（环境工程专业论文）固相低化学势物质资源化的生态产业体系研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 传统过程工业的单向发展模式导致过程的最终副产物大都是低化学势物质， 如磷石膏、铬渣、煤矸石、芒硝、n a c l 、h c l 、c 0 2 、h 2 0 等，其中一些副产物 已被利用作为原料，重新进入资源循环利用过程，但大多数副产物由于技术或经 济的原因目前尚未被资源化，导致了严重的环境污染和资源浪费。特别是固相低 化学势物质，如磷石膏、铬渣、煤矸石、芒硝等，由于产量大、处理困难等原因， 大部分被直接丢弃或长期堆放，不仅占用了大量土地，更造成了严重的环境污染， 对资源节约和环境保护都产生了不良影响。因此，如何通过对固相低化学势物质 进行资源化利用，构建完整的生态产业体系，缓解资源利用和环境污染之间的矛 盾，发展循环经济，已经成为目前急待解决的问题。 本论文以科学发展观为指导，贯彻生态工业、循环经济和可持续发展理念， 对过程工业中所产生的固相低化学势物质资源化的生态产业体系的构建进行了 分析和研究，主要包括以下两大部分： 1 固相低化学势物质资源化的生态产业体系构建。在分析固相低化学势物 质资源化现状及其技术支撑体系的基础上，主要以过程工业中所产生的典型固相 低化学势物质磷石膏、铬渣、煤矸石等为例，通过运用减量化、再利用、资源化 等技术手段，对磷石膏、铬渣、煤矸石的资源化途径进行了分析，并在此基础上， 构建了磷石膏、铬渣、煤矸石资源化的生态产业体系，分析了生态产业体系中的 技术关键。分析表明，在当前资源短缺和环境污染的严峻形势下，通过综合运用 生态集成技术，大力发展循环经济和生态工业，对过程工业中产生的固相低化学 势物质进行资源化利用，不仅可以减少由于固相低化学势物质的大量排放所引起 的环境污染问题，同时固相低化学势物质可被作为一种新的资源进入到生产过 程，最终可有效缓解经济发展与资源短缺、环境污染之间的矛盾，促进经济、资 源、环境的可持续发展。 2 磷石膏资源化的热力学分析和反应工程问题探讨。分解磷石膏制硫酸联 产水泥是磷石膏资源化的重要途径之一，在分析磷石膏资源化的生态产业体系的 基础上，以热力学分析为手段，重点研究磷石膏的加热分解资源化转化过程，阐 v 上海大学硕士学位论文 明分解反应发生的可能性与化学反应工程问题，探讨将固相低化学势物质转化为 有用资源的技术和工程实施的可行性。分析表明，在还原介质存在的情况下，可 以大大降低磷石膏分解所需温度，减少磷石膏分解所需吸收热量，与固相还原介 质c 存在下磷石膏分解的固一固反应比较，在气相还原介质c o 存在下的气一固 反应更有利于磷石膏分解反应器中传热、传质过程的进行，同时决定了磷石膏分 解可以采用流态化技术，并对磷石膏分解反应器的设计提出了一些设想。该研究 结果对类似磷石膏的一类固相低化学势物质的资源化转化有一定的参考价值。 关键词：固相低化学势物质资源化生态产业体系磷石膏热力学 v i 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nt r a d i t i o n a lp r o c e s si n d u s t r y ，t h el i n e a rn o n - c i r c u l a t i o nu n i d i r e c t i o n a l d e v e l o p m e n tp a t t e r nc a u s e sm o s to fb y p r o d u c t st ob el o wc h e m i c a lp o t e n t i a l s u b s t a n c e s ，s u c ha sp h o s p h o g y p s u m ，c h r o m i cr e s i d u e s ，c o a lg a n g u e ，s o d i u m s u l f a t e ，n a c i ，h c l ，c 0 2 ，h 2 0a n ds oo n s o m eo ft h e ma r eu t i l i z e da sr a w m a t e r i a le n t e r i n gi n t ot h er e s o u r c e sc i r c u l a t i o np r o c e s so v e ra g a i n ，b u tm o s to f t h e ma r en o tr e c y c l e db e c a u s eo ft e c h n o l o g yo re c o n o m y ，w h i c hl e a d st o s e r i o u sr e s o u r c e sw a s t ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n e s p e c i a l l y ，s o m es o l i d l o wc h e m i c a lp o t e n t i a ls u b s t a n c e s ，s u c ha sp h o s p h o g y p s u m ，c h r o m i cr e s i d u e s ， c o a lg a n g u e ，s o d i u ms u l f a t ea n ds oo n ，o w i n gt ol a r g eo u t p u ta n dd i f f i c u l t t r e a t m e n t ，w e r ed i s c a r d e dd i r e c t l yo rp i l e du pf o rl o n gt i m e l a r g ea r e ao fl a n d w a so c c u p i e d ，l o t so fr e s o u r c e sw e r ew a s t e d ，a n de n v i r o n m e n tw a sp o l l u t e d s e r i o u s l y h o wt or e s e a r c ha n de x p l o i tt e c h n o l o g i e so ft h es o l i dl o wc h e m i c a l s u b s t a n c e sr e c y c l i n ga n de s t a b l i s he c o i n d u s t r i a ls y s t e ma r et h ev i t a lp r o b l e m s n e e dt os o l v eu r g e n t l ya tp r e s e n t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，g u i d e db yt h ev i e wo fs c i e n t i f i cd e v e l o p m e n t ， f o l l o w i n ge c o - i n d u s t r y ，c i r c u l a re c o n o m ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，t h e e c o i n d u s t r i a ls y s t e mo fr e c y c l i n go fs o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a ls u b s t a n c e s p r o d u c e di np r o c e s si n d u s t r yw a sa n a l y z e d a n ds t u d i e d t h ed i s s e r t a t i o n m a i n l yi n c l u d e st w op a r t sa sf o l l o w s ： 1 p r e s e n ts i t u a t i o na n dt e c h n i c a ls u p p o r t so fs o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a l s u b s t a n c e sr e c y c l i n gw e r ea n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s i so fw h i c h ， a i m i n ga tt h es o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a ls u b s t a n c e sp r o d u c e di np r o c e s s i n d u s t r y ，t a k i n gp h o s p h o g y p s u m ，c h r o m i cr e s i d u e s ，a n d c o a l g a n g u ea s e x a m p l e s ，b ya p p l y i n gt e c h n o l o g i e s o fr e d u c i n g ，r e u s i n g ，r e c y c l i n ge t c ， r e c y c l i n ga p p r o a c h e so ft h e mw e r ea n a l y z e d ，a n de c o i n d u s t r i a ls y s t e m so f t h e mw e r ee s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，u n d e rp r e s e n ts e r i o u s s i t u a t i o no fr e s o u r c e ss h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，b ya p p l y i n g v i i 上海大学硕士学位论文 e c o l o g i c a l i n t e g r a t e dt e c h n o l o g i e ss y n t h e t i c a l l ya n dd e v e l o p i n gc i r c u l a r e c o n o m ya n de c o - i n d u s t r y ，t or e c y c l et h e s o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a l s u b s t a n c e s p r o d u c e d i nt h e p r o c e s si n d u s t r y c a nn o t o n l y r e d u c e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no w i n gt ol a r g eo u t p u to ft h es o l i dl o wc h e m i c a l p o t e n t i a ls u b s t a n c e s ，b u tu t i l i z et h e ma sn e wr e s o u r c e se n t e r i n gi n t op r o d u c i n g p r o c e s s ，a n d t h ec o n f l i c tb e t w e e ne c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dr e s o u r c e s s h o r t a g e ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc a nb ea l l e v i a t e du l t i m a t e l y 2 t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s a n dr e a c t i o n e n g i n e e r i n gd i s c u s s i o n o n p h o s p h o g y p s u mr e c y c l i n g p r o d u c i n g s u l f u r i ca c i da n ds i m u l t a n e o u s p r o d u c t i o no fc e m e n tw i t hp h o s p h o g y p s u mi so n eo ft h em a i na p p r o a c h e so f p h o s p h o g y p s u mr e c y c l i n g b a s e do na n a l y s i so fe c o i n d u s t r i a ls y s t e mo f p h o s p h o g y p s u mr e c y c l i n g ，w i t ht h em e t h o d so ft h e r m o d y n a m i c s ，r e c y c l i n go f p h o s p h o g y p s u mw a ss t u d i e de m p h a t i c a l l y ，r e a c t i o np o s s i b i l i t ya n dc h e m i c a l r e a c t i o n e n g i n e e r i n g r e l a t e dt o p h o s p h o g y p s u md e c o m p o s i t i o n w e r e i l l u m i n a t e d ，a n dt h et e c h n o l o g i e sa n di m p l e m e n tf e a s i b i l i t yo ft r a n s f o r m i n g t h es o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a ls u b s t a n c e st ou s e f u lr e s o u r c e sw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fr e d u c t i o nm e d i u me x i s t i n g ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dh e a tq u a n t i t yo fp h o s p h o g y p s u md e c o m p o s i t i o nc a n b er e d u c e dm a r k e d l y c o m p a r e dw i t hd e c o m p o s i t i o no fp h o s p h o g y p s u mu n d e r t h ec o n d i t i o no fs o l i dr e d u c t i o nm e d i u mo fce x i s t i n g ，g a s s o l i dr e a c t i o n b e t w e e nc oa n dp h o s p h o g y p s u mw a sm o r eb e n e f i tt ot r a n s f e ro fh e a ta n d m a s si n d e c o m p o s i t i o nr e a c t o r ，f l u i d i z a t i o nt e c h n o l o g yc a nb ea d o p t e dt o p h o s p h o g y p s u md e c o m p o s i t i o n ，a n d i d e af o r d e s i g n o fp h o s p h o g y p s u m d e c o m p o s i t i o nr e a c t o rw a sp u tf o r w a r d t h er e s u l th a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e t or e c y c l i n go fo n ek i n do fs o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a ls u b s t a n c e ss i m i l a rt o p h o s p h o g y p s u m k e y w o r d s ：s o l i dl o wc h e m i c a lp o t e n t i a ls u b s t a n c e ，r e c y c l i n g ， e c o i n d u s t r i a ls y s t e m ，p h o s p h o g y p s u m ，t h e r m o d y n a m i c s 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期：m 矿亟 弓 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弓牡导师签名：趁日期： i i w 镅岁码 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，中国经济持续高速增长，取得了令世界瞩目的成就，同 时，来自资源短缺、环境污染等方面的压力也日益增强，已成为中国经济和社会 发展的一个重要制约因素。我国现有经济增长方式和社会消费模式仍然是一种相 对粗放的模式，资源生产力和生产效率较低，生产和消费系统的效率和效益不高， 经济社会的快速发展与资源大量消耗、生态环境严重破坏之间的矛盾日渐突出， 而按照这种模式快速发展的直接后果，就是造成资源短缺和环境污染。在这种背 景下，中国工业发展模式创新的紧迫性日益突现，选择中国工业发展的正确路径 就成为一个十分重要和紧迫的问题，节约资源和保护环境，也成为当前和今后相 当长时间内我国经济社会发展始终面对和必须解决的重大课题。 大力发展循环经济、加快建设节约型社会，是落实以人文本、全面协调可持 续的科学发展观的重大举措，是实现经济增长方式和社会消费模式转变，从根本 上缓解资源短缺、减轻环境压力、实现全面建设小康社会目标和可持续发展的必 然选择。未来的1 5 到2 0 年，我国仍将处于工业化和城镇化快速发展的阶段，资 源能源的消耗强度将进一步加大。面对人口不断增长、环境压力逐渐增大的挑战， 必须加快建设资源节约型、环境友好型社会，必须切实树立科学发展观，强化忧 患意识、节俭意识，坚持走新型工业化道路，真正转变生产方式，实现从粗放型 经济增长方式向集约型经济增长方式的转化，发展低消耗、低排放、高产出、高 效率的资源节约型、环境友好型工业。把循环经济作为基本的物质生产方式，大 力发展生态工业，构建资源利用的生态产业体系，倡导绿色生产和绿色消费理念， 按照“减量化、再利用、资源化 的原则，在经济社会发展的同时，尽量减少资 源的消耗，尽量减少生产和生活中废弃物的产生，并把这些废弃物作为新的再生 资源使用，从而把资源消耗总量和增长速度控制在合理的范围之内。只有不断创 新、科学发展、走新型工业化道路，才能实现经济增长方式的转变，才能从再生 资源中求生存，从保护环境中求发展，实现资源与环境共赢。 上海大学硕士学位论文 传统的过程工业大多由“原生矿物资源和化石资源的开采一初级产品加工_ 精细产品制造- 产品消费- 废物弃置”的单向运行模式所构成，这种单向的发展 模式导致过程的最终副产物大都是低化学势物质，如磷石膏、铬渣、煤矸石、芒 硝、n a c l 、h c l 、c 0 2 、h 2 0 等，其中一些副产物已被利用作为原料，重新进入 资源循环利用过程，但大多数副产物由于技术或经济的原因目前尚未被资源化。 特别是固相低化学势物质，如磷石膏、铬渣、煤矸石、芒硝等，由于产量大、处 理困难等原因，大部分被直接丢弃或长期堆放，不仅占用了大量土地，更造成了 严重的环境污染，对资源节约和环境保护都产生了不良影响。因此，如何将固相 低化学势物质进行资源化转化，扭转资源过量消耗和生态环境严重破坏的局面， 已经成为目前迫切需要解决的问题。以科学发展观为指导，遵循循环经济理念， 建立固相低化学势物质资源化的生态产业体系，是实现资源与环境可持续发展， 解决当前所面临问题的重要途径。 本论文主要以过程工业中所产生的固相低化学势物质为研究对象，在对其资 源化状况进行分析的基础上，以科学发展观为指导，遵循和贯彻生态工业、循环 经济理念，以典型固相低化学势物质磷石膏、铬渣、煤矸石等为例，通过对其资 源化途径的分析，构建了磷石膏、铬渣、煤矸石资源化的生态产业体系。在此基 础上，以磷肥工业所产生的固相低化学势物质磷石膏为例，针对磷石膏分解制硫 酸联产水泥这一磷石膏资源化转化的重要途径，对磷石膏加热分解过程进行热力 学分析，研究和讨论了磷石膏资源化利用的反应工程问题，以期为类似磷石膏的 一类固相低化学势物质的资源化转化提供一定的借鉴和参考。 1 2 文献综述 1 2 1 工业生态学 1 - 2 1 1 工业生态学的产生和定义 工业生态学源自英文i n d u s t r i a le c o l o g y ，也有翻译为产业生态学。1 9 8 9 年9 月，美国通用汽车公司首席研究员物理学家罗伯特福布什( r o b e r tf r o s e h ) 和负 责发动机研究的尼古拉斯加罗什( n i c o l a sg a l l o p o u l o s ) 在科学美国人杂志 上发表的题为可持续工业发展战略的文章，正式提出了工业生态学的概念【1 】。 2 上海大学硕士学位论文 这个定义的提出标志着工业生态学的诞生，认为工业系统应模拟自然系统，建立 类似于自然系统的工业生态系统，在这样的系统中，工业企业之间相互依存、相 互联系，从而构成一个复合的大系统。同时，应综合研究不同的工业过程，使“废 物 在工业过程间流通并得到循环利用，运用一体化的生产方式来代替过去简单 的传统生产方式，从而减少工业对环境的影响。 目前工业生态学仍没有一个普遍接受的完整描述其内涵的定义，关于工业生 态学定义的不同表述有2 0 多种【2 】。尽管这些定义之间存在一定的差异，但都认 为工业生态学是以工业体系的所有组成部分及其同生物圈的关系问题为分析视 角，主要运用非物质化的价值单位( 或称功能经济) 对经济效益进行全面的、一 体化地考察，它有利于把现有的工业体系转换为可持续发展的体系。从本质而言， 工业生态学是一门以提高工业过程中原料使用效率、降低废物排放为目的，研究 工业系统及其与环境之间相互关系的应用生态学。工业生态学将生态学的理论和 方法应用于工业体系的设计和规划中，将生产过程类比成生态系统中的一个封闭 体系，其中一个环节产生的废物或副产品成为另一个环节的原料和资源，彼此关 联的企业间形成一个互相依存、类似于自然生态系统中食物链的工业生态系统。 1 2 1 2 工业生态学相关研究 工业生态学是一门研究社会生产活动中自然资源从源、流到汇的全代谢过程 及其与生命支持系统相互关系的学科，是实现生态工业及生态工业园区建设的理 论基础，涉及生态、环境、能源、经济、信息技术、系统工程等多学科的交叉融 合。工业生态学作为一个独立的前沿学科正在引起国内外相关研究机构、学者的 高度重视【3 - 1 0 1 。 在国外，1 9 9 1 年，由美国国家科学院发起了第届关于生态工业的研讨会； 1 9 9 2 年，美国c o l o r a d o 地方大学联合会主办召开了生态工业领域的讨论会；1 9 9 8 年，美国白宫环境质量委员会召开专门会议讨论生态工业的研究和发展；2 0 0 1 年1 1 月，在荷兰由国际工业生态学会组织召开“生态工业的科学与文化”会议。 美国一些著名大学也先后开展了有关工业生态学的研究。1 9 9 7 年，麻省理工学 院首先开设了工业生态学课程，致力于工业生态学和可持续发展的研究；康奈尔 大学曾完成了b r o w n s v i l l e 生态工业园区的规划工作，并于2 0 0 1 年成立了美国 3 上海大学硕士学位论文 国家生态工业发展研究中心；耶鲁大学于1 9 9 7 年组织编写第一份工业生态学杂 志( j o fi n d u s t r i a le c o l o g y ) ，并于1 9 9 8 年9 月成立了工业生态学研究中心，致 力于工业生态学基础理论、生态工业化城市及相关政策的研究；普林斯顿大学能 源与环境研究中心的工业生态学研究组在工业生态学的研究中也取得了较好的 成果，如铅在工业生态系统中的代谢分析等。 在国内，清华大学于2 0 0 1 年4 月成立了“生态工业研究中心，率先在国内 开展生态工业研究，主要致力于工业生态系统规划、物质和能量集成、废物资源 化、绿色工艺等的基础研究和开发工作，同时开展生态工业园区的规划工作，如 浙江衢州沈家工业园区规划、南海生态工业园区规划等。除清华大学外，中科院 过程工程研究所、东北大学、中科院生态环境研究中心等科研教学机构，在工业 生态学领域都取得了丰硕的研究成果。2 0 0 1 年1 2 月，中国牛态经济学会成立了 工业生态经济与技术专业委员会，为我国发展工业生态经济，实现社会可持续发 展提供了有力的组织保障。 工业生态学为研究人类工业社会与自然环境的协调发展提供了一种全新的 理论框架，为协调各学科与社会各部门共同解决工业系统与自然生态系统之间的 问题提供了具体、可供操作的方法，为可持续发展和循环经济的理论奠定了坚实 的基础。 1 2 2 生态工业与生态工业园 1 2 2 1 生态工业 在经历了传统的单向线性开放模式、过程末端治理模式后，2 0 世纪9 0 年代， 一些经济发达国家把自然生态学的理论应用到工业体系的建立上来，提出了生态 工业的概念，依照自然界生态过程物质循环的方式来规划工业生产系统，从而达 到充分利用资源、减少废物产生、物质循环利用、消除环境污染的目的。生态工 业已经成为循环经济实践的重要形态，是按照循环经济原理组织起来的，基于生 态系统承载能力，具有高效经济过程，和谐生态功能的网络化、进化型工业组织 模式。 生态工业是发展循环经济的技术基石，是综合解决资源利用、能源利用和环 境经济协调发展，促进我国工业转型，建立循环经济的重要途径。生态工业是循 4 上海大学硕士学位论文 环经济理论在工业体系中的应用形态之一，它提出了通过清洁生产达到低消耗、 低污染、高利用，以最小的资源和环境成本取得最大的社会经济效益的新思路， 是一种符合生态系统环境承载能力、物质和能量高效组合利用以及工业生态功能 稳定协调的新型工业组合和发展形态。生态工业追求的是系统内各生产过程从原 料、中间产物、废物到产品的物质循环，达到资源、能源的最优利用。它要求综 合运用生态规律、经济规律和一切有利于工业生态经济协调发展的现代科学技 术，从宏观上使工业经济系统和生态系统耦合，协调工业的生态、经济和技术关 系，促进工业生态经济系统的人流、物质流、能量流、信息流和价值流的合理运 转和系统的稳定、有序、协调发展，建立宏观的工业生态系统的动态平衡；在微 观上做到工业生态资源的多层次物质循环和综合利用，提高工业生态经济子系统 的能量转换和物质循环效率，建立微观的工业生态经济平衡，从而实现工业的经 济效益、社会效益和生态效益的同步提高，走可持续发展的工业发展道路。 1 2 2 2 生态工业园 生态工业园( e c o i n d u s t r i a lp a r k ，e i p ) 是工业生态学理论和循环经济理论 在实践中最成功的应用方式【1 2 1 ，是生态工业的具体表现形式。生态工业园是依 据循环经济理论和工业生态学原理而设计成的一种新型工业组织形态，通过正确 模拟自然生态系统来设计工业园区的物流和能流，并基于生态系统承载能力、具 有高效的经济过程及和谐的生态功能的网络型、进化型工业；是生态工业的聚集 场所，它由若干企业、自然生态和居民区共同构成，彼此合作并与地方社区协调 发展的一个区域性系统；其目标是通过两个或两个以上的生产体系或环节之间的 系统藕合，使物质和能量多级利用、高效产出或持续利用；通过废物交换、循环 利用、清洁生产等手段最终实现园区的污染“零排放”。 生态工业园与传统工业园区不同，主要表现在园区内有着各种副产物和废物 的交换、能量和废水的梯级利用、基础设施的共享以及完善的信息交换系统。生 态工业园与传统的废物交换项目的区别，也在于其不满足于资源、能源相互间一 对一的简单循环，而旨在系统地使一个区域总体的资源、能源增值。由此，园区 内企业之间的关系是互动的，园区与自然环境之间是协调的，这种互动与协调又 使得企业获得丰厚的经济、环境和社会效益。生态工业园紧密围绕当地的自然条 5 上海大学硕士学位论文 件、行业优势和区位优势，进行生态工业示范园区的设计和运行；通过园区内各 单元间的资源共享和循环利用，实现资源利用的最大化和废物排放的最小化；通 过现代化管理手段、政策手段以及新技术的运用，保证园区的稳定和持续发展； 通过园区环境基础设施的建设、运行，企业、园区和整个社区的环境状况得到持 续改进。 最早的生态工业园是丹麦的卡伦堡( k a l u n b o r g ) 共生体系，其重视并鼓励 企业、政府等建立密切的内部联系，通过市场交易共享水、气、废气、废物等， 实现经济利益的共享，其环境、经济效益已经得到公认，尤其是在减少资源消耗、 减少环境污染和废料的再利用等方面具有显著的优势，至今仍被作为范例广为引 用。在美国环境保护署( e p a ) 和可持续发展总统委员会( p c s d ) 的支持下， 美国在上世纪7 0 年代初就开始研究e i p 的概念、设计原则、方法等。自1 9 9 3 年起，生态工业园在美国迅速发展，到目前，美国已有近2 0 个生态业园斟1 3 】。 美国的生态工业园项目涉及到生物能源开发、废物处理、清洁工业、固体和液体 废物的再循环等多种行业，并且各具特色，其中以查塔诺加( c h a t t a n o o g a ) 杜邦 生态工业区最为著名。另外，在加拿大、法国、日本等发达国家也有许多生态工 业园的成立，并逐步改进和完善；发展中国家由于工业发展滞后，污染严重，也 纷纷仿效发达国家规划与建设生态工业园，其中印度、印尼、菲律宾、马来西亚 业已启动生态工业园项目。 我国的工业园区经历了两个阶段的发展，即第一代的“经济技术开发区”和 第二代的“高新技术开发区”。第一代园区内主要以劳动密集型的企业为主，技 术含量低，环境污染严重；第二代园区内的企业以高新技术应用为特征。随着全 球绿色经济浪潮的到来，第三代工业园区即生态工业园区应运而生。这种新兴的 工业园区克服了前两代园区的一个共同缺点，即园区内的企业彼此独立经营，缺 乏资源和能源在企业之间的有效流动和企业之间的相互合作机制，资源利用效率 低下，而且环境污染严重。我国自1 9 9 9 年开始启动生态工业示范园区建设试点 工作，建立了第一个贵港国家生态工业( 制糖) 示范区。贵港生态工业园是目前 我国比较成功的生态工业园，它实现了制糖与肥料综合利用一体化，它由蔗田系 统、制糖系统、酒精系统、造纸系统、热电联产系统、环境综合处理系统组成， 各系统间相互衔接，形成一个完整闭合的生态工业网络，一个生产过程中的废弃 6 上海大学硕士学位论文 物可作为另一个生产过程的资源投入，将污染负效益转化成资源正效益。贵港生 态工业园是我国生态工业园实践中比较成功的案例，另外包头国家生态工业( 铝 业) 示范园区、鲁北国家生态工业示范园区和广东省南海国家生态工业示范园等 1 4 个国家级生态工业园区也有一定的代表意义。 生态工业园并没有统一模式，而是因地制宜，各具特色。根据建园的基础可 划分为三种类型：现有改造型，全新规划型和虚拟型。 现有改造型是对园区现有大量工业企业通过适当技术改造，在区域内成员间 建立物质与能量交换，此类园区己经形成几条主要的生态工业链、副产品或 废物的交换、能量与废水的梯级利用以及基础设施的共享等，如典型代表丹 麦卡伦堡工业园区。 全新规划型园区是在良好的规划和设计基础上，从无到有进行开发建设，主 要吸引那些具有“绿色制造技术 的企业入园，并通过创建一些基础设施使 这些企业间可以进行物质、能量交换，我国的南海生态工园区属于此类型。 此类生态工业园区投资大，建设起点高，对成员要求也高，良好的规划和设 计是基础。 虚拟型生态工业园区不严格要求其成员在同一地区，它是利用现代信息技 术，通过园区信息系统，首先在计算机上建立成员间物质、能量交换联系， 然后再在现实中加以实施，园区内企业可以和区外企业发生联系，由园区内 和园区外企业共同构成更大范围的工业共生系统。美国的b r o w n s v i l l e 生态 工业园区是虚拟型园区的典型。虚拟型牛态工业园区可以省去一般建园所需 的昂贵购地费用，避免建立复杂的园区系统和进行艰难的工厂迁址工作，具 有很大的灵活性，其缺点是可能要承担较昂贵的运输费用。 可持续发展要求在满足当代人需求的同时，又不危及后代人满足自身需求， 其核心是人类在追求经济利润最大化的过程中，经济和社会的发展必须控制在环 境与资源的承载力允许范围之内，谋求社会、经济和自然环境的协调发展，而这 正是生态工业及循环经济的核心研究内容。因此，要实现我国社会、经济和环境 的可持续发展，必须发展循环经济，走生态工业道路。 7 上海大学硕士学位论文 1 2 3 低化学势物质相关研究 1 2 3 1 低化学势物质 为了解决物质传递的方向和限度问题，g i b b s 于1 8 7 5 年引进一个新的热力学 函数一化学势来表示体系中第f 种物质的化学势【1 4 1 ，即： 肛= ( 筹) ”，删 化学势是强度性质，在化学反应过程中，化学势是物质迁移的驱动力。正像 物质从重力势高处向低处下落，电荷从高电势向低电势移动一样，在化学反应中， 化学反应自动地向着体系化学势综合减小的方向进行，即从化学势总和高的一方 向化学势总和低的一方进行，直到达平衡为止。 理论上，对于纯物质，在恒温恒压条件下，其化学势就是它的摩尔自由能g 。 因此，在一定的温度和压力下，纯物质的化学势可由其摩尔自由能确定。基于此 考虑，结合实际工业过程，本文将低化学势物质规定如下： 在标准状态下( 1 a t m 、2 9 8 1 5 k ) ， 固相低化学势物质 g o 位9 8 1 5 5 0 0 k j m o l l 例如：磷石膏( 主要成分为c a s 0 4 2 h 2 0 ) 、 铬渣( 主要成分为f e 2 0 3 和m g o ) 、 煤矸石( 主要成分为甜2 0 3 和s i 0 2 ) 等； 液相低化学势物质 如9 8 1 5 2 0 0 k j m o f l 例如：h 2 0 、h 2 s 0 4 等； 气相低化学势物质 g 9 8 1 5 5 0 k j m o l 1 例如：c 0 2 、h c i 、s 0 2 等。 8 上海大学硕士学位论文 表1 1 固、液、气相低化学势物质 序号 固相低化学势物质：g 么9 8 1 5 5 0 0 k j m o r l ( 1 a t i n 、2 9 8 1 5 k ) 废弃物 主要成分化学势( k j m o r l ) 序号 液相低化学势物质：g 么9 8 r 1 5 一2 0 0 k j m o l - 1 ( 1 a t m 、2 9 8 1 5 k ) 废弃物 化学势( k j m o r l ) 1 1 h 2 0 1 2 h 2 s 0 4 - 2 9 8 1 - 6 8 7 0 序号 气相低化学势物质：g z 9 8 f 1 5 一5 0 k j m o l 1 ( 1 a t m 、2 9 8 1 5 k ) 废弃物 化学势( k j m o r l ) 1 2 3 2 低化学势物质相关研究 由于c 0 2 是碳的最高氧化态，其生成热很高，分子十分稳定，是一种低化学 势物质。c 0 2 是全球最丰富的碳资源，比煤炭，石油，天然气三大化石燃料含碳 量的总和还要多得多。随着消耗化石燃料而排放的c 0 2 日益增多，其增加程度远 远超过了以光合作用为主的植物自净化能力。2 0 0 4 年，我国在水泥厂、炼油厂的 生产和含碳物质燃烧等过程中，排放c 0 2 量已经超过9 亿吨，折合约含碳资源2 4 5 9 上海大学硕士学位论文 亿吨，位居世界第二，而c 0 2 的利用量不n 6 0 万吨，大量c 0 2 的排放导致气温升 高，严重威胁人类的生存环蝌1 5 】。因此，实现c 0 2 的资源化转化是一项重要而迫 切的工作，也是当前国际上资源利用生态化研究领域中的热点之一。郑小明等【1 6 】 对低化学势物质c 0 2 的资源化转化进行了研究，提出利用金属或金属复合氧化物 提供电子，在3 5 0 。c 条件下，经一系列步骤将c 0 2 转化为氧气的转化方法，同时 提出可利用c 0 2 加氢制醇、醚及甲酸等。甲烷二氧化碳重整与甲烷部分氧化耦合 制合成气，实现了c 0 2 的低能耗或零能耗转化【l 7 1 。该方法利用两种最为廉价且具 有“温室效应”的碳化合物作为氢源和碳源，转化为合成气，不仅具有环境效益， 在经济上也有吸引力。 h c l 是工业上一种常见的副产物，同时也是一种很难处理的化学品。2 0 0 4 年， 我国在生产氯产品的过程中，产生副产h c l 气体1 6 0 0 万吨，折合约含氯资源1 5 5 6 万吨，副产h c l 气体的有效回收率为7 0 ，其余排放到大气中，造成氯资源的大 量浪费，同时又污染环境【l5 1 。将精制后的h c l 气用水吸收可生产工业级盐酸，回 收制备的盐酸可用于金属清洗、石油井的酸化、湿法冶金等。精制后的副产氯化 氢气体可采用吸收一解吸冷凝一过滤一吸附工艺生产高纯h c l 气【l 引。这种高纯 氯化氢气体可作为合成聚氯乙烯、氯烃、n h 4 c 1 、金属氯化物以及有机物等的原 料。工业中回收利用副产氯化氢来制氯气，进而实现循环利用。常用的转化方法 有电解法、无机氧化剂直接氧化法和空气或氧气催化氧化法【1 9 1 。将h c l 回收制成 c 1 2 ，不仅实现了氯元素的深层次循环利用，同时减少了对环境的污染，具有环 境、经济双重效益。 氢气是一种最洁净的能源，燃烧时产物为水，不污染大气，又是广泛应用的 化工原料，它可用于生产合成氨、甲醇、合成汽油等多种化工产品。将h 2 0 进行 资源化利用，分解制备氢气，是氢气这一洁净能源的重要来源之一。杨洁等【2 0 】 以c q 0 3 及强碱为循环介质，采用二段闭路循环分解水来制氢，既是一种水的催 化分解，又是一种二步法热化学循环。近年来，光催化分解水制氢在光催化剂的 制备、改性以及光催化理论等方面取得了较大进展 2 1 1 。主要包括金属修饰半导 体、复合半导体、光敏化半导体、纳米半导体、可见光、有机金属配合物等光催 化分解水制备氢气等方法。光催化分解水制氢被认为是解决能源短缺和环境污染 的最好办法之一，特别是应用光触媒材料将光能转化为化学能，其应用前景十分 l o 上海大学硕士学位论文 广阔。目前，光催化分解水制氢是一个充满活力和具有应用前景的研究领域，例 如运用于燃料电池中。 芒硝是许多工业过程，如维生素c 、人造丝、硼酸、铬盐等生产过程的副产 物，其主要成分为n a 2 s 0 4 。王天贵和李佐虎【2 2 】提出了一种利用芒硝制纯碱和硫 酸的新工艺，它以氧化钙和重铬酸钠水溶液为转化介质，硫酸钠先和氧化钙在重 铬酸钠水溶液中反应，得到硫酸钙沉淀和铬酸钠水溶液，前者高温还原分解再生 氧化钙，同时得n - - 氧化硫和二氧化碳，二氧化硫经转化吸收得硫酸；后者和二 氧化碳反应再生重铬酸钠水溶液，同时得到碳酸氢钠沉淀，碳酸氢钠经脱铬处理 制得纯碱。利用芒硝制备硫酸钾也是芒硝资源化的主要途径之一，如利用盐湖钾、 镁资源和无水芒硝为原料制取硫酸钾，利用光卤石和无水芒硝制取硫酸钾2 3 矧， 利用不纯净氯化钾和芒硝制取硫酸钾等【2 5 1 。 。 另外，磷石膏、铬渣和煤矸石是典型的固相低化学势物质，在第三章中将就 三者资源化途径和生态产业体系的构建做详细介绍。 1 3 研究的目的和意义 本论文研究的目的是以科学发展观为指导，运用循环经济和生态工业理念， 通过对磷石膏、铬渣、煤矸石等固相低化学势物质资源化途径的分析，构建固相 低化学势物质资源化的生态产业体系，从物质循环利用原则出发，以热力学为分 析手段，重点研究固相低化学势物质磷石膏的资源化转化，探讨使废物转化为有 用资源的技术，找出实现固相低化学势物质资源化的途径以及工业实施的可行 性。通过构建固相低化学势物质资源化的生态产业体系，将传统的线性经济发展 模式转化为循环经济发展模式，探求实现社会经济可持续发展，提高资源、能源 的利用效率，减轻对环境的污染和破坏的新途径，以达到节约资源和保护环境的 目的。 化工、冶金、能源等传统过程工业形成的巨大资源加工产业体系，是社会发 展和国民经济的重要支柱之一，也是提高人们生活水平的物质基础。但是，过程 工业在创造巨额利润的同时，产生大量的低化学势物质，具有高物耗、高能耗和 高污染的特点。通过研究固相低化学势物质的资源化转化问题，构建固相低化学 势物质资源化的生态产业体系，不仅可以提升原有生态工业系统的水平，加大多 上