离子型稀土矿冶炼分离过程中的环境影响分析

丁 祥 王建军 况 侨 王辉涛 张德康 肖金花

(1.昆明理工大学 冶金与能源工程学院，昆明 650093；2.云南省节能监察中心，昆明 650200)

稀土—元素周期表中的钪、钇以及镧系元素，因其特殊的原子结构、电子能级异常丰富，使其具有许多优异的光、电、磁、核等特性。目前已被广泛应用于冶金、军事、机械、电子、玻璃陶瓷等众多领域[1-2]。我国作为稀土资源最为丰富的国家，其稀土产业已形成了以包头混合型稀土为原料、以江西等南方七省的离子型稀土矿为原料和以四川冕宁氟碳铈矿为原料的三大生产基地。近年来这三大生产基地在稀土开采过程中，严重破坏地表植被、造成水土流失和土壤污染、酸化，使得农作物减产，有的甚至绝收。同时稀土在冶炼分离过程中产生了大量的有毒有害气体、高浓度氨氮废水、放射性废渣等污染物。面对如此严重的环境污染和国内外环保大趋势，政府除了要求企业加大环保投入以外，还应建立稀土开采和冶炼生产的准入条件，建立行业标准，把那些在生产过程中环境影响不达标的企业拒之门外。

生命周期评价(LCA)是一种产品、工艺或活动从原材料采集，到产品生产、运输、销售、使用、回收、维护和最终处理整个生命周期阶段有关环境负荷的标准化方法[3-5]。目前，LCA技术在欧美日等发达国家的应用已相当普遍，成为了环境认证、产品研发与规避贸易壁垒的重要手段。我国对生命周期评价的研究主要集中在理论、方法的学习，以及对某种特定的产品与工艺的评价上。2017年，随着生命周期评价被纳入绿色制造系统集成工作申报要求中，构建面向产品全生命周期的管理与评价体系，已成为创建绿色设计平台、实施绿色设计标准的必备条件[6-7]。

本文将运用LCA方法研究G稀土股份有限公司(后面简称G公司)湿法冶炼分离产品生产过程中的资源环境影响，分析、评价G公司湿法冶炼分离产品在整个生命周期过程中所涉及的资源、能源消耗及环境污染排放状况；诊断现有生产线与湿法冶炼分离产品相关的资源、环境问题，寻求改善生产工艺和产品结构的机会与措施，提出产品绿色设计改进的方案建议，支撑G公司开展绿色设计产品的工作。

1 材料与方法

本文以生产稀土湿法冶炼分离产品(REO)为研究对象，采用ISO14040规定的LCA分析方法，主要包括目的和范围的定义、清单分析、环境影响及结果解释[8-10]。

图1 生命周期评价基本框架Fig.1 The basic framework of life cycle assessment

1.1 目的与范围的定义

本研究的目的是评价G公司的湿法冶炼分离产品生命周期环境影响，识别其中关键过程和因素，提出相应改进的措施。评价功能单元定义为生产1 t稀土湿法冶炼分离产品(REO)，用来参照各个过程中的投入产出和环境影响。本研究的系统边界包含G公司湿法冶炼分离产品生命周期，系统边界分为2个阶段：稀土湿法冶炼分离产品生产阶段、稀土湿法冶炼分离产品包装阶段。

图2 稀土湿法冶炼生命周期系统边界图Fig.2 Boundary diagram of rare earth wet smelting life cycle system

稀土湿法冶炼分离产品生产阶段：稀土湿法冶炼分离产品从原料处理到产品入库(耗能、耗材单元过程主要为酸溶、萃取、沉淀、灼烧)整个生产工艺过程。

稀土湿法冶炼分离产品包装阶段：稀土湿法冶炼包装阶段包括包装过程及包装材料的生产阶段。

1.2 清单分析

1.2.1 数据来源

本研究数据来源分为背景数据收集和现场数据收集。

其中，背景数据来源内容包括：G公司湿法冶炼分离产品生产所使用原辅料、所消耗能源品种生产阶段生命周期数据、G公司稀土湿法冶炼分离产品运输阶段生命周期数据。

实景数据来源内容包括：G公司稀土湿法冶炼分离产品生产过程中各工艺环节的资源消耗、能源消耗、污染物排放数据。

数据的质量、数据的来源具较强可信度，其中G公司稀土湿法冶炼分离产品生产阶段数据来源为企业生产报告、环境监测报告、及生产现场调研数据等，收集的数据为2018年度，涵盖了整个生产工艺(单元过程)，具有较强的代表性、完整性和准确性；原辅料、能源介质生产等背景数据[11-12]来源于中国生命周期数据库(CLCD)，中国生命周期数据库中未收录项采用标准规范、年鉴、政府文件、期刊杂志及各类参考文献等，优先选择原材料供应商提供的符合相关LCA要求、经第三方独立验证的上游产品LCA报告中的数据，如涉及的数据上游企业无法追溯或无法获取，则采用国内同等技术条件下的技术数据作为背景数据，数据能够反映具有代表性的时期(近三年)，背景数据代表性、完整性、一致性较强。

1.2.2 清单分析

G公司稀土湿法冶炼分离产品主要原料：离子型稀土矿；

辅助物料有：盐酸(31%)、液碱、轻烧白云石等(小于物料总投入0.5%的物料依据取舍原则已忽略)；

生产阶段能源消耗品种有：一次能源(原煤、天然气)、二次能源(电、蒸汽)。

1)背景数据

锅炉生产蒸汽工序是生产蒸汽用于生产过程。主要的能源消耗为一部分为煤，后改为天然气，本次时间边界内生命周期数据按比例分配。污染物排放只考虑主要污染物，生产中废气经文丘里碱式水膜脱硫除尘器+SO2高烟囱排放，排放SO2，NOX，CO2。

表1 锅炉生产蒸汽阶段数据Table 1 Boiler production steam stage datas

G公司生产所使用电力资源生命周期数据采用中国生命周期数据库收录的南方混合并电网电力传输至用户平均值。

表2 电力生产阶段数据Table 2 Datas of power production stage

2)实景数据

G公司工艺路线为氧化稀土原料—酸溶—萃取—沉淀—灼烧—单一稀土氧化物，采用北京有色金属研究总院和有研稀土开发的无氨氮、非皂化萃取分离稀土专利技术以及模糊萃取分离技术，生产单一高纯稀土化合物。G公司在整个生产过程中使用能源有电力和煤，后经煤改气技术改造，所以在此次时间边界中生产过程中的煤和天然气按统计数据的量来分配。生产废水不外排，采用混凝沉淀—化学氧化工艺处理后全部回用。生活污水经隔油隔渣预处理后进入到厂区污水处理站处理达标后排入开发区污水管网。

1.3 生命周期影响

结合G公司湿法冶炼分离产品生产的特点、研究目的和范围、清单分析，选择不可再生资源消耗ADP、温室效应GWP、酸化效应AP、光化合效应POCP、人体健康危害HT环境影响类型做为G公司湿法冶炼分离产品生命周期的主要环境影响类型。G公司湿法冶炼分离产品生命周期中的环境影响类别及其对应当量参数见表4，其归一化结果见表5。

表3 稀土湿法冶炼分离产品生产清单分析/(t/t)Table 3 Analysis of production list of rare earth wet smelting and separating products

表4 G公司湿法冶炼分离产品生命周期中的清单因子的分类Table 4 Classification of list factors in the life cycle of G company wet smelting and separation products

表5 归一化结果Table 5 Normalized result

1.4 结果解释

根据上述表5的归一化结果，按以下两类环境影响，分析G公司湿法冶炼分离产品生命周期每个阶段对环境影响的贡献，识别湿法冶炼分离产品生命周期环境影响的关键节点和污染因子。

1)同一工序下不同环境影响类型贡献分析

通过对G公司湿法冶炼分离产品生命周期各阶段分析，G公司生产1 t稀土湿法冶炼分离产品同一工序下各环境影响类型的贡献如图3所示。

酸溶工序、萃取工序、沉淀工序以及灼烧工序对环境影响贡献最大的类型都为人体健康危害，其贡献率分别为68.84%、68.68%、53.21%以及43.94%。这主要是由于这四个工序在生产过程中都有大量的SO2和NOx产生。除人体健康危害之外，在灼烧工序中温室效应的环境影响贡献也比较大，占42.18%。这是由于灼烧过程中会产生大量的CO2。产品包装工序对环境影响贡献最大的类型是光化臭氧合成，占98.92%。

总体而言，在稀土湿法冶炼分离产品的生命周期过程中，各工序主要的环境影响贡献从大到小依次为灼烧工序、萃取工序、沉淀工序、酸溶工序、产品包装。

2)各工序对同一环境影响类型的贡献分析

稀土湿法冶炼分离产品生命周期中各工序下对同一环境影响类型的贡献如图5所示。

不可再生资源消耗环境影响类型中对环境影响贡献最大的是沉淀工序，占80.16%，这主要是由于沉淀阶段会消耗大量的天然气；温室效应环境影响类型、酸化效应环境影响类型、光化合效应环境影响类型以及人体健康危害环境影响类型中对环境影响贡献最大的均为灼烧工序，其贡献率分别为81.66%、53.70%、59.22%以及62.24%。这是由于温室效应的关键环境负荷CO2、CO、CH4在该阶段的产生量最大，酸化效应的关键环境负荷SO2、NO2在该阶段的产生量最大，同时这五种负荷也为光化合效应和人体健康危害的关键负荷。

图3 各工序下不同环境影响贡献Fig.3 Contribution of different environmental impacts under each process

图4 G公司湿法冶炼分离产品累计贡献图Fig.4 Cumulative contribution of G company wet smelting and separating products

图5 不同生产工序对环境影响的贡献Fig.5 Contribution of different production processes to environmental impact

图6 G公司湿法冶炼分离产品生命周期影响类型贡献图Fig.6 Contribution of life cycle impact type of G company wet smelting and separating products

总体来看，在稀土湿法冶炼分离产品的生命周期过程中，主要的环境影响贡献从大到小依次为人体健康危害HT(49.97%)、温室效应GWP(34.79%)、光化合效应POCP(14.72%)、酸化效应AP(0.25%)、不可再生资源消耗ADP(0.26%)。

2 结论

1)在稀土湿法冶炼分离产品的生命周期过程中，主要环境影响类型为人体健康危害HT。除包装工序外，在其余工序中人体健康危害HT的环境影响贡献最大，均超过50%。

2)在稀土湿法冶炼分离产品的生命周期过程中，主要环境影响贡献来自灼烧工序，该工序生产过程中产生的大量CO2、SO2、NO2等为各种环境影响类型的关键负荷。

3)在稀土湿法冶炼分离产品的生命周期过程中，应着重优化灼烧工序，控制SO2的排放。