基于LCA方法對氯化鋇生產過程的環境影響評價

丁紹蘭，劉云，汪雁，王家宏，桑向偉，嚴賽寧

(1.陜西科技大學 環境科學與工程學院,陜西 西安 710021;2.陜西省環境科學研究院 清潔生產技術中心，陜西 西安 710010)

氯化鋇是一種重要的化工原料。制造氯化鋇產生大量的氯化鋇廢渣，嚴重影響氯化鋇的生產單耗[1]。因此深入研究氯化鋇生產過程污染物產生及排放情況，確定污染治理措施，減少環境污染具有重要意義。

生命周期評估(LCA)是對物質能量利用和環境排放的定量研究，以評估由產品或生產活動引起的環境問題[2-5]，并最終識別和量化減少環境負荷的關鍵機會，并探索改善環境的有效方法[6-8]。

本研究基于LCA的原理及理論框架，對氯化鋇項目的清單數據進行收集量化，進行生命周期影響評價。進而提出氯化鋇產業可持續發展的參考依據，促進氯化鋇產業和產業鏈的綠色發展和清潔生產[9-10]。

1 研究方法和工具

生命周期評估法是根據ISO14040《環境管理生命周期評估原則和框架》的相關規定和相關國際標準制定的。研究對象是傳統的氯化鋇生產工藝，它包括酸化、精制、壓濾、離心干燥、包裝和蒸發6個過程的完整生命周期模型，通過收集輸入輸出數據得到完整的生命周期清單，分析軟件eBalance(該軟件內置中國生命周期基礎數據庫(CLCD)、歐盟ELCD數據庫和瑞士Ecoinvent數據庫[11])進行生命周期影響評估。

1.1 目標和范圍的確定

1.1.1 功能單位 產量是影響化工行業經濟效益的重要指標。對于氯化鋇而言，產率通常指的是單位質量產率，因此單位質量是制造氯化鋇過程中非常重要的參數[12]。為符合本次課題的研究目的，確定了質量參數，功能單位是1 t氯化鋇固體。

1.1.2 系統邊界 采用入廠門到出廠門(即產品生產過程)的觀點。系統邊界包括氯化鋇在廠內的生產加工、能耗的輸入，不包括生產原料的加工和運輸，即不考慮鹽酸和礦粉等原料的生產過程。

采用碳酸鋇(BaCO3)生產氯化鋇只用鹽酸一步反應既得，反應原理：將碳酸鋇粉加入稀釋到一定濃度的鹽酸中浸泡在攪拌條件下使其充分反應，該法中粉末狀礦粉與鹽酸反應迅速，產生大量氣泡，反應完全后控制pH值為2。然后加入石灰調節pH 8，再經結晶、板框壓濾機過濾，過濾出的清液流入成品池，清液送至濃縮蒸發工段，然后離心甩干，經干燥、包裝即得固體氯化鋇產品。主要包括6個工段：酸化工段、精制工段、壓濾工段、離心、干燥工段、包裝工段和蒸發工段。系統中不包括生產機械所需物料，即在環境影響因素中不考慮制氯化鋇機械的制造。

1.2 清單分析

ISO將清單分析定義為“對產品、過程或活動在其整個生命周期內的所有輸入和輸出進行匯編和量化的過程”[13]。清單分析 (LCI) 是LCA四個步驟中最重要的部分，也是最耗時，最復雜的部分。它直接影響研究結果的準確性和可靠性。清單分析是一個迭代過程，有時需要在數據收集的情況下適當修改系統邊界。

這一部分是重點，涉及的方面多、工作量大，目的是建立氯化鋇的生命周期清單，為此需要采集制氯化鋇企業的相關數據。相關數據詳見圖1。生命周期的清單數據來源于內蒙古某制氯化鋇企業實地調研與相關文獻。

圖1 氯化鋇生產LCI清單數據及系統邊界圖Fig.1 Life cycle inventory data and system boundary of barium chloride production process

2 生命周期影響評價

氯化鋇生產過程的生命周期影響評估(LCIA)是根據物料消耗數據和相關能源和污染物排放數據的清單分析，對氯化鋇生產過程的環境影響進行評估。選取的環境評價指標包括:非生物資源消耗潛力(ADP)、酸化潛力(AP)、中國化石能源消耗潛力(CADP)、中國資源消耗潛力(CADP)、一次能源消耗(PED)、工業用水量(IWU)、可吸入無機物(RI)和淡水消耗(用水)。

2.1 特征化指標

特征化計算采用不同的量化方法，主要有定性法和定量法兩類。定量方法一般采用當量因子法，定量計算影響因子對環境影響的強度。對于在生命周期中具有相似環境效應的物質，可根據與該物質相關的等效因子(即LCA特征化因子)換算累加參考值，所得結果稱為該效應類型的生命周期特征化指標。可以對同一影響類別下的數據進行表征，使其具有可比性，并且不能在不同影響類別之間進行表征比較[14]。

使用eBalance軟件計算得到氯化鋇生產過程各工段環境影響特征化指標的數據，見表1。生產過程中各生產工序對各環境影響類型的貢獻率見圖2。

由表1、圖2可知，酸化工段和蒸發工段對工業用水量和淡水消耗量影響最大，其中蒸發工段為4.53E+02和4.53E+02，酸化工段為2.33E+02和2.33E+02；離心、干燥工段和壓濾工段對工業用水量和淡水消耗量稍有影響，影響遠小于酸化與蒸發工段。這是因為酸化階段投入鹽酸的過程中帶入了大量的新鮮水，而后生成氯化鋇母液循環或隨廢液排出，為達到節約用水，綠色發展，可以在未來引進更加先進的工藝，提高毒重石質量和與鹽酸的反應配比，提高反應效率，以減少新鮮水的投入。蒸發段蒸發過程采用三效下游蒸發過程，消耗大量淡水進行冷凝。在施工中，應建立回循環池，用于冷凝水的回收利用，以減少淡水的損失。

表1 氯化鋇生產過程特征化指標數值表Table 1 Characteristic index values of barium chloride production process

圖2 氯化鋇生產過程各個工序特征化指標的貢獻圖Fig.2 Contribution of each process in barium chloride production process to characteristic index

蒸發、酸化、壓濾和離心干燥工段對一次能源消耗都有所影響，分別是6.45E+00、3.71E+00、2.98E-02、2.86E-01，這是由于在這些過程中都有電力的消耗，而所消耗的電力均來源于煤的燃燒，未來若想要減少一次能源消耗對環境的影響，可以尋求一些替代能源，如清潔的風力發電或者太陽能發電。另外，酸化、壓濾、離心干燥與蒸發工段對于中國化石能源消耗潛值和中國資源消耗潛值都稍有影響，但影響微乎其微。酸化工段還對酸化潛值有所影響，為1.53E-03，這是因為酸化工段使用碳酸鋇粉、鹽酸和循環母液作為原料，且反應的pH值在4～5之間，這些都會對酸化潛值有所影響，酸化潛值的影響主要體現在未來處理酸性廢液，需要注意酸堿度，選用合適的工藝來進行綠色無害化處理。

2.2 歸一化結果

歸一化處理結果見圖3。

圖3 氯化鋇生產過程各工序對過程清單歸一化指標貢獻圖Fig.3 Contribution of each process in barium chloride production process to process list normalization index

歸一化是一種去量綱的方法，以方便不同指標之間的相互比較。歸一化的具體方法是將產品或系統的特征指標值除以歸一化參考值。歸一化的參考值通常是特征指標在特定范圍內(如全局、區域或局部)的值，從而得到一個無量綱的值[15]。歸一化可以更好地識別該產品或系統的主要環境影響類型。本論文所使用的標準是“CN-2010”的標準化方案，它集成在eBalance軟件中，以2010年中國的資源消耗總量和環境排放總量為基準，計算得到氯化鋇生產過程產生的各類環境影響類型的歸一化指標，其中ADP為5.37E-14、AP為4.20E-14、CADP(fossil fuel)為3.24E-14、CADP為3.24E-14、PED為1.19E-13、IWU為4.95E-12、RI為2.95E-14、Water Use為1.18E-12。綜上能夠得出工業用水量(EIWU)是氯化鋇生產全生命周期中最重要的環境影響類型，這是因為制取氯化鋇的各工段，都需要使用大量新鮮水，因此造成工業水用量高居不下，使得工業用水量成為制取氯化鋇的關鍵環境影響類型。該工藝技術可以改進，如鹽酸水解硫化鋇黑灰(重晶石與煤還原煅燒的產物)生產氯化鋇以減少工業用水量，減少對環境的影響實現更高程度的清潔生產。通過歸一化結果可以看出未來在制氯化鋇企業清潔生產審核的過程中應當更加注意水和一次能源的消耗，清潔生產的審核重點應關注節水和降耗。

3 生命周期結果解釋

清單數據敏感性是指由單位存貨數據的變化率引起的相應指標的變化率。敏感性分析可以識別對生命周期評價結果影響最大的關鍵過程和庫存數據，從而提出相應的改進[16]。通過eBalance軟件的計算分析，得到各類生產工藝對氯化鋇生產過程中環境影響的敏感性，直觀展示出氯化鋇生產工藝對全生命周期各類環境影響的貢獻量，見圖4。

圖4 氯化鋇生產過程各工序對不同環境影響指標的敏感度累計圖Fig.4 Cumulative sensitivity of each process in barium chloride production process to different environmental impact indicators

由圖4可知，蒸發工序中硬煤的消耗對各個指標貢獻最大，其次是酸化工序中濃縮母液消耗和硬煤的消耗，然后是離心干燥工序中硬煤的消耗，酸化過程中的氯化鋇固體的生成次之。煤的消耗主要是用于提供蒸發所需要的蒸汽與電能，因此，可以通過提升改造來減少蒸汽的損失，提高熱轉化效率，或使用清潔能源來提供蒸汽和電力，以此來減少煤炭的消耗。

4 結論

本論文收集制氯化鋇各個工段的輸入和輸出流，利用LCA系統分析制氯化鋇過程中所產生的污染物，對制氯化鋇的整個生命周期進行研究。對提高制氯化鋇廠的綠色環境管理水平，挖掘清潔生產內在動力具有重大意義。LCA有許多的用途，它有助于不同地域、不同工藝的分析比較，從而取長補短；同時可以針對氯化鋇生產過程的排污細節量化，為相關工作提供一個可以借鑒的方法。另外，制氯化鋇LCA可以幫助分析清潔生產工藝對于環境的友好程度。

研究結果表明，工業用水量(EIWU)是氯化鋇生產全生命周期中最主要的環境影響類型，淡水消耗量(WU)、一次能源消耗(PED)次之。在各個生產工序中，蒸發工序中硬煤的消耗是各個指標貢獻最大的過程，其次是酸化工序中濃縮母液消耗和硬煤的消耗，然后是離心干燥工序中硬煤的消耗，酸化過程中的氯化鋇固體的生成次之。

酸化工段、離心、干燥工段和蒸發工段這3個工段對環境污染影響值高于其他工段。在工業設計及實際生產中應當格外關注，并及時改進調整。