DB11∕T 1346-2016 工业企业清洁生产审核物料平衡技术导则

备案号：北京市地方标准I北京市质量技术监督局发布前言 12规范性引用文件 13术语和定义 14一般原则 25程序步骤 36制定物料平衡实测计划 37实测与衡算 58判断、确认物料平衡关系 59计算并评估物质利用效率 610分析问题产生原因 7 8附录A（规范性附录）工艺过程输入输出物料图 9附录B（规范性附录）质量平衡方程及其表达形式 10附录C（资料性附录）对象物质选取及实测计划框架（示例） 附录D（规范性附录）物料成分利用效率的表达形式与分类 参考文献 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本标准由北京市经济和信息化委员会提出并归口。本标准由北京市经济和信息化委员会组织实施。本标准起草单位：北京节能环保中心、北京工商大学。本标准主要起草人：李晓丹、李汉平、李旭、汪苹、于承迎、董黎明、张艳萍、刘曼。1工业企业清洁生产审核物料平衡技术导则本标准规定了工业企业清洁生产审核活动中有关物料平衡的一般原则、程序步骤、实测计划的制定、实测与衡算、判断与确认、计算并评估物质利用效率、分析问题产生原因及其延伸应用。本标准适用于工业企业清洁生产审核活动。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T12452企业水平衡测试通则GB/T25973工业企业清洁生产审核技术导则3术语和定义GB/T12452和GB/T25973中确立的以及下列术语和定义适用于本文件。物料平衡所选取的生产过程某一特定工艺流程的空间范围。进入系统的各种物质。输出物料outputofmaterial离开系统的各种物质。目标产物targetoutputofprocessing针对某一特定系统而言，符合该系统工艺基本目的、功能及要求的输出物料。工艺残余物relictoutputfromprocessing系统输出物料中不属于目标产物的各种物质。2注：包括除目标产物之外以气、液、固等形态从系统输出的各种物质；工艺残余物是系统工艺步骤产生并排出其外的传统俗称的“废气、废水、固废”等物质；在清洁生产审核报告中可直接以某一单元操作的“废气、废物料平衡materialbalance系统输入物料、输出物料及其内部物料之间在物质总质量、成分质量、元素质量等方面所遵循的质量守恒规律及其相互之间的对应量化关系。注：物料平衡的本质是有关物质之间所存在的质量平衡关系。物料平衡的基本类型包括：物质总质量平衡；成分（或组分）质量平衡，又分为单成分（或组分）质量平衡、多成分（或组分）质量平衡、全成分（或组分）质量平衡；元素质量平衡，又分为单元素质量平衡、多物料衡算calculationofmaterialbalance按照审核需要，针对选定系统，根据质量守恒定律进行的有关物质输入输出质量关系的计算。平衡对象物质objectsubstanceofmaterialbalance以下简称对象物质，为了满足追踪评估物质利用效率、排查分析工艺残余物产生原因、寻找并确定可行的清洁生产方案等审核目的，针对选定系统需要建立其输入输出质量平衡关系的特定物质类别及其具体名称。整体，需建立物料的总质量平衡关系；若对象），），4一般原则4.1客观性与真实性应以客观的信息和真实有效的数据为基础。4.2科学性与合理性应符合物质运动规律、质量守恒定律、质量平衡原理及物料衡算相关公允方法等。4.3代表性与典型性应能够反映通常情况下所选定系统的物质运动性状及其物质利用效率水平。4.4目的性与效用性对选定系统，其物料平衡关系应满足但不限于以下目的：——掌握工艺残余物产生源、性状及其量化特征；——查明工艺残余物产生原因；——寻找并确定可行的清洁生产方案等。3对选定系统，物料平衡关系应满足但不限于以下用途：——量化掌握系统的输入输出物质质量平衡关系及其性状特征；——评估生产过程效率状况（如资源的利用效率、消耗强度与负荷）；——评估工艺残余物产生性状（如工艺残余物产生强度与负荷）；——系统排查工艺残余物产生的具体原因；——评估判断工艺残余物产生量的削减潜力与机会等。5程序步骤物料平衡相关程序包括以下五个步骤，各步骤如图1所示，图中虚线以下是物料平衡有关结果的延伸应用。平衡关系不成立制定物料平衡实测计划实测与衡算判断、确认物料平衡关系平衡关系成立计算并评估物质利用效率分析问题产生原因开展相关延伸应用图1物料平衡程序步骤示意图6制定物料平衡实测计划6.1步骤要点6.1.1针对选定的生产过程，应按照附录A先标出其每一单元操作步骤的功能名称及其所有物料名称、输入输出状况，再根据其在工艺流程中的先后次序将所有单元操作进行连接并标明输入输出物料之间的相互关系，得到其工艺流程输入输出物料图。6.1.2应妥善选择、合理确定适宜的对象物质。在根据生产过程工艺流程及其特性选择确定适宜的对象物质时，应满足但不限于环境管理要求、生产经营管理关注等方面的相关具体要求。46.1.3应根据生产过程工艺流程及对象物质的特性，判断并确定将要建立的物料平衡关系的具体类型及其表达形式，见附录B。6.1.4应预先识别、判明将要建立的物料平衡具体类型、表达形式的适用情形，其适用情形包括但不——物料总质量平衡关系一般适合于成分利用效率相等这种特殊情形下物质利用效率的计算与评估、工艺残余物产生原因的分析排查等；——针对现实中常见的成分利用效率不等的工艺过程（如所有的分离工艺过程、所有的化学反应过程及生化反应过程等），通常无法且无须建立所有成分或元素的质量平衡关系，一般只能选择某个或某些特定的成分或元素作为对象物质并建立其质量平衡关系，才能有效地表征并评估其利用效率并分析与之相关的工艺残余物产生原因等。6.1.5应根据环境管理要求、经济价值高低对比以及工艺流程的物质运动基本特性等方面的因素进行综合权衡考虑，按照本标准6.2、6.3及6.4节等有关规定选择并确定适宜的对象物质。6.1.6在进行实测之前，应制定能够建立对象物质输入输出质量平衡关系的完备实测计划。6.1.7对象物质的选取与实测计划框架参见附录C的示例。6.1.8在实测前，应根据物料平衡计划做好所有的相关准备工作。6.2无化学反应工艺过程的对象物质选取6.2.1若工艺过程的各个成分利用效率相同，可选择任何一种最容易检测计量的物质种类（通常是物料总质量，也可以是其中某一成分质量或某一元素质量）作为审核追踪的对象物质。注：对某一工艺过程而言，各个成分利用效率相同是指任意两种成分（如a和b）进入目标产物中的质量占其各自输入总质量之比相等（U＝U见附录D；或任意两种成分（如a和b）进入所有残余物汇6.2.2若工艺过程的成分利用效率不同，应根据环境管理要求（如重金属元素或其他有毒有害元素、有毒有害成分等）、经济因素（如成本高、价值高等）等综合考虑、选择并确定合适的对象物质。注：对某一工艺过程而言，成分利用效率不同是指任意两种成分（如a和b）进入目标产物的质量占其各自输入总质量之比不相等（U≠U见附录D；或任意两6.3化学反应工艺过程的对象物质选取6.3.1当反应物成分、反应产物成分属于环境管理要求的有关对象（如有毒有害成分等）、生产经营管理关注的相关对象（如成本高、价值高等成分）等情况时，应将这些反应物、反应产物等成分选定为审核追踪的对象物质。6.3.2根据环境管理要求（如重金属元素或其他有毒有害元素、有毒有害成分等）或生产经营管理关注的经济因素（如成本高、价值高等成分或元素）等方面综合考虑，当需要将重金属、贵金属等元素或其他有关元素、不参与化学反应的惰性物质成分选择确定为审核追踪的对象物质时，应按本标准6.2.2的规定执行。6.4某些特定情形下的对象物质选取6.4.1对于强制审核企业，应将强制审核原因所涉及的物质成分或元素作为对象物质，对于其他企业，应按照该企业环评文件、适用排放标准及排污许可证等有关规定并结合其所属行业类型及生产工艺特点，合理选择确定其生产过程中的特征污染因子，并将该特征污染因子的来源物质（成分或元素）作为对象物质。6.4.2凡是涉及重金属的生产企业，应将有关重金属元素列为审核追踪的对象物质。6.4.3对使用、产生并排放其他有毒有害物质或重点污染物排放量大的工艺过程，首先应将有毒有害物质成分或重点污染物的来源物质（成分或组分）作为对象物质。6.4.4水平衡参照GB/T12452的有关规定进行。7实测与衡算7.1实测要点7.1.1应在正常运行工况下进行。7.1.2所采用的方法应符合相关标准与规范。7.1.3使用的仪器仪表应准确可靠，且在合格有效期内。7.1.4实测点位设置应满足物料衡算的要求，有组织的主要物料应准确实测。对于因工艺条件所限无法实测或实测不准的物质（如无组织排出的残余物应根据质量守恒定律，当满足质量平衡计算所需的基本前提及相关条件时，可采用物料衡算方法计算得到对象物质的相关质量（质量流率）等数据。7.1.5对周期性（间歇）生产的工艺过程，应按正常一个生产周期1)逐批进行实测，一般情况下至少实测三个周期。7.1.6对于连续生产的工艺过程，应逐班连续实测72小时或更长周期。7.1.7输入物料、输出物料的实测应同步，应在同一生产周期内完成相应的输入物料和输出物料的实测。7.1.8边实测边记录，应及时记录原始数据，并记录实测时的工艺条件（如温度、压力、密度等）。7.1.9数据单位应换算成统一的质量单位，并注意与生产报表及年、月统计表之间的可比性。7.2衡算要点7.2.1有组织的主要物料通常应根据实测结果计算得到对象物质的质量或质量流率。7.2.2因工艺条件所限无法实测或实测不准的物质（如无组织排出的工艺残余物），则应根据质量守恒定律按照物料衡算方法，进行输入输出物料计算，得到对象物质的质量或质量流率。7.2.3应将物料实测、平衡计算结果按单元操作工艺流程及审核重点整体分别编制对象物质的输入输出表、输入输出图，并对该对象物质质量平衡关系是否成立进行分析，并做出明确的判断。8判断、确认物料平衡关系8.1步骤要点8.1.1应根据质量平衡原理、对象物质特性、物料实测数据及输入输出质量衡算结果，判断确定其输入输出质量平衡关系是否建立。8.1.2若对象物质的输入输出质量平衡关系不成立，应找到并根据其具体原因（如物料漏项、测量误差过大等）再进行重测或补测，直至对象物质的输入输出质量平衡关系得以建立。8.2判别依据8.2.1对象物质若不属于化学反应过程的反应物、反应产物等成分，当其满足下列条件时，便可认为该对象物质输入输出质量平衡关系已经建立，方能用于后续步骤。6——对象物质的输入质量与输出质量（若有，还应包括系统内部增量）之间的相对偏差≤5%；——对象物质若属于有毒成分、高价值物料（如贵金属）等，该对象物质的输入质量与输出质量（若有，还应包括系统内部增量）之间的相对偏差则应满足其所在行业的相关要求。8.2.2对象物质若属于化学反应过程的反应物、反应产物等成分，当其满足下列条件时，便可认为该对象物质输入输出质量平衡关系已经建立，方能用于后续步骤。——对象物质的输入质量及生成质量之和与输出质量及消耗质量（若有，还应包括系统内部增量）之和这两者之间的相对偏差≤5%；——对象物质若属于有毒成分、高价值成分等，该对象物质的输入质量及生成质量之和与输出质量及消耗质量（若有，应包括系统内部增量）之和这两者之间的相对偏差则应满足其所在行业的相关要求。9计算并评估物质利用效率9.1无化学反应工艺过程物质利用效率的表达、计算与评估9.1.1当工艺过程的各个成分利用效率相同时，利用已确认成立的质量平衡关系，可按公式（1）计算得到对象物质的利用效率，该对象物质的利用效率与其他任一成分物质利用效率互为相等。×100%……………………U——对象物质的利用率，%；2——进入目标产物的该对象物质量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；m1——输入的该对象物质总量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。然后按公式（2）、公式（3）计算，便能分别得到该对象物质的总流失率以及通过气、液、固等不同形态残余物途径的流失率，应对这些结果进行充分恰当的评估；再利用这些量化线索进一步地追踪分析、排查确定残余物的产生原因。×100%……………………(2)L——对象物质的总流失率，%；3——所有残余物中的该对象物质总量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；m1——输入的该对象物质总量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。×100%……………………(3)7Lj——对象物质分别通过气、液、固等形态残余物途径的流失率，%；3j——气、液、固等残余物中的该对象物质量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；m1——输入的该对象物质总量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。9.1.2当工艺过程的成分利用效率不同时，若对象物质为成分且进入目标产物流，利用已确认成立的该成分质量平衡关系，可按公式（1）计算得到该成分的利用效率；再按公式（2）、公式（3）计算，便可分别得到该成分的总流失率以及通过气、液、固等形态残余物途径的流失率，应对这些结果进行充分恰当的评估；再利用这些量化线索进一步地追踪分析、排查确定残余物产生原因。9.1.3当工艺过程的成分利用效率不同时，若对象物质为不进入目标产物的成分，可利用已确认成立的该成分质量平衡关系，按公式（4）计算得到该成分消耗负荷，可作为表示其利用效率的指标之一。……………………(4)S——对象成分的消耗负荷，单位为千克每千克（kg/kg）,即常用的吨每吨（t/t）；m8——输入的该成分总量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；9——目标产物的物质量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。然后按公式（5）计算，便能得到该成分通过气、液、固等形态残余物途径的流失率，应对这些结果进行充分恰当的评估；再利用这些量化线索进一步地追踪分析、排查确定残余物产生原因。×100%………………(5)Lj——该成分分别经由气、液、固等形态残余物途径的流失率，%；7j——气、液、固等形态残余物中的该成分量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；m8——输入的该成分总量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。9.2化学反应工艺过程物质利用效率的表达、计算与评估9.2.1当对象物质为反应物、反应产物等成分时，应利用已确认成立的成分质量平衡关系，再分别以其所在行业使用的转化率、收率、得率等工艺特征指标来衡量这些对象物质的利用效率状况。9.2.2当对象物质不属于反应物、反应产物等成分时，应利用已确认成立的对象物质质量平衡关系，再按照本标准9.1节的有关规定进行该对象物质利用效率的表达与计算、评估及追踪分析。10分析问题产生原因8应充分利用已获得的对象物质质量平衡关系、其利用效率、其总流失率以及通过气-液-固等形态残余物途径的流失率等实际水平及其状况的评估分析，结合企业及选定系统的现场情况，根据这些量化线索，针对已经明确的资源能源消耗高、物质利用效率低、物料流失率高、残余物产生负荷大等每一个现象和问题，进一步地量化追踪分析、排查确定导致上述现象及问题产生、形成的具体原因。10.2分析排查、明确有关现象及问题的具体产生原因应依据量化结果所蕴含的信息线索，结合企业及选定系统等现场实际情况逐一排查、分析并确定导致物耗高、效率低、流失多、产污重等现象及问题的下列方面的具体原因：——工艺技术；——设备装备；——过程控制；——原材料与能源；——目标产物；——工艺残余物；——人员状况；——管理状况。11延伸应用11.1应用环节以上物料平衡相关结果可用于但不限于：方案的产生、可行性分析（如中高费备选方案环境及财务等方面可行性的分析评估）、方案的实施（如选定系统范围内可行中高费方案实施后的绩效核算）等环节。11.2应用情形11.2.1应根据针对每个已经明确的有关现象及问题产生、形成原因之分析排查结论，相应提出一系列配套的清洁生产备选方案。11.2.2在选定系统内产生的中高费备选方案进行可行性分析论证时，可将物料平衡结果作为环境评估及财务评估的背景值。11.2.3对于系统输入输出物料全成分质量平衡关系得以建立的情形，可充分利用物料平衡结果针对残余物成分形成的价值损失进行计算及评估分析。11.2.4对于系统输入输出物料全成分质量平衡关系得以建立的情形，可利用物料平衡结果进行物质流成本、价值及其利用效率的计算与评估分析。（规范性附录）工艺过程输入输出物料图A.1单元操作工艺过程物料输入输出以物质流向箭头表示工艺过程物料的输入与输出，根据实际情况应标出输入输出物料的种类与名称、质量或质量速率、成分或元素的质量数或质量分数等相关信息。某一单元操作工艺过程所有输入输出物料的种类、总质量（成分或元素的质量分数）等物质流分析与评估所需的基本要素（示例）如图A.1所示。mnj,j...j...)mkj,j...j...)mqj,j...j...)一一单元操作工艺过程(j,j..j.,...)mpj,j...j...)mgj,j...j...)mljla,j...jlt...)msj,j...j...)mhj,j...j...)m△——工艺过程中间累积物质(△)的质）；ja、jb、jt——分别表示上述各个物质流中的成分(a、b、t等，若有的话)或元素(a、b、t等，若有的话)的图A.1单元操作工艺输入输出物料图（规范性附录）质量平衡方程及其表达形式B.1化学反应物与反应产物的质量平衡关系对于化学反应过程中的反应物成分、反应产物成分而言，其任一成分(R)在某一时段(t)内的质量平衡关系用方程(B1)表示。mI+mG=mU+mE+mD……………（B1）mI——输入系统的成分(R)量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；mG——反应生成的成分(R)量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；mU——系统输出的成分(R)量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；mE——反应消耗的成分(R)量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；D——系统积累的成分(R)量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。当系统累积量不变（即mD=0，如输入输出质量流率不变且相等的稳态定常过程），该成分(R)在某一时段(t)内的质量平衡用方程(B2)表示。mI+mG=mU+mE………………（B2）式中符号同上式(B1)。B.2其他物质的质量平衡关系对于其他的有关物质而言——包括：非核反应物理过程的全部物质质量之和（即总质量）、任一成分（或组分）质量、任一元素（如重金属元素、贵金属元素等）质量；化学反应过程的全部物质质量之和（即总质量）、任一元素（如重金属元素、贵金属元素等）质量、任一惰性物质成分（如溶媒、惰性保护气体等）质量等，这些物质的质量(m)在某一时段(t)内的平衡关系用方程(B3)表示。mI=mU+mD………………（B3）mI——输入系统的物质量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；mU——系统输出的物质量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）；D——系统积累的物质量，单位为千克（kg）或千克每秒（kg/s）。当系统累积量不变（即mD=0，如输入输出质量流率不变且相等的稳态定常过程），上述物质质量(m)在某一时段(t)内的平衡关系用方程(B4)表示。mI=mU……………………（B4）式中符号同上式(B3)。（资料性附录）对象物质选取及实测计划框架（示例）C.1背景某企业确定的审核重点之一是其硫磺回收车间，其主要工艺为：对上一车间来的含硫化氢（H2S）气体物料，先利用催化氧化反应生成单质硫（S再通过除尘器回收S，然后包装入库待售，除尘器尾气送入燃烧炉、同时通入瓦斯燃烧后经烟囱排放。其工艺输入输出物料流程如图C.1所示。含H2S气体物料催化氧化瓦斯空气包装袋捕集燃烧包装袋装硫磺——烟气图C.1硫磺回收车间输入输出物料工艺流程示意图C.2问题与思路该审核重点面临的主要问题是燃烧炉烟气中二氧化硫（SO2）排放量明显高于本行业同类装置。在审核工作中，若仅建立了硫磺回收车间全部输入输出物料的总质量平衡关系（即使是针对整个流程建立了全部输入物料与输出物料的总质量平衡关系）而没有建立硫元素及其相关成分质量平衡关系的话，只能在形式上获知废弃物（烟气及其SO2）形成于何处，但无法对其形成的原因作出清晰判断。对于SO2排放量较高这一现象而言，燃烧过程并不是导致该问题的主要环节。决定烟气中SO2排放量的相关环节及其贡献物质等因素包括：气体物料中除H2S外的其他含硫物质（相关组分及其质量）、催化氧化过程剩余的H2S质量（与催化氧化过程的反应转化率密切相关）、捕集过程未捕集到的S质量（与除尘器运行的实际捕集率密切相关）、瓦斯气体中的硫化物（相关组分及其质量）等。由上可知，针对硫磺回收车间若仅仅是建立了所有输入输出物料总质量平衡关系的话，必然就缺少可用于排查分析、明确判断导致上述现象与问题的具体产生原因所必需的关键信息和依据，也就难以做到产生针对性强的清洁生产方案了。综上，若仅建立了所有输入输出物料的总质量平衡关系，对揭示导致形成上述现象和问题的相关环节及具体原因提供不了所需的支持与帮助，这将造成两方面恶果：一是造成了人力物力财力的有形浪费，更重要的是不可能有效发挥清洁生产审核的功能效用和取得本可以实现的绩效潜力。审核基本思路是利用物料平衡关系量化掌握：气体物料中的H2S质量及其硫分占物料总硫分之比、催化氧化过程的实际反应转化率以及未转化的H2S质量、捕集过程的实际去除率以及未捕集到的S质量、瓦斯气体含硫量等因素的实际水平状态并进行评估；据此才能判断导致上述现象和问题的真正贡献因素及其分布状况，然后再根据企业及审核重点现场实际情况进一步分析造成上述现象及问题产生的