硫酸法和氯化法鈦白生態(tài)效率分析與比較

唐文騫 中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250013

環(huán)境保護(hù)

硫酸法和氯化法鈦白生態(tài)效率分析與比較

唐文騫*中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250013

為了用數(shù)據(jù)表達(dá)硫酸法和氯化法鈦白生態(tài)效率，引入生態(tài)效率的概念定義生態(tài)效率指標(biāo)。以10 kt/ a鈦白企業(yè)為例，分別對(duì)硫酸法和氯化法做了物料平衡，分析比較兩種生產(chǎn)方法生態(tài)效率，得出氯化法比硫酸法具有生態(tài)效率的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也指出硫酸法鈦白的廢棄物如石膏等如能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品出售，該法仍有生存和發(fā)展空間。

鈦白生態(tài)效率硫酸法氯化法

本文引入了生態(tài)效率(Eco－Efficiency)概念，分析硫酸法和氯化法鈦白粉生產(chǎn)的資源和能源消耗以及廢棄物排放狀況，揭示鈦白粉生態(tài)效率水平，為了解和認(rèn)識(shí)鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境性能和降低其環(huán)境負(fù)荷提供參考。

1 基本定義

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)而言，生態(tài)效率［1］指標(biāo)一般包括3個(gè)方面:資源效率、能源效率和環(huán)境效率。

1.1 鈦白粉生產(chǎn)的資源效率

鈦白粉生產(chǎn)的資源效率是指鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中消耗的單位天然資源量所能生產(chǎn)的產(chǎn)品量，它等于產(chǎn)品量除以輸入該生產(chǎn)過(guò)程中的天然資源量:

式中，ηr為鈦白粉生產(chǎn)的資源效率;P為鈦白粉生產(chǎn)的產(chǎn)品量，t;R為生產(chǎn)P噸產(chǎn)品所消耗的天然資源量(不包括回收的資源)，t。

可見(jiàn)，生產(chǎn)一定量的產(chǎn)品，資源效率越高，消耗的天然資源量越低。

1.2 鈦白粉生產(chǎn)的能源效率

鈦白粉生產(chǎn)的能源效率是指鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中消耗的單位能源量所能生產(chǎn)的產(chǎn)品量，它等于產(chǎn)品量除以輸入該生產(chǎn)過(guò)程中的能源量，即

式中，ηe為鈦白粉生產(chǎn)的能源效率;E為生產(chǎn)P噸產(chǎn)品所輸入的能源量，t。

可見(jiàn)，生產(chǎn)一定量的產(chǎn)品，能源效率值越高，消耗的能源量越低。

1.3 鈦白粉生產(chǎn)的環(huán)境效率

鈦白粉生產(chǎn)的環(huán)境效率是指鈦白粉生產(chǎn)過(guò)程中排放的單位廢棄物量對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品量，它等于產(chǎn)品量除以生產(chǎn)過(guò)程中向環(huán)境排放的廢棄物量:

式中，ηW為企業(yè)的環(huán)境效率;W為生產(chǎn)P噸產(chǎn)品時(shí)生產(chǎn)過(guò)程向環(huán)境排放的廢棄物量，t。

可見(jiàn)，生產(chǎn)一定量的產(chǎn)品，環(huán)境效率值越高，單位廢棄物排放越低，生產(chǎn)過(guò)程的污染越少。

2 計(jì)算基準(zhǔn)態(tài)的選定

(1)在工業(yè)活動(dòng)的全部代謝過(guò)程中，水和空氣約占95%，其余物料約占5%，它們之間比例相差懸殊，勢(shì)必影響對(duì)物料的代謝分析，鈦白粉生產(chǎn)的物質(zhì)代謝過(guò)程也是這樣的，僅水的消耗量就占輸入資源總量的90%左右，通常對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的代謝分析，所以本文不考慮空氣和水的代謝。

(2)企業(yè)外購(gòu)電按每kWh消耗0.404kg標(biāo)煤折算，所產(chǎn)生的灰、粉塵、CO2、CO、SO2、NOx等疊加到鈦白生產(chǎn)的相關(guān)物料中。

(3)因未考慮空氣量，故CO2、CO、SO2和NOx的量均以C、S和N來(lái)表示。

(4)根據(jù)硫酸法和氯化法鈦白的能源介質(zhì)消耗情況，可計(jì)算噸鈦白的氣體排放量，見(jiàn)表1。

表1 鈦白生產(chǎn)不同能源介質(zhì)單位消耗的氣體排放量(kg)

表1中的不同能源介質(zhì)有的直接用作燃料，有的經(jīng)加工形成二次能源供鈦白生產(chǎn)使用，盡管能源轉(zhuǎn)化過(guò)程比較復(fù)雜，但是最終都將成為燃燒產(chǎn)物直接排放到大氣中。因此，本文根據(jù)其化學(xué)成分計(jì)算了每噸能源介質(zhì)消耗所生成CO2、SO2、NO2的量。

(5)氮?dú)夂脱鯕庥昧坑?jì)入能源消耗量，以每1 m3的O2和N2氣折合為0.5 kWh電。

(6)考慮到高鈦渣冶煉企業(yè)建在水電豐富的地區(qū)，使用豐水期的電，故氯化用鈦渣冶煉所需的電耗也不計(jì)入電耗，又不計(jì)入CO2排放。

3 硫酸法鈦白生態(tài)效率分析

硫酸法鈦白生產(chǎn)中涉及到主要原料為鈦鐵礦、硫酸及各種輔助原料以及能源用煤等輸入，同時(shí)有產(chǎn)品鈦白粉，副產(chǎn)品硫酸亞鐵及廢氣和其它廢棄物排出，以10 kt/a鈦白粉為例，鈦白粉企業(yè)物料衡算見(jiàn)表2。

表2 硫酸法鈦白粉企業(yè)的物料衡算表(t)

由表2可知，該鈦白粉企業(yè)生產(chǎn)輸入的物料共計(jì)有11項(xiàng)，總量150850 t，其中資源量有7項(xiàng)，其輸入量94867 t，占總輸入量的62.9%;能源量有4項(xiàng)，其輸入量55983 t，占總輸入物料量的37.1%。該鈦白企業(yè)全年生產(chǎn)輸出的物料共有13項(xiàng)，其中，鈦白粉為主產(chǎn)品，硫酸亞鐵為副產(chǎn)品，這兩項(xiàng)之和為產(chǎn)品量為45 kt，占輸出物料量的29.8%;其余輸出的廢棄物為11項(xiàng)，合計(jì)為105.85 kt，占輸出物料量的70.2%。若硫酸亞鐵不作為副產(chǎn)品，而作為廢棄物，總廢棄物上升至140.85 kt，則占輸出物料的93.3%。

根據(jù)鈦白粉生產(chǎn)的生態(tài)效率指標(biāo)定義、資源效率、能源效率和環(huán)境效率是產(chǎn)品量與資源量、能源量、廢棄物量的比值，見(jiàn)表3。

表3 硫酸法鈦白粉生產(chǎn)的生態(tài)效率表

4 以高鈦渣為原料的氯化法鈦白的生態(tài)效率分析

在以高鈦渣為原料的氯化法鈦白生產(chǎn)中，輸入物料有主原料高鈦渣、液氯、各種輔助原料以及各種燃料等，輸出有鈦白粉、副產(chǎn)品鹽酸及各種廢棄物。以10 kt/a高鈦渣氯化法鈦白粉為例，物料衡算見(jiàn)表4。

表4 以高鈦渣為原料氯化法鈦白企業(yè)物料衡算表(t)

由表4可知，該氯化法鈦白粉企業(yè)全年生產(chǎn)輸入的物料有13項(xiàng)，總量44.576 kt，其中資源量有6項(xiàng)，其輸入量22.241 kt，占總輸入量的49.9%，能源量有5項(xiàng)，其輸入量22.335 kt，占總輸入量的50.1%。該鈦白企業(yè)生產(chǎn)輸出的物料共有10項(xiàng)，其中鈦白粉為主產(chǎn)品，鹽酸為副產(chǎn)品，這兩項(xiàng)之和為輸出產(chǎn)品為17.5 kt，占輸出物料量的39.3%;其余輸出的廢棄物共有8項(xiàng)，合計(jì)為27.076 kt，占輸出物料量的60.7%。若鹽酸不計(jì)入副產(chǎn)品，廢棄物上升為9項(xiàng)，合計(jì)為34.576 kt，占輸出物料量為77.6%。

根據(jù)鈦白粉生產(chǎn)的生態(tài)效率指標(biāo)定義，資源效率、能源效率和環(huán)境效率，見(jiàn)表5。

表5 以高鈦渣為原料氯化法鈦白粉生態(tài)效率表

5 含鈦渣冶煉物耗的氯化法鈦白生態(tài)效率

鈦渣冶煉的主要物耗見(jiàn)表6。

表6 氯化用鈦渣冶煉的主要物耗

含鈦渣冶煉的氯化法鈦白粉物料衡算見(jiàn)表7。

表7 10kt/a含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白企業(yè)物料衡算(t)

由表7可知，含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白企業(yè)生產(chǎn)輸入的物料有14項(xiàng)，總量61.567 kt，其中資源量9項(xiàng)，合計(jì)輸入量為39.224 kt，占總輸入量的63.7%;能源量有5項(xiàng)，合計(jì)輸入量22.347 kt，占總輸入量的36.3%。該鈦企業(yè)全年生產(chǎn)輸出的物料共有11項(xiàng)，其中鈦白粉為主產(chǎn)品，粗鐵、鹽酸為副產(chǎn)品，這三項(xiàng)之和為輸出產(chǎn)品為31 kt，占總輸出量的50.5%，其余輸出的廢棄物共有8項(xiàng)，合計(jì)為30.467 kt，占總輸出物料量的49.5%。若鹽酸不計(jì)入副產(chǎn)品，廢棄物上升至9項(xiàng)，合計(jì)37.967 kt，則占輸出物料量的61.7%。

根據(jù)鈦白粉生產(chǎn)的生態(tài)效率指標(biāo)定義，資源效率，能源效率和環(huán)境效率見(jiàn)表8。

表8 含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白企業(yè)生態(tài)效率表

6 分析與比較

本文從工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，分析鈦鐵礦、高鈦渣(或含有鈦渣冶煉)為原料的硫酸法和氯化法鈦白生產(chǎn)過(guò)程的生態(tài)效率，不包括礦山選礦的生態(tài)過(guò)程。

6.1 硫酸法鈦白生產(chǎn)的生態(tài)效率

從表3可見(jiàn)，鈦白生產(chǎn)的生態(tài)效率指標(biāo)為:ηe＞ηr＞ηw。對(duì)于硫酸亞鐵是否作為副產(chǎn)品，將對(duì)資源效率ηr、能源效率ηe和環(huán)境效率ηw產(chǎn)生重大影響。硫酸亞鐵作為副產(chǎn)品銷(xiāo)售，我國(guó)東部地區(qū)銷(xiāo)售不成問(wèn)題，故鈦白企業(yè)生態(tài)效率較好。而在中西部地區(qū)硫酸亞鐵的銷(xiāo)售就成問(wèn)題，只好筑壩堆放，因此ηr、ηe、ηw分別降至0.105、0.179、0.071。把硫酸亞鐵當(dāng)做廢棄物造成資源浪費(fèi)和環(huán)境效率降低，是鈦白企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

6.2 氯化法鈦白生產(chǎn)的生態(tài)效率

從表5、表8可見(jiàn)，以高鈦渣為原料的氯化法鈦白生態(tài)效率為ηe＞ηr＞ηw。含有鈦渣冶煉的氯化法鈦白的ηr、ηe、ηw三項(xiàng)效率指標(biāo)都高于直接以鈦渣為原料氯化法。在取基準(zhǔn)態(tài)時(shí)，考慮到我國(guó)攀西地區(qū)有鈦礦資源，同時(shí)又有豐富的水力資源，鈦鐵礦冶煉為鈦渣的電耗可以不計(jì)入生態(tài)效率，其生態(tài)效率優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)，這也充分說(shuō)明在攀西地區(qū)發(fā)展氯化法鈦白具有得天獨(dú)厚的有利條件。

鹽酸作為副產(chǎn)品還是廢棄物，對(duì)生態(tài)效率的三種指標(biāo)ηr、ηe、ηw均有較大影響，但影響在可控范圍之內(nèi)。

6.3 生態(tài)效率的比較

6.3.1 總物料衡算

以10 kt/a鈦白計(jì)，硫酸法總投入量為150.850 kt，而以鈦渣為原料和含有鈦渣冶煉的氯化法的總投入量分別為445.76 kt和615.567 kt，硫酸法的投入量分別為氯化法的3.38和2.45倍。6.3.2總排碳量

以10 kt/a鈦白計(jì)，硫酸法總排碳量為36.3968 kt，而以高鈦渣為原料和含有鈦渣冶煉的氯化法排碳量分別為13.331 kt和16.25 kt，硫酸法的排碳量分別是氯化法的2.73和2.24倍。

6.3.3 生態(tài)效率

從表3、5、8可見(jiàn)，氯化法生態(tài)效率的ηr、ηe、ηw值均高于硫酸法。ηr為1.66～5.7倍，ηe為0.97～5.9倍，ηw為2.4～8.7倍。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)從產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的角度界定企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，在生態(tài)效率理論的基礎(chǔ)上定義了鈦白粉生產(chǎn)的資源效率、能源效率和環(huán)境效率。硫酸法與氯化法相比，投入物料多，排放碳的數(shù)量多。又從生態(tài)效率指數(shù)ηr、ηe、ηw來(lái)分析，氯化法的ηr、 ηe、ηw的數(shù)值高于硫酸法的數(shù)值，從產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的角度考量，氯化法比硫酸法具有生態(tài)的優(yōu)勢(shì)。

(2)若硫酸法副產(chǎn)的硫酸亞鐵能得到有效利用，當(dāng)作副產(chǎn)品出售，它的生態(tài)效率指標(biāo)與以鈦渣為原料的氯化法的生態(tài)效率三大指標(biāo)ηr、ηe、ηw的距離在縮小，甚至能耗效率ηe為0.804比氯化法的0.784略高，硫酸法只要能把如石膏等廢棄物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，像德國(guó)薩其賓工廠(chǎng)那樣，就能有效提高生態(tài)效率ηr、ηe、ηw值，則硫酸法仍有發(fā)展空間。

1 周?chē)?guó)梅，彭昊，曹風(fēng)中．循環(huán)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生態(tài)效率指標(biāo)體系［J］．城市環(huán)境與城市生態(tài)，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

*唐文騫:高級(jí)工程師、副總工程師。1963年畢業(yè)于福州大學(xué)化學(xué)工程系。發(fā)表論文90多篇，曾獲山東省、原化學(xué)工業(yè)部?jī)?yōu)秀設(shè)計(jì)一、二、三等獎(jiǎng)，任中國(guó)涂料工業(yè)協(xié)會(huì)鈦白粉行業(yè)分會(huì)專(zhuān)家組成員，享受?chē)?guó)家政府特殊津貼。聯(lián)系電話(huà):(0531)83195224。

2011－05－18)