生态工业园区产品-工艺体系的规划方法研究

石磊1 施汉昌1 钱易1 沈静珠2 李有润2
（1清华大学环境科学与工程系
2清华大学化学工程系）

1. 前言

　　生态工业园区(Eco-Industrial Park，EIP)已经成为世界范围内工业发展所追求的理想模式。美国、法国、日本、菲律宾以及我国纷纷开展了生态工业园区的实践工作，从生态学的视角研究现有工业体系的各组成部分之间以及它们与生物圈之间的相互关系，并从中探索工业系统中物质和能量利用的各种复杂模式。这些工作对工业生产的生态化产生了积极的作用。然而，生态工业园区毕竟是一个新鲜的概念，其规划和建设工作还处于起步阶段。因此，迫切需要建立有关的理论框架和开发相关的支持工具。本文从化学化工的角度对生态工业园区产品－工艺体系的规划进行了初步探讨，提出了基于废物交换思想的规划框架。

2. 化工园区生态规划的总体框架

　　生态工业园区强调成员要素之间的物质能量交换以及基础设施的共享。其中，废物交换是生态链构成的重要手段，也因此成为生态工业园区标志性的特征。基于废物交换思想，本文提出了生态工业园区产品－工艺体系的三层规划框架：
　　·现有工艺体系的废物交换
　　·工艺改进基础上工艺体系的废物交换
　　·与产品规划耦合基础上工艺体系的废物交换
　　应当指出，工艺改进和产品规划的考虑使得废物交换超越了传?quot;末端"意义上的废物处理和处置，而是强调废物的削减、回用和循环。从废物交换入手，寻求工业园区范畴内废物削减、回用和循环的最大可能性，为生态工业园区工艺体系的规划提供了便捷的思路和关键的手段。正是基于这一思路，本文从化学化工的视角运用化工过程"洋葱"模型和层次概念设计的原则和方法，构建了如图1所示的园区产品－工艺体系规划的框架。首先，建立并识别以单元合成反应为基本模块的产品网络；然后识别副产品和废物网络，辨析园区的废物总量以及重要物质的工业代谢途径，并以此为根据确定关键的工艺改进和产品规划方案；最后，进行能量、水等公用工程的规划与设计。

3. 案例研究

　　应用上述规划框架，对国内某化工园区进行规划。首先收集园区基本工艺数据，建立并识别园区的产品网络、副产品网络和废物网络。从产品网络可知，该园区可大体包含农副产品、无机矿物产品、脂肪族产品和芳香族产品4个系列，但缺乏支柱性产品，其产品发育仍处于初级阶段；从副产品网络可知，园区只有少数具有显著经济效益的副产物如盐酸等得到了收集和利用；从废物网络可知，园区大多数工艺对废物的回收、处理和处置都是极其有限的。对氯、硫酸、氨和氢氧化钠等的工业代谢分析表明，园区酸使用量超过碱使用量约14％，而碱的排入环境量却过量约8％。同时，这些工业代谢分析为工艺改进和产品规划提供了可靠的基础和依据。
　　应用清洁生产的方法和工具，对园区工艺体系提出改进方案，如原料替代、反应条件和分离条件改变等。在对这些方案进行整体评价和优选的基础上，进行园区物质集成工作，重新构建园区的废物交换网络。工业代谢表明，这些方案不仅部分解决了园区盐酸大量过剩的问题，大大削减了氯、硫酸根等离子的排放，而且使得园区整体的酸碱趋向平衡，有利于污水处理厂的操作。对园区进行进一步的产品规划，推荐了桔子深加工、大苏打和机械加工类（ 消耗盐酸）等产品，从而更进一步地削减了园区废物的排放，提高了园区整体的资源利用效率。最后，在上述方案基础上，对能量和水等公用工程进行重新规划和设计。

4. 结论

　　将“废物交换”的思想拓展到工艺系统的改造和产品系统的规划领域，从工业活动的前端进行产品－工艺体系的规划和设计，从而达到经济、环境和社会的协调发展。在产品－工艺体系的规划方面，采用了渐进方式，即首先立足于现有工艺系统的废物交换分析；然后在工艺优化基础上重复这一步骤；最后结合产品规划提出废物的理想利用模式，并在此基础上提出公用工程设施的规划设计，从而完成整个工业园区工艺体系的规划。