錫冶煉過程生命周期評價

韓繼標，趙 娜，李一夫，蒲正浩，徐寶強，楊 斌，戴永年

(1. 昆明理工大學 真空冶金國家工程實驗室，云南 昆明 650093； 2. 復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093； 3. 云南省有色金屬真空冶金重點實驗室，云南 昆明 650093)

錫冶煉過程生命周期評價

韓繼標1,2,3，趙 娜1,2，李一夫1,2，蒲正浩1,2,3，徐寶強1,2,3，楊 斌1,2,3，戴永年1,2

(1. 昆明理工大學 真空冶金國家工程實驗室，云南 昆明 650093； 2. 復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，云南 昆明 650093； 3. 云南省有色金屬真空冶金重點實驗室，云南 昆明 650093)

依據生命周期評價的技術框架和原則，對國內某企業錫生產焙燒、還原熔煉、精煉、爐渣熔煉及煙化處理等過程進行生命周期評價研究。結果表明：不可再生資源消耗指數(ADP)5.85×10-8，溫室效應指數(GWP)4.35×10-9，酸化效應指數(AP)4.66×10-10，光化學煙霧形成指數(POCP)2.14×10-10。錫冶煉系統的各種環境影響嚴重性排序為ADP>GWP>AP>POCP。發現錫冶煉系統中對ADP的影響幾乎全部源于焙燒過程中錫精礦的使用；錫冶煉系統的能耗主要集中在電力的消耗，所占比重為65%，其次是粉煤，占比重28%；錫冶煉系統氣體污染物排放所造成的環境影響中，溫室效應的影響最為嚴重。

錫；冶煉過程；生命周期評價；資源消耗；能量消耗

0 前 言

生命周期評價(LCA)是一種對生產活動和環境的壓力進行評價的客觀過程[1-2]。作為一種重要的環境管理工具，該方法被廣泛應用于清潔生產和環境影響評價過程中，對改善生產工藝，減少環境污染具有重要意義[3-6]。Reza Memary等[7]分析了銅的開采及冶煉過程生命周期評價，結果表明在不同的時間和空間因素下，銅的生命周期有所不同。安靜等[8]研究了硼鐵礦火法分離過程中的生命周期評價，發現硼鐵礦原材料生產、高爐冶煉、硼砂生產環節中能耗高、污染大等缺點。高楓等[9]研究了皮漿法煉鎂過程能量消耗和環境負荷，最終得到溫室效應對環境負荷的影響最大，占總環境負荷的49.65%。

綜上，LCA現已廣泛應用于有色冶金過程。但目前，關于錫冶煉的研究都側重于工藝參數和技術開發等方面，生命周期評價研究鮮有報道。所以本文將生命周期評價應用于錫冶煉過程，結合某錫冶煉廠的生產報表以及收集到的各類文獻對錫冶煉流程中包括焙燒、還原熔煉、精煉、爐渣熔煉和煙化處理5大環節進行生命周期評價研究，以期了解我國錫冶煉過程中環境狀況，實現錫行業的可持續發展。

1 目標定義及范圍界定

1.1 目標定義

依據LCA評價的技術框架和原則[10]，本研究以某錫冶煉廠為研究對象，結合其冶煉工藝及生產數據，進行生命周期評價的研究與分析。

1.2 范圍界定

本文選取錫冶煉流程為研究對象，在錫的生產過程中主要涉及焙燒、還原熔煉、精煉、爐渣熔煉及煙化處理5個冶煉工序，對于采礦、選礦過程，運輸過程、使用直至最終處置等過程，不列入本文的評價體系。錫精礦經過焙燒，去除部分硫、砷、銻等雜質；把經過焙燒的錫精礦投入反射爐進行還原熔煉，盡量使原料中錫的氧化物(SnO2)還原成金屬，與爐渣分離；還原熔煉產生的粗錫經過精煉處理，去除其中的雜質，得到滿足工業要求的精錫；還原熔煉產生的爐渣含錫較高，要經過爐渣熔煉和煙化處理兩個煉渣工序來處理，進一步回收渣中的錫，提高錫的回收率。因此本文把錫冶煉的流程以這5大工序來體現，列在本次評價的邊界范圍之內。

2 清單分析

根據技術框架和錫冶煉工藝過程，所研究的體系主要包括資源消耗、能源消耗、氣體廢棄物排放、固體廢棄物排放、冶煉后廢渣等。該系統內的水資源可循環利用，認為該系統無廢水產出。所列清單數據大部分來自于具體錫冶煉廠實際生產數據以及中國統計年鑒，有色金屬工業年鑒等公開出版物，還有部分數據通過計算得到。其中噸精錫產品在焙燒過程中消耗錫精礦1.923 t；還原熔煉過程中消耗石灰石0.131 t；精煉過程中消耗木屑0.016 t，硫磺0.006 t，氯化銨0.010 t，鋁片0.009 t；爐渣熔煉過程中消耗石灰石0.026 t；煙化處理過程中消耗黃鐵礦0.173 t。而能源消耗見表1。

表1 噸精錫產品的能源消耗清單

計算生產過程中的氣體廢棄物排放見表2。

表2 氣體廢棄物排放清單 kg

本次評價系統內固體廢棄物的排放僅包含煙化處理過程的丟渣排放。焙燒階段產出的固體物料是焙砂，還原熔煉階段產出的有富渣、乙錫等，精煉階段產出的是離心渣、焊錫等物料，爐渣熔煉階段會產出乙錫、合金粗錫等，這些固體物料均在系統內循環處理，不外排，即不屬于固廢物范疇。工廠全年精錫產量為15 015.324 6 t，煙化處理過程全年產丟渣1 683.239 6 t，即噸精錫產丟渣0.112 t。

3 影響評價

3.1 環境影響分類

本文所涉及到的影響類型為能源總需求(GER)、溫室效應(GWP)、酸化效應(AP)、不可再生資源消耗(ADP)、光化學煙霧形成(POCP)。其中錫冶煉流程影響分類結果：ADP：煤，柴油、錫精礦，黃鐵礦；GWP：CO2，NOX；AP：SO2，NOX；POCP：NOX。

3.2 環境影響特征化

加權評估是將不同影響類型通過加權后，用一個值表征說明產品或工藝的最終影響。環境影響加權后的影響潛值為：

φwp(j)=φwf(j)×φnp(j)[20]

(1)

式中，φwp(j)為種環境影響的權重因子，φnp(j)為標準化后的影響潛值。計算結果如表3所示。

表3 1 t精錫產品生命周期環境影響加權結果

3.3 評價結果分析

根據表3中的加權結果，得到反應噸精錫產品的最終環境影響柱形圖，如圖1所示。

圖1 環境影響標加權結果

由圖1可看出，錫冶煉過程中各個環境影響類型的重要性排序為ADP>GWP>AP>POCP，而其中ADP的重要性遠遠大于其他3項，成為最突出和絕對的環境影響。表明溫室效應對環境影響的重要性大于酸化效應和光化學煙霧形成。通過數據可知，對ADP貢獻最大的環節在焙燒階段。焙燒階段所用的不可更新資源只有錫精礦，因此決定焙燒階段ADP數值大的因素就是錫精礦的資源耗竭特征化因子較大，表明錫精礦資源的稀缺性。此現象由兩個原因導致：a精錫的生產過程中錫精礦用量大；b錫精礦的資源稀缺性較大。各錫礦面臨著砂礦資源消失，錫礦品位下降，后續資源不足。

從圖1中體現出焙燒工序對ADP的影響，所占比重接近100%。為了了解其他工序的影響情況，去除焙燒工序做圖2。

圖2 除焙燒之外各子模塊對ADP的貢獻率

從圖2可以看出：精煉工序的影響是最小的，這是由于該工序所用原料大多屬于可再生資源，所用的煤及柴油量較少，所以影響甚微。其他3個工序的影響大小排序為還原熔煉>煙化處理>爐渣熔煉。造成這個結果的原因在于還原熔煉中石灰石用量較大，而煙化處理結果較高的原因是有黃鐵礦的使用。

為了了解錫冶煉系統中工各工序和各種能源占總能源消耗的比重，作圖3～4。

圖3 錫冶煉系統各子模塊對GER的貢獻率

圖4 錫冶煉系統各種能源對GER的貢獻率

由圖3所示，在錫冶煉系統中，對能源需求量較多的分別是還原熔煉，煙化處理和精煉3個階段。這3個階段的共同特點是用電量都比較大。其中還原熔煉對能源需求最多，超過總需求的1/3，是因為其不僅用電量大，而且用煤量也很大。由圖4所示，可知錫冶煉系統所用能源中電占了絕對比重，貢獻率達到65%，其次為粉煤，占28%的比重。

錫冶煉系統各工序對GWP、AP、POCP影響程度順序為GWP>AP>POCP，說明溫室效應是錫冶煉系統所造成環境污染問題的主要原因。而這3個階段的共同特點是用電量大，表明錫冶煉系統對環境的污染物排放主要是電力的生產引起的間接排放。通過分析，錫冶煉廠CO2的直接排放集中在還原熔煉和煙化處理兩個工序，可以通過降低他們的煤耗來改善。而評價系統中更大部分的CO2排放是由于使用電力而產生的間接排放，因此在電力消耗方面，更應該寄希望于發電廠從火力發電到水力發電、風力發電甚至更清潔地發電方式的轉型，從而降低CO2排放造成的溫室效應影響。

4 結 論

1) 在錫冶煉系統中，不可再生資源消耗的影響是最突出的，而對ADP的貢獻幾乎全部源于焙燒過程中錫精礦的使用。因此錫冶煉企業可以改善錫精礦的利用率，通過企業完善管理制度，提高設備的工作性能等方式來實現。

2) 錫冶煉系統的能耗主要集中在電力的消耗，所占比重為65%，其次是粉煤，占比重28%。還原熔煉、煙化處理和精煉都是用電較多的工序，而粉煤的使用也主要集中在還原熔煉和煙化處理兩個階段。因此要想降低錫冶煉系統的能耗，可以先在還原熔煉和煙化處理兩處著手降低。

3) 錫冶煉系統氣體污染物排放所造成的環境影響中，溫室效應的影響較酸化效應和光化學煙霧形成要嚴重得多，因此降低CO2的排放量是首要問題。

[1] Heijungs R. Environmental life cycle assessment of products: backgrouds[M]. Leiden: Multicopy, 1992.

[2] Heijungs R. Environmental life cycle assessment of products: guide[M]. Leiden: Multicopy, 1992.

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[8] 安靜，薛向欣，姜濤. 硼鐵礦火法分離過程的生命周期環境影響評價[J]. 過程工程學報, 2010, 10(2): 321-326.

[9] 高楓，馮乃祥，畢穎, 等. 皮漿法練鎂過程生命周期評價[J]. 有色金屬, 2009，61(4): 185-188.

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A Study on Life Cycle Assessment of Tin Smelting Process

HAN Jibiao1,2,3, ZHAO Na1,2, LI Yifu1,2, PU Zhenghao1,2,3, XU Baoqiang1,2,3, YANG Bin1,2,3, DAI Yongnian1,2

(1.NationalEngineeringLaboratoryforVacuumMetallurgy,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan, 650093,China; 2.StateKeyLaboratoryofComplexNon-ferrousMetalResourcesClearUtilization,Kunming,Yunnan, 650093,China; 3.KeyLaboratoryofVacuumMetallurgyforNonferrousMetalofYunnanProvince,Kunming,Yunnan, 650093,China)

According to technical framework and principle of life cycle assessment(LCA)，we have made a research of the process of tin production roasting, reduction smelting, refining, slag melting and fuming treatment in a tin company in China. The research results show that the weighted results of Abiotic Depletion Potential(ADP) was 5.85×10-8, the Global Warming Potential(GWP) was 4.35×10-9, the Acidification Potential(AP) was 4.66×10-10and the Photochemical oxidants contribution potential(POCP) was 2.14×10-10after calculated. It can be seen that the environmental impact severity of tin smelting system is ADP>GWP>AP>POCP. In the whole smelting system the influence of ADP is almost 100% due to the usage of tin concentrate in the roasting process. The energy consumption of tin smelting system is mainly concentrated in the consumption of electricity, accounting for 65%. Followed by pulverized coal, it is accounting for 28%. The greenhouse effect is the most serious in the environmental impact of gas emissions from tin smelting system. So it is reducing CO2of emissions, as is the primary problem.

Tin; Smelting process; Life cycle assessment; Resource consumption; Energy consumptio

2017-02-20

云南省科技領軍人才培養計劃項目(2014HA003)；云南省科技計劃項目(2014FA001)；科技部有色金屬真空冶金創新團隊項目(2014RA4018)；NSFC-云南省聯合基金項目(U1502271)

韓繼標(1991-)，男，河南新鄉人，在讀碩士研究生，研究方向：有色金屬冶金，手機：14736534556，E-mail：hanjibiaol@163.com.

TF803.4

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.027