（环境科学专业论文）一次电池生命周期管理及废电池资源化管理研究.pdf

一次电池生命周期管理及废电池资源化管理研究 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hw o r l d w i d er e s o u r c ec o n s u m p t i o nr i s i n gt oa nu n r e a s o n a b l yh i g hl e v e la n ds o l i dw a s t e s d r a s t i c a l l yi n c r e a s i n g ，t h e r ea r i s e st h en e e dt oc h a n g et h em a t e r i a lu s ea n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o np a t t e r n t h a tb a r e l yl e a v e sa n yr o o mf o rr e c y c l i n g i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e ma n dm e e tt h ed e m a n do fb a t t e r y 池 m a n a g e m e n ti nz h e j i a n gp r o v i n c e , c h i n al c a as i g n i f i c a n tt o o lt oa n a l y z ea n da s s c s $ t h ep r o c e s so fm a t e r i a lu s e ，w a s c h o s ea sae f f e c t i v em e t h o dt oa n a l y z et h em e r c u r y - f r e ea l k a l i - m a n g a n e s ed r yb a t t e r ys y s t e ma n dt oa s s e s st h e i r p o t e n t i a le n v i r o n m e n t a le f f e c t sa sw e l la sr e s o u r c ec o n s u m p t i o ni ni t se n t i r el i f ec y c l ea n da te a c hl i f e s t a g e a l s o ，b ym e a n so fl c ao ft h ed r yb a t t e r ys y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o na t t e m 【p t st oe x p l o r ev a r i o u s m e t h o d si n c l u d i n g r e c y c l i n gf o rd i s p o s i n ga n dt r e a t i n gs p e n t b a t t e r i e sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n ga d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s t h em a i nf i n d i n g sa r e ： ( 1 ) w i t ha c i d i f i c a t i o np o s i n ga st h ed o m i n a n tf o r mo fe n v i r o n m e n t a li m p a c t sw h i c ha c c o u n t sf o r 5 9 。e n v i r o n m e n t a li m p a c t so fd r yb a t t e r i e sw i t h i ni t sl i f ec y c l ea r em a i n l yr e g i o n a l a n dp o l l u t i o no f a c i d i f i c a t i o n ，t o g e t h e rw i t ht h a to fs m o k ea n ds o l i dw a s t et a k e su p9 5 o f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb y e s t i m a t i o n ；m o s te n v i r o n m e n t a li m p a c t sl i n k e dt ot h ee n t i r el i f ec y c l eo fd r yb a t t e r i e ss t e ml a r g e l yf r o m t h ep r o c e s s i n go fr a wm a t e r i a lp r o d u c t i o n ，w h i c hi so v e r6 0 ；w h i l et h ep r o d u c t i o no fb a t t e r i e so n l y a c c o u n t sf o rar a t h e rs m a l lp o r t i o nl e s st h a n1 5 i ne n v i r o n m e n t a li m p a c t sa saw h o l e f u r t h e rs t u d y d e m o n s t r a t e st h a ti m p a c t sf r o mr a wm a t e r i a lp r o d u c t i o na r ei n c u r r e db y d i s c h a r g eo fs 0 2 i nt h ec o u r s eo f p r i m i t i v e 随wm a t e r i a lp r o c e s s i n g t h e r e f o r e ，i no r d e rt or e d u c et h eq u a n t i t yo f t h r e ew a s t e s ( g a sw a s t e 1 i q u i dw a s t e ，s o l i dw a s t e ) i n c u r r e di nt h el i f ec y c l eo fd r yb a t t e r i e sa n dt oe a s et h e i ro v e r a l lb u r d e no nt h e e n v i r o n m e n t a ls y s t e m p r i o r i t ys h o u l db e p l a c e d o v e r c u t t i n gd o w n o n d i s p o s a lo f w a s t e si nt h ep r o c e s so f p r i m i t i v er a wm a t e r i a lp r o d u c t i o n t ot e s t i f yt h a ta s s u m p t i o n ，t w oa b r i d g e dm o d e l sf o rd r yb a t t e r i e s s y s t e m a r ef o r m u l a t e d ，o n eu s e dt oa s s e s sv a r i o u st y p e so f i m p a c t sa n d t oi d e n t i f yt h ep r i m a r yo n e si ni t s l i f ec y c l ei ng e n e r a l ，t h eo t h e ru s e dt oi d e n t i f yt h o s el i f es t a g e st h a tg i v er i s et ot h eg r e a t e s te n v i r o n m e n t b u r d e n s i fr e f i n e d , t h em o d e lm a yh e l pi d e n t i f y r e s p o n s i b i l i t i e s o ft h o s ea d m i n i s t r a t i v ed e p a r t m e n t s c o n c e r n e da n dp r o v i d et h e o r e t i c a la n dm e t h o d o l o g i c a l s u p p o r tf o rs y s t e m i z i n gm a n a g e m e n to fs p e n t b a t t e r i e so nt h ep a r to fs o c i e t yw h i c hi sa i m e dt oc o l l e c ts p e n tb a t t e r i e sa n dr e c y c l et h e ma n df o r i m p l e m e n t a t i o na n di m p r o v e m e n to f p r e s e n te n v i r o n m e n t a lp o l i c i e s ( 2 ) b a s i cf o r m u l aw a se s t a b l i s h e df o r c o m p a r i n ga n da s s e s s i n ge n v i r o n m e n t a li m p a c t so fd r y b a t t e r i e si nt h ee n t i r el i f ec y c l ea n da te a c hl i f es t a g er e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a tr e c y c l i n gh a s g r e a t e r a d v a n t a g eo v e rl a n d - f i l l i n gi fc o n d i t i o n sp e r m i t ；m o r e o v e r ，r e c y c l i n gd r yb a t t e r i e sc a nr e d u c eu l t i m a t e d i s p o s a lo fs o l i dw a s t e ，t h o u g hm o r ee n e r g yw i l lb ec o n s u m e di nt h ep r o c e s si t s e l fa n dm o r ep o l l u t a n t s w i l lb ep r o d u c e d 。w h a ti s m o r e ，b yr e p l a c i n gs o m ep r i m i t i v er a wm a t e r i a lw i t hr e c y c l e dm a t e r i a l ，t h e r ew i l lb ea c o n s i d e r a b l ed r o pi nr a wm a t e r i a lm a n u f a c t u r i n gw a s t e d i s c h a r g i n ga n dc o r r e s p o n d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n a sar e s o i t ，t h e o v e r a l lb u r d e ni sr e d u c e db r o u g h t0 n b yd r yb a t t e r i e sd u r i n gi t sl i f ec y c l eo r lr e s o u r c ea n dt h ee n t i r ee n v i r o n m e n t a ls y s t e m ( 3 ) e n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u st y p e so f m e t h o d sa r ec o m p a r e da n d e v a l u a t e df o rt r e a t i n ga n dd i s p o s i n go f d r yb a t t e r i e si nt e r m so f t h e i rc o s t - e f f e c t i v e n e s s t h i si sr e a l i z e d b y c a l c u l a t i n gf l u c t u a t i o no fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dl i f e - c y c l ee n v i r o n m e n t a li m p a c t ss t e m m i n gf r o mc o a l c o n s u m p t i o ni n c r e a s e si nt h ec o u r s eo fd r yb a t t e r i e st r e a t m e n ta n dd i s p o s a l b o t hc o s t e f f e c t i v e n e s sa r e e x a m i n e d ，t h a ti s c o s t e f f e c t i v e n e s so fr e s o u r c ec o n s u m p t i o na n dc o s t e f f e c t i v e n e s so fe n v i r o n m e n t a l 塑垩查兰堡主兰垡堡兰二鲨皇堂皇鱼旦塑篁竺墨鉴皇垫窭塑垡萱墨竺壅 b u r d e nt h ef o r m e rd a t ai so b t a i n e db ye x a m i n i n gf l u c t u a t i o no fr e s o u r c ec o n s u m p t i o np o t e n t i a ld u r i n g l i f e c y c l e o f d r y b a t t e r i e s c o r r e s p o n d i n g t o e v e r y i n c r e a s e du n i t o fc o a l c o n s u m p t i o n ： r c e k ( j ) c = a p r ( j ) a c o n 女c ，r c e k 。= a r d ik a c o n “：t h el a t t e r g o m e sf r o m c a l c u l a t i n g f l u c t u a t i o no fe n v i r o n m e n t a l i m p a c tp o t e n t i a l a sw e l l ： e c e k ( j ) c = a p e k ( j ) a c o n l c ，e c e k c = a e l l k a c o n k c a c c o r d i n g t ot h e i r e n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s ，v a r i o a st y p e so f r e c y c l i n gm e t h o d sa r el i s t e db e l o w ：u n l o a d i n gs p e n tb a t t e r i e s m a n u a l l ya n de x t r a c t i n gc ua n dz n ；c r u s h i n gs p e n tb a t t e r i e sm e c h a n i c a l l ya n de x t r a c t i n gz n ；u n l o a d i n g s p e n tb a t t e r i e sm a n u a l l ya n de x t r a c t i n gc u ，z na n dm n 0 2 ；c r u s h i n gs p e n tb a t t e r i e sm e c h a n i c a l l ya n d e x t r a c t i n gc u ，z na n dm n 0 2f o rr e c y c l i n g h o w e v e r , i nt h ec o n r s eo fp r e p r o c e s s i n g ，m a n u a lm e t h o d s a p p e a r m o r ea d v a n t a g e o u s t h e m f o r e ，i ti sa d v i s e dt h a tt h o s ed e c i s i o n - m a k i n gs e c t o l sa n dt h es o c i e t ya tl a r g em a k ea l lo v e r a l l a n a l y s i s a n d i n s i g h t f u l a s s e s s t t l e n to n e n e r g yc o n s u m p t i o n ，r e s o u d c ee o n s u m p t i o n ，w a s t ed i s p o s a l ， r e s o u r c eb u r d e na n de n v i r o n m e n t a lb u r d e nc a u s e db yd r yb a t t e r i e s t h e nf u r t h e ri m p r o v et e c l i l i c a lm o d e o fl c ao n d r yb a t t e r ys oa st op r o v i d es t a t i s t i c a la n dm e t h o d o l o g i c a ls u p p o r tf o rp i n n i n gr e s p o n s i b i l i t yo n t h o s ei n v o l v e di nd r yb a t t e r ym a n a g e m e n ta n di t se n v i r o n m e n t a lc o s ta n dp u s hf o r w a r dr e s e a r c ho n l a b e l i n g ，r e t r e a t i n g ，r e c y c l i n go f s p e n tb a t t e r i e sa n d l o a d a b l ed e s i g n i n g ， k e y w o r d s ：d r yb a t t e r i e s ；l i f e - c y c l em a n a g e m e n t ；l i f e - c y c l ea s s e s s m e n t ；r e c y c l i n g ；c o s t - e f f e c t i v e n e s s 本论文承浙江省环保科技项目( 2 0 0 1 1 3 ) 资助 浙江大学顾士学位论文 一次电池生命周期管理及废电池瓷源化管理研究 1研究背景 1 8 6 8 年，法国科学家g l e c l a n c e 试制成功全球第一只干电池“勒格朗克”电池u l ， 因其不可重复使用，又称一次电池。白“勒格朗克”电池问世后，一百三十多年来， 电池工业发展迅速，一次电池产品种类日益丰富，已形成了以碳锌电池、碱性锌锰电 池( 简称碱锰电池、碱性电池) 、氧化银电池、氧化汞电池、扣式电池和锂电池为主的 产品体系，成为人们日常生活最常用的消费品之一1 2 吲。 一次电池含有相当数量的有毒有害成分，其中包括列入国家危险废物名录【4 】 的汞、镉、锌、铅等重金属。上述重金属进入环境后，可危害环境和人体健康m6 】。其 中的汞具有强烈的破坏人类中枢神经的毒性，可导致水俣病；镉可造成肾损伤和骨质 疏松，导致痛痛病、骨折；锌的盐类在水中浓度超过1 0 5 0 m g r l ，有致癌危险；血铅含 量过高引起神经紊乱，可造成婴幼儿发育迟缓、智力低下：锰在人体蓄积到一定量可 造成神经功能性障碍 5 7 , 9 , 1 1 - 1 3 , 1 5 1 6 】。废电池与垃圾混合处置，其中的重金属物质因焚烧 而挥发到空气中；或因破裂、漏液、渗透而进入土壤和地下水，可造成土壤污染和水 体污染；进而通过呼吸、饮水或经由食物链( 鱼类和农作物富集) 进入人体，威胁人体 健康 b - 1 3 】。进入水体的汞经由微生物可生成甲基汞，毒性特别大 6 7 , 9 , 1 1 , 1 3 1 6 】。 然而换一个角度来看，一次电池的成分大多又是可再利用的、有价值的金属矿物 质，尽管一只电池的资源消耗并不起眼，但考虑一次电池应用之广、数量之大，其资 源消耗仍是相当可观的p ，m 1 3 l 。2 0 0 0 年k l j i n e & c o m p a n y i n c 统计数据旧显示，仅以年 产1 0 0 亿只碱性锌锰电池计，大约每年就要消耗锌1 5 6 万t 、二氧化锰2 2 6 万t 、氧化 锌2 7 万t 、汞4 0 t 以及相当量的其它金属、非金属物质及化学药品。如果实现废电池 资源回收利用，可节省大量的资源尤其矿产资源，有效缓解资源耗竭。 产品生命周期管理( l i f ec y c l em a n a g e m e n t ，l c m ) 被称为从“摇篮”到“坟墓”的 产品管理模式，面向整个产品系统而不是一个环节，从原料供给、产品生产、使用直 到使用后最终处置的所有环节，来考虑减少产品系统的资源消耗和环境排放，减小其 对资源环境系统的压力；是与循环经济模式相对应的社会经济活动管理方式【1 8 】。1 9 8 7 年，世界环境与发展委员会b r u n t l a n d 委员会明确提出了经济环境的可持续发展，主张 社会经济发展模式向循环经济( c i r c u l a re c o n o m y ) 方向转变哼】。循环经济的核心思想是 一次电池生命周期管理及废电池资源化管理研究 浙江大学硕士学位讵文 一切社会经济活动对应的资源利用和环境影响趋向最小化资源消耗从与产品产量 同比增长转向单位产品利用率提高、污染物排放从产品生产排放最小化转向全生命周 期排放最小化：循环经济发展以生命周期评价( l i f e c y c l e a s s e s s m e n t ，l c a ) 为微观技术 工具，指导开展面向产品、服务以及工业系统的生命周期管理；并用一组5 r 原则来突 出其对废弃物的管理要求1 9 2 0 1 ： 减量化( r e d u c e ) ，尽量从源头上减少废物的产生量； 再使用( r e u s e ) ，某产品废弃物是另一产品的原料或本身即一种产品； 再循环( r e c y c l e ) ，废弃物资源回收利用，作为本产品或其它产品的原料； 拒绝使用( r e f u s e ) ：拒绝使用过度包装或不具再循环能力和含量的产品； 再循环含量( r e c y c l e d ) ：规定在产品原料中再循环( 次生- - 次) 原料比例。 废弃物再循环是其中研究并实现产品生命周期管理的一个重要途径，前提是产品 系统的环境输入输出趋向最小，对资源和环境系统的压力趋向最小，即再循环减小原 料生产过程环境输入输出的幅度必须大于再循环过程本身增加的环境输入输出幅度。 一次电池生命周期管理研究，即研究如何实现以一次电池产品系统环境输入输出 最小化为目标的管理；其中废电池资源化尤其再循环是研究的重点。 本章介绍一次电池生命周期管理研究及废电池资源化研究进展，对比总结国内外 研究成果；介绍一次电池生产消费现状及趋势，对比总结国内外一次电池业总体状况： 探讨国内一次电池管理领域迫切需要解决的问题，确定论文研究的目的和思路。 1 1 一次电池生命周期管理及废电池资源化研究进展 二十多年来，电池包括一次电池生命周期管理及相关政策、法规和技术得到了国 内外研究者、决策者以及民众的广泛关注 2 4 3 ，8 ，m 1 2 ，1 8 4 ”。 一次电池生命周期管理研究主要集中在原料( 源) 减量化研究和废电池( 末端) 资源 化研究上。源减量研究的重点在减少汞含量和消除“汞害”上 8 - - 9 , 1 3 , 2 i 3 1 1 ：而废电池资 源化研究则集中在废电池再循环上f 1 2 , 2 1 2 3 , 3 2 4 3 5 】；以再循环原料代替原生原料，减少原 生原料使用，减少相应的原材料采掘、冶炼、加工和能耗及其污染物排放。 浙江大学硕士学位论文一次电池生命周期管理及废电池资源化管理研究 1 1 1 国外一次忘池生命周期管理及废电池资源化研究进展 9 0 年代初，欧美和日本等国家以减小、消除“汞害”为重点，开展电池汞源减量 化的研究及管理，采取了若干标志性的行动。到9 0 年代中期，基本实现了一次电池的 无汞化” 2 1 2 3 , 2 5 , 3 0 - 3 1 1 。 美国新泽西州9 0 年代初即开始了“一次电池管理行动( d r yc e l lb a t t e r y m a n a g e m e n t a c t ) ”口5 3 i 】，并于1 9 9 2 年签署法令( n j s a l 3 ：1 e 9 9 5 9 e ts e q ) ，规定从1 9 9 2 年1 月起，凡在州内销售的一次电池，( 1 ) 除了扣式和币式电池，所有碱性电池汞含量 不得超过电池单重的0 0 2 5 ( 盟5 0 p p m ) ；( 2 ) 所有扣式和币式电池的汞含量不得超过 2 5 r a g ：( 3 ) 所有碳锌电池汞含量不得超过电池单重的o 0 0 0 1 ( 5 l p p m ) ；( 4 ) 除助听器 用氧化汞电池，其它氧化汞电池汞含量不得超过电池单重的o 0 2 5 ( _ 锰环，容易渗出。从根本上解决污染问题，同样要求尽快实现废电池资源化。 解决上述问题，首先还要消除决策管理及改进过程中的一些取舍两难( 见表1 1 ) 和 认识模糊，促使决策者、社会各界重视一次电池问题并明确行动方向。 表1 i 废一次电池再循环处理与填埋处置 ! 堂! ：! ! ! ! ! ! 翌鲤! ! ! ! ! 翌：i ! 竺! 翌! 塑型! 型! 里坚坚! 罂唑j 堡! 罂! 啦：! ! ：! ：! 翌! 璺! ! i ! 问壁基焦至墼堡堕堡丝墼 能源消耗及污染捧放大小 士地占用小大；固化填埋更大 工艺污染排放 翥蠢窑羹吴? 安压火法冶炼大乏裂潘透后大；焚烧后大 矿产资源消耗 嵩循环原料成本高葚源不可再生；资源消费不可持续 【瞻囊 分类标识；分类回收与垃圾混合回收 表1 1 列出了一些问题。中国是全球最大煤炭生产国、第二大能源消费国；能源消 费紧张、结构落后、污染严重 4 8 埘5 3 1 。国内二次能源结构中，煤炭比重占7 3 4 e o r 5 3 】， 大大超过世界平均水平，是中国最大的污染源，也是世界c 0 2 和s 0 2 排放量重要来源 之一【5 。温室气体排放总量居世界第二，备受国际舆论关注。另一方面，中国人口 众多，虽然幅员辽阔，人均土地面积却很小，只有0 8 9 3h m 2 【观5 3 l ；国内相关领域关于 合理规划城市发展用地的呼声日益高涨1 5 1 - 5 2 】。特别是浙江，2 0 0 2 年人均土地面积o 2 3 0 h m 2 州；按2 0 0 3 年a d t 5 5 1 及最近的土地资源统计数据【5 6 1 计算，人均土地面积0 2 1 8h m 2 ， 已不足全国人均土地面积的1 4 ：, 即使荷兰这样以土地资源稀缺、以“填海造国”而闻 名的国家，其人均土地面积也有o 2 4 3h m 2 5 4 】；土地资源稀缺正严重影响浙江经济社会 的可持续发展口6 】。在这一矛盾背景下，再循环处理与填埋处置，降低固废水平与减少 大气排放，节约矿产资源与节约能源，存在取舍两难。尽管国外已依据生命周期管理 原则优先选择了废电池再循环处理；但国情特殊，国内仍有必要研究两种废电池处理 处置方式的优劣，选择最有利于国家和地区的处理处置方式。而通过生命周期评价等 量化分析研究，综合评价能耗、资源消耗、固废和污染排放造成的影响，比较两种处 理处置及两种处理处置对应的产品系统的资源环境系统压力大小，可为决策提供依据； 浙江大学硕士学位论文 一次电池生命周期管理及废电池资源化管理研究 借助生命周期评价或类似的量化分析研究， 重要影响因子，为消除一次电池业能耗低、 同样可评价一次电池产品系统环境影响及 污染小、影响小的片面认识提供依据。推 动一次电池生命周期管理及废电池资源化管理进程，加快改变一次电池不可持续的消 费方式。此外，管窥全豹，研究对国内省内其它产品领域的生命周期管理及废弃产品 资源化管理研究亦会有一定的参考价值。 1 2 一次电池生产和消费现状及趋势 当今世界人口基数巨大而且持续增长，资源消费飞速增加，已经成为一个非常严 重的问题，高水平的消费和废物产生的“不可持续性”引起公众、政府部门和工业界 日益关注，并由此形成一定的共识：支持可重复利用的产品，限制一次性商品市场总 体规模，以及对部分一次性商品提出再循环含量要求f l8 j 。全球一次电池的市场需求总 体规模因此受到了限制 t 8 , 5 8 1 ，欧美和日本等发达国家