精炼铜行业的生命周期节能减排目标评价

樊欢欢，王洪涛,*，谢阿弟，侯 萍

1. 四川大学建筑与环境学院，成都 6100652. 成都亿科环境科技有限公司，成都 610065

精炼铜行业的生命周期节能减排目标评价

樊欢欢1，王洪涛1,*，谢阿弟1，侯 萍2

1. 四川大学建筑与环境学院，成都 6100652. 成都亿科环境科技有限公司，成都 610065

按照生命周期评价方法，建立了精炼铜的生命周期模型，采用生命周期节能减排评价指标(ECER)，对比评价了原生铜和再生铜生产的生命周期节能减排效果，计算了改变再生铜市场份额所能带来的节能减排削减幅度，并与精炼铜行业实现节能减排政策目标所需的综合削减幅度进行了对比。结果表明，再生铜比原生铜的ECER指标小62.5%，因此废铜的再生循环明显有利于节能减排政策目标的实现。但是，当再生铜市场份额由2010年的38.5%提升至《有色金属“十二五”发展规划》中要求的40%时，其综合削减幅度仅为1.3%，远未达到铜冶炼行业的目标综合削减幅度27.8%。因此，精炼铜行业不仅需要更大幅度地提高铜再生比例，同时还需要采用更多清洁技术和改进措施。本文方法可用于计算各种行业的节能减排目标综合削减幅度，从而帮助判断各种改进方案和措施是否足以达到节能减排宏观政策目标的要求。

原生铜；再生铜；生命周期评价；节能减排；目标综合削减幅度

铜作为基础原材料，广泛应用于电气、电子、能源石化、交通运输、机械冶金、建筑和艺术、医疗以及国防等行业[1]。2013年，中国精炼铜产量已达684万t[2]。与此同时，铜冶炼过程中也造成大量的资源能源消耗与污染物排放。因此，实现铜冶炼行业的节能减排对完成我国“十二五”节能减排政策目标具有重要意义。

生命周期评价(life cycle assessment, LCA)作为标准的资源环境评价方法，广泛应用于量化评价产品生命周期过程中所造成的资源环境影响[3]。曾广圆[4-5]等以火法炼铜全生命周期过程为研究对象，定量评价原生铜生产过程的能耗与碳排放强度；姜金龙[6]等运用LCA方法，对原生铜与再生铜生产过程的环境协调性进行了研究。上述研究采用了国际上常用的LCA评价指标，但没有针对国内目前关注的节能减排政策目标进行评价。

废铜再生循环被认为是铜冶炼行业实现节能减排的重要措施之一。2010年全国再生铜市场份额为38.5%，2011年的《有色金属“十二五”发展规划》中提出，到2015年再生铜占当年铜产量的比例应达到40%[7]。就此措施而言，有两个问题需要量化评价：首先，再生铜的生产过程中也会造成一定的环境影响，用再生铜代替原生铜究竟能带来多大的节能减排效果？其次，与“十二五”节能减排宏观政策目标要求的削减幅度相比，再生铜市场份额从38.5%提高到40%，在多大程度上完成了宏观政策目标的要求？这也是几乎所有行业进行节能减排措施分析面临的普遍性问题。

为此，本文采用工业和信息化部文件中推荐生命周期节能减排综合评价方法与指标体系(ECER)[8]评价原生铜和再生铜的生命周期环境影响，计算铜冶炼行业为实现“十二五”节能减排政策目标综合削减幅度；并分析了再生铜市场份额变化时，铜冶炼行业的生命周期节能减排效果，以期为铜冶炼行业以及其他行业开展节能减排分析提供方法支持。

1 评价方法(Assessment methods)

1.1 目标与范围定义

本研究旨在分析精炼铜的生命周期的环境影响。根据上述研究目标，本文选取生产1 t精炼铜为功能单位。研究范围包括铜市场平均过程(原生铜与再生铜占铜产量的比例)，原生铜冶炼过程与再生铜冶炼过程，铜矿采选、电力混合、蒸汽生产等上游原材料与能源的生产阶段，铜精矿运输阶段以及铜矿石、原煤、石灰石、天然气开采等资源开采阶段。因铜冶炼过程中，铅、锌等副产品、电解添加剂等次要辅料的用量比例较小，故本研究中忽略其环境影响数据。本文精炼铜的生命周期过程如图1所示，采用eBalance[9]软件完成LCA建模计算与分析。

选取《“十二五”国民经济与社会发展规划纲要》(以下简称《纲要》)中规定的7项节能减排指标，量化评价精炼铜生命周期的环境影响。

1.2 清单数据收集

1.2.1 精炼铜市场平均过程

市场中，精炼铜可分为以铜精矿为生产原料的原生铜和以废铜为原料的再生铜。2010年我国铜产量为457.3万t[7]，再生铜产量为176.2万t[10]，因此，每生产1 t铜，原生铜的产量为615 kg，再生铜的产量为385 kg。

1.2.2 冶炼过程

原生铜冶炼过程的工艺技术有火法工艺和湿法工艺[11]。采用火法冶炼技术生产的铜产量占铜总量的98%[12]，因此本文中只包含火法炼铜生产过程，忽略了湿法工艺。原生铜冶炼过程包含熔炼吹炼、阳极炉精炼、电解精炼工序[13]。

再生铜冶炼过程的工艺技术多采用一段法和二段法，其中一段法主要针对含铜量达90%以上的高品位的废杂铜，二段法主要针对含铜量低于90%的废杂铜料[14]。二段法是目前我国采用最多的再生铜生产工艺[6]，因此本文采用二段法生产再生铜过程的数据。再生铜冶炼过程包含鼓风炉熔炼、反射炉精炼、电解精炼工序[15]。

图1 精炼铜生命周期流程Fig. 1 Life cycle flow chart of refined copper

原生铜冶炼过程中原材料投入主要为铜精矿、水、石英[16-17]，能源消耗主要为电力、煤、重油、天然气[4]。再生铜的冶炼过程中原料投入主要为废铜、水、硫酸[18]，能源消耗主要为电力、煤、重油、天然气[6]。在冶炼过程排放的主要污染物质主要有CO2、SO2、飞灰、废水、重金属等排放，因为本文选取的评价指标为《纲要》中规定的7项节能减排指标，所以文中只列出CO2、SO2、COD、NOx和氨氮的数量[17-22]。主要原材料的运输距离取2010年公路货物运输平均距离177 km[23]。原生铜与再生铜冶炼过程的清单数据，详见表1。

1.2.3 上游原材料与能源生产过程

上游原材料生产过程以及铜矿石开采、铜精矿生产过程的数据均来自于中国生命周期核心数据库(CLCD)[24]。

2 结 果(Results)

2.1 生命周期节能减排综合评价

生命周期节能减排综合评价指标(ECER)[25]是基于“十二五”节能减排政策目标提出的量化指标，按照公式(1)进行计算。

(1)

式(1)中，E表示综合指标ECER值；Ai表示一种产品(特定技术方案下)的生命周期初级能耗、工业用水量、CO2、SO2、COD、NOx和氨氮7项节能减排指标值；Ti表示可比的节能减排政策目标[25]；Ni为2010年对应指标的全国总量[25-29]，见表2所示。

按照LCA分段法[30]规则，再生铜生命周期从废铜回收开始。原生铜与再生铜的ECER值，计算结果如表2所示。

表1 原生铜与再生铜冶炼过程的清单数据Table 1 Inventory data of the smelting process of primary copper and secondary copper

注：1)该SO2值为原生铜冶炼尾气中SO2经制酸后，最终排放的数据。

Note: 1) The value of SO2is the final emission data, after producing sulfuric acid using the SO2in the primary copper smelting exhaust.

表2 精炼铜环境影响分析Table 2 Analysis of life cycle environmental impact indicators of copper

注：2)精炼铜是指原生铜与再生铜的市场平均。计算2010年精炼铜的环境影响时，再生铜市场份额为38.5%(见1.2.1论述)；3)初级能耗以千克标准煤计(/kgce)，各能源的特征化因子，参见文献[29]。

Note: 2) Refined copper means the market average of primary copper and secondary copper. When calculating the environmental impact of refined copper in 2010, the market share of secondary copper was 38.5% (see 1.2.1 section); 3) The unit of primary energy consumption is kgce. The characterization factor of each energy refers to the reference [29].

由表2可见，再生铜冶炼过程的生命周期环境影响各项指标均比原生铜的结果小，再生铜比原生铜的ECER小62.5%，这表明废铜循环这一措施有利于实现节能减排政策目标。

2.2 目标综合削减幅度

目标综合削减幅度是指产品生命周期各项节能减排指标(基准方案)各自削减至政策目标所要求幅度时，其ECER综合指标的削减幅度，按照公式(2)进行计算。

(2)

式(2)中，D表示目标综合削减幅度；E0表示基准方案的ECER值，按公式(1)进行计算。E'表示产品的各项指标各自削减至政策目标所要求幅度时ECER的值，按公式(3)进行计算；

(3)

按照公式(2)与(3)，以表2中的原生铜和再生铜各项指标值以及2010年再生铜市场份额(R=38.5%)作为基准方案，计算得到铜冶炼行业达到“十二五”节能减排政策目标时的综合削减幅度为27.8%，详见表3。

2.3 措施评价

选取ECER指标以评价再生铜市场份额(以R表示)变化时，铜冶炼行业的节能减排效果。《有色金属“十二五”发展规划》中提出，到2015年再生铜占当年铜产量的比例达到40%，以2010年再生铜市场份额R=38.5%作为基准方案，计算得到行业目标R=40%(方案二)的ECER的削减幅度，与“十二五”节能减排政策目标要求(方案一)进行对比分析。结果如表3所示。

由表3可知，以2010年再生铜市场份额(R=38.5%)作为基准方案，计算得到的目标综合削减幅度为27.8%，而完成行业目标(R=40%)时，相对于基准方案，综合削减幅度仅为1.3%，远远小于政策目标要求值。

只采取废铜再生循环措施时，若要达到“十二五”节能减排政策目标要求，再生铜市场份额R按照公式(4)进行计算，计算结果为72.2%。由于原生铜与再生铜的市场份额是由多种因素决定的，短期内也很难有大幅度的变化，因此铜冶炼行业若要达到“十二五”节能减排政策目标，还应加强清洁生产、技术改造等其他措施的实施力度。

(4)

式(4)中，R表示再生铜市场份额；Epr表示R=0时，ECER值；Ere表示R=100%时，ECER值；E'表示达到“十二五”节能减排政策目标时ECER值。

表3 生产1 t精炼铜的生命周期节能减排指标值Table 3 ECER indicator for 1 t refined copper

3 讨 论(Discussion)

生命周期节能减排综合评价指标(ECER)涵盖产品生命周期多个过程、包含涵盖了初级能耗、工业用水量、CO2、SO2、COD、NOx、氨氮指标，评价过程基本避免了人为主观意见，最终可得出量化的单一综合指标和明确的评价结论，适用于各种产品和方案措施的节能减排效果评价。选取ECER指标计算得到的再生铜的生命周期环境影响小于原生铜的生命周期环境影响，因此废铜的再生循环有利于节能减排政策目标的实现，应加强铜再生循环利用。

基于ECER指标，可以计算得出产品目标综合削减幅度，从而可以衡量各种方案措施的有效程度。以2010年再生铜市场份额(R=38.5%)作为基准方案，计算得到的目标综合削减幅度为27.8%。再生铜市场份额由2010年的38.5%提升至《有色金属“十二五”发展规划》中要求的40%时，其目标综合削减率为1.3%，远远小于27.8%，其节能减排效果并不显著。只采取废铜再生循环措施时，若要达到“十二五”节能减排政策目标要求，再生铜市场份额应为72.2%。因此，铜冶炼行业若要达到“十二五”节能减排政策目标，还应加强清洁生产、技术改造等其他措施的实施力度。

本文方法可用于计算各种行业的节能减排目标综合削减幅度，从而帮助判断各种改进方案和措施是否足以达到节能减排宏观政策目标的要求。

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LifeCycleEnergyConservationandEmissionReductionTargetsAssessmentofRefinedCopperIndustry

Fan Huanhuan1, Wang Hongtao1,*, Xie Adi1, Hou Ping2

1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China2. IKE Environmental Technology, Chengdu 610065, China

14 May 2014accepted4 September 2014

Life cycle model of refined copper was developed and analyzed in terms of life cycle Energy Conservation and Emission Reduction indicator (ECER). The life cycle energy conservation and emission reduction performance of primary copper and that of secondary copper was compared. Moreover, when the market shares of primary and secondary copper change, overall ECER reduction of refined copper industry was calculated and compared with national political targets. The results showed that the ECER of secondary copper is 62.5% less than that of primary copper, which confirms that copper recycling is an effective way for energy conservation and emission reduction. However, by changing the market share of secondary copper from 38.5% in 2010 to 40% in 2015 as suggested in "twelfth five-year" plan of non-ferrous metals industry, the overall reduction of ECER of refined copper industry was only 1.3%, which is far from 27.8% as prescribed by the national political targets. Therefore, the market share of secondary copper should be raised as much as possible, meanwhile cleaner technologies and means are needed urgently. The method proposed in this paper could be applied to calculate the ECER reduction of other industries too, which could help to estimate whether various technologies or schemes are adequate to reach the national targets.

primary refined copper; secondary refined copper; life cycle assessment; energy conservation emission reduction; overall reduction rate;

2014-05-14录用日期：2014-09-04

1673-5897(2014)4-737-07

： X171.5

： A

王洪涛(1970—)，男，副教授，主要从事生命周期评价(LCA)基础理论，数据库及其应用研究。

樊欢欢(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为产业生态学与生命周期管理，E-mail: fanhuan26@gmail.com

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: wanght@scu.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140514008

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