（环境工程专业论文）基于硫代谢的我国硫资源产业系统模拟与分析.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 硫在国民经济中特别是在化学工业中具有重要地位。目前我国硫资源产业表 现出高强度开采、低效率利用、重污染排放等典型生态不适宜性特点。如何有效 地对硫资源进行转化和配置，扭转硫资源过量消耗和生态环境恶化的局面，实现 我国硫资源产业可持续发展，已经成为目前迫切需要解决的问题。论文以科学发 展观为指导，贯彻生态工业、循环经济理念，采用系统分析思路和相关定量研究 方法对我国硫资源产业的现状和可持续发展模式进行了分析和研究，主要包括以 下两大部分。 1 采用系统分析思路，围绕硫的“储备来源加工消费”的整个生命周期， 运用物质流分析技术和五步建模方法，以2 0 0 4 年产业相关数据建立了我国硫资 源产业系统静态物质流代谢分析模型。在此基础上利用模型对系统进行静态模拟 与分析，内容包括2 0 0 4 年现状的分析、存在问题的剖析、发展循环经济策略的 提出、方案实施效果的分析。分析表明我国硫资源产业目前存在的问题是相互关 联的，应该从系统和整体的角度出发提出相关的解决策略。基于分析结果，进一 步提出了产业发展循环经济的相关策略并构建了具体方案，运用投入产出分析 ( i o a ) 方法对方案实施后的效果进行了定量分析和比较。结果表明通过合理地 选取、综合推广先进的循环经济技术手段，比如回收人畜粪便生产有机硫肥、采 用磷石膏制硫酸联产水泥、生产智能缓释化肥、对含硫煤脱硫和工业烟气脱硫再 利用等，可以有效地提高我国硫资源产业中物质利用水平和循环效率。 2 为了体现出产业系统内主要因素的动态变化以及各因素之间的相互影 响，在系统静态模型的基础上，运用指数平滑预测方法对其进行了改进，得到我 国硫资源产业系统的动态分析模型。在此基础上利用动态分析模型对现状条件下 以及循环经济发展方案实施后系统未来发展趋势进行了动态模拟和分析。研究结 果表明在现状发展趋势下，我国硫资源产业在含硫产品的产量和消费快速增长的 情况下将导致有限的硫资源急速消耗，同时也给环境带来巨大压力；实施对含硫 煤燃烧前脱硫回收硫磺、对工业烟气脱硫回收硫资源再利用等方案对改善我国硫 资源产业系统可持续发展程度效果良好，不仅能显著地节约硫资源的相对消耗 v 上海大学硕士学位论文 量，而且能明显改善大气污染程度。此外，对不同政策力度下多循环经济发展方 案的综合实施效果进行优化，得出了各方案在不同实施力度下的最优综合实施方 案。 关键词：硫资源产业模拟与分析 物质流分析 投入产出分析 指数平滑预测 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u l f u ri sa ni m p o r t a n tm i n e r a lr e s o u r c ef o rc h i n ae s p e c i a l l yi nc h e m i c a l i n d u s t r y a tp r e s e n t ，c h i n e s e s u l f u rr e s o u r c e s i n d u s t r y h a s t y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c ha r eu n s u i t a b l ef o re c o l o g i c a li n d u s t r y ，s u c ha st h eh i g h s t r e n g t he x p l o i t a t i o n ，t h el o we f f i c i e n c yu t i l i z a t i o n ，t h eh e a v yp o l l u t i o n d i s c h a r g e ，a n d s oo n h o wt ot r a n s f o r ma n du t i l i z et h es u l f u rr e s o u r c e s e f f e c t i v e l y , t oc h a n g et h es i t u a t i o no fs u l f u rr e s o u r c e se x c e s s i v ec o n s u m p t i o n a n d e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n td e t e r i o r a t i o n ，a n dt or e a l i z es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fs u l f u rr e s o u r c e si n d u s t r y ，a l r e a d yb e c o m ei m p o r t a n tp r o b l e m s n e e dt os o l v e u r g e n t l y a t p r e s e n t a c c o r d i n g t ov i e w so fs c i e n t i f i c d e v e l o p m e n ta n df o l l o w i n gc i r c u l a re c o n o m ya n de c o - i n d u s t r y ，t h ep r e s e n t s t a t u so fc h i n e s es u l f u rr e s o u r c e si n d u s t r ya n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t p a t t e r no ni tw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e db yu s i n gt h es y s t e ma n a l y s i sa n d q u a n t i t a t i v er e s e a r c hm e t h o d s t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yi n c l u d e st w op a r t sa s f o l l o w s 1 a c c o r d i n gt h es y s t e ma n a l y s i si d e a s f r o m “r e s e r v e - s o u r c e p r o c e s s c o n s u m p t i o n ”o ft h ew h o l es u l f u rl i f ec y c l ep h a s e s ，t h es t a t i cm a t e r i a lf l o w m e t a b o l i s ma n a l y s i sm o d e lo fc h i n e s es u l f u rr e s o u r c e si n d u s t r ys y s t e mw a s c o n s t r u c t e db yu s i n gm a t e r i a lf l o wa n a l y s i sm e t h o da n dt h ef i v es t e pm o d e l i n g m e t h o d b a s e do nt h em o d e l ，t h es y s t e mo fc h i n e s es u l f u rr e s o u r c e si n d u s t r y w a ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es t u d yo fs y s t e ms t a t ei n2 0 0 4 ，t h e a n a t o m yo fs o m ee x i s t i n gp r o b l e m s ，t h es t r a t e g i e sf o rd e v e l o p i n gc i r c u l a r e c o n o m y ，a n dt h ea n a l y s i so nt h er e s u l t so fa p p l y i n gs c h e m e s t h ea n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h em a i np r o b l e m se x i s t i n go nt h ei n d u s t r ya r ei n t e r c o r r e l a t i v e ， a n dt h ep r o p e rs o l v i n gs t r a t e g i e ss h o u l db ep u tf o r w a r df r o mas y s t e m i ca n d h o l i s t i ca n g l e b a s e do nt h e a n a l y s i s r e s u l t sa b o v e ，t h es t r a t e g i e so f d e v e l o p i n gc i r c u l a re c o n o m yf o r t h ei n d u s t r yw e r ep u tf o r w a r da n dt h e s p e c i f i cs c h e m e sw e r ec o n s t r u c t e d t h ei n p u t o u t p u ta n a l y s i s ( i o a ) m e t h o d v 上海大学硕士学位论文 w a su s e di nq u a n t i f i c a t i o n a la n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h er e s u l t so fa p p l y i n g t h ec i r c u l a re c o n o m ys c h e m e so nt h es y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec u r r e n t u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fs u l f u rr e s o u r c e sc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e db y t h e s ef e a s i b l ea n da d v a n c e dr e c y c l i n g t e c h n i q u e si n c l u d i n g r e c y c l i n g e x c r e m e n to ft h eh u m a na n dl i v e s t o c kt op r o d u c eo r g a n i cs u l f u rf e r t i l i z e r ， p r o d u c i n gs u l f u r i c a 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 n o fc e m e n tw i t h p h o s p h o g y p s u m ，p r o d u c i n g c o n t r o l l e dr e l e a s e f e r t i l i z e r s ，r e c y c l i n g s u l f u r f r o ms u l f u r c o n t a i n i n gc o a l ，r e c y c l i n gs u l f u rf r o mi n d u s t r yf l u eg a s ，a n ds oo n 2 i no r d e rt oe m b o d yb o t ht h ec h a n g i n gt r e n d sa n dt h em u t u a le f f e c t so f m a i nf a c t o r si nt h es y s t e mw i t ht h et i m ec o n t i n u i n g ，t h ed y n a m i ca n a l y s i s m o d e l so fc h i n e s es u l f u rr e s o u r c e si n d u s t r yw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h e e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gf o r e c a s tm e t h o dt oa m e l i o r a t et h es t a t i ca n a l y s i sm o d e l t h ep r e s e n ts t a t u sa n dt h er e s u l t so fa p p l y i n gt h ec i r c u l a r e c o n o m y d e v e l o p m e n ts c h e m e s o nt h e s y s t e mw e r ed y n a m i c a l l y s i m u l a t e da n d q u a n t i f i c a t i o n a l l ys t u d i e db yt h o s ed y n a m i cm o d e l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e l i m i t e ds u l f u rr e s o u r c e sc o n s u m er a p i d l ya n dp o l l u t ee n v i r o n m e n th e a v i l ya s t h eo u t p u ta n dc o n s u m p t i o no fs u l f u r - c o n t a i n i n gp r o d u c t si n c r e a s i n gf l e e t l yi n t h ep r e s e n ts t a t u sd e v e l o p m e n t a p p l y i n gt h es c h e m eo fr e c y c l i n gs u l f u rf r o m s u l f u r c o n t a i n i n gc o a la n dt h es c h e m eo fr e c y c l i n gs u l f u rf r o mi n d u s t r yf l u e g a sc a ni m p r o v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s es u l f u rr e s o u r c e s i n d u s t r yg r e a t l y ，a n dt h a tn o to n l yc a ns a v es u l f u rr e s o u r c e sb u ta l s oc a n m e l i o r a t ea t m o s p h e r ep o l l u t i o ne v i d e n t l y f i n a l l y ，t h er e s u l t so fa p p l y i n g s e v e r a lc i r c u l a re c o n o m yd e v e l o p m e n ts c h e m e si nd i f f e r e n tp o l i c ys u p p o r ta r e o p t i m i z e d ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nc o m b i n e ds c h e m ei so b t a i n e d k e y w o r d s ：s u l f u rr e s o u r c e si n d u s t r y ；s i m u l a t i o na n da n a l y s i s ；m a t e r i a lf l o w a n a l y s i s ；i n p u t - o u t p u ta n a l y s i s ；e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gf o r e c a s t v i 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。 签名：勘嫜日期：趔 本论文使用授权说明 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：盏燃导师签名 i 妒p 堕日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 2 0 世纪是人类物质文明更为发达的时代，但也是使地球生态环境和自然资 源遭到严重破坏的时期。能源短缺，资源匮乏，环境污染等问题已经威胁到人类 的生存安全，阻碍了社会的可持续发展。大量的研究表明生态环境与社会发展之 间深刻冲突的根源在于人类经济活动对物质自然循环过程的强烈干扰，也就是 说，由于人类活动影响所导致的物质循环通量已经远远超过自然本底的循环强 度。传统的经济模式是以利润或产量最大化为追求的目标，其代价就是资源的大 量消耗和环境的严重污染。因此，要摆脱困境，就必须系统地审视现代经济系统 的物质代谢过程及其规律，把经济体系的发展模式从大量的原材料投入和消耗转 移到在自然界承受范围以内的资源使用和优化上来，提高资源和能源的利用率， 从而创建一种全新的生态经济模式是实现可持续发展的根本途径。 近十几年来随着我国经济的快速增长，由于没有完全摆脱高投入、高消耗、 高排放、不协调，难循环、低效率的粗放增长方式，因此付出了很大的资源和环 境代价。另一方面，在未来相当长的一段时期内，我国人口仍将保持持续增长， 城市化进程进一步加快，工农业结构进入快速转型期，经济总量继续以较快速度 增长。如果我国仍然沿用传统的发展模式势必会导致整个国家可持续发展能力降 低和生态系统破坏。因此，推动社会经济系统的生态化转型，避免重复发达国家 的末端控制模式，是中国走可持续发展道路迫切需要解决的重大课题。 硫是重要的、难以再生的非金属矿资源，不仅在化学工业中具有重要的应用 价值，而且在农业、医药、食品等领域也扮演着重要的角色，是我国国民经济发 展必须的重要矿产资源。近年来，由于长期追求生产部门和局部地区的经济与社 会效益，忽视物质循环系统整体上的代谢效率以及生态功能优化，我国硫资源产 业表现出较为典型的线性开放式结构特征，具有高强度开采、低效率利用、重污 染排放等典型生态不适宜性特点【”。不仅大大加速了硫资源的消耗速率，而且导 致硫成为大气污染的关键性因子。同时我国目前可供开发利用的硫资源有限，对 硫资源及相关产业的可持续发展提出了巨大挑战。因此，如何有效地对硫资源进 上海大学硕士学位论文 行转化和配置，扭转硫资源过量消耗和造成生态环境恶化的局面，实现硫资源产 业可持续发展，已经成为目前迫切需要解决的问题。作为最有效利用资源、能源 和保护环境，以“减量化、再利用、资源化”为原则组织经济活动的循环经济 2 1 为实现硫资源产业生态优化提供了新的战略发展思路。 本论文以我国硫资源产业为研究对象，以科学发展观为指导，贯彻生态工业、 循环经济理念，采用系统分析方法，围绕硫的“储备。来源功工消费”的整个生 命周期来对我国硫资源产业系统进行代谢分析，定量地描述和分析硫资源利用和 对环境的影响状况，从而对硫资源产业目前存在的相关问题及其相互关联进行剖 析。在此基础上，提出我国硫资源产业发展循环经济的相关策略，构建具体实施 的方案并定量地分析比较方案的优劣，以指导实践。论文采用系统分析思路和相 关的定量研究方法对资源产业的科学分析研究工作有一定的借鉴意义。 1 2 文献综述 1 2 1 工业代谢的相关研究 工业代谢( i n d u s t r i a lm e t a b o l i s m , i m ) 根据质量守恒原理，对物质从最初的 开采，到工业生产、产品消费，直至变成最终的废弃物这一全过程进行跟踪，是 把原材料和能源以及劳动转化为最终产品和废物的所有物理、化学过程的集合 眈工业代谢的概念最早是由a y r o s 等在2 0 世纪8 0 年代中期提出，并应用于对 经济运行中原料与能量流动的环境影响研究中1 4 j 。工业代谢分析在世界各国得到 了广泛运用，其运用主要包括以下几种形式： 在一定的区域范围内追踪某些污染物，重点对江河流域等研究分析。国 际应用系统分析研究所的a n d e r b e r g 等( 1 9 9 3 ) 从流域层次上对莱茵河流域的铅、 锌、二氯化苯以及多氯联苯( p c b ) 等七项指标展开工业代谢研究，估算了整个 生命周期的排放与沉降，并对所提出有关排放量削减政策的环境影响进行了评 估，成为国际上首次系统对流域污染物进行物质的代谢分析，该研究成果被荷兰 政府直接用于有关政策的制定过程中嘲。 用于分析研究一组物质，特别是某些重金属。在国家尺度上，s z o n p e 等 ( 2 0 0 0 ) 运用工业代谢分析方法对含汞原料在美国流动进行了研究分析并发表了 2 上海大学硕士学位论文 相关的研究报告，研究结果表明：按传统的工业生产方式，向环境排放的汞量相 当惊人，环境保护法规和技术进步会影响工业运行中有害物质的流动，保护环境 是一项系统工程【6 】。 限于某种物质成分，以确定其不同形态的特性及其与自然生物地球化学 循环的相互影响。比如碳、磷、氮等的代谢分析。a y r e s 等( 1 9 9 4 ) 对碳、磷、 氮三种重要元素的社会经济循环进行了研究，发现前两种元素的通量也超出自然 本底值，而由于大气固氮作用的普遍性，目前自然界对于氮通量的贡献率仍然较 大川。 针对与特定产品或对象相联系的物质流和能量流。f r a n k l 等( 1 9 9 6 ) 对 电子芯片进行代谢分析，研究表明一般被认为是清洁产业的电子工业其实是单位 产品生产全过程污染最为严重的行业之一，不仅存在惊人的原料浪费，而且其生 产过程中需要大量的、多种危险的化工产品，使用这些化工产品的方法往往又是 消耗性的，对环境与人类健康产生严重后果【s 】。 针对资源产业进行工业代谢分析，考察资源的利用和对环境的影响状况。 周哲等( 2 0 0 1 ) 采用工业代谢分析方法，对我国煤炭利用过程造成的污染情况进 行了分析，提出了相应的改进模型，并找出了环境最优的产品结构，物流组成及 流型9 】。刘征等( 2 0 0 5 ) 对我国磷资源产业系统进行了代谢分析，建立了我国磷 资源产业系统物质流代谢分析模型，并提出了磷资源产业发展循环经济的策略 1 0 1 。 由国内外对工业代谢的实践运用可知，该方法通过建立物质衡算表，能够估 算物质流动与储存的数量，描述其行进的路线和复杂的动力学机制，同时也指出 它们的物理的和化学的状态来反映工业活动物质利用情况，是认识生态工业中元 素代谢和物质流动的一种行之有效的分析方法。 工业代谢研究主要可以起到以下几个方面的作用： 提供关于工业体系运行机制的一个整体理解，这样可以确定真正的问题 所在并选择优先解决的目标。通过工业代谢分析可以得到环境中存在的有毒物质 的物理的和化学的状态，这对于分析潜在的危险，以及制定相应的控制战略至为 重要。比如一种有毒化学品能产生的危险程度视其处于活跃或稳定状态而大不相 同，处于活跃状态，就可能以生物残留形式进入食物链。 上海大学硕士学位论文 为采取各种政策措施以控制和预防污染扩散提供依据。针对污染控制已 不再主要是针对这个或那个工厂的排放物的治理，需要的是制定控制与预防污染 的全新的、以防为主的和全面的战略，而工业代谢分析恰恰正是能够作为这些战 略研究的基础。 对物质生产效率和回收利用展开定量评估，可以找出资源和能源利用率 低下的关键环节和真正原因，为产业发展和政策制定提供参考。特别是能够识别 生产部门物质减量化的关键环节，以及比较不同部门之间的物质利用效率，从而 成为大中型企业特别是大型跨国集团经常性环境管理的重要分析手段。 i m 应用的成功与否取决于能否获取所需的数据和对代谢过程了解的深度。 目前i m 研究的困难和缺陷在于：数据获取困难，要从监测报表、年鉴等数据源 中整理出数据并对其分析的工作量是相当大的；系统不完整或过于粗糙，由于代 谢过程的复杂性，大部分的研究并不能涵盖研究对象的整个生命周期；分析深度 不足，绝大多数i m 的研究未充分挖掘表观数据，缺少对系统深层次属性的分析， 特别是缺乏对物流网络结构深层次的挖掘和分析。因此本论文在对我国硫资源产 业代谢分析的基础上，通过引入投入产出分析方法定量评价系统硫资源利用水平 和循环效率来比较方案实施的效果。 目前，从国家层面上进行工业代谢研究的焦点是选择对于社会经济发展和资 源环境产生重大影响的金属元素( 例如镉、铅、铜等) 或非金属元素( 例如氮、 磷、硫等) ，研究其从自然界进入经济社会、生产和消费领域的分配和贮存、以 及最终进入环境的数量和途径，识别特定生态环境问题与物质代谢之间的因果关 系，评估资源利用的可持续发展程度，在此基础上提出切实可行的实施方案以实 现可持续发展。 1 2 2 硫资源产业的相关研究 硫资源是重要的生产原料，在许多行业中得到广泛地利用。硫资源产业的研 究涉及工业、农业、资源、环境等多个领域，许多专家学者从不同角度、不同方 面对我国硫资源进行了相关的研究。 在对硫资源利用研究方面，一些文献对我国硫资源储备、利用趋势进行了分 析并提出了相应的对策建议。中国化学矿物协会( 2 0 0 4 ) 对我国硫资源储备分布、 特点、开发现状进行了分析，提出了“国内为主，国外为辅，综合利用，寻找富 4 上海大学硕士学位论文 矿”的硫矿资源可持续发展战略 1 q 。盛叶彬( 2 0 0 4 ) 介绍了我国硫资源利用现状、 存在的主要问题、硫资源利用的发展趋势，提出今后硫资源利用应以稳步发展硫 铁矿制酸为主，并向装置大型化方向发展【1 2 1 。马文奇( 2 0 0 6 ) 从硫资源利用安 全角度分析了我国硫资源供需趋势，提出硫资源利用的宏观调控迫在眉斛”j 。 在对硫矿资源开采利用研究方面，一些文献对硫矿开采、利用存在的各种问 题进行了介绍和评价。史良贵等( 2 0 0 5 ) 从硫矿企业产品市场、发展环境、企业 自身方面来论述硫矿企业可持续的发展问题【1 4 1 。李钟模( 2 0 0 3 ) 就我国硫矿资 源开发现状进行了阐述，指出我国硫矿富矿少、贫矿多、分布不均等一些特点以 及在开采上采富弃贫的现象 1 5 i 。 在对硫产品加工的研究方面，许多文献对硫的初级、深加工产品生产情况进 行了阐述。沙业汪( 2 0 0 5 ) 、魏而宏( 2 0 0 5 ) 、郭景芝( 2 0 0 5 ) 对硫酸生产原料结 构变化、硫酸工业发展特点以及趋势进行了阐述，提出用好国内硫资源、适当利 用国外硫资源同时寻求可替代性硫资源 1 6 - 1 8 】。王利等( 2 0 0 5 ) 对化肥生产中硫资 源流动规律进行了研究，结果表明2 0 0 2 年我国化肥生产中硫资源总转入率只有 5 6 ，有3 2 2 x 1 0 4 t 硫转入磷石膏而流失，不同化肥品种转入率差别很大【1 9 1 。黄 格省( 1 9 9 7 ) 介绍了国内硫磺资源利用现状和提出硫磺深加工产品的发展方向 i 2 0 。薛祖源( 2 0 0 1 ) 主张用硫磺资源发展市场需求的有机硫化工产品，分析了 国内有机硫化工中存在的问题并提出了发展硫化工的建议【2 ”。 在硫资源利用对环境影响的研究方面，重点研究的是硫加工生产过程中产生 的“副产品”、4 三废”等问题，其中含硫气体的排放问题成为研究焦点。有大量 的文献对硫铁矿烧渣和磷石膏的综合利用进行了阐述。罗道成等( 2 0 0 3 ) 对硫铁 矿烧渣综合利用研究进展进行了综述，并提出了发展方向捌。胡振玉等( 2 0 0 4 ) 介绍了磷石膏的开发利用现状、存在的问题以及提出了解决问题的技术途径【2 川。 国家环保总局( 2 0 0 4 ) 资料显示我国目前每年因酸雨和二氧化硫污染对生态环境 损害和人体健康影响造成的经济损失在一千一百亿元左右，二氧化硫年排放量大 大超出环境自净能力，近l 3 国土遭受酸雨严重污染 2 4 1 。孙胜奇等( 2 0 0 5 ) 对我 国二氧化硫烟气治理的方法进行综述，并提出脱硫应该实现产业化【2 5 】。 目前，针对我国硫资源产业的相关研究和分析具有一定的数量，也取得了一 定的成果。但还存在着以下不足： 上海大学硕士学位论文 现已完成的有关我国硫资源产业的分析研究主要可以分成三类：一是宏 观上对我国硫资源利用分析( 主要包括硫的储备、进口以及开采等方面) ，二是 针对硫的加工环节( 主要包括硫酸、化肥、硫化工产品等的生产) ，三是围绕生 产和消费中对环境影响和“废弃物”资源化利用展开( 主要包括烟气脱硫，硫铁 矿烧渣、磷石膏等再利用等) ，这些研究都是针对硫资源产业系统中的某些局部 环节，缺少从系统整体出发对不同环节之间的相互关联进行考虑，这样将会导致 对问题的分析片面化，提出解决问题的策略适用范围有限。 相关研究中定性分析较多，定量分析较少。大多数现有研究都是在定性 或极简单的定量分析下得到的，特别是缺少对硫代谢的分析，没有追踪和分析硫 资源的走向，没有定量评估硫资源利用效率和找出利用率低下的关键环节和真正 原因，失去客观数据的支撑使分析结论的说服力大大降低。 相关的研究中提出了一些可持续发展策略，但是缺少对这些策略实施后 的效果进行定量分析和比较，以指导实践。并且研究分析基本上都是静态的，没 有对产业系统发展未来进行动态的分析，不能体现出随时间延续系统内各因素的 动态变化情况。 1 2 3 生态工业、循环经济 可持续发展是指既满足当代人的需求又不危及后代人满足自身需求的发展 模式，其核心是人类经济和社会的发展在环境与资源的承载力允许范围内，追求 经济利润的最大化，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。要实现我国硫资源产业可持续发展，必须发展循环 经济，走生态工业道路。 生态工业是循环经济理论在工业体系中的应用形态之一。循环经济和生态工 业是近些年国际上提出的新经济理念，它将传统经济以“资源产品一废物”为 特征的发展模式，改变为以“资源产品再生资源”循环利用为特征的发展模 式，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 本取得最大的经济社会效益的新思路，也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。 循环经济是由美国经济学家鲍尔丁在2 0 世纪6 0 年代提出的，是对物质闭流 动型经济的简称，循环经济指在资源投入、企业生产、产品消费及其废弃的全过 6 上海大学硕士学位论文 程中，把传统的依赖资源消耗的线形增长的经济，转变为依靠生态型资源循环来 发展的经济。循环经济以物质、能量梯次和闭路循环使用为特征的，在环境方面 表现为污染低排放，甚至污染零排放。循环经济把生态工业、资源综合利用、生 态设计和可持续消费等融为一体，运用生态学规律来指导人类社会的经济活动， 因此生态工业本质上也是一种基于生态的循环经济。 生态工业主要是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 的一种工业发展模式。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、投资的最优利用。以通过不同企业或 工艺流程问的横向耦合及资源共享，为废物找到下游的“分解者”，建立工业循 环系统的“食物链”和“食物网”，达到变污染负效益为资源正效益的目的。 目前，国内外对生态工业以及循环经济的研究仍然处于初级阶段，定性的指 导多于定量的分析和计算。定量研究方面，目前相关文献中介绍应用于生态工业 和循环经济领域的定量分析方法主要有四种：投入产出分析、数学规划、有界网 络分析和基于通用系统理论的复杂系统模拟分析。 投入产出分析 投入产出分析( i n p u t - o u t p u ta n a l y s i s ，i o a ) 源于1 9 世纪下半叶数理经济学派 的全部均衡理论及其数学模型。i o a 最初是用于研究经济系统各个部分之间，表 现为投入和产出的相互依存关系的数量分析方法，在经济分析、经济预测、编制 经济计划己成为一个常规的重要工具。 从2 0 世纪7 0 年代初开始，西方经济学家将i o a 应用到环境领域，建立了 一系列包含环境内容的投入产出模型。p r o o p s 等0 9 9 3 ) 完成了关于德、英两国 c c h 排放与控制方案选择的研耕2 6 1 。j o s h i ( 2 0 0 0 ) 将i o a 与产品l c a ( l i f ec y c l e a s s e s s m e n t ) 结合起来计算一种产品对应的环境负荷向量卸。p a t t e n 和f i n n 等 ( 1 9 7 6 ，1 9 7 7 ) 应用i o a 方法分析了自然生态系统中营养物质的流动情况，提出了 路径长度 p a t hl e n g t h ) 、循环指数( c y c l i n gi n d e x ) 等可深入反映系统结构和效率的 指标【2 8 瑚1 。b a i l e y ( 2 0 0 0 ) 将p a t t e n 和f i n n 等人的研究方法平移到工业生态系统的 物质流和能量流分析中3 0 1 。国内的李立( 1 9 9 4 ) 运用i o a 分析了中国1 9 8 7 年国民 经济各部门s 0 2 的直接和间接排放情况【3 1 1 。清华大学陈定江( 2 0 0 3 ) 采用与b a i l e y 类似的思路，对山东鲁北生态工业园区内的硫代谢过程进行了分析，并将图论、 7 上海大学硕士学位论文 输入输出分析与效用输入输出分析三者结合起来，进一步提出了工业生态系统耦 合度的概念，用以反映系统各节点之间通过物流相互关联的紧密程度【3 2 】。 基于通用系统理论的复杂系统模拟分析 美国乔治亚理工的r e i d ( 1 9 9 7 ) 以k a l u n d b o r g 生态工业园区为例，利用基 于通用系统理论和复杂系统模拟分析的方法对工业生态系统进行了定量研究 【3 3 1 。r e i d 首先根据生产工艺分析园区每一家企业内部各变量之间的因果关系， 在此基础上建立整个园区变量的因果关系，进而利用系统动态模拟软件s t e l l a 建立系统动态模型，根据模型进行系统动态模拟，最后进行全系统的多目标优化。 优化变量是各控制变量，如蒸汽产生速率、蒸汽调整时间等，优化目标是成员之 间物、能的供应与需求之间偏差最小。 有界网络分析 有界网络( b o u n d e dn e t w o r k ) 分析的基本思想是通过物料平衡和能量平衡，将 整个有界网络的生态状态转化成一组以网络边界上的生态状态参量为设计参数 的数学方程例。利用这些方程可以对网络的经济性进行分析。 有界网络分析的方法可以应用于自然生态系统和工业生态系统。其优点是当 下一级的网络模型构造好以后，可以将它作为一个标准化模块，用搭积木的方式 构造更高一级的网络结构。这种网络模型可以描述从最底层的生产过程一直到产 品生命周期尺度的各类生态系统，展示系统对生物资源与非生物资源的获取、转 化和传递过程。 目前，国际上已开发了一些质量交换网络工具软件，用来识别废水回用和其 他“质量交换体”跨过程边界交换的机会口5 1 。如：d i m e 工业材料交换软件包 ( d y n a m i ci n d u s t r i a lm a t e r i a l se x c h a n g e ) ，由美国b e c h t e l 工程公司与能源部环境 工程实验室联合开发，用来辅助工业副产品协调利用的机会识别及分析；d i e t 设计工业生态系统工具( d e s i g n i n gi n d u s t r i a le c o s y s t e m st o o b ，这是包括设备协调 数据库( 识别非产品输出的潜在匹配) 、多目标优化模型( 允许对匹配进行环境、 经济和社会多目标优化计算) ，现实性筛选等几个模块的生态工业园区设计工具 雏形；利用地理信息系统( g i s ) 设计工业废料交换，德克萨斯州州立大学 ( u n i v e r s i t yo ft e x a s ，a u s t i n ) 利用g i s 研究了2 0 个不同工业设施的水网络，结果 发现，优化配置后总新鲜水用量可以下降9 0 ，水成本下降2 0 。 8 上海大学硕士学位论文 确定性数学规划分析 确定性数学规划的基本思想是在满足若干约束条件的可行解中寻求一定意 义下的最优解，包括线性规划、非线性规划、整数规划、混合整数规划等。 王曙光( 1 9 9 8 ) 提出了一个最小排放社区决策支持系统的多目标混合整数非 线性规划( m i x e di n t e g e rn o nl i n e a rp r o g r a m m i n g ，m i n l p ) 模型【3 6 】。模型的整数 变量表示项目的投资与否，受投资总额的约束；模型的非线性简单地体现在某一 分目标函数( 如就业目标) 与整数变量相结合的约束条件上。陈定江等( 2 0 0 2 ) 在上述模型的基础上引入逻辑表达式，建立了一个生态工业园区的m i n l p 模型， 并据此对山东枣庄市城南工业区的不同的集成策略进行优化计算，该模型还可通 过进一步增补用来反映园区成员的退出或加入、环境目标的改变、新技术的出现、 有关法规的变动、以及市场波动等因素对工业生态系统的影响，从而实现对潜在 的风险进行模拟和预测口7 1 。 1 2 4 工业生态系统建模 可持续发展的硫资源产业系统是一个生态工业系统，鉴于本论文需要在建模 的基础上对硫资源产业系统进行模拟和分析，以实现可持续发展，因此有必要简 要了解有关生态工业系统以及工业生态系统建模的一些背景。 生态工业系统是一个典型的、具体的，开放的复杂巨系统，具有开放性、复 杂性、层次性、巨量性等性质【3 8 1 。在生态工业系统中，各生产过程不是孤立的， 而是互相关联的，一个生产过程的废物可以作为另一个过程的原料加以利用。生 态工业系统的目的是使系统内各过程从原料、废物到产品的物质循环，满足资源、 能源和投资的最优利用【3 们。从全球化的角度，生态工业系统就相当于是有无数 相关的工业子系统组成的整体网络，这些工业子系统分别涉及不同的地域、行业 和原料。生态工业系统的概念与生物生态系统概念之间的简单类比不是生态工业 的核心，真正的核心是使工业体系模仿自然生态系统的运行规则，实现人类的可 持续发展。 对工业生态系统建立数学模型就是将分析和调控建立在定量化的基础上，使 经验的、定性的描述通过数学方法和数学模型定量化，从而使分析研究更加全面、 更具说服力。目前相关文献介绍对工业生态系统建模方法主要有以下两种不同的 思路。 9 上海大学硕士学位论文 “自上而下”的数学规划模型 “自上而下”的数学规划模型研究工业生态系统的思路是：下层的成员在上 层统一的总体目标指导下各自进行调整，在满足约束条件的情况下实现系统总体 目标最优化。 因特网上的一个虚拟组织s m a r tg r o w t h ( 1 9 9 8 ) 开发了一个工业生态系统设计 软件包d i e t ( d e s i g n n gi n d u s t r i a le c o s y s t e m st 0 0 1 ) ，它的功能包括：考察系 统成员各种组合的可行性，在经济、环境和社会效益目标问进行权衡；估算建立 工业共生关系后的生态效率；计算成员的环境和经济上的收益【柏l 。该软件包的 核心是一个线性规划模型，它将e i p 成员的利润近似地表示为其每一项产出量的 线性函数，成员面临的资源、环境等方面的限制也近似表示为线性不等式。目标 函数包括废物净产生量最小化、园区成员负担费用最小化，园区净收入最大化、 创造更多就业机会等。 采用“自上而下”的建模方法可以保证整个系统利益的最大化，但建立的模 型由于在表达系统的结构及连接约束方面缺乏灵活性往往在实际实施过程中常 常遇到障碍。具体来说，在市场经济的环境下，构成一个经济系统的单元都具有 自主决策能力，为了实现自身利益的最大化，个体会根据市场、政策等条件的变 化做出自己的决策。当企业自身的利益与整体利益发生冲突时，如果没有外界的 强制手段，它通常不会自发地从整体利益出发来决定自己的行为。 “自下而上”的数学规划模型 “自下而上”的数学规划模型研究工业生态系统的思路是：其成员不断地进 行自我调整和完善以适应周围环境，同时也影响着环境，从而使整个系统在这种 不断相互适应和影响的过程中逐步向前发展演化。 美国的p r y o r 等( 1 9 9 6 ) 开发了a s p e n 系统，并以居民、企业等微观单位作为 主体，在计算机上模拟现实的社会经济系统的某些过程，如经济周期、政策的实 施等，并分析它们对主体的影响及引起的宏观效果【4 “。华立( 2 0 0 1 ) 借助多主体系 统计算机仿真方法，研究了短缺经济下个体的选择、竞争与适应行为以及制度的 进化过程，成功地解释了占座、啤酒专卖区、专利技术等一系列社会经济现象【4 2 】。 “自下而上”的数学规划模型建立和运行方式更符合自然界生态