生命周期评价在硫铁矿掺烧亚铁渣制硫酸中的应用研究

袁晓梅，王 斌

(四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065)

1 引言

硫酸是基本化学工业中重要产品之一，它不仅是许多化工产品的原料，还广泛应用于冶金、石化、化纤、农用肥、原子能等行业［1］。随着我国经济的发展，对硫酸的需求量也越来越大。我国目前已开发利用供生产硫酸的硫资源主要是硫铁矿，其次是冶炼烟气［2］。硫酸生命周期中排放一定的污染物，需要通过一定的方法找到其主要的产污点，从而采取一定的措施加以防治，减少其环境污染。通过对硫酸生命周期的研究，可以找到硫酸生命周期的主要产污点，从而提出切实可行的防治方案。

LCA是一种定量描述和分析产品与环境相互关系的方法［3］。生命周期评价能够帮助企业有步骤、有计划地实施清洁生产［4］。LCA基本可以归纳为4个有机联系的部分:目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释［4］。

2 材料与方法

2.1 目标和范围的确定

以某企业生产的硫酸(98%)为研究对象。功能单元为生产出1t硫酸，定量收集硫酸生产的相应的资源能源投入和环境排放数据。初步分析硫酸生产过程的主要环境问题和其发生的关键环节。

硫酸生产的全过程可以划分为4个阶段:电力生产阶段、采矿选矿阶段、硫铁矿精矿运输阶段、硫酸生产阶段。

2.2 清单分析

在硫铁矿采选阶段，所得的清单数据见表1。

表1 生产1t硫铁矿精矿的清单数据

从表1可以看出，在硫铁矿采选阶段排放的废水和固体废物量是比较大的，固体废物主要是硫铁矿开采阶段产生的废石和浮选阶段产生的尾矿。目前，这部分固体废物采取的处置方式是固定地点堆存。新水的投入为4.2 m3，而废水的排放只有3 m3，减少的那部分水主要是以蒸发、渗透的形式损失掉了。电力生产阶段的清单数据见表2。

表2 1kW·h电力生产阶段的清单数据

硫酸生产阶段的清单数据如表3所示。其中，在公路运输阶段，只考虑硫铁矿精矿的运输过程。公路平均运输距离为85km。水的输入是指新鲜水，不包括循环水。

表3 硫酸生产阶段生产1t硫酸的清单数据

硫酸生产阶段使用的亚铁渣是硫酸法钛白粉生 产过程中产生的固废，经过一定处理后作为制硫酸的原料之一。从表3可以看出，硫酸生产阶段消耗的电量是较大的，电力主要作为硫酸生产中各种机械的运行和电除尘器的动力来源。将亚铁渣作为生产硫酸的原料之一，减少了硫铁矿资源的投入，同时实现了钛白粉生产过程中废物的综合利用，减小了对环境的影响。硫酸生产中矿渣是在焙烧工段中生成的，此工段中矿渣含铁量能达到60%，因此可以作为优质的炼铁原料。可以将此部分矿渣外售，不外排，既有一定的经济效益，又可以减少环境排放。

综合表1、表2、表3和运输的清单数据，硫酸生产全过程的清单数据见表4。

表4 生产1t硫酸总清单数据

3 数据分析

3.1 资源与主要原材料消耗分析

以生产1t硫酸为功能单元，各阶段的主要资源和原材料消耗见表5。

表5 生产1t硫酸主要资源与原材料消耗 kg

从表5可以看出，每生产1t硫酸需消耗新鲜水10.219 m3，总的耗水量很大。具体来看，电力生产和公路运输阶段的耗水量较少。硫酸生产阶段的耗水量最大，占总用水量的64%。此过程中每生产1t硫酸需消耗新鲜水6.5 m3，另外循环用水100 m3。其主要的耗水环节是尾气吸收，占该阶段水耗的50%左右。原油在采选矿阶段的消耗量最大。电力阶段消耗的硬煤最多，每生产1t硫酸需消耗112.6kg。占总的硬煤投入的78%。提高的煤的燃烧利用率或者在电力生产阶段利用更清洁的能源来发电，比如水力发电和风力发电，可以减少煤的投入。

3.2 环境排放分析

在硫酸生产过程中，有大量的环境排放，各阶段主要的环境输出见表6。

表6 生产1t硫酸的主要环境输出 kg

从表6可以看出，硫酸生产的废酸排放量较大，废酸主要是在硫酸生产阶段净化工段产生的。每生产1t硫酸产生废酸468kg。直接排入水体会对水体造成污染，这部分酸性废水需要经过中和处理后达标排放。

SO2的排放集中在电力生产阶段和硫酸生产阶段，电力生产阶段排放SO20.73kg，硫酸生产阶段排放SO21.31kg。这两个阶段的SO2排放占到了总的SO2排放的99.8%。其中，电力生产阶段SO2的排放主要来自于煤的燃烧，所以在电力生产生产阶段中减少煤的用量、提高煤的脱硫率可以有效减少SO2的排放。同时，在硫酸生产阶段，焙烧工段沸腾炉炉气会带出一部分SO2，在此阶段设置先进的除SO2的装置以减少SO2排放。

CO2的排放主要来自于电力生产阶段和采选矿阶段。CO2造成的的主要环境影响是全球变暖。

粉尘方面的影响主要来自于采选矿阶段，是由于机械在操作过程中会产生较多的粉尘。要减少粉尘哦排放，首先在硫铁矿采场应该经常采取洒水等措施，减少扬尘。其次在硫铁矿浮选阶段，设置先进的除尘设备，比如袋式除尘器进行除尘。

固体废弃物主要来自于采选矿阶段。主要是采矿过程中的废石和选矿过程中的尾矿。这部分固体废物长期大量堆存不仅占用土地，还有可能污染土壤和地下水。应该积极寻找这部分固体废物的利用途径，避免长期大量堆存造成对环境的危害。

硫酸生产阶段的危险废物主要是废触媒，每生产1t硫酸产生废触媒0.04kg。虽然废触媒的产生量不大，但是它属于危险废物，直接排放对环境和人体的危害很大，因此需要送专门的公司以妥善的处置。

3.3 影响评价

硫酸生命周期对环境造成的主要影响表现在全球变暖、酸化、工业粉尘和固体废弃物几个方面。对全球变暖贡献的主要物质因子是CO2和CH4。这两种物质产生量最大的阶段都是电力生产阶段，主要是由于燃煤产生的。酸化影响主要是由硫酸生命周期排入空气中的SO2和NOX造成的。在区域环境影响方面，硫酸生产对固体废弃物的贡献最大，而对工业粉尘和富营养化的贡献最小。

4 结语

通过对硫酸生产的LCA分析，综合来看，在资源投入方面，降低硫酸生产中的耗水量，提高硫铁矿中的硫的转化率是重点。

在能源消耗方面，硫酸生产耗能较大。减少煤的使用是重点。减少煤的用量不仅能降低能耗，还能减少CO2、SO2、NOX等废气的排放。硫铁矿中掺烧硫酸法钛白粉生产中产生的亚铁渣生产硫酸，实现了废物的综合利用，有很好的经济和环境效益。可以减少硫铁矿的消耗量，减小亚铁渣直接排放对环境造成的影响。

在环境输出方面，可以看到主要的硫酸生命周期的环境输出主要集中在电力生产阶段和采选矿阶段。固体废物的排放量很大，在硫铁矿的采选中，要重视对废石和尾矿的处理，以免对当地的土壤、地下水造成污染。硫酸生产阶段的废酸产生量也较大，这部分废酸如果直接排入水体，会改变水体的pH值，造成水体酸化，影响水生生物的生长。因此这部分废酸在排入水体前，要经过污水站的中和处理，达到合适的pH值再排放。

［1］陈勇兵.稀硫酸浓缩工艺及设备选型［J］.山东化工，2008(9):23.

［2］沙业汪.我国硫酸工业可持续发展探讨［J］.硫磷设计与粉体工程，2004(6):6.

［3］王春华，王洪涛，肖定全，等.钛白粉生产过程的生命周期评价［J］.2006，38(11):6.

［4］邓南圣，王小兵.生命周期评价［M］.北京:化学工业出版社，2003(4):35～43.

［5］第一次全国污染源普查资料编纂委员会.污染源普查产排污系数手册［M］.北京:中国环境科学出版社，2011.