基于能值理论的钢铁工业园区可持续性评价＊

张 芸，陈秀琼，王童瑶，陈 郁，刘素玲，张树深

（1.工业生态与环境工程教育部重点实验室，大连理工大学环境学院，辽宁大连 116024；2.大连交通大学电气信息学院，辽宁大连 116028）

工业园区作为生态工业的主要实践形式，仿照自然生态系统对工业系统内部的结构进行规划、设计，通过高效的物质循环和能量的梯级利用，达到高效率地使用资源和能量，使工业系统可持续发展.为了评估工业园区的可持续发展水平，指导生态工业园区的规划与建设，建立科学的指标体系和评价模型对工业园区的生态效益和环境负荷进行综合评估是非常必要的.

现有对工业园区可持续发展水平的评价主要有3种方法：物质量评价法、价值量评价法与能量评价法［1］，这3种方法评价指标单一，都不能客观地反映工业园区的可持续发展水平.近年来有学者尝试将评价自然、农业、城市等生态系统生态效率的能值分析方法用于工业系统中，取得了很好效果.已将能值分析方法应用于工业生态系统的研究成果有M.T.Brown和S.Ulgiati［2］对6种电厂的能值评估，杨慧、李有润［3］等对工业系统中废物处理及回收利用的能值评估，王灵梅［4］等对火电厂生态工业园的能值分析，张攀、耿勇［5－6］等对大连双D港工业园区和七贤岭产业化基地的能值研究.

本文基于能值理论，以钢铁工业园为例，将园区内能流、物流、货币流转化为统一的能值单位，计算能值综合指标，定量分析钢铁工业园区的结构功能特征与生态效率，对工业园区的可持续发展水平进行评价.论文重点研究了案例园区传统产业链和技术改造后产业链（循环经济产业链）的能值评估，为生态工业园管理者制定调控措施和发展策略提供理论依据.

1 工业园区能值评价指标

考虑工业园系统特点，参照相关能值研究成果，建立以下能值指标来评价钢铁工业园区的结构功能特征、生态经济效益以及可持续发展水平.

1.1 能值来源指标

能值来源指标用来描述系统中各种资源的利用结构，反映园区系统竞争力.根据资源的来源，这类指标由能值自给率和经济反馈能值比两项指标构成.能值自给率（emergy self－sufficiency ratio，ESR）反映自然环境对系统的支持能力.经济反馈能值比反映系统对外界资源的依赖程度.根据资源的类型，能值来源指标由可更新资源能值比、不可更新资源能值比和设备及服务能值比三项指标构成.其中设备及服务能值比反映了系统发达和技术依赖程度［7］.

1.2 经济亚系统评价指标

经济亚系统以资源利用为核心，评价指标主要有能值／货币比率和净能值产出率.能值／货币比率能够综合评价园区的发达程度，经济生产越发达的工业园，该指标值越低，因为工业增加值基数较大，各种资源的利用效率较高［5］.净能值产出率（net emergy yield ratio，EYR）反映了系统资源利用的效率.

1.3 自然亚系统评价指标

自然亚系统以环境结构为主线，利用能值分析可以正确衡量自然环境生产的贡献.评价指标主要有能值投资率、环境负载率和能值废弃率.能值投资率（emergy investment ratio，EIR）衡量了生产过程中开发单位自然资源而需要的相应能值投入量.环境负载率（environmental loading ratio，ELR）表征了整个园区对自然界和自然资源的负荷情况.能值废弃率（emergy waste ratio，EWR）为废弃物能值占总利用能值的比例［8］，该指标反映园区资源利用程度和循环利用水平.

1.4 可持续发展指数

可持续发展指数（emergy sustainable indices，ESI）为净能值产出率除以环境负载率和能值废弃率的乘积.此指标由传统可持续发展指数演变而来.工业系统中投入的大部分是不可更新资源，用传统ESI指数计算出来的ELR值将非常大，不能正确反映园区的可持续发展状况和水平.园区的可持续发展水平不仅与EYR成正比，与ELR成反比，也与园区的EWR成反比.因此，将废弃物这一考核点引入修正的ESI指标中，丰富了可持续发展指标的内涵并且使其数值更具有可比性.可持续发展指数综合地反映系统的可持续发展性情况，指标值越大，则说明园区是可持续发展的［5］.

2 案例分析——钢铁工业园区可持续发展水平评价

2.1 研究对象概况

对工业系统进行能值分析，首先要收集园区相关的自然环境、地理和社会经济等各种资料数据，同时需要了解生产工艺流程.某钢铁联合公司工艺落后，流程不合理，产业链短，污染严重.为解决上述问题，公司决定进行大规模技术改造.淘汰落后工艺装备，实现设备现代化及大型化，采用一系列节能环保措施.改造前采用传统产业链，包括原料场、石灰厂、烧结厂、焦化厂、炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂、制氧站、变电站、热电站、空压站和供水系统.改造后新建有电厂、煤气站、TRT余压发电机组、燃气轮发电机组、加压站、污水处理厂等.

2.1.1 传统产业链

该钢铁工业园区的传统产业链如图1所示.传统的钢铁生产未考虑到废弃物的处理和回收利用.

图1 钢铁工业园传统产业链Fig.1 Traditional production chain of iron and steel eco－industrial park

石灰厂中投入的主要原料为石灰石、白云石，能源为气体燃料和电能.生产出的活性石灰和轻烧白云石提供给烧结厂和炼钢厂.

烧结生产所用含铁原料由进口矿粉、国内铁精矿、烧结返矿、球团返矿和烧结附加物（高炉尘泥、瓦斯灰、氧化铁皮、转炉钢渣等）组成；生石灰、石灰石和菱镁粉用作烧结生产的熔剂；此外还有电能、固体燃料（焦粉）和气体燃料.产出的烧结矿送至炼铁厂高炉.

焦化厂是钢铁企业中消耗煤炭量最大的企业，投入的主要原料和能源为焦煤、气体燃料和电能，为烧结厂提供了焦粉，并为炼铁工序提供冶金焦.

炼铁厂是钢铁企业中主要的部分，使用上游企业的产品进行生产，主要原料为烧结矿、球团矿、石灰石，能源为冶金焦、喷吹煤、气体燃料和电能.整个生产过程主要在高炉中进行，产生的铁水进入炼钢厂进行钢冶炼.

炼钢厂的主体部分是转炉或电炉，本文主要考虑的是转炉炼钢，主要原料和能源投入为废钢、铁水、铁合金、活性石灰、耐火材料、气体燃料和电能.产出的钢水进行连铸形成钢坯，再送至轧钢厂.

外来水资源经供水系统向园区内各个厂供水，制氧站向炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂提供氧气、氮气和氩气，热电站和空压站分别提供蒸汽和压缩空气.

2.1.2 循环经济产业链

在原有传统钢铁产业链的基础上，以循环经济为理论基础，引入物质循环和能量梯级利用产业链.其中部分高炉煤气通过TRT余压发电技术将压力转化为电力；部分高炉、转炉煤气通过燃汽轮发电机组可回收一部分电能；焦化厂中通过干熄焦发电回收一部分电能；各种煤气通过管道输送到煤气配送站，然后进行统一分配，焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气可以作为园区内各个厂的气体燃料.园区内生活污水和生产废水送至全厂污水处理厂处理至生产回用水水质标准，作为再生用水；少量处理废水外排.高炉渣、转炉渣和粉煤灰用于生产水泥、微晶玻璃、凝石等，也可用于工程回填、铺路.氧化铁皮可作炼钢冷却剂、生产直接还原铁或外销.

本文将废物流考虑在内，进行钢铁工业园区技术改造前及改造后（即传统产业链和循环经济产业链）正常年的能值评估和比较，判断制约工业园区可持续发展的环节，提出解决方案，为管理者制定发展策略提供理论支持.

2.2 能值流动系统图

以Odum的“能量系统语言”图例［7］，绘制该钢铁工业园区技术改造后的能值流动图，如图2所示.园区的能值投入按其来源分为两类：一类主要来源于自然环境，包括可更新资源R（太阳能、风能等）和不可更新资源N（当地矿物原料），这一类能值称为无偿能值或免费能值E.由于生产活动都在厂内进行，可更新资源几乎不起任何作用，因此可以忽略这部分能值投入.另一类能值来源于人类社会经济系统，包括可再生资源R1（水）、不可再生资源N1（能源和原材料）、设备及劳务S，这一类能值称为购买能值或经济反馈能值F.遵照小于系统总能值流量5%的项目可不列入分析的能值分析原则［7］，一部分购买能值如洗油、脱硫粉剂和一些化学试剂等可忽略不计.园区的能值输出O包括工业总产出Y（钢材和焦化副产品等）和园区排放的废弃物W.据此，通过各种资源投入以及输出的能值转化率核算，计算各成分的能值并表达为Emx，将重要的、性质类似的项目集结和综合，构建体现系统资源能值结构及其产出的综合系统图，见图3，以利整体分析评价.

图2所示的亚系统框以钢铁生产系统为主厂区，包括石灰厂、烧结厂、焦化厂、炼铁厂、炼钢厂和轧钢厂，其物质流动方向在图1中已经表示出来，其余设施均为辅助设施.外购水和电贮存于供水系统和变电站，调配后向园区内各个厂和设施提供水、电；环境系统提供的矿物原料和购买原料统一存于原料场后传送至主厂区；燃气设施向主厂区提供煤气、氧气、氮气和氩气，热力设施提供蒸汽和压缩空气；主厂区回收的水和电一部分直接回用于各个厂，剩余的返回供水系统和变电站重新调配后再利用，回收的煤气返回到燃气设施进行再利用；各厂排放的废水和固体废物统一于废物处理站进行处理后返回到供水系统和主厂区利用，部分固体废物外售.

图2 钢铁工业园区能值流动系统图Fig.2 Emergy flow system diagram of iron and steel eco－industrial park

图3 钢铁工业园区能值综合系统图Fig.3 Synthesized emergy system diagram of iron and steel eco－industrial park

2.3 能值分析表

根据收集的资料、能值流动系统图和能值综合系统图建立钢铁工业园区改造前、后的能值分析表，见表1.表中列出了钢铁工业园区的主要能量来源（输入）和输出项目，根据各类资源的相应能值转换率，将不同度量单位的生态流转换为共同的能值单位（各种能物流量×相应的能值转换率）.

能值评估中使用的能值转换率采用H.T.Odum及相关专家的研究成果，未换算出能值转换率的物质根据估计取与之性质相近物质的能值转换率.根据表1综合园区的投入、产出能值流，计算园区的能值综合指标体系，见表2.

2.4 钢铁工业园区可持续发展评价

从表1可以看出，经过技术改造，在原材料及主产品方案不变的条件下，该企业通过节水、节电和节燃气，能值投入减少了213.95×1019sej／a；通过固废综合利用，能值产出增加了147.57×1019sej／a；三废排放能值减少了348.83×1019sej／a.

根据表2计算的各项指标，对钢铁工业园区改造前后的结构功能特征、生态经济效率和可持续性进行分析和评价.

2.4.1 能值来源指标分析

1）该园区技术改造后的能值自给率ESR仅为0.369 2%，虽然稍高于改造前（0.293 5%），但园区自我支持的能力还是很弱的，绝大多数的能值还得从社会经济系统购入，经济反馈能值比为99.630 8%.

2）从可更新资源能值比和不可更新资源能值比、设备及服务能值比这3项指标可以明显看出，该园区属于高能耗和高材耗型产业.改造后可更新资源能值比仅为1.627 5%，说明该园区对可更新资源的利用率很低，对可更新材料的利用也不够.不可更新资源能值比为91.699 6%，大幅度高于另外两项，说明该园区对各种能源、原材料的依赖程度较高，具有很高的能耗和材耗度.通过物质循环和能量的梯级利用节省了一部分能源和材料的投入，因此这项指标比改造前的低.设备及服务能值比仅为6.672 9%，说明该园区对设备、技术和人力资源的依赖程度不高.

2.4.2 经济亚系统指标分析

1）园区的能值／货币比率为6.99×1012sej／＄，虽然低于国内计算基准8.67×1012sej／＄，但还是偏高，可能是由于该园区还处于发展初期，能值投入与经济效益之间具有一定的滞后性.

2）虽然通过物质能量循环利用已经将近乎全部的废弃物进行回收利用，但园区改造后的净能值产出率EYR值仍不足1.该指标较低的原因是由于园区内生产过程的热耗失造成大部分能值损失，以及大部分原料是通过购买获得.若要提高园区的EYR值，应降低经济反馈能值，充分利用当地水资源，加强设备维护，使得设备生命周期变长.

表1 钢铁工业园区能值分析表Tab.1 Emergy analysis sheet for iron and steel eco－industrial park

表2 钢铁工业园区能值综合指标体系Tab.2 Synthesized emergy index system for iron and steel eco－industrial park

2.4.3 自然亚系统指标分析

1）园区改造前的能值投资率EIR值为339.709 2，说明园区经济发展程度较高，对环境依赖较小.改造后该指数有所降低，说明该园区对自然资源的依赖程度变高.

2）园区改造前未考虑到废弃物排放对环境的影响，因而造成的负荷较为巨大，指标值为75.378 8.虽然经过改造后该指标降为60.444 0，但仍然偏高，说明其对自然界和自然资源的负荷巨大，园区的生态友好性不容乐观.因此，应尽可能对物质能量进行回收利用，同时应积极开发利用当地可更新资源，避免环境过高负载.

3）园区已经很大程度上进行了物质循环和能量梯级利用，改造后的能值废弃率EWR仅为0.142 4%，远远低于改造前的EWR值，说明该园区的资源循环利用程度较高.

2.4.4可持续发展指数分析

该园区可持续发展指数ESI为10.985 0，远大于改造前的ESI值，说明该园区技术改造后可持续发展状况较好，水平较高.若要保证其可持续性，则要求在较高产出的同时降低园区对环境的负载及能值废弃率.

3 结 论

1）能值分析理论与方法能够有效地应用于钢铁工业园区的可持续性评价，较好地满足系统分析的要求.以能值为共同的度量标准能够将系统内、外部能值投入相结合进行评价，更加全面，既反映生态效益，又体现经济效益.

2）案例研究结果表明，该园区采取物质循环、能量梯级利用产业链后各项指标都优于传统生产链.改造后，该园区的资源和能源利用已达到较高水平，能值废弃率低至一定水平，所以应着重对净能值产出率和环境负载率作出调整.综合各项指标，该园区应进行资源结构调整，积极开采利用当地可更新资源，加强设备维护，降低经济反馈能值投入，以提高净能值产出率，从而提高经济效益和可持续发展能力.

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