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中国皮江法炼镁的资源消耗和环境影响分析

来源期刊:中国有色金属学报2006年第8期

论文作者:高峰 聂祚仁 王志宏 左铁镛

文章页码:1456 - 1461

关键词:镁; 皮江法; 物质流分析; 生命周期评价

Key words:magnesium; pidgeon process; materials flow analysis; life cycle assessment

摘    要:应用生命周期评价思想, 结合物质流分析方法, 对我国皮江法炼镁生产过程中物质能量代谢的数量特征和环境负荷状况进行研究。结果表明: 皮江法炼镁工艺的资源和能源输入量较大, 1 t商品镁锭的资源输入总量和资源直接输入量分别为76 t和24 t; 生态包袱是资源直接输入量的3.1倍。 CO2和SO2排放情况的时间序列分析表明, 虽然皮江法炼镁单耗指标不断降低, 但由于镁产量增加较快, 导致CO2和SO2直接排放量连年增长,化石燃料的燃烧和精练保护过程是CO2和SO2直接排放的主要责任者。此外, 由硅铁生产引起的资源消耗和环境影响也不容忽视。

Abstract: The study aims to reveal the characteristics of material-energy metabolism and environmental impacts for magnesium produced using the Pidgeon process in China. Life cycle assessment combined with materials flow analysis was used for this study. The results show that the total materials input and direct materials input of Chinese magnesium ingots is 76 t/t Mg ingot and 24 t/t Mg ingot, respectively. The quantity of ecological rucksacks reaches 3.1 times of that of direct materials input. The time series analysis shows that the direct emissions of CO2 and SO2 increase with the rapid development of the magnesium industry, although the consumption factor unit decreases with the time passing. The direct emissions of CO2 and SO2 mainly attribute to the consumption of fossil fuels and the protection of molten magnesium. Furthermore, the material consumption and environmental impacts generated by the ferrosilicon production may not be disregarded.

基金信息:国家杰出青年科学基金资助项目



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中国皮江法炼镁的资源消耗和环境影响分析

高 峰, 聂祚仁, 王志宏, 左铁镛

(北京工业大学 材料科学与工程学院, 北京 100022)

摘 要: 应用生命周期评价思想, 结合物质流分析方法, 对我国皮江法炼镁生产过程中物质能量代谢的数量特征和环境负荷状况进行研究。 结果表明: 皮江法炼镁工艺的资源和能源输入量较大, 1t商品镁锭的资源输入总量和资源直接输入量分别为76t和24t; 生态包袱是资源直接输入量的3.1倍。 CO2 和SO2排放情况的时间序列分析表明, 虽然皮江法炼镁单耗指标不断降低, 但由于镁产量增加较快, 导致CO2 和SO2直接排放量连年增长, 化石燃料的燃烧和精练保护过程是CO2和SO2 直接排放的主要责任者。 此外, 由硅铁生产引起的资源消耗和环境影响也不容忽视。

关键词: 镁; 皮江法; 物质流分析; 生命周期评价 中图分类号: X24

文献标识码: A

Resource depletion and environmental impact analysis of magnesium produced using pidgeon process in China

GAO Feng, NIE Zuo-ren, WANG Zhi-hong, ZUO Tie-yong

(School of Materials Science and Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100022, China)

Abstract: The study aims to reveal the characteristics of material-energy metabolism and environmental impacts for magnesium produced using the Pidgeon process in China. Life cycle assessment combined with materials flow analysis was used for this study. The results show that the total materials input and direct materials input of Chinese magnesium ingots is 76t/t Mg ingot and 24t/t Mg ingot, respectively. The quantity of ecological rucksacks reaches 3.1 times of that of direct materials input. The time series analysis shows that the direct emissions of CO2 and SO2 increase with the rapid development of the magnesium industry, although the consumption factor unit decreases with the time passing. The direct emissions of CO2 and SO2 mainly attribute to the consumption of fossil fuels and the protection of molten magnesium. Furthermore, the material consumption and environmental impacts generated by the ferrosilicon production may not be disregarded.

Key words: magnesium; pidgeon process; materials flow analysis; life cycle assessment

   镁是一种最轻的金属结构材料。 由于其具有一系列独特的优点, 能够满足汽车工业减重、 节能、 环保以及通讯、 电子产品器件高度集成化和轻薄小型化的要求。 皮江法是我国原镁的重要生产方法。 皮江法炼镁工艺流程短、 投资少、 建厂快, 成本较低, 但是熔炼技术比较落后, 生产过程中资源、 能源消耗较大, 污染比较严重。 本文作者应用生命周期评价(LCA)的思想[1], 结合物质流(MFA)分析方法[2], 对我国皮江法炼镁生产过程中的物质资源消耗和环境影响进行定量分析, 揭示皮江法炼镁生产过程中物质能量代谢的数量特征和环境负荷的状况。

定量评价材料的环境性能是环境材料开发研制和评价的重要内容, 目前多采用生命周期评价(LCA)方法, 称为材料LCA[3-6]。 材料LCA主要是对材料系统从原材料获取阶段开始到最终废弃的全过程中的环境影响(资源、 能源、 排放物)进行综合评估。 物质流分析是通过确定并量化物质材料流动的类型, 来研究特定工业部门或区域经济系统的物质新陈代谢, 将环境问题与引起这些环境问题的经济活动联系起来, 从而提出解决潜在问题的措施。 生命周期评价和物质流分析都从研究系统或过程的各个子阶段入手, 但是前者注重研究人体健康、 生态环境、 资源消耗等方面的环境问题, 而后者主要分析物质材料流动的数量、 结构和特征。 因此在LCA分析中结合MFA分析, 能够弥补生命周期评价中空间、 时间等方面信息的局限性, 提高基础数据资料的可靠性和全面性, 进而提高影响评价的精确性。

1 研究目标与范围的确定

研究的主要目标是定量计算我国皮江法炼镁生产过程中的物能消耗和环境影响, 并进行初步的时间序列分析。

研究的产品是皮江法生产的镁锭。 由于目前收集到的统计资料中均采用吨镁锭作为指标单位, 因此本文研究的功能单位是皮江法生产的1t镁锭。

研究的范围是皮江法炼镁生产过程的物质、 能源消耗和主要污染物的排放情况。 主要包括: 1)皮江法炼镁主要原料和能源的消耗, 包括白云石、 硅铁、 萤石、 煤、 电的消耗及其产生的生态包袱; 2)皮江法炼镁过程中产生的CO2 、 SO2的排放情况及初步的时间序列分析。

研究的系统边界是皮江法炼镁生产过程, 包括煅烧、 配料、 还原、 精炼等工序。 由于我国皮江法炼镁生产厂主要分布在煤炭和白云石资源比较丰富的省份, 基本上就近使用本地的资源生产, 因此本研究未对原、 燃料的运输过程进行分析。

2 数据辨析与计算方法

目前, 皮江法生产金属镁是以煅烧白云石为原料、 硅铁为还原剂, 进行计量配料。 将混合料粉磨后压制成球团, 再将球团装入还原罐中加热到1200℃, 内部抽真空至13.3Pa或更高, 进行还原反应得到镁蒸气。 镁蒸气在还原罐前端的冷凝器中冷凝形成结晶镁, 亦称粗镁。 将粗镁加热熔化, 在约710℃高温下用溶剂精炼后铸成镁锭, 即精炼镁。

2.1 资源和能源消耗

2.1.1 单耗指标的计算

我国皮江法炼镁主要采用平窑、 立窑(竖窑)、 回转窑这3种煅烧设备煅烧白云石, 由于不同的煅烧设备其技术指标有较大的差别[7, 8], 因此本研究提出, 采用各种煅烧设备的一般单耗指标和生产企业所采用的煅烧设备的比例来计算皮江法炼镁的全国平均单耗指标, 进而计算皮江法生产过程消耗的资源和能源总量。 平均单耗指标计算公式为

 

2.1.2 资源消耗与生态包袱的计算

皮江法炼镁生产工艺流程简单, 主要原料是白云石和硅铁, 萤石作为催化剂。 生产过程中可使用重油、 煤气或煤作为燃料, 目前大量使用的是煤, 电力消耗主要是来自火力发电。 因此皮江法炼镁的资源直接输入量为白云石、 硅铁、 萤石和煤的投入量之和。

本研究依据德国Wuppertal研究所提出的单位服务的物质消耗方法[9], 计算我国皮江法炼镁的资源输入总量及生态包袱。 文中所指的资源输入总量包括: 矿物原料、 化石能源和生态包袱, 即开采矿石原料或能源产品时搬动的沙石、 土壤等没有进入经济系统的环境物质, 它反映了炼镁原料开采及生产过程对环境扰动的程度。

鉴于我国在资源消耗强度及生态包袱研究上的空白, 采用德国Wuppertal研究所最新公布的物质消耗强度系数进行测算[10]。 其中白云石、 萤石、 电的物质消耗强度系数是借鉴德国或欧洲的数据, 煤的物质消耗强度系数适用于在中国境内生产的原煤。

硅铁是钢铁生产中的一种常见的铁合金, 同时也是皮江法炼镁的重要原料之一。 周和敏[11]对我国主要铁合金生产企业的资源、 能源消耗和环境负荷进行了调研, 并得到了相应的编目清单, 因此文中硅铁的物质消耗强度系数根据此编目清单资料, 并结合MIPS方法进行计算得到。 具体的物质消耗强度系数列于表1。

表1 镁冶炼原燃料的物质消耗强度系数

Table 1 Material intensity of raw materials and energy

2.2 CO2和SO2直接排放的计算

2.2.1 CO2直接排放的计算

由于我国皮江法炼镁企业对CO2的排放量没有进行监测, 因此没有关于其排放量的实测数据。 本文根据炼镁过程中原料和燃料中的碳含量来推算CO2的排放量。

我国皮江法炼镁生产企业主要分布在煤炭资源丰富的省份, 绝大多数企业的煅烧窑、 还原炉和精炼炉采用煤作为燃料。 此外, 炼镁原料白云石的主要成分是碳酸盐(CaCO3·MgCO3), 将其加热至1100~1200℃, 烧成煅白(MgO·CaO), 其反应式如下:

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