硫酸法和氯化法鈦白生態效率分析與比較

唐文騫 中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250013

環境保護

硫酸法和氯化法鈦白生態效率分析與比較

唐文騫*中海油山東化學工程有限責任公司 濟南 250013

為了用數據表達硫酸法和氯化法鈦白生態效率，引入生態效率的概念定義生態效率指標。以10 kt/ a鈦白企業為例，分別對硫酸法和氯化法做了物料平衡，分析比較兩種生產方法生態效率，得出氯化法比硫酸法具有生態效率的優勢。同時也指出硫酸法鈦白的廢棄物如石膏等如能轉化為產品出售，該法仍有生存和發展空間。

鈦白生態效率硫酸法氯化法

本文引入了生態效率(Eco－Efficiency)概念，分析硫酸法和氯化法鈦白粉生產的資源和能源消耗以及廢棄物排放狀況，揭示鈦白粉生態效率水平，為了解和認識鈦白粉生產過程的環境性能和降低其環境負荷提供參考。

1 基本定義

對于工業生產而言，生態效率［1］指標一般包括3個方面:資源效率、能源效率和環境效率。

1.1 鈦白粉生產的資源效率

鈦白粉生產的資源效率是指鈦白粉生產過程中消耗的單位天然資源量所能生產的產品量，它等于產品量除以輸入該生產過程中的天然資源量:

式中，ηr為鈦白粉生產的資源效率;P為鈦白粉生產的產品量，t;R為生產P噸產品所消耗的天然資源量(不包括回收的資源)，t。

可見，生產一定量的產品，資源效率越高，消耗的天然資源量越低。

1.2 鈦白粉生產的能源效率

鈦白粉生產的能源效率是指鈦白粉生產過程中消耗的單位能源量所能生產的產品量，它等于產品量除以輸入該生產過程中的能源量，即

式中，ηe為鈦白粉生產的能源效率;E為生產P噸產品所輸入的能源量，t。

可見，生產一定量的產品，能源效率值越高，消耗的能源量越低。

1.3 鈦白粉生產的環境效率

鈦白粉生產的環境效率是指鈦白粉生產過程中排放的單位廢棄物量對應的產品量，它等于產品量除以生產過程中向環境排放的廢棄物量:

式中，ηW為企業的環境效率;W為生產P噸產品時生產過程向環境排放的廢棄物量，t。

可見，生產一定量的產品，環境效率值越高，單位廢棄物排放越低，生產過程的污染越少。

2 計算基準態的選定

(1)在工業活動的全部代謝過程中，水和空氣約占95%，其余物料約占5%，它們之間比例相差懸殊，勢必影響對物料的代謝分析，鈦白粉生產的物質代謝過程也是這樣的，僅水的消耗量就占輸入資源總量的90%左右，通常對其進行單獨的代謝分析，所以本文不考慮空氣和水的代謝。

(2)企業外購電按每kWh消耗0.404kg標煤折算，所產生的灰、粉塵、CO2、CO、SO2、NOx等疊加到鈦白生產的相關物料中。

(3)因未考慮空氣量，故CO2、CO、SO2和NOx的量均以C、S和N來表示。

(4)根據硫酸法和氯化法鈦白的能源介質消耗情況，可計算噸鈦白的氣體排放量，見表1。

表1 鈦白生產不同能源介質單位消耗的氣體排放量(kg)

表1中的不同能源介質有的直接用作燃料，有的經加工形成二次能源供鈦白生產使用，盡管能源轉化過程比較復雜，但是最終都將成為燃燒產物直接排放到大氣中。因此，本文根據其化學成分計算了每噸能源介質消耗所生成CO2、SO2、NO2的量。

(5)氮氣和氧氣用量計入能源消耗量，以每1 m3的O2和N2氣折合為0.5 kWh電。

(6)考慮到高鈦渣冶煉企業建在水電豐富的地區，使用豐水期的電，故氯化用鈦渣冶煉所需的電耗也不計入電耗，又不計入CO2排放。

3 硫酸法鈦白生態效率分析

硫酸法鈦白生產中涉及到主要原料為鈦鐵礦、硫酸及各種輔助原料以及能源用煤等輸入，同時有產品鈦白粉，副產品硫酸亞鐵及廢氣和其它廢棄物排出，以10 kt/a鈦白粉為例，鈦白粉企業物料衡算見表2。

表2 硫酸法鈦白粉企業的物料衡算表(t)

由表2可知，該鈦白粉企業生產輸入的物料共計有11項，總量150850 t，其中資源量有7項，其輸入量94867 t，占總輸入量的62.9%;能源量有4項，其輸入量55983 t，占總輸入物料量的37.1%。該鈦白企業全年生產輸出的物料共有13項，其中，鈦白粉為主產品，硫酸亞鐵為副產品，這兩項之和為產品量為45 kt，占輸出物料量的29.8%;其余輸出的廢棄物為11項，合計為105.85 kt，占輸出物料量的70.2%。若硫酸亞鐵不作為副產品，而作為廢棄物，總廢棄物上升至140.85 kt，則占輸出物料的93.3%。

根據鈦白粉生產的生態效率指標定義、資源效率、能源效率和環境效率是產品量與資源量、能源量、廢棄物量的比值，見表3。

表3 硫酸法鈦白粉生產的生態效率表

4 以高鈦渣為原料的氯化法鈦白的生態效率分析

在以高鈦渣為原料的氯化法鈦白生產中，輸入物料有主原料高鈦渣、液氯、各種輔助原料以及各種燃料等，輸出有鈦白粉、副產品鹽酸及各種廢棄物。以10 kt/a高鈦渣氯化法鈦白粉為例，物料衡算見表4。

表4 以高鈦渣為原料氯化法鈦白企業物料衡算表(t)

由表4可知，該氯化法鈦白粉企業全年生產輸入的物料有13項，總量44.576 kt，其中資源量有6項，其輸入量22.241 kt，占總輸入量的49.9%，能源量有5項，其輸入量22.335 kt，占總輸入量的50.1%。該鈦白企業生產輸出的物料共有10項，其中鈦白粉為主產品，鹽酸為副產品，這兩項之和為輸出產品為17.5 kt，占輸出物料量的39.3%;其余輸出的廢棄物共有8項，合計為27.076 kt，占輸出物料量的60.7%。若鹽酸不計入副產品，廢棄物上升為9項，合計為34.576 kt，占輸出物料量為77.6%。

根據鈦白粉生產的生態效率指標定義，資源效率、能源效率和環境效率，見表5。

表5 以高鈦渣為原料氯化法鈦白粉生態效率表

5 含鈦渣冶煉物耗的氯化法鈦白生態效率

鈦渣冶煉的主要物耗見表6。

表6 氯化用鈦渣冶煉的主要物耗

含鈦渣冶煉的氯化法鈦白粉物料衡算見表7。

表7 10kt/a含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白企業物料衡算(t)

由表7可知，含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白企業生產輸入的物料有14項，總量61.567 kt，其中資源量9項，合計輸入量為39.224 kt，占總輸入量的63.7%;能源量有5項，合計輸入量22.347 kt，占總輸入量的36.3%。該鈦企業全年生產輸出的物料共有11項，其中鈦白粉為主產品，粗鐵、鹽酸為副產品，這三項之和為輸出產品為31 kt，占總輸出量的50.5%，其余輸出的廢棄物共有8項，合計為30.467 kt，占總輸出物料量的49.5%。若鹽酸不計入副產品，廢棄物上升至9項，合計37.967 kt，則占輸出物料量的61.7%。

根據鈦白粉生產的生態效率指標定義，資源效率，能源效率和環境效率見表8。

表8 含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白企業生態效率表

6 分析與比較

本文從工業生產實際出發，分析鈦鐵礦、高鈦渣(或含有鈦渣冶煉)為原料的硫酸法和氯化法鈦白生產過程的生態效率，不包括礦山選礦的生態過程。

6.1 硫酸法鈦白生產的生態效率

從表3可見，鈦白生產的生態效率指標為:ηe＞ηr＞ηw。對于硫酸亞鐵是否作為副產品，將對資源效率ηr、能源效率ηe和環境效率ηw產生重大影響。硫酸亞鐵作為副產品銷售，我國東部地區銷售不成問題，故鈦白企業生態效率較好。而在中西部地區硫酸亞鐵的銷售就成問題，只好筑壩堆放，因此ηr、ηe、ηw分別降至0.105、0.179、0.071。把硫酸亞鐵當做廢棄物造成資源浪費和環境效率降低，是鈦白企業急需解決的問題。

6.2 氯化法鈦白生產的生態效率

從表5、表8可見，以高鈦渣為原料的氯化法鈦白生態效率為ηe＞ηr＞ηw。含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白的ηr、ηe、ηw三項效率指標都高于直接以鈦渣為原料氯化法。在取基準態時，考慮到我國攀西地區有鈦礦資源，同時又有豐富的水力資源，鈦鐵礦冶煉為鈦渣的電耗可以不計入生態效率，其生態效率優勢就顯現出來，這也充分說明在攀西地區發展氯化法鈦白具有得天獨厚的有利條件。

鹽酸作為副產品還是廢棄物，對生態效率的三種指標ηr、ηe、ηw均有較大影響，但影響在可控范圍之內。

6.3 生態效率的比較

6.3.1 總物料衡算

以10 kt/a鈦白計，硫酸法總投入量為150.850 kt，而以鈦渣為原料和含有鈦渣冶煉的氯化法的總投入量分別為445.76 kt和615.567 kt，硫酸法的投入量分別為氯化法的3.38和2.45倍。6.3.2總排碳量

以10 kt/a鈦白計，硫酸法總排碳量為36.3968 kt，而以高鈦渣為原料和含有鈦渣冶煉的氯化法排碳量分別為13.331 kt和16.25 kt，硫酸法的排碳量分別是氯化法的2.73和2.24倍。

6.3.3 生態效率

從表3、5、8可見，氯化法生態效率的ηr、ηe、ηw值均高于硫酸法。ηr為1.66～5.7倍，ηe為0.97～5.9倍，ηw為2.4～8.7倍。

7 結語

(1)從產業生態學的角度界定企業生產的產品，在生態效率理論的基礎上定義了鈦白粉生產的資源效率、能源效率和環境效率。硫酸法與氯化法相比，投入物料多，排放碳的數量多。又從生態效率指數ηr、ηe、ηw來分析，氯化法的ηr、 ηe、ηw的數值高于硫酸法的數值，從產業生態學的角度考量，氯化法比硫酸法具有生態的優勢。

(2)若硫酸法副產的硫酸亞鐵能得到有效利用，當作副產品出售，它的生態效率指標與以鈦渣為原料的氯化法的生態效率三大指標ηr、ηe、ηw的距離在縮小，甚至能耗效率ηe為0.804比氯化法的0.784略高，硫酸法只要能把如石膏等廢棄物轉化為產品，像德國薩其賓工廠那樣，就能有效提高生態效率ηr、ηe、ηw值，則硫酸法仍有發展空間。

1 周國梅，彭昊，曹風中．循環經濟和工業生態效率指標體系［J］．城市環境與城市生態，2003，16(6):201．

chlorination process

Analysis and Comparison of Ecological Efficiency for Sulfate and Chlorination Titanium Dioxide Process

Tang Wenqian
(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250013)

In order to illustrate the ecological efficiency for sulfate and chlorination titanium dioxide process numerically，introduce the concept of the ecological efficiency to define the ecological efficiency index．Taking the10kt/a titanium dioxide enterprise as an example，the material balances are made separately for sulfate and chlorination titanium dioxide process，their ecological efficiencies are analyzed and compared，and the conclusion of the chlorination process having the advantage of ecological efficiency is concluded．At the same time，point out that if the waste of the sulfate process such as the gypsum can be transferred into a product，there is still the room of survival and development for the process．

titanium dioxideecological efficiencysulfate process

*唐文騫:高級工程師、副總工程師。1963年畢業于福州大學化學工程系。發表論文90多篇，曾獲山東省、原化學工業部優秀設計一、二、三等獎，任中國涂料工業協會鈦白粉行業分會專家組成員，享受國家政府特殊津貼。聯系電話:(0531)83195224。

2011－05－18)