張 蕓，陳秀瓊，王童瑤，陳 郁，劉素玲，張樹深

（1.工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，大連理工大學環(huán)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(yè)園區(qū)作為生態(tài)工業(yè)的主要實踐形式，仿照自然生態(tài)系統(tǒng)對工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃、設計，通過高效的物質(zhì)循環(huán)和能量的梯級利用，達到高效率地使用資源和能量，使工業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展.為了評估工業(yè)園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平，指導生態(tài)工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃與建設，建立科學的指標體系和評價模型對工業(yè)園區(qū)的生態(tài)效益和環(huán)境負荷進行綜合評估是非常必要的.

現(xiàn)有對工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展水平的評價主要有3種方法：物質(zhì)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(yè)園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平.近年來有學者嘗試將評價自然、農(nóng)業(yè)、城市等生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)效率的能值分析方法用于工業(yè)系統(tǒng)中，取得了很好效果.已將能值分析方法應用于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)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(yè)系統(tǒng)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(tài)工業(yè)園的能值分析，張攀、耿勇［5－6］等對大連雙D港工業(yè)園區(qū)和七賢嶺產(chǎn)業(yè)化基地的能值研究.

本文基于能值理論，以鋼鐵工業(yè)園為例，將園區(qū)內(nèi)能流、物流、貨幣流轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的能值單位，計算能值綜合指標，定量分析鋼鐵工業(yè)園區(qū)的結(jié)構(gòu)功能特征與生態(tài)效率，對工業(yè)園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平進行評價.論文重點研究了案例園區(qū)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)改造后產(chǎn)業(yè)鏈（循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈）的能值評估，為生態(tài)工業(yè)園管理者制定調(diào)控措施和發(fā)展策略提供理論依據(jù).

1 工業(yè)園區(qū)能值評價指標

考慮工業(yè)園系統(tǒng)特點，參照相關(guān)能值研究成果，建立以下能值指標來評價鋼鐵工業(yè)園區(qū)的結(jié)構(gòu)功能特征、生態(tài)經(jīng)濟效益以及可持續(xù)發(fā)展水平.

1.1 能值來源指標

能值來源指標用來描述系統(tǒng)中各種資源的利用結(jié)構(gòu)，反映園區(qū)系統(tǒng)競爭力.根據(jù)資源的來源，這類指標由能值自給率和經(jīng)濟反饋能值比兩項指標構(gòu)成.能值自給率（emergy self－sufficiency ratio，ESR）反映自然環(huán)境對系統(tǒng)的支持能力.經(jīng)濟反饋能值比反映系統(tǒng)對外界資源的依賴程度.根據(jù)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(gòu)成.其中設備及服務能值比反映了系統(tǒng)發(fā)達和技術(shù)依賴程度［7］.

1.2 經(jīng)濟亞系統(tǒng)評價指標

經(jīng)濟亞系統(tǒng)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(chǎn)出率.能值／貨幣比率能夠綜合評價園區(qū)的發(fā)達程度，經(jīng)濟生產(chǎn)越發(fā)達的工業(yè)園，該指標值越低，因為工業(yè)增加值基數(shù)較大，各種資源的利用效率較高［5］.凈能值產(chǎn)出率（net emergy yield ratio，EYR）反映了系統(tǒng)資源利用的效率.

1.3 自然亞系統(tǒng)評價指標

自然亞系統(tǒng)以環(huán)境結(jié)構(gòu)為主線，利用能值分析可以正確衡量自然環(huán)境生產(chǎn)的貢獻.評價指標主要有能值投資率、環(huán)境負載率和能值廢棄率.能值投資率（emergy investment ratio，EIR）衡量了生產(chǎn)過程中開發(fā)單位自然資源而需要的相應能值投入量.環(huán)境負載率（environmental loading ratio，ELR）表征了整個園區(qū)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(qū)資源利用程度和循環(huán)利用水平.

1.4 可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（emergy sustainable indices，ESI）為凈能值產(chǎn)出率除以環(huán)境負載率和能值廢棄率的乘積.此指標由傳統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)演變而來.工業(yè)系統(tǒng)中投入的大部分是不可更新資源，用傳統(tǒng)ESI指數(shù)計算出來的ELR值將非常大，不能正確反映園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展狀況和水平.園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平不僅與EYR成正比，與ELR成反比，也與園區(qū)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(xù)發(fā)展指標的內(nèi)涵并且使其數(shù)值更具有可比性.可持續(xù)發(fā)展指數(shù)綜合地反映系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性情況，指標值越大，則說明園區(qū)是可持續(xù)發(fā)展的［5］.

2 案例分析——鋼鐵工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展水平評價

2.1 研究對象概況

對工業(yè)系統(tǒng)進行能值分析，首先要收集園區(qū)相關(guān)的自然環(huán)境、地理和社會經(jīng)濟等各種資料數(shù)據(jù)，同時需要了解生產(chǎn)工藝流程.某鋼鐵聯(lián)合公司工藝落后，流程不合理，產(chǎn)業(yè)鏈短，污染嚴重.為解決上述問題，公司決定進行大規(guī)模技術(shù)改造.淘汰落后工藝裝備，實現(xiàn)設備現(xiàn)代化及大型化，采用一系列節(jié)能環(huán)保措施.改造前采用傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈，包括原料場、石灰廠、燒結(jié)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(tǒng).改造后新建有電廠、煤氣站、TRT余壓發(fā)電機組、燃氣輪發(fā)電機組、加壓站、污水處理廠等.

2.1.1 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈

該鋼鐵工業(yè)園區(qū)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈如圖1所示.傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)未考慮到廢棄物的處理和回收利用.

圖1 鋼鐵工業(yè)園傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(chǎn)出的活性石灰和輕燒白云石提供給燒結(jié)廠和煉鋼廠.

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

焦化廠是鋼鐵企業(yè)中消耗煤炭量最大的企業(yè)，投入的主要原料和能源為焦煤、氣體燃料和電能，為燒結(jié)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(yè)中主要的部分，使用上游企業(yè)的產(chǎn)品進行生產(chǎn)，主要原料為燒結(jié)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(chǎn)過程主要在高爐中進行，產(chǎn)生的鐵水進入煉鋼廠進行鋼冶煉.

煉鋼廠的主體部分是轉(zhuǎn)爐或電爐，本文主要考慮的是轉(zhuǎn)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(chǎn)出的鋼水進行連鑄形成鋼坯，再送至軋鋼廠.

外來水資源經(jīng)供水系統(tǒng)向園區(qū)內(nèi)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(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈

在原有傳統(tǒng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈的基礎上，以循環(huán)經(jīng)濟為理論基礎，引入物質(zhì)循環(huán)和能量梯級利用產(chǎn)業(yè)鏈.其中部分高爐煤氣通過TRT余壓發(fā)電技術(shù)將壓力轉(zhuǎn)化為電力；部分高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣通過燃汽輪發(fā)電機組可回收一部分電能；焦化廠中通過干熄焦發(fā)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(tǒng)一分配，焦爐煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣可以作為園區(qū)內(nèi)各個廠的氣體燃料.園區(qū)內(nèi)生活污水和生產(chǎn)廢水送至全廠污水處理廠處理至生產(chǎn)回用水水質(zhì)標準，作為再生用水；少量處理廢水外排.高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣和粉煤灰用于生產(chǎn)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(chǎn)直接還原鐵或外銷.

本文將廢物流考慮在內(nèi)，進行鋼鐵工業(yè)園區(qū)技術(shù)改造前及改造后（即傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈和循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈）正常年的能值評估和比較，判斷制約工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)節(jié)，提出解決方案，為管理者制定發(fā)展策略提供理論支持.

2.2 能值流動系統(tǒng)圖

以Odum的“能量系統(tǒng)語言”圖例［7］，繪制該鋼鐵工業(yè)園區(qū)技術(shù)改造后的能值流動圖，如圖2所示.園區(qū)的能值投入按其來源分為兩類：一類主要來源于自然環(huán)境，包括可更新資源R（太陽能、風能等）和不可更新資源N（當?shù)氐V物原料），這一類能值稱為無償能值或免費能值E.由于生產(chǎn)活動都在廠內(nèi)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(jīng)濟系統(tǒng)，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(jīng)濟反饋能值F.遵照小于系統(tǒng)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(qū)的能值輸出O包括工業(yè)總產(chǎn)出Y（鋼材和焦化副產(chǎn)品等）和園區(qū)排放的廢棄物W.據(jù)此，通過各種資源投入以及輸出的能值轉(zhuǎn)化率核算，計算各成分的能值并表達為Emx，將重要的、性質(zhì)類似的項目集結(jié)和綜合，構(gòu)建體現(xiàn)系統(tǒng)資源能值結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)出的綜合系統(tǒng)圖，見圖3，以利整體分析評價.

圖2所示的亞系統(tǒng)框以鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)為主廠區(qū)，包括石灰廠、燒結(jié)廠、焦化廠、煉鐵廠、煉鋼廠和軋鋼廠，其物質(zhì)流動方向在圖1中已經(jīng)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(tǒng)和變電站，調(diào)配后向園區(qū)內(nèi)各個廠和設施提供水、電；環(huán)境系統(tǒng)提供的礦物原料和購買原料統(tǒng)一存于原料場后傳送至主廠區(qū)；燃氣設施向主廠區(qū)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(qū)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(tǒng)和變電站重新調(diào)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(tǒng)一于廢物處理站進行處理后返回到供水系統(tǒng)和主廠區(qū)利用，部分固體廢物外售.

圖2 鋼鐵工業(yè)園區(qū)能值流動系統(tǒng)圖Fig.2 Emergy flow system diagram of iron and steel eco－industrial park

圖3 鋼鐵工業(yè)園區(qū)能值綜合系統(tǒng)圖Fig.3 Synthesized emergy system diagram of iron and steel eco－industrial park

2.3 能值分析表

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

能值評估中使用的能值轉(zhuǎn)換率采用H.T.Odum及相關(guān)專家的研究成果，未換算出能值轉(zhuǎn)換率的物質(zhì)根據(jù)估計取與之性質(zhì)相近物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)換率.根據(jù)表1綜合園區(qū)的投入、產(chǎn)出能值流，計算園區(qū)的能值綜合指標體系，見表2.

2.4 鋼鐵工業(yè)園區(qū)可持續(xù)發(fā)展評價

從表1可以看出，經(jīng)過技術(shù)改造，在原材料及主產(chǎn)品方案不變的條件下，該企業(yè)通過節(jié)水、節(jié)電和節(jié)燃氣，能值投入減少了213.95×1019sej／a；通過固廢綜合利用，能值產(chǎn)出增加了147.57×1019sej／a；三廢排放能值減少了348.83×1019sej／a.

根據(jù)表2計算的各項指標，對鋼鐵工業(yè)園區(qū)改造前后的結(jié)構(gòu)功能特征、生態(tài)經(jīng)濟效率和可持續(xù)性進行分析和評價.

2.4.1 能值來源指標分析

1）該園區(qū)技術(shù)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(qū)自我支持的能力還是很弱的，絕大多數(shù)的能值還得從社會經(jīng)濟系統(tǒng)購入，經(jīng)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(qū)屬于高能耗和高材耗型產(chǎn)業(yè).改造后可更新資源能值比僅為1.627 5%，說明該園區(qū)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(qū)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(zhì)循環(huán)和能量的梯級利用節(jié)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(qū)對設備、技術(shù)和人力資源的依賴程度不高.

2.4.2 經(jīng)濟亞系統(tǒng)指標分析

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

2）雖然通過物質(zhì)能量循環(huán)利用已經(jīng)將近乎全部的廢棄物進行回收利用，但園區(qū)改造后的凈能值產(chǎn)出率EYR值仍不足1.該指標較低的原因是由于園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)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(qū)的EYR值，應降低經(jīng)濟反饋能值，充分利用當?shù)厮Y源，加強設備維護，使得設備生命周期變長.

表1 鋼鐵工業(yè)園區(qū)能值分析表Tab.1 Emergy analysis sheet for iron and steel eco－industrial park

表2 鋼鐵工業(yè)園區(qū)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(tǒng)指標分析

1）園區(qū)改造前的能值投資率EIR值為339.709 2，說明園區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度較高，對環(huán)境依賴較小.改造后該指數(shù)有所降低，說明該園區(qū)對自然資源的依賴程度變高.

2）園區(qū)改造前未考慮到廢棄物排放對環(huán)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(jīng)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(qū)的生態(tài)友好性不容樂觀.因此，應盡可能對物質(zhì)能量進行回收利用，同時應積極開發(fā)利用當?shù)乜筛沦Y源，避免環(huán)境過高負載.

3）園區(qū)已經(jīng)很大程度上進行了物質(zhì)循環(huán)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(qū)的資源循環(huán)利用程度較高.

2.4.4可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分析

該園區(qū)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)ESI為10.985 0，遠大于改造前的ESI值，說明該園區(qū)技術(shù)改造后可持續(xù)發(fā)展狀況較好，水平較高.若要保證其可持續(xù)性，則要求在較高產(chǎn)出的同時降低園區(qū)對環(huán)境的負載及能值廢棄率.

3 結(jié) 論

1）能值分析理論與方法能夠有效地應用于鋼鐵工業(yè)園區(qū)的可持續(xù)性評價，較好地滿足系統(tǒng)分析的要求.以能值為共同的度量標準能夠?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)、外部能值投入相結(jié)合進行評價，更加全面，既反映生態(tài)效益，又體現(xiàn)經(jīng)濟效益.

2）案例研究結(jié)果表明，該園區(qū)采取物質(zhì)循環(huán)、能量梯級利用產(chǎn)業(yè)鏈后各項指標都優(yōu)于傳統(tǒng)生產(chǎn)鏈.改造后，該園區(qū)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(chǎn)出率和環(huán)境負載率作出調(diào)整.綜合各項指標，該園區(qū)應進行資源結(jié)構(gòu)調(diào)整，積極開采利用當?shù)乜筛沦Y源，加強設備維護，降低經(jīng)濟反饋能值投入，以提高凈能值產(chǎn)出率，從而提高經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展能力.

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