方法比較3種減量化措施的資源環(huán)境影響。岳強等[27]在物質(zhì)流分析中引入熵分析來研究我國銅資源效率，并提出通過減少尾礦和熔渣中銅的損失量，能夠有效降低銅產(chǎn)品生命周期的熵增。在回收階段，含銅物質(zhì)聚集度的提高更有利于銅資源的回收。郭學(xué)益等[28-29]運用“STAF”模型研究了我國銅的礦石指數(shù)、資源效率、貿(mào)易平衡指標(biāo)、廢銅指數(shù)等物質(zhì)流分析指標(biāo)，并與歐洲水平進行了對比，提出了控制原生銅產(chǎn)能，推進銅消費結(jié)構(gòu)調(diào)整，加強再生銅的回收利用，以及尾礦和爐渣的回收利用，并加大相關(guān)工藝的研發(fā)，努力降低環(huán)境影響等措施。丁一等[30]利用生態(tài)包袱系數(shù)對中國銅資源開發(fā)利用中的物質(zhì)投入進行了估算，但生態(tài)包袱系數(shù)與不同國家物質(zhì)資源的特點、生產(chǎn)方式和技術(shù)水平等相關(guān)，對于如何確定中國本土資源的生態(tài)包袱系數(shù)還有待于進一步研究。Daigo等[31]運用動態(tài)的物質(zhì)流分析方法研究了日本銅資源的存量和廢銅循環(huán)的潛力，并指出日本的高純銅與銅合金在回收統(tǒng)計上的誤差，強調(diào)了進一步細化分類回收對于提高含銅廢料循環(huán)利用的重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對銅的開采、冶煉等生產(chǎn)過程的環(huán)境影響也開展了大量的研究。姜金龍等[32]運用LCA方法，對比了火法和濕法生產(chǎn)金屬銅的環(huán)境負荷。評價結(jié)果表明，濕法煉銅工藝簡單、能耗低，污染物排放少，環(huán)境協(xié)調(diào)性好于火法煉銅。然而，我國濕法工藝發(fā)展較為緩慢，90%以上的銅產(chǎn)量均來源于火法。另外，SO2回收率低是造成酸雨和人體毒害效應(yīng)較大的主要原因。因此，提高SO2的回收率對減小火法煉銅的環(huán)境負荷至關(guān)重要。阮仁滿等[33]對生物提銅、浮選—閃速煉銅生產(chǎn)過程進行了生命周期分析，結(jié)果表明，生物提銅生產(chǎn)流程短、物耗少、節(jié)能減排，與火法煉銅相比,對環(huán)境的影響顯著減少。從保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，應(yīng)加強生物冶金技術(shù)研究開發(fā)。李英順等[34]對銅爐渣和銅礦石回收銅的選礦過程的環(huán)境協(xié)調(diào)性進行了對比研究，并獲得了選礦各工序過程的環(huán)境負荷評價結(jié)果。該研究認為，盡管銅爐渣選礦生產(chǎn)過程每生產(chǎn)1 kg精礦的環(huán)境負荷約為銅礦石的1.32倍，但隨著國內(nèi)銅精礦供應(yīng)缺口的增大，從銅爐渣中回收銅資源將顯著地提高資源利用率，有利于循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。Memarya等[35]運用時間序列的生命周期評價方法研究了澳大利亞銅采礦和冶煉生產(chǎn)過程的環(huán)境影響。結(jié)果表明，礦石品位的變化、生產(chǎn)技術(shù)及區(qū)域能源結(jié)構(gòu)都會對銅生產(chǎn)的碳足跡和其它環(huán)境負荷產(chǎn)生重要影響，其中礦石品位的變化對環(huán)境負荷的影響較為顯著。隨著銅資源的短缺和銅冶煉能力的提高，大量銅爐渣中的銅經(jīng)過選礦過程得到了回收，但是不可避免地帶來了環(huán)境負荷。

3.4鉛鋅

2013年我國鉛鋅產(chǎn)量合計978萬噸，占世界鉛鋅總產(chǎn)量的41%，產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界第一。鉛鋅廣泛用于電氣工業(yè)、機械工業(yè)、軍事工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輕工業(yè)和醫(yī)藥業(yè)等領(lǐng)域。世界上80%以上的鉛被用于生產(chǎn)鉛酸電池。此外，鉛金屬在核工業(yè)、石油工業(yè)等部門也有較多的用途。鋅金屬具有良好的壓延性、耐磨性和抗腐蝕性，能與多種金屬制成物理與化學(xué)性能更加優(yōu)良的合金。我國鉛鋅工業(yè)的快速發(fā)展，也給生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響和破壞。張偉建等[36]采用LCA方法針對韶冶帝國熔煉法(ISP法)的生產(chǎn)過程進行了環(huán)境負荷評價，確定了能源總需求、溫室效應(yīng)和酸化效應(yīng)在各工藝階段中所占的比重，找出了生產(chǎn)流程主要環(huán)境壓力所在，并在此基礎(chǔ)上指出了韶冶ISP工藝改進的措施。何靜等[37]以株洲冶煉廠為例，對鋅冶煉過程的環(huán)境影響進行系統(tǒng)研究，確定了渣處理過程是該廠環(huán)境負荷的主要承擔(dān)者，并針對該環(huán)節(jié)提出了進一步削減污染物排放的措施。Daniel等[38]采用LCA方法對廢棄電池中鉛的兩種處置方式進行了對比研究，結(jié)果表明廢電池中鉛的回收在危險廢棄物排放、持續(xù)性毒性、富營養(yǎng)化、酸化效應(yīng)和光化學(xué)煙霧形成潛力等方面的環(huán)境表現(xiàn)更好，但在人體毒性、溫室效應(yīng)等方面的影響大于廢電池中鉛的常規(guī)處置。

國內(nèi)外學(xué)者對鉛鋅的物質(zhì)流進行了研究，其目的在于進一步闡明鉛鋅物質(zhì)的流向及其資源循環(huán)利用的狀況，為實現(xiàn)鉛鋅資源的高效綜合利用提供指導(dǎo)。萬文玉等[39]對再生鉛熔煉各個工序的鉛物質(zhì)流核算表明，鉛污染主要來源于短窯熔煉工序爐渣和鉛塵的排放，以及合金工序中的浮渣。因此，應(yīng)加強熔煉工序中煙塵的處理，降低爐渣和浮渣的產(chǎn)生量。郭學(xué)益等[40]分析了2006 年我國鉛的社會存量變化及其流動狀況，計算了鉛礦石資源效率、廢鉛指數(shù)等指標(biāo)，總結(jié)了我國在鉛資源循環(huán)利用方面的不足，并對鉛工業(yè)的發(fā)展和資源的循環(huán)利用提出了建議。馬蘭等[41-42]運用“STAF”模型對比分析了2000～2010年我國鉛物質(zhì)流的變化，計算了鉛礦石消耗量、環(huán)境釋放量、資源和環(huán)境效率、循環(huán)率等指標(biāo)，分別從消費、貿(mào)易、技術(shù)、管理等方面分析了我國鉛物質(zhì)流改變的原因，為鉛工業(yè)資源環(huán)境改善提供了依據(jù)。Spatari等[43]采用“STAF”模型研究了歐洲鋅的物質(zhì)流動情況，結(jié)果表明，歐洲廢棄的鋅資源主要來源于建筑拆遷廢料和報廢車輛；然而，只有約34%的廢鋅得到了循環(huán)利用，鋅大量損失到環(huán)境中，對其帶來的環(huán)境影響應(yīng)考慮從時空尺度進行評估。Mao等[44-45]討論了基于時間和空間因素的鉛全生命周期物質(zhì)流的數(shù)據(jù)采集和評估方法，指出盡管在數(shù)據(jù)方面存在相當(dāng)大的限制，但對于在各種空間尺度合理定量描述鉛生命周期的信息是足夠可用和準(zhǔn)確的。并在此基礎(chǔ)上研究了世界范圍內(nèi)鉛的流量和流向，為鉛資源的互補性研究、能源利用、鉛廢棄的管理和環(huán)境問題提供了框架。

4結(jié)語

有色金屬生產(chǎn)、消費和循環(huán)利用是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，與其相關(guān)的資源消耗、物質(zhì)流動及其產(chǎn)生的環(huán)境影響很難預(yù)測。物質(zhì)流分析方法利用輸入-輸出或投入-產(chǎn)出平衡分析的方法，對整個系統(tǒng)物質(zhì)流動的狀況進行分析，得到了簡潔的物質(zhì)流動效率和可持續(xù)發(fā)展程度的示蹤指標(biāo)，拓展了可持續(xù)發(fā)展研究方法在有色金屬領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，目前的物質(zhì)流分析方法在研究有色金屬時也有其不足之處，這主要表現(xiàn)在：①現(xiàn)行的物質(zhì)流分析只考慮物質(zhì)的質(zhì)量，卻沒有涉及不同物質(zhì)流可能帶來的不同的環(huán)境影響，弱化了物質(zhì)流指標(biāo)與物質(zhì)流動所引起的環(huán)境影響之間的聯(lián)系。一些質(zhì)量小的物質(zhì)流，比如少量的有毒重金屬元素(鉛、汞、鎘等)可能會帶來很大的負面環(huán)境影響。②國家尺度的物質(zhì)流分析案例較多，原因在于宏觀層面物質(zhì)流分析所需的數(shù)據(jù)比較容易獲得，但是類似于小品種的有色金屬，如稀土、鎢、鉬等的相關(guān)數(shù)據(jù)卻經(jīng)常由于一些客觀原因(如統(tǒng)計內(nèi)容的局限、大公司和企業(yè)的數(shù)據(jù)保密等)難以獲得，而這也限制了物質(zhì)流分析方法在有色金屬中的使用范圍。

由于有色金屬品種眾多而且生產(chǎn)工藝流程各具特點，資源、能源消耗、污染物排放與工藝流程密切相關(guān)，生產(chǎn)系統(tǒng)某一過程的工藝改進或優(yōu)化與哪些過程的關(guān)系最為密切，即是否會導(dǎo)致其他過程環(huán)境負荷的增加或降低；有色金屬生產(chǎn)過程中體現(xiàn)中國資源特點和工藝技術(shù)水平的特征參數(shù)，如能源消費結(jié)構(gòu)、先進技術(shù)的實施、二次資源的循環(huán)率等因素與環(huán)境負荷及節(jié)能減排的關(guān)系等問題都具有重要的研究意義。但是，從總體上看，有色金屬生產(chǎn)的生命周期評價研究大部分仍局限于能耗和溫室氣體排放等少數(shù)指標(biāo)，并沒有結(jié)合有色金屬生產(chǎn)流程的特點對上述問題進行深入的研究，因此為制定決策提供依據(jù)的綜合評價結(jié)果尚與業(yè)內(nèi)所期待的標(biāo)準(zhǔn)存在較大差距。中國有色金屬產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的任務(wù)艱巨，潛力巨大，在有色金屬行業(yè)充分發(fā)揮生命周期評價和物質(zhì)流分析技術(shù)的優(yōu)勢，將為實現(xiàn)中國有色金屬工業(yè)節(jié)能減排中長期目標(biāo)提供有利的決策支持和技術(shù)保障。

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(編輯惠瓊)

The Environment Load Evaluation and Optimization for the Typical Non-Ferrous Metals ProductionBased on the MFA/LCA Method

GAO Feng, YANG Danpin, NIE Zuoren, GONG Xianzheng

(College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract：The production, consumption and recycling of non-ferrous metals are a complicated nonlinear system. It is difficult to predict their related resources consumption and environmental impacts. In recent years, material flow analysis (MFA) and life cycle assessment (LCA) have been developed and applied in the non-ferrous metals industry for circular economy and sustainable development. These two quantitative decision analysis tools can provide not only feasible suggestions and measures for technology upgrades and renovation of enterprises, but also evaluation basis for non-ferrous metals industry to achieve the goal of energy saving and emissions reduction. The main ideas, theoretical basis, research ideas and frameworks of MFA and process-oriented LCA are elaborated in this paper. The application of these methods in typical non-ferrous metals production, such as aluminum, magnesium, copper, lead and zinc, is summarized and analyzed. Further researches of energy saving and emissions reduction in the non-ferrous metals industry are discussed and prospected.

Key words：non-ferrous metals; environmental load; energy saving and emissions reduction; material flow analysis; life cycle assessment

中圖分類號：X758

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)03-0179-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.03.03

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51304009)

收稿日期：2015-11-02

第一作者：高峰，男，1978年生，副教授，碩士生導(dǎo)師,Email:gaofeng@bjut.edu.cn