清洁生产审核中的物质流与实例分析

清洁生产审核中的物质流与实例分析
马武生;蒋建国;于智勇;鲍家泽
【摘要】通过物质流动的源、路径及汇的分析和定量地确定流的量、成分及去向,可以获得提高物质利用效率、减少废弃物产生和降低能耗的有效方法,指导清洁生产方案的制定.具体清洁生产审核工作中的物质流分析包括物料平衡、水平衡、特征污染因子平衡和能量平衡分析.对清洁生产审核工作中物质流分析的步骤进行了归纳梳理,分析了实际审核工作中常遇到的问题和难点,并举例分析了物质流的四种常用平衡,以为审核工作者提供有益的思路和参考.
【期刊名称】《安全与环境工程》
【年(卷),期】2016(023)001
【总页数】6页(P5-10)
【关键词】清洁生产审核;物质流分析;物料平衡;能量平衡
【作者】马武生;蒋建国;于智勇;鲍家泽
【作者单位】扬州市职业大学生物与化工工程学院,江苏扬州225009;江南大学环境与土木工程学院,江苏无锡214122;扬州市职业大学生物与化工工程学院,江苏扬州225009;扬州市职业大学生物与化工工程学院,江苏扬州225009;扬州市职业大学资源与环境学院,江苏扬州225009
【正文语种】中文
【中图分类】X38
如何实现企业的“节能、降耗、减污、增效”，从而实现可持续发展的终极目标，开展真实、准确的系统内部物质流分析是一重要途径。

物质流分析是指在一定时空范围内对特定系统内物质和能量的输入、迁移、转化、输出进行定量化的分析，主要涉及物质流动的源、路径及汇，是建立在质量平衡定律、生命周期评价和资源利用投入产出基础之上的一种评价方法[1]。

通过对物质流的系统分析，可以查找物料、能源等的流动路径，从而获得提高物质利用率、减少废物产生和降低能耗的方法，指导政策措施和经济活动[2-3]。

因此，物质流分析已成为一种广泛使用的决
策支持工具，其包括过程控制、资源管理、废物处理、环境管理、产品设计和生命周期评价[4]。

具体清洁生产审核工作中物质流分析包括物料平衡、水平衡、特征污染因子和能量平衡分析。

物料平衡测算(物料衡算)是清洁生产审核阶段核心工作内容之一，其目的是发现物料流失的环节，找出废弃物产生的原因，查找物料储运、生产运行、管理以及废弃物排放等方面存在的问题，寻找与国内外先进水平的差距，为清洁生产方案的产生提供依据[5]。

建立物料平衡的基础和依据是对生产过程中的物料输入、输出进行实测，根据质量守恒开展物质流平衡关系分析，进而通过平衡结果开展物料平衡及废弃物产生原因的分析，并依据原因和问题产生途径有针对性地提出可行的清洁生产方案。

目前基于质量守恒原理的物料平衡分析已多有研究[6-8]。

从严
格意义上说，水平衡是物料平衡的一部分，水若参与反应，则是物料的一部分，但在许多情况下，它并不直接参与反应，而是作为清洗和冷却之用。

在这种情况下并当审核重点的耗水量较大时，为了了解耗水过程、寻找减少水耗的方法，还需要开展水平衡实测与分析。

除此之外，对于参与反应的物质复杂且特征元素显著的工艺，由于其对能耗与产污量至关重要，在开展物料平衡分析的基础上，还需进一步对该特征物质或元素进行特征污染因子平衡测算，建立元素平衡。

最后，还需要开展能量平衡测算，定量揭示企业耗能状况，进而准确知晓单位产品能耗、能源有效利用
率、能源转换率和能源转换损失率及节能率等重要指标，才能实现企业增效之目标。

如徐新年等对铝电解生产工艺中的能耗进行详尽的分析，并提出了合理的改造方案。

本文根据清洁生产审核工作中所遇到物质流平衡测算的问题和难点，总结出几点方法途径或对策，并列举实例分析，以期为广大清洁生产审核工作者提供些许参考。

开展物质流分析与测算，首先需要做细致的准备工作，才能获得准确可靠的数据，如现场实测计划的制定(监测项目、监测点、实测时间和周期、实测条件、现场记
录和数据单位等)、监测仪器和计量器具的校验；然后对输入输出物质流进行实测，包括物质流的数量、组分和实测时的工艺条件；最后根据实测数据建立平衡关系，定量地确定流的量、成分及去向，从而发现过去未被注意的流损失，为研制清洁生产方案提供科学依据。

基于3W原则下的物质流分析步骤如图1所示。

2.1 物质流实测的难点
一般来说，如果物质流输入总量与输出总量之间的偏差在5%以内，则可以用物质流平衡的结果进行有关评估与分析，但对于贵重原料、有毒成分等的物质流平衡偏差应更小或应满足行业要求。

如果物质流平衡误差大，那么分析结果将没有实际意义，也不会解决企业主要问题，甚至对清洁生产方案的制定产生误导。

因此，真实客观地对生产过程中的物质流输入、输出开展实测工作尤其重要。

在实际工作中，物质流实测工作一般存在如下难点：
(1) 物质流的计量仪表配置缺乏是实测工作的首要难点。

没有完善准确的计量器具配置，就不能为生产和生活的各个环节提供可靠的数据，它同时也是评价一个企业管理水平的一项重要标志。

对于用能和水，大多企业配置了一级计量仪表，而缺乏车间及机台班组的二、三级计量仪表配置，不符合《用能单位能源计量器具配备和管理通则》(GB 17167—2006)中相关规定要求。

(2) 不具备特定污染因子测定条件。

环境职能部门例行开展的环境监测往往不能满足物料平衡测算工作的要求，而企业又不具备实地分析特定污染因子的检测条件。

对于此种情况，审核人员应督促企业委托具有相应资质的单位开展实测工作。

(3) 生产过程中物料的投入产出计量不甚明晰。

多数企业在生产过程中凭经验投料是清洁生产审核工作中常遇到的问题，甚至技术人员也仅知道投入原料和产出的估值，并以此判断生产过程是否正常，而生产工艺中具体工序或单元操作的计量更无从谈起。

对于此类情况，审核人员应要求企业技术人员在正常工况下对各单元进行计量，并根据企业常年报表做辅助参考。

(4) 对连续生产工艺的各单元或工段物质流实测存在困难。

对于连续生产工艺，如电镀自动生产线，实测时可将整个生产线视为一个封闭系统，将该系统中的存量作为常量，仅考虑系统的原料投入和最终产出计量即可。

2.2 物质流衡算与分析途径
绘制物质流平衡图之前须把审核单元操作的输入、输出标示在工艺流程图上，包括主要的产品、副产品、中间产品、气体排放物等，然后标明其成分和数量，并在此基础上，寻找废弃物及产生部位，阐述物料平衡结果，对审核重点的生产过程做出评估，包括：物质流平衡的偏差，实际原料利用率，物料流失部位(无组织排放)及其他废弃物产生环节和产生部位，废弃物(包括流失的物料)的种类、数量和所占比例以及对生产和环境的影响部位等。

针对每一个物料流失和废弃物产生部位的每一种物料和废弃物进行分析，找出它们产生的原因，具体分析途径可从影响生产过程的8个方面来进行,详见图2。

3.1 物料平衡分析
3.1.1 实测数据
某化工有限公司歧化松香钾皂生产车间为清洁
生产审核重点。

审核小组对钾皂车间10批次25%歧化松香钾皂生产情况进行了物料平衡实测工作，并在实测工作结束后，对实测的数据进行了汇总和分析，钾皂车间物料平衡实测数据见表1，建立的物料平衡图见图3。

3.1.2 物料平衡分析
投入产出数据为工序单批投料量和产出量；投料数据来源于投料记录，产出数据来源于产出记录；固体物料投料量和产出量为称量数据，液体投料量为称量数据和体积测算数据；废气、废水为测算数据；投入产出误差为0.51%，符合物料平衡误
差要求。

3.1.3 废弃物产生原因分析和改进措施
通过物料平衡计算，歧化松香钾皂生产过程中歧化松香过量，这些过量原料存在于成品储罐，且其主要损耗途径为废气和固态杂质。

主要生产单元操作分析情况如下：(1) 歧化松香熔解工序：该工序目前原料有歧化松香和蒸汽。

歧化松香是生产工艺主要的废气污染源，另外是在熔解过程中形成的固态杂质。

因此熔解工序操作是非常关键的操作，要求制定严格的操作规程并严格执行，尽可能减少挥发性有机物(VOC)的产生。

(2) 氢氧化钾溶解工序：生产采用高品质片状氢氧化钾，其含量≥90.0%，投料采
用手工投料，因此配料比不够精确，且投料过程中会有一定损失，建议改为定量溶解后隔膜泵输送配料。

另外，提高氢氧化钾的纯度有利于提高产品质量。

(3) 皂化反应工序：皂化反应中氢氧化钾投加不足，从理论上分析可以进一步增加氢氧化钾的投料量，优化投料配比，从而提高产品的品质。

针对该企业每一个物料流失和废弃物产生部位的每一种物料和废弃物进行分析，可找出污染物产生的原因。

具体分析途径可从影响生产过程的8个方面来进行，具
体分析情况见表2。

3.2 特征污染因子平衡分析
3.2.1 实测数据
江苏某电源电池有限公司主要生产高容量全密封免维护铅酸蓄电池，生产一车间为清洁生产审核重点。

根据实测期间审核小组对重点车间生产全过程材料投入及回料
的平衡测试，获取了特征污染因子(铅)的物料平衡实测数据，具体见表3，建立的
特征污染因子(铅)平衡图见图4。

3.2.2 物料平衡分析
从特征污染因子(铅)物料平衡数据结果分析，98.50%转化为产品，铅渣、铅泥可
全部集中回收，部分不合格品返工会产生能耗、人力、物力等消耗，符合物料平衡误差要求。

3.2.3 清洁生产方案的产生
铅酸蓄电池生产过程中铅烟、铅尘主要来自称片、配组包膜、焊接等工序。

清洁生产方案制定应尽量减少铅的有组织排放，杜绝无组织排放。

相应清洁生产方案如下：(1) 自动装配生产线改造。

包括自动极群配组包膜、自动铸焊、自动穿壁焊、自动槽盖热封、自动加酸、化成工序和自动气密性检查，以期提高生产效率，减少铅尘、铅渣产生与排放。

(2) 车间地面防渗处理改造。

涉铅区域做全封闭防护隔离，地面做防渗处理。

(3) 铅烟治理设施改造。

处理设施由一级处理(脉冲袋式除尘)基础上加装一组水雾
喷淋过滤处理装置，使除尘效率至98%以上。

(4) 铅尘处理系统改造。

处理设施在原有“脉冲袋式除尘+水雾喷淋过滤处理”基
础上，在处理单元前加装旋流式除尘器，增大100~200 μm粒径铅尘的去除效果，并增大原铅尘处理设备排烟量，涵盖所有涉铅工段，使除尘效率至99%以上。

(5) 强化生产操作规程。

加强化成槽负压检查、现场清洗水收集检查、酸雾正常收集检查、集气罩负压运行检查、废水及废气处理设施正常运行检查等，以期提高铅烟、铅尘等处理效果，减少污染物无组织排放量。

3.3 水平衡分析
3.3.1 实测数据
江苏某船舶制造公司为审核重点，审核小组对该公司开展了为期3天的用水实测，
各用水点水平衡实测数据见图5。

3.3.2 水平衡分析
由图5可知，该企业生活用水占比为78.6%，无回用水使用。

根据该企业用水实
测数据，并与国内先进造船企业用水指标进行对比(见表4)可知，由于该企业水耗
过高，造成废水排放量过高，引起COD排放总量增加，故节水是清洁生产方案产生重点之一。

3.3.3 清洁生产方案的产生
根据该企业用水，尤其是生活用水量大的特点，审核小组制定的清洁生产方案如下：(1) 完善污水管网建设与中水回用系统建设，厂区清洁废水进行中水回用，以减少新鲜水的消耗。

(2) 制定单位产量用水消耗指标，建立各车间废水排放总量考核办法。

3.4 能量平衡分析
3.4.1 实测数据
经能量消耗测算，某重工集团有限公司各车间用能比例见图6，故钢构车间用能最大，占总能耗的54.8%。

结合该企业各车间废物产生量、环境代价、原料及废物
毒性、清洁生产潜力等因素，确定钢构车间为本轮审核重点。

在生产过程中，审核重点能源类型主要为电能、氧气、乙炔气、天然气、氮气和氩气等。

审核重点实测期间能源消耗结构见表5。

3.4.2 用能分析
由表5数据可知，审核重点主要用能为乙炔和电能，其比例分别达到44.6%和38.4%，故乙炔和电能存在较大的节能空间。

3.4.3 清洁生产方案的产生
根据该企业能源消耗实测数据，节能方案制定中应尽量降低乙炔和电能的消耗，故相应的清洁生产方案如下：
(1) 乙炔气在运输、储存、使用过程中存在安全
性低、环保指标低、能效比低等缺点，以天然气替代乙炔气切割是当前一种新型绿色环保安全节能切割技术。

(2) 企业总装机容量为2 000 kW，而视在功率约为875 kVA，负载率仅为
31.25%，因此供电系统存在“大马拉小车”现象。

(3) 除尘、换气风机目前尚未安装变频器，存在较大节能潜力。

(4) 电焊机安装节能防触电保护器，降低次级电压，减少电损，以增强操作安全性。

清洁生产审核需要通过系统科学的程序来实现，物质流分析即是审核过程中实现系统问题分析的关键。

通过物料平衡、水平衡、特征污染因子平衡和能量平衡分析，可得出提高物质利用效率和减少废物产生的方法，从而指导清洁生产方案的制定和实施，真正为企业实现节能、降耗、减污和增效。

【相关文献】
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