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，R}S: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、系统论与与系统工程（6）清洁生产与与系统论开放的闭环系系统一、系统论与与系统工程2、系统的属性性集合性：要素集及要要素关系集所所组成整体性：系统是有机机整体清洁生产必须须从生产系统统整体出发来来发现和解决决问题要从提高整体体功能的角度度去提高和协协调各要素的的功能层次性：一个系统往往往是另一个个大系统的要要素系统可以分为为若干子系统统清洁生产具有有明显的层次次性协同性：各子系统之之间以及系统统与环境之间间在发展过程程中保持协调调和匹配。涌现性：系统的各个个部分组成一一个整体之后后，就会出现现整体具有而而各个部分原原来没有的某某些特征事物物。一、系统论与与系统工程60年代，A.D.霍尔：《系统工程方法法论》、著名的霍尔三维结构构，即系统工程形形态图，为系系统工程提供供了一种广泛泛采用的方法法论。系统工程方法法的七个步骤骤：明确问题：调调查、收集和和整理资料系统指标设计计：设计评价价系统，评价和比较各种种方案系统方案综合合：确定可行行的一组方案案系统分析：分分析和评价方方案的重要性性和优先次序系统选择：找找出最佳方案案或方案组合合决策：选定行行动方案实施计划：将将方案付诸实实施3、系统工程一、系统论与与系统工程70年代后期，中中国科学家钱学森等澄清了国外外把一些学科科名称混用的的现象，又提提出系统工程程可以分为工程系统工程程、企业系统工程程、经济系统工程程和军事系统工程程等十几个专业业。系统论创始人人钱学森1978年提出：系统工程是组织管理系统的规划、研究究、制造、试试验和使用的的科学方法，，是对所有系统都具有普遍意意义的科学方法。一、系统论与与系统工程用数学模型和逻辑模型来描述系统，，通过模拟反反映系统的运运行、求得系系统的最优组组合方案和最最优的运行方方案.系统工程技术术被应用于复复杂工程：从太空飞船到到芯片设计，，从机器人技术到大型软软件产品，系系统工程用到的工具包括括建模与仿真真，需求分析，时序安排排以及复杂性性管理。50年代以来，系系统工程在大大型工程项目目和军事装备备系统的开发发中充分显示示了它在解决决复杂问题时时的效用。典型例子：美国的登月火火箭阿波罗计计划、北欧跨跨国电网协调调方案。一、、系系统统论论与与系系统统工工程程系统统工工程程是是按按照照系系统统科科学学的的思思想想，，运运用用控制制论论、信息息论论、运筹筹学学等理理论论，，以以信信息息技技术术为为工工具具，，用用现现代代工工程程的的方方法法去去解解决决和和管管理理系系统统的的技技术术。。一个个系系统统，，两两个个最最优优（（目目标标最最优优、、途途径径最最优优））以““软软””为为主主，，““软软””““硬硬””结结合合跨学学科科多多，，综综合合性性强强实践践性性与与咨咨询询性性清洁洁生生产产的的有有效效实实施施必必须须遵遵循循系系统统原原理理和和系系统统工工程程方方法法，，强强调调系系统统的的整整体体性性，，优优先先考考虑虑系系统统的的整整体体功功能能以以及及技技术术方方法法的的最最优优化化。。清洁洁生生产产的的实实施施主主体体是是作作为为生生产产单单元元的的企企业业，，但但其其有有效效实实施施必必须须建建立立在在企企业业、、政政府府与与公公众众良良好好的的协协调调关关系系上上。。一、、系系统统论论与与系系统统工工程程二、、质质量量守守恒恒原原理理清洁洁生生产产和和循循环环经经济济是是我我国国实实施施可可持持续续发发展展““瓶瓶颈颈””的的唯唯一一选选择择。。二、、质质量量守守恒恒原原理理清洁洁生生产产的的核核心心节能是企业生产过程中衡量经济效益和成本的一项重要指标减排是衡量企业减少污染物排放的一项重要指标，也是企业社会贡献率的一项重要指标减排排二、、质质量量守守恒恒原原理理废弃弃物物排放放废弃弃物物只只是是放放错错了了位位置置的的资资源源，，实实现现废废物物的的利利用用，，则则废物物不不废废！！物质质守守恒恒原原理理：优化化物物质质流流动动过过程程，，使使物料料利利用用率率尽尽可可能能高高，，废废弃弃资资源源尽尽可可能能少少。环境污染回收收产品品二、、质质量量守守恒恒原原理理1、物物质质守守恒恒（1）物物质质守守恒恒原原理理体系系：：单单元元操操作作、、过过程程的的一一部部分分或或整整体体。。例：：一一个个反反应应器器、、一一个个精精馏馏塔塔、、一一个个工工厂厂的一一部部分分、、一一个个工工业业园园区区等等。。物料料衡衡算算中中的的体体系系和和环环境境示示意意图图二、、质质量量守守恒恒原原理理不涉涉及及反反应应：：涉及及反反应应：：-R——体系系中中物物料料的的反反应应量量，，对对反反应应物物，，取取负负号号；；对对产产物物，，取取正正号号若系系统统无无物物料料积积累累，，处处于于稳稳定定状状态态二、、质质量量守守恒恒原原理理①识别别问问题题的的类类型型②绘制制过过程程流流程程图图标注注所所有有已已知知未未知知变变量量，，分分析析物物料料运运动动的的方方向向、、条条件件及及数数量量。。（2）物物料料衡衡算算基基本本程程序序二、、质质量量守守恒恒原原理理③选择择计计算算基基准准④建立立输输入入输输出出物物料料的的表表格格⑤建立立物物料料关关系系的的平平衡衡式式⑥建立立物物料料平平衡衡图图（2）物物料料衡衡算算基基本本程程序序例1：对对邻邻二二甲甲苯苯连连续续氧氧化化制制苯苯酐酐过过程程进进行行物物料料衡衡算算。。已知知数数据据：：邻邻二二甲甲苯苯的的转转化化率率为为70%,氧气气的的用用量量为为理理论论量量的的150%,设邻邻二二甲甲苯苯量量为为250kg/h。摩尔尔质质量量：：邻邻二二甲甲苯苯106g/mol苯酐酐148g/mol二、、质质量量守守恒恒原原理理例1：对对邻邻二二甲甲苯苯连连续续氧氧化化制制苯苯酐酐过过程程进进行行物物料料衡衡算算。。已知知数数据据：：邻邻二二甲甲苯苯的的转转化化率率为为70%,氧气气的的用用量量为为理理论论量量的的150%,设邻邻二二甲甲苯苯量量为为250kg/h。解：：（（1）该该过过程程是是涉涉及及到到反反应应的的物物料料衡衡算算，，该该过过程程稳稳态态、、连连续续,则系系统统无无物物料料积积累累。。（2）绘绘制制过过程程流流程程图图摩尔尔质质量量：：邻邻二二甲甲苯苯106g/mol苯酐酐148g/mol二、、质质量量守守恒恒原原理理邻二甲苯氧气苯酐水输入/kmol250/106250/106×70%×3×150%————反应量/kmol-250/106×70%-250/106×70%×3250/106×70%250/106×70%×3输出/kmol（3）写写出出化化学学反反应应方方程程式式、、列列出出输输入入输输出出表表C8H10+3O2＝C8H4O3+3H2O（4）建建立立物物料料关关系系的的平平衡衡式式邻二甲苯氧气苯酐水输入/kmol250/106250/106×70%×3×150%————反应量/kmol-250/106×70%-250/106×70%×3250/106×70%250/106×70%×3输出/kmol250/106×30%250/106×70%×3×50%250/106×70%250/106×70%×3二、、质质量量守守恒恒原原理理邻二二甲甲苯苯氧氧化化制制酐酐物物料料平平衡衡图图（5）建建立立物物料料平平衡衡图图二、、质质量量守守恒恒原原理理举例二二：酿酿造车车间的的物料料平衡衡图二、质质量守守恒原原理（3）物质质循环环利用用原理理1、系系统的的物质质守恒恒二、质质量守守恒原原理A.质量品品质：物料能能对过过程所所做贡贡献的的性质质，如如纯度、、浓度度、催催化性性能等。假假设初初始进进入的的物料料具有有最高高的品品质，，随着着物料料在过过程中中的转转化、、混拌拌和使使用，，品质质逐渐渐降低低，直直至降降低到到过程程能够够使用用的品品质低低限。。物料根根据其其质量量品质质可以以划分分等级级，以以便对对物料料综合合利用用进行行深入入考察察。二、质质量守守恒原原理B.清洁生生产是是通过过废物物最小小化、、循环环以及及再利利用等等实现现物料料的最最大利利用率率。1）物料料分级级串联联使用用原则则：物料料完全全可能能按照照品质质要求求，分分层次次串联联使用用，提提高原原料的的使用用效率率，节节省物物料投投入。。2）最低低品质质使用用原则则：在满满足工工艺要求的的情况况下，，应尽尽可能能使用用低品品质物料料，降降低对对高品品质物物料的的消耗耗。3）废物物循环环利用用原则则：废物物的循循环和综合合利用用2、系统统的能能量守守恒二、质质量守守恒原原理（1）能量转转换的的基本本原理理能量系统蓄积的能量E动能、势能、热力学能（系统状态的函数）过程中系统和环境传递的能量功W、和热量Q（与过程相关）热力学学第一一定律律：ΔE=Q+W自然界界一切切物体体都具具有能能量，，能量量有各各种不不同形形式，，它能从一一种形形式转转化为为另一一种形形式，，从一一个物物体传传递给给另一一个物物体，在转转化和和传递递过程程中能量的的总和和不变变。A能量守守恒与与转换换定律律能量是是否利利用，，利用用的量量是多多少，，损失失的能能量有有多少少？2、系统统的能能量守守恒二、质质量守守恒原原理（1）能量转转换的的基本本原理理B能量贬贬值原原理㶲Ex：有用用能，，即在在给定定的环环境条条件下下，它它可以以连续续地完完全转转换为为任何何一种种其他他形式式的能能量。。能级：：单位位能量量中所所含㶲㶲的多多少，，表表示能能量品品位的的高低低，即即能的的品质质系数数。表表征了了能量量质量量(品质、、品位位)的优劣劣。能级=1：机械械能、、电电能、、水水能、、风能能、光光能、、声能能等.能级<1：热能能2、系统统的能能量守守恒二、质质量守守恒原原理（2）节能的的热力力学分分析方方法2、系统统的能能量守守恒二、质质量守守恒原原理（2）节能的的热力力学分分析方方法能量衡衡算法法——能量方方程考考虑了了各种种形式式的能能量的的情况况下，，建立立起体体系的的能量量收支支表，，查明明能量量损失失的数数量以以及能能量利利用效效率。。熵增法法——耗损功功方程程式可用能能分析析法——可用能能方程程式对过程程或装装能量量的转转化、、利用用和损损失情情况进进行分分析，，找出出能量量损失失和损损耗的的基本本原因因，指指出能能量利利用上上的薄薄弱环环节以以及进进一步步提高高能量量有效效利用用率。。二、质质量守守恒原原理（3）节能的的原则则与措措施2、系统统的能能量守守恒原则三三：充分用用能。（1）防止能能的降降质，如高高压蒸蒸汽不不宜节节流降降压使使用，，高温温气体体不应应掺混混降温温使用用。采采用预预热燃燃料、、加压压燃烧烧、绝绝热燃燃烧等等先进进燃烧烧方式式充分分利用用燃料料能源源本身身的品品质。。（2)全面利利用，如对对已降降质能能量，，可采采用再再热循循环热热泵，，提高高其品品位利利用。。其他：：减少不不可逆逆损失失，如通过设设备和和工艺艺路线线的改改进来来减少少不可可逆损损失。。提高能能量利利用率率，如设备备与管管道的的保温温，降降低排排烟温温度，，减少少摩擦擦损失失。发展节节能工工艺。三、生生态学学理论论1、自然然生态态系统统自然生生态系系统：生物物群落落与无无机环环境构构成的的统一一整体体。最最大的的生态态系统统是生物圈圈。最复杂杂的生生态系系统是是热带带雨林林系统统。生态系系统的的组成成：生产者者：主要要指绿绿色植植物。。消费者者：主要要指动动物。。食草草性动动物、、肉食食动物物分解者者：微生生物非生物物环境境：无生生命的的无机机物、、有机机物和和自然然因素素（土土壤、、空气气、水水、矿矿质））三、生生态学学理论论自然生生态系系统的的功能能：1）.能量流流动——能量输入入、传传递、、转化化和丧丧失的的过程程。太阳能能的固固定三、生生态学学理论论三、生生态学学理论论2）.物质循循环生态系系统的的能量量流动动推动动着各各种物物质：：碳、氮氮、硫硫、磷磷，以及以以DDT为代表表的，，能长长时间间稳定定存在在的有毒物物质等等在生物物群落落与无无机环环境间间循环环。碳循环环三、生生态学学理论论《寂静的的春天天》作者怀怀疑，，DDT进入食食物链链，是是导致致一些些食肉肉和食食鱼的的鸟接接近灭灭绝的的主要要原因因。DDT：杀虫虫剂、、农药药，双对氯氯苯基基三氯氯乙烷烷。脂溶溶性、、难降降解。。例：DDT美国的的国鸟鸟白头头海雕雕就曾曾受到到DDT生物富富集的的影响响。1952年～1957年间，，白头头海雕雕的出出生率率在下下降，，研究究表明明，高浓度度的DDT会导致致白头头海雕雕的卵壳壳变软软以致致无法法承受受自身身的重重量而碎裂裂。直到1972年11月31日美国国环境境保护护署正正式全全面禁禁止使使用DDT，白头头海雕雕的数数量才才开始始恢复复。3）.信息传传递三、生生态学学理论论推动着着物质质流动动、能能量传传递的的作用用。形式多多样，，营养养信息息、化化学信信息、、物理理信息息、遗遗传信信息和行为为信息息。例：莴苣、、茄子子、烟草等的种种子必必须接接受某某种波波长的的光信信息才才能萌萌发。。蚜虫等等昆虫虫的翅翅膀只只有在在特定定的光光照条条件下下才能能产生生。草原返青青时，““绿色””为食草草动物提提供了可可以采食食的信息息。三、生态态学理论论2、产业生生态系统统组成：生生产者、、消费者者和分解解者。生产者：初级层次次的生产产者：利利用基本本环境要要素生产产出初级级产品，，如采矿厂、、冶炼厂厂、火电电厂等；高级层次次的生产产者进行行初级产产品的深深度加工工和高级级产品的的生产。。如化工、肥肥料制造造、服装装和食品品加工、、机械、、电子产产业。消费者：利用生产产者提供供的产品品，同自自身运行行发展，，同时产产生生产产力和服服务功能能，如行政、商商业、服服务业等。分解者：把工业业企业产产生的副副产品和和“废物物”进行行处置、、转化、、再利用用，如废物回收收公司、、资源再再生公司司等三、生态态学理论论三、生态态学理论论实现物质质转化、、能量流流动的工工业活动动，在某某种程度度上是与与生物活活动类似似的。两者都是是按取自自环境→→生物体体（企业业）→返返回环境境的方式式运作，，其本质质都是一一种代谢谢的过程程。产业生态态系统的的设计在在某种程程度上是是在模拟拟自然生生态系统统。在产业生生态系统统里，能能源和材材料的消消费被最最优化了了，一个个过程的的排放物物可以作作为另一一个过程程的原材材料。2、产业生生态系统统产业生态态系统与与自然生生态系统统的部分分对比三、生态态学理论论一个良好好的产业业生态系系统应该该是如下下的情况况：生态系统统惟一的的能量来来源是太太阳能；；浓缩的有有毒物质质只在当当地生成成和使用用；效率、生生产率与与弹性之之间必须须处于动动态平衡衡，否则则可能导导致系统统崩溃；；通过物种种的高度度多样性性和相互互之间复复杂的关关系，生生态系统统在遭受受变化时时能保持持一定的的弹性，，许多关关系是通通过自我我组织过过程来维维持的，，而不是是自上而而下的控控制；在生态系系统内，，每一物物种都独独立活动动，然而而它们的的活动模模式与其其他物种种的模式式联合结结成网络络，合作作和竞争争并存并并保持平平衡。三、生态态学理论论生态工业业园——生态产业业系统的的重要实实践三、生态态学理论论资料：生态工业业园区生态工业业园是建建立在一一块固定定地域上上的由制制造企业业和服务务企业形形成的企企业社区区。在该该社区内内，各成成员单位位通过共共同管理理环境事事宜和经经济事宜宜来获取取更大的的环境效效益、经经济效益益和社会会效益。。整个企业业社区所所能获得得的效益益比单个个企业通通过个体体行为最最优化所所能获得得的效益益之和还还要大。。生态工业业园的目目标是在在最小化参参与企业业的环境境影响的的同时提提高其经经济绩效效。包括通通过对园园区内的的基础设设施和园园区企业业（新加加入企业业和原有有经改造造过的企企业）的的绿色设设计、清清洁生产产、污染染预防、、能源有有效使用用及企业业内部合合作。同同时也要要为附近近的社区区寻求利利益以确确保其积积极的发发展。三、生态态学理论论资料：卡伦堡共共生体系系卡伦堡是是一个仅仅有2万居民的的工业小小城市，，位于北北海之滨滨，距哥哥本哈根根以西100公里左右。开开始，这里建建造了一座火火力发电厂和和一座炼油厂厂。随着年代代的推移，卡卡伦堡的主要要企业开始相相互间交换““废料”：蒸蒸汽，（不同同温度和不同同纯净度的））水，以及各各种副产品。。80年代代以以来来，，当当地地发发展展部部门门意意识识到到它