工業(yè)固廢活化鉀長(zhǎng)石-CO2礦化提鉀的生命周期碳排放與成本評(píng)價(jià)

莫淳，廖文杰，梁斌,，李春，岳海榮，謝和平

?

工業(yè)固廢活化鉀長(zhǎng)石-CO2礦化提鉀的生命周期碳排放與成本評(píng)價(jià)

莫淳1，廖文杰2，梁斌1,2，李春1，岳海榮1，謝和平2

（1四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065；2四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院，四川成都 610065）

利用工業(yè)固廢活化非水溶性鉀長(zhǎng)石礦，礦化固定二氧化碳（CO2）并提鉀工藝，是同時(shí)處理工業(yè)固廢、開發(fā)鉀資源、減排CO2等一舉多得的CCUS路線。采用生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法，以生產(chǎn)含1 t K2O的鉀肥為功能單元，以傳統(tǒng)的高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝作為參照，對(duì)比評(píng)價(jià)了兩種鉀長(zhǎng)石-工業(yè)固廢體系礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝過程的碳減排潛力和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)工藝從原料開采、運(yùn)輸?shù)疆a(chǎn)品生產(chǎn)的生命周期的溫室氣體排放量（簡(jiǎn)稱“碳排放”）和成本進(jìn)行了全流程的核算，研究了更全面的產(chǎn)品碳排放和成本分配方法。結(jié)果表明，無論是碳排放還是經(jīng)濟(jì)性，鉀長(zhǎng)石-工業(yè)固廢體系礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝均較傳統(tǒng)工藝有很大提高，碳減排潛力分別可達(dá)81.16%和20.48%左右，成本可節(jié)約34.75%和45.11%左右。

生命周期評(píng)價(jià)；鉀長(zhǎng)石；溫室氣體；二氧化碳捕集；廢物處理

引 言

CO2、CH4、N2O等溫室氣體（greenhouse gas，GHG）的排放（簡(jiǎn)稱“碳排放”）已經(jīng)對(duì)人類社會(huì)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了巨大的威脅[1-3]，CO2捕集利用封存（carbon capture，utilization，and storage，CCUS）已經(jīng)成為CO2末端減排的重要技術(shù)手段[4]。另一方面，中國(guó)社會(huì)發(fā)展還處于重化工業(yè)時(shí)期，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)[5]：2014年全國(guó)工業(yè)固體廢物排放總量達(dá)32.56×108t，而綜合利用率僅62.75%，所以如何處理工業(yè)固廢已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)的難題之一。

鉀是保證農(nóng)作物豐產(chǎn)的3大營(yíng)養(yǎng)元素之一，目前商業(yè)開采的鉀資源主要是水溶性鉀資源，如含鉀鹽湖等[6]，我國(guó)可供開采的水溶性鉀資源十分有限，已探明的約2.1×108t，占世界水溶性鉀資源的2.2%。但我國(guó)鉀長(zhǎng)石資源豐富，可開采儲(chǔ)量超過200×108t，至少能滿足中國(guó)100年的鉀肥需求，是一種有意義的戰(zhàn)略儲(chǔ)備[7]。目前鉀長(zhǎng)石資源還沒有得到利用，鉀長(zhǎng)石中的鉀是非水溶性的，傳統(tǒng)工藝中需要高溫（1400～1600℃）煅燒后才能從中制備鉀肥，能耗、碳排放和成本都很高，還達(dá)不到商業(yè)利用要求[8]。

四川大學(xué)[9-12]研發(fā)了一種以鉀長(zhǎng)石提鉀、處理工業(yè)固廢并礦化CO2的新CCUS工藝。以工業(yè)固廢（濕法磷酸產(chǎn)生的磷石膏或氨堿法工藝產(chǎn)生的氯化鈣）為助劑活化鉀長(zhǎng)石礦物并聯(lián)產(chǎn)硫酸等，活化礦物經(jīng)提鉀后可用于礦化固定CO2,，礦化廢渣可用作建材原料，是一個(gè)一舉多得的碳減排路線。

新工藝的生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment，LCA）是CCUS工藝工業(yè)化應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，要求對(duì)從原材料開采、運(yùn)輸、產(chǎn)品生產(chǎn)、使用、循環(huán)回收到最終廢棄的整個(gè)生命周期中產(chǎn)生的碳排放等進(jìn)行評(píng)估[13-16]，內(nèi)容包括目標(biāo)與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋[17]。已有相關(guān)LCA報(bào)道包括對(duì)MEA吸收CO2的燃煤電廠二氧化碳捕捉封存（carbon capture and storage，CCS)[18]和電廠煙氣CO2礦化蛇紋石工藝[19]等的系統(tǒng)評(píng)價(jià)，這些評(píng)價(jià)過程所涉及一個(gè)重要的碳排放分配原則都還存在很多問題。

本文將基于鉀長(zhǎng)石-工業(yè)固廢體系礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥這一新工藝，進(jìn)行生命周期碳排放和成本評(píng)價(jià)。以我國(guó)的上游原料與能源生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究產(chǎn)品碳排放分配原則，通過新工藝與傳統(tǒng)技術(shù)的LCA結(jié)果比較，分析鉀長(zhǎng)石礦化CO2提鉀新CCUS路線的碳減排潛力。

圖1 高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝

1 研究方法

1.1 工藝路線描述

目前，報(bào)道的以鉀長(zhǎng)石為原料生產(chǎn)鉀肥的方法包括酸分解法[20]、水熱法[21-22]、微生物分解法[23]和熱活化法[9,24]。真正工業(yè)化示范的方法只有以熱活化法為基礎(chǔ)的高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制水溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝的鉀長(zhǎng)石綜合利用方法[25]。

（1）高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝[25-28]

該工藝（即工藝A）自20世紀(jì)80年代在我國(guó)山西省聞喜縣投入過工業(yè)化生產(chǎn)，其流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。原料鉀長(zhǎng)石、石灰石、焦炭等被破碎到30～50 mm，按一定比例送入高爐內(nèi)。1500℃高溫下生成含K2CO3和KHCO3的鉀鹽灰，被氣體帶出并降溫后隨煤灰等一并收集，隨后經(jīng)過溶解、過濾和蒸發(fā)得到主產(chǎn)品鉀肥。而在爐缸內(nèi)形成的熔渣，由出渣口排出經(jīng)水淬得水渣，用作白水泥的生產(chǎn)原料。以生產(chǎn)1 t K2O計(jì)，消耗鉀長(zhǎng)石11.19 t、焦炭10.54 t、石灰石17.77 t。

（2）工業(yè)固廢活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝

氯化鈣固廢活化（鉀長(zhǎng)石-氯化鈣)工藝[9,11]（即工藝B）流程簡(jiǎn)圖如圖2所示，鉀長(zhǎng)石與氯化鈣經(jīng)破碎后按一定比例投入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，900℃下煅燒產(chǎn)生的熟料經(jīng)過CO2礦化提鉀反應(yīng)得到提鉀液與提鉀渣，提鉀液經(jīng)過五效蒸發(fā)得到主產(chǎn)品氯化鉀，和含有少量氯化鉀的氯化鈣返料重新投入回轉(zhuǎn)窯。而提鉀渣則用作水泥生產(chǎn)的原料，煅燒尾氣用作鹽酸生產(chǎn)的原料氣。以生產(chǎn)1 t K2O計(jì)，消耗鉀長(zhǎng)石10.83 t、二水氯化鈣7.09 t、燃煤1.37 t，礦化CO21.11 t。

石膏固廢碳還原（鉀長(zhǎng)石-磷石膏-碳還原）工藝[12,24]（即工藝C）流程簡(jiǎn)圖如圖3所示，鉀長(zhǎng)石、磷石膏、焦炭經(jīng)破碎后按一定比例混合，經(jīng)過兩次造粒后投入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，1150℃下煅燒產(chǎn)生的熟料經(jīng)過CO2礦化提鉀反應(yīng)得到提鉀液與提鉀渣，提鉀液經(jīng)過五效蒸發(fā)得到主產(chǎn)品硫酸鉀，和含有少量硫酸鉀的磷石膏用作返料。同樣提鉀渣用作水泥生產(chǎn)的原料，煅燒尾氣用作濃硫酸生產(chǎn)的原料氣。以生產(chǎn)1 t K2O計(jì)，消耗鉀長(zhǎng)石9.96 t、磷石膏24.84 t、焦炭2.75 t、燃煤1.99 t，礦化CO22.36 t。

圖2 氯化鈣固廢活化（鉀長(zhǎng)石-氯化鈣)工藝

圖3 石膏固廢碳還原(鉀長(zhǎng)石-磷石膏-碳還原)工藝

1.2 目標(biāo)與范圍確定

本文的研究目標(biāo)以高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝為基準(zhǔn)，綜合比較工業(yè)固廢活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝的生命周期碳排放與成本。

在范圍定義中要量化描述產(chǎn)品及其技術(shù)提供的作用（即“功能單元”）。上述3種工藝最終產(chǎn)品不相同，高爐冶煉鉀長(zhǎng)石工藝主產(chǎn)品為K2CO3，鉀長(zhǎng)石-氯化鈣工藝為KCl，鉀長(zhǎng)石-磷石膏-碳還原工藝為K2SO4?？紤]到3種工藝的主要作用為化肥生產(chǎn)，選擇K2O為基準(zhǔn)流，功能單元定義為含1 t K2O的鉀肥（依據(jù)鉀元素守恒進(jìn)行換算，即1.585 t 氯化鉀肥、1.832 t硫酸鉀肥、1.468 t 碳酸鉀肥）。在范圍定義中也要陳述研究中實(shí)際包含的原料投入或過程（即“系統(tǒng)邊界”）。本文在單元過程數(shù)據(jù)收集時(shí)忽略總投入小于1%的物料與能源投入（但總共忽略的不超過總投入的5%），將原料開采與運(yùn)輸、焙燒活化、礦化提鉀、尾氣制酸、提純制肥（鉀肥車間）、水泥車間等過程都納入鉀肥生產(chǎn)的產(chǎn)品系統(tǒng)邊界內(nèi)（圖4），不考慮鉀肥使用階段的碳排放，開展“從搖籃到廠門（cradle-to-gate）”的分析。

圖4 鉀長(zhǎng)石提鉀工藝生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界

1.3 清單分析

新型鉀長(zhǎng)石利用工藝清單數(shù)據(jù)中的物料與能源投入是在中試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工業(yè)規(guī)模放大后經(jīng)物料衡算和熱量衡算所得

(2)

(3)

式（1）～式（3）分別表示第個(gè)單元過程關(guān)于物質(zhì)的物料衡算、熱量衡算以及電力消耗；其中和所涉及的反應(yīng)是按中試試驗(yàn)的參數(shù)（例如溫度、壓力、反應(yīng)配比等）進(jìn)行計(jì)算獲得；q表示過程的散熱，其與工業(yè)規(guī)模有關(guān)，工業(yè)規(guī)模越大，單位產(chǎn)量的散熱量越小，其具體計(jì)算可以參見《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[29]；表示工業(yè)規(guī)模放大系數(shù)；e表示中試規(guī)模第個(gè)單元過程電力消耗。

物料與能源投入的上游生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自中國(guó)生命周期核心數(shù)據(jù)庫(kù)（CLCD-China v0.8）[30]、國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)ecoinvent v2.2[31]和部分文獻(xiàn)（即中國(guó)能源網(wǎng)絡(luò)）[32-33]。由于原料氯化鈣和磷石膏是上游工業(yè)過程的廢物，所以在利用其與鉀資源生產(chǎn)鉀肥時(shí)，應(yīng)考慮避免固廢處理所造成的碳排放作為碳減排收益（表1）[30]。運(yùn)輸方式以鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸為例（表2），其中鉀長(zhǎng)石為就地取材，氯化鈣、磷石膏為實(shí)際運(yùn)輸距離，煤的運(yùn)輸距離以全國(guó)平均運(yùn)輸距離為例（煤的平均鐵路運(yùn)距和貨物平均公路運(yùn) 距）[5]。主要投入的碳排放系數(shù)來源于文獻(xiàn)[30-33]（表3）。

表1 原料的固廢處理碳排放收益

表2 主要原料平均運(yùn)輸距離

表3 主要物質(zhì)能源投入碳排放系數(shù)

1.4 生命周期碳排放評(píng)價(jià)

3種工藝系統(tǒng)均包含主產(chǎn)品（鉀肥）和副產(chǎn)品（濃鹽酸、濃硫酸、水泥），需要采用一定的原則在多產(chǎn)品之間分配碳排放才能得到代表含1 t K2O鉀肥生產(chǎn)的碳排放。如圖1、圖2和圖3所示，被某彩色線所占據(jù)的單元過程將會(huì)被該彩色線所代表的產(chǎn)品所分配。本文采用過程替代法來對(duì)此3種工藝進(jìn)行分配。所謂過程替代法即為由擴(kuò)展系統(tǒng)邊界后的系統(tǒng)（1 kg主產(chǎn)品加上對(duì)應(yīng)的副產(chǎn)品）所造成的碳排放減去采用市場(chǎng)典型（或平均）技術(shù)生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的副產(chǎn)品所造成的碳排放，從而得到生產(chǎn)1 kg主產(chǎn)品所造成的碳排放。

3種副產(chǎn)品中，濃鹽酸主要產(chǎn)自電解食鹽水工藝，濃硫酸產(chǎn)自磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝，而水泥則產(chǎn)自普通硅酸鹽水泥工藝。電解食鹽水工藝以原鹽或鹵水為原料，經(jīng)過鹽水精制后電解產(chǎn)生氯氣和氫氣，然后燃燒產(chǎn)生的氯化氫氣體經(jīng)過冷卻吸收制成鹽酸；磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝中，磷石膏和一定量黏土和焦炭搭配投入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，在1400℃煅燒產(chǎn)生的熟料用于水泥生產(chǎn)，而尾氣則經(jīng)過凈化和兩轉(zhuǎn)兩吸制得硫酸，基本上每生產(chǎn)1 t硫酸（以100% H2SO4計(jì)）就聯(lián)產(chǎn)1.5 t水泥[34]。各種主副產(chǎn)品的生命周期碳排放的計(jì)算公式如下

(5)

(6)

式中，表示單位產(chǎn)品或者該工藝過程的碳排放；m表示該工藝過程聯(lián)產(chǎn)的水泥量；表示氯化鈣活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝聯(lián)產(chǎn)濃鹽酸量；表示磷石膏活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝聯(lián)產(chǎn)濃硫酸量；下角標(biāo)1～4分別表示高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝，氯化鈣活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝，磷石膏活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝和磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝。

本文所涉及的3種副產(chǎn)品的碳排放系數(shù)見表4[30,34]。

1.5 生命周期成本評(píng)價(jià)

生命周期成本分析（life cycle costing，LCC）涵蓋整個(gè)生命周期內(nèi)的建造、運(yùn)行、維護(hù)等成本[35]，可分為內(nèi)部資源投入費(fèi)用（包括原料、能源、人力、設(shè)備費(fèi)用等）和外部環(huán)境費(fèi)用（由于各種污染物排放所帶來的環(huán)境稅）[13]，并將所有現(xiàn)金流通過通貨膨脹率統(tǒng)一折現(xiàn)為初始年度的現(xiàn)值進(jìn)行分析比較[35-37]。本文進(jìn)行生命周期成本分析時(shí)采用與生命周期碳排放分析一樣的系統(tǒng)邊界和功能單元[38]。

在進(jìn)行成本評(píng)價(jià)時(shí)，本文做了如下假設(shè)：（1）單位鉀產(chǎn)品的人力資源投入相同，在內(nèi)部資源投入費(fèi)用中可略去人力費(fèi)用，這將不影響比較評(píng)價(jià)的結(jié)論；（2）設(shè)備費(fèi)用按設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間以折舊費(fèi)的形式分到產(chǎn)品上，但本文中設(shè)備折舊費(fèi)占生命周期成本不足1%，故忽略之；（3）本文中外部環(huán)境費(fèi)用只計(jì)算由于碳排放所帶來的環(huán)境稅，而平均碳交易單價(jià)則是根據(jù)近一年（2015.6～2016.6）的碳交易單價(jià)和碳交易額計(jì)算所得（即21.918 元/噸）[39]。

2 結(jié)果與討論

2.1 生命周期碳排放

圖5所示為3種工藝替代前后的生命周期碳排放。其中，替代前后碳排放最高的均是高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝（即工藝A），其次是磷石膏活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝（即工藝C），最低的是氯化鈣活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝（即工藝B），這與碳排放份額最大的焙燒活化過程的焙燒溫度有著正相關(guān)的關(guān)系。相比于工藝A，工藝B和C在替代前分別具有76.66%和29.44%的碳減排潛力，替代后分別具有81.16%和20.48%的碳減排潛力，這一較大差異可能直接影響新型工藝技術(shù)的工業(yè)化推廣，所以在進(jìn)行碳排放評(píng)價(jià)時(shí)，一個(gè)合理的多產(chǎn)品系統(tǒng)的分配方案是必不可少的。

表4 副產(chǎn)品的碳排放系數(shù)

就碳減排潛力而言，氯化鈣體系（工藝B）明顯優(yōu)于磷石膏體系（工藝C）。不過，就固廢處理的迫切性而言，卻出現(xiàn)不同考慮。目前我國(guó)磷石膏堆積量估計(jì)超過5×108t，2010年磷石膏年排放量達(dá)到7000～8000 t，而利用率僅10%～20%，初步估計(jì)到2020年磷石膏堆積量將超過10×108t[40]；而目前國(guó)內(nèi)以氨堿法生產(chǎn)純堿的規(guī)模已達(dá)到500×104t·a-1，按生產(chǎn)1 t純堿排放近8 t氯化鈣廢液（約10%濃度）[41-42]計(jì)算，目前氯化鈣的排放量約為400 t·a-1。所以考慮固廢處理的迫切性，磷石膏體系（工藝C）的工業(yè)應(yīng)用前景應(yīng)該優(yōu)于氯化鈣體系（工藝B）。

圖5 3種工藝的生命周期碳排放（未替代與替代后）

A—system for producing potash fertilizer and white cement by smelting K-feldspar in blast furnace; B—system of K-feldspar and calcium chloride; C—system of K-feldspar and phosphor-gypsum

由圖5可知，在鉀轉(zhuǎn)化率基本都保持較高水平時(shí)，原料投入過程的碳排放工藝B優(yōu)于工藝C，工藝C又優(yōu)于工藝A，相比于工藝A，在原料投入過程工藝B與工藝C分別能減排91.36%和37.38%，這與工藝采用的生產(chǎn)原料有很大關(guān)系。氯化鈣來自氨堿法制純堿工藝的廢渣，磷石膏來自濕法磷酸工藝的廢渣，以工藝B或C進(jìn)行處理時(shí)能夠抵消其按常規(guī)固廢處理方式所帶來的碳排放；雖然礦化提鉀過程的碳減排潛力對(duì)鉀肥生命周期碳排放而言很?。ǎ?.55%），但結(jié)合礦化提鉀過程的碳排放（圖6）可知，工藝B和C的焙燒渣都具有較高固碳潛力（分別占工藝B和C生命周期碳排放的9.69%和6.81%）。

圖6 礦化提鉀過程碳排放

B—system of K-feldspar and calcium chloride; C—system of K-feldspar and phosphor-gypsum

①net GHG emissionsGHG embodied in process inputs-CO2treatd by process

2.2 生命周期成本

圖7所示為3種工藝中各種成本（即原料投入費(fèi)用、能源投入費(fèi)用、外部環(huán)境費(fèi)用）對(duì)生命周期成本的貢獻(xiàn)。3種工藝中，原料投入部分均占了生命周期成本的一半之多，如何在保證提鉀的同時(shí)減少原料消耗成為降低成本的關(guān)鍵，主要對(duì)策包括進(jìn)一步優(yōu)化工藝提高鉀轉(zhuǎn)化率或者副產(chǎn)品的收率。另外，作為3種鉀資源利用技術(shù)理論基礎(chǔ)的熱活化過程，其能源消耗也是生命周期成本不容小覷的一部分（占比均達(dá)40%以上），優(yōu)化煅燒技術(shù)、提高熱量回收成為降低這部分成本的關(guān)鍵。

圖7 3種工藝的生命周期成本

A—system for producing potash fertilizer and white cement by smelting K-feldspar in blast furnace; B—system of K-feldspar and calcium chloride; C—system of K-feldspar and phosphorgypsum

圖8所示為以3種工藝生產(chǎn)含1 t K2O鉀肥為功能單元，采用過程替代法后的生命周期成本。相比于傳統(tǒng)工藝A，新工藝B和C分別可以節(jié)約成本約34.75%和45.11%。圖7與圖8給出的變化趨勢(shì)不同的主要原因是：雖然工藝B能副產(chǎn)大量濃鹽酸，但由于國(guó)內(nèi)鹽酸市場(chǎng)產(chǎn)能依舊過剩，價(jià)格仍然處于低位水平（150 元/噸），產(chǎn)品有的多為自用，副產(chǎn)酸價(jià)格則更低（50元/噸），所以導(dǎo)致將近80%的成本被分配到氯化鉀產(chǎn)品上；與之不同的是，工藝A和C所分別副產(chǎn)的濃硫酸（426元/噸）和水泥（250元/噸）則價(jià)格較高。

圖8 不同鉀肥的生命周期成本（過程替代后）

3 結(jié) 論

本文基于產(chǎn)品生命周期概念，以生產(chǎn)含1t K2O的鉀肥為功能單元，采用LCA方法對(duì)比評(píng)價(jià)了兩種新型鉀長(zhǎng)石-工業(yè)固廢體系礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝與傳統(tǒng)高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝的碳排放和成本，得到以下結(jié)論：

（1）新型鉀長(zhǎng)石提鉀并處理工業(yè)固廢工藝生命周期碳排放明顯低于傳統(tǒng)高爐冶煉工藝，碳減排潛力可達(dá)81.16%和20.48%左右；

（2）新型鉀長(zhǎng)石提鉀并處理工業(yè)固廢工藝生命周期成本也要低于傳統(tǒng)高爐冶煉工藝，可以節(jié)約成本34.75%和45.11%左右；

（3）鉀長(zhǎng)石-工業(yè)固廢體系礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝兼具鉀肥生產(chǎn)、碳減排和固廢利用功能，工業(yè)應(yīng)用前景良好。

本文涉及的兩種新型工藝還處于實(shí)驗(yàn)室、小試向中試推進(jìn)的狀態(tài)，有些數(shù)據(jù)是在優(yōu)化過程操作條件下通過物料和熱量衡算所得，有些采用處于全國(guó)乃至全球典型水平的技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了近似替代，所以將來如果能在中試乃至建廠投產(chǎn)時(shí)收集更具技術(shù)代表性的數(shù)據(jù)，將提高數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)而增加評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

符 號(hào) 說 明

,，——單位質(zhì)量鉀肥碳排放，kg CO2eq·kg-1 C1，C2，C3，C4——某種工藝生命周期碳排放量，kg CO2eq·kg-1 C硫酸——磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝硫酸生產(chǎn)碳排放，kg CO2eq·kg-1 C水泥——普通硅酸鹽水泥工藝水泥碳排放，kg CO2eq·kg-1 C鹽酸——電解食鹽水工藝鹽酸生產(chǎn)碳排放，kg CO2eq·kg-1 ej，Ej——分別為工藝放大前后耗電量，kW·h mj,i,in，mj,i,out——分別為某單元過程進(jìn)出口質(zhì)量，kg m1，m2，m3，m4——某種工藝聯(lián)產(chǎn)水泥量，kg·kg-1 ——工藝2聯(lián)產(chǎn)濃鹽酸量，kg·kg-1 ——工藝3聯(lián)產(chǎn)濃硫酸量，kg·kg-1 Qj,in，Qj,out——分別為某單元過程進(jìn)出口含熱量，kJ qj——某單元過程散熱量，kJ ξ——工業(yè)規(guī)模放大系數(shù) 下角標(biāo) i——物質(zhì)種類 j——單元過程 1——高爐冶煉鉀長(zhǎng)石制可溶性鉀肥并聯(lián)產(chǎn)白水泥工藝 2——氯化鈣活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝 3——磷石膏活化鉀長(zhǎng)石提鉀-礦化CO2聯(lián)產(chǎn)鉀肥工藝 4——磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥工藝

References

[1] LI H N, WEI Y M, MI Z F. China’s carbon flow: 2008—2012 [J]. Energy Policy, 2015, 80: 45-53.

[2] MING Z, OUYANG S J, ZHANG Y J,. CCS technology development in China: Status, problems and countermeasures—based on SWOT analysis [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 39: 604-616.

[3] ALLEN S K, PLATTNER G, NAUELS A,. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. An Overview of the Working Group 1 Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [M]. 2007.

[4] MARCIUS E, BUNJE P. CCUS: Utilizing CO2to reduce emissions [J]. Chemical Engineering Progress, 2016, 112 (6): 52-59.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局. 中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒-2016 [M]. 北京: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2016. National Bureau of Statistics of China. China Statistical Yearbook-2016 [M]. Beijing: China Statistics Press, 2016.

[6] 馬鴻文, 蘇雙青, 劉浩, 等. 中國(guó)鉀資源與鉀鹽工業(yè)可持續(xù)發(fā)展 [J]. 地學(xué)前緣, 2010, 17 (1): 294-310.MA H W, SU S Q, LIU H,. Potassium resource and sustainable development of potash salt industry in China [J]. Earth Science Frontiers, 2010, 17 (1): 294-310.

[7] 王萬金, 白志民, 馬鴻文. 利用不溶性鉀礦提鉀的研究現(xiàn)狀及展望 [J]. 地質(zhì)科技情報(bào), 1996, 15 (3): 60-64. WANG W J, BAI Z M, MA H W. Developments and prospects of extracting potash from insoluble potash ores [J]. Geological Science and Technology Information, 1996, 15 (3): 60-64.

[8] YUAN B, LI C, LIANG B,. Evaluation for the process of mineralization of CO2using natural K-feldspar and phosphogypsum to produce sulfate potassium [J]. Journal of Sichuan University, 2014, 46 (3): 168-174.

[9] YE L P, YUE H R, WANG Y F,. CO2mineralization of activated K-feldspar + CaCl2slag to fix carbon and produce soluble potash salt [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53 (26): 10557-10565.

[10] SHANGGUAN W J, SONG J M, YUE H R,. An efficient milling-assisted technology for K-feldspar processing, industrial waste treatment and CO2mineralization [J]. Chemical Engineering Journal, 2016, 292: 255-263.

[11] YUAN B, LI C, LIANG B,. Extraction of potassium from K-feldsparthe CaCl2calcination route [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2015, 23 (9): 1557-1564.

[12] GAN Z X, CUI Z, YUE H R,. An efficient methodology for utilization of K-feldspar and phosphogypsum with reduced energy consumption and CO2emissions [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2016, 24 (11): 1541-1551.

[13] 束慶, 張旭. 生命周期評(píng)價(jià)和生命周期成本分析的整合方法研究 [J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2003, (4): 81-86. SHU Q, ZHANG X. Study on the way to integrate life cycle assessment and life cycle cost analysis [J]. Tongji University Journal (Social Science Section), 2003, (4): 81-86.

[14] 喬玉棟, 高鑫, 李洪, 等. 泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的全生命周期成本評(píng)價(jià) [J]. 化工學(xué)報(bào), 2016, 67 (8): 3459-3467.QIAO Y D, GAO X, LI H,. Life cycle cost evaluation of structured corrugation SiC-foam packing [J]. CIESC Journal, 2016, 67 (8): 3459-3467.

[15] 錢宇, 楊思宇, 賈小平, 等. 能源和化工系統(tǒng)的全生命周期評(píng)價(jià)和可持續(xù)性研究 [J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64 (1): 133-147.QIAN Y, YANG S Y, JIA X P,. Life cycle assessment and sustainability of energy and chemical processes [J]. CIESC Journal, 2013, 64 (1): 133-147.

[16] 黃智賢, 錢宇. 生命周期成本分析及其應(yīng)用研究 [J]. 化工進(jìn)展, 2007, 26 (8): 1186-1191. HUANG Z X, QIAN Y. Life cycle cost analysis and its application [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2007, 26 (8): 1186-1191.

[17] FINKBEINER M, INABA A, TAN R,. The new international standards for life cycle assessment: ISO 14040 and ISO 14044 [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2006, 11 (2): 80-85.

[18] 王云, 趙永椿, 張軍營(yíng), 等. 燃煤電廠醇胺化學(xué)吸收法捕集和封存CO2全生命周期碳排放分析 [J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2011, 31 (5): 362-368.WANG Y, ZHAO Y C, ZHANG J Y,.Life cycle carbon emission assessment for a coal-fired power plant using MEA CO2capture and storage technology [J].Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31 (5): 362-368.

[19] ROMAO I, NDUAGU E, FAGERLUND J,. CO2fixation using magnesium silicate minerals (Ⅱ): Energy efficiency and integration with iron-and steelmaking [J]. Energy, 2012, 41 (1): 203-211.

[20] 蘭方青, 曠戈. 鉀長(zhǎng)石-螢石-硫酸-氟硅酸體系提鉀工藝研究 [J]. 化工生產(chǎn)與技術(shù), 2011, 18 (1): 19-21. LAN F Q, KUANG G. The study on extracting potassium process of potash feldspar-fluorite-sulphuric acid-fluosilicic acid system [J]. Chemical Production and Technology, 2011, 18 (1): 19-21.

[21] 聶軼苗, 馬鴻文, 劉賀, 等. 水熱條件下鉀長(zhǎng)石的分解反應(yīng)機(jī)理 [J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2006, 34 (7): 846-850.NIE Y M, MA H W, LIU H,. Reactive mechanism of potassium feldspar dissolution under hydrothermal condition [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2006, 34 (7): 846-850.

[22] 邱美婭. 動(dòng)態(tài)水熱法分解鉀長(zhǎng)石制備雪硅鈣石的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 2005. QIU M Y. Synthesis of tobermorite by dynamical decomposing potassium feldspar: an experimental study [D]. Beijing: China University of Geosciences, 2005.

[23] 池景良, 葛英華. 硅酸鹽細(xì)菌解鉀活性的研究 [J]. 微生物學(xué)雜志, 1999, 19 (2): 43-51. CHI J L, GE Y H. Study on potassium releasing activity of silicate bacteria [J]. Journal of Microbiology, 1999, 19 (2): 43-51.

[24] WANG C, YUE H R, LI C,. Mineralization of CO2using natural K-feldspar and industrial solid waste to produce soluble potassium [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53 (19): 7971-7978.

[25] 任志學(xué). 高爐冶煉鉀長(zhǎng)石回收鉀鹽聯(lián)產(chǎn)石膏熔渣白色水泥總結(jié) [J]. 化肥工業(yè), 1986, (3): 24-30. REN Z X. Summary of the technology for producing Potassium salt and white cement by smelting K-feldspar in blast furnace [J].Chemical Fertilizer Industry, 1986, (3): 24-30.

[26] 郭峰, 袁孝惇. 高爐冶煉鉀長(zhǎng)石適宜的操作制度 [J]. 化肥工業(yè), 1986, (4): 29-33. GUO F, YUAN X D. Appropriate operating system of smelting K-feldspar in blast furnace [J]. Chemical Fertilizer Industry, 1986, (4): 29-33.

[27] 劉光龍, 楊國(guó)蘭, 任志學(xué). 鉀長(zhǎng)石制碳酸鉀聯(lián)產(chǎn)白色熔融水泥 [J]. 無機(jī)鹽工業(yè), 1988, (1): 15-19.LIU G L, YANG G L, REN Z X. Potash feldspar production of potassium carbonate and white fused cement [J]. Inorganic Chemicals Industry, 1988, (1): 15-19.

[28] 孫保金. 高爐冶煉鉀長(zhǎng)石回收鉀鹽的利用 [J]. 化肥工業(yè), 1987, (4): 56-59. SUN B J. Recovery of potassium salt by smelting K-feldspar in blast furnace [J]. Chemical Fertilizer Industry, 1987, (4): 56-59.

[29] 中國(guó)石化集團(tuán). 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009. Sinopec Group. Chemical Process Design Manual [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2009.

[30] 四川大學(xué)與億科環(huán)境. CLCD數(shù)據(jù)庫(kù)v0.8[EB/OL]. [2016-10-31]. http://www.ike-global.com. Sichuan University and IKE Environmental Technology Co., Ltd. CLCD database v0.8[EB/OL]. [2016-10-31]. http://www.ike-global.com.

[31] Swiss Centre of Life Cycle Inventories. Ecoinvent database v.2.2[EB/OL]. [2016-10-31]. http://ecoinvent.org.

[32] 付子航. 煤制天然氣碳排放全生命周期分析及橫向比較 [J]. 天然氣工業(yè), 2010, 30 (9): 100-104. FU Z H. Life cycle assessment of carbon emission from synthetic natural gas (SNG) and its horizontal comparison analysis [J]. Natural Gas Industry, 2010, 30 (9):100-104.

[33] 張克舫. 醇胺吸收法燃煤電廠CO2捕集系統(tǒng)能量分析及優(yōu)化[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2015. ZHANG K F. Energy analysis and optimization of MEA-absorption CO2capture systems for coal-fired power plants [D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2015.

[34] 丁竑廣, 丁汝斌, 楊興志, 等. 磷石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥仍是其綜合利用的有效途徑 [J]. 硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程, 2011, (1): 1-6. DING H G, DING R B, YANG X Z,. Phosphogypsum production of sulfuric acid and cement [J]. Sulphur Phosphorus & Bulk Materials Handling Related Engineering, 2011, (1): 1-6.

[35] 徐齊勝, 殷立寶, 馬曉茜,等. 燃煤電站工業(yè)污泥摻燒技術(shù)的全生命周期費(fèi)用(LCC)分析 [J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2016, 10 (2): 858-866.XU Q S,YIN L B,MA X Q,. Whole life cycle cost (LCC) analysis of sludge-coal co-combustion technology in coal-fired power plant [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10 (2): 858-866.

[36] SMIT M C. A north atlantic treaty organisation framework for life cycle costing [J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2012, 25 (4): 444-456.

[37] HOCHSCHORNER E, NORING M. Practitioners’ use of life cycle costing with environmental costs—a Swedish study [J]. International Journal of Life Cycle Assessment, 2011, 16 (9): 897-902.

[38] CIROTH A, HUPPES G, KL?PFFER W,. Environmental Life Cycle Costing [M]. SETAC, CRC Press, 2008.

[39] 中科華碳信息技術(shù)研究院. 中國(guó)碳排放交易[EB/OL]. [2016-6-20]. http://www.tanpaifang.com. Kelong Carbon Information Technology Research Institute. China’s carbon emissions trading [EB/OL]. [2016-6-20]. http://www.tanpaifang.com.

[40] 晏明朗. 濕法磷酸聯(lián)產(chǎn)白石膏的方法 [J]. 磷肥與復(fù)肥, 2016, 31 (5): 29-32. YAN M L. Co-production of WPA and opal paste [J]. Phosphate & Compound Fertilizer, 2016, 31 (5):29-32.

[41] 任必銳. 利用純堿廢液獲得的高鈣鹵水制備氯化鈣產(chǎn)品研究[J]. 中國(guó)井礦鹽, 2014, 45 (6): 15-16.REN B R. Study of calcium chloride products preparation with high calcium brine obtained by soda ash waste [J]. China Well and Rock Salt, 2014, 45 (6): 15-16.

[42] 茅愛新. 氨堿法純堿生產(chǎn)中廢液及堿渣的綜合利用[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù), 2001, 22 (2): 31-32. MAO A X. Comprehensive utilization of waste liquid and soda dregs in soda product ion by ammonia-soda process [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2001, 22 (2): 31-32.

Life-cycle greenhouse gas emissions and cost of potassium extraction and CO2mineralizationK-feldspar—industrial solid waste calcination

MO Chun1, LIAO Wenjie2, LIANG Bin1,2, LI Chun1, YUE Hairong1, XIE Heping2

(1School of Chemical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China;2Institute of New Energy and Low-Carbon Technology, Chengdu 610065, Sichuan, China)

Using industrial solid waste to calcinate non-water-soluble natural K-feldspar for CO2mineralization and potassium extraction is a multi-functional CO2capture, utilization and storage (CCUS) technology that can treat industrial solid waste, utilize potassium resource and reduce greenhouse-gas (GHG) emissions. Life cycle assessment (LCA) was adopted based on a functional unit of the produced potash fertilizer containing 1 ton of K2O to compare two emerging technologies of simultaneous potash fertilizer production and CO2mineralization from K-feldspar and industrial solid waste (CaCl2/phosphor-gypsum) with a traditional technology of potash fertilizer and white cement coproduction by smelting K-feldspar in blast furnace in terms of GHG-reduction potential and economic feasibility. The life-cycle (from raw material exploitation to transportation to production) GHG emissions and life-cycle cost of these technologies were accounted by using an improved allocation approach that considered the credit of avoided GHG emissions/cost from industrial solid waste treatment. The results showed that the two emerging technologies were preferred to the traditional technology in terms of both life-cycle GHG emissions and economic feasibility with GHG-reduction potential of about 81.16% and 20.48%, and cost savings of up to 34.75% and 45.11%, respectively.

life cycle assessment; K-feldspar; greenhouse gas; CO2capture; waste treatment

10.11949/j.issn.0438-1157.20161754

TQ 044.3

A

0438—1157（2017）06—2501—09

梁斌。

莫淳（1992—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（21336004）。

2016-12-15收到初稿，2017-03-07收到修改稿。

2016-12-15.

Prof.LIANG Bin, liangbin@scu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21336004).