流程型工业代谢分析与应用_白璐、乔琦、张玥等著_9787122428394

本书以流程型工业生产过程及其环境行为为主线，主要介绍了借助工业代谢研究中常用的研究手段物质流分析等对流程型生产系统中物质（及污染物）的代谢路径、代谢去向及代谢量等开展识别、追踪和量化研究的原理和方法以及应用案例等，内容涵盖了工业生产系统物质代谢分析框架的建立，两种不同角度和开发原理的模型（系统结构模型和单元功能模型）建模过程与方法，并以铅冶炼、铝冶炼以及制糖和焦化等典型流程型工业生产过程为案例开展了应用研究，旨在为行业清洁、绿色和可持续发展，加强污染的源头预防和管控提供精准治污、科学治污、依法治污的技术方法和案例借鉴。本书具有较强的针对性和技术应用性，可供从事工业污染源控制与管理的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也供高等学校环境科学与工程、生态工程、资源科学与工程及相关专业师生参阅。

工业代谢包括使经济系统得以运行（即生产和消费）的所有物质和能量的转化过程。作为产业生态学的重要组成内容，工业代谢的主要研究目的是通过识别和追踪这一系列转化过程中某一研究对象（物质或能量）的变化（代谢）反映其所在工业体系的运行机制，进一步通过机制调节和优化这种代谢关系来达到保护生态环境、实现可持续发展的目的。工业代谢的研究历史迄今已近30年，在系统边界和研究目标的确定、模型构建、清单编制、分类方法、数据分析、结果解释等方面已经基本形成了工业代谢分析方法的框架，而大量的国家、区域和产业部门的物质代谢、经济与社会发展以及环境影响等层面的广泛研究也使工业代谢成为辨识工业生产及其环境行为的重要理论基础和工具。
根据工业代谢过程物质流动和转化的特点，以及产排污行为与生产要素响应关系的一致性或相似性，工业生产可划分为流程型生产和离散型生产。其中，流程型生产是对原材料以批量或连续的方式进行生产的过程，主要发生物理化学等变化。流程型生产包括传统的重化工业，例如钢铁、有色、化工等重污染行业。本书以流程型工业生产系统及其物质代谢为主要对象，基于工业代谢的理念，在建立生产系统物质代谢分析框架的基础上，采用双层结构模型（系统结构模型和单元功能模型）建模的方式识别、追踪和量化流程型工业代谢过程中大宗物质元素或环境影响较大的主要污染物的代谢行为。以铅冶炼、铝冶炼以及制糖和焦化等典型流程型工业生产过程为案例，分别对其进行了典型污染物的代谢分析研究（例如代谢路径、最终代谢产物的去向及代谢量等），旨在为行业清洁、绿色和可持续发展，加强污染的源头预防和管控提供精准治污、科学治污、依法治污的技术方法和案例借鉴。
本书由白璐、乔琦、张玥等著，具体分工如下：第1章由许文、白璐、钟琴道、刘丹丹等撰写；第2章由乔琦、白璐、张玥、李雪迎等撰写；第3章和第4章由白璐、周潇云、孙园园撰写；第5章由白璐、乔琦撰写；第6章由钟琴道、乔琦、李艳萍、白璐撰写；第7章由白璐、乔琦、孙园园撰写；第8章由张玥、白璐、乔琦撰写；第9章由毕莹莹、刘景洋、孙晓明撰写；第10章由许文、孙晓明、刘景洋撰写；第11章由李雪迎、张玥、白璐撰写；第12章由刘丹丹、乔琦、张玥、白璐撰写；第13章由白璐、张玥、乔琦、孙园园撰写。全书最后由白璐、乔琦、张玥统稿并定稿。本书撰写过程中得到了郝吉明、段宁、柴发合、孙启宏等的帮助和支持，在此一并表示感谢。
限于著者水平及撰写时间，书中难免存在不足和疏漏之处，敬请读者提出修改建议。

著者
2023年1月

白璐，中国环境科学研究院，研究室主任、高级工程师，主要从事运用产业生态学基础理论与工具进行工业污染防治的研究工作。（1）探索性的开展了重金属工业代谢分析研究，推动产业生态学科纵向深入与横向拓宽发展。通过建立基于物质流识别的冶炼过程工业代谢分析方法体系进行有色冶炼行业重金属污染防控以及无组织排放环节与对策研究。针对传统工业代谢分析方法多采用黑箱模型从而无法追踪物质代谢行为及其影响因素的缺陷，探索性的开发了高温多元多相复杂体系的数学模型对冶炼过程重金属物质代谢行为进行预测和模拟，实现并建立了动态化的工业过程物质代谢分析模式。上述成果作为重要支撑之一，于2016年获中国有色金属工业科学技术奖一等奖。（2）运用生命周期评价对晶体硅太阳能电池行业的环境影响及污染防治技术进行评估。该研究成果于2016年获国家能源局能源软科学优秀成果奖三等奖，并被进一步转化为《多晶硅制造业污染防治技术政策》和《多晶硅及其制品工业污染物排放标准》，为多晶硅制造业环境管理提供依据。（3）针对工业污染源类型多样、工艺复杂、产排污环节众多的特征，在对工业生产规律全面分析研究的基础上，提出基于物质代谢规律的产排污量分类核算方法，创建了产污工段划分原则与方法，建立了纳入运行效率的污染物削减量核算方法，作为第一完成人编制了《第二次全国污染源普查工业污染源产排污量核算技术指南》、《第二次全国污染源普查工业污染源产污系数制定（不含VOCs）技术指南》，指导各工业行业（42个大类、659个小类）开展产排污核算方法研究，为第二次全国污染源普查工业源排放量核算提供了直接支撑。作为项目总技术协调人协调指导近百家承担单位开展系数制定，同时作为二污普工业源技术骨干对全国各级技术人员进行培训、技术答疑和指导，在普查的质量提升、质量核查、数据集中会审等重要工作中做出了突出贡献。

第1章工业代谢 001
1.1　工业代谢及其分析方法 002
1.1.1　关于代谢的研究 002
1.1.2　工业代谢的起源及其发展 002
1.1.3　工业代谢的基本概念 004
1.1.4　工业代谢分析的研究对象和范围 006
1.2　工业代谢分析的研究意义 007
1.3　工业代谢的分析方法 010
1.3.1　物质流分析与元素流分析 011
1.3.2　投入产出分析 013
1.3.3　生命周期评价 014
1.3.4　生态足迹分析 015
1.3.5　能值分析 016
1.3.6　人类占用的净初级生产量 017
1.3.7　常用分析方法的对比 019
1.4　工业代谢分析的研究与应用 020
1.4.1　工业代谢的实证研究 020
1.4.2　流域尺度的代谢研究 022
1.4.3　金属及重金属工业代谢研究进展 022
1.4.4　流程型生产过程的物质代谢研究进展 027
参考文献 028

第2章流程型工业 035
2.1　工业生产的类型 036
2.2　工业生产基本代谢过程 038
2.2.1　工业生产过程的代谢 038
2.2.2　社会经济系统中的工业代谢 040
2.3　流程型生产与代谢特征 041
2.4　常见的流程型工业 042
2.4.1　钢铁行业 042
2.4.2　有色行业 044
2.4.3　水泥行业 046
2.4.4　医药行业 046
参考文献 048

第3章流程型行业代谢分析与评价基本方法 049
3.1　流程型工业代谢分析框架 050
3.1.1　基本步骤 050
3.1.2　确定研究范围和对象 050
3.1.3　流程型工业物质流识别 051
3.1.4　物质平衡账户的建立 055
3.1.5　代谢分析与结果解释 058
3.2　物质流的静态分析法 059
3.2.1　量化表征与评价分析 059
3.2.2　图形表征与物质流图绘制 060
3.2.3　常用的制图软件 061
3.3　物质流的动态分析法 064
3.3.1　冶金过程的数学模型法 065
3.3.2　化工过程的物料衡算法 065
参考文献 066

第4章工业代谢分析的数据及获取 067
4.1　物质流分析的数据需求 068
4.2　生产型数据获取 071
4.2.1　国民经济统计年鉴 071
4.2.2　工业统计年鉴 073
4.2.3　能源统计年鉴 073
4.2.4　实地调研数据 073
4.3　排放型数据获取 074
4.3.1　生态环境调查与统计数据 074
4.3.2　工业污染源产排污系数 077
4.3.3　实测数据 077
4.4　数据的不确定性分析 078
4.4.1　蒙特卡洛分析方法 078
4.4.2　拉丁超立方抽样方法 079
4.4.3　敏感性分析 079
4.4.4　概率分析 080
参考文献 080

第5章冶炼过程重金属物质代谢分析与评价水口山工艺 082
5.1　我国铅冶炼发展概况 083
5.1.1　铅冶炼技术 083
5.1.2　铅冶炼过程主要环境问题 086
5.1.3　研究背景和意义 087
5.2　SKS工艺中重金属物质代谢分析与评价 089
5.2.1　SKS工艺研究对象与系统边界 089
5.2.2　铅冶炼过程物质流识别与确定 091
5.2.3　SKS冶炼过程工业代谢分析与评价 096
5.2.4　铅冶炼过程重金属污染防治环节分析 110
5.2.5　铅冶炼过程的统计熵分析 114
参考文献 124

第6章冶炼过程铅的代谢分析及优化富氧底吹液态高铅渣直接还原工艺 126
6.1　富氧底吹液态高铅渣直接还原工艺研究对象与系统边界 127
6.1.1　研究对象概况 127
6.1.2　系统边界及采样方案 128
6.2　物质流识别与确定 131
6.2.1　基本物质流图的构建 131
6.2.2　数据获取 132
6.2.3　铅物质流核算 134
6.3　富氧底吹液态高铅渣直接还原工艺铅物质流代谢分析与评价 136
6.3.1　粗铅冶炼过程铅的物质流分析 136
6.3.2　粗铅精炼过程铅的物质流分析 140
6.3.3　铅物质代谢评价 142
6.4　重点污染物与重点工序分析 146
6.5　铅物质代谢优化模型 147
6.5.1　模型构建 147
6.5.2　模型边际影响分析 149
6.5.3　生产过程铅物质流优化模型分析 151
参考文献 156

第7章典型冶炼工序重金属代谢行为模拟富氧底吹BBF-ME模型 157
7.1　火法冶炼过程的模型模拟 158
7.1.1　建模方法的选择 158
7.1.2　基于元素势法的多相平衡模型构建 160
7.2　BBF-ME模型的建立 164
7.2.1　研究对象及概况 164
7.2.2　模型的简化与假设条件 166
7.2.3　熔炼平衡时反应体系构成 167
7.2.4　确定计算所需参数 167
7.3　底吹炉熔炼过程模型计算实例 169
7.3.1　计算结果 169
7.3.2　模型的验证 170
7.4　底吹炉工序工业代谢模拟 170
7.4.1　原料成分对Pb代谢行为的影响 171
7.4.2　熔炼温度对Pb代谢行为的影响 174
7.4.3　加氧量对Pb代谢行为的影响 176
参考文献 178

第8章电解铝工业代谢分析 180
8.1　我国铝业发展现状 181
8.1.1　电解铝业概况 181
8.1.2　主要生产工艺 184
8.1.3　行业产排污现状 185
8.2　铝的主要产品及典型代谢关系识别 189
8.2.1　铝的主要产品及产业链 189
8.2.2　典型铝产业园区物质代谢关系识别 195
8.3　我国铝行业物质流分析 200
8.3.1　铝行业的物质代谢研究方法 200
8.3.2　2020年我国铝业的物质流分析 203
参考文献 206

第9章资源再生行业废物流代谢分析 207
9.1　资源再生行业发展概况 208
9.1.1　废弃资源综合利用的主要品种 208
9.1.2　再生资源行业的布局 210
9.1.3　再生资源行业的发展特点 210
9.2　再生资源物质流图及构建方法 211
9.2.1　再生资源物质流 211
9.2.2　再生资源物质流图及其构建方法 213
9.3　典型资源再生过程物质代谢 214
9.3.1　静脉产业园再生资源代谢模式 214
9.3.2　我国废PET饮料瓶物质代谢模式分析 219
参考文献 222

第10章制糖工业共生系统及代谢分析 223
10.1　我国制糖行业发展概况 224
10.1.1　制糖行业概况 224
10.1.2　主要产品和工艺 224
10.1.3　行业产排污现状 226
10.2　制糖工业代谢类型及其主要特征 229
10.3　制糖生态工业系统的组成和结构 229
10.4　广西贵糖集团制糖生态工业模式及代谢分析 231
10.4.1　广西贵糖生态工业雏形 232
10.4.2　贵糖模式的生态工业网络类型 232
10.4.3　贵糖模式的代谢类型及主要特点 233
10.4.4　废物循环利用的区域环境效应 234
参考文献 236

第11章　工业集聚区能源代谢与碳排放 237
11.1　我国工业集聚区概况 238
11.1.1　我国工业集聚区的表现形式与现状分布 238
11.1.2　工业集聚区产业结构与能源消耗 239
11.2　工业集聚区碳排放核算与代谢分析方法 240
11.2.1　核算框架与技术流程 240
11.2.2　燃料燃烧排放 241
11.2.3　工业生产过程排放 242
11.2.4　电力、热力调入与调出产生的排放 242
11.2.5　废弃物处理 243
11.3　典型集聚区碳排放代谢分析 247
11.3.1　化工行业主导型集聚区碳排放代谢分析 247
11.3.2　电子行业主导型集聚区碳排放代谢分析 253
参考文献 261

第12章　流域总磷的工业代谢分析 262
12.1　长江流域总磷的工业代谢分析 263
12.1.1　长江流域概况 263
12.1.2　研究范围与系统边界 266
12.1.3　分析方法与研究手段 266
12.1.4　总磷的代谢分析 268
12.2　沱江流域总磷的工业代谢分析 271
12.2.1　沱江流域概况 271
12.2.2　研究范围与研究方法 271
12.2.3　总磷的代谢分析 272
参考文献 275

第13章　流程型工业代谢分析研究展望 276
13.1　用于提升工艺代谢效率和清洁化改造 277
13.2　用于开展工业生产过程的减污降碳协同路径分析 278
13.3　用于流域和区域的工业污染溯源 278

附录 279
附录1　生产过程物质平衡账户建立调研表 280
附录2　富氧底吹-鼓风炉炼铅工艺案例中各工序Pb物质平衡账户 289
附录3　底吹炉熔炼过程数学模型 291

索引 295

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