（环境科学专业论文）焦化产业循环经济发展模式探讨——以孝义焦化产业为例.pdf

学位论文数据集 中图分类号 x 1 7 1 4 学科分类号 6 1 0 3 0 4 5 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 1 1 2 密级 学位授予单位代码 10 0 10 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名王志芳学号 2 0 0 4 0 0 0 1 12 获学位专业名称环境科学获学位专业代码 0 8 3 0 0 1 课题来源省，市，自治区项目研究方向环境规划与管理 论文题目焦化产业循环经济发展模式探讨一一助、孝义焦化产业为例 关键词循环经济，焦化产业，评价体系，生态产业，孝义 论文答辩日期 2 0 0 7 - 5 - 2 7论文类型 应用研究 ” 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 王京刚副教授北京化工大学环境工程 评阅人1周律副教授清华大学环境工程 评阅人2冯流教授北京化工大学 环境化学、环境工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴冯流教授北京化工大学环境化学、环境工程 答辩委员1 王世平教授中国农业大学食品安全、食品化学 答辩委员2 胡翔 副教授北京化工大学 环境工程 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：i 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b ti3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 iji0 叭2帆0jjjjji81洲y _ j1 摘要 焦化产业循环经济发展模式探讨 以孝义焦化产业为例 摘要 焦化产业提供的主要产品焦炭是钢铁产业的重要原料，炼焦过 程中产生的副产品焦油、焦炉煤气等是生产化工产品的重要基础原 料，焦化产业作为国民经济的支柱产业，在方方面面发挥着巨大的作 用，但是，焦化产业生产过程中环境污染严重，近年来发达国家在本 国严格环保压力下，焦炭产能几近萎缩，基本靠进口维持需求，我国 焦炭在国内相对比较宽松的环保政策和利益驱使下产能盲目扩张， 无序竞争导致焦炭价格急剧下跌，焦化企业前景堪忧。产能规模的无 序扩张不仅损失了应得的利润，消耗、浪费了大量宝贵的焦煤资源， 而且严重污染了当地的生产、生活环境，总体效益得不偿失 论文概述了国内外焦化产业发展现状并进行工艺技术水平比 较，然后在总结循环经济基本理论和方法基础上，探讨产业循环经 济发展程度评价方法，在借鉴文献基础上构造出焦炭产业循环经济 发展程度评价指标体系，通过数学评价方法适用性筛选，确定主成分 分析方法作为指标体系综合评价的数学方法，用于孝义焦化产业评 价，结果表明孝义产业循环经济发展水平低于全国基本水平，生态 转型迫在眉睫，第四章应用上述循环经济理论和方法探讨孝义焦化 产业循环经济网络体系构建，通过在焦化企业内部开展清洁生产、废 物利用，企业间通过沟通和合作构筑生态工业网络体系，合理利用 t 北京化工大学硕士学位论文 、吖 每 l 摘要 d i s c u s s i n g0 nc i r c u l a re c o n o m yo fc o i 6 0 和由( c 0 ) 3 0 的焦炉煤气) 但直到现在，只有无回收炼焦技术已产业化，并取得生产运行的经验和数据。 其它的技术仍在继续试验阶段旧喝：。 中国目前焦化企业既有正在生产的最大的焦炉为炭化室高6 m 的焦炉。鞍山 焦化耐火材料设计研究总院目前正在着手开发炭化室高6 5 m 和7 0 m 的焦炉。 有炭化室高度分别为6 o m 、5 5 m 、5 o m 、4 3 m 、4 0 m 、3 3 m 、2 8 m 、2 5 m 、2 o m 的顶装焦炉，和炭化室高度分别为3 8 m 、3 2 m 和2 5 m 的捣固焦炉并还有土焦 企业，但总体焦炉装备与发达国家比较，数量多，能力小。 炭化室加宽加高、提高单孔炭化室产焦量是焦炉的发展方向。国际上自8 0 年代以来建设了许多高度大于7 m 的大容积焦炉，德国1 9 9 3 年进行了炭化室高 为1 0 米的单孔炼焦系统的工业试验，欧盟专家正在为德国t h y s s e n k r u p p 公司 设计的炭化室高8 4 3 m 正在建设中。 另外，热回收焦炉以其较低的造价、较低的污染和较好的焦炭质量等特性， 正在受到世界各国焦化工作者的关注。美国、德国、澳大利亚、印度、墨西哥、 中国等都在积极开发和建设这种热回收焦炉。美国太阳公司建成的热回收焦炉 已取得了令人满意的效果。中国首创的捣固装煤热回收焦炉试验炉已建成投产， 现正在进一步完善中。这种焦炉适合于煤气没有用户或缺乏电力和环境压力较 大的地方采用，此项技术国内正在引进。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 捣固炼焦技术 捣固炼焦的入炉煤中，弱粘性高挥发分煤配入量可以高达7 0 一- - 8 0 ，甚至 几乎可以用1 0 0 的肥气煤炼焦。中国的炼焦煤储量中，气煤和肥煤分别占5 6 和1 3 ，适合于采用捣固炼焦。 国内已投产的捣固焦炉大多为炭化室高度3 8 m 及以下的小型焦炉。目前， 中国自行开发设计的炭化室高4 3 m 宽5 0 0 m m 的捣固焦炉已建成投产，采用经改 进的捣固装置，操作效率有很大提高。比如，山西太原东盛焦化公司，就是采 用捣固焦炉，生产效率达到很大的提高，焦碳质量也有很大的提高，产品远销 欧美市场。 此项技术目前正在国内新建焦化企业推广。 1 2 3 除尘地面站与车载式焦炉烟尘治理技术 焦化企业目前使用的装煤除尘系统形式主要有非燃烧法干式地面站除尘方 式、燃烧法干式地面站除尘方式、燃烧法湿式地面站除尘方式以及装煤出焦二 合一千式地面站除尘方式。出焦除尘系统形式主要有干式地面站除尘方式和热 浮力罩除尘方式。 近年来，鞍山焦耐院开发设计的干式除尘装煤车已在济钢焦化厂和昆钢焦 化厂投入使用，该车是将装有袋式除尘器的干式除尘装置安装在装煤车上，具 有投资省、易实施的特点，烟尘扑集率8 5 ，除尘效率9 9 5 ，烟气出口粉 尘浓度小于5 0 m g m3 ，满足国家环保法规要求。 1 2 4 煤气脱硫技术 煤气脱硫是正在推广的强制性环保措施。引进的脱硫方法由于工艺复杂、 投资高，仅在大型焦化厂得到应用。比较适合中国国情的是中国自行开发的改 良a d a 法、p d s 法和h p f 法脱硫工艺。 改良a d a 法及p d s 法以钠为碱源，脱硫效率高，塔后煤气含h 。s 可达2 0 m g m3 以下，符合城市煤气标准。h p f 法脱硫是采用h p f 为催化剂、以煤气中 的氨为碱源的脱硫新工艺，脱硫塔后煤气含h ：s 小于2 0 0 mg m3 ，满足中国 工业用煤气质量标准。 总体比较国外技术先进，但投资大，国内技术目前基本满足国家对焦化工 业的标准，投资少。 6 第一章绪论 1 2 5 干法熄焦( c d o ) 干熄焦是在密闭系统内完成熄焦过程，利用循环惰性气体做热载体，由循 环风机将冷的循环气体输入红焦冷却室冷却高温焦炭后排出。此法熄焦基本消 除湿法熄焦中的酚、h c s 、h 2 s 、n h 3 的排放，减少焦尘排放，不产生熄焦废水， 还提高焦炭质量，回收大量蒸汽热量，具有节能、节水、降耗、环保的多重优 点，是中国重点开发和推广的炼焦节能与环保技术。 当前国内外炼焦工业中，除前苏联和日本外，仍以湿法熄焦工艺为主。 首钢和济钢目前使用的主要是从日本和俄罗斯乌克兰引进的单套处理能 力7 0 一7 5t h 装置。中国发展c d q 的方向是装置的大型化与设备国产化。装 置的大型化是为了与焦炉的生产规模相配套，每卜2 组焦炉配备一套规模相当 的c d q 装置，同时以湿熄焦装置备用，以节省投资。 c d q 装置生产的蒸汽将用于发电、煤调湿或并入生产用蒸汽管网。国际上 设备先进，投资高，国内设备水平稍差。 1 2 6 煤调湿( c m c ) c m c 是将炼焦煤料在装炉前除掉一部分水分，保持装炉煤水分稳定的一项 技术。这项技术以其显著的节能、环保和经济效益受到普遍重视，并得到迅速 发展。1 9 9 6 年中国第一套c m c 装置在重钢焦化厂投产，采用的是导热油传热方 式，系统较为复杂、投资高。k 目前，鞍山焦耐院正在开发工艺简单、投资省的以蒸汽为热源的c m c 装置， 用蒸汽在列管式调湿机内与煤换热，利用烟道废气带走从煤析出的水分，将装 炉煤的水分稳定在6 。该工艺可使焦炉生产能力提高7 7 ，焦炉加热煤气消耗 量减少1 4 ，初冷器用水减少1 3 ，剩余氨水减少1 3 ，相应的蒸氨用蒸汽减少 l 3 。 1 2 7 生产过程综合自动化 焦炉生产自动化是一个包含生产控制和管理自动化内容的集成系统。中国 目前正在推广的焦炉生产自动化技术包括焦炉加热计算机控制及管理系统、焦 炉机械动态自动识别炉号及对位控制系统、集气管压力综合控制系统、焦化厂 生产管理计算机网络系统以及焦炉烘炉计算机自动测温与管理系统等。焦炉综 合自动化系统的构成为模块化结构。可根据各焦化厂情况和用户要求，一次实 现所有功能或逐步实现各项功能。此项与发达国家焦化企业比较差距较大。 7 北京化工大学硕士学位论文 1 3 焦化副产品加工国内外核心技术比较 国内焦化企业的焦化产品深加工技术与国际先进技术比较差距很大，将是 焦化企业发展面临的巨大挑战。目前还有较多的企业受规模影响，只焦不化。 1 3 1 焦炉煤气净化和利用 目前焦化企业正在生产的焦炉煤气净化工艺很多，主要包括冷凝鼓风、脱 硫、脱氨、脱苯等，在净化煤气的同时回收焦油、硫磺、硫铵或氨水、粗苯等 化工产品。 大部分焦化企业煤气净化一般均采用高效的横管初冷器来冷却荒煤气，几 种不同的煤气净化技术主要表现在脱硫、脱氨工艺方案的选择上。脱氨工艺主 要有水洗氨蒸氨浓氨水工艺、水洗氨蒸氨氨分解工艺、冷法无水氨工艺、热法 无水氨工艺、半直接法浸没式饱和器硫铵工艺、半直接法喷淋式饱和器硫铵工 艺、间接法饱和器硫铵工艺、酸洗法硫铵等。脱硫工艺主要有湿式氧化工艺( 如 以氨为碱源的t h 法、f r c 法、h p f 法及以钠为碱源的a d a 法、p d s 法) 和湿式 吸收工艺( 如氨硫联合洗涤的a s 法、索尔菲班法及真空碳酸盐法) 等。 1 3 2 焦油加工技术比较 中国煤焦油生产和加工企业大部分建于8 0 年代，因当时的各种条件限制，煤 焦油的生产加工，在规模、技术等很多方面存在不足，企业加工工艺基本上都采 用4 0 5 0 年代的一次汽化、逐步冷却分离、管式炉加热的连续蒸馏工艺。大型装 置的能耗一般为1 2 1 1 3 4 k j t 焦油，小型装置的能耗普遍高达3 0 0 k j t 焦油以上。 中小型煤焦油加工装置大多只有工业蔡、粗酚、洗油、燃油和沥青生产系统。单 个企业加工品种多数达不n 2 0 种，有些还少于1 0 种，而总计加工品种可达7 0 余种。 国外煤焦油加工厂提取产品的方式有三种模式： 一是全方位多品种，包括提纯和配制各种市场需求不同规格、不同等级的产 品。可以根据市场要求，在同一装置上，改变不同的操作参数，在不同的时期生 产不同级别的产品，达到同种装置的多功能性： 二是在煤焦油加工产品的基础上，发展向精细化工、染料、医药等方面延伸 的深加工产品： 三是重点加工沥青类产品。因为在煤焦油加工过程中，沥青占整个原料的5 0 以上，做好沥青加工这项工作，提高沥青的附加值，就能保证焦油加工项目的整 s 第一章绪论 体效益。 1 3 3 粗苯加工水平比较 5 0 年代初期，德国、英国、美国、法国、日本等就开始发展粗苯集中加工， 单套装置的处理能力已达到8 1 0 万吨年，并相继采用催化加氢精制代替了传 统的硫酸洗涤法。 2 0 0 1 年中国粗苯产量1 1 0 万吨左右，一般焦化厂都设有一个粗苯加工生产 车间。中国目前拥有粗苯加工装置的企业有4 0 多家，年加工能力约7 0 万吨。 中国的粗苯加工水平与世界先进水平相比，主要表现在单套装置的加工能力 小，绝大部分粗苯精制装置采用的仍是5 0 年代的酸洗法工艺。处于国内领先地 位的是宝钢焦化厂和石家庄焦化厂从国外引进的粗苯加氢精制装置，单套装置处 理能力5 万吨年。粗苯n - r _ 规模最大的为宝钢焦化厂，年加工粗苯1 1 万吨， 其余分散在各焦化厂的粗苯精制装置加工能力只有1 - - , - 3 万吨年。 1 4 问题分析 综上所述，我国焦化企业的发展存在着以下问题： 首先，焦化企业生产规模偏小，企业零散，产能、布局缺乏总体规划。 由于中国的钢铁企业与发达国家比较，数量多，规模小，许多在六七十年 代建立的焦化企业是和钢铁企业配套的，因此建立的焦化企业规模也比较小。 在近二十年里，我国还建立了许多独立于钢铁企业之外的焦化企业，这与外国” 大型跨国公司相比，是无法同日而语的。 其次，技术装备水平和环保设施配备率非常低，环保投入没有得到足够的 重视。 再次，焦化企业的产品单一，产品质量不稳定，化产回收装置配备率低， 化产回收技术水平低，产业链短。具体来说，主要包括以下几个方面。 1 4 1 产能缺乏总体规划 全国现有焦化企业约1 4 0 0 家，机焦生产能力已达到3 亿吨以上，2 0 0 5 年 产量2 3 亿吨，产能利用率为6 0 7 0 ，2 0 0 6 年国内仍有4 0 0 0 多万吨新焦炉产 能建成，国内焦炭总产能可能已达到了3 6 亿吨。而目前国内焦炭实际消费量 约2 3 亿吨左右，同时由于国际一些国家钢铁生产下降，国际国内钢铁对焦炭 需求趋缓，印度、俄罗斯、波兰、乌克兰等一些国家也在新建焦炉或恢复老焦 9 北京化工大学硕士学位论文 炉生产，国内焦炭市场消费的需求趋缓以及焦炭出口减少，产能明显过剩，焦 炭市场竞争激烈，焦炭价格低迷不振，焦化企业利润大幅下降，尤其是缺乏煤 气、焦油等副产品回收利用的焦化企业已大部分处于亏损状态，独立焦化生产 企业面临巨大的经营风险。 在环保、资源、产能过剩压力下国家加大对焦炭行业实施宏观调控力度， 其产能扩张的势头将明显减缓。国家发展改革委发布消息，在“十一五期间， 国家将针对焦炭、电石、铁合金行业生产能力严重过剩、集中度较低、工艺装 备技术落后、资源浪费严重、污染等主要问题进行综合治理。继续淘汰落后工 艺设备、严格行业准入管理、加强日常监管。并加强信贷、土地、环保、供电 等政策与产业政策的协调配合，优化产业组织和布局，提高产业集中度。与此 同时，还要以节能降耗、污染治理、综合利用为重点，推广先进适用技术，加 强技术改造，促进工艺装备升级。 2 0 0 6 年以来各地贯彻焦化行业准入条件力度也在加大，一批土焦、改 良焦被淘汰取缔，一批小机焦炉被关停，预计全年淘汰关停小焦炉和大城市老 焦炉产能达1 0 0 0 多万吨。致使焦炭产量增幅明显回落，2 0 0 6 年全年焦炭产量 2 8 0 5 4 万吨，同比增长4 1 5 1 万吨，增幅1 7 3 8 ，比上年同期增量减少了4 2 0 万 吨，增幅回落7 0 5 个百分点，也明显低于全年粗钢、生铁、钢材1 8 4 8 、1 9 7 8 和2 4 4 5 的增长速度，焦炭产量的增幅小于需求增幅，供大于求矛盾有所改观。 1 4 2 布局不合理，集中度低 焦炭主要用于钢铁冶炼，发达国家9 0 - 9 5 的焦炭生产能力布局在钢铁企业 内部。焦炭生产过程中产生的煤气、余热、焦油等能够在钢铁生产过程中得到充 分回收循环利用。 目前，我国钢铁生产用焦量占焦炭总产量的8 0 左右，但只有3 5 左右的焦炭 生产能力布局在钢铁联合企业内，6 5 左右的焦炭生产能力为独立焦化生产企业， 除少数作为城市煤气供应的市政配套设施外，大部分集中在煤炭产区，远离产品 用户，难于实现煤炭资源的综合利用。 同时，国内焦化企业规模普遍偏小，中小独立焦炭企业数量在8 0 以上，企 业规模小、布局分散，生产管理粗放，生产过程产生的余热、煤气、焦油不能有效 回收，资源综合利用水平低，浪费严重，污水处理、脱硫等设施达不到环保要求， 严重污染环境。 l o 第一章绪论 1 4 3 炼焦煤资源紧缺，资源浪费严重 根据煤炭的煤质特征可把煤炭分成炼焦烟煤( 或称炼焦煤) 、一般烟煤、无烟 煤和褐煤。焦炭生产需要大量的炼焦精煤和无烟煤精煤。我国煤炭资源储量比较 丰富，但是炼焦产业需要的原料焦煤资源近年来却比较紧缺。晋陕蒙区是我国炼 焦煤的最主要生产区，华东地区炼焦煤精煤产量多，但其炼焦主要煤种、焦煤产 量比晋陕蒙区少。 根据g b t 1 7 7 6 6 1 9 9 9 固体矿产资源储量分类的规定，到2 0 0 1 年底我 国煤炭的查明矿产储量有1 0 2 0 1 亿t ，其中可采储量( 包括预可采储量) 1 8 9 1 2 2 亿t ，炼焦烟煤的储量占全部煤炭储量的2 5 2 8 ，另外，中国的炼焦煤一般是中 灰、中硫品种，而低灰、低硫的优质炼焦煤比较少，同时，炼焦烟煤中各煤种的 储量差别很大，其中以气煤( 包括1 3 焦煤) 的储量最大，而主要炼焦煤种一焦 煤和肥煤的储量不足4 0 ，与炼焦生产的需求不匹配，导致炼焦煤资源更加紧 缺。另外，中国炼焦煤在地理分布上亦很不平衡，四种主要的炼焦煤中，作为重 要炼焦配煤的主焦煤、瘦煤和肥煤的一半储量集中在山西省。因此，从某种意萎 义上说，中国并不是炼焦煤资源非常丰富的国家。 表1 2 我国煤炭资源分类保有储且【m 】 我国炼焦煤中已利用的储量占查明储量的8 0 - 9 0 ，静态保证程度能用1 0 0 多年，考虑开发过程中的损失和开发程度的加快，中国的炼焦煤资源只能维持 4 伊一7 0 年。 2 0 0 4 年全国炼焦煤产量8 8 4 亿吨，比上年增加0 4 2 亿吨，晋陕蒙地区是 北京化工大学硕士学位论文 我国炼焦煤的最主要生产区，2 0 0 4 年该区原煤产量占全国的3 3 2 9 。 山西是全国最大的炼焦煤资源基地，炼焦用煤资源探明储量1 2 4 5 9 2 亿吨， 占全国的5 1 7 6 ，占全省煤炭资源探明储量的5 7 6 ，2 0 0 4 年山西炼焦煤原 煤产量2 3 6 亿吨，炼焦精煤产量约1 2 5 亿吨，分别占全国的2 6 7 ，4 8 ； 7 1 且炼焦用肥、焦、气、瘦煤品种齐全，适宜于发展配煤炼焦、配型煤炼焦、 捣固炼焦。但是，如果按2 0 0 4 年山西省焦炭产量计算，山西省的肥煤、焦煤资 源只够开采7 0 8 0 年，加上供应全国和出口，这些资源只够使用5 0 年左右， 而大部分中小采煤企业炼焦煤回收率低，中小焦化企业炼焦技术水平低，产业 规模小，焦化产品深加工不够，产业单一。全省每年仅焦炭生产就浪费炼焦煤 资源约5 0 0 万t ，因此，山西虽然可以凭借资源优势发展大规模焦炭生产，但 是如果不注意资源的节约和高效利用，再多的储量也有用完的时候，所以，焦 炭产业必须生态转型，走集约型、资源高效利用的循环经济发展之路。 1 4 4 环保设施不到位，环境污染严重 炼焦是重污染型产业，在生产过程中有大量的污染物产生，包括焦化废水、 二氧化硫、烟尘、粉尘以及其他有毒有害物质等，如含有粉尘、二氧化硫、苯并 芘等苯系物、酚、氰、硫氧化物、氯、碳氢化合物等污染物的废气，含有氨氮、 酚、氰、苯可溶物等污染物的废水等。 分工序污染排放主要如下： 煤在干馏、结焦等化学加工转化过程中产生的有害物质，主要有烟尘、 煤尘、飞灰； 结焦过程中泄露的粗煤气，其中主要污染物有苯并芘等苯系物和酚、氰、 硫氧化物、氯、碳氢化合物等； 空气与焦炉煤气燃烧生成的s o s 、n o x 、c o 。等；出焦的灼热的焦炭与空气 接触骤然生成c o 、c 0 ：、n o ：等气体； 粗煤气冷却过程中产生的剩余氨水和化产回收过程产生的废水，含氨 氮、酚、氰、苯可溶物等污染物。 因此，炼焦生产具有排污环节多、强度高、种类杂、毒性大、处理成本高的 特点。 尽管炼焦过程排放大量的污染物，但是，由于目前环保标准较低且监管相对 滞后，另外，据山西省测算，环保投资约占焦化企业总投资的三分之一以上，且 1 2 第一章绪论 各项环保设施正常运转的吨焦成本约在6 0 元吨以上，为追求利益最大化，有相 当多的焦化企业不愿意进行环保投资，多数企业没有配备环保设施或配备不完 善，导致焦化企业成为重污染源，焦炭大省山西成为污染大省。 1 4 5 后续化工产品加工能力弱 就山西省而言，焦化企业生产规模小、集中度低、产业连短、后续化工产 品加工能力不足、资源综合利用率低，加之无序发展，资源浪费惊人。据测算， 山西省焦炭生产每年浪费炼焦煤资源5 0 0 万t 、煤焦油1 0 0 万t 、焦炉煤气8 0 亿立方米，直接经济损失2 9 亿元。 以目前的焦炭生产方式计算，平均每吨煤炭炼焦产生煤气3 0 0 - 4 0 0 立方米， 占炼焦煤炭质量的1 6 2 0 ；煤焦油产率有3 0 - - 4 5 k g 吨煤炭，为煤炭质量的3 4 5 。按山西省5 0 0 0 万t 焦炭产量；全省每年要有2 0 0 亿m 3 煤气、1 0 0 万t 煤焦油，如果不加以利用，直接排放，直接经济损失3 0 亿，而且严重污染当地 生态环境。 炼焦产生的副产品焦炉煤气、焦油、苯类、氨等化工产品都是化工行业的 重要原料，在国外，煤焦油是大规模集中生产加工，我国主要表现为设备加工能 力小，工业水平低，产品品种少，能耗高，环境污染严重，造成这一现象的主要原 因是煤焦油分散加工，只有规模较大的焦化厂有后续化工加工装置，小型焦化厂 副产品都直接外卖或者外排， 我国是炼焦生产大国，在炼焦集中地区如山西建立焦油、焦炉煤气、粗苯精 制等炼焦副产品的集中深加工处置基地是提高资源利用率，减轻环境压力，提高 经济效益的明智选择。 1 5 研究意义 焦化产业涉及能源、化工、钢铁、建材等多个领域，是国民经济建设的关键 性支柱产业，同时也是重污染型产业，在该行业通过加强环境管理、开展清洁生 产、企业生态转型、建设生态工业园区等途径开展循环经济建设具有非常重要的 现实指导意义： 首先，通过在行业内开展循环经济建设，提高煤炭资源利用效率可以有效节 约不可再生资源煤炭，实现产业可持续发展。 其次，通过在产业内开展循环经济建设，加强废物利用、减少污染排放，减 轻焦化企业面临的严峻的环保压力，可以实现产业的环境友好、协调发展。 再次，在产业内部通过企业联合、重组和合并等途径延伸和拓宽产业链条、 北京化工大学硕士学位论文 提高后续产品深加工能力、构筑生态工业网络体系，实现资源、能源、信息、技 术等资源的高效利用，实现产业规模化经营，可以提高焦化产业整体抗风险能力。 1 6 技术路线 论文结合孝义循环经济建设规划项目，考虑到焦炭产业属典型资源型 产业，而且生产过程环境污染严重，在该产业发展循环经济具有非常重要的现 实指导意义，然后，在借鉴文献基础上构建了焦化产业的循环经济评价指标体 系，并对孝义焦化产业进行实例评价，在此基础上通过在企业内部推行清洁生 产，构建行业网络体系等途径推进产业循环经济建设。过程中用到的循环经济 理论方法主要有：工业生态理论、工业共生理论、关键种群理论、3 r 理念、清 洁生产理论、工业代谢分析等。 结合孝义循环 经济规划项目 生 态 工 业 焦化产业 蓁ii 蒌萎量il 垂 键il 内外焦ll 业 种ll 化产业ii 共 群il 现状il 生 属于资源消耗重 污染型行业 代 谢 分 析 焦炭产 业循环 经济评 价体系 构建 孝义 产业 循环 经济 评价 孝义 焦化 产业 元素 代谢 分析 焦炭 产业 生态 网络 体系 构建 论文总结和对焦化产业未来发展的展望 孝义 焦炭 生态 工业 园区 规划 第二章课题依据的理论基础及方法 2 1 理论基础 第二章课题依据的理论基础及方法 课题研究以生态学、环境科学、绿色技术等为主要学科基础，以工业生态、 工业共生、关键种群理论、3 r 理念为指导，应用清洁生产、代谢分析，物质流 分析等循环经济领域内的分析方法，通过循环经济在产业循环方面的渗透和应 用，探索产业循环经济发展途径，构造产业循环经济生态工业网络体系，指明 产业发展方向。 生态学 生态学是研究生物与环境间相互关系的科学。生态学理论将自然生态系统 的基本原则概括为“循环性、多样性、地域性、渐变性”。循环性强调自然生态 系统通过食物链、食物网实现了物质循环利用、能量层叠利用：多样性强调多样 性的生态环境、生物群落和生态过程；地域性强调自然生态系统具有地方特性 和地方依赖性；渐变性强调自然生态系统利用太阳能随着时间、季节缓慢进化。 产业循环经济建设可遵循生态学中的“循环性、多样性、地域性、渐变性”等 基本原则，形成产业循环链条，多样性企业群落，地域性特色行业和渐变性可 持续发展，达到人类生产活动和谐纳入到自然生态系统代谢循环中去。 生态学理论包括关键种理论、食物链及食物网理论及生态系统多样性理论。 关键种是指一些珍稀、特有、庞大的、对其他物种具有不成比例影响的物 种，它们在维护生物多样性和生态系统稳定方面起着重要作用，如果它们消失或 削弱，整个生态系统可能要发生根本性的变化。 在自然系统中，植物所固定的太阳能通过一系列取食和被取食的关系在生 态系统中传递，生物之间的这种传递关系称为食物链。生态系统中存在许多食物 链，各个食物链彼此交织在一起，相互联系而成食物网。自然系统依靠食物链、 食物网，实现物质循环和能量流动，维持生态系统的稳定。 生态系统多样性是指生境的多样性、生物群落多样性和生态过程多样性。 生境是指无机环境，如地形、地貌、气候、水文等：生境的多样性是生物群落多 样性的基础。生物群落的多样性是群落的组成、结构和功能的多样性。它们的生 态过程是指生态系统组成、结构和功能在时间、空间上的变化，主要包括着物种 流、能量流、水分循环、营养物质循环、生物间的竞争、捕食和寄生等。生态系 统的多样性决定了生态系统的稳定性f 1 1 1 。 北京化工大学硕士学位论文 环境科学 环境科学在宏观上研究人类同环境之间的相互促进、相互制约的对立统一 关系，揭示社会经济发展和环境保护协调发展的基本规律；在微观上研究环境 中的物质，尤其是人类排放污染物的分子、原子等微小颗粒在环境中和生物有 机体内迁移、转化和积蓄的过程及其运动规律，探讨它们对生命的影响及作用 机理。 绿色技术 绿色技术就是在提高生产效率或优化产品的同时，能够同时提高资源和能 源的利用率，减轻污染负荷，改善环境质量，促进人类文明并与自然环境功能 协调一致的各种现代技术的总称。绿色技术理论体系包括绿色观念、绿色设计、 清洁生产等一系列相互联系的概念。 绿色观念是绿色技术从理论向实践转换的一个重要环节，它包括环境的全 球性观念、持续发展观念、公众参与观念等；绿色设计是指在产业链设计阶段 对产品的生命周期进行综合考虑。 工业生态理论 工业生态理论仿照自然界物质循环的方式规划工业生产系统，是企业群落 发展循环经济的有效手段。它通过企业间的系统耦合，使工业生产具有生态链 的性质，从而实现物质和能量的多级传递、高效产出和持续利用。工业生态理 论的要点为横向耦合、纵向闭合和区域整合，通过资源共享等措施，建立工业 生态系统的“食物链”和“食物网 。 ； 自然生态系统物质流动 i _ - - - 一- _ - 一- - - - 一_ _ - - - 一 ： 工业生产物质流动 i - - 一一一一 - 图2 1 自然生态系统和工业生产系统物质流动的示意图。 1 6 第二章课题依据的理论基础及方法 工业共生理论 在生物学上，共生是指不同物种以不同的相互获益关系生活在一起，形成对 双方或一方有利的生存方式。丹麦卡伦堡( k a l u n d b o r g ) 公司出版的工业共生 一书中，对工业共生的定义为：“工业共生是指不同企业间的合作，通过这种合作， 共同提高企业的生存能力和获利能力，同时，通过这种共生实现对资源的节约和 环境保护。在这里这个词被用来着重说明相互利用副产品的工业合作关系”。 l a m b e r t 和b o o n s 将工业共生定义为企业之间开展的设备共享、废物流集中处理 和废弃物、多余能量的交换。 “共生”的概念最早是由德国生物学家德贝里( a n i o nd eb a r y ) 于1 8 7 9 年提 出的，指的是由于生存的需要，两种或多种生物之间必然按照某种模式互相依存 和相互作用地生活在一起，形成共同生存、协同进化的共生关系【1 2 j 。 根据生态学中的共生理论，具有内在联系的共生单元形成共生关系，共生能 够产生“剩余 ，不产生共生“剩余的系统是不可能增值和发展的。互惠共生、 共生进化是共生系统的本质，是自然界中一个主要的组织规则，其本质是一种自 组织现象，企业之间的共生也能产生“剩余”，也能产生1 + 1 2 的效果，这表现在 共生企业竞争力的增强上。 依据系统产业的相互关系及共生双方的利益关系，共生模式可分为4 种类型， 分别为：共栖、互利型工业共生、寄生型工业共生、附生型( 异生型) 工业共生和 混合型工业共生。 工业共生理论延伸至产业循环经济建设领域就是强调在产业发展过程中 关注各个企业之间的产业链循环合作关系。根据经济利益企业间的共生关系可 分为自主共生和复合共生，根据共生双方的利益关系企业间的共生可以分为共 栖共生、互利共生和偏利共生。 工业共生可以促进各产业的协同进化、促进资源充分共享和合理使用、同时， 工业共生可以促进竞争形式由“排他性转为“排劣性”n 3 + 。 关键种群理论 生态学领域定义的关键种群是指一些珍惜、特有、庞大、对其他物种具有 不成比例影响的物种，它们在维护生物多样性和生态系统稳定方面起着重要作 用。如果它们消失或削弱，整个生态系统可能要发生根本性的变化。 工业循环经济系统中也存在类似的“关键”物种，它是指处于生态工业网 络关键节点处，能够对相关企业及整个网络的产业链延伸和产业发展产生不可 替代的重要影响的产业，这类企业在企业群落中使用和传输的物质最多、能量 1 7 北京化工大学硕士学位论文 流动的规模最大，带动和牵制着其他企业、行业的发展。 一般而言关键产业必须具有较强的资源辐射能力如：能源业、冶金业、制 造业等) ，以此影响着其他产业，因此，关键产业有能力设计并运营于不同企业 的更大的网络关系之间，对构筑企业共生体，对区域循环经济系统的稳定起着 关键的重要的作用。 关键产业理论延伸至焦化产业循环经济建设就是要在产业发展过程中选定 “关键种企业”一炼焦产业作为工业系统中的关键企业，然后以此为核心构筑 企业共生体，形成生态工业网络。 关键产业的选择应遵循以下原则： ( 1 ) 必须能体现地区一定时期的经济发展方向，并且市场对该产业的现实和 潜在需求会日益扩大。 ( 2 ) 选择那些能够充分发挥生态工业园比较优势的产业使区域经济得到快 速、持续、健康发展。 ( 3 ) 关键产业的选择必须充分考虑产业链的长短和产业关联度的高低。 3 r 理念 循环经济具有特有的运行法则，它是建立在“减量化、再利用、再循环 三原则基础上。其中，减量化( r e d u c e ) 是输入端方法，旨在减少进入生产和 消费流程的物质量；再利用( r e u s e ) 属于过程性方法，旨在延长产品和服务的 时间强度：再循环( r e c y c l e ) 是输出端方法，通过把废弃物再次转变成资源以 减少最终处理量。 ( 1 ) 减量化原则。它要求用较少的原料和能源投入达到既定的生产目的或 消费目的。在生产中，要求产品体积小型化和产品重量轻型化，追求产品简单 朴实，通过重新设计制造工艺以减少产品的物质使用量，从而达到减少废弃物 排放的目的。在消费中，要求人们减少对物品的过度需求，减少废物产生量。 ( 2 ) 再利用原则。它要求产品和包装容器能够以初始的形式被多次使用， 以抵制一次性用品的泛滥。在生产中，要求制造商使用统一标准进行设计，鼓 励对拆解、修理和组装用过的零部件重新利用。在生活中，要求人们对废旧物 品进行修理而不是频繁更新。 ( 3 ) 再循环原则。它要求将废物返回工厂重新加工处理，使其成为生产原 料。其利用包括两种不同途径：一为原级资源化，即将废弃物资源化后形成与 原来相同的新产品，如废纸变成再生纸、废钢铁重熔成钢铁产品；二是次级资 源化，即废弃物被转变为不同类型的新产品，如塑料、废纸的热能回收等。 第二章课题依据的理论基础及方法 2 2 循环经济理论内涵及其发展 2 2 1 循环经济的内涵 循环经济是对物质和能量梯次、闭环流动型经济的简称。其本质是：把经济 活动的中心从单纯的以价值流循环为核心，转变为以价值流和物质流循环为双 核心。在关注价值流循环的基础上，更加关注经济社会活动中的物质流循环， 即物质投人、产出、利用效率和流动模式。其主要目标是：( 1 ) 强调减少物质投 人量。针对产业链的输入端，强调最大限度的减少对不可再生资源的耗竭性开 采与利用，以替代性的可再生资源为经济活动的投人主体，以物质投人量最小 化( 低开发) 为目标，达到既定社会经济目标。( 2 ) 强调减少废弃物排放量。针对 产业链的输出端，强调以废弃物排放最小化为目标( 低排放) ，实现社会再生产 各环节以及社会生活各领域产生的废弃物的多次回收再造。( 3 ) 强调提高资源利 用效率。以资源利用效率最大化为目标，要求通过发展减物质化和再资源化技 术，提高物质、产品之间的转化效率，提高资源利用效率，降低输人和输出经 济系统的物质流。( 4 ) 强调提高物质循环利用率。以物质循环利用率最大化为目 标，强调构筑从废弃物到再生资源的反馈式流程，形成共享资源和互换副产品 的产业( 企业) 共生组合，建立“经济食物链”和循环链，通过系统内部相互关 联、彼此叠加的物质流转换和能量流循环，最大限度利用进人系统的物质和能 量，降低对自然资源和环境的影响【l 引。 2 2 2 循环经济的发展历程 早期的循环经济萌芽出现在2 0 世纪六、七十年代环境保护思潮兴起的时代。 如美国经济学家鲍尔丁提出了宇宙飞船理论，他认为地球就像在太空中飞行的宇 宙飞船，这艘飞船靠不断消耗自身有限的资源而生存，如果人们的经济活动超过 了地球的承载力，就会像宇宙飞船那样走向毁灭。这意味着人类社会的经济活动 不能为所欲为地开展，要考虑到地球的承载力，走人地和谐的发展道路。这种思 想要求抛弃原有的单向的经济发展模式，代之以反馈型的经济发展模式，在当时 具有相当的超前性。 在2 0 世纪7 0 年代，世界各国关心的问题仍然是污染物产生后如何治理以减少 其危害，即环境污染的末端治理。8 0 年代，人们注意到采用资源化的方式处理废 弃物，思想上和政策上都有所升华。人们的认识经历了从“排放废物”到“净化 废物”再到“利用废物”的过程。但对于污染物的产生是否合理这个根本性问题， 以及是否应该从生产和消费源头上防止污染产生，大多数国家仍然缺少思想上的 1 9 北京化工大学硕士学位论文 洞见和政策上的举措。也就是说，人们只注意到了如何治理经济活动造成的严重 后果，却没有从问题产生的源头去研究。 到了9 0 年代，随着可持续发展理论的产生，人们认识到原有经济发展模式的 不可持续性一是一种以牺牲资源和环境为代价的经济发展，从而积极探索一种可 持续发展的经济模式，即一种不降低环境质量和不破坏世界自然资源基础的经济 发展。因此，环境整治活动以源头预防和全过程治理代替了末端治理。人们在不 断探索和总结的基础上，提出以资源利用最大化和污染排放最小化为主线，逐渐 将清洁生产、资源综合利用、生态设计和可持续消费等融为一套系统的循环经济 战略。 2 3 循环经济方法 代谢分析 在工业生态理论中，工业代谢是分析物质流动的重要研究方法，旨在揭示 经济活动中纯物质的数量与质量规模，展示构成工业活动全部物质( 不仅仅是 能量) 的流动与储存。其重要评价指标为代谢效率。 代谢分析是通过研究物质的工业新陈代谢，分析产品生产过程中污染产生 的原因和污染物产生特征，以寻找各种废物再回收、再利用和再循环的渠道与 办法，使得各种物质代谢通畅。代谢分析方法可以适用于不同层次的分析要求， 既可以是全球性、国家性或是地区性的工业生产分析，也可以是对某一个具体 行业、公司或是特定场所的调查分析，分析对象即可以是该范围内流动的一种 或者几种物质，也可以是一种或几种元素，通过这种分析，可以为公众或是企 业的决策者提供一幅详细的物流图，并从中可以看出某一地区或企业所具有的 可持续发展的潜力。 代谢分析法与以往的系统分析方法的不同之处在于它以环境为最终的考察 目标，追踪资源在从提炼到经过工业生产和消费体系后变成废物的整个过程中 物质和能量的流向，给出系统造成污染的总体评价，并力求找出造成污染的主 要原因。 代谢分析的操作方法是建立物质衡算表，估算物质流动与储存的数量，描绘 其行进的路线和复杂的动力学机制，同时也指出它们的物理和化学的状态。 产品代谢是分析物质流动的重要研究方法，它以产品为研究对象，依据质 量守恒定律，按照自然界新陈代谢功能，分析系统结构、进行功能模拟和输人 输出信息流分析来研究生态工业系统的代谢机理【1 5 】。 清洁生产 第二章课题依据的理论基础及方法 清洁生产是目前企业内部开展循环经济建设，解决资源、环境约束问题的有 效手段，它将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中，彻底改 变了过去被动的、滞后的污染控制手段，强调在污染产生之前就予以削减，可大 大降低末端处理费用和处理压力，是企业层面发展循环经济的有效手段。 在1 9 9 6 年时u n e p 对清洁生产重新定义为： 清洁生产是一种新的创造性思想，该思想将整体预防的环境战略持续应用于 生产过程、产品和服务中，以增加生态效率和减少人类及环境的风险。 对生产过程，要求节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，削减所有废物的数 量和毒性。 对产品，要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响。 对服务，要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。 清洁生产与末端治理相比，具有十分丰富的内涵，主要表现在：用无污染、 少污染的产品替代毒性大、污染重的产品；用无污染、少污染的能源和原材料替， 代毒性大、污染重的能源和原材料；用消耗少、效率高、无污染、少污染的工艺、 ， 设备替代消耗高、效率低、产污量大、污染重的工艺备；最大限度地利用能源和 原材料，实现物料厂内循环。企业是物质代谢的最小单元，因此，在企业内部开 展清洁生产，实现物质代谢通畅、环境友好发展是工业系统发展循环经济的基础， 生态工业体系内的所有企业个体必须首先是实行了清洁生产的企业，清洁生 产是开展产业循环经济建设、构筑生态工业体系的基础。 餐 2 4 循环经济应用于产业发展途径分析 工业中的物质代谢包括采购，生产，销售，使用和废物回收利用处置。采 购和生产相当于自然生态系统中的生产者的功能、使用相当于消费者的功能， 废物回收、分解、利用相当于自然生态系统中的分解者的功能，因此，该环节 是工业系统物质代谢顺畅的关节点，如果没有此环节，生产环节不断的消耗大 量原料、使用环节消费大量产品的同时产生大量废物，一边是资源逐渐枯竭， 另一边是废物堆积如山，因此，要使工业代谢流畅，废物回收利用环节必不可 少。为了提高工业生态系统物质代谢率，必须针对每个环节以企业为单元，从企 业文化、组织结构、管理机制三方面建设相应的管理体系，保证生态化的工业 系统的实施与完善1 1 6 1 。 2 l 北京化工大学硕士学位论文 2 4 1 生态化产业模式 图2 - 2 生态化的工业系统示意图 循环经济的产业发展模式涉及生产和消费两个重点领域和四个重点产业。四 个重点产业是生态工业、生态农业、绿色服务业和静脉产业，这里只研究在工业 领域如何发展循环经济，也就是如何发展生态工业。 生态工业理念起源于2 0 世纪8 0 年代末r f r o s c h 等人模拟生物的新陈代谢 过程和生态系统的循环再生过程所开展的“工业代谢 研究。经过1 0 多年的研 究与实践，生态工业在国际上已发展成为一个比较成熟的概念。简单讲，生态工 业是具有较高生态效率，或者说是资源消耗少、经济效益高、污染排放低的工业 体系。根据已有知识、技术手段和实践经验，生态工业的建立可以通过以下模式 来实现。 ( 1 ) 生态工业园区模式 广义的生态工业园区有两种，一种是由企业集群形成的物理园区，园区内以 资源和能量流连接成不同的循环，我国目前正在试验示范的部分园区属于该类 型；另一种是园区中既有企业群，也有社区，而且企业群之间并不一定有天然的 物质依赖关系。另外，运用循环经济理念改造现有的大批工业园区和各种经济开 发区，也是生态工业或循环经济园区建设的重要方向。 ( 2 ) 生态工业网络模式 在理论上，企业实行了清洁生产后，并不一定能在企业内部将其所有废物取 得社会意义上的最大化的再利用，必然会有一部分可以为其它企业以成本有效的 方式利用，而另一部分则排入环境。在现实中，也不可能将所有实行清洁生产后 第二章课题依据的理论基础及方法 的企业的剩余有用废物进行利用，构建连接所有企业的物质能量链。因此，就必 须通过建立工业废弃物再利用及资源化产业来消化这部分废物，同时，建立废物 无害化产业安全处置那些在现有技术经济条件下无法利用的废物，连接所有企 业，形成生态工业网络，或者称虚拟生态工业园。 2 4 2 加强工业废物综合利用保持物流代谢通畅 在循环经济体系中，根据物质流向的不同，可以分为两个不同的过程：即 从原料开采到生产、流通、消费的过程和从生产或消费后的废弃物排放到废弃 物的收集运输、分解分类及资源化或最终废弃处置的过程。仿照生物体内血液 循环的概念，前者可以称为动脉过程，后者称为静脉过程。相应地，承担动脉 过程的产业称为动脉产业，承担静脉过程的产业称为静脉产业。静脉产业不是 经济发展过程中新生的产业部门，而是在循环经济模式下，对已有产业部门的 新的划分方式。这种产业划分方式的意义在于，突出了传统经济模式的不足， 明确了静脉产业对于循环经济的重要性。静脉产业包括废弃物再利用、资源化 和无害化处置产业。 ，l 发达国家经验表明，消费领域废弃物的回收和再利用环节一方面可以向生 产领域源源不断地提供大量的再生资源，减轻末端处理压力，拉长产业链，创 造新的就业机会。另一方面可以通过生产责任者延伸制度使企业强化对资源的 减量化、再利用、再循环和无害化。另外，从技术经济可行性看，消费领域废 弃物的再利用环节在我国更容易取得突破性进展。所以，废弃物再利用、资源 化和无害化处置产业是循环经济发展领域中的重点产业，属于“节点”产业， 具有特殊的重要意义。 2 4 3