硫酸法和氯化法钛白生态效率分析与比较

唐文骞 中海油山东化学工程有限责任公司 济南 250013

环境保护

硫酸法和氯化法钛白生态效率分析与比较

唐文骞*中海油山东化学工程有限责任公司 济南 250013

为了用数据表达硫酸法和氯化法钛白生态效率，引入生态效率的概念定义生态效率指标。以10 kt/ a钛白企业为例，分别对硫酸法和氯化法做了物料平衡，分析比较两种生产方法生态效率，得出氯化法比硫酸法具有生态效率的优势。同时也指出硫酸法钛白的废弃物如石膏等如能转化为产品出售，该法仍有生存和发展空间。

钛白生态效率硫酸法氯化法

本文引入了生态效率(Eco－Efficiency)概念，分析硫酸法和氯化法钛白粉生产的资源和能源消耗以及废弃物排放状况，揭示钛白粉生态效率水平，为了解和认识钛白粉生产过程的环境性能和降低其环境负荷提供参考。

1 基本定义

对于工业生产而言，生态效率［1］指标一般包括3个方面:资源效率、能源效率和环境效率。

1.1 钛白粉生产的资源效率

钛白粉生产的资源效率是指钛白粉生产过程中消耗的单位天然资源量所能生产的产品量，它等于产品量除以输入该生产过程中的天然资源量:

式中，ηr为钛白粉生产的资源效率;P为钛白粉生产的产品量，t;R为生产P吨产品所消耗的天然资源量(不包括回收的资源)，t。

可见，生产一定量的产品，资源效率越高，消耗的天然资源量越低。

1.2 钛白粉生产的能源效率

钛白粉生产的能源效率是指钛白粉生产过程中消耗的单位能源量所能生产的产品量，它等于产品量除以输入该生产过程中的能源量，即

式中，ηe为钛白粉生产的能源效率;E为生产P吨产品所输入的能源量，t。

可见，生产一定量的产品，能源效率值越高，消耗的能源量越低。

1.3 钛白粉生产的环境效率

钛白粉生产的环境效率是指钛白粉生产过程中排放的单位废弃物量对应的产品量，它等于产品量除以生产过程中向环境排放的废弃物量:

式中，ηW为企业的环境效率;W为生产P吨产品时生产过程向环境排放的废弃物量，t。

可见，生产一定量的产品，环境效率值越高，单位废弃物排放越低，生产过程的污染越少。

2 计算基准态的选定

(1)在工业活动的全部代谢过程中，水和空气约占95%，其余物料约占5%，它们之间比例相差悬殊，势必影响对物料的代谢分析，钛白粉生产的物质代谢过程也是这样的，仅水的消耗量就占输入资源总量的90%左右，通常对其进行单独的代谢分析，所以本文不考虑空气和水的代谢。

(2)企业外购电按每kWh消耗0.404kg标煤折算，所产生的灰、粉尘、CO2、CO、SO2、NOx等叠加到钛白生产的相关物料中。

(3)因未考虑空气量，故CO2、CO、SO2和NOx的量均以C、S和N来表示。

(4)根据硫酸法和氯化法钛白的能源介质消耗情况，可计算吨钛白的气体排放量，见表1。

表1 钛白生产不同能源介质单位消耗的气体排放量(kg)

表1中的不同能源介质有的直接用作燃料，有的经加工形成二次能源供钛白生产使用，尽管能源转化过程比较复杂，但是最终都将成为燃烧产物直接排放到大气中。因此，本文根据其化学成分计算了每吨能源介质消耗所生成CO2、SO2、NO2的量。

(5)氮气和氧气用量计入能源消耗量，以每1 m3的O2和N2气折合为0.5 kWh电。

(6)考虑到高钛渣冶炼企业建在水电丰富的地区，使用丰水期的电，故氯化用钛渣冶炼所需的电耗也不计入电耗，又不计入CO2排放。

3 硫酸法钛白生态效率分析

硫酸法钛白生产中涉及到主要原料为钛铁矿、硫酸及各种辅助原料以及能源用煤等输入，同时有产品钛白粉，副产品硫酸亚铁及废气和其它废弃物排出，以10 kt/a钛白粉为例，钛白粉企业物料衡算见表2。

表2 硫酸法钛白粉企业的物料衡算表(t)

由表2可知，该钛白粉企业生产输入的物料共计有11项，总量150850 t，其中资源量有7项，其输入量94867 t，占总输入量的62.9%;能源量有4项，其输入量55983 t，占总输入物料量的37.1%。该钛白企业全年生产输出的物料共有13项，其中，钛白粉为主产品，硫酸亚铁为副产品，这两项之和为产品量为45 kt，占输出物料量的29.8%;其余输出的废弃物为11项，合计为105.85 kt，占输出物料量的70.2%。若硫酸亚铁不作为副产品，而作为废弃物，总废弃物上升至140.85 kt，则占输出物料的93.3%。

根据钛白粉生产的生态效率指标定义、资源效率、能源效率和环境效率是产品量与资源量、能源量、废弃物量的比值，见表3。

表3 硫酸法钛白粉生产的生态效率表

4 以高钛渣为原料的氯化法钛白的生态效率分析

在以高钛渣为原料的氯化法钛白生产中，输入物料有主原料高钛渣、液氯、各种辅助原料以及各种燃料等，输出有钛白粉、副产品盐酸及各种废弃物。以10 kt/a高钛渣氯化法钛白粉为例，物料衡算见表4。

表4 以高钛渣为原料氯化法钛白企业物料衡算表(t)

由表4可知，该氯化法钛白粉企业全年生产输入的物料有13项，总量44.576 kt，其中资源量有6项，其输入量22.241 kt，占总输入量的49.9%，能源量有5项，其输入量22.335 kt，占总输入量的50.1%。该钛白企业生产输出的物料共有10项，其中钛白粉为主产品，盐酸为副产品，这两项之和为输出产品为17.5 kt，占输出物料量的39.3%;其余输出的废弃物共有8项，合计为27.076 kt，占输出物料量的60.7%。若盐酸不计入副产品，废弃物上升为9项，合计为34.576 kt，占输出物料量为77.6%。

根据钛白粉生产的生态效率指标定义，资源效率、能源效率和环境效率，见表5。

表5 以高钛渣为原料氯化法钛白粉生态效率表

5 含钛渣冶炼物耗的氯化法钛白生态效率

钛渣冶炼的主要物耗见表6。

表6 氯化用钛渣冶炼的主要物耗

含钛渣冶炼的氯化法钛白粉物料衡算见表7。

表7 10kt/a含有钛渣冶炼的氯化法钛白企业物料衡算(t)

由表7可知，含有钛渣冶炼的氯化法钛白企业生产输入的物料有14项，总量61.567 kt，其中资源量9项，合计输入量为39.224 kt，占总输入量的63.7%;能源量有5项，合计输入量22.347 kt，占总输入量的36.3%。该钛企业全年生产输出的物料共有11项，其中钛白粉为主产品，粗铁、盐酸为副产品，这三项之和为输出产品为31 kt，占总输出量的50.5%，其余输出的废弃物共有8项，合计为30.467 kt，占总输出物料量的49.5%。若盐酸不计入副产品，废弃物上升至9项，合计37.967 kt，则占输出物料量的61.7%。

根据钛白粉生产的生态效率指标定义，资源效率，能源效率和环境效率见表8。

表8 含有钛渣冶炼的氯化法钛白企业生态效率表

6 分析与比较

本文从工业生产实际出发，分析钛铁矿、高钛渣(或含有钛渣冶炼)为原料的硫酸法和氯化法钛白生产过程的生态效率，不包括矿山选矿的生态过程。

6.1 硫酸法钛白生产的生态效率

从表3可见，钛白生产的生态效率指标为:ηe＞ηr＞ηw。对于硫酸亚铁是否作为副产品，将对资源效率ηr、能源效率ηe和环境效率ηw产生重大影响。硫酸亚铁作为副产品销售，我国东部地区销售不成问题，故钛白企业生态效率较好。而在中西部地区硫酸亚铁的销售就成问题，只好筑坝堆放，因此ηr、ηe、ηw分别降至0.105、0.179、0.071。把硫酸亚铁当做废弃物造成资源浪费和环境效率降低，是钛白企业急需解决的问题。

6.2 氯化法钛白生产的生态效率

从表5、表8可见，以高钛渣为原料的氯化法钛白生态效率为ηe＞ηr＞ηw。含有钛渣冶炼的氯化法钛白的ηr、ηe、ηw三项效率指标都高于直接以钛渣为原料氯化法。在取基准态时，考虑到我国攀西地区有钛矿资源，同时又有丰富的水力资源，钛铁矿冶炼为钛渣的电耗可以不计入生态效率，其生态效率优势就显现出来，这也充分说明在攀西地区发展氯化法钛白具有得天独厚的有利条件。

盐酸作为副产品还是废弃物，对生态效率的三种指标ηr、ηe、ηw均有较大影响，但影响在可控范围之内。

6.3 生态效率的比较

6.3.1 总物料衡算

以10 kt/a钛白计，硫酸法总投入量为150.850 kt，而以钛渣为原料和含有钛渣冶炼的氯化法的总投入量分别为445.76 kt和615.567 kt，硫酸法的投入量分别为氯化法的3.38和2.45倍。6.3.2总排碳量

以10 kt/a钛白计，硫酸法总排碳量为36.3968 kt，而以高钛渣为原料和含有钛渣冶炼的氯化法排碳量分别为13.331 kt和16.25 kt，硫酸法的排碳量分别是氯化法的2.73和2.24倍。

6.3.3 生态效率

从表3、5、8可见，氯化法生态效率的ηr、ηe、ηw值均高于硫酸法。ηr为1.66～5.7倍，ηe为0.97～5.9倍，ηw为2.4～8.7倍。

7 结语

(1)从产业生态学的角度界定企业生产的产品，在生态效率理论的基础上定义了钛白粉生产的资源效率、能源效率和环境效率。硫酸法与氯化法相比，投入物料多，排放碳的数量多。又从生态效率指数ηr、ηe、ηw来分析，氯化法的ηr、 ηe、ηw的数值高于硫酸法的数值，从产业生态学的角度考量，氯化法比硫酸法具有生态的优势。

(2)若硫酸法副产的硫酸亚铁能得到有效利用，当作副产品出售，它的生态效率指标与以钛渣为原料的氯化法的生态效率三大指标ηr、ηe、ηw的距离在缩小，甚至能耗效率ηe为0.804比氯化法的0.784略高，硫酸法只要能把如石膏等废弃物转化为产品，像德国萨其宾工厂那样，就能有效提高生态效率ηr、ηe、ηw值，则硫酸法仍有发展空间。

1 周国梅，彭昊，曹风中．循环经济和工业生态效率指标体系［J］．城市环境与城市生态，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

*唐文骞:高级工程师、副总工程师。1963年毕业于福州大学化学工程系。发表论文90多篇，曾获山东省、原化学工业部优秀设计一、二、三等奖，任中国涂料工业协会钛白粉行业分会专家组成员，享受国家政府特殊津贴。联系电话:(0531)83195224。

2011－05－18)