工業(yè)污染源控制與管理叢書--流程型工業(yè)代謝分析與應(yīng)用

本書以流程型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及其環(huán)境行為為主線，主要介紹了借助工業(yè)代謝研究中常用的研究手段——物質(zhì)流分析等對(duì)流程型生產(chǎn)系統(tǒng)中物質(zhì)（及污染物）的代謝路徑、代謝去向及代謝量等開(kāi)展識(shí)別、追蹤和量化研究的原理和方法以及應(yīng)用案例等，內(nèi)容涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析框架的建立，兩種不同角度和開(kāi)發(fā)原理的模型（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和單元功能模型）建模過(guò)程與方法，并以鉛冶煉、鋁冶煉以及制糖和焦化等典型流程型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程為案例開(kāi)展了應(yīng)用研究，旨在為行業(yè)清潔、綠色和可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)污染的源頭預(yù)防和管控提供“精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污、依法治污”的技術(shù)方法和案例借鑒。
本書具有較強(qiáng)的針對(duì)性和技術(shù)應(yīng)用性，可供從事工業(yè)污染源控制與管理的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參考，也供高等學(xué)校環(huán)境科學(xué)與工程、生態(tài)工程、資源科學(xué)與工程及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

白璐，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，研究室主任、高級(jí)工程師，主要從事運(yùn)用產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論與工具進(jìn)行工業(yè)污染防治的研究工作。
（1）探索性的開(kāi)展了重金屬工業(yè)代謝分析研究，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)科縱向深入與橫向拓寬發(fā)展。通過(guò)建立基于物質(zhì)流識(shí)別的冶煉過(guò)程工業(yè)代謝分析方法體系進(jìn)行有色冶煉行業(yè)重金屬污染防控以及無(wú)組織排放環(huán)節(jié)與對(duì)策研究。針對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)代謝分析方法多采用黑箱模型從而無(wú)法追蹤物質(zhì)代謝行為及其影響因素的缺陷，探索性的開(kāi)發(fā)了高溫多元多相復(fù)雜體系的數(shù)學(xué)模型對(duì)冶煉過(guò)程重金屬物質(zhì)代謝行為進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，實(shí)現(xiàn)并建立了動(dòng)態(tài)化的工業(yè)過(guò)程物質(zhì)代謝分析模式。上述成果作為重要支撐之一，于2016年獲中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
（2）運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池行業(yè)的環(huán)境影響及污染防治技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。該研究成果于2016年獲國(guó)家能源局能源軟科學(xué)優(yōu)秀成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，并被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為《多晶硅制造業(yè)污染防治技術(shù)政策》和《多晶硅及其制品工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，為多晶硅制造業(yè)環(huán)境管理提供依據(jù)。
（3）針對(duì)工業(yè)污染源類型多樣、工藝復(fù)雜、產(chǎn)排污環(huán)節(jié)眾多的特征，在對(duì)工業(yè)生產(chǎn)規(guī)律全面分析研究的基礎(chǔ)上，提出基于物質(zhì)代謝規(guī)律的產(chǎn)排污量分類核算方法，創(chuàng)建了產(chǎn)污工段劃分原則與方法，建立了納入運(yùn)行效率的污染物削減量核算方法，作為第 一完成人編制了《第 二次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污量核算技術(shù)指南》、《第 二次全國(guó)污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)污系數(shù)制定（不含VOCs）技術(shù)指南》，指導(dǎo)各工業(yè)行業(yè)（42個(gè)大類、659個(gè)小類）開(kāi)展產(chǎn)排污核算方法研究，為第 二次全國(guó)污染源普查工業(yè)源排放量核算提供了直接支撐。作為項(xiàng)目總技術(shù)協(xié)調(diào)人協(xié)調(diào)指導(dǎo)近百家承擔(dān)單位開(kāi)展系數(shù)制定，同時(shí)作為二污普工業(yè)源技術(shù)骨干對(duì)全國(guó)各級(jí)技術(shù)人員進(jìn)行培訓(xùn)、技術(shù)答疑和指導(dǎo)，在普查的質(zhì)量提升、質(zhì)量核查、數(shù)據(jù)集中會(huì)審等重要工作中做出了突出貢獻(xiàn)。

工業(yè)代謝包括使經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)得以運(yùn)行（即生產(chǎn)和消費(fèi)）的所有物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程。作為產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的重要組成內(nèi)容，工業(yè)代謝的主要研究目的是通過(guò)識(shí)別和追蹤這一系列轉(zhuǎn)化過(guò)程中某一研究對(duì)象（物質(zhì)或能量）的變化（代謝）反映其所在工業(yè)體系的運(yùn)行機(jī)制，進(jìn)一步通過(guò)機(jī)制調(diào)節(jié)和優(yōu)化這種代謝關(guān)系來(lái)達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。工業(yè)代謝的研究歷史迄今已近30年，在系統(tǒng)邊界和研究目標(biāo)的確定、模型構(gòu)建、清單編制、分類方法、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果解釋等方面已經(jīng)基本形成了工業(yè)代謝分析方法的框架，而大量的國(guó)家、區(qū)域和產(chǎn)業(yè)部門的物質(zhì)代謝、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展以及環(huán)境影響等層面的廣泛研究也使工業(yè)代謝成為辨識(shí)工業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境行為的重要理論基礎(chǔ)和工具。
根據(jù)工業(yè)代謝過(guò)程物質(zhì)流動(dòng)和轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，以及產(chǎn)排污行為與生產(chǎn)要素響應(yīng)關(guān)系的一致性或相似性，工業(yè)生產(chǎn)可劃分為流程型生產(chǎn)和離散型生產(chǎn)。其中，流程型生產(chǎn)是對(duì)原材料以批量或連續(xù)的方式進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程，主要發(fā)生物理化學(xué)等變化。流程型生產(chǎn)包括傳統(tǒng)的重化工業(yè)，例如鋼鐵、有色、化工等重污染行業(yè)。本書以流程型工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)及其物質(zhì)代謝為主要對(duì)象，基于工業(yè)代謝的理念，在建立生產(chǎn)系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析框架的基礎(chǔ)上，采用雙層結(jié)構(gòu)模型（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和單元功能模型）建模的方式識(shí)別、追蹤和量化流程型工業(yè)代謝過(guò)程中大宗物質(zhì)元素或環(huán)境影響較大的主要污染物的代謝行為。以鉛冶煉、鋁冶煉以及制糖和焦化等典型流程型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程為案例，分別對(duì)其進(jìn)行了典型污染物的代謝分析研究（例如代謝路徑、最終代謝產(chǎn)物的去向及代謝量等），旨在為行業(yè)清潔、綠色和可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)污染的源頭預(yù)防和管控提供“精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污、依法治污”的技術(shù)方法和案例借鑒。
本書由白璐、喬琦、張玥等著，具體分工如下：第1章由許文、白璐、鐘琴道、劉丹丹等撰寫；第2章由喬琦、白璐、張玥、李雪迎等撰寫；第3章和第4章由白璐、周瀟云、孫園園撰寫；第5章由白璐、喬琦撰寫；第6章由鐘琴道、喬琦、李艷萍、白璐撰寫；第7章由白璐、喬琦、孫園園撰寫；第8章由張玥、白璐、喬琦撰寫；第9章由畢瑩瑩、劉景洋、孫曉明撰寫；第10章由許文、孫曉明、劉景洋撰寫；第11章由李雪迎、張玥、白璐撰寫；第12章由劉丹丹、喬琦、張玥、白璐撰寫；第13章由白璐、張玥、喬琦、孫園園撰寫。全書最后由白璐、喬琦、張玥統(tǒng)稿并定稿。本書撰寫過(guò)程中得到了郝吉明、段寧、柴發(fā)合、孫啟宏等的幫助和支持，在此一并表示感謝。
限于著者水平及撰寫時(shí)間，書中難免存在不足和疏漏之處，敬請(qǐng)讀者提出修改建議。

著者
2023年1月

第1章 工業(yè)代謝 001
1.1　工業(yè)代謝及其分析方法 002
1.1.1　關(guān)于代謝的研究 002
1.1.2　工業(yè)代謝的起源及其發(fā)展 002
1.1.3　工業(yè)代謝的基本概念 004
1.1.4　工業(yè)代謝分析的研究對(duì)象和范圍 006
1.2　工業(yè)代謝分析的研究意義 007
1.3　工業(yè)代謝的分析方法 010
1.3.1　物質(zhì)流分析與元素流分析 011
1.3.2　投入產(chǎn)出分析 013
1.3.3　生命周期評(píng)價(jià) 014
1.3.4　生態(tài)足跡分析 015
1.3.5　能值分析 016
1.3.6　人類占用的凈初級(jí)生產(chǎn)量 017
1.3.7　常用分析方法的對(duì)比 019
1.4　工業(yè)代謝分析的研究與應(yīng)用 020
1.4.1　工業(yè)代謝的實(shí)證研究 020
1.4.2　流域尺度的代謝研究 022
1.4.3　金屬及重金屬工業(yè)代謝研究進(jìn)展 022
1.4.4　流程型生產(chǎn)過(guò)程的物質(zhì)代謝研究進(jìn)展 027
參考文獻(xiàn) 028

第2章 流程型工業(yè) 035
2.1　工業(yè)生產(chǎn)的類型 036
2.2　工業(yè)生產(chǎn)基本代謝過(guò)程 038
2.2.1　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的代謝 038
2.2.2　社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的工業(yè)代謝 040
2.3　流程型生產(chǎn)與代謝特征 041
2.4　常見(jiàn)的流程型工業(yè) 042
2.4.1　鋼鐵行業(yè) 042
2.4.2　有色行業(yè) 044
2.4.3　水泥行業(yè) 046
2.4.4　醫(yī)藥行業(yè) 046
參考文獻(xiàn) 048

第3章 流程型行業(yè)代謝分析與評(píng)價(jià)基本方法 049
3.1　流程型工業(yè)代謝分析框架 050
3.1.1　基本步驟 050
3.1.2　確定研究范圍和對(duì)象 050
3.1.3　流程型工業(yè)物質(zhì)流識(shí)別 051
3.1.4　物質(zhì)平衡賬戶的建立 055
3.1.5　代謝分析與結(jié)果解釋 058
3.2　物質(zhì)流的靜態(tài)分析法 059
3.2.1　量化表征與評(píng)價(jià)分析 059
3.2.2　圖形表征與物質(zhì)流圖繪制 060
3.2.3　常用的制圖軟件 061
3.3　物質(zhì)流的動(dòng)態(tài)分析法 064
3.3.1　冶金過(guò)程的數(shù)學(xué)模型法 065
3.3.2　化工過(guò)程的物料衡算法 065
參考文獻(xiàn) 066

第4章 工業(yè)代謝分析的數(shù)據(jù)及獲取 067
4.1　物質(zhì)流分析的數(shù)據(jù)需求 068
4.2　生產(chǎn)型數(shù)據(jù)獲取 071
4.2.1　國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒 071
4.2.2　工業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒 073
4.2.3　能源統(tǒng)計(jì)年鑒 073
4.2.4　實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù) 073
4.3　排放型數(shù)據(jù)獲取 074
4.3.1　生態(tài)環(huán)境調(diào)查與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 074
4.3.2　工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù) 077
4.3.3　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 077
4.4　數(shù)據(jù)的不確定性分析 078
4.4.1　蒙特卡洛分析方法 078
4.4.2　拉丁超立方抽樣方法 079
4.4.3　敏感性分析 079
4.4.4　概率分析 080
參考文獻(xiàn) 080

第5章 冶煉過(guò)程重金屬物質(zhì)代謝分析與評(píng)價(jià)——水口山工藝 082
5.1　我國(guó)鉛冶煉發(fā)展概況 083
5.1.1　鉛冶煉技術(shù) 083
5.1.2　鉛冶煉過(guò)程主要環(huán)境問(wèn)題 086
5.1.3　研究背景和意義 087
5.2　SKS工藝中重金屬物質(zhì)代謝分析與評(píng)價(jià) 089
5.2.1　SKS工藝研究對(duì)象與系統(tǒng)邊界 089
5.2.2　鉛冶煉過(guò)程物質(zhì)流識(shí)別與確定 091
5.2.3　SKS冶煉過(guò)程工業(yè)代謝分析與評(píng)價(jià) 096
5.2.4　鉛冶煉過(guò)程重金屬污染防治環(huán)節(jié)分析 110
5.2.5　鉛冶煉過(guò)程的統(tǒng)計(jì)熵分析 114
參考文獻(xiàn) 124

第6章 冶煉過(guò)程鉛的代謝分析及優(yōu)化——富氧底吹液態(tài)高鉛渣直接還原工藝 126
6.1　富氧底吹液態(tài)高鉛渣直接還原工藝研究對(duì)象與系統(tǒng)邊界 127
6.1.1　研究對(duì)象概況 127
6.1.2　系統(tǒng)邊界及采樣方案 128
6.2　物質(zhì)流識(shí)別與確定 131
6.2.1　基本物質(zhì)流圖的構(gòu)建 131
6.2.2　數(shù)據(jù)獲取 132
6.2.3　鉛物質(zhì)流核算 134
6.3　富氧底吹液態(tài)高鉛渣直接還原工藝鉛物質(zhì)流代謝分析與評(píng)價(jià) 136
6.3.1　粗鉛冶煉過(guò)程鉛的物質(zhì)流分析 136
6.3.2　粗鉛精煉過(guò)程鉛的物質(zhì)流分析 140
6.3.3　鉛物質(zhì)代謝評(píng)價(jià) 142
6.4　重點(diǎn)污染物與重點(diǎn)工序分析 146
6.5　鉛物質(zhì)代謝優(yōu)化模型 147
6.5.1　模型構(gòu)建 147
6.5.2　模型邊際影響分析 149
6.5.3　生產(chǎn)過(guò)程鉛物質(zhì)流優(yōu)化模型分析 151
參考文獻(xiàn) 156

第7章 典型冶煉工序重金屬代謝行為模擬——富氧底吹BBF-ME模型  157
7.1　火法冶煉過(guò)程的模型模擬 158
7.1.1　建模方法的選擇 158
7.1.2　基于元素勢(shì)法的多相平衡模型構(gòu)建 160
7.2　BBF-ME模型的建立 164
7.2.1　研究對(duì)象及概況 164
7.2.2　模型的簡(jiǎn)化與假設(shè)條件 166
7.2.3　熔煉平衡時(shí)反應(yīng)體系構(gòu)成 167
7.2.4　確定計(jì)算所需參數(shù) 167
7.3　底吹爐熔煉過(guò)程模型計(jì)算實(shí)例 169
7.3.1　計(jì)算結(jié)果 169
7.3.2　模型的驗(yàn)證 170
7.4　底吹爐工序工業(yè)代謝模擬 170
7.4.1　原料成分對(duì)Pb代謝行為的影響 171
7.4.2　熔煉溫度對(duì)Pb代謝行為的影響 174
7.4.3　加氧量對(duì)Pb代謝行為的影響 176
參考文獻(xiàn) 178

第8章 電解鋁工業(yè)代謝分析 180
8.1　我國(guó)鋁業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 181
8.1.1　電解鋁業(yè)概況 181
8.1.2　主要生產(chǎn)工藝 184
8.1.3　行業(yè)產(chǎn)排污現(xiàn)狀 185
8.2　鋁的主要產(chǎn)品及典型代謝關(guān)系識(shí)別 189
8.2.1　鋁的主要產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)鏈 189
8.2.2　典型鋁產(chǎn)業(yè)園區(qū)物質(zhì)代謝關(guān)系識(shí)別 195
8.3　我國(guó)鋁行業(yè)物質(zhì)流分析 200
8.3.1　鋁行業(yè)的物質(zhì)代謝研究方法 200
8.3.2　2020年我國(guó)鋁業(yè)的物質(zhì)流分析 203
參考文獻(xiàn) 206

第9章 資源再生行業(yè)廢物流代謝分析 207
9.1　資源再生行業(yè)發(fā)展概況 208
9.1.1　廢棄資源綜合利用的主要品種 208
9.1.2　再生資源行業(yè)的布局 210
9.1.3　再生資源行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn) 210
9.2　再生資源物質(zhì)流圖及構(gòu)建方法 211
9.2.1　再生資源物質(zhì)流 211
9.2.2　再生資源物質(zhì)流圖及其構(gòu)建方法 213
9.3　典型資源再生過(guò)程物質(zhì)代謝 214
9.3.1　靜脈產(chǎn)業(yè)園再生資源代謝模式 214
9.3.2　我國(guó)廢PET飲料瓶物質(zhì)代謝模式分析 219
參考文獻(xiàn) 222

第10章 制糖工業(yè)共生系統(tǒng)及代謝分析 223
10.1　我國(guó)制糖行業(yè)發(fā)展概況 224
10.1.1　制糖行業(yè)概況 224
10.1.2　主要產(chǎn)品和工藝 224
10.1.3　行業(yè)產(chǎn)排污現(xiàn)狀 226
10.2　制糖工業(yè)代謝類型及其主要特征 229
10.3　制糖生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu) 229
10.4　廣西貴糖集團(tuán)制糖生態(tài)工業(yè)模式及代謝分析 231
10.4.1　廣西貴糖生態(tài)工業(yè)雛形 232
10.4.2　貴糖模式的生態(tài)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型 232
10.4.3　貴糖模式的代謝類型及主要特點(diǎn) 233
10.4.4　廢物循環(huán)利用的區(qū)域環(huán)境效應(yīng) 234
參考文獻(xiàn) 236

第11章　工業(yè)集聚區(qū)能源代謝與碳排放 237
11.1　我國(guó)工業(yè)集聚區(qū)概況  238
11.1.1　我國(guó)工業(yè)集聚區(qū)的表現(xiàn)形式與現(xiàn)狀分布 238
11.1.2　工業(yè)集聚區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源消耗 239
11.2　工業(yè)集聚區(qū)碳排放核算與代謝分析方法 240
11.2.1　核算框架與技術(shù)流程 240
11.2.2　燃料燃燒排放 241
11.2.3　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程排放 242
11.2.4　電力、熱力調(diào)入與調(diào)出產(chǎn)生的排放 242
11.2.5　廢棄物處理 243
11.3　典型集聚區(qū)碳排放代謝分析 247
11.3.1　化工行業(yè)主導(dǎo)型集聚區(qū)碳排放代謝分析 247
11.3.2　電子行業(yè)主導(dǎo)型集聚區(qū)碳排放代謝分析 253
參考文獻(xiàn) 261

第12章　流域總磷的工業(yè)代謝分析 262
12.1　長(zhǎng)江流域總磷的工業(yè)代謝分析 263
12.1.1　長(zhǎng)江流域概況 263
12.1.2　研究范圍與系統(tǒng)邊界 266
12.1.3　分析方法與研究手段 266
12.1.4　總磷的代謝分析 268
12.2　沱江流域總磷的工業(yè)代謝分析 271
12.2.1　沱江流域概況 271
12.2.2　研究范圍與研究方法 271
12.2.3　總磷的代謝分析 272
參考文獻(xiàn) 275

第13章　流程型工業(yè)代謝分析研究展望 276
13.1　用于提升工藝代謝效率和清潔化改造 277
13.2　用于開(kāi)展工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的減污降碳協(xié)同路徑分析 278
13.3　用于流域和區(qū)域的工業(yè)污染溯源 278

附錄  279
附錄1　生產(chǎn)過(guò)程物質(zhì)平衡賬戶建立調(diào)研表 280
附錄2　富氧底吹-鼓風(fēng)爐煉鉛工藝案例中各工序Pb物質(zhì)平衡賬戶 289
附錄3　底吹爐熔煉過(guò)程數(shù)學(xué)模型 291

索引  295