工业生态系统课件.ppt

化工设计第7章 化工过程分析,安全工程与生态工业系统,第7章 化工过程分析,安全工程与生态工业系统,第一节 系统可靠性与可靠度分析 第二节 安全性与损失的预防 第三节 风险性分析与评估 第四节 工业系统安全工程 第五节 化工厂安全设计概述 第六节 单元操作的绿色环保措施 第七节 工业生态系统 第八节 产品生命周期分析与评价,第七节 工业生态系统,工业生态系统,序：工业生态学中的化工生产中的物料流化学生产工业是由彼此关联的过程组成的复杂网络。一个独立的过程必须依靠其他化学品生产过程提供原材料或应用其产品。以生产苯乙烯为例，苯乙烯的生产以其他过程生产的乙烯和苯作为原料。苯乙烯并不是作为消费产品销售，而是作为聚苯乙烯生产的原材料。事实上，大部分化学品生产过程并不唯一，这更增加了复杂性。通常有多种路径可以生产产品。,化工合成中存在多种合成路径,作为化工合成中存在多种合成路径的一个相对简单的例子，再来分析苯乙烯。苯乙烯由乙烯和苯生产，但是乙烯的来源可能是石脑油或炼厂气；苯可能由以下途径制得：环己烷脱氢、甲苯的脱烷基化、或从原油中分离而来。这些选择提供了由原料到苯乙烯的多种合成路径，每一条路径都涉及到原料需求、能量需求、用水、排放及废物产生量。,选择环境最友好和最经济的路线,选择环境最友好和最经济的路线是一件困难的事情。考虑整个化学品供应链时则更加困难。例如，在甲醇生产中，甲醇用一氧化碳制得。一氧化碳由另一过程的现有废物部分氧化制得。另一方面，把CO转变成甲醇需要能量密集型原料H2。评价一个化学品生产的环境特征应当考察整个化学品的原料供应链，但是实际检验这些供应链需要化学生产工业物质流的综合、集成模型。,“工业生态学”,“工业生态学”这个词语唤起了很多的想象和强烈的反映，积极的和消极的兼而有之。对于有些人，这个短语会引起对模拟大自然生态系统的质量守恒特性的工业系统的想象，自然生态系统和工业体系的演变发展有许多类似之处。数十亿年前，地球的生命消耗着这颗行星的物质储备并改变了大气的组成。我们的自然生态系统朝着复杂的质量平衡网络缓慢进化，直到目前的状况。我们的工业体系能以同样的方式更快地演变发展吗？这些是有趣的想象和具有诱惑力的设想。但是，工业生态学仅仅是这些构想的比喻吗？有任何工程物质会出现在工业生态学领域吗？,“工业生态学”,工业生态学不仅是一个比喻，也是工程师们能做出重大贡献的一个领域。工业生态学的核心是如何再利用或者用化学方法改变和回收利用废物，将废物转化为原料。化学工程师已经实践了数十年，化学工业的历史也提供了许多废物再利用的例子。尽管目前化工厂已提出了许多工业生态学应用实践的优秀案例（紧密的网络和高效的过程），但仍有待深入研究。因为化工厂内部集成，化学品生产与其他工业部们之间、化学品生产商与消费者之间的一体化程度还相对地低。,工程师可进行集成设计,工程师可进行集成设计，例如电厂与炼油厂之间的热集成，或半导体与商品原料生产之间水的集成。目的是创造更为紧凑、高效的网络过程构建一个工业生态系统。现阶段并非所有达到目标所用的方法都是可行的，但是夲教材只开始描述基本的概念，并建议了几类方法，以备下一代工程师使用。,以下分二个层次介绍工业生态系统:一、化工内部工业生态系统及其集成网络的建立（产业内部子系统过程集成网络）;二、高级工业生态系统（即生态工业园区不同产业间的大系统）集成网络的建立的案例与基本方法。,工业生态系统,一、化工内部工业生态系统及其集成网络的建立（产业内部子系统过程集成网络）,现以氯元素利用高效化为例，说明如何按原子经济性（或资源节约型）准则，去确定化工产业内部生态系统的过程集成的方法。首先由一个典型的氯元素的循环利用案例以氯乙烯的生产开始讨论研究。（一).由简单过程集成达到提高氯原子的应用效率的事例 目前每年需生产数十亿磅的氯乙烯，大约一半的产品是通过乙烯的直接氯化产生的。乙烯与氯分子反应生成二氯乙烯（EDC），EDC再热解，生成氯乙烯和盐酸。,典型的氯元素的循环利用案例首先以氯乙烯的生产开始讨论研究。,在这个合成路线中，每生成1mol的氯乙烯，便有1mol盐酸生成。也就是说，单由这工艺生产氯乙烯，约有一半最初的氯反应后，没有进入期望的产品中，而是在废酸中。,典型的氯元素的循环利用案例首先以氯乙烯的生产开始 讨论研究。,通过上述这二个反应途径集成，废盐酸被作为原料加以利用，达到了所有的氯分子均被利用，与乙烯结合生成了氯乙烯。这两个工序的集成得到了乙烯生产的有效设计方案。,直接氯化Cl2+H2C=CH2ClH2CCH2ClClH2CCH2Cl H2C=CHCl+HCl,氧氯化HCl+H2C=CH2+0.5O2 H2C=CHCl+H2O,乙烯,乙烯,H2C=CHCl,H2C=CHCl,HCl,Cl2,图.乙烯直接氯化的副产物氯化氢可作为氧氯化反应的原料；将两过程耦合操作可高效使用氯(没有废酸,清洁生产),0.5O2,通过将几个异氰酸酯生产过程结合到氯乙烯生产网络中，形成了更为广泛的氯元素高效利用网络的案例,在异氰酸酯生产中，氯分子与一氧化碳反应生成碳酰氯（光气），,RNH2+COCl2,CO+Cl2,然后，光气与胺类反应生成异氰酸酯，同时生成盐酸：,COCl2,RNCO+2HCl,异氰酸酯常用于氨基甲酸乙酯的生产，盐酸可以循环利用。异氰酸酯工序反应的关键特征是在于氯并未出现在最终产物中。因此，氯可以无消耗地经历整个系统，氯气转变为盐酸，又可继续转化为含有氯的最终产品如氯乙烯。这样类似的一个含异氰酸酯和氯乙烯的氯化氢生产网络已经在美国的墨西哥湾地区建立起来，这个网络如图所示。,（二)、氯乙烯与异氰酸酯联合生产过程中氯的利用,图 氯乙烯与异氰酸酯联合生产过程中氯的利用（McCoy，1998）,（二）氯乙烯与异氰酸酯联合生产过程中氯的利用,氯气由Pioneer和Vulcan Mitsui生产，它被送到直接氯化和异氰酸酯生产两个工序中，副产物盐酸被送到氧氯化工序或氯化钙生产工序中。该网络没有过剩的氯气流，因为大多数生产工序依赖于氯分子或氯化氢。,（三）、对氯元素的利用构建更为复杂的过程集成网络,氯气可用于生产许多不含氯元素的产品,如表和图所示亦给出了这些过程与生产氯化物产品的过程相结合，可构成网络的潜力大小顺序,表 使用氯气生产不含氯化学品的过程（Chang，1996）,表9.14 生产和消耗盐酸的过程列表（这些在判别物质交换网络时是有用的）,（三）、对氯元素的利用构建更为复杂的过程集成网络,分析表中每一个独立的生产过程可能有助于构建网络，但独立过程的数据还不能揭示氯在整个集成生产过程中的使用效率与重要性。为了确定整个生产过程集成网络中氯使用的效率与重要性，需考虑化学工业中整体氯的平衡。下一页图是在二十世纪末，欧洲化学工业中的氯利用分布汇总图(Francis,2000)，这些数据说明大约有1/3的氯最后进入了废物中。那么如何提升氯原子利用率呢？如果利用图中所示的网络过程，进一步建立过程集成的新网络，就可以减少总的耗氯量。,（三）对氯元素的利用构建更为复杂的过程集成网络,分析表中每一个独立的生产过程可能有助于构建网络，但独立过程的数据还不能揭示氯在整个集成生产过程中的使用效率与重要性。为了确定整个生产过程集成网络中氯使用的效率与重要性，需考虑化学工业中整体氯的平衡。下一页图是在二十世纪末，欧洲化学工业中的氯利用分布汇总图(Francis,2000)，这些数据说明大约有1/3的氯最后进入了废物中。那么如何提升氯原子利用率呢？如果利用图中所示的网络过程，进一步建立过程集成的新网络，就可以减少总的耗氯量。,图 欧洲化学工业中的氯利用分布汇总(Francis,2000),（三）对氯元素的利用构建更为复杂的过程集成网络,但是应选择性那一过程进行集成呢？也就是说那一系统集成更具有技术经济指标的吸引力呢？还要取决于其原料及产品的市场走势和其他社会经济因素。仍以氯元素在化工中应用为例，还可应用不采用包括HCl和Cl2的复杂网络，应用另一种综合物质流模型评估新的工艺（Chang&Allen,1997）,优先选用将废弃HCl转化为Cl2的途径。表9.15中列出了一些推荐过程。这些过程如果比循环利用副产品HCl的网络占优势时亦可采纳。,表 减少消耗氯的化工生产过程,二、生态工业园区及其大系统过程集成,生态工业园是依据循环经济理念和工业生态学原理而设计建立的一种区域型新型工业组织形式，通过模拟自然系统建立产业系统中“生产者消费者分解者”的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和能量多级利用。即生态园内企业模拟自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最后达到工业可持续发展的目标。,工业生态系统应在三个层面，分别运用3R原则实现物流、能流、信息流与资金流集成与管理。,按照循环经济的基本框架，工业生态系统应在三个层面，分别运用3R原则实现三个层面的物流、能流、信息流与资金流集成与管理。在化工产业层面上：1.应根据生态效率的理念，推行清洁生产，减少产品生产和服务中的物料和能源使用量；2.减少有毒物质的排放；3.加强物质循环使用的能力；4.最大限度利用可再生资源；5.实现污染物排放的最小。在区域层面上：应按照工业生态学原理，通过企业间的物质集成、能量集成、和信息集成，形成企业间的工业代谢和共生关系，建立工业生态园区。这样才能在社会层面上实现消费过程中和消费过程后的物质和能量的循环，以达到可持续发展的目标。,21世纪可持续发展的系统与园区的模式是生态工业系统与生态工业园区。应用系统工程的方法，去分析、研究、设计与规划化工园区大系统中的基本流：物流、能量流、资金流与信息流，以达到环境友好、资源、能源与资金最优化利用目标。-生态工业园区,生态工业园区,2.1 生态工业园区周密的总体规划,三、生态工业园区与可持续发展,生态工业园区 目 的：可持续发展 长远目标：原子经济性 零排放(资源节约型循环经济;环境友好型)科学技术依托绿色化学与化工（高效、无毒、环境保护）评估指标：绿色GDP 技术经济指标（资源利用效率；能源利用效率）环保指标（排放指标；安全指标）,生态工业园区生态工业模式-生态工业群,原子经济性+零排放循环经济+环境友好,1,2,3,4,5,6,生态工业园区为大系统（网），生态工业群（链）为工业园区的一级子系统，企业为二级子系统（点）。,强调宏观调控，周密总体规划 工业园区大系统优化：点链网式 多目标优化 物流:企业内、企业间、全园区 物料流产品流 链网式组合优化(含交通网)能流:企业内、企业间、全园区能流交换网络组合优化 资金流:企业内、企业间、全园区的链网式组合优化 信息流:上游与下游信息分析，指导统一规划与调度（含上下水网，电站电网，三废处理，公用工程等）,生态工业园区与现代化工过程系统工程,丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区,迄今为止，在世界上发展较为成熟的生态工业园区是丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区，该园区以一个炼油厂、一个硫酸厂、一个制药厂、一个火力发电厂、一个渔场和一个石膏板厂组成了一个工业网为核心，其它成员包括农场、大棚养殖、养鱼场，通过贸易方式把其它企业的废弃物或副产品作为本企业的生产原料，建立工业园区代谢生态链关系，它们彼此交换能量和物质流。如图所示:,丹麦 Kalundborg 生态工业园区的工业网络图,养鱼场,4、石膏壁板厂,街区供热,5.土壤修复公司水泥和铺路,农厂,硫,淤泥肥料,粉煤灰,废热,淡水湖泊,3.制药厂,硫酸厂,2.炼油厂,温室养殖,1.燃煤火力发电厂,废热,硫酸钙,废热,烟气,冷却水,蒸汽,蒸汽,水,农产品,1、Asnaes 燃煤火力发电厂是丹麦最大的火力发电厂，有300名员工，最初为燃油发电，现改为燃煤，发电能力为137.2万kW。它不仅为当地供电，而且为丹麦东部的高压电网供电，供电量约占其二分之一。2、Statoil 炼油厂是丹麦最大的炼油厂，员工290人，年耗原油520万吨，产量超过250万吨。3、Novo Nordisk 制药和工业酶加工厂是丹麦最大的生物工程公司的分厂，员工1900人，该厂是世界驰名的药厂，生产胰岛素、酶和盘尼西林等产品，原料来源于农产品，经过微生物发酵加工最终生产出药物。4、Gyproc 石膏板材厂是瑞典的一家公司，有180名员工，年产1400万m2石膏建筑板材。,Kalundborg共生体系中主要有5家企业，及政府社区：,5、A/B Bioteknisk Jordrens土壤修复公司，成立于1986年，只有35名雇员，主要进行多环芳烃和重金属污染土壤的修复，拥有四套处理设施，年处理量30万吨。这 5个 主要企业和市政府相互间的距离不超过数百米，由专门的管道体系连接在一起。在这些家成员之间，通过市场经济方式利用对方生产过程中产生的废弃物或副产品，作为自己生产中的原料，或部分替代原来使用的原材料。,Kalundborg共生体系中主要有5家企业，及政府社区：,丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区,其(1).燃煤电厂位于这个工业生态系统的中心，对热能进行了多级使用，对副产品和废物进行了综合利用。电厂向炼油厂和制药厂供应发电过程中产生的蒸汽，使炼油厂和制药厂获得了生产所需的热能；通过地下管道向卡伦堡全镇居民供热、加热温室并给养鱼厂供暖，由此关闭了镇上3500个燃烧油渣的炉子，减少了大量的烟尘排放.将除尘脱硫的副产品工业石膏，全部供应附近的一家石膏板厂作原料。同时，还将料煤灰出售，供铺路和生产水泥之用。其(2).炼油厂和制药厂也进行了综合利用。药厂处理的淤泥被送到附近的农场作为肥料。炼油厂产生的火焰气通过管道供石膏厂用于石膏板生产的干燥使用，又减少了火焰气的排空。一座车间进行酸气脱硫，生产的稀硫酸供给附近的一家硫酸厂；炼油厂的脱硫气则供给电厂燃烧。,丹麦的卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区,其(3).卡伦堡生态工业园还进行了水资源的循环利用。炼油厂的废水通过生物净化处理，通过管道向发电厂输送，每年输送电厂70万立方米的冷却水。整个工业园区由干进行水的循环使用，每年减少25%的需水量。最终实现了园区的“污染零排放”。生态园的发展己经历了30余年，其原料和能源交换的范围仍在继续扩大优化。通过各个成员间的物质和能量交换，实现了物质的部分循环和能源的逐级利用，获得了良好的经济和环境效益。,分析Kaluindbory的物质和能量的交换，发现4个有趣的特征：,1.这种能量交换有更显著的能效 电厂发电过程产生的废热和蒸汽，可送往炼油厂、温室、渔场及居民区供热系统进行利用。如果能找到废蒸汽的利用市场，那么90%以上的从工厂燃煤产生的热量能够被利用，唯一的损失便是烟囱排气所损失的能量。与此相比，典型的美国煤-火力发电厂利用燃煤产生的热量效率约仅为40%。2.物料和能量交换能为参与者提供经济效益 在某些情况下，例如电厂把硫酸钙卖给石膏板生产厂，直接的经济效益并不能完全收回成本,此时的交换是由相应的法规驱动的（比如需要净化电厂烟囱尾气以除去SO2）,这些交换可避免废物掩埋或处理洗涤器废物的其他方式，故而使成本降低。而在其他情况下，例如炼油厂使用电厂的废热，这些交换是自给自足的。,卡伦堡(Kalunborg)生态工业园区,丹麦 kalundborg工业共生体是生态工业园（EIP）的先驱。1970年开始这种工业共生体的探索.该园区以五个产业组成了一个工业网为核心，其它成员包括农场、大棚养殖、养鱼场，通过贸易方式把其它企业的废弃物或副产品作为本企业的生产原料。建立业园区和代谢生态链关系，它们彼此交换与共建共生网络:1.能量流：有效能的充分利用；2.物质流：其中包括废物流变为原料，水的循环分级利用等等；3.菅道网,信息网，代谢生态链不但己达到了零排放的环保目标，Kaluindbory园区的物料和能量交换己为参与者提供的经济效益，其中亦包括了资金流与信息流优化的显著效益。,美国北德克萨斯州的一个生态工业园,在美国北德克萨斯州的一个生态工业园的中心便是一个钢厂，它利用废汽车作为主要的原材料。从废汽车中得到的钢，被送到电弧炉中，制成各种各样的钢铁产品。炉子同时产生大量的电弧炉（EAF）灰尘，其中包含大量锌、铅或其他金属。在北德克萨斯州工业园，EAF灰尘被送到需要痕量金属（Cu,S,Mn,Cr,Ni,Zn,Pb或其他金属）的水泥窑中。汽车粉碎后的残余物被燃烧以回收能量，或者将一些塑料从残余物中分离出来。电弧炉灰尘的另一种用途是当前欧洲开发的用于Zn和Pb回收的原料，回收的锌作为替代锌源可用于生产马口铁产品和电池。,图14.3-1 丹麦Kalundborg的工业网络图,生态园的基本规则,生态园的基本规则集成不同工业单元操作中的能量和物料流，可以提高质量和能量利用效率。向原子经济性、零排放，环境友好可持续发展的循环经济目标发展。通过对美国能量流股进行简单的调查可以得出一个工业物料和能量交换的潜力评价。美国年耗能801001015BTU，其中约1/3的能量是用于发电消耗，而这些用于发电的能量中约有2/3是以废热形式损失的。这就意味着美国需求的总能量中，约1/4可以由废热利用来满足。联合供热和发电系统具有明显优势，这说明世界的节能潜力还是极大的。,强调宏观调控，周密总体规划 工业园区大系统优化：点链网式优化 物流:企业内、企业间、全园区 物料流产品流 链网式组合优化(含交通网)能流:企业内、企业间、全园区能流交换网络组合优化 资金流:企业内、企业间、全园区的链网式组合优化 信息流:上游与下游信息分析，指导统一规划与调度（含上下水网，电站电网，三废处理，公用工程等）,生态工业园区与现代化工过程系统工程,将各个生产子系统内部及之间的物料流、能量流与资金流形成网络，尽可能地使一个过程的副产品或三废物流成为另一过程的原料流，使一个过程的废热流（剩余有效能流）成为另一过程的热源流，籍以实现系统内多个生产过程内及过程其间从原料、中间产品、到三废的物质流循环，以及不同能阶的有效能能量流循环。进一步将源头的能源与环境系统包括在内，进而实现资源、能源、投资的高效的优化利用，必须重视与实现大系统过程的多目标优化。,生态工业园区的网络集成与可持续发展的优化评价体系,生怸园区优化标准-绿色GDP与可持续发展,绿色GDP评估标准=GDP 浪费的资源相应损失额+浪费的能耗相应损失额+环境成本(治理环境污染相应的资金额+操作者安全的劳动保护费用）目前的问题是如何界定和计算资源、能源和环境污染的损失额，目前还有不同的计算方法，但国际科技界认为绿色GDP才是真正的价值标准。*上述损失额是指产品全部生命周期中造成的损失额，包括产品废旧后处理所需要的损失额。,