工业生态学与清洁生产

第一章第一章 工业生态学与清洁生产工业生态学与清洁生产 第一节第一节 工业生态学工业生态学 工业生态学并非全新的概念 二十世纪六十年代的科技文献中已经时而出现这一个词了 但是没有更为深入的研究 1989 年 Robert A Frosch 罗伯特 弗罗施 和 N Gallopoulos 尼古拉 斯 加勒朴斯勒 在 科学美国人 上一篇题为 制造的策略 的文章中重新提出来工业生态学 从此以后 工业生态学走上了充满活力的发展之路 工业生态学是针对工业化及其对自然系统 的影响 通过运用生物系统原理和生态系统的结构 功能的基本模式形成了现代工业的管理思 想和综合管理工具 可以毫不夸张地说 目前 工业生态学正在成长为一个由工程学 生态学 和生物经济学交叉构成的科学与技术的崭新领域 1 工业生态学的产生背景 自 18 世纪以来 工业革命开创了机器大生产的新时代 以机器为现代工业的出现 是世界 面貌发生了根本的变化 为人类创造和发展了以巨大物质财富为主要特征的现代文明 然而 伴随着着以过程 也出现了资源短缺 能源危机 环境污染和生态破坏等一系列全球性的严重 危机 危机告诉人们 传统工业发展模式已难以为续 迫使人们对工业发展历程中传统的高投 入 高能耗 高污染的工业发展模式进行深刻的反思 然而 在现实的选择中 人们并不希望 限制或放弃工业化成果来谋求危机的解除 事实上 全球日增的人口及其对物质资源需求的刚 性增长说明 这种想法也是行不通的 因此人们所希望的是 在创造和享受工业文明的同时 最大限度地减轻他的负面影响 从而达到持久的实现福利增长和人与自然和谐相处 在这种思 想指导下 经济学家和工业界对工业的发展模式进行过了大量的探索 当时称为工业共生现象 这就是生态工业的雏形 1989 年 罗伯特 弗罗施和尼古拉斯 加勒朴斯勒在 科学的美国人 发表的一篇文章中 正式提出 工业生态学 和 工业生态系统 的概念 这一创造性的提法引起了广泛关注 1993 年 受到卡隆堡的启发 美国商人 Paul Hawken 保罗 霍肯 在 商业生态学 一书中 也提出工业生态系统和生态工业园的问题 1994 年 加拿大新斯科舍省达尔湖西大学的一个研 究小组明确提出了生态工业园区的设想 在所有提法中最有代表性的是 1991 年 10 月 联合 国工业发展组织提出了 生态可持续工业发展 Ecological sustainable industrial development 的 概念 用一只名一种对环境无害或生态系统可以以长期其承受的工业发展模式 由于他是一种 环境与发展兼顾的模式 并成为全球可持续发展在工业方面的具体体现 这是现代工业发展历 史性的重大转折 这一概念的提出 标志着未来工业的主导发展方向 即由传统工业发展模式 转向生态工业的可持续发展模式 不少专家预言 生态工业将成为 21 世纪全球工业发展的主旋 律 2 工业生态学的内涵和意义 我们习惯上认为工业体系是与生物圈相对立的 一边是工厂 城市 一边是大自然 带着 这种局限性的观念 我们小视了工业体系对 外界 对其周围世界 对 环境 的影响 环 境保护主义者们 以及他们的先驱者们 长期以来 关注的是工业活动造成的不良后果 即污 染对生态系统造成的破坏 但工业体系的运行机制本身始终在他们的研究范围之外 可以将工 业体系是生态体系的一种特殊式样 如同生物生态系统一样具备物质 能量以及信息的流动及 储存功能 而且 工业体系总起来说是建筑在为之提供物质 资源与服务的生物圈基础上的人 为系统 因此 工业生态系统与生物圈之间存在着广泛的多少有些直接的相互影响 工业生态学并非全新的概念 60 70 年代的科技文献中已经时而出现这一个词了 但是没有 更为深入的研究 90 年代初 工业生态学一词首先在与美国工程科学院关系密切的一些工程技 术人员中重新被提出 从此以后 工业生态学走上了充满活力的发展之路 可以毫不夸张他说 目前 我们正在目睹诞生一个由工程学 生态学和生物经济学交叉构成的科学与技术的崭新领 域 尽管还十分稚嫩 但已经表现出了某种成熟的形态 标志之一是 1997 年春季美国麻省理工 学院出版了 工业生态学 杂志 这是世界上第一本专门介绍这一正在发展中的学科的学术刊 物 2 1 工业生态学研究的内容和任务 2 生态工业的理论与实践 3 生态工业的类型与特征 4 生态工业的行业划分 5 生态工业的管理 6 生态工业的进化 7 生态工业园区的建设 8 生态工业的范式 生态产业是按经济生态原理和知识经济规律组织起来的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 进化型产业 与传统产业不同 生态产业通过两 个或两个以上的生产体系或环节之间的系统耦合 使物质 能量能多级利用 高效产出 资源 环境能系统开发 持续利用 企业发展的多样性与优势度 开放度与自由度 力度与柔度 速 度与稳度达到有机结合 污染负效益变为经济正效益 17 2 表 17 2 生态产业不同与传统产业的特征 类别特征 横向耦合不同工艺流程间的横向耦合及资源共享 变污染负效益为资源正效益 纵向耦合从源到汇再到源的纵向耦合 集生产 流通 消费 回收 环境保护及能力建设为一体 第一 二 三产业在企业内部形成完备的功能组合 区域耦合厂内生产区与厂外相关的自然及人工环境构成产业生态系统或复合生态体 逐步实现有害污染 物在系统内的全回收和向系统外的零排放 功能导向以企业对社会的服务功能而不是以产品或利润为经营目标 谋求工艺流程和产品的多样化 柔性结构灵活多样 面向功能的结构与体制 可随时根据环境的随机波动调整产品 产业结构及工艺流 程 软硬结合配套的硬件 软件和心件研究与开发体系 配合默契的决策管理 工程技术和营销开发人员 自我调节以生态控制论为基础 能自我调节的决策管理机制 进化策略和完善的风险防范对策 增加就业合理安排和充分利用劳动力资源 增加而不是减少就业机会 人类生态工人一专多能 是产业过程自觉的设计者和调控者而不是机器的奴隶 网络经济内外信息及技术网络的畅通性 灵敏性 前沿性和高覆盖度 三 生态工业 一 生态工业的概念和内容 1 生态工业的概念 20 世纪 50 60 年代以来 随着现代工业的高速发展 对环境的破坏越来越严重 阻碍了 经济的可持续发展 人们迫切要求采用一种新的经济与生态协调的工业经济生产形式 来替代 原来经济与生态不协调的生产形式 1989 年福罗什 Robert Frosch 等发表的 可持续工业发展 战略 提出 工业可以运用新的生产方式 对环境的影响将大为减少 的观点 由此推出了生 态工业的概念 所谓生态工业是指依据经济生态学原理 运用各种先进的科学技术 建立起来 的对自然资源充分合理利用和对生态环境无污染或少污染的一种现代工业生产形式 简单地说 就是能够实现社会经济可持续发展的工业 生态工业是生态时代经济发展中的一个重要方面 它代表着 21 世纪工业经济发展的方向 也代表着我国工业发展的目标与重点 发展生态工业 有利于充分有效地利用发展工业生产 同时也有利于实现经济与生态的协调 2 生态工业的内容 1 闭路循环 生态工业是模拟生态系统而建立的生产工艺体系 在生产过程中 物质和能量在各个生产 企业和环节之间进行循环 多级利用 减少资源浪费 作到污染零排放 据此理念 全球现已 建立了许多生态工业园区 2 废料 的资源化 充分利用每一个生产环节的废料 把它作为下一个生产环节的或另一部门的原料 以实现 物质的循环使用和再利用 3 污染零排放 从技术经济的角度考虑废弃物回收利用的产品设计 减少和防止消耗性污染 消除污染物 的扩散 所谓消耗性污染是指产品在消耗或消费过程中必然产生污染物质 比如矿物燃料的消 耗产生的污染 这就要求改良原料 采取能够预防和防止各种消耗性废物排放的原材料 替代 或禁用有毒材料 4 产品与服务的非物质化 产品与服务的非物质化是指用同样的物质或更少的物质获得更多的产品与服务 提高资源 的利用率 这要求依据功能设计产品 努力作到在生产 使用 维护 修理 回收和最终弃置 的过程中减少物质和能量的消耗 5 能源脱碳 含碳矿物能源利用会产生温室效应 烟雾 酸雨 赤潮等环境问题 解决方法就是减少利 用含碳较多的能源物质 采用非矿物燃料 比如用天然气替代煤炭 利用水能 太阳能清洁能 源等 减少对环境的不利影响 二 生态工业生产的特征 1 具有当代生产力的高水平 生态工业生产力的高水平表现在两方面 一是它继承和发扬已有的先进工业生产力 二是 它采用当代各种新的 绿色技术 即有效利用资源又无污染的高新技术 有利于工业经济的可 持续发展 2 建立在经济与生态协调的基础上 人们应以经济生态学的原理为指导 以经济的可持续发展为目标 自觉地和有意识地组建 工业经济生态系统 发展工业生产 力求使工业生产既能够充分合理的利用自然资源 避免对 资源的过度消耗与浪费 同时又可避免产生大量的 三废 污染 避免对生态环境的破坏 可 见 生态工业是经济与生态高度协调的现代工业发展形式 3 采用生态工艺 生态工业生产从经济生态学的角度出发 采用先进的清洁生产技术 通过淘汰高耗能 高 污染 低效率的老工艺 建立低能耗 无污染 高效率的新生态工艺 综合利用资源 实行原 材料的闭路循环和多级利用 并且 生态工业对其产品的设计 制造与销售的全过程实行生态 化经营管理 三 生态工业的类型 生态工业是一种先进的现代工业生产形式 它的核心作用是能够充分合理利用自然资源 由于利用自然资源的具体形式不同 因而也就形成了不同的生态工业类型 1 资源节约型生态工业 资源节约型生态工业着眼于资源的有限性 本着节约资源的原则进行工业生产 自然资源 包括可再生资源和不可再生资源 前者的有限性是相对的 后者的有限性是绝对的 自然资源 的有限性表现在 它在特定条件下的数量是有限的 它的再生能力是有限的 因而它最终能供 给人类消费的数量也是有限的 随着人口的急剧增加和资源的大量消耗 资源衰退趋势日渐明 显 这就要求人们要改变以往的资源消费观念 珍惜 节约和合理利用资源 发展资源节约型 生态工业体系 2 资源开发型生态工业 资源开发型生态工业着眼于资源的多样性与空间分布的广泛性 自然资源种类的多样性和 地区分布的普遍性和差异性 为人们充分利用资源 广泛发展生态工业提供了有利条件 立足 于资源的多样性 适度开发各种类型的资源 建立资源开发型生态工业体系 3 资源综合利用型生态工业 资源综合利用型生态工业着眼于资源的共生性 自然资源在生态系统中多是以化合物或混 合物的形态存在的 它的存在有的是以单项为主 有的是多相综合 以单项为主的资源 比如 某种矿产资源 其存在形成也多是共生的 即在一种主矿中 存在着其他一些有价值的共生或 伴生矿物成分 它们可在生产过程中 经过一定的冶炼和分离技术 同时将它们提炼出来 成 为社会财富 资源的共生性特点要求人们在发展生态工业时要重视资源的综合利用 即在利用 资源生产一种主产品时 同时要充分利用生产过程中的剩余资源 生产其他多种副产品 其立 足点是资源利用的 深化 即实现原材料的多级利用 减少资源浪费 降低污染物排放 建立 资源综合利用型生态工业体系 4 资源替代型生态工业 资源替代型生态工业着眼于资源的多用性或多宜性 即一种资源可以有多种用途 比如可 以作为生产某种产品的原料 同时也可以作为生产其他产品的原料 特别是在现代科学技术迅 猛发展的条件下 资源的利用途径越来越广泛 资源的多用性特点要求人们在发展生态工业时 重视资源的替代作用 这是资源利用的 功能拓展 建立资源替代型生态工业体系 实现资源 最佳利用 四 主要生态工业行业 1 绿色能源工业 清洁煤炭工业 利用清洁生产技术 进行煤炭生产 主要包括煤炭洗选 加工 型煤 水煤浆 转化 煤炭气化 液化 发电 等过程 旨在减少污染排放与提高煤炭综合利用效率 新型能源工业 随着人们对环境和资源保护意识的提高 开发利用新能源和可再生能 源的步伐加快 未来能源结构将发生较大的改变 图 17 11 能源的开发利用从资源型向技 术型 从粗放型向集约型转化 优质 高效 洁净的能源将在 21 世纪得到长足的发展 目前 发展较快的清洁能源有水能 地热能 风能等 随着一些关键技术的突破 太阳能 天然气 生物质能 氢能 核聚变能等清洁 无污染的新能源必将得到更广泛的应用 图 17 11 世界一次能源替代趋势 2 有机食品工业 有机食品是指在生产和加工过程中 不施化肥 农药 没有人工防腐剂 保鲜 色素 香 精等添加剂 无污染 无农药残留的天然食品 因此 有机食品实际上是一种无污染的安全 优质纯天然食品 相当于我国的 AA 级绿色食品 发展有机食品工业 必须以高标准的生态农业或可持续农业为基础 其产品原料产地的土 质 水质 大气等都必须符合有机食品生态环境标准 农作物种植 禽畜和水产养殖过程中不 施化肥 农药 激素 杀虫剂 调节剂 而用有机肥料 生物农药 微量元素 加工过程不使 用人工防腐剂 保鲜和色素等添加剂 产品上的农药残留 有害重金属 有害细菌的检测必须 符合有机食品的质量和卫生标准 有机食品的生产基地以远离大城市和工矿区为佳 特别是它 的原料生产基地 以地广林密人稀的山区为佳 因此发展有机食品工业将为工业欠发达 污染 轻 植被覆盖率高 自然生态环境保护好的区域经济发展带来新的机遇 20 世纪 60 年代后 一些发达国家率先进行了生态农业实验 70 年代以来各种有机食品纷 纷问世 到 1990 年有机农业国际联盟的 300 多个成员组织已拥有 16400 多家有机食品企业 1992 年中国成立绿色食品开发中心 1993 年被有机农业国际联盟接纳为正式会员 我国政府已 将开发绿色食品列入 21 世纪议程 由于安全 优质 营养的有机食品迎合了人们的消费意愿 得到了越来越多消费者的青睐 从而极大地推动了有机食品工业的发展 目前 以天然饮料 矿泉水 纯净水 果汁等 生产 绿色小杂粮加工 无污染的肉蛋奶加工 清洁蔬菜生产 保健食品生产等为主的有机食品工业发展迅速 市场潜力巨大 发展前景广阔 据专家估测 全球有机食品是销售量将以每年 10 20 的速度增加 今后 10 年内有不少国家和地区的有机 食品的年销售量增长将达到 30 甚至 50 世界市场潜力在 1000 亿美元以上 有机食品将成 为 21 世纪的食品发展方向 五 生态工业管理 生态工业是以经济生态学理论为指导 通过管理工业企业的生产活动和组织活动 使工业 企业的生产和组织活动按照经济与生态协调发展的轨道运行 以获得最大的经济与生态效益 避免造成经济生态损失 通常 生态工业管理包括生态工业企业的生产管理和组织管理两方面 其中 前者主要是指生态工业企业的技术创新 后者主要是指其制度创新 1 生态工业的企业管理 目前这方面的管理主要是要求实行清洁生产 即以节能 降耗 减污为目标 实施工业生 产全过程控制污染 使污染物的产生量 排放量最小化的一种综合性措施 其目的是提高污染 防止效果 降低污染防止费用 消除或减少对人体健康和环境的影响 与传统的以末端处理的 污染防止措施不同 清洁生产是对工业生产实施全过程控制的一种新技术与工艺 其特点是 1 事先防止 清洁生产是针对工业生产中可能产生的浪费资源和形成污染等经济与生态不协调问题 从 源头抓起 防患于未然 而不是事后补救 2 全过程防止 清洁生产是全过程 全环节 全要素的防止 而不是单一的最终结果的考查 因此它能挖 掘生产过程的全部经济生态潜力 用于防止经济与生态不协调的问题的产生 3 积极预防 清洁生产是积极的预防 而不是消极的治理 这样就免除了工业生产过程中一切不必要的 人力和资源浪费 因此 发展生态工业 实行清洁生产 是实现经济与生态协调发展的一条新 途径 2 生态工业的组织管理 生态工业企业在制度创新方面应注意以下三点 1 实行生态环境补偿制度 为减少 制止和从根本上解决工业企业所造成的资源浪费和环境污染问题 生态工业应建 立现代企业制度 实行生态企业内部的生态环境补偿制度 使企业的 外部不经济性内部化 以实现生态工业企业的生态效益 经济效益和社会效益的统一 2 建立生态成本和经济成本核算制度 目前我国企业的成本核算 采用的是经济成本 只核算经济过程中的活劳动和物化劳动的 耗费 而把反映生态环境资源消耗的客观存在的生态成本排除在企业的成本 效益核算之外 这 不仅不能如实反映工业企业的实际耗费情况 而且也使所消耗的生态环境资源得不到补偿 长 期积累就会形成巨大的生态环境资源 赤字 使经济与生态难以可持续发展 生态成本是恢复 和再生生态环境资源所用的劳动耗费及其补偿 经济成本和生态成本都是人类劳动的耗费 并 且共同构成经济生态成本 在工业生产过程中 经济成本 生态成本和经济生态成本都是客观 存在的 生态工业企业建立现代企业制度 应将生态成本和经济生态成本的核算的制度建立起 来 使工业企业所形成的外部不经济性内部化 使所消耗的生态环境资源能够再生 从而使整 个社会的可持续发展成为可能 3 建立生态经理制 生态工业企业建立现代企业制度 实行各种经济生态管理措施 都需要人的组织实施来落 实 在这一方面我们可借鉴发达国家生态经理制的经验 比如美国杜邦公司任命主管环境事物 的生态经理 体现了生态企业的制度创新 对促进企业和经济与生态的可持续发展具有重要意 义 态旅游者所进行的一切活动实际上都是社会文化活动 生态旅游者在生态旅游过程中可以 陶冶情操 丰富文化知识 增长见识 三 清洁生产 一 清洁生产的概念与意义 1 清洁生产的概念 清洁生产 clean production 是指从经济生态系统的整体优化出发 对物质转化的全过程 不断采取战略性综合预防措施 提高物料和能源的利用率 减少废物的产生和排放 降低生产 活动对资源的过度使用以及对人类和环境造成的风险 实现可持续发展 清洁生产定义下的基 本要素如图 18 20 图 18 19 清洁生产的基本要素 持续型产品 工艺 预防型 人类 风险削减 环境 战略 一体化型 2 清洁生产的意义 实行清洁生产是可持续发展战略的要求 关键是要求工业生产提高能效 开发更清洁的技 术 更新 替代对环境有害的产品和原材料 实现环境和资源的保护与有效管理 清洁生产是控制环境污染的有效手段 它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 国内外实践证明 清洁生产具有高效率 可获得显著的经济 效益和生态效益 可大大降低末端处理负担 提高企业市场竞争力 二 清洁生产的内容 清洁生产包括三方面的内容 1 清洁能源 包括常规能源的清洁利用 可再生能源的利用以及各种节能技术的开发等 1 常规能源的清洁利用 常规能源的清洁利用即提高能源利用效率 减少能源在开采 加工转换 储运和终端利用 过程中的损失和浪费 比如洁净煤生产 既减少了环境污染 又提高了煤炭的利用效率 2 可再生能源利用 可再生能源 即连续性能源 利用后不会耗竭 可反复利用 为了达到能源的持续利用 应调整能源消费结构 从不可再生的耗竭性能源转向可再生能源 最大限度地节约能源 减少 能耗 依靠科技 加大太阳能 生物能 风能等新能源的开发利用 3 节能 节能是指在能源利用全过程的各个环节 通过采取一切合理的措施减少能源的损失和浪费 并在现有技术条件下回收那些可回收利用的能源 采取管理和技术的手段 加强能源管理 调 整优化产业结构和产品结构 依靠技术进步 采用新工艺 新设备和新技术 达到节能的目的 2 清洁生产过程 尽量少用 不用有毒有害的原料 中间产品 减少或消除生产过程中的各种危险因素 采用 高效率设备和无 少 废工艺 进行简洁 可靠的操作和控制 回收再利用物料 中间产品 改 善企业管理等 清洁生产过程如图 18 20 所示 产品设计 调整原材料及能源结构 强化企业管理工作 选择无污染的替代产品 节能 降耗 减污 选择无毒无害无污染 的原材料及能源 工艺管理 设备管理 物料管理 生产组织管 理 环境管理 贯彻各项环 境管理制度 革新技术 维修保养 包装物管理储 运管理 回收管理 定额管理 操作规程 工艺标准参数 工艺路线 生产调度管理 生产组织管理 选择高效低耗无污染 少污染的工艺及设备 少量的污染物 末端处理 高度综合利用 无害化处理 工艺设备改造 图 18 20 清洁生产过程示意图 3 清洁产品 清洁产品是指在生产 使用过程中及使用后不会危害人体健康和生态环境 易于回收 复 用和再生 合理包装 合理的使用功能和使用寿命 产品报废后易处理 易降解等 开发清洁产品 对产品进行全新设计 对推动清洁生产具有显著的推动作用 目前 低消 耗 低污染的绿色产品受到越来越多的消费者亲睐 其市场竞争力和吸引力稳步提高 发展前 景广阔 三 生态工业园区建设 自然生态系统作为一个有机整体能把废物减少到最低程度 没有或者几乎没有一种有机体 排出的废物对于另一种有机体来说不是有用的物质或能量的来源 物质和能量在一系列相互作 用的有机体之间周而复始的循环 受自然生态系统的启发 在工业生产中也可模拟自然生态系 统 进行物质的循环再利用 减少废物排放 提高资源利用率 实现工业生产生态化的目标 由此产生了一门研究工业生产代谢过程的新学科 工业生态学 它为全面解决污染控制 资 源利用 提高企业竞争力 提供了一种全新的观念与发展模式 工业生态学强调各企业的合作 与工业共生体系建设 即将相互联系 不同类型的企业集中起来 建立生态工业园区 eco industrial park EIP 组成工业生态链 使资源得到最优化利用 特别是相互利用废料 一个 企业的废料作为另一个企业的原料 实现工业生态系统的最佳运行 比如丹麦的卡伦堡共生体 系即是生态工业园区建设的典型实例 卡伦堡是一个仅有 2 万居民的工业小城市 位于哥本哈 根以西大约 100km 的北海之滨 卡伦堡工业共生系统主要有 5 家企业 阿斯耐斯瓦尔盖发电厂 斯塔朵尔炼油厂 挪伏 挪尔迪斯克公司 吉普洛克石膏材料公司和市政府供热公司 和 2 万 居民组成一个相互依赖的网 图 18 21 发电厂将余热变成蒸汽提供给炼油厂和挪伏 挪尔 迪斯克公司以及卡伦堡居民 炼油厂将用过的冷却水提供给发电厂作预热锅炉用水 并将生产 过程中生产的液化气提供给发电厂和石膏材料公司作为燃料 发电厂烟气脱硫生成的硫酸钙直 接卖给石膏材料公司替代天然硫酸钙 而额外回收的余热输往养鱼厂 生物工程公司将副产品 提供给当地农民作肥料 据初步统计 卡