清洁生产一三清洁生产的理论基础

清洁生产第三章清洁生产的理论基础主要内容系统论

——清洁生产的重要方法论质量守恒定理

——物质流/能量流的分析调控生态学理论

——产业系统与自然系统的协调一、系统论与系统工程1、什么是系统？

由各要素组成的有机整体，而不是各部分的机械组合或简单相加；每个要素在系统中都处于一定位置，起着特定作用。要素之间相互关联，构成不可分割的有机整体。作为生产产品的企业的一种组织体，它具有销售、设计、加工、交货等综合功能，并有对其提供服务的研究开发功能。

——贝塔朗菲（1）系统的定义

是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。

——钱学森一、系统论与系统工程（2）系统的基本特征

系统是由若干元素组成系统中的元素相互作用、相互依赖系统作为一个整体具有特定的功能（3）系统的结构

S={E，R}S:system;E:elements;R:relations

系统由要素的集合以及要素之间关系的集合所构成,缺一不可。一、系统论与系统工程要素集合E是系统的躯体关系集合R是系统的灵魂系统结构决定了系统的功能。E、R可以划分成若干层次。企业，E—人员子集E1、设备子集E2、原材料子集E3、产品子集E4等。人员子集E1由工人子集E11、技术人员子集E12、管理人员子集E13等。E=E1UE2UE3U---E1=E11UE12UE13U---R=R1UR2UR3UR4R1—要素与要素之间、局部与局部之间的关系R2—局部与全局之间的关系R3—系统整体与环境之间的关系R4—其他各种关系系统的分类一：

a.根据系统规模：小系统、大系统、巨系统

b.根据系统复杂程度：简单系统、复杂系统一、系统论与系统工程系统简单系统复杂系统小系统

：中小型企业大系统巨系统大系统巨系统一般复杂巨系统特殊复杂巨系统（社会系统）（4）系统的分类系统的分类二：系统与环境之间是否存在物质和能量的传递：

孤立系统：无物质和能量交换

封闭系统：只有能量交换，没有物质交换——地球（相对的）

开放系统：既有物质交换，也有能量交换——自然界系统、

人类社会系统一、系统论与系统工程正反馈：输出增强原输入作用的反馈－放大、发散负反馈：输出削弱原输入作用的反馈－缩小、收敛开环系统的一般表示开放系统的分类（按反馈属性）：开环系统、闭环系统。一、系统论与系统工程闭环系统的一般表示有反馈的，不论是正反馈还是负反馈，都是闭环系统，没有反馈的是开环系统。反馈作用：系统输出影响系统输入的现象。（5）开放系统一、系统统论与系系统工程程（6）清洁生生产与系系统论开放的闭闭环系统统一、系统统论与系系统工程程2、系统的的属性集合性：要素集集及要素素关系集

整体性：系统是有机整体清洁生产必须从生产系统整体出发来发现和解决问题要从提高整体功能的角度去提高和协调各要素的功能

层次性：一个系统往往是另一个大系统的要素系统可以分为若干子系统清洁生产具有明显的层次性

协同性：各子系统之间以及系统与环境之间在发展过程中保持协调和匹配。

涌现性：系统的各个部分组成一个整体之后，就会出现整体具有而各个部分原来没有的某些特征事物。一、系统统论与系系统工程程60年代，A.D.霍尔：《系统工程程方法论论》、著名的的霍尔三维维结构，即系统工工程形态态图，为为系统工工程提供供了一种种广泛采采用的方方法论。系统工程程方法的的七个步步骤：明确问题题：调查查、收集集和整理理资料系统指标标设计：：设计评评价系统统，评价和比较较各种方方案系统方案案综合：：确定可可行的一一组方案案系统分析析：分析析和评价价方案的的重要性性和优先次次序系统选择择：找出出最佳方方案或方方案组合合决策：选选定行动动方案实施计划划：将方方案付诸诸实施3、系统工工程一、系统统论与系系统工程程70年代后后期，，中国国科学学家钱学森森等澄清清了国国外把把一些些学科科名称称混用用的现现象，，又提提出系系统工工程可可以分分为工程系系统工工程、企业系系统工工程、经济系系统工工程和军事系系统工工程等十几几个专专业。。系统论论创始始人钱钱学森森1978年提出出：系统工工程是组织管管理系统的规划划、研研究、、制造造、试试验和和使用用的科科学方方法，，是对对所有有系统都具有有普遍遍意义义的科学方方法。一、系系统论论与系系统工工程用数学模模型和逻辑模模型来描述述系统统，通通过模模拟反反映系系统的的运行行、求求得系系统的的最优优组合合方案案和最最优的的运行行方案案.系统工工程技技术被被应用用于复复杂工工程：：从太空空飞船船到芯芯片设设计，，从机机器人人技术到到大型型软件件产品品，系系统工工程用用到的工工具包包括建建模与与仿真真，需需求分分析，时时序安安排以以及复复杂性性管理理。。50年代以以来，，系统统工程程在大大型工工程项项目和和军事事装备备系统统的开开发中中充分分显示示了它它在解解决复复杂问问题时时的效效用。。典型例例子：：美国的的登月月火箭箭阿波波罗计计划、、北欧欧跨国国电网网协调调方案案。一、系系统论论与系系统工工程系统工工程是是按照照系统统科学学的思思想，，运用用控制论论、信息论论、运筹学学等理论论，以以信息息技术术为工工具，，用现现代工工程的的方法法去解解决和和管理理系统统的技技术。。一个系系统，，两个个最优优（目目标最最优、、途径径最优优）以“软软”为为主，，“软软”““硬””结合合跨学科科多，，综合合性强强实践性性与咨咨询性性清洁生生产的的有效效实施施必须须遵循循系统统原理理和系系统工工程方方法，，强调调系统统的整整体性性，优优先考考虑系系统的的整体体功能能以及及技术术方法法的最最优化化。清洁生生产的的实施施主体体是作作为生生产单单元的的企业业，但但其有有效实实施必必须建建立在在企业业、政政府与与公众众良好好的协协调关关系上上。一、系统论论与系统工工程二、质量守守恒原理清洁生产和和循环经济济是我国实实施可持续续发展“瓶瓶颈”的唯唯一选择。。二、质量守守恒原理清洁生产的的核心节能是企业生产过程中衡量经济效益和成本的一项重要指标减排是衡量企业减少污染物排放的一项重要指标，也是企业社会贡献率的一项重要指标减排二、质量守守恒原理废弃物排放废弃物只是是放错了位位置的资源源，实现废废物的利用用，则废物不废！！物质守恒原原理：优化物质流流动过程，，使物料利用率率尽可能高高，废弃资资源尽可能能少。环境污染回收产品二、质量守守恒原理1、物质守守恒（1）物质守恒恒原理体系：单元元操作、过过程的一部部分或整体体。例：一个反反应器、一一个精馏塔塔、一个工工厂的一部分、、一个工业业园区等。。物料衡算中中的体系和和环境示意意图二、质量守守恒原理不涉及反应应：涉及反应：：-R—体系中物料料的反应量量，对反应应物，取负负号；对产产物，取正正号若系统无物物料积累，，处于稳定定状态二、质量守守恒原理①识别问题的的类型②绘制过程流流程图标注所有已已知未知变变量，分析析物料运动动的方向、、条件及数数量。（2）物料衡算算基本程序序二、质量守守恒原理③选择计算基基准④建立输入输输出物料的的表格⑤建立物料关关系的平衡衡式⑥建立物料平平衡图（2）物料衡算算基本程序序例1：对邻二甲甲苯连续氧氧化制苯酐酐过程进行行物料衡算算。已知数据：：邻二甲苯苯的转化率率为70%,氧气的用量量为理论量量的150%,设邻二甲苯苯量为250kg/h。摩尔质量：：邻二甲苯苯106g/mol苯酐148g/mol二、质量守守恒原理例1：对邻二甲甲苯连续氧氧化制苯酐酐过程进行行物料衡算算。已知数据：：邻二甲苯苯的转化率率为70%,氧气的用量量为理论量量的150%,设邻二甲苯苯量为250kg/h。解：（1）该过程是是涉及到反反应的物料料衡算，该该过程稳态态、连续,则系统无物物料积累。。（2）绘制过程程流程图摩尔质量：：邻二甲苯苯106g/mol苯酐148g/mol二、质量守守恒原理邻二甲苯氧气苯酐水输入/kmol250/106250/106×70%×3×150%————反应量/kmol-250/106×70%-250/106×70%×3250/106×70%250/106×70%×3输出/kmol（3）写出化学学反应方程程式、列出出输入输出出表C8H10+3O2＝C8H4O3+3H2O（4）建立物料关关系的平衡式式邻二甲苯氧气苯酐水输入/kmol250/106250/106×70%×3×150%————反应量/kmol-250/106×70%-250/106×70%×3250/106×70%250/106×70%×3输出/kmol250/106×30%250/106×70%×3×50%250/106×70%250/106×70%×3二、质量守恒恒原理邻二甲苯氧化化制酐物料平平衡图（5）建立物料平平衡图二、质量守恒恒原理举例二：酿造造车间的物料料平衡图二、质量守恒恒原理（3）物质循环利利用原理1、系统的物物质守恒二、质量守恒恒原理A.质量品质：物料能对过程程所做贡献的的性质，如纯度、浓度、、催化性能等。假设初始始进入的物料料具有最高的的品质，随着着物料在过程程中的转化、、混拌和使用用，品质逐渐渐降低，直至至降低到过程程能够使用的的品质低限。。物料根据其质质量品质可以以划分等级，，以便对物料料综合利用进进行深入考察察。二、质量守恒恒原理B.清洁生产是通通过废物最小小化、循环以以及再利用等等实现物料的的最大利用率率。1）物料分级串串联使用原则则：物料完全可可能按照品质质要求，分层层次串联使用用，提高原料料的使用效率率，节省物料料投入。2）最低品质使使用原则：在满足工艺艺要求的情况下下，应尽可能能使用低品质物料，降低低对高品质物物料的消耗。。3）废物循环利利用原则：废物的循环环和综合利用2、系统的能量量守恒二、质量守恒恒原理（1）能量转换的基基本原理能量系统蓄积的能量E动能、势能、热力学能（系统状态的函数）过程中系统和环境传递的能量功W、和热量Q（与过程相关）热力学第一定定律：ΔE=Q+W自然界一切物物体都具有能能量，能量有有各种不同形形式，它能从一种形式式转化为另一一种形式，从从一个物体传传递给另一个个物体，在转化和传传递过程中能量的总和不不变。A能量守恒与转转换定律能量是否利用用，利用的量量是多少，损损失的能量有有多少？2、系统的能量量守恒二、质量守恒恒原理（1）能量转换的基基本原理B能量贬值原理理㶲Ex：有用能，即即在给定的环环境条件下，，它可以连续续地完全转换换为任何一种种其他形式的的能量。能级：单位能能量中所含㶲㶲的多少，表表示能量品品位的高低，，即能的品质质系数。表征征了能量质量量(品质、品位)的优劣。能级=1：机械能、电电能、水水能、风能、、光能、声能能等.能级<1：热能2、系统的能量量守恒二、质量守恒恒原理（2）节能的热力学学分析方法2、系统的能量量守恒二、质量守恒恒原理（2）节能的热力学学分析方法能量衡算法——能量方程考虑虑了各种形式式的能量的情情况下，建立立起体系的能能量收支表，，查明能量损损失的数量以以及能量利用用效率。熵增法——耗损功方程式式可用能分析法法——可用能方程式式对过程或装能能量的转化、、利用和损失失情况进行分分析，找出能能量损失和损损耗的基本原原因，指出能能量利用上的的薄弱环节以以及进一步提提高能量有效效利用率。二、质量守守恒原理（3）节能的原则则与措施2、系统的能能量守恒原则三：充分用能。（1）防止能的降降质，如高压蒸蒸汽不宜节节流降压使使用，高温温气体不应应掺混降温温使用。采采用预热燃燃料、加压压燃烧、绝绝热燃烧等等先进燃烧烧方式充分分利用燃料料能源本身身的品质。。（2)全面利用，如对已降降质能量，，可采用再再热循环热热泵，提高高其品位利利用。其他：减少不可逆逆损失，如通过设备和和工艺路线线的改进来来减少不可可逆损失。。提高能量利利用率，如设备与管管道的保温温，降低排排烟温度，，减少摩擦擦损失。发展节能工工艺。三、生态学学理论1、自然生态态系统自然生态系系统：生物群落落与无机环环境构成的的统一整体体。最大的的生态系统统是生物圈。最复杂的生生态系统是是热带雨林林系统。生态系统的的组成：生产者：主要指绿绿色植物。。消费者：主要指动动物。食草草性动物、、肉食动物物分解者：微生物非生物环境境：无生命的的无机物、、有机物和和自然因素素（土壤、、空气、水水、矿质））三、生态学学理论自然生态系系统的功能能：1）.能量流动——能量输入、传传递、转化化和丧失的的过程。太阳能的固固定三、生态学学理论三、生态学学理论2）.物质循环生态系统的的能量流动动推动着各各种物质：：碳、氮、硫硫、磷，以及以DDT为代表的，，能长时间间稳定存在在的有毒物质等等在生物群落落与无机环环境间循环环。碳循环三、生态学学理论《寂静的春天天》作者怀疑，，DDT进入食物链链，是导致致一些食肉肉和食鱼的的鸟接近灭灭绝的主要要原因。DDT：杀虫剂、、农药，双对氯苯基基三氯乙烷烷。脂溶性、、难降解。。例：DDT美国的国鸟鸟白头海雕雕就曾受到到DDT生物富集的的影响。1952年～1957年间，白头头海雕的出出生率在下下降，研究究表明，高浓度的DDT会导致白头头海雕的卵壳变软软以致无法法承受自身身的重量而碎裂。直到1972年11月31日美国环境境保护署正正式全面禁禁止使用DDT，白头海雕雕的数量才才开始恢复复。3）.信息传递三、生态学学理论推动着物质质流动、能能量传递的的作用。形式多样，，营养信息息、化学信信息、物理理信息、遗遗传信息和行为信息息。例：莴苣、茄子子、烟草等的种子必必须接受某某种波长的的光信息才才能萌发。。蚜虫等昆虫虫的翅膀只只有在特定定的光照条条件下才能能产生。草原返青时时，“绿色色”为食草草动物提供供了可以采采食的信息息。三、生态学学理论2、产业生态态系统组成：生产产者、消费费者和分解解者。生产者：初级层次的的生产者：：利用基本本环境要素素生产出初初级产品，，如采矿厂、冶冶炼厂、火火电厂等；高级层次的的生产者进进行初级产产品的深度度加工和高高级产品的的生产。如如化工、肥料料制造、服服装和食品品加工、机机械、电子子产业。消费者：利用生产者者提供的产产品，同自自身运行发发展，同时时产生生产产力和服务务功能，如如行政、商业业、服务业业等。分解者：把工业企企业产生的的副产品和和“废物””进行处置置、转化、、再利用，，如废物回收公公司、资源源再生公司司等三、生态学学理论三、生态学学理论实现物质转转化、能量量流动的工工业活动，，在某种程程度上是与与生物活动动类似的。。两者都是按按取自环境境→生物体体（企业））→返回环环境的方式式运作，其其本质都是是一种代谢谢的过程。。产业生态系系统的设计计在某种程程度上是在在模拟自然然生态系统统。在产业生态态系统里，，能源和材材料的消费费被最优化化了，一个个过程的排排放物可以以作为另一一个过程的的原材料。。2、产业生态态系统产业生态系系统与自然然生态系统统的部分对对比三、生态学学理论一个良好的的产业生态态系统应该该是如下的的情况：生态系统惟惟一的能量量来源是太太阳能；浓缩的有毒毒物质只在在当地生成成和使用；；效率、生产产率与弹性性之间必须须处于动态态平衡，否否则可能导导致系统崩崩溃；通过物种的的高度多样样性和相互互之间复杂杂的关系，，生态系统统在遭受变变化时能保保持一定的的弹性，许许多关系是是通过自我我组织过程程来维持的的，而不是是自上而下下的控制；；在生态系统统内，每一一物种都独独立活动，，然而它们们的活动模模式与其他他物种的模模式联合结结成网络，，合作和竞竞争并存并并保持平衡衡。三、生态学学理论生态工业园园——生态产业系系统的重要要实践三、生态学学理论资料：生态工业园园区生态工业园园是建立在在一块固定定地域上的的由制造企企业和服务务企业形成成的企业社社区。在该该社区内，，各成员单单位通过共共同管理环环境事宜和和经济事宜宜来获取更更大的环境境效益、经经济效益和和社会效益益。整个企业社社区所能获获得的效益益比单个企企业通过个个体行为最最优化所能能获得的效效益之和还还要大。生态工业园园的目标是是在最小化参与与企业的环环境影响的的同时提高高其经济绩