離子型稀土礦冶煉分離過程中的環(huán)境影響分析

丁 祥 王建軍 況 僑 王輝濤 張德康 肖金花

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，昆明 650093；2.云南省節(jié)能監(jiān)察中心，昆明 650200)

稀土—元素周期表中的鈧、釔以及鑭系元素，因其特殊的原子結(jié)構(gòu)、電子能級異常豐富，使其具有許多優(yōu)異的光、電、磁、核等特性。目前已被廣泛應(yīng)用于冶金、軍事、機(jī)械、電子、玻璃陶瓷等眾多領(lǐng)域[1-2]。我國作為稀土資源最為豐富的國家，其稀土產(chǎn)業(yè)已形成了以包頭混合型稀土為原料、以江西等南方七省的離子型稀土礦為原料和以四川冕寧氟碳鈰礦為原料的三大生產(chǎn)基地。近年來這三大生產(chǎn)基地在稀土開采過程中，嚴(yán)重破壞地表植被、造成水土流失和土壤污染、酸化，使得農(nóng)作物減產(chǎn)，有的甚至絕收。同時(shí)稀土在冶煉分離過程中產(chǎn)生了大量的有毒有害氣體、高濃度氨氮廢水、放射性廢渣等污染物。面對如此嚴(yán)重的環(huán)境污染和國內(nèi)外環(huán)保大趨勢，政府除了要求企業(yè)加大環(huán)保投入以外，還應(yīng)建立稀土開采和冶煉生產(chǎn)的準(zhǔn)入條件，建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，把那些在生產(chǎn)過程中環(huán)境影響不達(dá)標(biāo)的企業(yè)拒之門外。

生命周期評價(jià)(LCA)是一種產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)從原材料采集，到產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、回收、維護(hù)和最終處理整個(gè)生命周期階段有關(guān)環(huán)境負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)化方法[3-5]。目前，LCA技術(shù)在歐美日等發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用已相當(dāng)普遍，成為了環(huán)境認(rèn)證、產(chǎn)品研發(fā)與規(guī)避貿(mào)易壁壘的重要手段。我國對生命周期評價(jià)的研究主要集中在理論、方法的學(xué)習(xí)，以及對某種特定的產(chǎn)品與工藝的評價(jià)上。2017年，隨著生命周期評價(jià)被納入綠色制造系統(tǒng)集成工作申報(bào)要求中，構(gòu)建面向產(chǎn)品全生命周期的管理與評價(jià)體系，已成為創(chuàng)建綠色設(shè)計(jì)平臺(tái)、實(shí)施綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的必備條件[6-7]。

本文將運(yùn)用LCA方法研究G稀土股份有限公司(后面簡稱G公司)濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的資源環(huán)境影響，分析、評價(jià)G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品在整個(gè)生命周期過程中所涉及的資源、能源消耗及環(huán)境污染排放狀況；診斷現(xiàn)有生產(chǎn)線與濕法冶煉分離產(chǎn)品相關(guān)的資源、環(huán)境問題，尋求改善生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)與措施，提出產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)改進(jìn)的方案建議，支撐G公司開展綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工作。

1 材料與方法

本文以生產(chǎn)稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品(REO)為研究對象，采用ISO14040規(guī)定的LCA分析方法，主要包括目的和范圍的定義、清單分析、環(huán)境影響及結(jié)果解釋[8-10]。

圖1 生命周期評價(jià)基本框架Fig.1 The basic framework of life cycle assessment

1.1 目的與范圍的定義

本研究的目的是評價(jià)G公司的濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響，識別其中關(guān)鍵過程和因素，提出相應(yīng)改進(jìn)的措施。評價(jià)功能單元定義為生產(chǎn)1 t稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品(REO)，用來參照各個(gè)過程中的投入產(chǎn)出和環(huán)境影響。本研究的系統(tǒng)邊界包含G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期，系統(tǒng)邊界分為2個(gè)階段：稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)階段、稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品包裝階段。

圖2 稀土濕法冶煉生命周期系統(tǒng)邊界圖Fig.2 Boundary diagram of rare earth wet smelting life cycle system

稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)階段：稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品從原料處理到產(chǎn)品入庫(耗能、耗材單元過程主要為酸溶、萃取、沉淀、灼燒)整個(gè)生產(chǎn)工藝過程。

稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品包裝階段：稀土濕法冶煉包裝階段包括包裝過程及包裝材料的生產(chǎn)階段。

1.2 清單分析

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源分為背景數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集。

其中，背景數(shù)據(jù)來源內(nèi)容包括：G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)所使用原輔料、所消耗能源品種生產(chǎn)階段生命周期數(shù)據(jù)、G公司稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品運(yùn)輸階段生命周期數(shù)據(jù)。

實(shí)景數(shù)據(jù)來源內(nèi)容包括：G公司稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各工藝環(huán)節(jié)的資源消耗、能源消耗、污染物排放數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)的來源具較強(qiáng)可信度，其中G公司稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)來源為企業(yè)生產(chǎn)報(bào)告、環(huán)境監(jiān)測報(bào)告、及生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)等，收集的數(shù)據(jù)為2018年度，涵蓋了整個(gè)生產(chǎn)工藝(單元過程)，具有較強(qiáng)的代表性、完整性和準(zhǔn)確性；原輔料、能源介質(zhì)生產(chǎn)等背景數(shù)據(jù)[11-12]來源于中國生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)，中國生命周期數(shù)據(jù)庫中未收錄項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、年鑒、政府文件、期刊雜志及各類參考文獻(xiàn)等，優(yōu)先選擇原材料供應(yīng)商提供的符合相關(guān)LCA要求、經(jīng)第三方獨(dú)立驗(yàn)證的上游產(chǎn)品LCA報(bào)告中的數(shù)據(jù)，如涉及的數(shù)據(jù)上游企業(yè)無法追溯或無法獲取，則采用國內(nèi)同等技術(shù)條件下的技術(shù)數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)能夠反映具有代表性的時(shí)期(近三年)，背景數(shù)據(jù)代表性、完整性、一致性較強(qiáng)。

1.2.2 清單分析

G公司稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品主要原料：離子型稀土礦；

輔助物料有：鹽酸(31%)、液堿、輕燒白云石等(小于物料總投入0.5%的物料依據(jù)取舍原則已忽略)；

生產(chǎn)階段能源消耗品種有：一次能源(原煤、天然氣)、二次能源(電、蒸汽)。

1)背景數(shù)據(jù)

鍋爐生產(chǎn)蒸汽工序是生產(chǎn)蒸汽用于生產(chǎn)過程。主要的能源消耗為一部分為煤，后改為天然氣，本次時(shí)間邊界內(nèi)生命周期數(shù)據(jù)按比例分配。污染物排放只考慮主要污染物，生產(chǎn)中廢氣經(jīng)文丘里堿式水膜脫硫除塵器+SO2高煙囪排放，排放SO2，NOX，CO2。

表1 鍋爐生產(chǎn)蒸汽階段數(shù)據(jù)Table 1 Boiler production steam stage datas

G公司生產(chǎn)所使用電力資源生命周期數(shù)據(jù)采用中國生命周期數(shù)據(jù)庫收錄的南方混合并電網(wǎng)電力傳輸至用戶平均值。

表2 電力生產(chǎn)階段數(shù)據(jù)Table 2 Datas of power production stage

2)實(shí)景數(shù)據(jù)

G公司工藝路線為氧化稀土原料—酸溶—萃取—沉淀—灼燒—單一稀土氧化物，采用北京有色金屬研究總院和有研稀土開發(fā)的無氨氮、非皂化萃取分離稀土專利技術(shù)以及模糊萃取分離技術(shù)，生產(chǎn)單一高純稀土化合物。G公司在整個(gè)生產(chǎn)過程中使用能源有電力和煤，后經(jīng)煤改氣技術(shù)改造，所以在此次時(shí)間邊界中生產(chǎn)過程中的煤和天然氣按統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的量來分配。生產(chǎn)廢水不外排，采用混凝沉淀—化學(xué)氧化工藝處理后全部回用。生活污水經(jīng)隔油隔渣預(yù)處理后進(jìn)入到廠區(qū)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排入開發(fā)區(qū)污水管網(wǎng)。

1.3 生命周期影響

結(jié)合G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)的特點(diǎn)、研究目的和范圍、清單分析，選擇不可再生資源消耗ADP、溫室效應(yīng)GWP、酸化效應(yīng)AP、光化合效應(yīng)POCP、人體健康危害HT環(huán)境影響類型做為G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期的主要環(huán)境影響類型。G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期中的環(huán)境影響類別及其對應(yīng)當(dāng)量參數(shù)見表4，其歸一化結(jié)果見表5。

表3 稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品生產(chǎn)清單分析/(t/t)Table 3 Analysis of production list of rare earth wet smelting and separating products

表4 G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期中的清單因子的分類Table 4 Classification of list factors in the life cycle of G company wet smelting and separation products

表5 歸一化結(jié)果Table 5 Normalized result

1.4 結(jié)果解釋

根據(jù)上述表5的歸一化結(jié)果，按以下兩類環(huán)境影響，分析G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期每個(gè)階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)，識別濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期環(huán)境影響的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和污染因子。

1)同一工序下不同環(huán)境影響類型貢獻(xiàn)分析

通過對G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期各階段分析，G公司生產(chǎn)1 t稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品同一工序下各環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)如圖3所示。

酸溶工序、萃取工序、沉淀工序以及灼燒工序?qū)Νh(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的類型都為人體健康危害，其貢獻(xiàn)率分別為68.84%、68.68%、53.21%以及43.94%。這主要是由于這四個(gè)工序在生產(chǎn)過程中都有大量的SO2和NOx產(chǎn)生。除人體健康危害之外，在灼燒工序中溫室效應(yīng)的環(huán)境影響貢獻(xiàn)也比較大，占42.18%。這是由于灼燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2。產(chǎn)品包裝工序?qū)Νh(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的類型是光化臭氧合成，占98.92%。

總體而言，在稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品的生命周期過程中，各工序主要的環(huán)境影響貢獻(xiàn)從大到小依次為灼燒工序、萃取工序、沉淀工序、酸溶工序、產(chǎn)品包裝。

2)各工序?qū)ν画h(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)分析

稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期中各工序下對同一環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)如圖5所示。

不可再生資源消耗環(huán)境影響類型中對環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的是沉淀工序，占80.16%，這主要是由于沉淀階段會(huì)消耗大量的天然氣；溫室效應(yīng)環(huán)境影響類型、酸化效應(yīng)環(huán)境影響類型、光化合效應(yīng)環(huán)境影響類型以及人體健康危害環(huán)境影響類型中對環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的均為灼燒工序，其貢獻(xiàn)率分別為81.66%、53.70%、59.22%以及62.24%。這是由于溫室效應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)境負(fù)荷CO2、CO、CH4在該階段的產(chǎn)生量最大，酸化效應(yīng)的關(guān)鍵環(huán)境負(fù)荷SO2、NO2在該階段的產(chǎn)生量最大，同時(shí)這五種負(fù)荷也為光化合效應(yīng)和人體健康危害的關(guān)鍵負(fù)荷。

圖3 各工序下不同環(huán)境影響貢獻(xiàn)Fig.3 Contribution of different environmental impacts under each process

圖4 G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品累計(jì)貢獻(xiàn)圖Fig.4 Cumulative contribution of G company wet smelting and separating products

圖5 不同生產(chǎn)工序?qū)Νh(huán)境影響的貢獻(xiàn)Fig.5 Contribution of different production processes to environmental impact

圖6 G公司濕法冶煉分離產(chǎn)品生命周期影響類型貢獻(xiàn)圖Fig.6 Contribution of life cycle impact type of G company wet smelting and separating products

總體來看，在稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品的生命周期過程中，主要的環(huán)境影響貢獻(xiàn)從大到小依次為人體健康危害HT(49.97%)、溫室效應(yīng)GWP(34.79%)、光化合效應(yīng)POCP(14.72%)、酸化效應(yīng)AP(0.25%)、不可再生資源消耗ADP(0.26%)。

2 結(jié)論

1)在稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品的生命周期過程中，主要環(huán)境影響類型為人體健康危害HT。除包裝工序外，在其余工序中人體健康危害HT的環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大，均超過50%。

2)在稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品的生命周期過程中，主要環(huán)境影響貢獻(xiàn)來自灼燒工序，該工序生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量CO2、SO2、NO2等為各種環(huán)境影響類型的關(guān)鍵負(fù)荷。

3)在稀土濕法冶煉分離產(chǎn)品的生命周期過程中，應(yīng)著重優(yōu)化灼燒工序，控制SO2的排放。