跨境氧化锌富集物能耗和收益分析及其应用前景

封亚辉 严文勋 潘生林 戴东情 许仁富 查燕青 王 慧

(南京海关工业产品检测中心，南京 210001)

前言

跨境可再生矿冶资源是补充我国资源短缺的重要原料，特别是对于我国当前最新确立的碳达峰、碳中和发展规划目标，做好资源的高效利用，可以统筹做好国内和进口资源产品的平衡利用，达到优化资源利用结构的目的。随着再生资源利用技术的进步和产业需求，矿冶产品的再生利用范围将会不断扩充[1]。

最近十多年来，我国再生锌冶炼技术在原生锌冶炼的基础上不断创新、进步，处理复杂物料的能力显著提升，涌现了一批成功将技术创新成果转化为大规模生产项目的企业，为实现锌资源的循环利用提供强有力的技术支撑，其中，氧化锌富集物即是代表性产品之一。氧化锌富集物属于典型的再生锌冶炼原料，通常为炼铅炉渣、铜烟灰、炼钢烟尘，高炉瓦斯灰(泥)和用以上二次物料经火法冶金设备富集而成，主要包括锌浸出渣氧化锌富集物，铅烟化炉氧化锌富集物，电炉灰氧化锌富集物和瓦斯灰(泥)氧化锌富集物等类型。符合利用要求、品级良好的氧化锌富集物已成为我国大量进口的二次含锌物料，可替代锌矿作为锌冶炼原料，这对于缓解我国锌资源供应不足、降低国内含锌产品行业生产成本、减轻环境影响具有积极意义。

在考虑资源化利用的同时，科学评估氧化锌富集物资源再利用过程的低碳节能、利用效率和资源化价值，可为我国统筹做好国内氧化锌富集物资源再利用和进口管控政策提供决策支持和参考。合理利用氧化锌富集物可减少原生锌矿的开采和利用，但跨境氧化锌富集物的运输、存储和生产加工过程会消耗物料、造成能耗和环境排放，资源化利用价值需要科学评估。本文围绕跨境产品特定的生命周期过程(包括国际运输、海关查验、国内运输、初级产品加工4个环节)，研究分析基于生命周期视角的综合能耗(包括产量能耗、产值能耗、投入能耗)，并对比分析基于国内CLCD数据库的eFootprint系统的生命周期能耗，同时计算分析对应收益(包括经济收益和环境收益)，以该过程的能耗和收益分析为依据，为其它可再生矿冶产品资源利用价值评估提供技术支撑，并对其应用前景作了简要介绍。

1 氧化锌富集物能耗和收益分析

1.1 能耗评估

基于对能耗的分析研究，可将能耗评估主要类型归为如下几种：单位产量能耗、单位产值能耗、单位投入能耗、生命周期能耗、基于生命周期视角的综合能耗等。

前三种类型一般可归为传统综合能耗范畴，源于国标及经济和生产效率条件下的能耗表现，其中单位产量能耗为主要基准类型，应用最为普遍，以产量能耗表达的综合能耗值评估如式(1)[2]所示：

(1)

式中，E为综合能耗值(以单位产量核算即为产量能耗)，GJ/t；n为消耗的能源品种数；ei为消耗第i种能源实物量或者耗能工质的量，kW·h或MJ或t；pi为第i种能源折算系数(按能量当量值或能源等价值折算)。

单位产值能耗和单位投入能耗一般多可以通过产品价值和投入产值系数进行核算而得。其中产量能耗是以单位吨位的产品产出为基准，而单位产值能耗则考虑了产品的行业价格因素，单位投入能耗则考虑了投入产出系数的影响。目前矿冶行业中如锌冶炼、铜冶炼、铅冶炼、镍冶炼等均有单位产品能耗限额的国家强制性标准进行规范。但是，此类标准均是基于以精矿或者混合精矿为原料进行冶炼的产量能耗限额要求，而对于可再生矿冶产品，能耗评估研究较为有限，而大部分采用的综合能耗研究也是侧重反映某一单个生产系统(包括辅助系统)能耗水平，应用一般局限于生产领域，而无法反应产品的全流程[3-5]。

生命周期能耗是基于生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)理论衍生而来的新兴领域。LCA研究实质性起步是在1990年左右，其中，欧洲、日本是国外研究较为集中的代表，随后，ISO相继颁布国际标准，20世纪90年代我国也开启了LCA研究，特别是马雪等[6]研究建立的中国生命周期参考数据库(CLCD)并设计开发eFootprint评价系统为代表取得重要推动作用，岳忠春[7]等分析了近年国内总体呈现迅速发展的研究趋势。生命周期能耗正是基于LCA过程，侧重反映全生命周期中物质流和能量流定量输入输出而显现的全过程能耗水平。相比而言，综合能耗可能对于某个单一生产系统呈现合格值甚至先进值，但在产品全生命周期过程中，处于其上游和下游的不同阶段可能存在潜在的能耗转移，该产品全链条周期的总能耗水平可能并不合理。刘欣等[8]基于跨境可再生资源对我国原生资源的替代关系，提出一种跨境可再生资源生命周期能耗评估方法，该研究是采用基于ecoinvent数据库建立生产过程的流程和物耗数据模型，利用CML-IA方法计算评估。

基于生命周期视角的综合能耗，是本文结合了传统综合能耗和生命周期能耗的特点，针对跨境可再生矿冶产品设定的另一类型。该类型界定并涵盖国际运输、海关查验、国内运输、初级产品加工4个过程的特定生命周期全过程数据，分析过程不局限于传统综合能耗的生产加工环节，而扩展至跨境的全过程，表达形式采用产量能耗、产值能耗、投入能耗评估，核算基于跨境生命周期视角的不同类型的综合能耗。这有利于反映跨境可再生矿冶产品的特定生命周期过程的能源消耗实况、跨境市场行情、投入产出效率的多维要素，这也是跨境产品收益分析的并行指标，可以连同收益分析共同作为跨境产品利用效率的综合评价要素。

1.2 收益分析

收益分析可以基于目标产品在国际国内矿冶产业的利用价值或利用效率的角度，对其进行经济、环境、利用效率等维度的收益分析，通过经济收益、环境收益或者能效评价等不同方式和不同技术路径进行，本文针对前两者进行收益分析。

对跨境氧化锌富集物而言，可以针对其特定生命周期过程，从经济收益和环境收益的角度，开展收益分析，与能耗指标共同作为评价其利用的支撑数据。此外，也可以从能效评价角度开展分析，传统的能效评估起初多应用于机电产品，后来在工业领域逐步得到一定的应用扩展。宋晨希[9]等从理论分析角度，对不同国家能效项目中工业行业能效领域出现的6种典型能效评价方法，分别为简单指标对比法、随机前沿分析法、数据包络法、逼近理想值排序法、泰勒展开法、可拓物元法。其中，随机前沿分析法主要服务于美国的能源之星项目，数据包络法是涵盖基于“输入”和“输出”的线性规划方法和基于数据包络模型构造综合指标的技术方法[9-11]。杨绍鹏等基于区域能源管理云平台的企业能耗数据，选取产品单耗、产值能耗、能源加工转换效率、能效数据质量和能源消费结构5个维度指标，构建了工业能效指数EEI模型[12]。但是从能效评估的应用类文献分析，工业行业的总体应用仍不够广泛，可再生矿冶产品属于一般工业原料，开展此类能效评估的应用有待深入[13]。

2 跨境氧化锌富集物能耗和收益分析实例

2.1 分析实例基准条件

实例分析选择国内某大型冶炼企业的跨境氧化锌富集物(以60%ZnO核算)加工生产锌锭的资源利用过程为对象，采用该企业和相关行业2019年度信息为基准数据，评估涉及过程为氧化锌富集物自出口国开始，集装箱海运方式入境，至我国加工成锌锭为止。评估企业主要工艺条件如图1、图2所示。

图1 氧化锌富集物制备锌液流程Figure 1 Preparation of liquid zinc from zinc oxide concentrate.

2.2 能耗分析计算

2.2.1 基于生命周期视角的综合能耗

评估计算实例中，分别以单位产量、单位产值、单位投入为基准单位，核算各种能源实物量或耗能工质总量ei，结合对应折算系数pi，量化计算得到单位产量能耗、单位产值能耗、单位投入能耗数值，计算中，区别于传统综合能耗，考虑涵盖跨境可再生矿冶的特定生命周期过程中所有能源和耗能工质消耗，具体分解详见图3。

图2 锌电解熔铸工艺流程Figure 2 Process flow of zinc electrolytic melting and casting.

图3 不同能耗对应的计算基准变量Figure 3 Calculation benchmark variables corresponding to different energy consumption.

同时，以采用湿法炼锌工艺(有浸出渣火法处理工艺)的一般工业产品锌冶炼国标限额进行对比[14]，其中，产值能耗与投入能耗的国家标准参比值分别以评估周期产品市场价格和投入产出系数折算确定，参比分析情况如图4所示。

评估计算结果表明，单位产量能耗、单位产值能耗、单位投入能耗这三个能源效率一级指标均低于国家标准先进参比值，列于优越水平，验证结果符合评估企业在国内行业中的代表水平。

2.2.2 基于eFootprint评价系统的生命周期能耗

区别上述基于生命周期视角的综合能耗算法，本方法依据国内CLCD数据库，基于eFootprint评价系统计算跨境氧化锌富集物的生命周期能耗，即初级能源消耗PED值。

计算分析中，以进口氧化锌富集物生产1 t锌锭为功能单位，涵盖国际运输、海关查验、国内运输以及包含选定工艺中除氯、浸出、净化、电解、熔铸和副产品生产等系列过程，采用初级能源消耗(PED值)作为能耗评估指标。根据评估对象，对上述过程中物质流和能量流的基础采集数据，建立生命周期中原辅料输入、能源输入与产品输出数据的物料清单，详见表1。

图4 评估值与国家标准限额的参比分析Figure 4 Comparative analysis of evaluation value and national standard limit.

表1 氧化锌富集物生产锌锭生命周期物料清单

利用eFootprint评价系统对跨境氧化锌富集物生产锌锭的特定过程实施建模，关联生命周期上下游过程，通过eFootprint评价系统综合运算，得到目标建模过程的跨境氧化锌富集物生命周期能耗(PED值)。运算中取舍原则以各项原材料投入占产品重量或过程总投入的重量比为依据，普通物料重量<1%产品重量时，以及含稀贵或高纯成分的物料重量<0.1%产品重量时，可忽略该物料上游生产数据，累计忽略物料重量不超过5%；副产品采用价值占比分配进行。

同时，为了对比可再生产品和一般工业产品过程，利用该评价系统查询得到相同工艺基准下，一般工业产品冶炼锌锭的初级能源消耗PED值，对比如表2所示。

表2 两种冶炼途径的初级能源消耗对比

综上计算结果和对比分析，跨境氧化锌富集物冶炼锌锭的初级能源消耗值要稍高于一般工业产品精矿冶炼锌锭的初级能源消耗值，这可能与氧化锌富集物本身富集成分复杂，导致后期冶炼过程消耗稍多能源有关。同时，通过对初级能源消耗和千克标准煤的折算发现，跨境氧化锌富集物冶炼锌锭的生命周期能耗(初级能源消耗PED值)也是低于前述基于生命周期视角的综合能耗(产量能耗)，这是由于，在采用eFootprint评价系统的生命周期能耗中，不仅考虑能源和耗能工质，还追溯每一种添加物料的上游生产数据消耗。在氧化锌富集物等可再生矿冶的利用中，可能会依据实际情况而确定采用何种评估数据方式，或者确定接受能耗上下浮动和收益的综合利用价值。

2.3 收益分析计算

在跨境这一特定生命周期过程，以单吨富集物加工生产得到锌锭价值与利用单吨富集物耗费总成本差值，作为经济收益核算；同时，利用单吨富集物与一般精矿工业产品相比，通过有效含量折算，以单吨富集物节省精矿价值和能源消耗以及环保处理费用总额，作为环境收益核算。结果如表3所示。

表3 收益分析结果

经济收益和环境收益分析结果表明，评估对象显示出较为优越的收益综合表现，符合评估企业在行业中的技术水平，也符合选定评估产品在行业中的代表水平；同时，结合前述能耗评估结果，根据国内产业需求现状，可以共同作为可再生矿冶产品资源利用价值综合评估的重要参考要素。

3 跨境氧化锌富集物能耗和收益分析应用前景

3.1 健全完善矿冶再生资源利用技术的应用价值评估体系

随着再生资源利用技术的不断提升和市场发展需求的逐步变化，其它可再生矿冶的利用覆盖率可能会不断扩大，每一种矿冶产品领域的资源化利用技术，需要全方位的科学评估，而针对于跨境来源的产品，受到的政策影响、产品品质、耗能实况、经济价值、环境影响等因素较多，合理科学的能耗和收益分析能够为矿冶领域的再生资源科学利用提供更多选择，能够更为有效促进矿冶资源利用技术的绿色发展。同时，能耗和收益分析可以作为碳耗评估和碳耗效率评估的重要参考要素，因此，开展跨境可再生矿冶产品能耗和收益的科学评估，对于在口岸环节研究促进碳耗调减策略、促进我国确立的碳达峰和碳中和目标实现具有积极意义。

3.2 有效支撑跨境可再生矿冶产品的事后监管

传统的固体废物和可再生资源产品之间的管理政策红线已经明晰，新版《固废法》(2020版)和2020年11月生态环境部、商务部、发改委和海关总署联合公告(2020年第53号)《关于全面禁止进口固体废物有关事项的公告》的颁布，进一步指明了跨境禁止进口类别的管理要求。随着可再生资源利用技术的提高，可再生产品标准的不断完善，国内利用市场的不断变化，跨境可再生资源产品可能会呈现动态调整局面，而这就需要事后监管提供可靠依据。在此背景下，开展跨境可再生矿冶产品的能耗和收益分析，合理评估资源化利用的实际效率，对于环保、工信、海关等部委实施事后监管支撑具有重要意义，可为国家管控政策动态调整提供技术依据。

4 结语

通过对能耗和收益分析的基础方法及其应用状况分析，明确了跨境氧化锌富集物的自身特点，利用基于生命周期视角的综合能耗和经济环境综合收益在可再生矿冶产品中的评估应用，计算评估了代表性的氧化锌富集物矿冶产品的能耗和收益状况，显示出合理结果。这为该评估方法在跨境可再生矿冶领域其它产品的应用提供了重要参考，也为可再生矿冶产品能耗和收益评估这一工作在未来的绿色低碳发展和应用方向拓宽了技术方法支撑。

当前，我国已明确提出实现碳达峰、碳中和的战略目标计划，这为国家宏观管理层面和各个产业运行层面的能源转型和绿色发展指明了方向。首先，在各领域内谋划产业规划和降碳政策的同时，系统完善多维度的绿色评估技术也是实现科学统筹的重要一环。其次，未来工业产品的生态准入标签可能会得到普及，绿色设计产品标准体系正在不断扩展，能耗和收益评估技术可以作为进口固废禁令后技术研究和政策优化的重要方向。此外，任何评估技术都会促进行业数据库建设，反之，可再生资源的合理利用在一定程度上也依赖于专业数据库，因此，可再生资源利用及评估技术的行业数据库建设在未来具有较大发展空间。