吳清茹,王書肖*,王玉晶

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 100084；2.國家環(huán)境保護(hù)大氣復(fù)合污染來源與控制重點實驗室,北京 100084；3.環(huán)境保護(hù)部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心,北京 100029)

大氣污染與控制

中國有色金屬冶煉行業(yè)大氣汞排放趨勢預(yù)測

吳清茹1,2,王書肖1,2*,王玉晶3

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室,北京 100084；2.國家環(huán)境保護(hù)大氣復(fù)合污染來源與控制重點實驗室,北京 100084；3.環(huán)境保護(hù)部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心,北京 100029)

采用情景分析的方法,建立了不同情景下中國有色金屬冶煉行業(yè)的汞排放趨勢,并分析了主要控制措施對該行業(yè)大氣汞減排的貢獻(xiàn).研究發(fā)現(xiàn),中國有色金屬冶煉行業(yè)2030年的最大減排潛力將達(dá)到122.3t,比2012年降低82.9%.其中,鋅、鉛和銅冶煉的大氣汞排放量將分別減少77.8t、42.7t和1.8t.為減少大氣汞排放,鋅冶煉將主要通過完善大氣污染控制措施實現(xiàn).其中2020年和2030年采用該措施將分別減少51.0t和23.9t的大氣汞排放量.銅冶煉主要通過增加再生銅比例實現(xiàn)大氣汞減排.2020年和2030年,該措施大氣汞減排量分別占銅冶煉總減排量的 61.1%和 72.5%.2020年前,鉛冶煉的大氣汞減排主要通過淘汰落后產(chǎn)能和完善協(xié)同控制設(shè)備實現(xiàn),將貢獻(xiàn) 88.8%的總減排量.2020～2030年,鉛冶煉通過增加再生鉛比例貢獻(xiàn)65.3%的總減排量.

有色金屬冶煉；大氣汞；排放趨勢；預(yù)測

“人為活動的汞排放已經(jīng)明顯改變了全球汞的自然循環(huán),對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅”[1].針對人為源汞排放帶來的全球汞污染問題,2013年10月,《關(guān)于汞的水俁公約》簽署的外交全權(quán)大會在日本舉行.公約附錄 D將“燃煤電廠、燃煤工業(yè)鍋爐、有色金屬生產(chǎn)當(dāng)中使用的冶煉和焙燒工藝、廢物焚燒設(shè)施以及水泥熟料生產(chǎn)設(shè)施”[2]等五個排放源列為大氣汞排放重點管控源.2016年 4月,全國人大常委會批準(zhǔn)汞公約,意味著中國正式進(jìn)入了履約的倒計時.

作為全球大氣汞排放量最大的國家[2-5],中國的汞減排進(jìn)程已經(jīng)成為國際社會關(guān)注的焦點.有色金屬冶煉行業(yè)是中國大氣汞的主要排放源之一.據(jù)估算[4,6-8],該行業(yè)每年約排放中國17～46%的大氣汞.Wu等[7]估算,隨著有色金屬產(chǎn)量的不斷增加,中國有色金屬冶煉大氣汞排放量從 1995年的 202t增加到 2003年的257t;1995年以來,有色金屬冶煉行業(yè)的大氣汞排放量以每年4.2%的速率遞增.Wu等[9]采用物質(zhì)流分析的方法發(fā)現(xiàn),2012年鋅、鉛和銅金屬生產(chǎn)過程的大氣汞排放量達(dá)到100.4t,副產(chǎn)物利用過程的大氣汞排放量達(dá)到 47.8t.隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,有色金屬產(chǎn)量也在不斷增加.其中,鋅、鉛和銅的產(chǎn)量分別從2000年的196萬t、110萬t和137萬t增長到2012年的488萬t、459萬t和588萬 t[10].與此同時,研究者[11-14]在中國少數(shù)有色金屬冶煉廠開展的測試表明,冶煉廠的煙氣污染控制設(shè)備具有協(xié)同脫汞的作用.未來有色金屬冶煉行業(yè)的金屬產(chǎn)量將發(fā)生什么樣的變化？冶煉廠污染控制措施的發(fā)展對大氣汞減排將起到多大的作用？采用何種管控途徑能夠有效控制有色金屬冶煉行業(yè)的大氣汞排放？這些都將是有色金屬冶煉行業(yè)大氣汞履約需要回答的問題.

為確定中國有色金屬冶煉行業(yè)的汞減排潛力并提出相應(yīng)對策,本研究采用情景分析的方法,建立了不同情景下中國有色金屬冶煉行業(yè)的汞排放趨勢,分析了主要污染控制措施對有色金屬冶煉行業(yè)汞減排的貢獻(xiàn),并提出了該行業(yè)的大氣汞減排建議.

1 研究方法

本研究預(yù)測基準(zhǔn)年為2012年.鋅、鉛和銅冶煉基準(zhǔn)年大氣汞排放(包括金屬生產(chǎn)和副產(chǎn)物再利用過程)的最佳估計值分別為97、45和5.5t[9].在此基礎(chǔ)上,沿用以往研究基于工藝過程的大氣汞排放因子模型[9,15],建立精礦消費量、大氣污染控制設(shè)施等相關(guān)參數(shù)的未來情景,從而預(yù)測行業(yè)排放趨勢和減排潛力.

1.1 基于工藝過程的大氣汞排放因子模型

前人對有色金屬冶煉的汞物質(zhì)流[9]和排放特征[15]的研究發(fā)現(xiàn),有色金屬冶煉大氣汞排放的環(huán)節(jié)主要為沸騰爐/焙燒爐/熔煉爐產(chǎn)生的煙氣(簡稱熔煉/焙燒工段主煙氣),同時也包括精礦干燥煙氣、冷卻煙氣、吹煉煙氣、精煉煙氣、回轉(zhuǎn)窯處理浸出渣產(chǎn)生的煙氣等.鋅冶煉產(chǎn)生的銅渣等金屬渣的火法處理過程產(chǎn)生的煙氣、鉛冶煉煙化爐煙氣等均存在大氣汞的排放,由于其排放量基本上都小于 1t[9],因此,本研究預(yù)測未來排放量變化趨勢時不考慮這部分汞排放的變化.本研究重點考慮的工藝過程如下.若相關(guān)工藝無該環(huán)節(jié),則對應(yīng)的釋放率參數(shù)為零.

1.1.1 干燥工段的大氣汞排放 干燥工段的汞輸入量即為精礦汞的輸入量.干燥窯釋放到煙氣中的汞往往只經(jīng)過除塵器收塵.除塵器脫除的煙塵主要為精礦粉塵,可作為焙燒/熔煉工段的原料.因此,可以認(rèn)為干燥工段只有大氣汞的排放.干燥工段的大氣汞的排放量可由式(1)計算得到.

式中:GEd為干燥工段大氣汞排放量,t;i為省份;j為冶煉工藝;Ccom為消耗精礦的汞濃度,μg/g;Mcom為精礦消耗量,萬 t;γd為干燥窯汞的釋放率(取值0.8～1.3)[9],%;ηd為干燥工段除塵器的脫汞效率(取值0.0～40.1)[9],%.消耗精礦汞濃度見1.2.1節(jié).

1.1.2 熔煉/焙燒工段的大氣汞排放 焙燒/熔煉工段的汞輸入量包括干燥精礦及除塵器收集的精礦粉塵的汞輸入.輸入到該工段的汞在焙燒/熔煉爐的高溫過程中釋放到煙氣中,釋放到煙氣的汞主要經(jīng)除塵、凈化(少數(shù)冶煉廠有脫汞)和制酸后排放到大氣.焙燒/熔煉工段的污染控制設(shè)備種類繁多,故不同冶煉廠該工段污染控制設(shè)備的總脫汞效率也不盡相同.因此,模型需考慮到各污染控制設(shè)備的使用比例及其脫汞效率.由于部分冶煉廠將污酸中的酸泥返回到冶煉系統(tǒng)中進(jìn)行處理,本工段還需考慮污酸渣處理產(chǎn)生的大氣汞排放.該工段大氣汞排放量計算如式(2)～(5)所示.

式中:Qs為焙燒/熔煉工段汞輸入量,t;GEs為焙燒/熔煉大氣汞排放量,t;;Iwa為輸入污酸的汞量,t; GEwa為污酸處理過程的大氣汞的排放量,t;γs為焙燒/熔煉爐的煙氣汞釋放率(取值 97.7～99.4)[9],%;m為焙燒/熔煉工段的污染控制設(shè)備組合的類型(見1.3.2節(jié));θ為焙燒/熔煉工段各類污染控制設(shè)備種類的使用比例(見1.3.2節(jié)),%;η為焙燒/熔煉工段污染控制設(shè)備組合的脫汞效率,%.脫汞效率取值見1.2.2節(jié);若無安裝相應(yīng)污染控制設(shè)備,則脫汞效率為零; ηdc和ηfgs+esd分別為焙燒/熔煉工段的除塵器組合及煙氣凈化系統(tǒng)的脫汞效率,分別取值為12.0%和82.5%[9];ηset為污酸沉降工段的脫汞效率,取值 38.6%[9]; θset為返回焙燒/熔煉爐的汞占污酸渣輸出汞的比例,2012年鋅、鉛和銅冶煉返回比例分別為34.2%、61.9%和 29.2%[9];污酸渣回爐的煙氣脫汞效率為88.0%[9].

1.1.3 吹煉工段的大氣汞排放 吹煉和精煉工段的汞排放與干燥工段類似.吹煉工段需考慮溢出煙氣的大氣汞排放.吹煉煙氣中的汞經(jīng)除塵器除塵后排放到大氣中.除塵器收集的煙塵返回系統(tǒng)或外售.外售的吹煉塵主要是銅冶煉砷濃度較高的白塵,這部分塵占吹煉塵的比例小.因此,本研究在設(shè)計模型時假定所有吹煉煙塵均返回系統(tǒng).吹煉過程的汞輸入量及大氣汞排放量可由式(6)～(8)計算得到.鋅冶煉焙燒金屬濕法煉鋅工段的吹煉過程特指浸出凈化過程,該過程可認(rèn)為沒有大氣汞的排放.但是,該過程產(chǎn)生的浸出渣用于回收氧化鋅是重要大氣汞排放節(jié)點.因此,該環(huán)節(jié)需要考慮進(jìn)入浸出渣的汞量,見式(8).

式中:Qe為吹煉工段的汞輸入量,t;GEe為吹煉工段的大氣汞排放量,t;γe為吹煉爐的煙氣汞釋放率(取值0.0～89.1)[9],%;ηe為吹煉煙氣污染控制設(shè)備的脫汞效率(取值 0.0～40.1)[9],%;ξof為進(jìn)入溢出煙氣的汞占釋放的煙氣汞的比例(取值 0.1～1.0)[9],%;ξss為從爐體排放出冶煉系統(tǒng)的渣所含汞的比例(取值 0.0～1.8)[9],%;θx為浸出凈化過程進(jìn)入浸出渣的汞的比例(取值22.0)[9],%.

1.1.4 精煉工段的大氣汞排放 鋅冶煉精煉工段大氣汞排放主要是火法煉鋅工藝中粗鋅精煉為鋅錠時產(chǎn)生.鉛冶煉精煉工段大氣汞排放主要在粗鉛除銅時產(chǎn)生.銅冶煉精煉工段大氣汞排放主要是將粗銅精煉為陽極銅時產(chǎn)生.精煉煙氣可用除塵器除塵或用洗滌液凈化.該工段的汞輸入量和大氣汞排放量如式(9)～(10)所示.

式中:Qr為精煉工段的汞輸入量,t;GEr為精煉工段大氣汞的排放量,t;γr為精煉工段煙氣汞的釋放率(取值0.0～60.0)[9],%;ηr為精煉工段煙氣污染控制設(shè)備的脫汞效率(取值 0.0～40.1)[9],%;ξes為從爐體排放出冶煉系統(tǒng)的渣或產(chǎn)品所含汞的比例(取值0.0～39.4)[9],%.

1.1.5 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的大氣汞排放 浸出渣處理時的,除塵器收集下的煙塵往往送入多膛爐除氟氯造成煙塵中汞的再釋放.因此,本研究將回轉(zhuǎn)窯煙氣除塵及多膛爐對煙塵的再處理過程等效為回轉(zhuǎn)窯煙氣的除塵過程,除塵器脫汞效率參數(shù)取等效后的參數(shù).在清單計算中,浸出渣處理過程的煙氣處理均含除塵過程,但是僅大型冶煉廠考慮煙氣脫硫.

式中:GEls為浸出渣處理過程進(jìn)入大氣的汞量,t; Ils為浸出渣中的汞輸入量,t;γls為回轉(zhuǎn)窯處理浸出渣的汞釋放率(取值93.2),%[9];ηdc和ηds分別為除塵過程和煙氣脫硫系統(tǒng)的脫汞效率(分別取值4.3和38.5),%;θds為浸出渣處理過程煙氣脫硫系統(tǒng)的安裝比例(2012年取值 36.8,未來發(fā)展趨勢見表2),%.

1.2 模型關(guān)鍵參數(shù)的確定

1.2.1 消耗精礦的汞濃度 消耗精礦的汞濃度主要根據(jù)各省生產(chǎn)精礦及進(jìn)口精礦的汞濃度和跨省傳輸矩陣進(jìn)行計算.生產(chǎn)和進(jìn)口精礦的汞濃度數(shù)據(jù)及詳細(xì)計算過程來自Wu et al., (2016)的研究成果[9].精礦進(jìn)口和跨省傳輸矩陣沿用以往研究[15].本研究得到各省消耗精礦汞濃度如圖 1所示.

1.2.2 大氣污染控制設(shè)備組合脫汞效率 基于現(xiàn)場測試的結(jié)果[11-14]獲得焙燒/熔煉工段污染控制設(shè)備組合脫汞效率如表 1所示.焙燒浸出濕法煉鋅工藝的焙燒/熔煉煙氣經(jīng)除塵器組合去除的煙塵,主要進(jìn)入浸出工序.因此,計算污染控制設(shè)備組合的脫汞效率時,考慮了除塵器組合的脫汞效率.豎罐煉鋅和電爐煉鋅等少數(shù)工藝的焙燒煙塵雖然不適宜回爐,但是受煙塵再利用技術(shù)的限制,冶煉廠依舊將大部分煙塵返回焙燒爐.本研究假定這些工藝的煙塵全部返回焙燒爐.鋅冶煉其他工藝及鉛、銅冶煉工藝的焙燒/熔煉煙氣收集的煙塵主要返回熔煉爐/焙燒爐,煙塵中的汞重新釋放到煙氣中.因此,本研究計算時不考慮這些工藝的除塵器組合的脫汞效率.大部分鉛鋅冶煉廠主要使用類型6的煙氣污染控制設(shè)備組合,從表

1可以看出,該組合煙氣脫汞效率為 97.4%或96.8%.銅冶煉廠主要使用類型6、類型8和類型9的污染控制設(shè)備組合,脫汞效率分別為96.8%、96.8%和97.5%.隨著國家對SO2排放限值的提高,鋅、鉛冶煉通過在焙燒/熔煉煙氣后安裝濕法煙氣脫硫系統(tǒng),從而促使煙氣脫汞效率增加到97.5%～98.8%.若國家加強(qiáng)煙氣脫汞,冶煉廠安裝專門脫汞設(shè)備后的整體脫汞效率將達(dá)到 99.7%～99.8%.

圖1 消耗鋅、鉛、銅精礦的汞濃度Fig.1 Mercury concentration in the consumed zinc, lead and copper concentrates

表1 焙燒/熔煉大氣污染控制設(shè)備組合脫汞效率(%)Table 1 Mercury removal efficiency of air pollution control devices for roasting/smelting process (%)

續(xù)表1

1.3 未來情景設(shè)定

1.3.1 精礦消費量發(fā)展情景 將精礦消費量發(fā)展情景分為高精礦消費量發(fā)展情景(HCC)和低精礦消費量發(fā)展情景(LCC).精礦消耗量主要取決于金屬的消費量及礦產(chǎn)金屬產(chǎn)量占金屬總產(chǎn)量的比例.有色金屬消費的發(fā)展趨勢,既受市場演化的影響,也受國家政策調(diào)控.已有研究

[16-17]表明,工業(yè)化進(jìn)程中礦產(chǎn)資源消費水平(人均礦產(chǎn)資源消費量)隨工業(yè)化的進(jìn)行呈“S”型發(fā)展規(guī)律;礦產(chǎn)資源消費強(qiáng)度(單位產(chǎn)值礦產(chǎn)資源消費量)隨工業(yè)化的進(jìn)行呈倒“U”型變化.在消費強(qiáng)度達(dá)到峰值時,消費水平增速最快.基于礦產(chǎn)資源增長的規(guī)律,本研究采用嶺回歸模型,定量預(yù)測2020年和2030年中國鋅、鉛和銅的消費量.在此基礎(chǔ)上,通過對比分析中美鋅、鉛和銅自給率的發(fā)展趨勢和金屬生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,結(jié)合《中國至 2050年礦產(chǎn)資源科技發(fā)展路線圖》[18]中相關(guān)指標(biāo),預(yù)測中國礦產(chǎn)鋅、鉛和銅的產(chǎn)量,從而計算精礦消耗量.

1.3.2 大氣污染控制情景 本研究假設(shè)大氣污染控制的基準(zhǔn)情景(BAU)為未來有色金屬冶煉行業(yè)的大氣污染控制保持2012年的法律法規(guī)不變,大中型冶煉廠逐步落實《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[19]和《銅、鎳、鈷污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[20]的相關(guān)要求.政策控制情景(EEC)情景假設(shè)先進(jìn)的大氣污染控制技術(shù)在有色金屬冶煉行業(yè)逐漸廣泛應(yīng)用,《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[19]《銅、鎳、鈷污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[20]《鉛鋅冶煉工業(yè)污染防治技術(shù)政策》[21]和《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》[22]的控制要求都能達(dá)到.加嚴(yán)控制情景(ACT)假設(shè)先進(jìn)大氣污染控制技術(shù)得到推廣,從2020年到2030年專門的脫汞技術(shù)開始較大規(guī)模使用.鋅冶煉廠的大氣汞污染控制措施主要針對焙燒/熔煉煙氣和回轉(zhuǎn)窯煙氣;鉛和銅冶煉煙氣的控制主要針對焙燒/熔煉煙氣;其他煙氣的污染控制假設(shè)維持2012年的水平.不同控制情景下,各種大氣污染控制設(shè)施組合的安裝比例如表2所示.

表2 大氣污染控制設(shè)備組合的使用比例(%)Table 2 Scenarios of application rate of different air pollution control device combinations (%)

續(xù)表2

表3 鋅、鉛和銅冶煉污酸中的汞進(jìn)入大氣的比例(%)Table 3 Percentage of mercury distribution to air of total mercury in the waste aicd (%)

1.3.3 污酸污染控制情景 污酸污染控制包括完善污酸處理工藝和加強(qiáng)污酸處理渣處置的管控.本研究假設(shè)污酸污染控制的BAU情景為污酸處理工藝及處理渣處置措施保持 2012年的的法律法規(guī)不變.企業(yè)逐步落實《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[19]和《銅、鎳、鈷污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[20]的相關(guān)要求.2020年,鋅、鉛和銅冶煉污酸采用生物制劑法等高效脫汞技術(shù)的比例分別上升到 50%、40%和 90%;2030年的應(yīng)用比例分別為70%、50%和100%.在BAU情景下,污酸渣回爐的比例維持2012年水平.EEC情景下,隨著大氣污染控制設(shè)施逐漸完善,污酸處理渣回爐導(dǎo)致的大氣汞排放量也有所下降.ACT情景下,國家禁止污酸處理渣返回焙燒/熔煉過程,污酸處理渣處置過程沒有大氣汞的排放.通過綜合考慮污酸處理工藝和污酸處理渣處置方式的變化,本研究計算得到不同情景下鋅、鉛和銅冶煉污酸中的汞進(jìn)入大氣的比例如表3所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 有色金屬精礦消費量預(yù)測

根據(jù)《中國工業(yè)化進(jìn)程報告》[23],中國工業(yè)化可分為以下三個階段:1950～2000年,工業(yè)化早期;2001～2010年,工業(yè)化中期;2011年后逐步步入工業(yè)化后期,并在2020～2025年左右完成工業(yè)化.圖2顯示,中國有色金屬的消費水平在工業(yè)化早期雖然有一定的提升,但是增長緩慢;有色金屬的消費強(qiáng)度在工業(yè)化早期接近結(jié)束時,開始顯著上升.2000～2010年間,鋅、鉛和銅消費強(qiáng)度分別在2005、2005和2003年達(dá)到峰值.根據(jù)礦產(chǎn)資源消費規(guī)律,在消費強(qiáng)度達(dá)到峰值時,消費水平增速最快.由此可見,2000～2010間,有色礦產(chǎn)資源的消費水平已經(jīng)進(jìn)入快速增長期,但是消費水平的峰值尚未達(dá)到最大.觀察美國工業(yè)化進(jìn)程可以發(fā)現(xiàn)(圖3),美國的鋅消費強(qiáng)度也出現(xiàn)在工業(yè)化中期.這與中國的發(fā)展類似.美國的鋅消費水平經(jīng)歷中期的快速發(fā)展后,在工業(yè)化后期即將結(jié)束時達(dá)到峰值.因此,本研究認(rèn)為,中國鋅冶煉的消費水平將在2020年左右達(dá)到峰值.基于中國鋅、鉛和銅1953～2010年間的消費規(guī)律,本研究認(rèn)為在部門能源消費演化過程中,三種金屬屬于同一梯隊.因此,三種資源消費水平快速增長的起飛點和轉(zhuǎn)折點將在接近的時間內(nèi)出現(xiàn).本研究在計算時假定鋅、鉛和銅消費水平峰值分別出現(xiàn)在2020年、2020年和2018年.2020年后,有色金屬消費水平將于一定時間內(nèi)在峰值附近震蕩;2030年,鋅、鉛和銅消費水平將與2020年的消費水平大致持平.基于嶺回歸預(yù)測模型[16],本研究預(yù)測得到鋅、鉛和銅2020的消費量分別為820萬t、790萬t和1500萬t.

圖2 中國鋅、鉛、銅消費水平和消費強(qiáng)度變化趨勢[10,24]Fig.2 Trends of consumption level and intensity of zinc, lead, and copper in China[10,24]

圖3 美國鋅消費水平和消費強(qiáng)度變化趨勢[24-25]Fig.3 Trends of consumption level and intensity of zinc in the USA[24-25]

從中國有色金屬的自給率(產(chǎn)量與消費量的比值,圖4)看,中國銅金屬長期處于產(chǎn)量不足的情況.鋅、鉛冶煉行業(yè)經(jīng)歷2000年前后的產(chǎn)能急劇擴(kuò)張后,到 2010年逐步恢復(fù)到理性水平,自給率分別為 93%和 103%.隨著中國大部分地區(qū)進(jìn)入工業(yè)化后期,中國相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高及中國鋅、鉛和銅資源儲量的不足將進(jìn)一步降低金屬的自給率.2020年,鋅、鉛和銅的自給率預(yù)計分別為70%～80%、80%～90%和60%～80%;2030年,鋅、鉛和銅的自給率水平分別為 65%～75%、70%～80%和60%～80%.

圖4 中國有色金屬自給率變化趨勢Fig.4 Trends of metal self - sufficiency rate in China

從有色金屬的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)看,美國再生鋅比例在工業(yè)化中后期變化不大,再生鉛比例從中期到后期結(jié)束均處于不斷上升的趨勢,而再生銅比例起伏較大.這種變化趨勢與中國工業(yè)化中期以來的發(fā)展趨勢比較一致(圖5).這種趨勢將有可能延續(xù)到中國完成工業(yè)化甚至更久.出現(xiàn)這種趨勢主要受到再生鋅、鉛和銅的原料來源的影響.鋅主要應(yīng)用于鍍鋅、鋅錳電池等.這些下游應(yīng)用基本不以鋅為主成分.因此,鋅只能在回收鋅制品的主成分時才得以回收.這就導(dǎo)致鋅的回收存在很大難度[26].中國鋅產(chǎn)品有 50%以上用于鋼材鍍鋅,但是中國鍍鋅鋼材重熔體系尚不完善[27].此外,中國目前仍處于廢鋼資源緊缺階段,在2017年后甚至更長的時間里,才有可能進(jìn)入廢鋼高產(chǎn)期[28].美國再生鋅的比例一直到完成工業(yè)化接近30年才開始上升.因此,在中國工業(yè)化進(jìn)程完成前,預(yù)計中國再生鋅比例基本不變,2030年再生鋅比例在5%～10%之間.中國再生鉛原料85%以上來自廢鉛蓄電池,原料來源相對集中且鉛蓄電池的淘汰周期短[29].隨著中國再生鉛回收體系的展開,中國再生鉛產(chǎn)能和產(chǎn)量均不斷增加.《有色金屬工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》[30]和《關(guān)于促進(jìn)鉛酸蓄電池和再生鉛產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展的意見》[31]均提出,2015年中國再生鉛比例超過 40%.按照美國再生鉛產(chǎn)量的發(fā)展趨勢以及中國一系列再生鉛政策,預(yù)計2020年中國再生鉛比例將在40%～50%左右;到 2030年,中國再生鉛比例將達(dá)到65%～75%.中國再生銅行業(yè) 2000年來以來有了較快的發(fā)展.2000～2010年,中國再生銅比例從25%增加到 35%.《再生有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃》[32]提出,到2015年,再生銅比例將達(dá)到40%左右.然而,中國當(dāng)前再生銅的原料有2/3來自進(jìn)口廢雜銅.進(jìn)口廢雜銅在相當(dāng)長一段時間,都將會是中國再生銅行業(yè)原料的主要來源[33-35].隨著世界各國對再生資源日益重視,廢銅輸出國對優(yōu)質(zhì)資源的保護(hù)力度將不斷加大[36].在中國進(jìn)入廢銅高產(chǎn)期前,中國再生銅比例將維持在目前水平波動[34].預(yù)計在2020年,中國再生銅比例在40%左右;2030年,中國再生銅比例達(dá)到50%左右.

圖5 美國和中國再生金屬比例發(fā)展趨勢對比Fig.5 Trends of proportion of secondary metals production

圖6 不同情境下的精礦消費量Fig.6 Concentrates consumption under different scenarios

本研究假設(shè)金屬含量和冶煉過程的金屬回收率維持在2012年水平.結(jié)合有色金屬消費量、金屬自給率和再生金屬比例發(fā)展趨勢,本研究預(yù)測2020年和2030年的精礦消耗情景如圖6所示.其中,2030年,鋅、鉛和銅精礦的消費量將分別為480～590萬t,140～320萬t,和440～530萬t.

2.2 有色金屬冶煉行業(yè)大氣汞排放趨勢

從整體上分析,有色金屬冶煉行業(yè)所有控制情景下的大氣汞排放量均低于2012年的排放水平(圖 7(a)).在 HCC情景下,2012年至 2020年,BAU、EEC和ACT控制情景下的大氣汞的排放量,將比 2012年分別降低 24.5%、33.3%和44.2%.其中,在 BAU情景下,鋅冶煉和鉛冶煉大氣汞排放量分別減少了 13.0%和 65.4%;而銅冶煉則增加了95.0%.在EEC和ACT情景下,同樣出現(xiàn)鋅、鉛冶煉大氣汞排放量減少而銅冶煉增加的情況.在未來八年內(nèi),中國有色金屬冶煉行業(yè)大氣污染控制設(shè)備的改善,將對大氣汞減排起到?jīng)Q定性作用.鋅、鉛冶煉汞輸入量遠(yuǎn)高于銅冶煉行業(yè),落后產(chǎn)能比例高,污染控制設(shè)備相對銅冶煉的差,大氣汞減排空間大.另一方面,《鉛鋅冶煉工業(yè)污染防治技術(shù)政策》[21]要求含汞廢物作為配料時,先回收汞再進(jìn)行鉛鋅熔煉.這也一定程度上限制了含汞污酸渣、硫化渣的回爐熔煉,降低了大氣汞的排放.2020–LCC–ACT情景下的大氣汞排放量將比2012年減少55.1%.其中,鋅冶煉和鉛冶煉的大氣汞減排量將分別達(dá)到為 48.0t和 34.5t,銅冶煉則增加了0.4t.與2012年相比,在HCC發(fā)展情景下,2030年大氣汞的排放量將減少51.4%～74.6%.在LCC情景下,2020年和2030年的大氣汞排放量將比HCC情景下的排放量分別降低 21.1%和 33.9%.這反映了未來通過行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提高再生金屬的產(chǎn)量,將有利于降低中國大氣汞的整體排放.在 2030–LCC–ACT情景下,大氣汞的排放量將減少122.3t,比2012年的排放降低 82.5%,這反映了未來中國有色金屬冶煉行業(yè)大氣汞排放的最大減排潛力.其中,鋅、鉛和銅冶煉的大氣汞排放量將分別減少77.8t、42.7t和1.8t.這說明,未來大氣汞減排空間最大的行業(yè)為鋅冶煉行業(yè)和鉛冶煉行業(yè).

圖7 分行業(yè)大氣汞排放趨勢(20、30分別為2020年和2030年,H和L分別為HCC和LCC發(fā)展情景;B、E和A分別為BAU、EEC和ACT控制情景)Fig.7 Atmospheric mercury emissions by sector (20 and 30 refer to the year of 2020 and 2030; H and L refer to HCC and LCC scenario; B, E, and A refer to BAU, EEC, and ACT scenario, respectively)

2.3 有色金屬冶煉行業(yè)大氣汞減排效果分析

綜合考慮技術(shù)可行性和《關(guān)于汞的水俁公約》的要求,本研究以 LCC–EEC情景作為未來發(fā)展的目標(biāo)排放情景,重點研究焙燒/熔煉煙氣污染控制、回轉(zhuǎn)窯煙氣污染控制、污酸污染控制和行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整四項措施對大氣汞減排的效果.其中,由于淘汰落后產(chǎn)能減少的汞排放量算入焙燒/熔煉煙氣污染控制中;行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指增加再生金屬在行業(yè)結(jié)構(gòu)的比重.

2.3.1 鋅冶煉行業(yè)汞減排效果分析 由圖 8可以看出,在維持2012年各項污染控制措施不變的情況下,2020年中國鋅冶煉行業(yè)的大氣汞排放量將達(dá)到134.5t,比2012年的排放量增加37.1t.反之,采取相應(yīng)的污染控制措施后,2020年鋅冶煉大氣汞排放量將比不采取控制措施減少74.1t.從圖8可以看出,在 2012～2020年,焙燒/熔煉煙氣污染控制將減少大氣汞排放量 51.0t,占削減總量的68.8%.此外,工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整將減少大氣汞排放量13.7t,占削減總量的18.5%.2012～2020年間,對污酸污染的控制以及對回轉(zhuǎn)窯煙氣污染的控制,將分別削減3.1t和6.3t大氣汞,占削減總量的4.2%和 8.5%.相比于不采取措施的情況,采取控制措施后 2030年的大氣汞排放量將削減 38.6t,其中熔煉/焙燒煙氣的污染控制以及鋅冶煉行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整將分別削減23.9t和12.1t大氣汞.污酸污染控制和回轉(zhuǎn)窯煙氣污染控制將分別削減 1.3t和1.4t大氣汞.由此可見,無論是2012～2020還是2020～2030年,鋅冶煉大氣汞減排的重心都將在控制焙燒/熔煉煙氣的排放上.2012～2020年間,焙燒/熔煉煙氣的污染控制主要體現(xiàn)在落后產(chǎn)能的淘汰和新建產(chǎn)能對整個行業(yè)污染控制水平的整體提高.2020～2030年間,焙燒/熔煉煙氣的污染控制主要體現(xiàn)在所有企業(yè)均達(dá)到《鉛鋅工業(yè)污染物排放限值》中對SO2的排放要求,焙燒/熔煉煙氣安裝煙氣脫硫系統(tǒng)的比例進(jìn)一步提高.與此同時,大型鋅冶煉企業(yè)逐步使用專門脫汞技術(shù)也促進(jìn)了鋅冶煉大氣汞的削減.

2.3.2 鉛冶煉行業(yè)汞減排效果分析 由圖9可以看出,在維持2012年各項污染控制措施不變的情況下,2020年中國鉛冶煉行業(yè)的大氣汞排放量將達(dá)55.3t,比2012年的排放量增加10.0t.對污染進(jìn)行控制后,2020年的鉛冶煉大氣汞排放量將減少 44.5t.在 2012～2020年間,焙燒/熔煉煙氣污染控制是鉛冶煉大氣汞減排的主要措施.焙燒/熔煉煙氣的污染控制將減少鉛冶煉大氣汞排放量39.5t,占削減總量的88.8%.2012～2020年間,行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對該行業(yè)汞減排僅貢獻(xiàn) 3.7t的削減量.這段期間,雖然國家提高了對再生鉛冶煉行業(yè)的重視,但是精鉛產(chǎn)量的增加速度仍舊高于再生鉛比例的提高速度.因此,鉛冶煉的汞輸入量仍舊增加了22.0%.相比2020年,2030年的大氣汞排放量將削減 4.1t,其中鉛冶煉行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整將削減 65.3%的大氣汞排放.2020～2030年間,再生鉛的比例進(jìn)一步提高,與此同時,中國精鉛總產(chǎn)量沒有太大的上升空間.因此,減少的礦產(chǎn)鉛產(chǎn)量將降低中國鉛冶煉行業(yè)的總汞輸入量,從而使得鉛冶煉大氣汞排放量降低.焙燒/熔煉煙氣將降低1.0t的大氣汞排放量.焙燒/熔煉煙氣對大氣汞的削減,主要受益于鉛冶煉行業(yè) SO2控制的協(xié)同除汞.

圖8 不同控制措施對鋅冶煉的大氣汞減排效果Fig.8 Mercury reduction under different measures in zinc smelters

2.3.3 銅冶煉行業(yè)汞減排效果分析 銅冶煉汞減排的效果顯示,在維持2012年各項污染控制措施不變的情況下,2020年中國銅冶煉行業(yè)的大氣汞排放量將達(dá)到 11.6t,比 2012年的排放量增加 5.5t.與沒有采取污染控制措施相比,采取措施后2020年銅冶煉大氣汞排放量將減少5.5t.從圖10可以看出,2012～2020年,焙燒/熔煉煙氣污染控制、污酸污染控制和行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整將分別貢獻(xiàn)30.3%、8.6%和61.1%的大氣汞總減排量.工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是銅冶煉行業(yè) 2012～2020年間最主要的大氣汞減排動力.2012年,銅冶煉的焙燒/熔煉煙氣污染控制設(shè)施已經(jīng)相對比較完善,落后污染控制設(shè)備的使用比例僅占 1.1%.2012～2020年間,SO2控制對銅冶煉大氣汞減排的作用極其有限.一方面,銅冶煉目前主要使用的脫硫技術(shù)為活性焦干法脫硫,這種方法的脫汞效率較低[37];另一方面,2012年焙燒/熔煉煙氣安裝煙氣脫硫系統(tǒng)的比例已經(jīng)達(dá)到 49.1%,再提升的空間比其他兩個行業(yè)低.因此,通過完善協(xié)同脫汞設(shè)備對銅冶煉大氣汞減排的作用不大.2020～2030年間,維持2020年的污染控制設(shè)施,2030年的大氣汞排放量將達(dá)到 8.1t.相關(guān)污染控制措施的使用將削減大氣汞排放量約 3.6t.其中,銅冶煉行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大氣汞減排量占總減排量的 72.5%.焙燒/熔煉煙氣的污染控制將使得大氣汞減排0.9t.2020～2030年,通過調(diào)整銅冶煉行業(yè)結(jié)構(gòu)降低銅冶煉汞輸入量,是減少銅冶煉大氣汞排放量的主要方法.

圖9 不同控制措施對鉛冶煉的大氣汞減排效果Fig.9 Mercury reduction under different measures in lead smelters

由此可見,2012～2020年間,鋅、鉛冶煉主要通過淘汰落后產(chǎn)能和加強(qiáng)煙氣制酸及脫硫從而控制焙燒/熔煉煙氣的汞排放,進(jìn)而實現(xiàn)鋅、鉛大氣汞的減排;銅冶煉則主要通過加強(qiáng)對再生銅產(chǎn)業(yè)的建設(shè),完善廢雜銅回收機(jī)制.2020～2030年間,鋅冶煉的大氣汞減排主要通過安裝專門脫汞技術(shù),而鉛、銅冶煉則需要繼續(xù)加強(qiáng)對再生產(chǎn)業(yè)的扶持,進(jìn)一步建設(shè)鉛蓄電池和廢雜銅的回收體系.

圖10 不同控制措施對銅冶煉的大氣汞減排效果Fig.10 Mercury reduction under different measures incopper smelters

2.4 有色金屬冶煉行業(yè)汞污染控制實施路徑

為實現(xiàn)有色金屬冶煉行業(yè)的大氣汞減排目標(biāo),有色金屬冶煉行業(yè)汞污染控制可從以下幾個方面進(jìn)行.

行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整:這個措施需要結(jié)合有色金屬冶煉行業(yè)發(fā)展的特點,增加再生有色金屬冶煉企業(yè)的產(chǎn)量在有色金屬供應(yīng)中的比例,減少有色金屬行業(yè)對礦石資源的依賴.隨著中國有色金屬制品報廢周期的到來,國家應(yīng)該逐步完善有色金屬制品回收體系,有色金屬冶煉行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對有色金屬資源,特別是以鉛蓄電池為代表的冶煉制品的回收和利用.未來有色金屬冶煉行業(yè),應(yīng)由以礦產(chǎn)金屬生產(chǎn)企業(yè)為主導(dǎo)向再生資源利用企業(yè)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變.

大氣污染控制措施的實施:大氣污染控制設(shè)備的改善主要得益于對落后產(chǎn)能的淘汰和對顆粒物、SO2等大氣污染物的排放控制.落后產(chǎn)能的焙燒/熔煉煙氣主要采用除塵、洗滌或除塵+洗滌的煙氣污染控制組合.因此,落后產(chǎn)能的淘汰將同時減少落后煙氣污染控制設(shè)備的使用.取代落后產(chǎn)能的冶煉工藝需滿足《鉛鋅行業(yè)規(guī)范條件》和《銅冶煉行業(yè)規(guī)范條件》的相關(guān)要求,焙燒/熔煉煙氣需進(jìn)行除塵和雙轉(zhuǎn)雙吸制酸后再排放.為實現(xiàn)各行業(yè)對 SO2排放限值的要求,冶煉廠需根據(jù)SO2的排放濃度安裝煙氣脫硫系統(tǒng).采用濕法脫硫技術(shù)需防范脫硫副產(chǎn)物的二次污染.對于尾氣汞濃度無法達(dá)標(biāo)的冶煉廠,在原料來源允許的條件下,可使用低汞濃度的精礦減少冶煉廠汞的輸入量.對于采用高汞精礦的企業(yè),建議安裝專門的煙氣脫汞設(shè)施減少尾氣汞排放.

污酸/開路廢酸污染的控制:污酸處理應(yīng)采用生物制劑法等脫汞效率高的技術(shù),減少污酸處理后排放水的汞濃度.對于汞濃度超過10mg/g的污酸處理渣,應(yīng)回收處理渣中的汞.對于汞濃度超過10 μg/g的污酸處理渣,不得送入無煙氣汞回收裝置的火法冶煉過程.對于當(dāng)前技術(shù)條件下無法實現(xiàn)回收利用的污酸處理危廢渣應(yīng)進(jìn)行無害化處置.污酸處理渣再利用的尾氣和排放水汞濃度應(yīng)低于《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《銅、鎳、鈷工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放限值.

3 結(jié)論

3.1 本研究采用嶺回歸模型,結(jié)合精礦自給率、再生金屬比例未來發(fā)展趨勢,預(yù)測了 2020年和2030年鋅、鉛和銅精礦消費量.其中,2030年,鋅、鉛和銅精礦的消費量將分別為 480～590萬 t, 140～320萬t,和440～530萬t.

3.2 基于行業(yè)發(fā)展情景和污染控制情景,本研究預(yù)測未來有色金屬冶煉行業(yè)大氣汞的最大減排潛力為122.3t.鋅、鉛和銅冶煉的大氣汞排放量將分別減少77.8t、42.7t和1.8t.

3.3 2020年和2030年,鋅冶煉通過完善大氣污染控制措施將分別減少51.0t和23.9t的大氣汞排放量.銅冶煉通過增加再生銅的產(chǎn)量比例將分別減少61.1%和72.5%的大氣汞排放量.2020年前,鉛冶煉通過淘汰落后產(chǎn)能和完善協(xié)同控制設(shè)備,將貢獻(xiàn)該行業(yè)88.8%的減排量.2020至2030年,鉛冶煉通過增加再生鉛比例,將貢獻(xiàn) 65.3%的總減排量.

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[31] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部,環(huán)境保護(hù)部,商務(wù)部,等.關(guān)于促進(jìn)鉛酸蓄電池和再生鉛產(chǎn)業(yè)規(guī)范發(fā)展的意見 [M]. 北京:工業(yè)和信息化部, 2013.

[32] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部,科學(xué)技術(shù)部,財政部.再生有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃 [M]. 北京:工業(yè)和信息化部, 2011.

[33] 盧 建.中國再生銅行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J]. 資源再生, 2010,(1):20-22.

[34] 王安寧,奉 喬,薛宇弘.中國再生銅鋁產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 [J]. 中國有色金屬, 2011,(9):38-39.

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[36] 徐庭芳.原料制約再生銅 [J]. 中國金屬通報, 2011,(35):16-17.

[37] 吳清茹.中國有色金屬冶煉行業(yè)汞排放特征及減排潛力研究[D]. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京, 2015.

致謝：本研究工作得到有色金屬工業(yè)協(xié)會和環(huán)境保護(hù)部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心的協(xié)助,在此表示感謝.

Projections of atmospheric mercury emission trends in China’s nonferrous metalsing industry.

WU Qing-ru1,2, WANG Shu-xiao1,2*, WANG Yu-jing3(1.State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Sources and Control of Air Pollution Complex, Beijing 100084, China；3.Solid Waste and Chemicals Management Technology Center of Ministry of Environmental Protection of China, Beijing 100029, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2401～2413

This study predicted the atmospheric mercury emission trends of China’s nonferrous metal smelting industry under different scenarios and analyzed the contributions of main emission abatement measures. The mercury reduction potential in 2030 will reach 122.3t, which is 82.9% of the emissions in 2012. Atmospheric mercury emissions from zinc, lead, and copper smelters will be reduced by 77.8, 42.7, and 1.8t, respectively. To achieve the emission reduction of atmospheric Hg, zinc smelters will mainly improve air pollution control devices. Atmospheric mercury emissions will reduce 51.0 and 23.9t through this measure by 2020 and 2030. Copper smelters will largely replace primary production with secondary production to reduce mercury emissions. The reduction proportion will reach 61.1% and 72.5% by 2020 and 2030 through this measure. For the emission control of lead smelters, the major measures are to eliminate the backward production capacity and to improve air pollution control devices before 2020, contributing to 88.8% of total emission reduction. During 2020～2030, increasing the proportion of secondary production will be the most effective measures for lead smelters and will contribute to 65.3% of total emission reduction.

nonferrous metal smelting；atmospheric mercury；emission trend；projection

X511

A

1000-6923(2017)07-2401-13

吳清茹(1987-),女,福建泉州人,助理研究員,博士,主要從事大氣污染物排放清單、物質(zhì)流研究.發(fā)表論文20余篇.

2016-12-12

國家“973”項目(2013CB430001);國家自然科學(xué)基金項目(21607090)

* 責(zé)任作者, 教授, shxwang@tsinghua.edu.cn