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我國(guó)化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑研究丨中國(guó)工程科學(xué)

   2024-06-11 中國(guó)工程科學(xué) 本文選自中國(guó)工程院院刊47820
核心提示:化學(xué)工業(yè)是推動(dòng)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施的重要支撐,化工園區(qū)是推動(dòng)新型工業(yè)化發(fā)展的重要載體,我國(guó)化工企業(yè)大部分已集中至化工園區(qū)。化工園區(qū)作為化工行業(yè)減污降碳的重要方面,尤其是精細(xì)化工園區(qū),普遍面臨資源利用率低、末端治污成本高、環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)突出等問題,因此,探討化工園區(qū)減污降碳協(xié)同的技術(shù)路徑,具有重大的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文選自中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2024年第2期

作者:陳呂軍,田金平,呂一錚,廖愷玲俐,嚴(yán)坤,盛雅琪,楊坤,曹宏斌,朱利中

來(lái)源:我國(guó)化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2024,26(2):160-173.


編者按

化學(xué)工業(yè)是推動(dòng)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施的重要支撐,化工園區(qū)是推動(dòng)新型工業(yè)化發(fā)展的重要載體,我國(guó)化工企業(yè)大部分已集中至化工園區(qū)?;@區(qū)作為化工行業(yè)減污降碳的重要方面,尤其是精細(xì)化工園區(qū),普遍面臨資源利用率低、末端治污成本高、環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)突出等問題,因此,探討化工園區(qū)減污降碳協(xié)同的技術(shù)路徑,具有重大的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。


中國(guó)工程院朱利中院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2024年第2期發(fā)表《我國(guó)化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑研究》一文。文章針對(duì)化工園區(qū)減污降碳面臨的資源利用率低、減污和降碳協(xié)同性差、末端治污成本高、環(huán)境安全與風(fēng)險(xiǎn)突出等挑戰(zhàn),分析了化工園區(qū)碳和污染物產(chǎn)生的特點(diǎn)并梳理相關(guān)研究進(jìn)展,剖析了減污降碳協(xié)同增效的內(nèi)涵。在此基礎(chǔ)上,建立了基于一般性工業(yè)過程的分析框架,以物質(zhì)、能量代謝過程為紐帶,從企業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)共生等層面演繹提出了化工園區(qū)減污降碳的技術(shù)路徑:建立化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)的碳、污染物排放清單;集成優(yōu)化化工園區(qū)的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),加強(qiáng)綠色低碳生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)共生、企業(yè)間合作、減污降碳與安全生產(chǎn)統(tǒng)籌、產(chǎn)品 ? 產(chǎn)業(yè) ? 空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化;開展全生命周期減污降碳成本效益評(píng)估。選取杭州灣上虞經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)為典型案例,總結(jié)了化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑的應(yīng)用實(shí)踐,進(jìn)而提出了化工園區(qū)減污降碳實(shí)施路徑建議:完善精細(xì)計(jì)量體系,加強(qiáng)化工園區(qū)物質(zhì)流管理;強(qiáng)化化工園區(qū)共生鏈接,運(yùn)用系統(tǒng)工程賦能減污降碳;激發(fā)系統(tǒng)效率變革,推動(dòng)化工園區(qū)綠色高質(zhì)量發(fā)展。



一、前言


我國(guó)已進(jìn)入減污降碳協(xié)同增效、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期?;ば袠I(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱,也是制造強(qiáng)國(guó)的基石,其能耗占全國(guó)總能耗的12%、全國(guó)工業(yè)能耗的18%。2020年,石化和化工行業(yè)的碳排放量占全國(guó)碳排放總量的13%,位于工業(yè)領(lǐng)域第二位,實(shí)現(xiàn)碳中和的任務(wù)艱巨?;ば袠I(yè)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的排放量高,是當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間化工行業(yè)污染防治的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2018年,全球化工行業(yè)與VOCs相關(guān)的環(huán)境治理成本達(dá)2363億美元?;ば袠I(yè)的CO2和污染物(碳污)的來(lái)源、去向因化學(xué)反應(yīng)及分離過程多樣且復(fù)雜,加之化學(xué)品流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)繁雜,導(dǎo)致對(duì)化工園區(qū)碳污排放的精細(xì)化與定量刻畫難度加大,協(xié)同減污降碳面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。


建設(shè)化工園區(qū)是全球化工行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。我國(guó)化工園區(qū)具有兩個(gè)基本特點(diǎn):一是企業(yè)之間的空間距離臨近,可以為生產(chǎn)原料“隔墻供應(yīng)”或建立“門到門”上下游供應(yīng)鏈提供空間便利;二是基礎(chǔ)設(shè)施共享,可以提高園區(qū)的生產(chǎn)效率。我國(guó)積極推動(dòng)化工企業(yè)進(jìn)入化工園區(qū),2022年,工業(yè)和信息化部等六部門發(fā)布《關(guān)于“十四五”推動(dòng)石化化工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》并明確,推進(jìn)化工項(xiàng)目向園區(qū)集中,并出臺(tái)了系列政策以規(guī)范化工園區(qū)發(fā)展。目前,全國(guó)重點(diǎn)化工園區(qū)或以石油和化工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)園區(qū)共有643家;2022年,全國(guó)石化行業(yè)的營(yíng)業(yè)收入為16.56萬(wàn)億元,其中化工園區(qū)的工業(yè)產(chǎn)值為8.45萬(wàn)億元,占全行業(yè)營(yíng)業(yè)收入的51%。與此同時(shí),化工園區(qū)作為化工行業(yè)減污降碳的重要載體,尤其是精細(xì)化工園區(qū),普遍面臨資源利用率低、末端治污成本高、環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)突出等問題。因此,探討化工園區(qū)減污降碳協(xié)同的技術(shù)路徑,具有重大的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。


當(dāng)前,化工園區(qū)在減污降碳的具體實(shí)踐中面臨園區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、園區(qū)內(nèi)物質(zhì) / 能量流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、污染物排放種類多、CO2產(chǎn)生量大、減污降碳數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱等問題。針對(duì)減污降碳國(guó)家戰(zhàn)略的發(fā)展需求和化工園區(qū)綠色低碳發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求,本文圍繞加強(qiáng)化工生產(chǎn)和治污全過程減污降碳協(xié)同機(jī)理研究,厘清化工園區(qū)系統(tǒng)邊界內(nèi)污染物和碳排放的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律;明確化工園區(qū)減污降碳的內(nèi)涵,形成兼具化工行業(yè)特征和園區(qū)特點(diǎn)、一般意義上的減污降碳技術(shù)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化集成路線;從減污降碳促進(jìn)化工園區(qū)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的角度,提出相應(yīng)的化工園區(qū)減污降碳實(shí)施路徑建議,以期通過多目標(biāo)優(yōu)化方法提升協(xié)同效益。


二、化工園區(qū)減污降碳研究現(xiàn)狀


(一)化工園區(qū)碳污產(chǎn)生的特點(diǎn)


化工園區(qū)排放的污染物主要來(lái)自化工生產(chǎn)過程和園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施?;@區(qū)中對(duì)能源及環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的廢水、廢氣、固廢(“三廢”)治理已較為成熟,而生產(chǎn)過程中的“三廢”治理以及難降解的污染物防控仍然是化工園區(qū)綠色高質(zhì)量發(fā)展亟需解決的難題。


化工園區(qū)的碳排放主要有三大類。① 化學(xué)品中的碳元素。大部分化工反應(yīng)過程是碳 ? 碳鍵等官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化過程,未進(jìn)入產(chǎn)品的部分可能成為副產(chǎn)物或變?yōu)閺U棄物,從而成為化工園區(qū)碳排放管理中的“可變部分”,因產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)變化而變化。② 燃料中的碳元素,如化石能源所含的碳。這部分通常是化石能源經(jīng)化學(xué)反應(yīng)(氧化反應(yīng)),將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,同時(shí)碳元素基本轉(zhuǎn)化為CO2,為化工園區(qū)碳排放管理中的“不變部分”。燃料燃燒類基礎(chǔ)設(shè)施投入運(yùn)營(yíng)后,其過程及效率基本固定,因此,相關(guān)碳排放量基本與燃料消耗量成正相關(guān)。③ 從全生命周期角度來(lái)看,所有化學(xué)原料和能源的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸過程等都會(huì)有碳排放,即園區(qū)所用原料和能源的碳足跡?;@區(qū)減污降碳的系統(tǒng)邊界包括污染物邊界和碳排放邊界。污染物排放的邊界為園區(qū)邊界,碳排放的邊界則較為復(fù)雜,對(duì)于第一類、第二類碳,其邊界為園區(qū)邊界;對(duì)于第三類碳,尤其是電力和熱力的碳排放,則需要追溯其上游生產(chǎn)過程的碳排放。為此,化工園區(qū)減污降碳研究和實(shí)踐中需要明確系統(tǒng)邊界。


(二)化工園區(qū)碳污排放的研究進(jìn)展


化工園區(qū)既有一般工業(yè)園區(qū)的共性特點(diǎn),也具備與生產(chǎn)過程高度關(guān)聯(lián)的碳污排放特性。① 在廢水治理方面,我國(guó)化工園區(qū)大多采用企業(yè)自建污水處理站+園區(qū)集中式污水處理廠的兩級(jí)處理模式。其中,廢水末端處理日益突出能源資源高效循環(huán)利用,建設(shè)污水處理綠色低碳廠,但大部分園區(qū)尚未針對(duì)難降解有機(jī)污染物建立分類收集及處理體系。② 在廢氣治理方面,化工園區(qū)使用的化學(xué)品種類眾多、VOCs組分復(fù)雜、無(wú)組織排放點(diǎn)多、監(jiān)測(cè)管理難度大,尤其是VOCs導(dǎo)致的異味擾民問題仍是園區(qū)大氣污染物減排和空氣質(zhì)量改善的重要難題。近年來(lái),已有研究較多關(guān)注基于過程的VOCs排放特征、有機(jī)污染物種類及組分識(shí)別、特征污染因子庫(kù)構(gòu)建、VOCs精準(zhǔn)防控和系統(tǒng)工程減排等。③ 在固廢治理方面,化工園區(qū)產(chǎn)生的固廢污染組成多樣,有毒難降解污染物在污水廠污泥中高度富集。土壤污染防治研究突出化工園區(qū)及周邊土壤污染物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和空間擴(kuò)散,化工園區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律、影響范圍確定及濃度分布,化工園區(qū)環(huán)境污染事故高發(fā)區(qū)域污染物風(fēng)險(xiǎn)水平評(píng)價(jià)等。目前,化工園區(qū)土壤與地下水污染多介質(zhì)協(xié)同治理的研究處于起步階段。


近年來(lái),污染治理突出源頭預(yù)防,強(qiáng)化減污降碳協(xié)同,從系統(tǒng)工程和全生命周期視角尋求新的解決方法。例如,生產(chǎn)端多通過環(huán)境友好原料替代、綠電 / 綠氫等低碳能源及原料替代、原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng) / 高效低碳分離,以減少污染物產(chǎn)生和碳排放。以卡塔爾某工業(yè)園區(qū)為例,建立了一個(gè)由化學(xué)過程(包括天然氣制油、甲醇、合成氨和液化天然氣等)、海水淡化、廢水處理、生物質(zhì)氣化、廢熱回收和碳捕集等多過程組成的產(chǎn)業(yè)共生網(wǎng)絡(luò),模擬了不同情景下的資源管理協(xié)同潛力和平衡策略。


關(guān)于化工園區(qū)減污降碳協(xié)同的內(nèi)涵剖析,已有研究從操作性方面進(jìn)行了探討:一是定義污染物與碳排放的種類;二是制定碳污核算相關(guān)數(shù)據(jù)收集及質(zhì)量檢查原則;三是運(yùn)用脫鉤指數(shù)來(lái)判別減污降碳協(xié)同關(guān)系;四是判斷不同脫鉤情景下的減污降碳協(xié)同態(tài)勢(shì),并對(duì)化工園區(qū)碳污治理階段進(jìn)行分類,進(jìn)而以減污或控碳為主,針對(duì)性地推進(jìn)減污降碳。本研究認(rèn)為,減污降碳協(xié)同增效的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)減污和降碳等多目標(biāo)的“帕累托改進(jìn)”或“帕累托最優(yōu)”;協(xié)同增效的核心是脫鉤發(fā)展,即實(shí)現(xiàn)化工園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源能源消耗、環(huán)境排放的脫鉤。脫鉤指單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出使用更少的資源和能源,同時(shí)改善污染物產(chǎn)生量、碳排放量等非期望環(huán)境指標(biāo)。當(dāng)前,已有一些案例研究討論了園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境影響的脫鉤關(guān)系,如基于脫鉤彈性模型分析典型園區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與資源消耗和污染物排放的耦合關(guān)系,運(yùn)用Tapio脫鉤評(píng)價(jià)法分析園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與土地集約利用水平之間的關(guān)系、園區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放之間的脫鉤關(guān)系;運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化方法研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放脫鉤的最優(yōu)途徑?;@區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和碳排放的脫鉤狀態(tài)以及污染協(xié)同效應(yīng)具有顯著的空間異質(zhì)性,凸顯了減污降碳“一園一策”的必要性。


物質(zhì)流、能量流分析是化工園區(qū)碳減排研究中重要的基礎(chǔ)性工作。通過自下而上地梳理化工園區(qū)特征元素的流動(dòng)特征和長(zhǎng)時(shí)間跨度分品種能源流動(dòng)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、路徑和影響,可以識(shí)別減污降碳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要節(jié)點(diǎn),針對(duì)性地制定碳效率提升方案。化工園區(qū)的化學(xué)品和能量代謝過程,既是影響園區(qū)環(huán)境質(zhì)量的直接因素,又與園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)?;@區(qū)的化學(xué)品種類多、結(jié)構(gòu)差異大、化工工藝過程中的碳排放和與能源相關(guān)的碳排放交織,導(dǎo)致園區(qū)內(nèi)碳元素的流動(dòng)路徑極為復(fù)雜。因此,厘清各種化學(xué)物質(zhì)及其內(nèi)在特征、流動(dòng)模式和集群內(nèi)的傳遞關(guān)系,定量闡明化工園區(qū)化工生產(chǎn)過程中化學(xué)品和能量的結(jié)構(gòu)、流動(dòng)過程、隨時(shí)間的變化及其環(huán)境影響,揭示資源能源浪費(fèi)及污染產(chǎn)生的源頭和原因,在此基礎(chǔ)上針對(duì)性地調(diào)控化學(xué)品和能量代謝,優(yōu)化園區(qū)化學(xué)品管理,可實(shí)現(xiàn)化學(xué)品共生網(wǎng)絡(luò)最大化,提高經(jīng)濟(jì)效益,減少對(duì)環(huán)境的影響。這是推動(dòng)化工園區(qū)減污降碳、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)境社會(huì)多贏的重要基礎(chǔ)。


綜上所述,化工園區(qū)減污降碳協(xié)同增效的實(shí)質(zhì)為:① 識(shí)別園區(qū)化學(xué)物質(zhì)和能量的輸入輸出、污染物數(shù)量及性質(zhì)、污染物遷移路徑及其環(huán)境影響;② 建立園區(qū)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與化學(xué)品流動(dòng)、資源消耗、環(huán)境影響之間的定量關(guān)系,揭示園區(qū)化學(xué)品和能量代謝的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律;③ 統(tǒng)籌園區(qū)內(nèi)多個(gè)利益相關(guān)主體,優(yōu)化調(diào)控園區(qū)的物質(zhì)代謝,實(shí)施全流程污染防治,持續(xù)改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量。


三、我國(guó)化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑探討


(一)化工園區(qū)減污降碳研究的技術(shù)思路


我國(guó)化工企業(yè)大部分已集中至化工園區(qū),對(duì)推動(dòng)化工園區(qū)碳污協(xié)同減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,相關(guān)研究重點(diǎn)為污染物的削減途徑及潛力、碳排放的核算及減排途徑等,系統(tǒng)深入推進(jìn)化工園區(qū)減污降碳,仍需解決以下問題。① 園區(qū)物理邊界與管理邊界不統(tǒng)一,加之經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)邊界、物質(zhì)流 / 能量流 / 碳流分析邊界各異,尚未構(gòu)建針對(duì)性的統(tǒng)計(jì)、核算和計(jì)量體系,減污降碳協(xié)同所需精細(xì)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄弱。② 減污降碳措施的交互作用不清晰,針對(duì)化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及面向生產(chǎn) ? 治污全過程減污降碳的技術(shù)集成優(yōu)化方式不明確。③ 園區(qū)減污降碳與信息技術(shù)未深度融合,系統(tǒng)性和整體性研究不足。


化工園區(qū)實(shí)施減污降碳需摸清園區(qū)的碳污基數(shù),厘清碳污產(chǎn)生與排放的規(guī)律,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)減污降碳協(xié)同增效的路徑。本研究采用“演繹+案例實(shí)證”的研究方法(見圖1),開展化工園區(qū)污染物產(chǎn)生及減污的特點(diǎn)與內(nèi)涵剖析、碳排放特點(diǎn)及降碳內(nèi)涵解析、減污降碳技術(shù)路徑演繹分析。其中,碳污產(chǎn)生分析緊扣化工生產(chǎn)過程,內(nèi)涵解析兼顧化工行業(yè)與園區(qū)的基本特點(diǎn),從化學(xué)反應(yīng) ? 分離工程、有機(jī)物 ? 無(wú)機(jī)物、基礎(chǔ)設(shè)施 ? 空間布局3組關(guān)系出發(fā),并與化工生產(chǎn)安全結(jié)合。


圖1 研究技術(shù)路線


制定化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑,首先宜從分析化工園區(qū)內(nèi)的物質(zhì)流和能量流入手。沿著化工園區(qū)物質(zhì)、能量流動(dòng)的過程,分析碳污產(chǎn)生總量和強(qiáng)度的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),進(jìn)而制定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的減污降碳技術(shù)方案,系統(tǒng)性思考化工園區(qū)整體性減污降碳的路徑。本研究提出從產(chǎn)品生產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施治污系統(tǒng)、減污降碳與化工安全統(tǒng)籌、企業(yè)間合作、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面演繹主要的技術(shù)路徑(見表1)。其中,企業(yè)間合作既需要上下游供應(yīng)鏈的合作,也需要產(chǎn)業(yè)共生形成的鏈接;化工園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施共享是園區(qū)產(chǎn)業(yè)共生的重要體現(xiàn)方式,基礎(chǔ)設(shè)施投入運(yùn)營(yíng)后的碳污排放態(tài)勢(shì)趨于穩(wěn)定,但仍存在減排難度大等問題。


表1 化工園區(qū)減污降碳技術(shù)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化方向與著力點(diǎn)


(二)化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑演繹


基于化工園區(qū)減污降碳協(xié)同的內(nèi)涵剖析,本研究建立了化工園區(qū)一般性生產(chǎn)過程分析框架(見圖2)。具體包括:企業(yè)生產(chǎn)過程的物質(zhì)與能量代謝(即企業(yè)層面),企業(yè)間通過上下游原料、產(chǎn)品供應(yīng)及副產(chǎn)品 / 廢棄物資源化在園區(qū)內(nèi)形成的共生鏈接(即產(chǎn)業(yè)共生層面),廢棄物最終處理處置過程(即園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施層面)?;趫D2,化工園區(qū)減污降碳的基本技術(shù)路徑具體如下。


圖2 化工園區(qū)一般性生產(chǎn)過程及物質(zhì)代謝作用相互關(guān)聯(lián)示意圖


1. 建立化工園區(qū)碳污排放清單


對(duì)化工園區(qū)內(nèi)的化學(xué)品流動(dòng)及能量代謝開展核算,輔以必要的監(jiān)測(cè),闡明化學(xué)物質(zhì)、特征元素以及能源在企業(yè)內(nèi)、產(chǎn)業(yè)共生以及基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)層面的流動(dòng)、代謝過程及環(huán)境影響,建立碳污排放融合清單;在此基礎(chǔ)上,識(shí)別提高物質(zhì) / 能量代謝效率、降低環(huán)境影響的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在建立化工園區(qū)碳污排放清單后,需要進(jìn)一步開展以下工作。① 基于化工行業(yè)特點(diǎn),闡明化工園區(qū)碳污排放的性質(zhì)和聯(lián)系。② 建立化工園區(qū)碳污排放與園區(qū)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)聯(lián)系的紐帶,精準(zhǔn)識(shí)別化工園區(qū)企業(yè)、生產(chǎn)過程、具體產(chǎn)品的碳污產(chǎn)生量或排放量。針對(duì)高碳排放 / 高污染物排放的產(chǎn)品,分析其在化工園區(qū)及相關(guān)供應(yīng)鏈中的作用,從減污降碳與供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈安全協(xié)調(diào)的視角加以剖析。③ 識(shí)別化工園區(qū)碳污中的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物是研究其碳污特征的重要方面。在實(shí)踐中,化工園區(qū)通常更重視有機(jī)物的循環(huán)過程,而對(duì)無(wú)機(jī)物的減量和循環(huán)缺乏足夠的關(guān)注。


2. 化工園區(qū)減污降碳技術(shù)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化集成


化工園區(qū)減污降碳技術(shù)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化方向與著力點(diǎn)如表1所示,主要包括5個(gè)方面。① 開發(fā)和應(yīng)用綠色低碳生產(chǎn)技術(shù)。運(yùn)用綠色化學(xué)“12原則”、綠色化工“12原則”、綠色深度分離、低碳能源等,針對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行減污降碳。② 基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)減污降碳協(xié)同。隨著碳污排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,需對(duì)企業(yè)集中式污水處理廠的污水處理設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造?;@區(qū)的污水處理系統(tǒng)減污降碳,除了“一園一策”分析具體的處理體系外,還需兼顧污染物在氣、液、固三相間的遷移轉(zhuǎn)化,充分挖掘污水中能源資源的高效循環(huán)利用潛力。推進(jìn)化工園區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)能源基礎(chǔ)設(shè)施,工業(yè)氣體、危險(xiǎn)廢物處理處置設(shè)施等協(xié)同,進(jìn)而推動(dòng)能源基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施之間通過“能 ? 水 ? 固廢”建立產(chǎn)業(yè)共生。③ 減污降碳與安全生產(chǎn)統(tǒng)籌。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),化工生產(chǎn)尤其是精細(xì)化工過程,相關(guān)的減污降碳舉措與化工安全生產(chǎn)之間可能存在一定的矛盾沖突,如為減少無(wú)機(jī)廢棄物或危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生,需從源頭減少酸、堿、鹽等的使用或減少反應(yīng)過程中有機(jī)溶劑的用量;從安全生產(chǎn)角度來(lái)看,在釋放酸性氣體的反應(yīng)或放熱反應(yīng)過程中加入適當(dāng)過量的堿作為縛酸劑 / 溶劑,有利于減少反應(yīng)副產(chǎn)物 / 緩沖反應(yīng)放熱,但會(huì)增加后處理分離環(huán)節(jié)的能耗。為此,需在保證安全生產(chǎn)的前提下,探究物質(zhì)減量化驅(qū)動(dòng)的減污降碳措施。④ 強(qiáng)化企業(yè)間合作,主要的優(yōu)化方向有產(chǎn)業(yè)鏈接和產(chǎn)業(yè)共生。產(chǎn)業(yè)鏈接一方面依托化工園區(qū)的內(nèi)在技術(shù)和在規(guī)模上形成優(yōu)勢(shì)的原料 / 產(chǎn)品延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈;另一方面,針對(duì)大宗基礎(chǔ)化學(xué)品,拓展產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò),提高附加值,以經(jīng)濟(jì)價(jià)值增值帶動(dòng)減污降碳技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)共生則主要針對(duì)副產(chǎn)物和廢棄物,即發(fā)掘化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)間的合作潛力,實(shí)現(xiàn)一個(gè)過程的副產(chǎn)物或廢棄物經(jīng)過必要的加工純化,成為另一個(gè)過程的原料的共生鏈接。⑤ 優(yōu)化產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)和空間結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化大多針對(duì)高污染、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品并對(duì)其實(shí)施淘汰退出機(jī)制;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化多為化工園區(qū)圍繞支柱產(chǎn)業(yè)或新興產(chǎn)業(yè),采取重點(diǎn)發(fā)展策略;空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化是以提高化工園區(qū)的土地利用率為切入點(diǎn),間接提高物質(zhì)能源效率以實(shí)現(xiàn)減污降碳。


3. 化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑的成本效應(yīng)分析


面對(duì)日益嚴(yán)格的減污降碳要求,精準(zhǔn)定量描述減污降碳的成本效益,是推動(dòng)化工園區(qū)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益協(xié)同提升的關(guān)鍵。目前,化工園區(qū)的減污降碳技術(shù)路徑面臨末端治理成本高且邊際效益銳減,減污降碳過程要統(tǒng)籌生產(chǎn)過程與污染治理,企業(yè)治污設(shè)施與化工園區(qū)集中式治污設(shè)施、污染物在氣 ? 液 ? 固多相間的遷移轉(zhuǎn)化,多產(chǎn)業(yè)間的聯(lián)系等挑戰(zhàn)。為此,需建立化工園區(qū)減污降碳系統(tǒng)優(yōu)化成本效益核算模型,定量分析各技術(shù)措施單獨(dú)作用或組合作用下全生命周期的減污降碳潛力及成本效益,充分揭示化工園區(qū)對(duì)標(biāo)先進(jìn)和實(shí)現(xiàn)深度減污降碳的潛力。


四、我國(guó)減污降碳技術(shù)路徑的應(yīng)用實(shí)踐——以上虞化工園區(qū)為例


本研究選取杭州灣上虞經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(簡(jiǎn)稱上虞園區(qū))為案例,從物質(zhì)流與能量流分析、綠色化工技術(shù)開發(fā)應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)和共生、企業(yè)間合作構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行化工園區(qū)減污降碳技術(shù)路徑的實(shí)證分析。相關(guān)內(nèi)容可為更多化工園區(qū)提供減污降碳內(nèi)涵理解參照,也為針對(duì)性設(shè)計(jì)“一園一策”的減污降碳技術(shù)路徑提供借鑒和啟發(fā)。


上虞園區(qū)創(chuàng)建于1998年,2013年11月升級(jí)為國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),已建成的化工園區(qū)面積為21 km2,已有投產(chǎn)企業(yè)210多家;2022年,規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的產(chǎn)值為1780億元,約占全區(qū)總產(chǎn)值的82%。上虞園區(qū)是典型的精細(xì)化工園區(qū),主要特點(diǎn)為:一是以苯為主要起始原料,硫磺制酸、離子膜燒堿等大宗基礎(chǔ)化學(xué)原料,衍生出10多類產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品、30多種分散染料產(chǎn)品,建立了包含分散、活性、還原等染料類型及其配套中間體的完整染料產(chǎn)業(yè)鏈,分散染料產(chǎn)量約占全國(guó)染料總產(chǎn)量的70%;二是園區(qū)形成了喹諾酮類抗生素和大環(huán)內(nèi)酯抗生素兩大醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)鏈,其中喹諾酮產(chǎn)業(yè)鏈圍繞7種原料藥,形成了由10多種主要中間體、10家企業(yè)組成的共生網(wǎng)絡(luò),經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá)到100億元,喹諾酮類抗生素產(chǎn)量約占全國(guó)的50%。


(一)基于物質(zhì)流、能量流的園區(qū)碳污排放特征及減污降碳路徑識(shí)別


通過對(duì)長(zhǎng)時(shí)間跨度內(nèi)的物質(zhì)代謝和能量代謝進(jìn)行分析,可以厘清化工園區(qū)中的化學(xué)品、碳元素、硫元素、分品種能源流動(dòng)及碳污排放的特征。以2007年為基準(zhǔn)年,在上虞園區(qū)的碳輸入總量中,化石能源所含碳、化工原料所含碳占的比重分別為68%、32%;在碳的輸出中,化工產(chǎn)品所含碳占總量的22%,廢棄物中所含碳占總量的74%,其余4%為輸入輸出差額。2013年,上虞園區(qū)兩種碳的輸入量占比分別為45%、55%,輸出比例分別為40%、55%,輸入輸出差額為5%。其中,能源輸入的碳元素基本轉(zhuǎn)化為CO2。


進(jìn)一步分析化工原料的代謝演變(見圖3),可以發(fā)現(xiàn):2007年,上虞園區(qū)化工原料中碳元素的總利用效率為69%,其余31%的碳元素以不同結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)入“三廢”;2013年,碳元素的利用效率提升至71.7%,其余28.3%的碳元素進(jìn)入“三廢”。2007—2013年,上虞園區(qū)內(nèi)企業(yè)間上下游供應(yīng)鏈相應(yīng)的碳元素占原料中碳元素比例由3.4%提高至16.8%,企業(yè)間共生關(guān)系進(jìn)一步強(qiáng)化,但進(jìn)入VOCs中的碳元素占比從1.4%下降至1.2%,但總量增加了1.4倍。VOCs減排是較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)上虞園區(qū)加強(qiáng)污染減排、提升環(huán)境質(zhì)量的主要挑戰(zhàn)之一。


圖3 上虞園區(qū)化學(xué)品生產(chǎn)碳元素的代謝演變

注:圖中數(shù)據(jù)均以碳元素計(jì);CWWPT表示集中式污水處理廠;CWWPT表示集中式污水處理廠。


上虞園區(qū)能源基礎(chǔ)設(shè)施呈多樣化、多功能化發(fā)展,其中硫磺制酸化學(xué)反應(yīng)熱回收利用、垃圾焚燒發(fā)電、污泥干化焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)等已成為上虞園區(qū)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化和低碳化發(fā)展的重要特點(diǎn)。2007—2019年,上虞園區(qū)的能量代謝結(jié)構(gòu)持續(xù)變化。由圖4可見,2019年與2007年相比,上虞園區(qū)的煤炭使用量占比由82.7%下降至63.3%,天然氣使用量提升至7.5%,可再生能源使用量提升至12.4%;2019年,上虞園區(qū)內(nèi)使用的生物質(zhì)、生活垃圾、污泥等燃料的熱值超過園區(qū)能源消耗總量的15%,利用硫磺制酸化學(xué)反應(yīng)熱占園區(qū)能量消耗的10.4%。近年來(lái),上虞園區(qū)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和低碳化發(fā)展取得顯著成效,2011—2019年,單位工業(yè)增加值的碳排放量從1.44 t/萬(wàn)元下降至1.11 t/萬(wàn)元。


圖4 2007年和2019年上虞園區(qū)的能量代謝變化


基于物質(zhì)流和能量流分析,可以識(shí)別出上虞園區(qū)協(xié)同推進(jìn)減污降碳的3個(gè)關(guān)鍵著力點(diǎn)。① 強(qiáng)化源頭預(yù)防污染,減少資源能源浪費(fèi),提高碳元素的利用效率。② 強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)共生鏈接,發(fā)掘補(bǔ)鏈、延鏈、強(qiáng)鏈機(jī)會(huì),構(gòu)建園區(qū)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),提高園區(qū)整體資源能源利用效率。③ 園區(qū)投入的碳元素通常會(huì)進(jìn)入污染物并主要以CO2形式排入大氣,其中又以煤炭輸入的碳含量最多,因此,持續(xù)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是園區(qū)減污降碳協(xié)同增效亟需解決的問題。


(二)減污降碳技術(shù)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化應(yīng)用


1. 應(yīng)用綠色化學(xué)與綠色化工“雙12原則”


化學(xué)合成反應(yīng)與后處理是化工生產(chǎn)綠色化的核心,也是最具挑戰(zhàn)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。合成反應(yīng)的選擇性和效率對(duì)化工產(chǎn)品的物質(zhì)效率與污染物產(chǎn)生量影響顯著。通過開發(fā)短流程、原子經(jīng)濟(jì)性化學(xué)合成工藝,可顯著提高化學(xué)合成過程碳原子及其他原料的利用率,尤其是可以使產(chǎn)品得率提升和單位產(chǎn)品廢棄物產(chǎn)生量下降?;どa(chǎn)的后處理指從反應(yīng)混合物中分離、純化得到產(chǎn)品的過程,包括洗滌、萃取、蒸餾、精餾、結(jié)晶、干燥等化工單元過程。上虞園區(qū)典型染料和醫(yī)藥產(chǎn)品的反應(yīng)、分離步驟較長(zhǎng),且后處理單元操作的數(shù)量平均高于化學(xué)反應(yīng)過程。后處理過程與合成工藝的選擇密切相關(guān),化工反應(yīng)與分離工程統(tǒng)籌,可以實(shí)現(xiàn)全過程優(yōu)化,縮短反應(yīng)、分離等操作步驟,以減少?gòu)U棄物產(chǎn)生量。


基于對(duì)染料、醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)過程特點(diǎn)及物質(zhì)流、能量流的分析,上虞園區(qū)運(yùn)用綠色化學(xué)與綠色化工的“雙12原則”,從化學(xué)反應(yīng)選擇性、轉(zhuǎn)化率等入手,開展工藝革新和技術(shù)改進(jìn),從源頭提高化學(xué)合成碳原子的效率,形成了眾多典型案例。例如,針對(duì)染料產(chǎn)業(yè)鏈上間苯二胺等關(guān)鍵中間體,自主開發(fā)連續(xù)硝化、連續(xù)催化加氫、高效后分離等原子經(jīng)濟(jì)性合成技術(shù);針對(duì)喹諾酮類抗生素醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)鏈上2-氨基丙醇、烯胺衍生物等多個(gè)關(guān)鍵中間體,開發(fā)了短流程綠色合成技術(shù),從源頭上提高資源利用效率??偟膩?lái)說(shuō),從化學(xué)合成的源頭著手來(lái)提高化學(xué)合成碳原子效率,是根本實(shí)現(xiàn)減污降碳最有效的技術(shù)路徑,也凸顯了化工園區(qū)減污降碳的特殊性。


2. 基礎(chǔ)設(shè)施共生升級(jí)推動(dòng)減污降碳


由于化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中蒸汽用量較多,化工園區(qū)一般建有集中式熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。上虞園區(qū)建立了燃煤背壓機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)、硫磺制酸化學(xué)能回收熱電聯(lián)產(chǎn)、垃圾發(fā)電、污泥干化焚燒發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、危險(xiǎn)廢物焚燒余熱回收等多源能源供給基礎(chǔ)設(shè)施,形成了清潔化、多功能、集中與分散相結(jié)合的基礎(chǔ)設(shè)施組團(tuán),為園區(qū)減污降碳提供重要支撐。例如,通過垃圾焚燒熱電聯(lián)產(chǎn)消納園區(qū)和區(qū)域生活垃圾,利用熱電廠余熱推動(dòng)園區(qū)集中式污水處理廠進(jìn)行污泥干化后焚燒產(chǎn)熱,在回收能源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)固廢減量化和資源化。


上虞園區(qū)針對(duì)園區(qū)中的基礎(chǔ)設(shè)施,探究了3種產(chǎn)業(yè)共生情景下的減污降碳績(jī)效。① 節(jié)水績(jī)效:中水回用為冷卻水。上虞園區(qū)集中式污水處理廠出水符合部分工業(yè)過程用水標(biāo)準(zhǔn),可用作熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施的冷卻水。目前,上虞園區(qū)已有2家能源基礎(chǔ)設(shè)施企業(yè)采用中水作為固廢焚燒的冷卻水補(bǔ)水,同時(shí)集中式污水處理廠配套的污泥焚燒裝置所用的新鮮水也在用中水替代,將進(jìn)一步產(chǎn)生節(jié)水績(jī)效。② 污泥利用績(jī)效:污泥熱電聯(lián)產(chǎn)資源化利用。污泥熱電聯(lián)產(chǎn)的處理處置方式帶來(lái)的環(huán)境影響顯著低于填埋。在爐內(nèi)摻燒污泥以產(chǎn)生電力和蒸汽,可以減少固廢數(shù)量、減小固廢體積。從基礎(chǔ)設(shè)施共生視角來(lái)看,上虞園區(qū)染料生產(chǎn)企業(yè)將污水處理產(chǎn)生的污泥摻燒用于熱電聯(lián)產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了污泥的資源化利用。③ 減污降本績(jī)效:有機(jī)廢氣蓄熱式氧化(RTO)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化延長(zhǎng)壽命。2020年,上虞園區(qū)中的企業(yè)共有RTO設(shè)備69套,通過定期消除管道和設(shè)備積塵等措施加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)與維護(hù),設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)至10年,在減少污染物排放的同時(shí)獲得了較好的減污降本績(jī)效。


3. “補(bǔ)鏈延鏈”構(gòu)建產(chǎn)業(yè)共生體系


企業(yè)間加強(qiáng)合作,構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈,形成“隔墻供應(yīng)”,既能減少中間環(huán)節(jié)、節(jié)約成本、提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率,又能產(chǎn)生顯著的減污降碳效應(yīng)。以染料產(chǎn)業(yè)為例,上虞園區(qū)從兩方面加強(qiáng)“補(bǔ)鏈延鏈”,構(gòu)建產(chǎn)業(yè)共生體系,提高有機(jī)原料的利用率,減少無(wú)機(jī)原料硫酸的使用量;通過構(gòu)建硫酸循環(huán)鏈,革除硫酸鈣渣危險(xiǎn)廢物,實(shí)現(xiàn)硫酸的資源化利用。


一是依托硫磺制酸系統(tǒng),建立無(wú)機(jī)硫化工產(chǎn)業(yè)鏈。上虞園區(qū)建有兩套二轉(zhuǎn)二吸硫磺制硫酸裝置,從硫磺氧化的化學(xué)反應(yīng)熱中回收副產(chǎn)中壓蒸汽,通過背壓式汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電,發(fā)電后產(chǎn)生的低壓過熱蒸汽再用于染料生產(chǎn)。硫磺制酸過程中高溫高壓蒸汽產(chǎn)汽量可達(dá)1.2 t/t硫酸,輔以低溫余熱回收,能量利用率達(dá)到90%以上。將SO2轉(zhuǎn)化成SO3,用于制備染料生產(chǎn)關(guān)鍵原料亞硝酰硫酸,用亞硝酰硫酸替代傳統(tǒng)的復(fù)合物NaNO2+HCl或H2SO4。硝化反應(yīng)副產(chǎn)的69%濃度硫酸可經(jīng)真空濃縮至濃度88%后,再用SO3增濃至98%,回用于硝化反應(yīng),形成硫酸循環(huán)鏈。


二是分散染料全產(chǎn)業(yè)鏈(見圖5)。以苯為主要起始原料,經(jīng)初級(jí)中間體、專用中間體、耦合組分、重氮組分,合成分散染料。上虞園區(qū)企業(yè)面向關(guān)鍵中間體,突破補(bǔ)鏈、延鏈、強(qiáng)鏈及安全環(huán)保生產(chǎn)技術(shù),建設(shè)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)(套)萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)裝置,在顯著減污降碳的同時(shí),提升了染料全產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力和綠色低碳水平。


圖5 上虞園區(qū)分散染料產(chǎn)業(yè)鏈

注:☆表示項(xiàng)目重大技術(shù)突破。


4. 產(chǎn)品與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)園區(qū)減污降碳協(xié)同


我國(guó)分散染料生產(chǎn)普遍存在硫酸用量大,廢水、危險(xiǎn)廢物(危廢)產(chǎn)生量大等共性問題,如染料濾餅分離過程會(huì)產(chǎn)生大量濃度約為30%的稀硫酸和5%~10%的極稀硫酸。稀硫酸處理較多采用電石渣中和后填埋,但自2008年起我國(guó)將硫酸鈣渣列入危廢,處理成本大幅上升,通過單一產(chǎn)品、單一系統(tǒng)難以解決硫酸鈣渣問題。上虞園區(qū)的染料企業(yè)通過自主開發(fā)多產(chǎn)品、多系統(tǒng)耦合技術(shù),協(xié)同實(shí)施硫酸用量源頭削減、稀硫酸分濃度梯級(jí)利用、極稀硫酸副產(chǎn)硫酸銨,突破了長(zhǎng)期困擾分散染料行業(yè)的稀硫酸資源化及硫酸鈣渣危廢減量難題,減污降碳成效顯著。此外,上虞園區(qū)進(jìn)一步從產(chǎn)業(yè)鏈條長(zhǎng)度、鏈網(wǎng)豐度兩個(gè)維度開發(fā)了最長(zhǎng)路徑仿真算法和最多路徑有界優(yōu)化搜索算法,用于優(yōu)化園區(qū)化學(xué)品流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在關(guān)鍵化學(xué)品實(shí)現(xiàn)最多共生關(guān)系情景下,2025年,上虞園區(qū)原材料成本將減少約18億元;2030年,將減少約37億元?;@區(qū)新增產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系可顯著降低化工產(chǎn)品生命周期的影響,帶來(lái)顯著的減污降碳效益。


(三)全生命周期減污降碳成本效益評(píng)估


通過核算上虞園區(qū)中的企業(yè)和園區(qū)兩級(jí)深度處理污水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益,發(fā)現(xiàn)園區(qū)2016—2020年的廢氣、廢水、固廢全過程治污成本從13.1億元增加至22.57億元,實(shí)現(xiàn)污染物削減7.4%~70%,末端治理邊際效益顯著下降。從全生命周期視角來(lái)看,末端治污能降低酸化和富營(yíng)養(yǎng)化潛力,但增加了全球變暖等其他環(huán)境影響,僅靠末端治理難以實(shí)現(xiàn)園區(qū)減污降碳協(xié)同。


本研究依據(jù)“以地定產(chǎn)、以產(chǎn)見碳(污)、以碳(污)優(yōu)產(chǎn)”的設(shè)計(jì)思路,構(gòu)建了上虞園區(qū)碳達(dá)峰“地 ? 產(chǎn) ? 碳”綜合模型?;谕恋亻_發(fā)利用情況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、污染物和碳排放特征、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵要素,評(píng)估了面向2030年上虞園區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)的減污降碳協(xié)同增效潛力(見圖6)。該模型的輸入數(shù)據(jù)包括園區(qū)經(jīng)濟(jì)、土地、能源、環(huán)境等數(shù)據(jù)。2020年,上虞園區(qū)四位代碼工業(yè)行業(yè)有50個(gè),其工業(yè)增加值占園區(qū)的97%,以這些行業(yè)為重點(diǎn)開展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整研究。碳核算邊界為園區(qū)物理邊界內(nèi)的范圍一(直接排放)和范圍二(外購(gòu)電力、熱力的間接排放)。污染物選擇化學(xué)需氧量、氨氮、總氮、總磷4項(xiàng)水體污染物指標(biāo)和SO2、NOx、VOCs 3項(xiàng)大氣污染物指標(biāo)。


圖6 上虞園區(qū)減污降碳協(xié)同增效評(píng)估路線

注:柱狀圖顏色代表不同行業(yè)代碼企業(yè)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和碳污排放。


研究發(fā)現(xiàn),在“以地定產(chǎn)”情景下,上虞園區(qū)通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,與2020年相比,2025年的工業(yè)產(chǎn)值將增長(zhǎng)約45%,2030年的工業(yè)產(chǎn)值將增長(zhǎng)約200%。模型結(jié)果顯示,2025年,上虞園區(qū)的廢水排放、廢氣排放、固廢處理量將分別增長(zhǎng)39%、38%、54%;2030年較2025年將分別增加1.13倍、0.93倍、0.76倍,總體呈現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與污染物排放的相對(duì)脫鉤。基于“以地定產(chǎn)”情景,上虞園區(qū)2025年的碳排放量相較2020年將增長(zhǎng)20%,2030年的碳排放量較2025年將增長(zhǎng)58%。同時(shí),碳排放強(qiáng)度逐年下降,將從2020年的1.54 tCO2當(dāng)量/萬(wàn)元下降至2030年的0.94 tCO2當(dāng)量/萬(wàn)元,保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與碳排放的相對(duì)脫鉤。


整體來(lái)看,上虞園區(qū)的實(shí)證分析顯示,針對(duì)發(fā)展比較成熟的大型化工園區(qū),在生產(chǎn)過程中實(shí)施減污降碳的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益提升空間遠(yuǎn)大于末端治理。


五、我國(guó)化工園區(qū)減污降碳實(shí)施路徑建議


(一)完善精細(xì)計(jì)量體系,加強(qiáng)園區(qū)物質(zhì)流管理


我國(guó)《2030年前碳達(dá)峰實(shí)施方案》明確要求,加強(qiáng)園區(qū)物質(zhì)流管理。上虞園區(qū)的具體實(shí)踐表明,化工園區(qū)開展物質(zhì)流管理可行且管用。通過自下而上厘清多產(chǎn)品、多元素、多層級(jí)物質(zhì)能量代謝的結(jié)構(gòu)、路徑、過程等特征,定量揭示全生命周期環(huán)境影響,提出靶向減污降碳調(diào)控措施,推動(dòng)企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間、產(chǎn)業(yè)間形成物料閉路循環(huán),并持續(xù)循環(huán)迭代優(yōu)化,成為化工園區(qū)加強(qiáng)物質(zhì)流管理、減污降碳的題中之義。


推動(dòng)企業(yè)建立和健全三級(jí)計(jì)量體系,應(yīng)用數(shù)字化、智能化三級(jí)計(jì)量?jī)x表,提升物質(zhì)流、能量流管理的定量化與精準(zhǔn)化水平。建議化工園區(qū)發(fā)布相關(guān)的支持政策,加快企業(yè)數(shù)字化、智能化儀表升級(jí),運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù),挖掘?qū)崟r(shí)物質(zhì)流、能量流等多源信息之間的定量關(guān)聯(lián),強(qiáng)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的園區(qū)智慧化物質(zhì)流管理和前瞻性減污降碳管理決策。在實(shí)踐中,對(duì)于難以加裝三級(jí)計(jì)量?jī)x表的工藝環(huán)節(jié),可運(yùn)用集散控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助。


(二)強(qiáng)化園區(qū)共生鏈接,運(yùn)用系統(tǒng)工程賦能減污降碳


化工園區(qū)減污降碳需要從系統(tǒng)工程和全局視角尋求新的技術(shù)路徑。化工園區(qū)產(chǎn)業(yè)共生是一種重要的系統(tǒng)理念,包括基礎(chǔ)設(shè)施間、企業(yè) ? 基礎(chǔ)設(shè)施和企業(yè)間的產(chǎn)業(yè)共生?;谖镔|(zhì)流、能量流調(diào)控和優(yōu)化的產(chǎn)業(yè)共生,可以為化工園區(qū)減污降碳協(xié)同增效提供有力支撐。建議化工園區(qū)結(jié)合化工行業(yè)用能特點(diǎn)和產(chǎn)廢特征,持續(xù)完善能源、環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施作為“分解者”的功能,強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施“生態(tài)綠島”作用,在解決化工園區(qū)及所在地區(qū)環(huán)境問題的過程中,通過資源化和能源化實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏?;@區(qū)需要?jiǎng)?chuàng)新商業(yè)模式,行業(yè)管理部門應(yīng)引導(dǎo)和建立化工園區(qū)管理部門 ? 大型化工企業(yè) ? 國(guó)有基礎(chǔ)設(shè)施企業(yè)等多個(gè)利益相關(guān)方的合作機(jī)制,實(shí)施專業(yè)化、公益化運(yùn)維危廢處置模式,顯著降低化工園區(qū)企業(yè)危廢處理處置成本,解決小微產(chǎn)廢企業(yè)的后顧之憂。


(三)激發(fā)系統(tǒng)效率變革,推動(dòng)化工園區(qū)綠色高質(zhì)量發(fā)展


化工園區(qū)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化與高質(zhì)量發(fā)展需要堅(jiān)持和倡導(dǎo)全要素、全過程、全鏈條、全領(lǐng)域的系統(tǒng)觀,實(shí)施效率提升工程,全面提升化工園區(qū)的全要素生產(chǎn)效率、產(chǎn)業(yè)效率、資源效率、碳生產(chǎn)率、生態(tài)效率、空間效率。建議以智能化、融合化賦能化工園區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)中“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”六要素的數(shù)字化集成和智慧化應(yīng)用,全面提升化工企業(yè)在工藝設(shè)計(jì)、安全環(huán)保、化學(xué)品管理等環(huán)節(jié)的智能化水平。以“延鏈、補(bǔ)鏈、強(qiáng)鏈”壯大化工園區(qū)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),深化產(chǎn)業(yè)共生體系橫向拓展、縱向延伸、一體化發(fā)展,切實(shí)增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的韌性和安全水平。以減污降碳提升化工園區(qū)的生態(tài)效率,推動(dòng)企業(yè)循環(huán)式生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)循環(huán)式組合,通過生產(chǎn)過程 ? 產(chǎn)業(yè)鏈接 ? 基礎(chǔ)設(shè)施 ? 安全環(huán)境協(xié)同,強(qiáng)化技術(shù)升級(jí)和減少源頭排放,推動(dòng)化工園區(qū)能源系統(tǒng)優(yōu)化和梯級(jí)利用。持續(xù)提高化工園區(qū)資源產(chǎn)出率和碳生產(chǎn)率,推動(dòng)化工園區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源能源消耗及碳污排放脫鉤,著力“一園一策”推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施共生,深化化工園區(qū)減污降碳。



注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,若需可查看原文。



 
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