精煉銅行業(yè)的生命周期節(jié)能減排目標(biāo)評(píng)價(jià)

樊歡歡，王洪濤,*，謝阿弟，侯 萍

1. 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 6100652. 成都億科環(huán)境科技有限公司，成都 610065

精煉銅行業(yè)的生命周期節(jié)能減排目標(biāo)評(píng)價(jià)

樊歡歡1，王洪濤1,*，謝阿弟1，侯 萍2

1. 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 6100652. 成都億科環(huán)境科技有限公司，成都 610065

按照生命周期評(píng)價(jià)方法，建立了精煉銅的生命周期模型，采用生命周期節(jié)能減排評(píng)價(jià)指標(biāo)(ECER)，對(duì)比評(píng)價(jià)了原生銅和再生銅生產(chǎn)的生命周期節(jié)能減排效果，計(jì)算了改變?cè)偕~市場(chǎng)份額所能帶來的節(jié)能減排削減幅度，并與精煉銅行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排政策目標(biāo)所需的綜合削減幅度進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，再生銅比原生銅的ECER指標(biāo)小62.5%，因此廢銅的再生循環(huán)明顯有利于節(jié)能減排政策目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)再生銅市場(chǎng)份額由2010年的38.5%提升至《有色金屬“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中要求的40%時(shí)，其綜合削減幅度僅為1.3%，遠(yuǎn)未達(dá)到銅冶煉行業(yè)的目標(biāo)綜合削減幅度27.8%。因此，精煉銅行業(yè)不僅需要更大幅度地提高銅再生比例，同時(shí)還需要采用更多清潔技術(shù)和改進(jìn)措施。本文方法可用于計(jì)算各種行業(yè)的節(jié)能減排目標(biāo)綜合削減幅度，從而幫助判斷各種改進(jìn)方案和措施是否足以達(dá)到節(jié)能減排宏觀政策目標(biāo)的要求。

原生銅；再生銅；生命周期評(píng)價(jià)；節(jié)能減排；目標(biāo)綜合削減幅度

銅作為基礎(chǔ)原材料，廣泛應(yīng)用于電氣、電子、能源石化、交通運(yùn)輸、機(jī)械冶金、建筑和藝術(shù)、醫(yī)療以及國(guó)防等行業(yè)[1]。2013年，中國(guó)精煉銅產(chǎn)量已達(dá)684萬t[2]。與此同時(shí)，銅冶煉過程中也造成大量的資源能源消耗與污染物排放。因此，實(shí)現(xiàn)銅冶煉行業(yè)的節(jié)能減排對(duì)完成我國(guó)“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)具有重要意義。

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment, LCA)作為標(biāo)準(zhǔn)的資源環(huán)境評(píng)價(jià)方法，廣泛應(yīng)用于量化評(píng)價(jià)產(chǎn)品生命周期過程中所造成的資源環(huán)境影響[3]。曾廣圓[4-5]等以火法煉銅全生命周期過程為研究對(duì)象，定量評(píng)價(jià)原生銅生產(chǎn)過程的能耗與碳排放強(qiáng)度；姜金龍[6]等運(yùn)用LCA方法，對(duì)原生銅與再生銅生產(chǎn)過程的環(huán)境協(xié)調(diào)性進(jìn)行了研究。上述研究采用了國(guó)際上常用的LCA評(píng)價(jià)指標(biāo)，但沒有針對(duì)國(guó)內(nèi)目前關(guān)注的節(jié)能減排政策目標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

廢銅再生循環(huán)被認(rèn)為是銅冶煉行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一。2010年全國(guó)再生銅市場(chǎng)份額為38.5%，2011年的《有色金屬“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提出，到2015年再生銅占當(dāng)年銅產(chǎn)量的比例應(yīng)達(dá)到40%[7]。就此措施而言，有兩個(gè)問題需要量化評(píng)價(jià)：首先，再生銅的生產(chǎn)過程中也會(huì)造成一定的環(huán)境影響，用再生銅代替原生銅究竟能帶來多大的節(jié)能減排效果？其次，與“十二五”節(jié)能減排宏觀政策目標(biāo)要求的削減幅度相比，再生銅市場(chǎng)份額從38.5%提高到40%，在多大程度上完成了宏觀政策目標(biāo)的要求？這也是幾乎所有行業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排措施分析面臨的普遍性問題。

為此，本文采用工業(yè)和信息化部文件中推薦生命周期節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系(ECER)[8]評(píng)價(jià)原生銅和再生銅的生命周期環(huán)境影響，計(jì)算銅冶煉行業(yè)為實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)綜合削減幅度；并分析了再生銅市場(chǎng)份額變化時(shí)，銅冶煉行業(yè)的生命周期節(jié)能減排效果，以期為銅冶煉行業(yè)以及其他行業(yè)開展節(jié)能減排分析提供方法支持。

1 評(píng)價(jià)方法(Assessment methods)

1.1 目標(biāo)與范圍定義

本研究旨在分析精煉銅的生命周期的環(huán)境影響。根據(jù)上述研究目標(biāo)，本文選取生產(chǎn)1 t精煉銅為功能單位。研究范圍包括銅市場(chǎng)平均過程(原生銅與再生銅占銅產(chǎn)量的比例)，原生銅冶煉過程與再生銅冶煉過程，銅礦采選、電力混合、蒸汽生產(chǎn)等上游原材料與能源的生產(chǎn)階段，銅精礦運(yùn)輸階段以及銅礦石、原煤、石灰石、天然氣開采等資源開采階段。因銅冶煉過程中，鉛、鋅等副產(chǎn)品、電解添加劑等次要輔料的用量比例較小，故本研究中忽略其環(huán)境影響數(shù)據(jù)。本文精煉銅的生命周期過程如圖1所示，采用eBalance[9]軟件完成LCA建模計(jì)算與分析。

選取《“十二五”國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展規(guī)劃綱要》(以下簡(jiǎn)稱《綱要》)中規(guī)定的7項(xiàng)節(jié)能減排指標(biāo)，量化評(píng)價(jià)精煉銅生命周期的環(huán)境影響。

1.2 清單數(shù)據(jù)收集

1.2.1 精煉銅市場(chǎng)平均過程

市場(chǎng)中，精煉銅可分為以銅精礦為生產(chǎn)原料的原生銅和以廢銅為原料的再生銅。2010年我國(guó)銅產(chǎn)量為457.3萬t[7]，再生銅產(chǎn)量為176.2萬t[10]，因此，每生產(chǎn)1 t銅，原生銅的產(chǎn)量為615 kg，再生銅的產(chǎn)量為385 kg。

1.2.2 冶煉過程

原生銅冶煉過程的工藝技術(shù)有火法工藝和濕法工藝[11]。采用火法冶煉技術(shù)生產(chǎn)的銅產(chǎn)量占銅總量的98%[12]，因此本文中只包含火法煉銅生產(chǎn)過程，忽略了濕法工藝。原生銅冶煉過程包含熔煉吹煉、陽極爐精煉、電解精煉工序[13]。

再生銅冶煉過程的工藝技術(shù)多采用一段法和二段法，其中一段法主要針對(duì)含銅量達(dá)90%以上的高品位的廢雜銅，二段法主要針對(duì)含銅量低于90%的廢雜銅料[14]。二段法是目前我國(guó)采用最多的再生銅生產(chǎn)工藝[6]，因此本文采用二段法生產(chǎn)再生銅過程的數(shù)據(jù)。再生銅冶煉過程包含鼓風(fēng)爐熔煉、反射爐精煉、電解精煉工序[15]。

圖1 精煉銅生命周期流程Fig. 1 Life cycle flow chart of refined copper

原生銅冶煉過程中原材料投入主要為銅精礦、水、石英[16-17]，能源消耗主要為電力、煤、重油、天然氣[4]。再生銅的冶煉過程中原料投入主要為廢銅、水、硫酸[18]，能源消耗主要為電力、煤、重油、天然氣[6]。在冶煉過程排放的主要污染物質(zhì)主要有CO2、SO2、飛灰、廢水、重金屬等排放，因?yàn)楸疚倪x取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為《綱要》中規(guī)定的7項(xiàng)節(jié)能減排指標(biāo)，所以文中只列出CO2、SO2、COD、NOx和氨氮的數(shù)量[17-22]。主要原材料的運(yùn)輸距離取2010年公路貨物運(yùn)輸平均距離177 km[23]。原生銅與再生銅冶煉過程的清單數(shù)據(jù)，詳見表1。

1.2.3 上游原材料與能源生產(chǎn)過程

上游原材料生產(chǎn)過程以及銅礦石開采、銅精礦生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)均來自于中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫(CLCD)[24]。

2 結(jié) 果(Results)

2.1 生命周期節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)

生命周期節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(ECER)[25]是基于“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)提出的量化指標(biāo)，按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式(1)中，E表示綜合指標(biāo)ECER值；Ai表示一種產(chǎn)品(特定技術(shù)方案下)的生命周期初級(jí)能耗、工業(yè)用水量、CO2、SO2、COD、NOx和氨氮7項(xiàng)節(jié)能減排指標(biāo)值；Ti表示可比的節(jié)能減排政策目標(biāo)[25]；Ni為2010年對(duì)應(yīng)指標(biāo)的全國(guó)總量[25-29]，見表2所示。

按照LCA分段法[30]規(guī)則，再生銅生命周期從廢銅回收開始。原生銅與再生銅的ECER值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 原生銅與再生銅冶煉過程的清單數(shù)據(jù)Table 1 Inventory data of the smelting process of primary copper and secondary copper

注：1)該SO2值為原生銅冶煉尾氣中SO2經(jīng)制酸后，最終排放的數(shù)據(jù)。

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

表2 精煉銅環(huán)境影響分析Table 2 Analysis of life cycle environmental impact indicators of copper

注：2)精煉銅是指原生銅與再生銅的市場(chǎng)平均。計(jì)算2010年精煉銅的環(huán)境影響時(shí)，再生銅市場(chǎng)份額為38.5%(見1.2.1論述)；3)初級(jí)能耗以千克標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)(/kgce)，各能源的特征化因子，參見文獻(xiàn)[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可見，再生銅冶煉過程的生命周期環(huán)境影響各項(xiàng)指標(biāo)均比原生銅的結(jié)果小，再生銅比原生銅的ECER小62.5%，這表明廢銅循環(huán)這一措施有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排政策目標(biāo)。

2.2 目標(biāo)綜合削減幅度

目標(biāo)綜合削減幅度是指產(chǎn)品生命周期各項(xiàng)節(jié)能減排指標(biāo)(基準(zhǔn)方案)各自削減至政策目標(biāo)所要求幅度時(shí)，其ECER綜合指標(biāo)的削減幅度，按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式(2)中，D表示目標(biāo)綜合削減幅度；E0表示基準(zhǔn)方案的ECER值，按公式(1)進(jìn)行計(jì)算。E'表示產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)各自削減至政策目標(biāo)所要求幅度時(shí)ECER的值，按公式(3)進(jìn)行計(jì)算；

(3)

按照公式(2)與(3)，以表2中的原生銅和再生銅各項(xiàng)指標(biāo)值以及2010年再生銅市場(chǎng)份額(R=38.5%)作為基準(zhǔn)方案，計(jì)算得到銅冶煉行業(yè)達(dá)到“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)時(shí)的綜合削減幅度為27.8%，詳見表3。

2.3 措施評(píng)價(jià)

選取ECER指標(biāo)以評(píng)價(jià)再生銅市場(chǎng)份額(以R表示)變化時(shí)，銅冶煉行業(yè)的節(jié)能減排效果?！队猩饘佟笆濉卑l(fā)展規(guī)劃》中提出，到2015年再生銅占當(dāng)年銅產(chǎn)量的比例達(dá)到40%，以2010年再生銅市場(chǎng)份額R=38.5%作為基準(zhǔn)方案，計(jì)算得到行業(yè)目標(biāo)R=40%(方案二)的ECER的削減幅度，與“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)要求(方案一)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果如表3所示。

由表3可知，以2010年再生銅市場(chǎng)份額(R=38.5%)作為基準(zhǔn)方案，計(jì)算得到的目標(biāo)綜合削減幅度為27.8%，而完成行業(yè)目標(biāo)(R=40%)時(shí)，相對(duì)于基準(zhǔn)方案，綜合削減幅度僅為1.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于政策目標(biāo)要求值。

只采取廢銅再生循環(huán)措施時(shí)，若要達(dá)到“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)要求，再生銅市場(chǎng)份額R按照公式(4)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為72.2%。由于原生銅與再生銅的市場(chǎng)份額是由多種因素決定的，短期內(nèi)也很難有大幅度的變化，因此銅冶煉行業(yè)若要達(dá)到“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)，還應(yīng)加強(qiáng)清潔生產(chǎn)、技術(shù)改造等其他措施的實(shí)施力度。

(4)

式(4)中，R表示再生銅市場(chǎng)份額；Epr表示R=0時(shí)，ECER值；Ere表示R=100%時(shí)，ECER值；E'表示達(dá)到“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)時(shí)ECER值。

表3 生產(chǎn)1 t精煉銅的生命周期節(jié)能減排指標(biāo)值Table 3 ECER indicator for 1 t refined copper

3 討 論(Discussion)

生命周期節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(ECER)涵蓋產(chǎn)品生命周期多個(gè)過程、包含涵蓋了初級(jí)能耗、工業(yè)用水量、CO2、SO2、COD、NOx、氨氮指標(biāo)，評(píng)價(jià)過程基本避免了人為主觀意見，最終可得出量化的單一綜合指標(biāo)和明確的評(píng)價(jià)結(jié)論，適用于各種產(chǎn)品和方案措施的節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)。選取ECER指標(biāo)計(jì)算得到的再生銅的生命周期環(huán)境影響小于原生銅的生命周期環(huán)境影響，因此廢銅的再生循環(huán)有利于節(jié)能減排政策目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)加強(qiáng)銅再生循環(huán)利用。

基于ECER指標(biāo)，可以計(jì)算得出產(chǎn)品目標(biāo)綜合削減幅度，從而可以衡量各種方案措施的有效程度。以2010年再生銅市場(chǎng)份額(R=38.5%)作為基準(zhǔn)方案，計(jì)算得到的目標(biāo)綜合削減幅度為27.8%。再生銅市場(chǎng)份額由2010年的38.5%提升至《有色金屬“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中要求的40%時(shí)，其目標(biāo)綜合削減率為1.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于27.8%，其節(jié)能減排效果并不顯著。只采取廢銅再生循環(huán)措施時(shí)，若要達(dá)到“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)要求，再生銅市場(chǎng)份額應(yīng)為72.2%。因此，銅冶煉行業(yè)若要達(dá)到“十二五”節(jié)能減排政策目標(biāo)，還應(yīng)加強(qiáng)清潔生產(chǎn)、技術(shù)改造等其他措施的實(shí)施力度。

本文方法可用于計(jì)算各種行業(yè)的節(jié)能減排目標(biāo)綜合削減幅度，從而幫助判斷各種改進(jìn)方案和措施是否足以達(dá)到節(jié)能減排宏觀政策目標(biāo)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錄用日期：2014-09-04

1673-5897(2014)4-737-07

： X171.5

： A

王洪濤(1970—)，男，副教授，主要從事生命周期評(píng)價(jià)(LCA)基礎(chǔ)理論，數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用研究。

樊歡歡(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)與生命周期管理，E-mail: fanhuan26@gmail.com

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

10.7524/AJE.1673-5897.20140514008

樊歡歡，王洪濤，謝阿弟, 等. 精煉銅行業(yè)的生命周期節(jié)能減排目標(biāo)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2014, 9(4): 737-743

Fan H H, Wang H T, Xie A D, et al. Life cycle energy conservation and emission reduction targets assessment of refined copper industry [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(4): 737-743 (in Chinese)