镍产品生命周期评估中分配方法的比较

《Journal of Environmental Management》：Comparison of allocation methods in the life cycle assessment of nickel products

　　摘要：镍是不锈钢和电动汽车电池不可或缺的材料，但其火法冶炼过程会伴随副产品及共生产物的产生，给生命周期评估带来分配难题。本研究探讨了镍-铜-硫共生冶金系统中多产出物分配的复杂性，通过对比分析避免分配方法（替代法）与热力学、质量、经济等单一标准分配方法，明确了各类方法的适用性与局限性。基于此分析，本研究提出了一种具有双层分配结构的混合分配方法，以有效解决多产出系统下传统方法的缺陷。研究结果表明，在镍生产共生系统中，基于物理关系的分配方法（热力学法）科学性最强，但需要大量基础材料数据；替代法处理不同状态产品的效果取决于库存数据的准确性；质量与经济分配方法虽然实施简单，但存在较大数值偏差，例如质量分配法的S因子高达81.55%。而混合分配法则能将镍、铜、硫的分配比例分别确定为4.86%、27.56%和67.58%，准确反映了系统中这三种元素之间的物质转化关系。与单一标准分配方法相比，混合分配法在数据准确性与操作可行性之间实现了更好的平衡，展现出方法论的稳健性与工程应用价值。该方法有望应用于其他多金属共生系统，为冶金行业的生命周期管理提供重要工具。

引言：面对日益恶化的全球环境状况和日益紧张的资源约束，工业体系向可持续发展模式转型已势在必行。对于依赖资源且生态影响较大的有色金属行业而言，这一转型尤为重要。作为重要的工业金属，镍广泛应用于航空航天工程和电动汽车电池生产等领域（Hu等人，2025；Tu等人，2025）。近年来，随着可再生能源技术发展及可持续发展战略的推进，全球对镍的需求显著上升（Godlaveeti等人，2025；Jannesar Niri等人，2024；Kallitsis等人，2020）。随着技术进步，现代镍冶炼工艺已进入集成节能、产量优化、环境管控与智能自动化的发展阶段。当前，成本最小化、生产规模扩大、金属纯度提升、副产品价值最大化以及固体废物减少已成为该行业发展的核心目标（Bartzas和Komnitsas，2024；Henckens和Worrell，2020）。

在绿色生产理念的推动下，生命周期评估作为一种重要的环境核算工具，已在制造业中得到广泛应用，它既有助于优化产品组合，也能推动生态可持续的工艺创新（Hunkeler，2016；Jacquemin等人，2012）。作为一种从摇篮到坟墓的全流程评估方法，生命周期评估会考察整个价值链各环节的生态影响，包括资源获取、材料加工、产品制造、使用周期、再生回收以及最终废弃物处理等环节。通过收集能源投入与排放数据，并结合ReCiPe等评估模型，该方法能够量化环境负荷与潜在影响，从而为工业体系的绿色转型提供客观的评估依据（O等人，2020；Chen等人，2014；Curran，2018；Hou Q等人，2015）。近年来，针对镍生产生命周期评估的方法学研究揭示了副产品核算方面的持续挑战。例如，Valencia等人（2025）使用基于过程的生命周期评估工具，对六种镍硫酸盐六水合物生产路径的碳足迹进行了评估，发现印度尼西亚的火法冶炼路径碳足迹最高，但却忽视了副产品带来的环境影响。在另一项比较研究中，Bai等人（2022）对比了两种主要的电解镍生产技术，发现浸出电积法的环保性能优于研磨浮选电解法，但该研究并未涉及工艺副产品的利用或分配问题。Mistry等人（2016）分析了硫化矿/氧化矿以及火法冶金/湿法冶金工艺之间的环境影响差异，他们的研究仅采用基于质量和经济的分配方法来处理生产副产品，这也体现了单一标准分配方法的局限性。综上所述，这些研究都凸显了镍冶金生命周期评估中多产出系统分配机制方面的知识缺口。

镍的火法冶炼过程属于多产出系统，这就引发了生命周期评估中典型的“多功能性”问题。为解决这一问题，国际标准ISO 14044（ISO，2006）提出了相应的方法论层级：首先尝试通过划分或扩展系统来避免分配问题；若无法避免，则先根据内在的物理关系分配环境负荷，只有当这些关系无法确定时，才考虑使用经济价值等其他关系进行分配。在这一过程中，镍、铜、硫会以不同形式结合在一起，最终除了主要产品镍之外，还会产生有价值的副产品与共生产物。合理地将系统的环境负荷分配到这些产出物上至关重要，否则主要产品就会承担全部负荷，从而导致生命周期评估结果偏离现实情况。Heijungs和Guinée（2007）研究了两种主要的分配方法：分割法与替代法。替代法在废物管理系统的生命周期评估中广泛应用，尤其是在能源与材料回收领域，它通过将避免的初级生产所带来的收益计入被评估产品，从而降低其环境负荷。系统中如何处理副产品会显著影响生命周期评估的结果，而系统扩展法则是更为常用的处理方式，该方法能够纳入被替代产品的环境负荷，从而实现避免分配的目的（Cherubini等人，2011；D'Avino等人，2015；Gerber等人，2016；Nguyen和Hermansen，2012）。以物理化学性质作为分配标准也成为了研究热点，尤其在农业领域（Mackenzie等人，2017）。关于矿物与金属行业生命周期评估应用的综述指出，开环回收过程中的分配问题仍需进一步研究和完善（Yellishetty等人，2009）。Sun等人（2017）建立了一种基于物理关系的能耗分配模型，用于合理分配镍生产多产出火法冶金系统中的能耗。在此基础上，Wang等人（2025）运用物理关系分析方法，解决了稀土氧化生产系统中的多产出分配难题，不过他们的方法仅针对共生金属，未涉及非金属的分配问题。Ardente和Cellura（2012）对镍产品的环境影响分配问题进行了比较研究，他们采用了经济与质量分配方法，并进行了敏感性分析，研究结果表明并不存在所谓的“最优”分配方法，因为方法选择必须与具体情境相匹配。在质量分配法与经济分配法之间的选择会显著影响评估结果，而且往往无法充分反映工业生产的实际状况。尤其是由于金属价格存在较大差异，经济分配法会导致结果出现更大数量级的波动（Stamp等人，2013）。Stamp等人认为，没有任何一种分配方法能够完全反映工业生产的实际情况，因此需要根据具体情境来选择相应的分配方法。Fernandez等人（2024）研究了铁生产系统中的多产出分配问题，该系统会产生两种副产品：富锌工艺粉尘与炉渣。他们对比分析了四种用于处理多功能性问题的生命周期评估方法——系统扩展法、物理分配法、经济分配法以及零负荷分配法，以解决这一多产出场景下的分配问题。目前，关于多产出系统环境分配的研究正在从理论方法论探讨转向实际工业应用。总而言之，镍生命周期评估研究面临的一个关键挑战，就是镍火法冶炼系统中镍、铜、硫之间复杂的相互关系。这种复杂性使得在将环境负荷在金属（镍、铜）与非金属（硫）之间进行分配时面临巨大的整合难度。此外，现有的副产品与共生产物处理策略也存在诸多局限性，这些策略既包括质量分配法、经济分配法等单一标准分配方法，也包括避免分配的做法。迫切需要解决这些相互关联的问题。

通常，研究人员会在系统细分与扩展之间进行选择，或者依据物理关系或其他关系进行分配，但这些方法往往无法全面体现复杂系统的多重属性。为克服这一局限，人们开发出了混合分配方法，这类方法通过整合多种分配逻辑，能够更灵活、更具情境适应性地解决多产出系统中的环境负荷分配问题。Hao等人（2025）较早地通过引入区域特定权重，将几种主流分配方法相结合，证明了混合分配方法的可行性，但权重的确定仍部分依赖于专家判断，且该模型整体偏宏观，无法解决工艺内部的分配问题。Ijassi等人（2021）则开发了一种多层决策树框架，将该产品的内在经济价值与关键功能属性的市场估值相结合，虽然这种方法能够在产品功能层面实现更精细的混合分配，但其应用主要局限于功能属性相对明确的 product系统。对于那些同时产出能源与材料的系统，如生物精炼厂，Sandin等人（2014）设计了一种反向激励模型，旨在让那些具有更高环境效益的产品获得更好的环境表现。虽然该模型在理论上避免了受经济波动的影响，但当不同产品的物理规模或功能差异较大时，其评估结果往往会过于极端，难以解读。在实际工业应用中，Dai等人（2025）采用“逐步混合”方法解决了丝绸生产过程中的废水处理问题，该方法首先根据化学需氧量这一物理关系来确定废水处理各阶段的排放量，然后再根据经济价值在主要产品与副产品之间进行分配。这一案例体现了“根据不同分配问题的特点选择合适的分配依据”这一混合分配原则。现有混合分配方法普遍存在一个局限性，那就是它们的“混合”逻辑往往是由政策目标或市场等外部因素决定的，而非源于系统本身的内在特性。目前的混合分配方法在应用于冶金流程这类复杂系统时，缺乏透明且一致的决策框架，因为在这些系统中，副产品与共生产物既具有资源价值，又具有废物特征。在将分配方法与不同产出物的特征相匹配方面，仍然存在不足，这使得人们难以系统地评估具有不同属性的产出物，进而为每种产出物选择最合适的分配方法，往往会导致所选的分配逻辑与实际工业流程脱节。

因此，本研究通过分析镍、铜、硫在共生冶金过程中的耦合转化机制，探讨了镍冶金系统中因多产出共生特性而产生的环境负荷分配难题（见图1）。本研究采用了多种方法，包括替代法以及热力学、质量、经济分配法，确定了副产品与共生产物（二氧化硫与硫化亚铜）所对应的资源与环境负荷。此外，本研究还对比了不同单一标准分配方法的适用性，并提出了一种具有双层分配结构的创新分配方法——混合分配法。本研究旨在探索基于机理且符合物理规律的镍共生冶金系统分配方法，期望能为该领域的资源优化与环境负荷评估提供新的思路与方法参考，同时也为推动镍冶金及其他共生金属行业的可持续发展提供方法论指导与实践借鉴。

目标与范围界定：开展生命周期评估研究的第一步是明确研究目标并确定系统边界，如图2所示。本研究的目的是分析镍火法硫化物加工过程中镍-铜-硫共生系统的多功能性解决策略，研究方法包括替代法以及基于物理原理（质量与热力学原理）的经济分配法。本研究重点关注镍的共生系统，同时也会探讨非金属与金属的分配层级问题。

为了便于对比不同计算逻辑与输出形式的分配方法，本研究引入了负荷比率这一统一指标。方法1通过减去替代系统的负荷，得出主要产品的净负荷，而方法2至4则按比例将总负荷分配到各个产出物上。将所有结果表示为无量纲比率，可以为各种方法提供统一的比较基础，因为所有方法都基于相同的生命周期清单数据以及相同的……

结论：本研究解决了镍-铜-硫冶金系统中的多元素分配难题，同时评估了替代法以及热力学、质量、经济分配法的适用性与局限性。通过整合合适的单一准则分配方法，一种具有双层结构的创新型混合分配方法被开发出来，并应用于镍体系。该替代方法能够处理处于不同状态的产品（例如，以SO2作为副产品来替代某些成分）。

作者贡献声明：
段章：概念构建、形式分析、方法设计、初稿撰写。孙博雪：概念构建、资源协调、验证工作。崔苏平：数据整理、监督指导、验证工作。孟凌琴：可视化处理、审稿与编辑。杜世伟：方法设计、监督指导。聂作人：概念构建、资金筹集。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52494941）的支持。

段章|孙博雪|崔苏平|孟凌琴|杜世伟|聂作人
中国北京市100124，北京工业大学，材料低碳循环国家重点实验室