基于能值分析的銅基混合廢料多元金屬回收利用生態效益評價

張文彪，李澤紅，，3，董鎖成，，3，錢鵬，葉樹峰，王春盈，3

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2.中國科學院綠色過程制造創新研究院，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049)

21世紀以來我國銅產量經歷了快速增長，從2001年的不足200萬噸增加到2018年的903萬噸[1-2]，增長3.5倍。但產量增長遠趕不上國內消費量的擴大，2018年中國銅金屬消費量達到1305萬噸，并保持持續增長[3]。我國銅消費大量依賴進口。2018年，我國精煉銅及銅材進口量達到530萬噸，占全球銅生產量的五分之一左右[4]，而受到主要礦井搬遷和災害影響，全球銅礦產量增長乏力[2]。我國必須建立更加高效的銅資源回收循環利用體系，以緩解銅供應緊張的局面。

2018年中國再生銅產能已達400萬噸以上。但是由于原料供應緊張，產量僅有325萬噸[2，5]，廢銅來源不足成為限制中國再生銅發展的瓶頸。同時，銅材加工過程中產生的大量銅屑，以及進入電子、印刷、印染、表面處理等行業的金屬銅產品，往往最終與其他材質混合在一起，形成銅基混合廢料。銅基混合廢料含銅量一般在3%～70%之間，相比普通銅廢料明顯偏低，提煉難度大、回收成本高，影響了銅資源的循環利用。在我國僅2009年深圳市所產生的含銅污泥就達到2.5萬噸[6]，預計2025年京津冀地區電子廢棄物中的銅將達到5.04萬噸[7]。如果能夠充分利用這些領域的銅資源，將有利于緩解中國的銅資源壓力。

銅基混合廢料如果不能得到及時處理，暴露于大自然，將造成嚴重的生態環境問題。當水體和土壤中銅含量過高時，生物及微生物的生長繁殖會受到抑制，從而破壞生態系統平衡。如果水體中的生物及非生物不能降解排入水體環境中的Cu(Ⅱ)并將其轉化為無害物質，銅經過長時期的水體遷移和土壤累積過程而被作物吸收，最終會通過食物鏈的富集作用危害人類和其他生物。人體內攝入過量的銅會使血紅蛋白發生變性，造成溶血性貧血，并且影響膽汁正常排泄銅的功能，此外還能導致肝損害而引起慢性、活動性肝炎等疾病[8-9]。含銅危險廢棄物安全回收利用的需求越來越迫切。

因此，銅基混合廢料的回收利用同時具有重要的經濟意義與生態意義。我國一些企業已經開始利用銅基混合廢料提煉銅和其他金屬，并且得到了較好的經濟效益，但其生態效益尚未可知。

能值理論和分析方法由美國著名生態學家 H.T.Odum于20世紀80年代創立[10]，是在生態經濟系統能量分析研究基礎上發展起來的。能值理論被認為是連接生態學和經濟學的橋梁，為生態經濟系統的定量分析提供了衡量和比較研究的新方法。20世紀90年代意大利、瑞典和澳大利亞等國也迅速開展了能值理論研究。能值分析是以能值為基準，把生態系統或生態經濟系統中不同種類、不同品質的能量轉化成同一標準的能值來衡量和分析，以便于評價其在系統中的作用和地位，綜合分析系統中各種生態流(能物流、信息流、人口流和貨幣流)，得出一系列能值綜合指標，定量分析系統的功能結構特征與生態經濟效益。應用能值這一新的科學概念和度量標準及其轉換單位——能值轉換率(單位能量或物質所具有的能值)，可以將生態經濟系統內流動的和儲存的各種不同類型的能量和物質轉換為同一標準的能值，對系統內自然資源的利用進行定量分析和研究，并評估其發展的可持續性，可為制定相關政策提供科學依據。

能值分析用于工業生產分析的案例相對較少，S.Ulgiati和M.T.Brown(2002)利用能值產出率和能值對不同電力生產的環境服務價值進行了比較[11]。F.Giannetti 等(2008)以能值與貨幣價值對比的方式，評估了珠寶生產的材料節約帶來的生態經濟效益[12]。C.Pereira和E.Ortega(2010)利用能值方法分析了以甘蔗為原料生產乙醇過程中的能量轉換[13]。近年來，我國的工業能值分析逐漸受到重視，在生態工業園區[14-16]、能源生產[17-18]、廢棄物回收[19]等領域的生態影響研究開始涌現，并進行了相應的方法探索，這為進一步深化研究提供了有益的借鑒。

本文針對工業系統能值流的特點，構建了包括流量與效率評價的能值分析指標體系，對我國典型銅基混合廢料回收利用工藝進行生態效益評價，并對不同環節的能值投入產出特點進行分析，從而得出未來工藝改進的方向建議。本文主要內容如下：一是簡要介紹銅基混合廢料概況及能值研究進展，二是講述本文所用的方法及數據來源，三是對分析結果進行解讀，四是在結果分析基礎上，給出相應的結論，五是針對本研究討論其不足和進一步研究方向和建議。

1 方法與數據

1.1 銅基混合廢料回收利用工藝概況

選取的典型案例是一家位于江西省的金屬回收利用科技型環保企業，以電子廢棄物、電鍍污泥等含銅廢料為原料，生產黑銅、電解銅、硫酸鎳、電解鋅、鉛錫合金，并從銅陽極泥中綜合回收金、銀等稀貴金屬。企業設計生產能力是精煉銅10萬噸/年，是江西省較大的銅基混合廢料回收企業，其生產工藝較有代表性。本文以該企業為例，介紹我國銅基混合廢料回收利用的一般工藝過程。

銅基混合廢料由于水分含量大，在回收后，首先要經過烘干，進入富氧熔煉環節，得到黑銅，同時由于銅基混合廢料雜質較多，因此產生大量以非金屬氧化物為主的爐渣。黑銅進入精煉環節，通過還原，生成混合有其他金屬雜質的陽極銅(純度為98.5%)。陽極銅則會進入電解環節提純，生成純度為99.95%的電解銅，作為產品出售。由于富氧熔煉過程爐渣產生量大，該企業建立了完備的爐渣浮選系統。爐渣經過浮選，將殘留的含銅物質重新收集，形成精選爐渣，回到富氧熔煉爐重新提取，剩余的浮選廢料則作為工程填充材料出售，避免了廢棄物的產生。富氧熔煉和精煉中產生煙塵較多，由于煙塵中含鋅量較高，該企業建立了鋅回收車間以提取金屬鋅，減小污染的同時增加了收益。電解環節產生的陽極泥由于富含比銅化學性質更不活潑的金和銀，因此將進入金銀回收工藝，生成金銀單質出售，廢渣回到富氧熔煉。鋅回收等環節產生的危險廢棄物則委托有資質的機構處理，總體來說，該企業形成了資源高度利用的循環生產模式。

該企業生產工藝較為復雜，幾乎所有生產環節的主原料都既有自產部分，又有外購部分，而中間產品也既有外售部分也有去向下一生產環節部分，評價結果較難與其他生產過程對比。為此，我們以主導性的產品——電解銅為基準，摒除中間產品的外售和購入影響，只考慮由銅基混合廢料、廢銅和含銅爐渣為主原料完成電解銅產品的生產過程，并確定生命周期評價的功能單元為1000 kg電解銅，完成一個功能單元過程中各生產環節間的物料流動，如圖1所示。

圖1 銅基混合廢料回收利用生產流程與評價系統邊界圖

由于本文的關注點是生產過程的生態影響，因此研究邊界范圍選擇“搖籃到大門”模式，即從各種原料的開發直到產品，以及生產過程中的廢物處理過程。由于案例公司生產環節較多，本次評價排除了與銅冶煉缺乏直接聯系的生產環節，只涵蓋銅基混合廢料再生的主要生產線，包括富氧熔煉、精煉和電解，以及與該生產線直接相關的生產環節，包括爐渣浮選、鋅回收、金銀回收環節。

1.2 能值分析方法

H.T.Odum(1987)將能值定義為：一流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數量，稱為該能量的能值[20]。他還進一步解釋能值為：產品或勞務形成過程直接或間接投入應用的一種有效能(available energy)總量，就是其所具有的能值[21]。實質上能值就是具含能(embodied energy)[22]。由于任何形式的能量或物質均直接或間接源于太陽能，因此通常以“太陽能值”(solar emergy)為基準來衡量各種能量或物質的能值：任何流動或儲存的能量或物質所包含的太陽能之量，即為該能量或物質的太陽能值[23]。太陽能值的單位為太陽能焦耳(solar emjoules；縮寫為sej)。

為了對不同類別與各種類型的能量或物質進行比較研究，需要將其轉換為統一標準的能值，因而提出了能值轉換率的概念。能值轉換率就是每單位某種類別的能量或物質所含能值。各種不同形式的能量或物質均直接或間接來源于太陽能，因此可以以太陽能為基準通過太陽能值轉換率來衡量不同能量或物質的能值。任何流動或存儲的能量所包含的太陽能的量，就是該能量或物質所具含的太陽能值。以太陽能值為基準，可以衡量和比較生態系統中各種不同能量或物質的真實價值。太陽能值轉換率的單位為太陽能焦耳/焦耳，即sej /J或sej/g，其基本表達式為：

Em=μP

(1)

式中，Em為太陽能值，單位為sej；μ為太陽能值轉換率；P為其他可用能。運用能值分析方法，以物質流動為基礎，將生態系統中不同等級、不同種類、不可比較的物質所含能量轉化成統一標準的能值進行分析、比較和研究，可以評價不同的物質流在生態系統中的貢獻及地位；結合建立的評價指標體系，可以綜合評價生態系統的生態效率和經濟效益。

1.3 系統的能值分析基本步驟[23-24]

1.3.1 資料收集與能值分析表編制

通過調查、測定、計算，收集研究企業再生銅回收利用的物質投入產出以及固定資產折舊、管理、人員等方面資料，整理分類并做存機處理。列出研究系統的主要能量物質來源和輸出項目，通過能值轉化率，計算能值分析表中各類別資源流量，將各類別能量、物質轉換成共同的能值單位，編制能值分析表，以富氧熔煉環節為例，編制能值分析表如表1。

表1 富氧熔煉環節能值分析表

續表1

根據能值分析圖，在投入中，以質量衡量投入最多的是銅泥，其次是炭精和廢雜銅；能值轉換率較高的是炭精，然后是各種廢雜銅原料。經計算，能值總投入最高的是低鋅銅泥，共投入能值6.27E+15sej，其次是高鋅銅泥和炭精。在產出中，質量最大的是爐渣，占到總質量的2/3左右；能值轉換率最高的主要是中間產品黑銅，其余物質轉換率均較低。經計算，能值產出以黑銅最多，總值為4.48E+15sej。

利用同樣的規格，分別建立各個生產環節物料投入產出以及企業整體固定資產折舊、管理以及勞動力的能值分析表，為進一步分析提供基礎。

1.3.2 繪制能量系統圖

參考嚴茂超、H.T.Odum(2001)研究報告中運用的“能量系統語言”圖例[26]，繪制詳細的能量系統圖，組織收集的資料，構建包括系統主要組分和相互關系及能物流、貨幣流等流向的能量系統圖解，綜合描述研究對象各組分與環境的關系。

1.3.3 建立能值指標體系

參照已有的能值分析體系[25]，根據工業系統的特點，建立相應的能值分析指標體系。其中流量指標包括系統輸入能值(IMP)、可更新資源能值(R)、不可更新資源能值(N)、系統廢棄物輸出能值(WEXP)、產品能值(U)共5項；效率指標包括能值產出率(EYR)、系統廢棄物排放率(WEP)、環境負載率(ELR)、可持續發展指數(EISD)共4項。各項指標具體意義與計算方法見表2。

與傳統的生態系統能值指標相比，工業系統有其鮮明的特點。由于工業生產系統高度開放，幾乎所有能值均從系統外輸入，因此可更新與不可更新資源均專指輸入資源而言。進而環境負載率的計算方法也從通常的(IMP+N)/(R+R1)變為IMP/Ri。

圖2 銅基混合廢料回收利用能值系統圖

表2 銅基混合廢料回收生產線能值分析指標體系

1.3.4 系統發展評價和策略分析

通過指標分析，為提升工業系統生態效益提供科學依據，指導工業系統良性運作和可持續發展。相應分析結果見計算結果分析和結論部分。

1.4 數據來源

本文所用數據主要來自對案例公司的現場調研和公司提供資料，包括熔煉、精煉、電解、多元金屬分離、爐渣浮選等環節的所有原材料投入闡述數據及其經濟價值數據；各種原料和排放物的資源環境影響數據，以及作為對比的原生銅和再生銅工藝數據則來自劉耕源、楊志峰《能值分析理論與實踐》[25]的附錄。

2 計算結果分析

2.1 經濟效益分析

通過查詢原材料、產品、廢棄物無害化處理的市場價格，并將生產線本身回收利用的外部廢棄物按照廢棄物無害化處理市場價格折算為該生產線產生的生態經濟價值。在此基礎上，計算生產線產出單位質量的電解銅所產生的生態經濟價值總值和凈值，計算結果如表3。每生產1000 kg電解銅，產生產品價值69632.28元，資源投入為54200.52元，環境成本為3212.36元。扣除資源消耗與環境治理成本，可實現生態經濟效益11723.14元，收益率為20%，以貨幣計算的生態經濟效率良好。全國每年僅電子產業銅基廢料就可回收金屬銅100萬噸以上，如果均按照本工藝回收，可實現生態效率經濟效益100億元以上。

表3 銅基混合廢料回收利用生態經濟價值主要計算結果

2.2 能值分析結果

從表4可知，總體來看，銅基混合廢料回收生產線每生產1000 kg 再生電解銅，總輸入能值為4.16×1016sej，其中大多數為不可再生資源；生成產品能值為4.55×1016sej，輸出能值為3.50×1012sej。其中輸入能值最大的是富氧熔煉環節，其次是鋅回收和電解環節。但是其中不可再生資源的投入則以鋅回收最多，然后是電解；輸出能值則以鋅回收環節最大，富氧熔煉環節次之。

能值效率指標計算結果見表5。生產線總體的能值產出率為1.08，意味著通過該工藝生產的產品能值大于投入，工藝有良好的能值效益。系統廢棄物排放率為12468.57，說明該系統能值利用率非常高，廢棄物耗散能值占比很小，這主要得益于該生產過程中資源的高度循環利用。環境負荷率為2.41，相比于普通生態系統仍然偏高，但在金屬工業系統中則非常低，是因為該生產線是金屬回收生產線，使用了大量的可回收廢棄物。環境負荷率大于1，意味著生產一個單位的產品消耗的不可再生資源及投資較多，而可再生資源相對較少。因此應當進一步提升可再生資源使用比例。可持續發展率為0.45，該指標小于1，說明該系統是消費型系統，可持續性仍然較低。這一方面是由于投入品多數是金屬原料，主要依賴于礦產資源，與行業性質有關，但同時也說明工業系統的可持續發展能力依然較弱，有待全面改進。

3 結論

本文通過構建基于能值分析的工業系統生態效益評價指標體系，對銅基混合廢料回收利用生產線的生態效益進行了分析，得出以下結論：(1)從生態經濟價值角度看，扣除資源消耗與環境治理成本，可實現生態經濟效益11723.14元/噸銅，收益率為20%。(2)銅基混合廢料回收利用能值投入產出率較好，說明考慮到資源消耗、污染處理的能值總產出為正值，與經濟評價相吻合，生產總體上有著較好的經濟—生態綜合效益。(3)銅基混合廢料回收利用的環境負荷率較高，資源投入以不可再生資源為主，可再生資源較少，環境壓力大，未來應當尋求加大可再生資源的使用以及不可再生資源的循環利用，增強生態可持續性。(4)從生產環節來看，富氧熔煉環節是能值投入最多的環節，其次是電解和鋅回收，因此未來這三個環節是能值投入改善的重點。

表4 銅基混合廢料分工藝環節能值流量指標計算結果 單位：sej

表5 銅基混合廢料生產線能值效率指標計算結果

4 建議

本文針對工業系統能值流的特點，構建包括流量與效率評價的能值分析指標體系，對我國典型銅基混合廢料生產線進行生態效益評價，并對不同環節的能值投入產出特點進行分析，從而得出未來工藝改進的方向建議。本文未對各生產環節進行完整的能值效率指標進行評估。同時由于數據所限，未能利用指標體系對不同的生產線進行生態效益橫向對比，這也是下一步研究的主要方向。