2.4 再生鉛冶煉行業物質代謝研究進展

因鉛資源的戰略性和環境毒性,對鉛代謝的元素流分析開展相對較早。Hanse等從鉛資源開采和社會領域使用和報廢等大尺度,完成了丹麥國家層面鉛代謝元素流分析;Rauch等從資源利用的環境影響角度,完成了全球鉛代謝環境影響分析,指出鉛資源代謝過程對環境影響日漸突出;Elshkaki等基于對荷蘭經濟系統鉛動態代謝分析,指出荷蘭經濟系統鉛元素流庫存流量較大,應開展廢鉛酸回收實現鉛資源的高效利用;Tukker等完成了歐盟成員國鉛代謝分析,從鉛污染環境風險防控的角度指出進入填埋場的鉛廢物流會大幅降低;Smith等從經濟系統鉛資源代謝路徑需求角度,研究了美國鉛資源回收率已高達95%以上;Reisinger等從國家資源利用政策制定的角度,完成了澳大利亞鉛資源元素流代謝分析(見圖2.12)。

國內學者開展鉛資源元素流代謝研究相對較晚。毛建素等完成了全球尺度的鉛元素流分析,指出全球鉛資源代謝全生命周期過程中有50%的鉛經使用過程耗散并以廢物形式排入環境;在借鑒STAF分析模型基礎上,毛建素等提出了經濟系統鉛資源人為代謝循環分析模型;郭學益等完成了2006年中國鉛元素流代謝分析;毛建素等運用STAF模型分析發現,近十年中國國家層面鉛資源代謝效率有所提升;劉巍等基于中國鉛消費全口徑數據收集和統計,完成了2016年中國鉛資源的元素流代謝分析,通過與2000年中國國家層面鉛資源代謝比較發現,隨著鉛工業迅速發展,中國國家層面鉛資源利用過程排污環境中鉛損失量呈增長趨勢,年均增長率達到10.40%,主要集中在涉鉛的工業領域,如鉛采選業冶煉、鉛酸電池制造和再生鉛冶煉過程等行業;姜文英等基于鉛鋅冶煉工藝資源高效利用需求,針對冶煉過程鉛及其伴生元素開展元素流分析;從冶金鉛礦資源的高效提取角度,大量學者針對原生礦鉛冶煉過程資源和能源的高效利用、粗鉛冶煉、水口山工藝以及粗鉛精煉等生產工序或工段開展鉛元素流分析;鐘琴道等從原生礦鉛冶煉過程重金屬防控角度,完成了鉛元素流代謝分析;對于鉛資源消耗的主要行業鉛酸電池制造行業元素流分析也是學者們關注的重點。毛建素等運用元素流分析方法比較了中瑞兩國鉛酸電池行業的鉛資源利用效率,指出中國鉛酸電池行業鉛利用效率低下造成環境損失量達到33%;Liang等通過分析環境中鉛物理化學形態,指出中國經濟系統鉛資源消耗損失率為54.80%,其中有73.30%來自鉛產品使用和報廢回收冶煉過程。針對再生鉛冶煉過程元素流分析起步較晚且相對較少,Rae等基于物質循環利用的角度開展再生鉛冶煉行業研究,提出為了鉛資源的高效利用應開展廢鉛酸電池再生冶煉;Nakamura等從物質代謝產業鏈閉合角度,提出再生鉛冶煉產業技術發展應緊密圍繞鉛酸電池制造需求而發展;萬斯等就廢鉛膏預脫硫火法精煉工藝及濕法冶煉工藝完成了鉛元素流分析,但該研究僅針對工藝生產過程鉛元素流代謝量進行核算;萬文玉等針對礦產鉛和廢鉛膏混合冶煉工藝,以生產工序為系統邊界完成了鉛元素流分析。

為了實現鉛冶煉過程物質代謝效率的提升,國內外學者陸續開展了系列的探索研究。Lewis等研究指出,降低和減少生產工藝過程的污染排放和環境影響路徑應涵蓋兩方面,首先是摸清污染物排放特征,其次根據污染物理化特征追蹤影響污染物產排特征的生產參數,通過改變生產參數優化污染物改變并降低污染排理化特征和排放量。針對再生鉛冶煉過程污染減排優化的研究陸續開展。Kukurugya等研究發現,磨礦和浸出工藝技術對鉛、銅、鎳等金屬浸出回收效率的影響;Rabah等針對短窯冶煉工藝企業的顆粒物和高能耗問題開展研究,指出通過采用電池漿料球團化等清潔技術,可節約35%左右的熱量、12.50%的能耗以及67%左右懸浮顆粒排放。張松山等提出冶煉過程的采用尿素溶液為浸出劑進行脫硫工藝減少二氧化硫的排放;Ma等針對二氧化硫污染問題,研究提出采用濕法冶金脫硫和真空熱還原法從廢鉛酸蓄電池廢鉛膏中回收鉛;Eunyoung等提出幾種以硝酸為基礎的浸出方法,從再生鉛冶煉廢渣中選擇性地回收鉛和其他微量金屬;Ellis等針對火法冶煉工藝冶煉煙氣等問題,提出濕法制備鉛酸電池材料氧化鉛工藝技術;Andrews等研究并提出濕法冶煉工藝可實現鉛資源的高效回收;Sonmez等針對火法冶煉工藝二氧化硫排放問題,提出了采用檸檬酸和檸檬酸鈉溶液對廢鉛膏中的硫酸鉛浸出脫硫工藝;Maruthamuthu等采用新的電動技術,從廢鉛膏中分離出鉛和硫酸鹽,可降低火法冶煉帶來的二氧化硫等煙氣污染問題高效回收,同時可降低火法冶煉過程帶來的污染問題;潘軍青等運用原子經濟法提出了堿性溶液中電解氧化鉛直接生產高純度金屬鉛的新方法;Li等以廢鉛酸蓄電池膏為原料,在檸檬酸溶液中浸出合成了該氧化鉛的前驅體檸檬酸鉛,濕法冶煉制備納米結構氧化鉛,可避免冶煉過程顆粒物和二氧化硫污染問題;田昕等從冶煉工藝反應機理上,定性比較了中國再生鉛火法冶煉和濕法冶煉工藝技術的環境影響效果差異,指出濕法冶煉技術可實現火法冶煉污染物大幅降低。雖然大量學者探索了再生鉛濕法冶金技術,從冶金技術原理上提出了可避免火法冶金特有的污染問題,但是從技術產業化推廣的角度,受濕法冶煉原輔料、能耗等因素影響,濕法冶金技術無論從經濟可行還是二次污染問題仍然問題突出;田西等通過文獻和資料調研數據,完成了中國現有的火法和濕法冶煉工藝的環境影響生命周期評估,指出濕法冶煉技術的二次酸霧等污染問題不可忽視且成本較高;詹光等研究也指出濕法冶金技術能耗過高導致經濟成本過高的問題明顯。

(1)物質代謝系統邊界“局部性”特征明顯,基于系統學分析尚顯不足

大量宏觀尺度鉛元素流代謝研究顯示,鉛資源代謝過程環境損失量偏大,且主要集中在鉛產品使用和報廢產品鉛再生過程。鉛資源消耗產業鏈涵蓋了鉛礦開采、冶煉、鉛酸電池制造和廢鉛酸電池鉛再生冶煉。目前針對鉛礦開采、冶煉、鉛酸電池制造等鉛資源代謝研究相對成熟,而對于廢鉛酸電池再生鉛冶煉的鉛元素流代謝研究涉及較少。雖然少數學者針對鉛膏預脫硫火法、濕法冶煉工藝開展了鉛物質流核算,但由于這兩種工藝運行成本過高而導致實際生產中應用率很低,這在一定程度上限制了研究結果對再生鉛冶煉過程污染減排的有效指導。同時廢鉛膏中含有砷、鎘、硫等雜質元素,以廢物代謝形式伴隨鉛資源代謝全過程。目前針對雜質元素的廢物代謝尚未開展相關研究。因此,為了減少再生鉛冶煉過程鉛、砷、鎘、硫等污染物排放和環境影響,針對再生鉛冶煉過程鉛、砷、鎘、硫等資源和廢物流協同代謝研究迫在眉睫。

從物質代謝研究來看,目前針對國家、城市區域以及行業層面研究相對成熟,對于微觀企業層面物質代謝尚無統一的方法,從現有企業層面物質代謝研究來看主要分成兩類:一類是只關注資源的高效利用的物質代謝研究,將系統邊界劃定在生產系統工序,物質代謝更多關注產品制造系統的資源和能源的利用效率;另一類則是從污染防控研究角度出發,將物質代謝研究的系統邊界確定為末端治理系統,或者是將生產系統與末端治理系統孤立開來進行對比分析,很少從系統學的角度將二者統一納入生產全過程,并分析二者之間相互關系和相互影響機制,物質代謝研究的系統邊界“局部性”特征明顯。針對生產過程某一生產工序技術如破碎技術、廢鉛膏預脫硫技術、粗鉛冶煉技術、精鉛冶煉技術、制酸技術、除塵技術、脫硫技術等,這種局部子系統的目標優化只能滿足其服務子系統目標,對于大系統目標優化則可能存在正相關或者負相關兩種可能,如廢鉛膏預脫硫技術是實現廢鉛酸電池二氧化硫排放達標最佳技術,但是該技術的應用帶來再生鉛生產過程大量硫酸鈉二次污染物產生,從生產全過程系統邊界分析預脫硫并非最佳可行。從物質代謝機理來看,資源利用與環境影響只是硬幣的兩面,二者相互依存相互影響,任何局部系統的優化不能體現和實現系統總體最優。因此,開展基于系統學開展的物質代謝系統邊界的確定對實現再生鉛冶煉過程物質代謝總體目標優化尤為重要。

(2)針對物質代謝路徑、種類和節點配置的研究較少

隨著清潔生產和循環經濟的日漸發展,“節能、降耗、減污、增效”已成為再生鉛等行業綠色發展的戰略目標。因此,為有效開展再生鉛冶煉過程鉛資源高效回收和污染防控,需開展冶煉過程各生產工序物質代謝路徑、代謝量、代謝狀態及其影響因素的系統分析模型。然而,無論是歐盟提出的元素流分析模型框架還是耶魯大學提出的STAN元素流分析模型,其關注的重點是將系統設置為黑箱的資源代謝量研究,缺少對系統內部物質代謝路徑、影響因素以及優化方法的深入研究,特別是缺少對生產工藝過程資源和廢物協同代謝研究。因此,開展基于清潔生產和循環經濟理念的再生鉛冶煉過程元素流代謝分析模型顯得尤為重要。

目前物質代謝研究大部分采用“黑箱式”代謝研究,僅僅關注系統的輸入端和輸出端的代謝量,對于系統內物質代謝種類、代謝路徑、代謝節點和代謝形態的分類、配置和優化研究則相對較少。隨著企業層面推行清潔生產和循環經濟需求,迫切需要構建基于生產工序的物質代謝種類、代謝路徑、代謝節點配置的代謝分析方法,指導和規范企業層面物質代謝優化,提高物質代謝效率并降低代謝過程環境影響。

(3)關注物質代謝量居多,對物質代謝形態研究不足

目前針對再生鉛冶煉過程污染物排放主要集中在污染排放對周邊土壤和水體污染等影響效果、兒童血鉛以及操作環境職業健康等領域,大量研究表明,再生鉛冶煉企業周邊鉛、砷、鎘、硫等環境污染問題嚴重,部分學者也從污染相關性角度定性推測可能與含重金屬的冶煉煙氣和冶煉渣有關,但針對再生鉛冶煉過程污染物排放的理化特征研究較少,對冶煉過程污染產生物理形態、化學特征以及可能潛在的環境影響研究少之又少,這也導致了對再生鉛冶煉過程污染排放特征不明,在一定程度上制約了對再生鉛冶煉過程的有效溯源。

任何工業生產過程均是物質代謝的過程,系統開展物質代謝特征和優化分析則是提升資源利用率降低環境污染負荷的重要方法。再生鉛冶煉過程同樣屬于物質代謝過程,冶煉過程資源浪費和污染超標排放,其核心原因是對冶煉過程資源代謝特征、代謝量、代謝路徑以及優化方法不清晰。因此,為了有效解決再生鉛冶煉過程綠色可持續發展面臨的資源和環境問題,本書將重點從冶煉過程物質代謝機理、代謝系統邊界、代謝物質流分類、代謝路徑、代謝模式、代謝量、代謝形態以及代謝效率8個方面,重點圍繞再生鉛冶煉過程清潔生產與末端治理協同代謝模式、資源和能源協同代謝效率、多污染物協同代謝機理和效率以及物質代謝量和代謝形態的協同優化的四個協同優化尺度,開展如下領域研究:

① 再生鉛冶煉物質代謝及協同控制理論基礎研究;

② 再生鉛冶煉物質代謝及協同控制方法模型研究;

③ 再生鉛冶煉過程物質代謝量核算;

④ 再生鉛冶煉過程物質代謝形態分析;

⑤ 再生鉛冶煉過程物質代謝機理和代謝規律研究;

⑥ 再生鉛冶煉過程物質代謝協同優化分析;

⑦ 再生鉛冶煉過程物質代謝效率分析。