清洁生产的理论基础教材

清洁生产,第三章,清洁生产的理论基础,主要内容,系统论清洁生产的重要方法论质量守恒定理物质流/能量流的分析调控生态学理论产业系统与自然系统的协调,一、系统论与系统工程,1、什么是系统？,由各要素组成的有机整体，而不是各部分的机械组合或简单相加；每个要素在系统中都处于一定位置，起着特定作用。要素之间相互关联，构成不可分割的有机整体。作为生产产品的企业的一种组织体，它具有销售、设计、加工、交货等综合功能，并有对其提供服务的研究开发功能。贝塔朗菲,（1）系统的定义,是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。钱学森,一、系统论与系统工程,（2）系统的基本特征系统是由若干元素组成系统中的元素相互作用、相互依赖系统作为一个整体具有特定的功能,（3）系统的结构S=E，RS:system;E:elements;R:relations系统由要素的集合以及要素之间关系的集合所构成,缺一不可。,一、系统论与系统工程,要素集合E是系统的躯体关系集合R是系统的灵魂系统结构决定了系统的功能。,E、R可以划分成若干层次。,企业，E人员子集E1、设备子集E2、原材料子集E3、产品子集E4等。人员子集E1由工人子集E11、技术人员子集E12、管理人员子集E13等。E=E1UE2UE3U-E1=E11UE12UE13U-,R=R1UR2UR3UR4R1要素与要素之间、局部与局部之间的关系R2局部与全局之间的关系R3系统整体与环境之间的关系R4其他各种关系,系统的分类一：a.根据系统规模：小系统、大系统、巨系统b.根据系统复杂程度：简单系统、复杂系统,一、系统论与系统工程,系统,简单系统,复杂系统,小系统：中小型企业大系统巨系统,大系统巨系统,一般复杂巨系统特殊复杂巨系统（社会系统）,（4）系统的分类,系统的分类二：系统与环境之间是否存在物质和能量的传递：孤立系统：无物质和能量交换封闭系统：只有能量交换，没有物质交换地球（相对的）开放系统：既有物质交换，也有能量交换自然界系统、人类社会系统,一、系统论与系统工程,正反馈：输出增强原输入作用的反馈放大、发散负反馈：输出削弱原输入作用的反馈缩小、收敛,开环系统的一般表示,开放系统的分类（按反馈属性）：开环系统、闭环系统。,一、系统论与系统工程,闭环系统的一般表示,有反馈的，不论是正反馈还是负反馈，都是闭环系统，没有反馈的是开环系统。,反馈作用：系统输出影响系统输入的现象。,（5）开放系统,一、系统论与系统工程,（6）清洁生产与系统论,开放的闭环系统,一、系统论与系统工程,2、系统的属性,集合性：要素集及要素关系集所组成整体性：系统是有机整体清洁生产必须从生产系统整体出发来发现和解决问题要从提高整体功能的角度去提高和协调各要素的功能层次性：一个系统往往是另一个大系统的要素系统可以分为若干子系统清洁生产具有明显的层次性协同性：各子系统之间以及系统与环境之间在发展过程中保持协调和匹配。涌现性：系统的各个部分组成一个整体之后，就会出现整体具有而各个部分原来没有的某些特征事物。,一、系统论与系统工程,60年代，A.D.霍尔：系统工程方法论、著名的霍尔三维结构，即系统工程形态图，为系统工程提供了一种广泛采用的方法论。,系统工程方法的七个步骤：明确问题：调查、收集和整理资料系统指标设计：设计评价系统，评价和比较各种方案系统方案综合：确定可行的一组方案系统分析：分析和评价方案的重要性和优先次序系统选择：找出最佳方案或方案组合决策：选定行动方案实施计划：将方案付诸实施,3、系统工程,一、系统论与系统工程,70年代后期，中国科学家钱学森等澄清了国外把一些学科名称混用的现象，又提出系统工程可以分为工程系统工程、企业系统工程、经济系统工程和军事系统工程等十几个专业。,系统论创始人钱学森1978年提出：系统工程是组织管理系统的规划、研究、制造、试验和使用的科学方法，是对所有系统都具有普遍意义的科学方法。,一、系统论与系统工程,用数学模型和逻辑模型来描述系统，通过模拟反映系统的运行、求得系统的最优组合方案和最优的运行方案.,系统工程技术被应用于复杂工程：从太空飞船到芯片设计，从机器人技术到大型软件产品，系统工程用到的工具包括建模与仿真，需求分析，时序安排以及复杂性管理。,50年代以来，系统工程在大型工程项目和军事装备系统的开发中充分显示了它在解决复杂问题时的效用。典型例子：美国的登月火箭阿波罗计划、北欧跨国电网协调方案。,一、系统论与系统工程,系统工程是按照系统科学的思想，运用控制论、信息论、运筹学等理论，以信息技术为工具，用现代工程的方法去解决和管理系统的技术。一个系统，两个最优（目标最优、途径最优）以“软”为主，“软”“硬”结合跨学科多，综合性强实践性与咨询性,清洁生产的有效实施必须遵循系统原理和系统工程方法，强调系统的整体性，优先考虑系统的整体功能以及技术方法的最优化。清洁生产的实施主体是作为生产单元的企业，但其有效实施必须建立在企业、政府与公众良好的协调关系上。,一、系统论与系统工程,二、质量守恒原理,清洁生产和循环经济是我国实施可持续发展“瓶颈”的唯一选择。,二、质量守恒原理,清洁生产的核心,减排,二、质量守恒原理,废弃物排放,废弃物只是放错了位置的资源，实现废物的利用，则废物不废！,物质守恒原理：优化物质流动过程，使物料利用率尽可能高，废弃资源尽可能少。,环境污染,回收,产品,二、质量守恒原理,1、物质守恒,（1）物质守恒原理,体系：单元操作、过程的一部分或整体。例：一个反应器、一个精馏塔、一个工厂的一部分、一个工业园区等。,物料衡算中的体系和环境示意图,二、质量守恒原理,不涉及反应：,涉及反应：,-R体系中物料的反应量，对反应物，取负号；对产物，取正号,若系统无物料积累，处于稳定状态,二、质量守恒原理,识别问题的类型绘制过程流程图标注所有已知未知变量，分析物料运动的方向、条件及数量。,（2）物料衡算基本程序,二、质量守恒原理,选择计算基准建立输入输出物料的表格建立物料关系的平衡式建立物料平衡图,（2）物料衡算基本程序,例1：对邻二甲苯连续氧化制苯酐过程进行物料衡算。已知数据：邻二甲苯的转化率为70%,氧气的用量为理论量的150%,设邻二甲苯量为250kg/h。,摩尔质量：邻二甲苯106g/mol苯酐148g/mol,二、质量守恒原理,例1：对邻二甲苯连续氧化制苯酐过程进行物料衡算。已知数据：邻二甲苯的转化率为70%,氧气的用量为理论量的150%,设邻二甲苯量为250kg/h。,解：（1）该过程是涉及到反应的物料衡算，该过程稳态、连续,则系统无物料积累。（2）绘制过程流程图,摩尔质量：邻二甲苯106g/mol苯酐148g/mol,二、质量守恒原理,（3）写出化学反应方程式、列出输入输出表C8H10+3O2C8H4O3+3H2O,（4）建立物料关系的平衡式,二、质量守恒原理,邻二甲苯氧化制酐物料平衡图,（5）建立物料平衡图,二、质量守恒原理,举例二：酿造车间的物料平衡图,二、质量守恒原理,（3）物质循环利用原理,1、系统的物质守恒,二、质量守恒原理,A.质量品质：物料能对过程所做贡献的性质，如纯度、浓度、催化性能等。假设初始进入的物料具有最高的品质，随着物料在过程中的转化、混拌和使用，品质逐渐降低，直至降低到过程能够使用的品质低限。物料根据其质量品质可以划分等级，以便对物料综合利用进行深入考察。,二、质量守恒原理,B.清洁生产是通过废物最小化、循环以及再利用等实现物料的最大利用率。,1）物料分级串联使用原则：物料完全可能按照品质要求，分层次串联使用，提高原料的使用效率，节省物料投入。2）最低品质使用原则：在满足工艺要求的情况下，应尽可能使用低品质物料，降低对高品质物料的消耗。3）废物循环利用原则：废物的循环和综合利用,2、系统的能量守恒,二、质量守恒原理,（1）能量转换的基本原理,热力学第一定律：E=Q+W自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。,A能量守恒与转换定律,能量是否利用，利用的量是多少，损失的能量有多少？,2、系统的能量守恒,二、质量守恒原理,（1）能量转换的基本原理,B能量贬值原理,Ex：有用能，即在给定的环境条件下，它可以连续地完全转换为任何一种其他形式的能量。能级：单位能量中所含的多少，表示能量品位的高低，即能的品质系数。表征了能量质量(品质、品位)的优劣。能级=1：机械能、电能、水能、风能、光能、声能等.能级1：热能,2、系统的能量守恒,二、质量守恒原理,（2）节能的热力学分析方法,2、系统的能量守恒,二、质量守恒原理,（2）节能的热力学分析方法,能量衡算法能量方程考虑了各种形式的能量的情况下，建立起体系的能量收支表，查明能量损失的数量以及能量利用效率。,熵增法耗损功方程式可用能分析法可用能方程式对过程或装能量的转化、利用和损失情况进行分析，找出能量损失和损耗的基本原因，指出能量利用上的薄弱环节以及进一步提高能量有效利用率。,二、质量守恒原理,（3）节能的原则与措施,2、系统的能量守恒,原则三：充分用能。（1）防止能的降质，如高压蒸汽不宜节流降压使用，高温气体不应掺混降温使用。采用预热燃料、加压燃烧、绝热燃烧等先进燃烧方式充分利用燃料能源本身的品质。（2)全面利用，如对已降质能量，可采用再热循环热泵，提高其品位利用。其他：减少不可逆损失，如通过设备和工艺路线的改进来减少不可逆损失。提高能量利用率，如设备与管道的保温，降低排烟温度，减少摩擦损失。发展节能工艺。,三、生态学理论,1、自然生态系统,自然生态系统：生物群落与无机环境构成的统一整体。最大的生态系统是生物圈。最复杂的生态系统是热带雨林系统。,生态系统的组成：生产者：主要指绿色植物。消费者：主要指动物。食草性动物、肉食动物分解者：微生物非生物环境：无生命的无机物、有机物和自然因素（土壤、空气、水、矿质）,三、生态学理论,自然生态系统的功能：,1）.能量流动能量输入、传递、转化和丧失的过程。,太阳能的固定,三、生态学理论,三、生态学理论,2）.物质循环,生态系统的能量流动推动着各种物质：碳、氮、硫、磷，以及以DDT为代表的，能长时间稳定存在的有毒物质等在生物群落与无机环境间循环。,碳循环,三、生态学理论,寂静的春天作者怀疑，DDT进入食物链，是导致一些食肉和食鱼的鸟接近灭绝的主要原因。,DDT：杀虫剂、农药，双对氯苯基三氯乙烷。脂溶性、难降解。,例：DDT,美国的国鸟白头海雕就曾受到DDT生物富集的影响。1952年1957年间，白头海雕的出生率在下降，研究表明，高浓度的DDT会导致白头海雕的卵壳变软以致无法承受自身的重量而碎裂。直到1972年11月31日美国环境保护署正式全面禁止使用DDT，白头海雕的数量才开始恢复。,3）.信息传递,三、生态学理论,推动着物质流动、能量传递的作用。形式多样，营养信息、化学信息、物理信息、遗传信息和行为信息。,例：莴苣、茄子、烟草等的种子必须接受某种波长的光信息才能萌发。蚜虫等昆虫的翅膀只有在特定的光照条件下才能产生。草原返青时，“绿色”为食草动物提供了可以采食的信息。,三、生态学理论,2、产业生态系统,组成：生产者、消费者和分解者。生产者：初级层次的生产者：利用基本环境要素生产出初级产品，如采矿厂、冶炼厂、火电厂等；高级层次的生产者进行初级产品的深度加工和高级产品的生产。如化工、肥料制造、服装和食品加工、机械、电子产业。消费者：利用生产者提供的产品，同自身运行发展，同时产生生产力和服务功能，如行政、商业、服务业等。分解者：把工业企业产生的副产品和“废物”进行处置、转化、再利用，如废物回收公司、资源再生公司等,三、生态学理论,三、生态学理论,实现物质转化、能量流动的工业活动，在某种程度上是与生物活动类似的。两者都是按取自环境生物体（企业）返回环境的方式运作，其本质都是一种代谢的过程。产业生态系统的设计在某种程度上是在模拟自然生态系统。在产业生态系统里，能源和材料的消费被最优化了，一个过程的排放物可以作为另一个过程的原材料。,2、产业生态系统,产业生态系统与自然生态系统的部分对比,三、生态学理论,一个良好的产业生态系统应该是如下的情况：生态系统惟一的能量来源是太阳能；浓缩的有毒物质只在当地生成和使用；效率、生产率与弹性之间必须处于动态平衡，否则可能导致系统崩溃；通过物种的高度多样性和相互之间复杂的关系，生态系统在遭受变化时能保持一定的弹性，许多关系是通过自我组织过程来维持的，而不是自上而下的控制；在生态系统内，每一物种都独立活动，然而它们的活动模式与其他物种的模式联合结成网络，合作和竞争并存并保持平衡。,三、生态学理论,生态工业园生态产业系统的重要实践,三、生态学理论,资料：生态工业园区生态工业园是建立在一块固定地域上的由制造企业和服务企业形成的企业社区。在该社区内，各成员单位通过共同管理环境事宜和经济事宜来获取更大的环境效益、经济效益和社会效益。整个企业社区所能获得的效益比单个企业通过个体行为最优化所能获得的效益之和还要大。生态工业园的目标是在最小化参与企业的环境影