锡冶炼过程生命周期评价

韩继标，赵 娜，李一夫，蒲正浩，徐宝强，杨 斌，戴永年

(1. 昆明理工大学 真空冶金国家工程实验室，云南 昆明 650093； 2. 复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南 昆明 650093； 3. 云南省有色金属真空冶金重点实验室，云南 昆明 650093)

锡冶炼过程生命周期评价

韩继标1,2,3，赵 娜1,2，李一夫1,2，蒲正浩1,2,3，徐宝强1,2,3，杨 斌1,2,3，戴永年1,2

(1. 昆明理工大学 真空冶金国家工程实验室，云南 昆明 650093； 2. 复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南 昆明 650093； 3. 云南省有色金属真空冶金重点实验室，云南 昆明 650093)

依据生命周期评价的技术框架和原则，对国内某企业锡生产焙烧、还原熔炼、精炼、炉渣熔炼及烟化处理等过程进行生命周期评价研究。结果表明：不可再生资源消耗指数(ADP)5.85×10-8，温室效应指数(GWP)4.35×10-9，酸化效应指数(AP)4.66×10-10，光化学烟雾形成指数(POCP)2.14×10-10。锡冶炼系统的各种环境影响严重性排序为ADP>GWP>AP>POCP。发现锡冶炼系统中对ADP的影响几乎全部源于焙烧过程中锡精矿的使用；锡冶炼系统的能耗主要集中在电力的消耗，所占比重为65%，其次是粉煤，占比重28%；锡冶炼系统气体污染物排放所造成的环境影响中，温室效应的影响最为严重。

锡；冶炼过程；生命周期评价；资源消耗；能量消耗

0 前 言

生命周期评价(LCA)是一种对生产活动和环境的压力进行评价的客观过程[1-2]。作为一种重要的环境管理工具，该方法被广泛应用于清洁生产和环境影响评价过程中，对改善生产工艺，减少环境污染具有重要意义[3-6]。Reza Memary等[7]分析了铜的开采及冶炼过程生命周期评价，结果表明在不同的时间和空间因素下，铜的生命周期有所不同。安静等[8]研究了硼铁矿火法分离过程中的生命周期评价，发现硼铁矿原材料生产、高炉冶炼、硼砂生产环节中能耗高、污染大等缺点。高枫等[9]研究了皮浆法炼镁过程能量消耗和环境负荷，最终得到温室效应对环境负荷的影响最大，占总环境负荷的49.65%。

综上，LCA现已广泛应用于有色冶金过程。但目前，关于锡冶炼的研究都侧重于工艺参数和技术开发等方面，生命周期评价研究鲜有报道。所以本文将生命周期评价应用于锡冶炼过程，结合某锡冶炼厂的生产报表以及收集到的各类文献对锡冶炼流程中包括焙烧、还原熔炼、精炼、炉渣熔炼和烟化处理5大环节进行生命周期评价研究，以期了解我国锡冶炼过程中环境状况，实现锡行业的可持续发展。

1 目标定义及范围界定

1.1 目标定义

依据LCA评价的技术框架和原则[10]，本研究以某锡冶炼厂为研究对象，结合其冶炼工艺及生产数据，进行生命周期评价的研究与分析。

1.2 范围界定

本文选取锡冶炼流程为研究对象，在锡的生产过程中主要涉及焙烧、还原熔炼、精炼、炉渣熔炼及烟化处理5个冶炼工序，对于采矿、选矿过程，运输过程、使用直至最终处置等过程，不列入本文的评价体系。锡精矿经过焙烧，去除部分硫、砷、锑等杂质；把经过焙烧的锡精矿投入反射炉进行还原熔炼，尽量使原料中锡的氧化物(SnO2)还原成金属，与炉渣分离；还原熔炼产生的粗锡经过精炼处理，去除其中的杂质，得到满足工业要求的精锡；还原熔炼产生的炉渣含锡较高，要经过炉渣熔炼和烟化处理两个炼渣工序来处理，进一步回收渣中的锡，提高锡的回收率。因此本文把锡冶炼的流程以这5大工序来体现，列在本次评价的边界范围之内。

2 清单分析

根据技术框架和锡冶炼工艺过程，所研究的体系主要包括资源消耗、能源消耗、气体废弃物排放、固体废弃物排放、冶炼后废渣等。该系统内的水资源可循环利用，认为该系统无废水产出。所列清单数据大部分来自于具体锡冶炼厂实际生产数据以及中国统计年鉴，有色金属工业年鉴等公开出版物，还有部分数据通过计算得到。其中吨精锡产品在焙烧过程中消耗锡精矿1.923 t；还原熔炼过程中消耗石灰石0.131 t；精炼过程中消耗木屑0.016 t，硫磺0.006 t，氯化铵0.010 t，铝片0.009 t；炉渣熔炼过程中消耗石灰石0.026 t；烟化处理过程中消耗黄铁矿0.173 t。而能源消耗见表1。

表1 吨精锡产品的能源消耗清单

计算生产过程中的气体废弃物排放见表2。

表2 气体废弃物排放清单 kg

本次评价系统内固体废弃物的排放仅包含烟化处理过程的丢渣排放。焙烧阶段产出的固体物料是焙砂，还原熔炼阶段产出的有富渣、乙锡等，精炼阶段产出的是离心渣、焊锡等物料，炉渣熔炼阶段会产出乙锡、合金粗锡等，这些固体物料均在系统内循环处理，不外排，即不属于固废物范畴。工厂全年精锡产量为15 015.324 6 t，烟化处理过程全年产丢渣1 683.239 6 t，即吨精锡产丢渣0.112 t。

3 影响评价

3.1 环境影响分类

本文所涉及到的影响类型为能源总需求(GER)、温室效应(GWP)、酸化效应(AP)、不可再生资源消耗(ADP)、光化学烟雾形成(POCP)。其中锡冶炼流程影响分类结果：ADP：煤，柴油、锡精矿，黄铁矿；GWP：CO2，NOX；AP：SO2，NOX；POCP：NOX。

3.2 环境影响特征化

加权评估是将不同影响类型通过加权后，用一个值表征说明产品或工艺的最终影响。环境影响加权后的影响潜值为：

φwp(j)=φwf(j)×φnp(j)[20]

(1)

式中，φwp(j)为种环境影响的权重因子，φnp(j)为标准化后的影响潜值。计算结果如表3所示。

表3 1 t精锡产品生命周期环境影响加权结果

3.3 评价结果分析

根据表3中的加权结果，得到反应吨精锡产品的最终环境影响柱形图，如图1所示。

图1 环境影响标加权结果

由图1可看出，锡冶炼过程中各个环境影响类型的重要性排序为ADP>GWP>AP>POCP，而其中ADP的重要性远远大于其他3项，成为最突出和绝对的环境影响。表明温室效应对环境影响的重要性大于酸化效应和光化学烟雾形成。通过数据可知，对ADP贡献最大的环节在焙烧阶段。焙烧阶段所用的不可更新资源只有锡精矿，因此决定焙烧阶段ADP数值大的因素就是锡精矿的资源耗竭特征化因子较大，表明锡精矿资源的稀缺性。此现象由两个原因导致：a精锡的生产过程中锡精矿用量大；b锡精矿的资源稀缺性较大。各锡矿面临着砂矿资源消失，锡矿品位下降，后续资源不足。

从图1中体现出焙烧工序对ADP的影响，所占比重接近100%。为了了解其他工序的影响情况，去除焙烧工序做图2。

图2 除焙烧之外各子模块对ADP的贡献率

从图2可以看出：精炼工序的影响是最小的，这是由于该工序所用原料大多属于可再生资源，所用的煤及柴油量较少，所以影响甚微。其他3个工序的影响大小排序为还原熔炼>烟化处理>炉渣熔炼。造成这个结果的原因在于还原熔炼中石灰石用量较大，而烟化处理结果较高的原因是有黄铁矿的使用。

为了了解锡冶炼系统中工各工序和各种能源占总能源消耗的比重，作图3～4。

图3 锡冶炼系统各子模块对GER的贡献率

图4 锡冶炼系统各种能源对GER的贡献率

由图3所示，在锡冶炼系统中，对能源需求量较多的分别是还原熔炼，烟化处理和精炼3个阶段。这3个阶段的共同特点是用电量都比较大。其中还原熔炼对能源需求最多，超过总需求的1/3，是因为其不仅用电量大，而且用煤量也很大。由图4所示，可知锡冶炼系统所用能源中电占了绝对比重，贡献率达到65%，其次为粉煤，占28%的比重。

锡冶炼系统各工序对GWP、AP、POCP影响程度顺序为GWP>AP>POCP，说明温室效应是锡冶炼系统所造成环境污染问题的主要原因。而这3个阶段的共同特点是用电量大，表明锡冶炼系统对环境的污染物排放主要是电力的生产引起的间接排放。通过分析，锡冶炼厂CO2的直接排放集中在还原熔炼和烟化处理两个工序，可以通过降低他们的煤耗来改善。而评价系统中更大部分的CO2排放是由于使用电力而产生的间接排放，因此在电力消耗方面，更应该寄希望于发电厂从火力发电到水力发电、风力发电甚至更清洁地发电方式的转型，从而降低CO2排放造成的温室效应影响。

4 结 论

1) 在锡冶炼系统中，不可再生资源消耗的影响是最突出的，而对ADP的贡献几乎全部源于焙烧过程中锡精矿的使用。因此锡冶炼企业可以改善锡精矿的利用率，通过企业完善管理制度，提高设备的工作性能等方式来实现。

2) 锡冶炼系统的能耗主要集中在电力的消耗，所占比重为65%，其次是粉煤，占比重28%。还原熔炼、烟化处理和精炼都是用电较多的工序，而粉煤的使用也主要集中在还原熔炼和烟化处理两个阶段。因此要想降低锡冶炼系统的能耗，可以先在还原熔炼和烟化处理两处着手降低。

3) 锡冶炼系统气体污染物排放所造成的环境影响中，温室效应的影响较酸化效应和光化学烟雾形成要严重得多，因此降低CO2的排放量是首要问题。

[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.

[3] 王天明. 生态环境材料[M]. 天津：天津大学出版社，2000.

[4] Xu J C. Ecodesign for wear resistant ductile iron with medium manganese content [J]. Materials & Design, 2003(24): 63-68.

[5] Stuart R, David E. Use of life cycle Assessment in environmental management [J]. Environmental Management, 2002, 29(1): 132-142.

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[8] 安静，薛向欣，姜涛. 硼铁矿火法分离过程的生命周期环境影响评价[J]. 过程工程学报, 2010, 10(2): 321-326.

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[10] 姜金龙，吴玉萍，马军, 等. 生命周期评价的技术框架及研究进展[J]. 兰州理工大学学报, 2005, 31(4): 23-26.

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

云南省科技领军人才培养计划项目(2014HA003)；云南省科技计划项目(2014FA001)；科技部有色金属真空冶金创新团队项目(2014RA4018)；NSFC-云南省联合基金项目(U1502271)

韩继标(1991-)，男，河南新乡人，在读硕士研究生，研究方向：有色金属冶金，手机：14736534556，E-mail：hanjibiaol@163.com.

TF803.4

B

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.02.027