2012, Vol. 3引用本文 |
| 基于生态化低碳经济模型对钨工业污染物排放减量化的探讨 |  [PDF全文] |
我国钨产业虽说只有几百亿产值的小产业，但在航天航空、军工装备、电子信息等重要领域有着广泛的应用，特别是在耐高温高压、高强度、高比重材料方面有着不可替代的作用，这使钨资源的战略地位突显.当前我国钨资源正在逐步减少，钨产业结构正在加快调整，从钨矿过度开采向产业链均衡与延伸方向转变，在这一重大转变过程中，钨产业链还存在着“高、多、难”等突出问题：总能耗高：工艺路线长，设备陈旧，仅每生产1 t钨铁就排放CO2300 m3；排放总量多：废石、废渣、废水、废气大量排放，每年固体废物排放量达到200万m3, 每生产1 t APT排出废水约为100~150 m3，尾矿危害也日趋严重；循环综合利用难：钨产业链各个环节都有钨损失，矿山开采丢弃低品位钨矿，冶炼过程的地面料、风管料、地沟料损失钨量在1 %以上，钨渣损失钨量在2 %以上，钨废料回收利用更加困难[1-7].钨产业要更好地履行新时期的战略使命，必须解决以上突出问题.我们探索钨产业链新型发展模式，模仿自然生态链，将一个企业的废物变为下一个企业的资源，企业内部上道工序所产生的废料，变为下道工序的原料，应用先进工艺、装备及管理方法，将物质、能量、水、技术和信息进行系统集成，并进行非物质化设计，达到排出物最小化和物质能源利用效率最大化的目标.
1 钨产业链生态化低碳经济模型 1.1 生态化低碳经济原理生态化低碳经济，是根据自然界中存在的食物链和食物网的原理，把工业系统划分为生产者、消费者和分解者，三者之间形成共生关系，其表现形式是以物质、能量和信息的不断循环运动为基础，以“减量化、再利用、再循环”为行为准则，将掌握关键资源、技术含量高、附加值大、能耗低、污染低、自主创新能力强的企业作为工业生态系统的关键种企业，再链接废旧产品回收、拆解、再生企业，以及吸纳、处理工业系统生产过程产生的废弃物的化工、建材等企业，进一步完善产业供应链辅助系统和基础设施，通过市场交易的方式，将关键种企业的副产品或废弃物、静脉企业回收的废旧产品作为下游企业的原料，同时将物质（包括固液气废弃物）、能量（包括余热余能）、水（包括废水）、技术与信息系统进行集成[1-2].这样通过生产者、消费者和分解者三者之间有机链接，组成一个结构合理、功能协调、自我修复、自我适应的新型工业生态共生群落，实现工业生态系统的高效运行和污染物的“微排放”.下面依据这一原理，构建钨产业链生态化低碳经济模型.
1.2 钨产业链生态化低碳经济模型的构建根据生态学食物链、食物网原理，将产业链分为生产者、消费者和分解者三个组成部分.钨生产者（动脉产业）为钨采掘、冶炼和加工企业；钨消费者为钨品使用领域，包括工业、农业和居民的使用；分解者（静脉产业）是指废旧钨回收、拆解、再生企业，以及处理钨生产过程所产生废弃物的企业.通过生产者、消费者和分解者之间的生态链接，构建新型钨产业链生态化低碳模型，如图 1所示.
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| 图 1 钨产业链生态化低碳模型 |
对钨产业链生态化低碳模型解释：
生态链接：将钨的动脉产业、钨的消费者和钨的静脉产业进行高效链接，特别是动脉产业和静脉产业之间的链接，将静脉产业回收的含钨废弃物料，从工艺技术、装备和管理上进行链接至动脉产业，通过锌熔、电溶法回收废合金，用磷酸浸出提钴一氧化法提钨，回收废合金中钨、钴，以循环利用废弃钨资源[3].动脉产业和静脉产业之间的链接还包括物质（固、液、气废弃物）、能量（余热余能）、水（废水）、技术与信息的集成链接[1-4]，组成一个结构与功能协调的、具有自我修复能力、自主创新可持续发展的新型钨产业生态群落，实现污染物的“微排放”.
钨的动脉产业内部链接：可采用选矿与冶金联合办法，开发与应用复杂矿源的选矿与冶金新技术，充分利用高钼白钨矿和低品位矿中的钨及伴生金属，扩大选矿适应范围，降低选矿成本，高效利用矿产资源.并将采矿、选矿、冶炼和加工过程中的物质（固、液、气废弃物）、能量（余热余能）、水（废水）、技术与信息的集成链接[1-4]，使钨的动脉产业排放污染物尽可能少.
钨的静脉产业链接：构建产品销售与使用后残废品的一体化经营策略，回购钨残废品，链接至动脉产业，并将钨的动脉产业生产过程所产生的废弃物链接至钨的静脉产业进行处理，促进资源循环复用[5].
下面以钨动脉产业的碱压煮~离子交换工艺为例，对所产生废水、废气和废渣的原因进行重点分析，并用生态链接加以解决办法.
2 钨动脉产业产生三废的原因与解决办法目前我国钨动脉产业生产APT采用碱压煮~离子交换工艺[3]，工艺过程如图 2所示.它是用离子交换代替碱压煮~萃取法中的萃取工艺, 同时取消萃取前的净化除杂工序，而形成的新工艺, 它对矿源的适应性较强，具有流程短、不需钨回收系统、钨的损失少、回收率可达96.3 %以上、除杂效果好、腐蚀性小、设备较少、操作简便等优点.但该工艺在生产过程中也存在明显问题，主要表现为产生废水、废气和废渣排放量大.
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| 图 2 碱压煮一离子交换工艺过程 |
2.1 生产APT过程中产生三废的原因分析
（1）废水产生原因分析.使用碱压煮一离子交换工艺生产APT过程中，废水和废气产生于：在离子交换工序要产生大量的废水，每生产1t APT要产生40 m3左右的碱性废水.废水呈碱性, 碱含量约5 g/L，含磷、砷、硅等杂质, 其中砷含量达5 mg/L，废水中砷含量和碱含量均超过我国环境标准[3]，必须对污染物进行处理低于排放标准后才能排放, 否则会污染附近的水系、农田和环境[1-6].
（2）废气产生原因分析.在蒸发结晶工序产生大量含氨废气，每生产1t APT要产生含氨总量约226 kg的废气.在结晶过程前期, 原钨酸按溶液中饱和的氨随蒸气逸出；在结晶过程中, 钨酸铵〔（NH4）2WO4〕发生局部分解(局部脱氨), 生成仲钨酸铵[5(NH4)2O·12WO3·5H2O〕析出, 其反应如：12(NH4)2WO4=5(NH4)2O·12WO3·5H2O+14NH3↑+2H2O，在结晶过程后期, 12个(NH4)2WO4分子在放出14个NH3分子和2个水分子后, 变成1个5(NH4)2O·12WO3·5H2O分子, 逸出大量的氨气[3].氨有强烈的刺激气味, 若把含有大量废气的气体直接排入大气中, 对人体的呼吸器官和皮肤以及植物的叶子有刺激作用, 应该设法将其回收.
（3）废渣产生原因分析.压煮法先将许多不溶于碱液的杂质以渣的形式除去，净化后过滤的渣返回压煮工序，再以压煮渣的形式排放, 所以产渣量大, 产渣率约为40 %[3].
2.2 三废的解决办法（1）废水综合利用.在常温常压下, 在废水池中可先用生石灰(CaO)处理废水, 使砷以砷酸钙[Ca3(AsO4)2]、磷以磷酸钙[Ca3(PO4)2]、铁以氢氧化铁[Fe (OH)3]形态沉淀下来, 澄清后的上清液中砷含量可降至0.05 mg/L，低于排放标准0.5 mg/L，除砷效果很好.除砷反应式:2H3AsO4+6CaO=Ca3(AsO4)2↓+3Ca (OH)2↓，除砷后的上清液（砷含量约为0.05 mg/L）再用弱酸中和处理, 例如, 用蒸汽锅炉烟气通入上清液进行降低碱度处理, 采用蒸汽锅炉的生产厂均可以采用此法处理含碱废水[3], 其反应过程如下:CO2+H2O+2NaOH=Na2CO3+2H2O，Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3，SO2+H2O+2NaOH=Na2SO3+2H2O.在填充吸收塔中, 由于废水与烟气逆流接触, 进一步发生上述降碱反应, 大大降低废水的碱度.只要精心地调节废水和烟气的流量, 就能控制出塔废水的值在一定范围内, 直至废水的值降到6~9, 便可达到排放要求[1-6].
（2）废气综合利用.含氨废气综合利用的有效途径是用水吸收氨气, 其具体办法是在结晶器槽排气管上安装一台喷射泵, 当喷射泵开启式时, 因结晶容器内处于微负压状态, 使结晶过程中所产生的氨气与水蒸气一道被喷射泵吸入循环水流之中，循环水流吸入新的含氨废气后, 温度上升, 还应在喷射泵与吸收塔罐之间配置夹套水冷装置来降低循环水的温度，有利于循环水吸收氨气[3].使吸收塔内的水温保持在20 ℃以下, 经多次循环后, 循环水中的氨浓度可达15 kg NH3/100 kgH2O, 而废气中所含氨气被循环水吸收, 经吸收处理后的废气量少, 对环境无害[3].
（3）废渣综合利用.目前我国钨冶炼工艺中，钨渣、磷砷渣中的钨含量达到2 %以上，这些钨资源都被白白损失.按白钨渣、黑钨渣、净化渣的干渣量5000 t/a计算，如果采取措施回收，每年可回收的钨折标矿100 t.同时，钨渣还含铁、锰、钪等有价金属，将钨渣链接至钨的静脉产业进行处理.综合利用中的这些有价金属，可采用皂化P264还原萃取法和闭路循环工艺提取氧化钪；也可利用钨渣为主要原料制造微晶玻璃；还可销售给下游企业[3~6].
2.3 钨静脉产业产生三废的原因与解决办法钨静脉产业是指废旧钨回收、拆解、再生企业，以及处理钨生产过程所产生废弃物的企业.钨的静脉产业在处理钨动脉产业生产过程所产生的废弃物和钨废弃物料回收过程中仍然会产生污染物.通过钨的静脉产业链接，构建产品销售与使用后残废品的一体化经营策略，回购钨残废品，链接至动脉产业，并将钨的动脉产业生产过程所产生的废弃物链接至钨的静脉产业进行处理，促进资源循环复用.
3 结论将钨产业链分为生产者、消费者和分解者三个基本组成部分进行链接，通过产业结构和组织的生态化配置，运用延链、补链、耦链的产业链规划设计方法，以及供应链协同管理，组成一个结构与功能协调的、具有创新性、开放性、融合性、集聚性、高效率、低碳化以及可持续发展为特征的新型钨产业生态群落[7-12]，循环利用废旧钨资源、固体、液体和气体废弃物以及余能余热；最大限度利用进入系统的物质和能量，提高资源和能源利用效率，最大限度地减少污染物排放，实现钨生态化低碳产业链的高效可持续运行与发展.
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