摘要:以火法炼铜全生命周期过程为研究对象，采用生命周期评价（LCA）方法，定量评价不同熔炼工艺生产铜过程的能源消耗和温室气体排放，并应用情景分析法，对2020年我国火法炼铜不同工艺技术结构下的能耗与碳排放强度进行比较，旨在为铜冶炼行业的结构调整与优化升级提供决策支持。结果表明，基于鼓风熔炼、闪速熔炼和熔池熔炼工艺的火法生产铜过程的能耗分别为147.80×10�3,96.68×10�3,104.20×10�3MJ；其碳排放强度分别为15.32×10�3,8.99×10�3,10.01×10�3kg CO�2当量。设定的4种情景的能耗分别为111.60×10�3,103.37×10�3,101.19×10�3,99.69×10�3MJ；其碳排放强度分别为10.87×10�3,9.87×10�3,9.60×10�3,9.40×10�3kg CO�2当量。由此可知，传统工艺鼓风炉熔炼较闪速熔炼及熔池熔炼的能耗更高，且导致了更多的温室气体排放。因此，大力发展闪速熔炼及熔池熔炼技术对降低铜生命周期的能耗及碳排放具有重要意义，彻底淘汰传统熔炼工艺，推广先进熔炼技术是减少火法铜生产环境影响的迫切任务。�
关键词:生命周期评价；铜；情景分析；能耗；碳排放�
中图分类号 X757：X820 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2012)04-0046-05 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.04.009��
火法炼铜是铜冶炼的主要工艺，目前我国铜产量的98%以上由火法冶炼获得［1］。2008年我国精铜产量为377.9万t，消费量达到480.6万t，已成为全球最大的精铜生产国和消费国［2］。火法炼铜过程以及由此带来的能源消耗及温室效应问题已不容忽视。�
生命周期评价（Life Cycle Assessment）作为一种重要的环境管理工具，可用于火法铜生产过程环境影响的评估，对于改善生产工艺，减少环境污染具有重要的意义。由于目前我国采选矿、吹炼和精炼工艺设备差别不大，火法铜生产的能耗及碳排放主要与在熔炼工艺的技术水平相关。因此，根据目前行业的工艺技术现状，重点关注鼓风炉熔炼、闪速炉熔炼和熔池熔炼3种主要工艺，运用生命周期评价方法对铜生产过程，即从采矿到电解精炼过程的能耗及碳排放强度进行评价。�
情景分析法(Scenario Analysis)是在对经济、产业或技术的重大演变提出各种关键假设的基础上，通过对未来详细、严密的推理和描述来构想未来各种可能的方案［3］。S. Alvarado针对世界最大的铜生产国智利，对时间尺度为25年的能耗与温室气体排放量展开研究，并设定两种不同情景进行对比［4］；WilhelmKuckshinrichs等基于过程的局部均衡模型，对全球铜流动产生的CO�2和SO�2进行分析［5］。国内已有姜金龙等运用生命周期评价方法，对火法、湿法生产金属铜过程及共生矿石生产电解镍/铜的环境协调性进行了研究［6�7］。韩明霞等运用情景分析对铜冶炼的污染物排放进行分析［1］。本文通过情景分析，对2020年我国火法铜冶炼的主要工艺技术结构进行模拟，对不同情景下的生命周期评价结果进行比较，筛选出能耗与碳排放最低的方案，为我国火法铜冶炼行业的环境管理提供决策支持。�
1 研究方法�
1.1 生命周期评价�
生命周期评价方法针对从产品最初的原材料采掘到产品用后最终废弃物处理(产品系统)，进行全过程的跟踪、定量分析与评价［8］。本文基于德国PE公司开发的生命周期评价软件GaBi 4，对不同熔炼工艺下的铜冶炼能耗及碳排放进行评价。�
1.1.1 系统边界�
本研究以火法炼铜为对象，从我国铜生产的实际情况出发，以生产1 000 kg精铜为功能单位，定量计算其生产过程中的能耗及碳排放。研究范围包括矿石的采选、运输、干燥、熔炼、转炉吹炼、阳极炉精炼、电解精炼等工序。由于目前的采选矿、吹炼和精炼工艺设备差别不大，本研究将熔炼技术细化，分别对具有代表性的密闭鼓风熔炼、闪速熔炼和熔池熔炼工艺下的铜冶炼过程进行比较。系统边界如图1所示。�
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图1 火法炼铜生产流程和系统评价边界�
Fig.1 Process and systemboundary of� pyrometallurgical copper production
注：图1中熔炼工序可分为密闭鼓风炉熔炼、闪速熔炼、熔池熔炼3种。其中密闭鼓风炉熔炼还包括燃料焦炭的生产；闪速熔炼前包括精矿干燥环节，以及辅料柴油和重油的生产；熔池熔炼过程还包括电耗、原煤、重油的生产。��
研究系统内，品位约为1%的铜矿石在经过熔炼、转炉吹炼、阳极炉精炼等工序后，电解出精度约为99.9%的精铜。图1体现了铜生产的各个工序中其他辅助能源及原料的生产情况，标注出重要的中间产物，细化了该研究的具体边界。�
1.1.2 数据来源�
本文评价中所使用的数据主要来源：①我国两家铜生产企业实际数据；②公开出版的文献资料数据；③�PE�GaBi�数据库。详见表1。�
1.1.3 基本假设�
在开展火法铜生产的生命周期评价时，假设生产所需的铜矿石全部来自国内开采，铜矿石的平均运输距离为50km；采矿炸药、选矿药剂、电解添加剂等由于用量较小，在影响评价阶段忽略其所造成的环境影响；不考虑熔炼及吹炼阶段的烟气制酸过程、炉渣贫化及阳极泥回收工序；转炉烟尘、阳极炉烟尘和炉渣等固废通过内部再循环方式返回生产过程。�
1.1.4 量化方法�
本研究选用的能耗和碳排放的量化方法如表2所示。�
1.1.5 能源清单�
经整理得到我国火法铜生产的能源清单如表3所示。�
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表1 生命周期清单数据来源�
Tab.1 Life cycle inventory data sources �
注：1.《选矿设计手册》，北京：冶金工业出版社，2007；2.《重有色金属冶炼设计手册・铜镍卷》，北京：冶金工业出版社，1996
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表2 能耗和碳排放量化方法�
Tab.2 The quantified method for energy �consumption and carbon emissions�
表3 火法炼铜生产的能源清单�
Tab.3 The energy inventory of pyrometallurgical� copper production�
1.2 情景设定�
据行业有关资料，2007年我国铜冶炼的熔池熔炼工
艺约占42%，闪速熔炼工艺约占35%［9］。本研究以2007
年为情景基准年，根据近几年火法铜冶炼技术的发展趋势，将2020年定为情景年，逐渐增加先进工艺技术比重，淘汰落后技术，进行情景设定（见表4），分析不同情景下能耗及碳排放情况。��
表4 2020年我国火法炼铜冶炼情景设定（%）�
Tab.4 The scenario of China’s pyrometallurgical� copper in 2020�
冻结情景：为2007年的基准情景，符合我国火法铜冶炼的真实熔炼技术结构，作为对比情景。�
情景一为低目标方案，即2020年在熔炼技术结构调整政策落实不到位，或者客观条件不利的情况下，没有彻底贯彻新政策，未完全淘汰落后工艺。此外，仍残留不少隐蔽的小型冶炼厂，其生产工艺落后、污染严重。导致以鼓风熔炼为主的传统熔炼方法仍占有5%的比例。�
情景二与情景三均定义为在顺利实施相关政策后，即彻底淘汰如鼓风熔炼的传统熔炼技术，逐步提高闪速熔炼及熔池熔炼的比重后的目标方案。尽管这两种熔炼工艺的能耗及碳排放不尽相同，但考虑到其工艺特点和我国铜冶炼实际情况，为了追求较低的环境影响而全力或大规模发展某一种技术并不实际。就两者比较而言，闪速熔炼尤其是采用了富氧工艺后，精矿反应放出的热量可以占到总热量收入的60%以上，大大降低了燃料的消耗；另外闪速熔炼的精矿经过深度干燥处理，具有显著的节能效果［9］。发展闪速熔炼工艺对降低火法铜生产过程的能耗具有现实的意义，然而就我国不断下降的铜品位的和冶炼技术现状而言，熔池熔炼凭借其不高的炉料要求、较低的烟尘排放和可以接受的节能效果的特点［10］，具有重要的发展必要性，不能完全被闪速工艺取代。�
因此根据我国铜冶炼业的实际发展情况设定了情景二和情景三，两个情景的主要差异在于2020年两种先进熔炼技术的结构比例：情景二体现的是熔池熔炼得到了大力发展，普及率明显高于闪速熔炼；情景三体现在鼓励闪速熔炼发展的形式下，闪速熔炼快速普及，应用比例超过了熔池熔炼。�
2 结果与讨论�
2.1 不同冶炼工艺生产铜的能耗及碳排放�
本文主要从能源消耗和碳排放（全球变暖潜值，100年）对我国火法铜生产过程进行评价。基于3种不同熔炼工艺铜生产的能耗及碳排放强度结果分别如图2、图3所示。��
图2 不同熔炼工艺下的铜生产能源消耗�
Fig.2 Energy consumption of copper production under �different smelting technology�
图3 不同熔炼工艺下铜生产的碳排放�
Fig.3 GHG emissions under different smelting process of �copper production�
由图2可知，鼓风熔炼、闪速炉熔炼、熔池熔炼的能源消耗分别是147 803.93MJ、96 675.47MJ和104 203.30 MJ。鼓风炉熔炼的能源消耗高出其他两种工艺近40%。这主要是由鼓风炉的技术特点决定的，其造锍熔炼极大程度上依靠外加热，即利用矿物燃料燃烧热或电热，因此消耗了较多能源。而通过对闪速熔炼及熔池熔炼比较可知，前者的能耗略低于后者。从清单上看，闪速炉熔炼过程消耗的能源较鼓风炉和熔池熔炼炉低很多。然而由于闪速熔炼对原料的要求比较严格，需要对原料进行预先干燥，使得闪速熔炼工艺下火法铜生产的总能耗增加，但所占比例不大。从总过程的评价结果可以看出，闪速工艺下的能耗仍然是3种工艺中最低的。�
图3列出了3种不同熔炼工艺下的铜生产的碳排放情况，其趋势与能耗趋势相同，即鼓风熔炼对全球变暖的贡献最大。通过对3者生命周期评价结果的比较，传统熔炼技术鼓风炉熔炼下的铜生产过程在能耗和温室气体排放上要远远高出闪速熔炼和熔池熔炼；而在对闪速熔炼及熔池熔炼的比较可知，前者的能耗及碳排放值更低。�
2.2 不同情景下的能耗及碳排放�
根据不同熔炼工艺的生命周期评价结果，对3种情景下能耗及碳排放进行分析，并与冻结情景对比，计算结果见图4、图5。��
图4 不同发展情景火法铜冶炼的能源消耗�
Fig.4 Energy consumption of copper production under �different scenarios�
图5 不同发展情景火法铜冶炼情况下的碳排放�
Fig.5 GHG emissions of copper production under �different scenarios�
对3种不同工艺下的生命周期评价结果分析可知，降低鼓风熔炼等传统熔炼工艺能极大程度上的降低能源消耗和温室气体排放。从图4、图5中可以看出，情景一与冻结情景相比，鼓风炉的比例从23%降到了5%，体现在总的铜生产过程中，其能源消耗下降了8 824.5 MJ，碳排放值减少了1 006.8 kg CO�2当量，差距尤其明显。从这点可以看出，鼓风熔炼下的火法铜生产过程对能耗和碳排放的影响较其他两种工艺更为显著。因此，淘汰鼓风熔炼等传统熔炼工艺，发展先进熔炼工艺是降低铜生产能耗及碳排放的重要手段。�
此外，情景二和情景三以较低的能耗及温室气体排放量符合未来铜生产的发展趋势，均成为可行方案，两者评价结果差别不明显，但由于闪速熔炼下的环境影响更小，因此普及闪速熔炼更高的情景三是最优方案。然而鉴于闪速熔炼及熔池熔炼的各自技术特点和在我国发展的必要性，熔池熔炼并不能由闪速熔炼完全取代，应根据冶炼实际情况进行技术结构调整。�
2.3 结果讨论�
国际铜组织(ICI) 评估认为，欧洲生产吨铜的能耗约为6×10�7 kJ，约是本研究核算的火法铜生产的60%。根据评价结果，分析与国外相比我国能耗相差较大的原因是：① 评价边界及基本假设不同；② 我国铜生产工艺的能效与国外先进水平相比仍存在一定差距；③铜矿石的品位的差异。�
此外，本研究仅限于闪速熔炼及熔池熔炼，并不能完全代表我国火法铜冶炼熔炼工艺的真实情况。在关注和发展闪速熔炼及熔池熔炼的同时，还应大力开展其他先进环境友好的冶炼方法（如湿法炼铜）的开发研究，及对其他已有工艺的能耗及碳排放开展评价，以期找到最适合的产业技术结构，建立低能耗低污染的铜生产模式。�
3 结论及建议�
本文核算了不同熔炼工艺下我国火法铜生产生命周期的能耗和碳排放，并利用情景分析法对2020年可能的熔炼工艺结构进行评价分析。结果表明，传统工艺鼓风炉熔炼较先进的闪速熔炼及熔池熔炼产生了更多的能耗和碳排放。此外，闪速熔炼工艺较熔池熔炼工艺会产生更小的环境影响，但基于两种工艺的不同特点和适用范围，闪速熔炼并不能完全取代熔池熔炼。因此，彻底淘汰传统熔炼工艺，推广先进熔炼技术是减少火法铜生产环境影响的迫切任务，也是我国火法铜生产技术发展的必然趋势。�
基于研究结论，提出以下两点建议：①优化工艺结构。一方面严格执行清洁生产标准，要求铜生产企业具备烟气制酸、除尘、资源综合利用、节能等设施；另一方面，淘汰鼓风熔炼等落后生产工艺，采用闪速熔炼、熔池熔炼等生产效率高、工艺先进、能耗低、环保达标、资源综合利用效果好的新型强化熔炼工艺。此外，应综合考虑闪速熔炼与熔池熔炼的技术特点，合理选择，权衡发展。同时，鼓励有序推进湿法炼铜工艺，与世界先进炼铜技术接轨。②开展二次铜资源的利用。我国铜供需矛盾日益突出，铜已成为我国的急缺矿产，极度依赖国外进口。因此，应从综合利用低品位铜矿、含铜尾矿及铜冶炼渣等出发，有效节约资源，提高生产效率；另外废杂铜的回收和再生利用对降低我国铜冶炼业能耗及碳排放同样具有重要意义。�
（编辑：常 勇）�
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Energy Consumption and Carbon Emissions Scenario Analysis of �
Pyrometallurgical Copper Based on LCA��
ZENG Guang�yuan YANG Jian�xin SONG Xiao�long LV Bin�
（Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for �
Eco�Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085，China）��
Abstract
In this paper, the pyrometallurgical copper production on different smelting processes is studied by life cycle assessment (LCA) method, to make a quantitative evaluation on energy consumption and carbon emissions in the whole life cycle of copper production. Moreover, the energy consumption and carbon emissions scenario are designed on the possible process structures of different smelting technology in 2020, aiming at providing policy support to the structural adjustment and optimization of China’s copper production. The results showed that the energy consumption of pyrometallurgical copper production on ISF smelting, flash smelting, and bath smelting processes respectively are 147.80,96.68,and 104.20×10�3MJ, and the carbon emission intensity are �15.32�,8.99,10.01×10�3kg CO�2 eq; the energy consumption of four scenarios are 111.60,103.37,101.19,and 99.69×10�3 MJ, respectively, and the carbon emission intensity are 10.87, 9.87, 9.60, and 9.40×10�3kg CO�2 eq. As a result, traditional ISF smelting has the highest energy consumption and carbon emissions comparing with the other two. Therefore, it is urgent to eliminate outdate smelting technology, and promote advanced technology to reduce the environmental burden of pyrometallurgical copper production.�
Key words LCA; copper; scenario analysis; energy consumption; carbon emissions