節(jié)能減排長(zhǎng)期以來就是全球工業(yè)發(fā)展的共同目標(biāo)，現(xiàn)今全球都面臨能源短缺問題，這對(duì)于能源費(fèi)用占生產(chǎn)總成本20%~30%的冶金企業(yè)來說同樣面臨著新的挑戰(zhàn)。企業(yè)消耗的能源指用于生產(chǎn)活動(dòng)的各種能源，包括：①一次能源（原煤、原油、天然氣等）、二次能源（如電力、熱力、石油制品、焦炭、煤氣等）、耗能工質(zhì)（水、氧氣、壓縮空氣等）和余熱資源。②能源及耗能工質(zhì)在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行貯存、轉(zhuǎn)換及計(jì)量供應(yīng)（包括外銷）中的損耗。③用做原料的能源，不包括生活用能和批準(zhǔn)的基建項(xiàng)目用能。有色冶金工業(yè)節(jié)能減排效果對(duì)完成我國中長(zhǎng)期節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義。加大有色金屬工業(yè)節(jié)能減排力度，既是國家整體節(jié)能減排的戰(zhàn)略需要，也是有色金屬工業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、走可持續(xù)發(fā)展道路的必然選擇。
有色冶金過程能源消耗及品種結(jié)構(gòu)
鋁冶金過程能源消耗及品種結(jié)構(gòu)
中國氧化鋁工業(yè)消耗的能源主要是原煤，用于生產(chǎn)蒸汽和發(fā)電，生成煤氣用于焙燒氫氧化鋁，部分還可作為燃料直接用于回轉(zhuǎn)窯煅燒。部分氧化鋁廠利用天然氣進(jìn)行氫氧化鋁焙燒。
中國鋁電解工業(yè)消耗的能源主要是電力。部分鋁電解企業(yè)直接從電網(wǎng)買電，電價(jià)較高;而部分鋁電解企業(yè)則主要依靠采購原煤進(jìn)行自發(fā)電，電價(jià)則較低。低溫低電壓鋁電解技術(shù)、新型結(jié)構(gòu)鋁電解槽、新型陰極鋼棒等一批節(jié)能技術(shù)的投入運(yùn)行，使我國鋁錠綜合交流電耗進(jìn)一步降低。2013年中國鋁錠綜合交流電耗降到13740 kW·h/t。
銅冶金過程能源消耗及品種結(jié)構(gòu)
赫氏(Hatch)公司Guo Xianjian 在其題為《銅冶煉節(jié)能研究(Consideration of energy save in copper smelting)》的報(bào)告中指出，新技術(shù)的應(yīng)用、氧氣的使用、冶煉中余熱回收的改進(jìn)，是銅冶煉能耗降低的主要原因。該報(bào)告從采選冶多環(huán)節(jié)、歷史與現(xiàn)實(shí)、不同冶煉方法等多角度對(duì)銅冶煉能耗進(jìn)行了分析比較。
圖5-1所示為銅生產(chǎn)采選冶各環(huán)節(jié)能耗值。在銅生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中，冶煉(粗煉、精煉)仍是能耗最大的環(huán)節(jié)，但隨著技術(shù)進(jìn)步，其能耗值已大幅度降低，從銅精礦到陽極銅，能耗值小于9000 MJ/t。比較而言，濕法煉銅(浸出—溶劑萃取——電積)工藝，僅從冶煉能耗角度而言，要比火法高約65%，且以電能為主。但全面考慮采選冶能耗，濕法煉銅在能耗上仍具有優(yōu)勢(shì)。
表5-1所列為1980年美國與2008年智利兩國不同時(shí)期銅冶煉能耗比較。
表5-2列出了不同研究者報(bào)道的各種銅冶煉工藝能耗。目前，主流的煉銅方法能耗均較為接近，但能源結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，有的方法如雙閃法、三菱法等，電能所占比例要高一些。
1980年，美國反射爐煉銅能耗高達(dá)32633MJ/t陽極銅，當(dāng)時(shí)即使是先進(jìn)的閃速爐、三菱法及諾蘭達(dá)爐煉銅，能耗也在20000MJ/t陽極銅左右。目前智利是僅次于中國的世界第2大精煉銅生產(chǎn)國，2008年，智利共有7座煉銅廠，生產(chǎn)123萬t銅，其中2座采用奧圖泰閃速熔煉工藝，5座采用特尼恩特工藝，整體技術(shù)水平大致屬世界中等程度，其平均能耗僅為9080MJ/t陽極銅。
表5-3比較了雙閃法與艾薩法能耗及其構(gòu)成。其中重要的信息為：雙閃法工藝銅锍的破碎、磨細(xì)等能耗并不高;爐渣貧化能耗為1503 MJ/t 陽極銅，折算標(biāo)煤為51.3kgce/t陽極銅，這部分能耗應(yīng)主要為電能。
表5-3所列能耗數(shù)據(jù)代表了當(dāng)前世界銅冶煉能耗較為先進(jìn)的水平。雙閃法工藝從銅精礦到陽極銅工藝能耗為10784 MJ/t 陽極銅，其中電能消耗為9266 MJ/t陽極銅;折算成標(biāo)煤為368.1 kgce/t陽極銅;艾薩爐熔煉—爐渣貧化——P-S轉(zhuǎn)爐工藝，從銅精礦到陽極銅工藝能耗為11078 MJ/t陽極銅，其中電能消耗為6903MJ/t陽極銅;折算成標(biāo)煤，則為378.5kgce/t陽極銅，略高于雙閃法工藝。中國銅冶煉能耗國標(biāo)(GB21248——2014)規(guī)定，從銅精礦到陽極銅工藝能耗限額先進(jìn)值為280kgce/t陽極銅，應(yīng)屬世界先進(jìn)水平。
改革開放以來，我國銅冶煉行業(yè)通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收再創(chuàng)新，已完全淘汰落后的鼓風(fēng)爐、反射爐和電爐工藝，采用較為先進(jìn)的閃速熔煉、熔池熔煉工藝，加上富氧、高銅锍品位、煙氣余熱回收、高濃度SO煙氣制酸、制酸中低溫位余熱回收、透氣磚通氮?dú)鈹嚢桕枠O精煉新工藝、陽極爐稀氧燃燒等技術(shù)措施。目前，無論是從產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)的多樣性與先進(jìn)性，還是對(duì)銅精礦原料的適應(yīng)性等方面，均居于世界先進(jìn)水平，這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。
在銅冶煉能耗方面，各企業(yè)報(bào)道過一些數(shù)據(jù)，但由于采用的煉銅方法較多，不同方法間由于技術(shù)參數(shù)及原料成分差別較大，用這些數(shù)據(jù)來直接比較是不恰當(dāng)?shù)?。參照國外研究?bào)道的較為可行的數(shù)據(jù)，比較國內(nèi)外在技術(shù)、裝備、工藝參數(shù)、余熱回收、制酸等方面的情況，可以判斷我國銅冶煉從銅精礦到陽極銅的工藝能耗，大致在200~500kgce/t陽極銅。規(guī)模較大、工藝與裝備先進(jìn)、余熱回收好的企業(yè)，一般都能達(dá)到GB21248—2014中的準(zhǔn)人值，部分企業(yè)能耗已低于其先進(jìn)值。這標(biāo)志著我國銅冶煉企業(yè)在工藝、裝備和節(jié)能方面，已居于世界先進(jìn)水平。
鉛冶金分兩大部分(貴金屬提煉除外)，即粗鉛冶煉和電解精煉。隨著鉛火法冶煉技術(shù)的進(jìn)步，消耗的能源品種也有很大變動(dòng)，并且隨鉛冶煉工序的不同，所使用的能源品種結(jié)構(gòu)也有不同。
傳統(tǒng)的燒結(jié)—鼓風(fēng)爐熔煉工藝，所消耗的能源與動(dòng)力包括有煤氣(精礦干燥)、焦炭(鼓風(fēng)爐還原)、煤(煙化爐煙化)、電、水、壓縮空氣等。先進(jìn)的直接煉鉛工藝，所消耗的能源與動(dòng)力主要有藍(lán)炭(閃速熔煉法)，煤(還原、煙化)，煤氣或天然氣(還原)，電，水，氧氣，氮?dú)?，壓縮空氣等。
目前國內(nèi)主流的“三段爐”煉鉛工藝，氧化熔煉階段，所消耗的主要能源與動(dòng)力有氧氣、氮?dú)?、壓縮空氣、電、水等;還原熔煉階段，所消耗的主要能源與動(dòng)力有煤、煤氣(或天然氣)、氮?dú)?、壓縮空氣、電、水等;爐渣煙化階段，所消耗的主要能源與動(dòng)力有煤、壓縮空氣、電、水等。粗鉛電解精煉過程，所消耗的主要能源與動(dòng)力有煤氣或天然氣、電、水、蒸汽等。煙氣制酸過程，所消耗的主要能源與動(dòng)力有電、水和壓縮空氣等。粗略統(tǒng)計(jì)，鉛冶煉能耗中44%為化石能源。
目前，我國在粗鉛冶煉上主要采用的火法冶金方法有傳統(tǒng)的燒結(jié)焙燒—鼓風(fēng)爐煉鉛法、我國新研發(fā)的SKS煉鉛法(水口山煉鉛法)、改進(jìn)型SKS煉鉛法及引進(jìn)的基夫賽特直接煉鉛法?；诓煌囊睙挿椒?，其能耗也大不相同。就是同種冶煉方法，由于原料、技術(shù)、設(shè)備等各異，也會(huì)出現(xiàn)能耗參差不齊的情況。傳統(tǒng)的燒結(jié)焙燒—鼓風(fēng)爐煉鉛法雖然具有工藝成熟，操作簡(jiǎn)單，投資省等優(yōu)點(diǎn)，但其存在高能耗、高排量、環(huán)境污染嚴(yán)重等弊端，已經(jīng)逐步被新工藝所替代。水口山煉鉛法實(shí)現(xiàn)了自熱熔煉回收高溫?zé)煔庵械挠酂?，熔煉爐已產(chǎn)出一次初鉛，鼓風(fēng)爐爐料處理量大幅減少，焦炭消耗相應(yīng)節(jié)省了30%～40%。
粗鉛冶煉過程中能源的消耗主要體現(xiàn)為精礦的選擇、渣型的合理配置、焦炭的塊度及正確的操作。兩種冶煉模式能耗列于表5-4和表5-5。
根據(jù)《中國有色金屬工業(yè)年鑒》統(tǒng)計(jì)，過去10年我國鉛冶煉綜合能耗平均為660kgce/t，粗鉛冶煉焦耗413kg/t，電解鉛的直流電耗平均為132kW·h/t。隨著SKS工藝及改進(jìn)型SKS工藝的升級(jí)改造，2013年我國鉛冶煉綜合能耗為469.3 kgce/t。
冶煉工藝是影響能耗的最重要因素。在火法冶煉過程中，引人富氧或純氧冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精礦直接熔煉，使生產(chǎn)流程縮短，設(shè)備床能力大幅度提高，使冶煉過程的煙氣量大幅度減少，煙氣帶走的熱量也大幅度減少，消耗的動(dòng)力也相應(yīng)減少，單位產(chǎn)品能耗大幅度下降。濕法冶煉工藝引入富氧直接浸出技術(shù)，硫化鋅精礦不需經(jīng)過沸騰焙燒，在氧氣條件下直接浸出，不產(chǎn)生SO煙氣，硫轉(zhuǎn)化元素硫，經(jīng)過浮選和熱濾得到含硫99.9%的硫磺。
(1)鉛冶煉工藝對(duì)能耗的影響：目前世界用于工業(yè)生產(chǎn)的冶煉方法有傳統(tǒng)的燒結(jié)——鼓風(fēng)爐法和現(xiàn)代直接煉鉛法(基夫賽特法、富氧閃速熔煉法、QSL法、卡爾多法、氧氣頂吹—鼓風(fēng)爐法、氧氣底吹—鼓風(fēng)爐法、三段爐煉鉛法)?，F(xiàn)代直接煉鉛法的共同特點(diǎn)是采用富氧或純氧熔煉技術(shù)，基夫賽特法、富氧閃速熔煉法、QSL法、三段爐煉鉛法的能耗較低。氧氣頂吹和氧氣底吹都只能完成氧化熔煉，產(chǎn)出40%~45%的粗鉛，然后將高鉛渣鑄塊冷卻后加入鼓風(fēng)爐還原熔煉，產(chǎn)出二次粗鉛，綜合能耗相對(duì)較高。一般來說，生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大有利于單位能耗降低，有利于設(shè)備大型化。技術(shù)水平和自動(dòng)化水平的提高，資源綜合利用率的提高，均有助于單位產(chǎn)品能耗的降低。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國大型鉛鋅冶煉企業(yè)生產(chǎn)能耗明顯好于中小企業(yè)，部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平。
(2)原料品位的影響：國外的能耗指標(biāo)通常是按處理的物料量進(jìn)行計(jì)算，原料品位不會(huì)影響能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)。但我國是按產(chǎn)品計(jì)算能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于處理含鉛鋅品位較低的原料或其他含鉛鋅廢料，單位產(chǎn)品所需的物料量增加，單位產(chǎn)品的能耗指標(biāo)就會(huì)增高，例如冶煉含鉛50%以上的爐料，2t爐料能產(chǎn)1t鉛，如果爐料含鉛26%，就要4t爐料才能產(chǎn)1t鉛，單位產(chǎn)品能耗可能增加一倍。
鋅冶金過程能源消耗及品種結(jié)構(gòu)
鋅的冶煉方法分為火法和濕法兩大類。火法煉鋅過程所消耗的能源品種包括煤氣、焦炭、煤、電、水、壓縮空氣等。濕法煉鋅包括常規(guī)浸出法、熱酸浸出法、直接浸出法三大類，此外，氧化鋅礦的浸出—凈化一電積也有一定的市場(chǎng)份額。常規(guī)浸出法和熱酸浸出法所消耗的能源品種包括電、水、壓縮空氣、煤、柴油、氬氣等;氧壓浸出法所消耗的能源品種包括電、水、氧氣、蒸汽、柴油、氬氣等。粗略統(tǒng)計(jì)，鋅冶煉能耗中25%為化石能源。
火法煉鋅工藝有ISP工藝、豎罐煉鋅和電爐煉鋅，ISP工藝綜合能耗為1900~2000kgce/t，豎罐煉鋅為2400~2700kgce/t，電爐煉鋅規(guī)模很小，能耗更高，豎罐煉鋅與電爐煉鋅工藝已被淘汰。濕法煉鋅的常規(guī)流程是硫化鋅精礦采用沸騰爐低溫硫酸化焙燒，焙砂采用中性和低酸浸出，焙砂中的鐵酸鋅不能在低溫低酸的條件下浸出而進(jìn)入浸出渣，浸出渣含鋅20%左右，然后用火法將浸出渣中的鋅揮發(fā)，產(chǎn)出次氧化鋅，再用濕法回收鋅?，F(xiàn)在一般采用揮發(fā)窯揮發(fā)，能耗很高，每噸浸出渣要消耗0.5t焦粉，導(dǎo)致每噸電鋅能耗增加400～450kgce，這樣常規(guī)法比其他的濕法煉鋅能耗高出10%左右。但是黃鉀鐵礬渣和針鐵礦渣，采用堆存處理，存在潛在的環(huán)境污染問題。世界普遍采用的處理方式是火法進(jìn)行固化處理、水泥固化處理或深度填埋，如果采用火法進(jìn)行固化處理能耗也會(huì)升高。
過去十年來依靠技術(shù)進(jìn)步，逐步淘汰落后的高能耗高污染豎罐煉鋅工藝，我國濕法煉鋅工藝平均綜合能耗指標(biāo)逐年下降。一些大型煉鋅企業(yè)如株冶、韶冶、葫蘆島、豫光金鉛、西北冶煉廠等，其煉鋅能耗接近世界先進(jìn)水平。世界濕法煉鋅工藝能耗為1900 kgce/t，鋅電積直流電耗平均為3100~3200kW·h/t。株冶由于常規(guī)濕法煉鋅高能耗，浸出渣采用高能耗的回轉(zhuǎn)窯工藝，綜合能耗為2100 kgce/t左右，其鋅電積直流電耗平均為3100kW·h/t左右，最低達(dá)到2970kW·h/t，屬于世界先進(jìn)水平。2013年中國電解鋅冶煉綜合能耗下降到909.3 kgce/t，同比下降0.1%。2013年隨著低電耗大極板鋅電解與自動(dòng)剝板技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程等先進(jìn)技術(shù)的示范推廣，以及淘汰一批落后的火法煉鋅工藝，電鋅、精鋅冶煉綜合能耗均呈下降趨勢(shì)。2013年精鋅綜合能耗1805.6kgce/t，比2012年同期下降了1%;電解鋅綜合能耗降到909.3kgce/t。
中國鎂工業(yè)消耗主要能源是原煤、焦?fàn)t煤氣和藍(lán)煤等，依據(jù)原鎂企業(yè)當(dāng)?shù)氐牟煌茉磥碓催M(jìn)行生產(chǎn)。如陜西原鎂企業(yè)往往采用當(dāng)?shù)刎S富的藍(lán)煤資源做能源生產(chǎn)，而焦?fàn)t煤氣較多的山西原鎂企業(yè)則采用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)原鎂。
制約鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素是原鎂冶煉中能源消耗和環(huán)境污染控制。過去我國金屬鎂的生產(chǎn)帶來了較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前，鎂冶煉綜合能耗為7000kgce/t左右，下降幅度約40%。鎂冶煉產(chǎn)品能耗列于表5-6。
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