矿区生态工业园建设研究进展及展望

2019-09-25李元栋

中国矿业 2019年9期

李元栋，张瑞

(中国矿业大学(北京)管理学院，北京 100083)

21世纪初期，国际社会加大对全球CO2排放量控制与治理力度。碳排放较高的煤炭工业生产成为各国在生态环境问题治理上的主要对象。虽然清洁能源的使用不断增加，但煤炭仍然是主体能源。在这样的背景下，人们开始将研究方向转向人类生产活动与自然环境之间的联系与规律。

环境学家和工业界人士对工业领域的发展模式进行了大量的探索，形成生态学与工业活动相结合而产生的交叉学科产业生态学。与此同时，人们以产业共生理论为基础[1]，模仿自然生态系统“生产者-消费者-分解者”物质循环及交换原理改造工业生产系统[2]，建立资源高效利用、物质流动闭环和降低废弃物排放的发展模式，生态工业园逐渐成为我国继经济技术开发区、高新技术产业开发区[3]后发展的第三代产业园区。本文分析了生态工业园的产生及发展过程，对矿区生态工业园区建设模式和研究重点进行了系统论述。

1 生态工业园的起源

随着产业生态学的理论研究与实践探索的快速发展，生态工业园的研究成为产业生态学的重要研究内容，同时也是产业生态学理论转化为实践的途径。

1.1 产业共生理论的起源

产业共生最早出现在1974年的国际杂志《经济地理》(Journal of Economic Geography)上，George T.Renner在描述区域内产业之间存在物质能量交换有机关系时首次使用了产业共生。产业共生是一定区域范围内的企业为提高资源利用率，减少工业生产活动对生态环境的扰动，增强环境保护，提高企业竞争优势而进行合作的一种经济现象。通过物质能量流动将各企业相互关联，使物质闭路循环和能量多级利用。

1.2 生态工业园的萌芽时期

20世纪50年代，世界上第一个生态工业园凯隆堡(Kalunborg)在丹麦诞生，也是世界上最早的产业共生体系[4]。凯隆堡地区水资源缺乏，发电厂产生大量冷却水直接排放，不仅造成水资源的浪费还要交纳废水排放税，许多当地企业由于水资源供给不足发展受到阻碍。为此，其他企业与发电厂签订协议，发电厂将冷却水、余热、粉煤灰和蒸汽等代谢产物输送给这些企业利用。产业共生系统的中心是一座1 500 MW的燃煤发电厂(Asns发电站)，并与该区域其他几家企业有物质代谢与能量流动的联系。这座发电厂产生的剩余热量除了输送给了附近的水产养殖业，还为3 500个当地的家庭供暖，发电厂产生的高压蒸汽还输送给制药和酶制造商Novo Nordisk，这种热量的充分利用减少了排放到附近海洋的热污染量。另外，电厂产生的副产品含有石膏，石膏被出售给墙板制造商，大量建筑材料制造商的石膏需求都以这种方式得到满足，这大大减少了石膏矿的开采量[5]。此外，发电厂产生的粉煤灰和熟料用于道路建设和水泥生产，企业使用经过处理的废水比取用新水源节约成本约75%，建筑材料公司和水泥厂利用粉煤灰做原料也减少了原料成本。凯隆堡生态工业园经过几十年的发展，凯隆堡产业共生体系逐步成为产业共生模式的典范[6]。2002年的一项研究表明，通过产业共生系统，挪威国家石油公司为发电厂供水总量达到95%以上，这比1990年的70%有所上升，当时挪威国家石油公司(炼油厂)排出的120万m3废水中，发电厂仅重新使用了9 000 m3[7]。凯隆堡产业共生体系对生态工业园建设模式进行了首次探索，为21世纪的生态工业园的发展模式奠定了基础。

1.3 生态工业园的发展时期

20世纪70年代，美国在环境保护署和可持续发展总统委员会的支持下开始生态工业园区的建设，到1994年，总统可持续发展理事会指定了马里兰州的巴尔的摩，弗吉尼亚州的查尔斯，德克萨斯州的布郎斯和田纳西州的恰塔努加4个园区作为生态工业园区的示范点[8]。总统可持续发展理事会为此成立特别研究小组，专门研究生态工业园从理论模型到具体实践的过程和方法。这些生态工业园是通过将不同的利益相关者聚集在一起，为共享资源信息而创建的，并且还鼓励物质能量交换。这些计划目标是测试凯隆堡工业共生模式是否可以应用于其他生态工业园，并且成功总结出生态工业园的五大特点，作为生态工业园建设的指导方针。这些特征包括：①独立经济实体与外界环境和其他实体之间存在某种形式的物质能量交换；②存在物质能量交换的实体地理位置相邻；③产业之间拥有成熟度较高的协作能力；④现有的资源、信息及基础设施共享；⑤各产业可产生经济利益。德文斯地区生态工业园区是在美国成功实施生态工业园建设的一个很好的例子[9]。加拿大、德国、日本、新西兰等国家也先后开始生态工业园的建设。我国生态工业园建设起步较晚，2001年全国第一个生态工业园区规划—浙江衢州沈家生态工业园区规划完成。

1.4 生态工业园的逐步成熟时期

到21世纪初，已有超过200个生态工业园，并且有十几个被认为具有很强的生态工业园性质[10]。在加拿大，生态工业园遍布全国，最著名的是新斯科舍省哈利法克斯的伯恩赛德公园(Burnside park)。与此同时，在达尔豪斯大学生态效率中心的支持下，1 500多家企业一直在改善企业环境绩效和发展产业共生体系的合作关系。随后，阿尔伯塔省(Alberta)开始了两个生态工业开发项目：TaigaNova生态工业园位于阿萨巴斯卡油砂(Athabasca oil sands)的中心，而Innovista生态工业园是埃德蒙顿(Edmonton)以西约300 km的落基山脉(Rocky Mountains)的门户[11]。此外，将生态工业园发展用作提高可再生能源行业的效率研究逐步开始，以太阳能光伏(PV)制造行业为主产业的生态工业园可以提高制造效率和经济效益，同时减少生产太阳能电池对环境的影响[12]。实质上，这有助于可再生能源行业的发展以及替代化石燃料带来的环境效益。到2005年初，美国、亚洲、欧洲、南美洲和非洲地区启动了生态工业园的建设或其他生态工业发展规划流程，中国的循环经济倡议已经成为提高资源使用效率的一项主要战略。在“亚洲发展中国家生态工业园手册”中，已对亚洲发展生态工业园的理念、策略作出新的布局并纳入了建设议程(这项工作得到了亚洲开发银行环境部的支持)。我们现在将生态工业园的概念定义为：生态工业园是一个基于共享资源和可共享的基础设施，以企业间存在密切关系为特征的制造业和服务业社区[13]。通过共同努力，产业共生区寻求的收益大于各公司通过优化个人绩效而实现的个人收益总和。生态工业园的目标是通过绿色设计新建或改造公园基础设施和工厂，清洁生产技术的使用，污染预防和企业间的合作关系，提高参与公司的经济绩效，同时最大限度地减少对环境的影响[14]。随着生态工业园建设的快速发展，生态工业园建设模式及分析评价的研究蓬勃发展起来，主要涉及产业物质代谢循环、能量流动[15]，生态工业园区设计与操作[16]，生态产业网络模型[17]，园区建设案例分析[18-19]。从2007年到2010年，34个国家的生态工业园累计环境绩效指数(EPI)提高了89.4%，这主要是生态效率变化引起的改善，而不是环境保护技术提高的结果。其次，与试验性生态工业园区相比，示范生态工业园区具有更高的平均生态效率，2010年示范生态工业园与试验性生态工业园相比为0.611∶0.446，平均环境绩效改善约为60%∶29%[20]。

1.5 国内生态工业园建设及研究进展

从21世纪开始，我国在生态工业园建设及研究领域呈现快速发展态势。2006年生态环境保护部制订了《行业类生态工业园区标准(试行)》，规定了行业类生态工业园区验收的基本条件和指标，将行业类生态工业园区标准由经济发展、物质减量与循环、污染防控和园区管理四部分组成，并进一步细分为19个指标[21]。2015年环境保护部发布了国家环保标准《国家生态工业示范园区标准》的公告，自2016年1月1日起实施并替代《行业类生态工业园区标准(试行)》(HJ/T 273—2006)、《综合类生态工业园区标准》(HJ 274—2009)、《静脉产业类生态工业园区标准(试行)》(HJ/T 275—2006)。2008年发布《中华人民共和国循环经济促进法》，2012年修订2002年制定的《中华人民共和国清洁生产促进法》。截止到2016年底，我国经批准有48家生态工业园区为国家生态工业示范园区，批准开展国家生态工业示范园区建设的有45家[22]。与此同时，我国高校开始设置环境科学、清洁生产、产业生态学、生态材料和绿色化学等领域的课程。2002年春季学期，清华大学为本科生开设了第一门工业生态学课程，武汉大学的邓南生和吴武发表了第一本工业生态学教科书[23]。在2002～2015年期间，来自30多个学校和科研机构的1 023名本科生参加了产业生态学的课程培训。由于参与者的多样性，培训定制了四个知识模块：概念和历史、方法和工具、主题和应用程序、政策和观点[24]。

2 生态工业园建设研究方法

随着产业生态学的不断发展，产业生态中的研究方法被不断应用到生态工业园的建设研究领域中。生态工业园建设研究方法主要集中于产业代谢分析和评价，主要涉及基于通量的物质流分析(MFA)、基于单一物质的物质流分析(SFA)和生命周期评价(LCA)。

2.1 物质流分析

物质流分析建立在质量守恒和能量守恒的早期概念基础上，Ayres建立以国家层面为系统的第一个物质流动账户，在20世纪90年代初提交给奥地利(Steurer，1992)和日本(日本环境局，1992)，物质流分析被称作一种分析社会-自然关系的工具[25]。

物质流分析是指在一定时空范围内，关于特定系统的物质流动和存储的系统性分析，主要有两种方法，一种是基于同量的物质流分析，另一种是基于单一物质的物质流分析。第一种主要对经济系统输入和输出物质的量和结构进行研究；第二种主要针对单一元素进行分析。目前，物质流分析对物质或元素流动过程的研究由于研究对象具有流体的特征，为此可以借鉴流体力学中研究流体流动的方法。第一种选定一个截面，观察各时间点通过这个截面的物理量，获取通过截面的物质的量与时间变化的数据；第二种是在物质流体中选择一个质点作为研究对象，对其进行跟踪，获取质点的空间与时间的数据。

随着计算机技术的发展，物质流分析结合计算机技术应用得到快速发展，其中使用比较多的计算机软件STAN、GABI可以进行物质流建模，数据分析，提供数据库，并且可以将最终结果转换为图表。还有将地理信息系统(GIS)利用到生态工业园建设研究中，为产业生态学研究领域建立了庞大的数据库。目前，利用计算机模拟仿真技术研究物质流分析，利用Matlab-simliunk模拟物质能量流动过程，可以将原有的静态分析转变为动态分析，获取的数据可以更好地反映实际情况。

2.2 生命周期评价

生命周期评估(LCA，也称为生命周期分析、生态平衡分析和从摇篮到坟墓的分析)是一种分析评价技术，用于评估从原材料提取到材料生产成产品生命周期各阶段的环境影响，通常包括加工，制造，分销，使用，维修和保养以及处理或回收。根据2006年对生命周期评估使用行业进行的调查[26]，LCA主要用于评估商业战略(18%)和研发(18%)、作为产品或工艺设计(15%)、教育(13%)和标签或产品声明(11%)的投入。在工业生产方面，LCA将作为诸如欧洲ENSLIC大楼建筑项目的指南或开发和实施的工具不断整合到建筑环境中，为实施LCI数据的开发和设计过程中的实施者提供指导[27]。此外，LCA在环境影响评估、综合废物管理和污染研究方面也发挥着重要作用[28]。目前，采用VB开发语言以集成不同种类LCA数据库与系统的连接方式，运用数据库技术开发出对不同行业具有兼容性、适用性的软件，通过计算机软件实现产品LCA评价功能成为研究的热点[29]。

3 矿区生态工业园建设的两个案例分析

3.1 国外矿区生态工业园建设典型案例

澳大利亚重要工业区Kwinana(西澳大利亚州)生态工业园以煤炭工业为主，Kwinana工业区存在许多资源增效利用的机会，主要集中在三大领域：水、能源和无机副产品再利用[30]。工业园区包括：①煤矿；②2 000 t/a的氧化铝精炼厂(Alcoa)；③105 t/a钛白粉颜料厂(Tiwest)；④850 kg/a的石灰和水泥窑(Cockburn水泥)；⑤一个135 000桶/d的炼油厂(BP)和一个800 t/a的生铁厂(HIsmelt)；⑥CSBP(氨，硝酸铵，氰化物，氯碱和化肥厂)；⑦70万t/a镍精炼厂(Kwinana镍精炼厂)；⑧Nufarm(除草剂和其他农用化学品)；⑨Nufarm Coogee(一种氯化物阿尔法碱厂)；⑩Chemeq(兽用医药产品)以及汽巴和纳尔科(水处理和加工化学品)。此外，还有重要的社会公共基础设施，其中包括Verve Energy拥有的两个发电站(900 MW燃煤、燃油和天然气以及240 MW联合循环天然气)，两个热电厂(116 MW的Kwinana热电联产工厂和40 MW的Verve Energy)，两个空气分离设备(液化空气和BOC气体)，港口设施(弗里曼特尔港务局)以及水和污水处理厂(水务公司)。图1概述了Kwinana矿区生态工业园的发展模式。

图1 Kwinana矿区生态工业园发展模式Fig.1 Development model of Kwinana mining area eco-industrial park

3.2 国内矿区生态工业园建设典型案例

中国能源投资集团所属准格尔能源集团生态工业园是以煤炭为主产业，在此基础上发展电力，电解铝及铝加工业，铁路运输业，生态牧场等形成的产业共生体系。准格尔能源集团位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，地处内蒙古中南部、山西省与陕西省北部交界处，煤炭资源雄厚，是中国重要的煤炭生产基地之一。准格尔能源集团拥有两大的露天矿(哈尔乌素煤矿、黑代沟煤矿)，准格尔矿区煤炭资源储量丰富，煤炭地质储量267.6亿t，得天独厚的煤炭资源和露天开采的技术优势使两个矿年产6 900万t，巨大的煤炭开采量使煤炭的高效利用及减小环境扰动产生的负面影响显得尤为重要。目前准格尔能源集团各产业协作程度及共生体系趋向成熟，主要产业包括：①两个露天矿(哈尔乌素煤矿、黑代沟煤矿)是整个生态工业园建设的基础；②两个煤炭洗选厂(准格尔能源有限公司选煤厂、哈尔乌素露天煤矿选煤厂)；③一个煤矸石发电厂(神华准能集团矸石电厂)产能36.32亿kW/a。电厂每年利用矸电煤133.17万t，产生废水161.12万m3，用于露天矿除尘；④电解铝厂(准格尔旗大路煤电铝园区)产能12.5万t/a，利用粉煤灰及炉渣30万t/a，利用率为29.4%；⑤铝制品加工厂；⑥两条铁路(所属大准铁路公司)；⑦一个炸药生产厂(神华准能源炸药厂)每年利用废油473.90 t；⑧生态牧场。图2概述了准格尔能源集团生态工业园的发展模式。

图2 准格尔能源集团矿区生态工业园发展模式Fig.2 Development model of Zhungeer energy group mining area eco-industrial park

3.3 矿区生态工业园建设及研究趋势

通过对国内外矿区生态工业园建设模式以及发展过程的研究，矿区生态工业园建设的核心是产业共生体系的形成，产业链是建设产业共生系统的基础。

矿区生态工业的发展过程需要一个较长的时期，在这个过程中需要对产业共生体系的发展不断修正。对生态工业园建设过程中出现的问题及时修改，对产业共生体系中不合理的布局及时调整，不断增强共生系统的稳定性，提高共生体系质量和效率。为此，本文将管理学中PDCA(计划-执行-检查-调整)的思想用于矿区生态工业园的建设过程和发展的控制及持续改进。具体步骤(设计-建设-运营-调整)如下所述。

1) 设计阶段。分析区域的地理位置、自然资源、发展水平、产业类型，确定发展生态工业园的类型。首先依据产业共生理论使园区内各产业形成产业共生系统，其次采用物质流分析研究产业代谢及物质流量，最终对园区内各产业上下游位置及产能进行优化配置。

2) 建设阶段。在产业园建设过程中，资源共享能力和企业协作水平影响产业共生系统的质量和效率。

3) 运营阶段。保证园区的正常高效运转，通过实际运营积累经验以及分析在运营过程中发现的问题，使工业园区发展不断完善。

4) 调整阶段。处理运营阶段出现的问题，保证园区的科学持续发展。在生态工业园的建设和发展过程中需要反复执行上述步骤。

3.4 园区建设发展过程中存在的问题

生态工业园的建设是以产业共生模式发展循环经济理念达到物质资源再利用、再循环和减量化，核心是通过建设多条产业链形成产业共生系统。矿区生态工业园的建设沿着提高物质资源和伴生产物的综合利用率、降低能耗和污染物排放两条主线并行发展。

在提高物质资源利用率方面，以煤矸石为主的伴生产物的综合利用是整个产业共生系统中的主导产业链，根据煤矸石成分含量不同可以形成煤矸石-电厂-制铝业、水泥及建筑材料等延伸产业链，除此之外，煤矸石还可以代替化石燃料和生产化工产品。当前，煤矸石利用产业链存在的问题主要体现为：由于技术的局限性，大量煤矸石发电厂出现煤矸石利用效率低甚至不使用；其次煤矸石化工产业链中提取效率低下且高耗能、高污染现象严重。在降低能耗和污染排放方面，煤炭企业在对粗放式发展导致的环境污染补救，引进一批减少能耗和排放的设备和技术。与此同时，为了使伴生产物及固体废弃物得到综合利用，在产业链的建设过程中又引进一批高耗能高污染的产业，使还未缓解的生态问题重蹈覆辙。

运营发展阶段的主要问题包括：①新技术的使用生产效率提高，上游企业代谢产物不能满足下游企业所需；②煤炭市场竞争以及行业发展不景气使企业无法正常经营，导致生态产业链断裂；③区域政策调整限制企业生产从而导致共生系统破坏；④资源枯竭导致资源导向型企业停产，煤炭资源为主产业的生态工业园可能会消失；⑤区域与区域之间的合作，园区的不断发展使生态工业园的范围不断扩大，邻近区域的工业协同发展也会使原有的产业共生格局发生改变。

为此，在园区建设过程中需要重视对新建产业的技术经济评估，使产业链切实发挥提质增效的作用。在建设规划阶段，采用物质流分析以及生命周期评估，对所建产业链或整个产业共生系统的物质代谢及运营的经济效果进行系统仿真，根据模拟及预测的结果进行规划建设。在生态工业园的建设中，产业间的配合协作水平、资源信息共享程度、产业链中企业数量和种类的合理配置、对伴生物及废弃物的合理利用以及做到物质循环闭环是生态工业园健康高效发展的必要条件。

4 矿区生态工业园发展重点及展望

作为一种新的工业生产和经济发展方式,矿区及其他行业生态工业园的研究范畴逐步扩大、研究方法层出不穷，生态工业园的建设总体呈现模式具体化、方法系统化、涉及领域多样化、分析手段集成化。从笔者的角度分析，矿区生态工业园建设和研究的重点呈现以下几个方面的趋势。

4.1 产业共生成为矿区未来发展模式

煤炭工业经历长期的粗放式发展，行业整体效率低下，高耗能、高污染、高排放使得矿区生态环境恶化严重，物质资源循环利用和废弃物闭环流动已成为行业健康持续发展的瓶颈。经过几年的行业调整规模以上煤炭企业已成为行业主体，企业禀赋资源、人力和财力优势，是发展产业共生系统重要基础。与此同时，产业共生模式创造的副产品价值链也是企业追求的发展模式。

4.2 涉及产业类型及区域不断增加

矿区生态工业建设以煤炭为中心发展的同时，注重发展非煤产业，增加园区寿命。随着信息技术和交通物流业的快速发展，矿区生态工业园建设范围从企业层面的产业共生扩展到更大区域范围的产业共生。庞大复杂的共生体系包含了更多的企业种类和数量，提高了资源信息的共享程度和自然资源利用率，增强了共生系统的抵抗力稳定性和恢复力稳定性，并在一定程度上提高了生态工业园的寿命。

4.3 煤炭科学技术发展的必要性

煤炭科学各领域技术的革新都推动着煤炭生产力的进步，同样清洁生产技术、循环利用技术、提质增效技术、污染治理技术是矿区生态工业园建设和发展的重点。当前矿区生态工业园建设出现的问题核心还是体现在技术条件难以支撑产业共生系统的高效运行。为此，对相应领域技术的研发成为煤炭企业关注的热点，同时也促进了煤炭工业科学技术的进步。