基于能值理論的鋼鐵工業園區可持續性評價＊

張 蕓，陳秀瓊，王童瑤，陳 郁，劉素玲，張樹深

（1.工業生態與環境工程教育部重點實驗室，大連理工大學環境學院，遼寧大連 116024；2.大連交通大學電氣信息學院，遼寧大連 116028）

工業園區作為生態工業的主要實踐形式，仿照自然生態系統對工業系統內部的結構進行規劃、設計，通過高效的物質循環和能量的梯級利用，達到高效率地使用資源和能量，使工業系統可持續發展.為了評估工業園區的可持續發展水平，指導生態工業園區的規劃與建設，建立科學的指標體系和評價模型對工業園區的生態效益和環境負荷進行綜合評估是非常必要的.

現有對工業園區可持續發展水平的評價主要有3種方法：物質量評價法、價值量評價法與能量評價法［1］，這3種方法評價指標單一，都不能客觀地反映工業園區的可持續發展水平.近年來有學者嘗試將評價自然、農業、城市等生態系統生態效率的能值分析方法用于工業系統中，取得了很好效果.已將能值分析方法應用于工業生態系統的研究成果有M.T.Brown和S.Ulgiati［2］對6種電廠的能值評估，楊慧、李有潤［3］等對工業系統中廢物處理及回收利用的能值評估，王靈梅［4］等對火電廠生態工業園的能值分析，張攀、耿勇［5－6］等對大連雙D港工業園區和七賢嶺產業化基地的能值研究.

本文基于能值理論，以鋼鐵工業園為例，將園區內能流、物流、貨幣流轉化為統一的能值單位，計算能值綜合指標，定量分析鋼鐵工業園區的結構功能特征與生態效率，對工業園區的可持續發展水平進行評價.論文重點研究了案例園區傳統產業鏈和技術改造后產業鏈（循環經濟產業鏈）的能值評估，為生態工業園管理者制定調控措施和發展策略提供理論依據.

1 工業園區能值評價指標

考慮工業園系統特點，參照相關能值研究成果，建立以下能值指標來評價鋼鐵工業園區的結構功能特征、生態經濟效益以及可持續發展水平.

1.1 能值來源指標

能值來源指標用來描述系統中各種資源的利用結構，反映園區系統競爭力.根據資源的來源，這類指標由能值自給率和經濟反饋能值比兩項指標構成.能值自給率（emergy self－sufficiency ratio，ESR）反映自然環境對系統的支持能力.經濟反饋能值比反映系統對外界資源的依賴程度.根據資源的類型，能值來源指標由可更新資源能值比、不可更新資源能值比和設備及服務能值比三項指標構成.其中設備及服務能值比反映了系統發達和技術依賴程度［7］.

1.2 經濟亞系統評價指標

經濟亞系統以資源利用為核心，評價指標主要有能值／貨幣比率和凈能值產出率.能值／貨幣比率能夠綜合評價園區的發達程度，經濟生產越發達的工業園，該指標值越低，因為工業增加值基數較大，各種資源的利用效率較高［5］.凈能值產出率（net emergy yield ratio，EYR）反映了系統資源利用的效率.

1.3 自然亞系統評價指標

自然亞系統以環境結構為主線，利用能值分析可以正確衡量自然環境生產的貢獻.評價指標主要有能值投資率、環境負載率和能值廢棄率.能值投資率（emergy investment ratio，EIR）衡量了生產過程中開發單位自然資源而需要的相應能值投入量.環境負載率（environmental loading ratio，ELR）表征了整個園區對自然界和自然資源的負荷情況.能值廢棄率（emergy waste ratio，EWR）為廢棄物能值占總利用能值的比例［8］，該指標反映園區資源利用程度和循環利用水平.

1.4 可持續發展指數

可持續發展指數（emergy sustainable indices，ESI）為凈能值產出率除以環境負載率和能值廢棄率的乘積.此指標由傳統可持續發展指數演變而來.工業系統中投入的大部分是不可更新資源，用傳統ESI指數計算出來的ELR值將非常大，不能正確反映園區的可持續發展狀況和水平.園區的可持續發展水平不僅與EYR成正比，與ELR成反比，也與園區的EWR成反比.因此，將廢棄物這一考核點引入修正的ESI指標中，豐富了可持續發展指標的內涵并且使其數值更具有可比性.可持續發展指數綜合地反映系統的可持續發展性情況，指標值越大，則說明園區是可持續發展的［5］.

2 案例分析——鋼鐵工業園區可持續發展水平評價

2.1 研究對象概況

對工業系統進行能值分析，首先要收集園區相關的自然環境、地理和社會經濟等各種資料數據，同時需要了解生產工藝流程.某鋼鐵聯合公司工藝落后，流程不合理，產業鏈短，污染嚴重.為解決上述問題，公司決定進行大規模技術改造.淘汰落后工藝裝備，實現設備現代化及大型化，采用一系列節能環保措施.改造前采用傳統產業鏈，包括原料場、石灰廠、燒結廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠、制氧站、變電站、熱電站、空壓站和供水系統.改造后新建有電廠、煤氣站、TRT余壓發電機組、燃氣輪發電機組、加壓站、污水處理廠等.

2.1.1 傳統產業鏈

該鋼鐵工業園區的傳統產業鏈如圖1所示.傳統的鋼鐵生產未考慮到廢棄物的處理和回收利用.

圖1 鋼鐵工業園傳統產業鏈Fig.1 Traditional production chain of iron and steel eco－industrial park

石灰廠中投入的主要原料為石灰石、白云石，能源為氣體燃料和電能.生產出的活性石灰和輕燒白云石提供給燒結廠和煉鋼廠.

燒結生產所用含鐵原料由進口礦粉、國內鐵精礦、燒結返礦、球團返礦和燒結附加物（高爐塵泥、瓦斯灰、氧化鐵皮、轉爐鋼渣等）組成；生石灰、石灰石和菱鎂粉用作燒結生產的熔劑；此外還有電能、固體燃料（焦粉）和氣體燃料.產出的燒結礦送至煉鐵廠高爐.

焦化廠是鋼鐵企業中消耗煤炭量最大的企業，投入的主要原料和能源為焦煤、氣體燃料和電能，為燒結廠提供了焦粉，并為煉鐵工序提供冶金焦.

煉鐵廠是鋼鐵企業中主要的部分，使用上游企業的產品進行生產，主要原料為燒結礦、球團礦、石灰石，能源為冶金焦、噴吹煤、氣體燃料和電能.整個生產過程主要在高爐中進行，產生的鐵水進入煉鋼廠進行鋼冶煉.

煉鋼廠的主體部分是轉爐或電爐，本文主要考慮的是轉爐煉鋼，主要原料和能源投入為廢鋼、鐵水、鐵合金、活性石灰、耐火材料、氣體燃料和電能.產出的鋼水進行連鑄形成鋼坯，再送至軋鋼廠.

外來水資源經供水系統向園區內各個廠供水，制氧站向煉鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠提供氧氣、氮氣和氬氣，熱電站和空壓站分別提供蒸汽和壓縮空氣.

2.1.2 循環經濟產業鏈

在原有傳統鋼鐵產業鏈的基礎上，以循環經濟為理論基礎，引入物質循環和能量梯級利用產業鏈.其中部分高爐煤氣通過TRT余壓發電技術將壓力轉化為電力；部分高爐、轉爐煤氣通過燃汽輪發電機組可回收一部分電能；焦化廠中通過干熄焦發電回收一部分電能；各種煤氣通過管道輸送到煤氣配送站，然后進行統一分配，焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣可以作為園區內各個廠的氣體燃料.園區內生活污水和生產廢水送至全廠污水處理廠處理至生產回用水水質標準，作為再生用水；少量處理廢水外排.高爐渣、轉爐渣和粉煤灰用于生產水泥、微晶玻璃、凝石等，也可用于工程回填、鋪路.氧化鐵皮可作煉鋼冷卻劑、生產直接還原鐵或外銷.

本文將廢物流考慮在內，進行鋼鐵工業園區技術改造前及改造后（即傳統產業鏈和循環經濟產業鏈）正常年的能值評估和比較，判斷制約工業園區可持續發展的環節，提出解決方案，為管理者制定發展策略提供理論支持.

2.2 能值流動系統圖

以Odum的“能量系統語言”圖例［7］，繪制該鋼鐵工業園區技術改造后的能值流動圖，如圖2所示.園區的能值投入按其來源分為兩類：一類主要來源于自然環境，包括可更新資源R（太陽能、風能等）和不可更新資源N（當地礦物原料），這一類能值稱為無償能值或免費能值E.由于生產活動都在廠內進行，可更新資源幾乎不起任何作用，因此可以忽略這部分能值投入.另一類能值來源于人類社會經濟系統，包括可再生資源R1（水）、不可再生資源N1（能源和原材料）、設備及勞務S，這一類能值稱為購買能值或經濟反饋能值F.遵照小于系統總能值流量5%的項目可不列入分析的能值分析原則［7］，一部分購買能值如洗油、脫硫粉劑和一些化學試劑等可忽略不計.園區的能值輸出O包括工業總產出Y（鋼材和焦化副產品等）和園區排放的廢棄物W.據此，通過各種資源投入以及輸出的能值轉化率核算，計算各成分的能值并表達為Emx，將重要的、性質類似的項目集結和綜合，構建體現系統資源能值結構及其產出的綜合系統圖，見圖3，以利整體分析評價.

圖2所示的亞系統框以鋼鐵生產系統為主廠區，包括石灰廠、燒結廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠和軋鋼廠，其物質流動方向在圖1中已經表示出來，其余設施均為輔助設施.外購水和電貯存于供水系統和變電站，調配后向園區內各個廠和設施提供水、電；環境系統提供的礦物原料和購買原料統一存于原料場后傳送至主廠區；燃氣設施向主廠區提供煤氣、氧氣、氮氣和氬氣，熱力設施提供蒸汽和壓縮空氣；主廠區回收的水和電一部分直接回用于各個廠，剩余的返回供水系統和變電站重新調配后再利用，回收的煤氣返回到燃氣設施進行再利用；各廠排放的廢水和固體廢物統一于廢物處理站進行處理后返回到供水系統和主廠區利用，部分固體廢物外售.

圖2 鋼鐵工業園區能值流動系統圖Fig.2 Emergy flow system diagram of iron and steel eco－industrial park

圖3 鋼鐵工業園區能值綜合系統圖Fig.3 Synthesized emergy system diagram of iron and steel eco－industrial park

2.3 能值分析表

根據收集的資料、能值流動系統圖和能值綜合系統圖建立鋼鐵工業園區改造前、后的能值分析表，見表1.表中列出了鋼鐵工業園區的主要能量來源（輸入）和輸出項目，根據各類資源的相應能值轉換率，將不同度量單位的生態流轉換為共同的能值單位（各種能物流量×相應的能值轉換率）.

能值評估中使用的能值轉換率采用H.T.Odum及相關專家的研究成果，未換算出能值轉換率的物質根據估計取與之性質相近物質的能值轉換率.根據表1綜合園區的投入、產出能值流，計算園區的能值綜合指標體系，見表2.

2.4 鋼鐵工業園區可持續發展評價

從表1可以看出，經過技術改造，在原材料及主產品方案不變的條件下，該企業通過節水、節電和節燃氣，能值投入減少了213.95×1019sej／a；通過固廢綜合利用，能值產出增加了147.57×1019sej／a；三廢排放能值減少了348.83×1019sej／a.

根據表2計算的各項指標，對鋼鐵工業園區改造前后的結構功能特征、生態經濟效率和可持續性進行分析和評價.

2.4.1 能值來源指標分析

1）該園區技術改造后的能值自給率ESR僅為0.369 2%，雖然稍高于改造前（0.293 5%），但園區自我支持的能力還是很弱的，絕大多數的能值還得從社會經濟系統購入，經濟反饋能值比為99.630 8%.

2）從可更新資源能值比和不可更新資源能值比、設備及服務能值比這3項指標可以明顯看出，該園區屬于高能耗和高材耗型產業.改造后可更新資源能值比僅為1.627 5%，說明該園區對可更新資源的利用率很低，對可更新材料的利用也不夠.不可更新資源能值比為91.699 6%，大幅度高于另外兩項，說明該園區對各種能源、原材料的依賴程度較高，具有很高的能耗和材耗度.通過物質循環和能量的梯級利用節省了一部分能源和材料的投入，因此這項指標比改造前的低.設備及服務能值比僅為6.672 9%，說明該園區對設備、技術和人力資源的依賴程度不高.

2.4.2 經濟亞系統指標分析

1）園區的能值／貨幣比率為6.99×1012sej／＄，雖然低于國內計算基準8.67×1012sej／＄，但還是偏高，可能是由于該園區還處于發展初期，能值投入與經濟效益之間具有一定的滯后性.

2）雖然通過物質能量循環利用已經將近乎全部的廢棄物進行回收利用，但園區改造后的凈能值產出率EYR值仍不足1.該指標較低的原因是由于園區內生產過程的熱耗失造成大部分能值損失，以及大部分原料是通過購買獲得.若要提高園區的EYR值，應降低經濟反饋能值，充分利用當地水資源，加強設備維護，使得設備生命周期變長.

表1 鋼鐵工業園區能值分析表Tab.1 Emergy analysis sheet for iron and steel eco－industrial park

表2 鋼鐵工業園區能值綜合指標體系Tab.2 Synthesized emergy index system for iron and steel eco－industrial park

2.4.3 自然亞系統指標分析

1）園區改造前的能值投資率EIR值為339.709 2，說明園區經濟發展程度較高，對環境依賴較小.改造后該指數有所降低，說明該園區對自然資源的依賴程度變高.

2）園區改造前未考慮到廢棄物排放對環境的影響，因而造成的負荷較為巨大，指標值為75.378 8.雖然經過改造后該指標降為60.444 0，但仍然偏高，說明其對自然界和自然資源的負荷巨大，園區的生態友好性不容樂觀.因此，應盡可能對物質能量進行回收利用，同時應積極開發利用當地可更新資源，避免環境過高負載.

3）園區已經很大程度上進行了物質循環和能量梯級利用，改造后的能值廢棄率EWR僅為0.142 4%，遠遠低于改造前的EWR值，說明該園區的資源循環利用程度較高.

2.4.4可持續發展指數分析

該園區可持續發展指數ESI為10.985 0，遠大于改造前的ESI值，說明該園區技術改造后可持續發展狀況較好，水平較高.若要保證其可持續性，則要求在較高產出的同時降低園區對環境的負載及能值廢棄率.

3 結 論

1）能值分析理論與方法能夠有效地應用于鋼鐵工業園區的可持續性評價，較好地滿足系統分析的要求.以能值為共同的度量標準能夠將系統內、外部能值投入相結合進行評價，更加全面，既反映生態效益，又體現經濟效益.

2）案例研究結果表明，該園區采取物質循環、能量梯級利用產業鏈后各項指標都優于傳統生產鏈.改造后，該園區的資源和能源利用已達到較高水平，能值廢棄率低至一定水平，所以應著重對凈能值產出率和環境負載率作出調整.綜合各項指標，該園區應進行資源結構調整，積極開采利用當地可更新資源，加強設備維護，降低經濟反饋能值投入，以提高凈能值產出率，從而提高經濟效益和可持續發展能力.

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