石油和化工行业循环经济系列报道（4）
生态工业园区和过程工业生态化建设
——化工园区实现循环经济的杰出实践方案
□胡山鹰  金涌
　　编者按：近年来，我国化工园区发展势头迅猛，目前经省级以上人民政府批准设立的化工园区已达60多个。
随着化工行业“循环经济”发展的如火如荼，化工园区作为化工行业的重要组成部分，已经成为实现资源综合利用
和优化配置、实现循环经济的重要载体。“十一五”期间，我国将推动建成一批符合循环经济要求的资源节约型和
环境友好型的化工园区，以促进整体行业的良性发展。——化工园区究竟如何真正实现“循环经济”已经成为各个
地区化工园区迫切面对的问题。
　　作为循环经济核心理论——“生态工业”的杰出实践者，清华大学生态工业研究中心长期以来致力于生态工业
园区和循环经济理论研究和实践。近年来该中心与国家发改委和环保总局就生态工业和循环经济开展了密切合作，
承担了鲁北生态工业模式研究、抚顺矿业集团生态工业园区规划等15个生态工业园区和循环经济试点的规划及研
究工作，其中有10个项目已通过相关组织的鉴定，得到社会各界的高度评价。本刊有幸邀请到中国工程院院士、
清华大学教授金涌领导的研究中心课题组专家撰文，为我们推荐了一些化工园区实现“循环经济”的代表性方案，
希望为我国化工园区的可持续发展贡献绵薄之力。
　　一、生态工业园区的基本模式
    生态工业是指仿照自然界生态过程物质循环的方式来规划工业生产系统的一种工业模式。生态工业园区是生态
工业的实践，是包含若干工业企业，也包含农业、居民区等的一个区域系统。在生态工业园区内的各企业内部要实
现清洁生产，并且在各企业之间实现废物、能量和信息的交换，以达到尽可能完善的资源利用和物质循环以及能量
的高效利用，使得区域对外界的废物排放趋于零，达到对环境的友好，实现经济、环境和社会的协调发展。
迄今为止，生态工业园区的发展模式主要有以下4种类型：
　　1.全新规划型
　　该类园区在良好的规划和设计的基础上从无到有地进行建设，主要吸引那些具有“绿色制造技术”的企业入园，
并创建一些基础设施使得这些企业间可以进行废水、废热等交换。这类工业园投资大，对成员的要求较高。主要案
例有美国的查尔斯角生态工业园、Choctaw生态工业园，以及我国的南海生态工业园和长沙生态工业园。
　　2.综合改造型
　　对现在已经存在的大量的工业企业通过适当的技术改造和进一步的发展，在区域内建立废物和能量的交换，实
现产业的共生耦合。主要案例有丹麦的卡伦堡工业共生体系、美国的巴尔的摩生态工业园、恰塔努加生态工业园，
我国有苏州生态工业园、大连生态工业园、天津泰达生态工业园、烟台生态工业园、贵阳磷煤生态工业示范基地等。
　　3.联合企业型
　　以某一大型企业为主导，进行产业链的纵向延伸和横向耦合，实现生态化发展。园区内不同类型的企业往往属
于同一个主体，可以实现资源的共享共管，易于实施，具有较好的柔性。这类园区在我国得到广泛发展，有贵港生
态工业(制糖)示范园区、鲁北生态工业园区、抚顺矿业生态工业园区、本钢循环经济试点、锦天化生态科技园区等。
     4.虚拟型
　　虚拟生态工业园区不严格要求其成员在同一地区，它通过建立计算机模型和数据库，在计算机上建立起成员间
的物料或能量联系，实现多方位、长短结合的综合利用，实施跨地区的合作。虚拟生态工业园区可以省去一般建园
所需的昂贵购地费用，避免进行困难的工厂迁址工作，具有很大的灵活性，缺点是可能要承担较高的运输费用。这
类园区见诸报道的只有美国与墨西哥交界的Brownsville生态工业园，我国尚未有这类园区建设，但是由于各类园
区和外界均有大量的物能交换，这类园区将来可望得到很好的发展。
　　二、过程工业生态化的基本原则
    生态工业最基本的原则来自于自然生态系统的类比，包括物质循环、多样性、因地制宜和渐进演化这4个方面，
这些原则在不同的过程中有不同的具体表现形式。对于过程工业而言，要实现生态化发展，应遵循如下原则。
　　1.工业共生原则
　　在资源转化过程中高效率、低物耗和能耗的技术，常需要打破传统工业技术门类的分割。例如生铁的冶炼，世
界不少国家提出采用熔池法，即铁矿石用粉煤直接还原，减少了炼焦过程的污染、克服了炼焦用煤种资源不足的限
制；另一方面把C→CO（110.5kJ/mol） 的氧化反应用于有效铁矿石还原，而CO→CO2（283.0kJ/mol）用于制氢或
水煤气生产，进而作为合成甲醇、二甲醚、乙烯等化工原料，或直接作为氢能用于燃料电池或联合循环发电，从而
提高热电转换效率，形成了一个冶金、化工、能源工业过程的优化组合。
　　2.演变进化原则
　　首先，物质转化过程应适应资源结构的改变，使技术不断演变进化。如我国对原油需求高速增加，由此催生煤
和天然气的液体燃油转化技术；黑钨矿资源的枯竭而产生对白钨矿高难冶炼技术的需求，以及我国高硅铝矿石的冶
炼技术等，都属适应资源改变所致。
　　其次，为适应环境指标要求的提高，也驱动工业技术演变进化。例如合成环氧丙烷有多种不同的工艺流程，如
果用原子利用率ε（ε＝目的产物的分子量/所有产物分子的总合）作为度量清洁生产的指数时，则有氨醇法、液
相氧化法、气相氧化法3种不同工艺可供选择。
　　第三，新的科学发现或技术进步也会导致工业技术的演变进化。例如石油裂解技术随着催化剂的进步，反应器
从20世纪40年代氧化铝移动床反应器发展至50～60年代的流化床反应器；70～90年代分子筛催化剂开发成功，
则需要反应时间更短的提升管反应器相匹配；21世纪进而开发下行床裂解工艺，使技术不断完善。
　　3.资源循环利用原则
　　从重要元素如碳、硫、氯、铬……的工业代谢分析入手，研究资源循环利用，既可节约资源消耗，又可以减少
污染。以氯为例，氯元素参与许多重要工业反应，但不进入最终产品，最终生成HCl副产物。如果能开发出节能的
HCl→Cl2的技术，可以实现氯元素循环利用。如采用部分氧化法即可实现低能耗氯元素重复利用。
　　4.产品灵巧化原则
　　根据市场对产品功能需求来设计和制造产品称之为产品工程，也是有利物流高效利用和减量化的好方法，如灵
巧化肥的合成：我国氮肥产量和消费量居世界第一，利用率仅为30%～35%；磷肥产量居世界第二，消费量为世界
第一，利用率仅为10%～20%；钾肥产量居世界第一，消费量为世界第二，利用率为35%～50%。其主要原因为化肥
在土壤中分解速率与植物吸收速率不匹配，造成资源浪费和水系污染。如果生产出能够跟随植物生长周期需求而相
应变化释放速率和成分的灵巧化肥，则污染和节约资源问题可以同时解决。同样的技术可用于灵巧农药、致导型药
品、高品质包膜涂料（钛白）等制备。
　　5.柔性原则
　　自然生态系统中生态链的多重网状结构使其具有很大柔性，局部链结出现问题，不会影响整体的功能和效率。
工业工程中，应同样开发多联产工艺以体现其柔性。
　　6.低物耗转化工艺优先原则
　　具有同样功能的产品的品种选择时，以低物耗工艺优先。如煤液化生产车用燃料有以下产品和工艺可供选择：
①煤直接加氢液化，产品为劣质柴油，需加氢重整，后续加工物耗能耗高，折合约5.5t标煤合成1t液体燃料。②
煤间接液化，产品为劣质汽柴油，也需要后续加工改质，约5t标煤合成1t液体燃料。③合成甲醇，可以与汽油混
用或单独使用，单独使用时由于能量密度低，发动机出力较低，不可以电喷，有毒性，但物耗能耗低，折合约2.5t
标煤合成1t液体燃料。④合成二甲醚，十六烷值高于柴油，由于沸点低，噪音低于柴油车10分贝，排气清洁度符
合欧Ⅲ标准；燃料含氧，所以完全燃烧时气缸内吸入的氧和氮气量少，故仍可保持较高发动机效率，单位行车里程
耗用二甲醚与柴油基本相同；尽管二甲醚的热值低于柴油，但是合成1t二甲醚标煤耗用量仅为2.6t左右，因此被
世界公认为清洁代用燃料。特别是如采用一步浆态床合成工艺，单程转化率可达60%～90%（二步法甲醇单程转化
率仅8%～14%），使成本大大低于柴油，有很强的竞争能力。
　　7.能量的梯级利用原则
　　该原则已在化工、能源、石油、材料等领域被广泛采用，如逆流热交换原则、利用夹点技术进行企业换热网络
规划等。
　　8.低能耗转化技术优先原则
　　达到同样功能的产品或达到同样效能的工艺应优先选择低能耗者，例如正在开发的氢等离子体煤粉合成乙炔技
术，由于钙元素不再介入转化过程，与传统电石法相比可减少能耗35%，减少废渣、废水和废气排放，既节能又环
保。再例如物质分离过程，能耗由大至小排序为精馏、萃取－反萃、吸附－脱附、膜技术等。当然应首选低能耗工
艺。
　　9.生化技术优先原则
　　生物过程经过数十亿年的进化是惟一的逆熵过程，至今人类没有能制造出可与叶绿素、根瘤菌相媲美的大规模
合成催化剂和催化技术。当前已经可以用生物化工技术规模化合成乙醇、1,3-丙二醇、丁二醇、乳酸、1,2-苯二酚，
维生素C等。生物化工的优势在于反应条件温和、选择性高、能耗低、污染少，主要不足之处是反应速度低，需要
开发大型化生产技术。
　　10.清洁生产工艺优先原则
　　清洁生产包括以下内容：①使用无毒害原料、溶剂、催化剂新工艺代替传统污染工艺；②生产对环境友好的产
品，代替可造成污染的产品；③采用对环境友好的工艺路线。
新工艺和设备的改进也可带来清洁工艺，如传统钾肥生产技术是以氯化钾与硫酸反应，而副产盐酸价值较低。新工
艺采用芒硝与氯化钾进行复分解与结晶分离相结合，可同时得到有用的钾肥（K2SO4）和食盐，而且无需耗用硫酸，
该工艺在国内已实现工业化。
　　11.全生命周期清洁产品原则
　　生态工业工程要求产品从生产原料、生产过程、使用、再循环利用或废弃、回归自然的整个过程都是清洁的，
能与自然生态相融合。典型例子为光降解塑料和生物降解塑料的合成，如以玉米为原料特别是以植物秸秆为原料的
聚乳酸塑料合成工艺逐渐成熟，2001年美国已投产一套13.6万t/a装置。由微生物在体内合成的高分子聚羟基丁
酸酯（PHB），通过高效菌种筛选，在国内已完成工程研究，它与人体有很好相溶性。
　　12.粘合技术开发优先原则
　　在生态工业园区规划过程中，会发现许多“网”、“链”的断点，研究开发新的粘合技术可以提升原有生态园区
的水平。我国自行开发成功的数十万吨级磷石膏分解技术，就可把磷肥厂、水泥厂、高硫煤矿和硫酸厂链接在一起，
形成一个紧密型的“生态群落”，有效地解决了磷石膏污染问题，又使资源得到合理利用。粘合技术既可用于加大
多种产业集成的柔性，又可形成紧密型的生态群落。
　　三、过程工业生态园区实践案例
    清华大学化工系生态工业研究中心近年来开展了鲁北生态工业模式研究、抚顺矿业集团生态工业园区规划等
15个生态工业循环经济的规划实践工作，基本上都和过程工业有关，下面对其中的几个典型案例进行介绍。
　　1.开阳磷煤化工生态工业示范基地
　　该示范基地的规划包含从资源的开采、生产到高端产品加工，以及副产物和废弃物的再生循环整个过程。特别
是以磷、煤多资源重化工业为主的产业基地是国内先例。围绕磷、煤两种资源建立示范基地，通过产业链的横向耦
合共生和纵向延伸发展，废弃物的资源化利用，工业生态化建设与地质灾害治理、生态移民相结合，充分体现经济、
社会与环境协调发展的生态思想，实现磷、煤化工产业升级、产品结构调整，完成资源型产业生态化的转型，详见
图1。
　　2.抚顺矿业集团生态工业园区
　　这是一个资源枯竭型企业接续产业的发展和生态化转型的典型案例。首先充分分析抚矿集团现状，找到制约集
团发展的关键问题，进而设计了如下多元化发展模式：建设生态工业园区，依靠资金激活和技术注入，依托现有产
业基础，首先发展资源的综合利用和深加工体系，完成工业结构转型；同时进行环境治理和生态恢复，发展生态农
业、休闲观光和工业旅游等项目，形成有一定经济效益的生态环境产业；最终实现产业转型，建立生态产业。这样
既解决产业接续和下岗失业问题，又成功借鉴鲁尔经验，形成具有鲜明特色的生态化工业转型模式。
　　3.贵阳国华天成磷业有限公司循环经济试点方案
　　这是企业层面按照循环经济理念推进工业循环体系建设的示范企业。试点方案依据生态工业、化学工程、系统
科学的基本原理，按照生态效率原则、绿色先进原则、系统协调和渐进演化等原则，对公司的电炉法黄磷生产过程
提出了熔融态黄磷渣热态直接熔制技术，评价了直接利用黄磷生产中排放的熔融磷渣、磷渣高温余热和黄磷尾气组
合的6种可行方案，并对所提出的多产品共生方案中的产品进行了市场和工艺分析，最后分析了该方案的经济、环
境和社会效益，提出了方案实施计划。
　　4.鲁北生态工业系统
　　运用工业生态学、系统工程、化学工程的理论和方法，从元素代谢与物质循环、工业共生、柔性、演变进化、
能量集成、水集成、关键链结技术、与自然生态协调、信息系统9个方面，对鲁北生态工业系统的3条生态产业链
进行了定量的分析与比较，得到了平均路径长度、原子利用率、共生效益、柔性指数、生态生产力等一系列生态系
统特性指标，建立了一套系统的生态工业分析方法和指标。在上述分析的基础上，总结了鲁北生态工业系统的特点，
系统内所有物质和能量实现了合理利用，形成了一个结构紧密的、所有资源共享共管的联合企业型生态工业模式。
在此基础上进一步提出了鲁北生态工业园区未来发展的规划。
以上几个生态工业园区目前都在按照规划进行建设中。
　　四、 结语
    生态工业和循环经济对我国的可持续发展十分重要，由于过程工业的资源、能源、环境特点，对其开展生态化
建设非常必要，并且有巨大的潜力。
　　1.循环经济和生态工业园区规划对地方和企业的发展有重要的指导作用。通过对当地优劣势的全面分析，提出
系统的发展战略、项目建议和支持保障体系规划，为进一步发展指明了方向和具体措施。
　　2.在规划的基础上，生态工业和循环经济的深入发展重在具体项目的落实和实施。
　　3.生态工业和循环经济的最终实现，产业技术是其中最关键的一环。没有先进的工艺技术，就难以实现资源的
高效利用、废物的减量化和资源化等生态化目标。
　　4.目前我国生态工业和循环经济发展虽然非常迅速，但也存在着过热、一哄而上，而又普遍水平较低、认识不
到位、炒作概念不落实以及名不副实等问题，需要在发展中逐步加以解决。
　　5.为满足我国生态工业和循环经济实践发展的需要，学术界应加快对相关理论方法和关键技术的研究开发。