本書以流程型工業(yè)生產(chǎn)過程及其環(huán)境行為為主線，主要介紹了借助工業(yè)代謝研究中常用的研究手段——物質(zhì)流分析等對流程型生產(chǎn)系統(tǒng)中物質(zhì)（及污染物）的代謝路徑、代謝去向及代謝量等開展識別、追蹤和量化研究的原理和方法以及應(yīng)用案例等，內(nèi)容涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析框架的建立，兩種不同角度和開發(fā)原理的模型（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和單元功能模型）建模過程與方法，并以鉛冶煉、鋁冶煉以及制糖和焦化等典型流程型工業(yè)生產(chǎn)過程為案例開展了應(yīng)用研究，旨在為行業(yè)清潔、綠色和可持續(xù)發(fā)展，加強污染的源頭預防和管控提供“精準治污、科學治污、依法治污”的技術(shù)方法和案例借鑒。
本書具有較強的針對性和技術(shù)應(yīng)用性，可供從事工業(yè)污染源控制與管理的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參考，也供高等學校環(huán)境科學與工程、生態(tài)工程、資源科學與工程及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

白璐，中國環(huán)境科學研究院，研究室主任、高級工程師，主要從事運用產(chǎn)業(yè)生態(tài)學基礎(chǔ)理論與工具進行工業(yè)污染防治的研究工作。
（1）探索性的開展了重金屬工業(yè)代謝分析研究，推動產(chǎn)業(yè)生態(tài)學科縱向深入與橫向拓寬發(fā)展。通過建立基于物質(zhì)流識別的冶煉過程工業(yè)代謝分析方法體系進行有色冶煉行業(yè)重金屬污染防控以及無組織排放環(huán)節(jié)與對策研究。針對傳統(tǒng)工業(yè)代謝分析方法多采用黑箱模型從而無法追蹤物質(zhì)代謝行為及其影響因素的缺陷，探索性的開發(fā)了高溫多元多相復雜體系的數(shù)學模型對冶煉過程重金屬物質(zhì)代謝行為進行預測和模擬，實現(xiàn)并建立了動態(tài)化的工業(yè)過程物質(zhì)代謝分析模式。上述成果作為重要支撐之一，于2016年獲中國有色金屬工業(yè)科學技術(shù)獎一等獎。
（2）運用生命周期評價對晶體硅太陽能電池行業(yè)的環(huán)境影響及污染防治技術(shù)進行評估。該研究成果于2016年獲國家能源局能源軟科學優(yōu)秀成果獎三等獎，并被進一步轉(zhuǎn)化為《多晶硅制造業(yè)污染防治技術(shù)政策》和《多晶硅及其制品工業(yè)污染物排放標準》，為多晶硅制造業(yè)環(huán)境管理提供依據(jù)。
（3）針對工業(yè)污染源類型多樣、工藝復雜、產(chǎn)排污環(huán)節(jié)眾多的特征，在對工業(yè)生產(chǎn)規(guī)律全面分析研究的基礎(chǔ)上，提出基于物質(zhì)代謝規(guī)律的產(chǎn)排污量分類核算方法，創(chuàng)建了產(chǎn)污工段劃分原則與方法，建立了納入運行效率的污染物削減量核算方法，作為第 一完成人編制了《第 二次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)排污量核算技術(shù)指南》、《第 二次全國污染源普查工業(yè)污染源產(chǎn)污系數(shù)制定（不含VOCs）技術(shù)指南》，指導各工業(yè)行業(yè)（42個大類、659個小類）開展產(chǎn)排污核算方法研究，為第 二次全國污染源普查工業(yè)源排放量核算提供了直接支撐。作為項目總技術(shù)協(xié)調(diào)人協(xié)調(diào)指導近百家承擔單位開展系數(shù)制定，同時作為二污普工業(yè)源技術(shù)骨干對全國各級技術(shù)人員進行培訓、技術(shù)答疑和指導，在普查的質(zhì)量提升、質(zhì)量核查、數(shù)據(jù)集中會審等重要工作中做出了突出貢獻。

工業(yè)代謝包括使經(jīng)濟系統(tǒng)得以運行（即生產(chǎn)和消費）的所有物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過程。作為產(chǎn)業(yè)生態(tài)學的重要組成內(nèi)容，工業(yè)代謝的主要研究目的是通過識別和追蹤這一系列轉(zhuǎn)化過程中某一研究對象（物質(zhì)或能量）的變化（代謝）反映其所在工業(yè)體系的運行機制，進一步通過機制調(diào)節(jié)和優(yōu)化這種代謝關(guān)系來達到保護生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目的。工業(yè)代謝的研究歷史迄今已近30年，在系統(tǒng)邊界和研究目標的確定、模型構(gòu)建、清單編制、分類方法、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果解釋等方面已經(jīng)基本形成了工業(yè)代謝分析方法的框架，而大量的國家、區(qū)域和產(chǎn)業(yè)部門的物質(zhì)代謝、經(jīng)濟與社會發(fā)展以及環(huán)境影響等層面的廣泛研究也使工業(yè)代謝成為辨識工業(yè)生產(chǎn)及其環(huán)境行為的重要理論基礎(chǔ)和工具。
根據(jù)工業(yè)代謝過程物質(zhì)流動和轉(zhuǎn)化的特點，以及產(chǎn)排污行為與生產(chǎn)要素響應(yīng)關(guān)系的一致性或相似性，工業(yè)生產(chǎn)可劃分為流程型生產(chǎn)和離散型生產(chǎn)。其中，流程型生產(chǎn)是對原材料以批量或連續(xù)的方式進行生產(chǎn)的過程，主要發(fā)生物理化學等變化。流程型生產(chǎn)包括傳統(tǒng)的重化工業(yè)，例如鋼鐵、有色、化工等重污染行業(yè)。本書以流程型工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)及其物質(zhì)代謝為主要對象，基于工業(yè)代謝的理念，在建立生產(chǎn)系統(tǒng)物質(zhì)代謝分析框架的基礎(chǔ)上，采用雙層結(jié)構(gòu)模型（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和單元功能模型）建模的方式識別、追蹤和量化流程型工業(yè)代謝過程中大宗物質(zhì)元素或環(huán)境影響較大的主要污染物的代謝行為。以鉛冶煉、鋁冶煉以及制糖和焦化等典型流程型工業(yè)生產(chǎn)過程為案例，分別對其進行了典型污染物的代謝分析研究（例如代謝路徑、最終代謝產(chǎn)物的去向及代謝量等），旨在為行業(yè)清潔、綠色和可持續(xù)發(fā)展，加強污染的源頭預防和管控提供“精準治污、科學治污、依法治污”的技術(shù)方法和案例借鑒。
本書由白璐、喬琦、張玥等著，具體分工如下：第1章由許文、白璐、鐘琴道、劉丹丹等撰寫；第2章由喬琦、白璐、張玥、李雪迎等撰寫；第3章和第4章由白璐、周瀟云、孫園園撰寫；第5章由白璐、喬琦撰寫；第6章由鐘琴道、喬琦、李艷萍、白璐撰寫；第7章由白璐、喬琦、孫園園撰寫；第8章由張玥、白璐、喬琦撰寫；第9章由畢瑩瑩、劉景洋、孫曉明撰寫；第10章由許文、孫曉明、劉景洋撰寫；第11章由李雪迎、張玥、白璐撰寫；第12章由劉丹丹、喬琦、張玥、白璐撰寫；第13章由白璐、張玥、喬琦、孫園園撰寫。全書最后由白璐、喬琦、張玥統(tǒng)稿并定稿。本書撰寫過程中得到了郝吉明、段寧、柴發(fā)合、孫啟宏等的幫助和支持，在此一并表示感謝。
限于著者水平及撰寫時間，書中難免存在不足和疏漏之處，敬請讀者提出修改建議。

著者
2023年1月

第1章 工業(yè)代謝 001
1.1　工業(yè)代謝及其分析方法 002
1.1.1　關(guān)于代謝的研究 002
1.1.2　工業(yè)代謝的起源及其發(fā)展 002
1.1.3　工業(yè)代謝的基本概念 004
1.1.4　工業(yè)代謝分析的研究對象和范圍 006
1.2　工業(yè)代謝分析的研究意義 007
1.3　工業(yè)代謝的分析方法 010
1.3.1　物質(zhì)流分析與元素流分析 011
1.3.2　投入產(chǎn)出分析 013
1.3.3　生命周期評價 014
1.3.4　生態(tài)足跡分析 015
1.3.5　能值分析 016
1.3.6　人類占用的凈初級生產(chǎn)量 017
1.3.7　常用分析方法的對比 019
1.4　工業(yè)代謝分析的研究與應(yīng)用 020
1.4.1　工業(yè)代謝的實證研究 020
1.4.2　流域尺度的代謝研究 022
1.4.3　金屬及重金屬工業(yè)代謝研究進展 022
1.4.4　流程型生產(chǎn)過程的物質(zhì)代謝研究進展 027
參考文獻 028

第2章 流程型工業(yè) 035
2.1　工業(yè)生產(chǎn)的類型 036
2.2　工業(yè)生產(chǎn)基本代謝過程 038
2.2.1　工業(yè)生產(chǎn)過程的代謝 038
2.2.2　社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的工業(yè)代謝 040
2.3　流程型生產(chǎn)與代謝特征 041
2.4　常見的流程型工業(yè) 042
2.4.1　鋼鐵行業(yè) 042
2.4.2　有色行業(yè) 044
2.4.3　水泥行業(yè) 046
2.4.4　醫(yī)藥行業(yè) 046
參考文獻 048

第3章 流程型行業(yè)代謝分析與評價基本方法 049
3.1　流程型工業(yè)代謝分析框架 050
3.1.1　基本步驟 050
3.1.2　確定研究范圍和對象 050
3.1.3　流程型工業(yè)物質(zhì)流識別 051
3.1.4　物質(zhì)平衡賬戶的建立 055
3.1.5　代謝分析與結(jié)果解釋 058
3.2　物質(zhì)流的靜態(tài)分析法 059
3.2.1　量化表征與評價分析 059
3.2.2　圖形表征與物質(zhì)流圖繪制 060
3.2.3　常用的制圖軟件 061
3.3　物質(zhì)流的動態(tài)分析法 064
3.3.1　冶金過程的數(shù)學模型法 065
3.3.2　化工過程的物料衡算法 065
參考文獻 066

第4章 工業(yè)代謝分析的數(shù)據(jù)及獲取 067
4.1　物質(zhì)流分析的數(shù)據(jù)需求 068
4.2　生產(chǎn)型數(shù)據(jù)獲取 071
4.2.1　國民經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒 071
4.2.2　工業(yè)統(tǒng)計年鑒 073
4.2.3　能源統(tǒng)計年鑒 073
4.2.4　實地調(diào)研數(shù)據(jù) 073
4.3　排放型數(shù)據(jù)獲取 074
4.3.1　生態(tài)環(huán)境調(diào)查與統(tǒng)計數(shù)據(jù) 074
4.3.2　工業(yè)污染源產(chǎn)排污系數(shù) 077
4.3.3　實測數(shù)據(jù) 077
4.4　數(shù)據(jù)的不確定性分析 078
4.4.1　蒙特卡洛分析方法 078
4.4.2　拉丁超立方抽樣方法 079
4.4.3　敏感性分析 079
4.4.4　概率分析 080
參考文獻 080

第5章 冶煉過程重金屬物質(zhì)代謝分析與評價——水口山工藝 082
5.1　我國鉛冶煉發(fā)展概況 083
5.1.1　鉛冶煉技術(shù) 083
5.1.2　鉛冶煉過程主要環(huán)境問題 086
5.1.3　研究背景和意義 087
5.2　SKS工藝中重金屬物質(zhì)代謝分析與評價 089
5.2.1　SKS工藝研究對象與系統(tǒng)邊界 089
5.2.2　鉛冶煉過程物質(zhì)流識別與確定 091
5.2.3　SKS冶煉過程工業(yè)代謝分析與評價 096
5.2.4　鉛冶煉過程重金屬污染防治環(huán)節(jié)分析 110
5.2.5　鉛冶煉過程的統(tǒng)計熵分析 114
參考文獻 124

第6章 冶煉過程鉛的代謝分析及優(yōu)化——富氧底吹液態(tài)高鉛渣直接還原工藝 126
6.1　富氧底吹液態(tài)高鉛渣直接還原工藝研究對象與系統(tǒng)邊界 127
6.1.1　研究對象概況 127
6.1.2　系統(tǒng)邊界及采樣方案 128
6.2　物質(zhì)流識別與確定 131
6.2.1　基本物質(zhì)流圖的構(gòu)建 131
6.2.2　數(shù)據(jù)獲取 132
6.2.3　鉛物質(zhì)流核算 134
6.3　富氧底吹液態(tài)高鉛渣直接還原工藝鉛物質(zhì)流代謝分析與評價 136
6.3.1　粗鉛冶煉過程鉛的物質(zhì)流分析 136
6.3.2　粗鉛精煉過程鉛的物質(zhì)流分析 140
6.3.3　鉛物質(zhì)代謝評價 142
6.4　重點污染物與重點工序分析 146
6.5　鉛物質(zhì)代謝優(yōu)化模型 147
6.5.1　模型構(gòu)建 147
6.5.2　模型邊際影響分析 149
6.5.3　生產(chǎn)過程鉛物質(zhì)流優(yōu)化模型分析 151
參考文獻 156

第7章 典型冶煉工序重金屬代謝行為模擬——富氧底吹BBF-ME模型  157
7.1　火法冶煉過程的模型模擬 158
7.1.1　建模方法的選擇 158
7.1.2　基于元素勢法的多相平衡模型構(gòu)建 160
7.2　BBF-ME模型的建立 164
7.2.1　研究對象及概況 164
7.2.2　模型的簡化與假設(shè)條件 166
7.2.3　熔煉平衡時反應(yīng)體系構(gòu)成 167
7.2.4　確定計算所需參數(shù) 167
7.3　底吹爐熔煉過程模型計算實例 169
7.3.1　計算結(jié)果 169
7.3.2　模型的驗證 170
7.4　底吹爐工序工業(yè)代謝模擬 170
7.4.1　原料成分對Pb代謝行為的影響 171
7.4.2　熔煉溫度對Pb代謝行為的影響 174
7.4.3　加氧量對Pb代謝行為的影響 176
參考文獻 178

第8章 電解鋁工業(yè)代謝分析 180
8.1　我國鋁業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 181
8.1.1　電解鋁業(yè)概況 181
8.1.2　主要生產(chǎn)工藝 184
8.1.3　行業(yè)產(chǎn)排污現(xiàn)狀 185
8.2　鋁的主要產(chǎn)品及典型代謝關(guān)系識別 189
8.2.1　鋁的主要產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)鏈 189
8.2.2　典型鋁產(chǎn)業(yè)園區(qū)物質(zhì)代謝關(guān)系識別 195
8.3　我國鋁行業(yè)物質(zhì)流分析 200
8.3.1　鋁行業(yè)的物質(zhì)代謝研究方法 200
8.3.2　2020年我國鋁業(yè)的物質(zhì)流分析 203
參考文獻 206

第9章 資源再生行業(yè)廢物流代謝分析 207
9.1　資源再生行業(yè)發(fā)展概況 208
9.1.1　廢棄資源綜合利用的主要品種 208
9.1.2　再生資源行業(yè)的布局 210
9.1.3　再生資源行業(yè)的發(fā)展特點 210
9.2　再生資源物質(zhì)流圖及構(gòu)建方法 211
9.2.1　再生資源物質(zhì)流 211
9.2.2　再生資源物質(zhì)流圖及其構(gòu)建方法 213
9.3　典型資源再生過程物質(zhì)代謝 214
9.3.1　靜脈產(chǎn)業(yè)園再生資源代謝模式 214
9.3.2　我國廢PET飲料瓶物質(zhì)代謝模式分析 219
參考文獻 222

第10章 制糖工業(yè)共生系統(tǒng)及代謝分析 223
10.1　我國制糖行業(yè)發(fā)展概況 224
10.1.1　制糖行業(yè)概況 224
10.1.2　主要產(chǎn)品和工藝 224
10.1.3　行業(yè)產(chǎn)排污現(xiàn)狀 226
10.2　制糖工業(yè)代謝類型及其主要特征 229
10.3　制糖生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu) 229
10.4　廣西貴糖集團制糖生態(tài)工業(yè)模式及代謝分析 231
10.4.1　廣西貴糖生態(tài)工業(yè)雛形 232
10.4.2　貴糖模式的生態(tài)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型 232
10.4.3　貴糖模式的代謝類型及主要特點 233
10.4.4　廢物循環(huán)利用的區(qū)域環(huán)境效應(yīng) 234
參考文獻 236

第11章　工業(yè)集聚區(qū)能源代謝與碳排放 237
11.1　我國工業(yè)集聚區(qū)概況  238
11.1.1　我國工業(yè)集聚區(qū)的表現(xiàn)形式與現(xiàn)狀分布 238
11.1.2　工業(yè)集聚區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源消耗 239
11.2　工業(yè)集聚區(qū)碳排放核算與代謝分析方法 240
11.2.1　核算框架與技術(shù)流程 240
11.2.2　燃料燃燒排放 241
11.2.3　工業(yè)生產(chǎn)過程排放 242
11.2.4　電力、熱力調(diào)入與調(diào)出產(chǎn)生的排放 242
11.2.5　廢棄物處理 243
11.3　典型集聚區(qū)碳排放代謝分析 247
11.3.1　化工行業(yè)主導型集聚區(qū)碳排放代謝分析 247
11.3.2　電子行業(yè)主導型集聚區(qū)碳排放代謝分析 253
參考文獻 261

第12章　流域總磷的工業(yè)代謝分析 262
12.1　長江流域總磷的工業(yè)代謝分析 263
12.1.1　長江流域概況 263
12.1.2　研究范圍與系統(tǒng)邊界 266
12.1.3　分析方法與研究手段 266
12.1.4　總磷的代謝分析 268
12.2　沱江流域總磷的工業(yè)代謝分析 271
12.2.1　沱江流域概況 271
12.2.2　研究范圍與研究方法 271
12.2.3　總磷的代謝分析 272
參考文獻 275

第13章　流程型工業(yè)代謝分析研究展望 276
13.1　用于提升工藝代謝效率和清潔化改造 277
13.2　用于開展工業(yè)生產(chǎn)過程的減污降碳協(xié)同路徑分析 278
13.3　用于流域和區(qū)域的工業(yè)污染溯源 278

附錄  279
附錄1　生產(chǎn)過程物質(zhì)平衡賬戶建立調(diào)研表 280
附錄2　富氧底吹-鼓風爐煉鉛工藝案例中各工序Pb物質(zhì)平衡賬戶 289
附錄3　底吹爐熔煉過程數(shù)學模型 291

索引  295