高寶，傅澤強，沈鵬，鄔娜，謝園園

中國環(huán)境科學研究院清潔生產與循環(huán)經濟研究中心，北京 100012

能源煤化工基地是指特定區(qū)域內以煤炭、火電、煤化工和建材(簡稱煤電化)等產業(yè)為主體所形成的產業(yè)集群。具體而言，能源煤化工基地是在煤炭資源相對富集的地區(qū)，以煤炭及其共生或伴生資源的綜合開發(fā)利用為主線，通過與火電、煤化工等下游產業(yè)建立共生關系，實現(xiàn)煤炭資源就地轉化和價值增值的產業(yè)集聚區(qū)。煤炭、火電、煤化工、建材等均屬于資源高耗型、污染密集型產業(yè)，而煤炭資源多分布在水資源短缺、生態(tài)環(huán)境比較脆弱的地區(qū)，因此，不合理的產業(yè)鏈結構和資源利用方式必將對能源煤化工基地工業(yè)系統(tǒng)帶來嚴重的負面影響，甚至可能導致災難性的環(huán)境后果。

工業(yè)種群之間的關聯(lián)度高低是工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產業(yè)鏈結構合理與否的重要影響因素，而且副產品、廢棄物的再生循環(huán)利用是加強工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質流動和能量轉換的重要基礎，因此，筆者從關聯(lián)度和廢棄物資源化率兩方面對能源煤化工基地工業(yè)系統(tǒng)的結構和功能進行分析評價，并據此提出產業(yè)鏈優(yōu)化對策。

1 能源煤化工基地工業(yè)系統(tǒng)分析

1.1 能源煤化工基地系統(tǒng)分析

工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)之間存在著極大的相似性，工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)完全可以像自然生態(tài)系統(tǒng)那樣循環(huán)運行。在生命的開始階段，有機生物的數(shù)量相當少，對可利用資源產生的影響幾乎可以忽略不計，資源看起來是無限的，因而廢料也可以無限地產生，物質流動相互獨立地進行，此即一級生態(tài)系統(tǒng)。在隨后的進化過程中，資源變得有限了，有生命的有機物隨之變得非常地相互依賴并組成了復雜的相互作用的網絡系統(tǒng)，也就是說，二級生態(tài)系統(tǒng)內部的物質循環(huán)變得極為重要，資源和廢料的進出量受到資源數(shù)量與環(huán)境接受廢料能力的制約。在三級生態(tài)系統(tǒng)中，只有太陽能是來自外部的支援，生態(tài)系統(tǒng)進化成以完全循環(huán)的方式運行，已不可能區(qū)分資源與廢料。理想的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應盡可能接近三級生態(tài)系統(tǒng)［1］。

自然生態(tài)系統(tǒng)的生物結構可以分為個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)四個層次。借鑒生態(tài)學概念，將工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)劃分為個體-企業(yè)、種群-工業(yè)種群(即相同類型的企業(yè))、群落-工業(yè)群落(即特定區(qū)域范圍內工業(yè)部門的集合)、自然生態(tài)系統(tǒng)-工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(即工業(yè)群落及其與外部環(huán)境的總和)。

能源煤化工基地是一個融經濟、社會、生態(tài)與環(huán)境為一體的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。該工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模擬自然生態(tài)系統(tǒng)食物鏈網的形式進行橫向耦合，形成集生產、流通、消費、回收、環(huán)境保護及能力建設為一體的產業(yè)鏈網，建立物質資源的多層分級利用和物質循環(huán)網絡，從而實現(xiàn)信息交流、能量轉換、物質代謝和價值增加。依據系統(tǒng)論，任何一個系統(tǒng)都是由諸多因素在系統(tǒng)環(huán)境下，通過一定的方式進行耦合，進而實現(xiàn)系統(tǒng)功能的。系統(tǒng)結構是系統(tǒng)功能的內在基礎，系統(tǒng)功能是系統(tǒng)結構的外在表現(xiàn)。針對能源煤化工基地而言，煤基產業(yè)鏈網結構是能源煤化工基地實現(xiàn)物質代謝和能量轉換的重要基礎;煤炭等資源在能源煤化工基地內的物質流動和能量轉換是產業(yè)鏈網結構的外在表現(xiàn)。

1.2 產業(yè)鏈結構分析

在能源煤化工基地內部，以煤炭采掘為源頭形成的產業(yè)鏈主要有以下幾條:煤炭采掘—火力發(fā)電—高載能產業(yè)鏈、煤炭采掘—煤化工—建材產業(yè)鏈、煤炭采掘—火力發(fā)電—建材產業(yè)鏈等。

煤炭采掘是能源煤化工基地產業(yè)鏈的起始端。原煤經過采掘、洗選后，運往坑口電站進行火力發(fā)電，并結合當?shù)刭Y源情況生產高能耗產品，如電解鋁、金屬鎂、石墨電極等，形成煤炭采掘—火力發(fā)電—高載能產業(yè)鏈;也可作為煤化工產業(yè)原料，生產甲醇、二甲醚、烯烴等化工產品，而在此過程中產生的氣化渣則可作為建材行業(yè)原料，從而形成煤炭采掘—煤化工—建材產業(yè)鏈。同時，煤炭采掘、火力發(fā)電廠的煤矸石等廢棄物資源也可作為建材行業(yè)原料，進而形成煤炭采掘—火力發(fā)電—建材產業(yè)鏈。

1.3 物質代謝分析

物質代謝作為生命的基本特征，最初來自于生命科學。隨著物質代謝研究的發(fā)展，Newman等［2-3］相繼提出“城市代謝”和“工業(yè)代謝”的概念，并且研究重心已經轉向工業(yè)代謝。物質代謝的概念可歸納為人類改造自然過程中，社會經濟系統(tǒng)內部物質消耗及其與外界自然環(huán)境之間的物質交換過程的集合。

能源煤化工基地物質代謝過程如圖1所示。原煤經過洗選產生附加值更高的煤產品，可以直接外銷，也可以提供給基地內火力發(fā)電廠作為燃料進行發(fā)電，此外，還可以作為煤化工行業(yè)原料生產煤化工產品。因此，從物質代謝角度分析［4-5］，原煤開采為熱電廠以及煤化工行業(yè)提供原料，是能源煤化工基地的生產者。電力和煤化工行業(yè)接受煤炭行業(yè)的產品或廢棄物，是初級消費者;新材料等高載能行業(yè)則是次級消費者;建材行業(yè)回收再利用粉煤灰、脫硫石膏、氣化細渣或粗渣等副產品，因而是分解者。

2 評價指標與方法

圖1 能源煤化工基地物質代謝過程Fig.1 Metabolism diagram of energy and coal chemical industry base

企業(yè)間關聯(lián)度是衡量工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內工業(yè)種群間物質和能量鏈接關系的指標，是以對自然生態(tài)系統(tǒng)中各物種之間關聯(lián)性大小的研究為基礎的［6-8］。關聯(lián)度越大，表明工業(yè)種群間物質和能量的聯(lián)系越緊密。廢棄物資源化率是指工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內廢棄物(包括固體廢物、廢水等)作為原料供給下游企業(yè)使用的比例，是衡量工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)副產品、廢棄物資源化程度的重要指標。廢棄物資源化率越高，副產品、廢棄物的資源化再利用程度越高［9］。

2.1 關聯(lián)度

在工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，上下游企業(yè)的鏈接主要有兩種方式:1)下游企業(yè)利用或者消解上游企業(yè)的副產品、廢棄物以及余能，形成再生鏈;2)上游企業(yè)的主產品作為下游企業(yè)的主要原料，形成產品鏈。

在進行企業(yè)間關聯(lián)度計算時，將分成兩種情況:1)單獨分析系統(tǒng)內的再生鏈;2)同時考慮系統(tǒng)內的再生鏈和產品鏈，即總食物鏈=再生鏈+產品鏈。

設工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內的再生鏈數(shù)為Le，產品鏈數(shù)為Lp，總食物鏈數(shù)為Lt，工業(yè)種群數(shù)為S，則企業(yè)間生態(tài)關聯(lián)度(Ce)和總關聯(lián)度(Ct)的計算公式如下［10-11］:

當Ct＜0.3時，表示工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內工業(yè)種群間聯(lián)系不夠緊密，產業(yè)鏈結構不夠合理;當0.3≤Ct≤0.5時，表示工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內各工業(yè)種群間聯(lián)系相對緊密，產業(yè)鏈結構基本合理;當Ct＞0.5時，表示工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內各工業(yè)種群間聯(lián)系比較緊密，產業(yè)鏈結構比較合理。

2.2 廢棄物資源化率

設工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內各工業(yè)種群的廢棄物資源化率為 ui(0 ＜ ui≤100%，i=1，2，...，Le)，則工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的廢棄物資源化率(CR)按下式計算［9，12］:

對式(3)進行數(shù)學變換，可得:

式中，rL為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內各工業(yè)種群廢棄物資源化率的平均值。

CR＜20%，表示工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內廢棄物尚未得到充分利用，物質代謝效率較低;20%≤CR≤50%，表示工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內廢棄物基本得到合理利用，物質代謝效率尚可;CR＞50%，表示工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內廢棄物得到充分利用，物質代謝效率較高。

3 產業(yè)鏈優(yōu)化原則和技術途徑

3.1 優(yōu)化原則

3.1.1 技術可行原則

高新技術是提高資源利用效率、優(yōu)化產業(yè)結構、改變傳統(tǒng)經濟增長方式的重要推動力，也是企業(yè)贏得競爭優(yōu)勢、提升競爭力的重要源泉。因此，應結合工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然資源條件、社會經濟發(fā)展水平和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀等因素進行技術經濟論證，選取實用可行的減量化技術、再循環(huán)技術、替代技術等綠色技術進行產業(yè)鏈優(yōu)化。

3.1.2 經濟合理原則

根據工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然環(huán)境和資源條件，科學合理地調整產業(yè)結構和產業(yè)布局，確保工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產業(yè)鏈各節(jié)點的價值得以實現(xiàn)，確保整個產業(yè)鏈網的價值得到最大限度增值，同時還要有助于帶動區(qū)域經濟的快速增長，實現(xiàn)地盡其利、物盡其用。

3.1.3 經濟效益與環(huán)境效益并重原則

遵循循環(huán)經濟理念，加強工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內物質和能量的循環(huán)利用，盡量減少資源消耗量和污染物產生量。在將工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)區(qū)資源優(yōu)勢轉變?yōu)榻洕鷥?yōu)勢的同時，降低對生態(tài)環(huán)境的負面影響，以最小的資源環(huán)境代價取得工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)最大限度的發(fā)展，實現(xiàn)“高效開發(fā)、清潔生產、綜合利用、持續(xù)發(fā)展”。

3.2 技術途徑

3.2.1 優(yōu)化關鍵節(jié)點，延伸產業(yè)鏈

因地制宜，確定能夠發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢的主導產業(yè)鏈，并根據關鍵種理論，優(yōu)選出關鍵種工業(yè)種群。關鍵種工業(yè)種群是指位于產業(yè)鏈關鍵節(jié)點，能夠對其他工業(yè)種群及整個產業(yè)鏈產生不可替代的重要影響的工業(yè)種群。它們是工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產業(yè)鏈的“鏈核”，使用和傳輸?shù)奈镔|較多，能量流動的規(guī)模較大，廢棄物和副產品的排放量較大，對自然環(huán)境影響較大且能夠帶動和牽制其他工業(yè)種群的發(fā)展［13］。

通過全面分析工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢資源的利用途徑，考察資源開發(fā)的經濟效益及環(huán)境友好性，并在關鍵種工業(yè)種群引進高新技術、先進工藝，拓展產品鏈，增加產業(yè)鏈上游和下游產品生產，向前或向后延伸拓展產業(yè)鏈，提升關鍵環(huán)節(jié)技術水平及資源利用效率，從而增加產品附加值，提高產業(yè)鏈所創(chuàng)造的價值。

3.2.2 引入補鏈企業(yè)，拓寬生態(tài)位

生態(tài)位理論是生態(tài)學的重要理論之一。生態(tài)位是指群落中某種生物所占的物理空間，發(fā)揮的功能作用及其在各種環(huán)境梯度上的出現(xiàn)范圍［14］。生態(tài)位的大小常用其寬度來衡量。生態(tài)位寬度越大，表明該物種在自然生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的生態(tài)作用越大。反之，生態(tài)位寬度越小，其在自然生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮的生態(tài)作用越小。大多數(shù)自然生態(tài)系統(tǒng)具有不同生態(tài)位的物種，這些生態(tài)位不同的物種，避免了相互之間的競爭，同時由于提供了多條物質循環(huán)和能量流動途徑，從而有助于自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)位是指工業(yè)種群可利用的自然因素(包括氣候、資源、能源、地形等)和社會因素(包括勞動條件、生活條件、技術條件、社會關系等)的總和。工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)位寬度越大，表明其對社會、經濟、自然資源的利用越廣泛，利用率越高，競爭力越強。反之，寬度越小，利用率越低，競爭力越弱。因此，應以工業(yè)代謝分析為基礎，以生態(tài)位理論為指導，確定現(xiàn)有產業(yè)鏈上未被充分利用的資源，并以關鍵種工業(yè)種群副產品和廢棄物為突破點，有針對性地引入補鏈型工業(yè)種群，促進工業(yè)種群間副產品、廢棄物的資源化利用，挖掘潛在生態(tài)位，拓寬工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)位，增加園區(qū)產業(yè)鏈的穩(wěn)定性。

3.2.3 加強產業(yè)鏈耦合，完善產業(yè)鏈(網)

自然生態(tài)系統(tǒng)中，植物所固定的太陽能通過一系列取食和被取食的關系在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞，生物之間的這種傳遞關系被稱為食物鏈。多條食物鏈彼此交織，相互聯(lián)系，進而形成食物網。自然生態(tài)系統(tǒng)依靠食物鏈、食物網，實現(xiàn)物質循環(huán)和能量流動，維持著自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，此即食物鏈(網)理論［15］。

在工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，應以食物鏈(網)理論為指導，對工業(yè)種群的物質流、能量流進行系統(tǒng)集成，依據物質流、能量流傳遞規(guī)律，并以資源利用最大化和保證產業(yè)鏈穩(wěn)定性為原則，通過不同產業(yè)鏈間物質、能量的多級共享，加強不同產業(yè)鏈之間的共生耦合，豐富工業(yè)種群鏈接關系，完善產業(yè)鏈(網)。同時，注重工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產業(yè)鏈上各節(jié)點企業(yè)間的協(xié)調發(fā)展及聯(lián)合協(xié)作，充分利用主產品、副產品、廢棄物等各類資源。

4 典型案例分析

由于寧東能源煤化工基地已被列入國家第二批循環(huán)經濟試點園區(qū)［16］，同時國務院、環(huán)境保護部等部門對寧東能源煤化工基地的開發(fā)建設做出明確指示，要求高起點、高水平地建設寧東基地，發(fā)展循環(huán)經濟［17-18］，故選取寧東能源煤化工基地進行典型案例分析。

4.1 概況

寧東能源煤化工基地位于黃河中下游地區(qū)，隸屬于寧夏回族自治區(qū)，規(guī)劃區(qū)總面積約為3484 km2，東西寬16～41 km，南北長127 km。寧東能源煤化工基地是國家規(guī)劃建設的大型煤炭基地、煤化工產業(yè)基地和西電東送火電基地之一，是全國能源基地的重要組成部分［19］。目前，寧東能源煤化工基地依托豐富的煤炭資源，已形成煤炭、電力和煤化工三大主導產業(yè)，同時包括原油開采、石油加工、建材業(yè)、建筑業(yè)等有機組成部分，已形成10個相對獨立、相互共生的工業(yè)種群，其食物鏈(網)如圖2所示。

圖2 寧東能源煤化工基地食物鏈(網)Fig.2 Food chain(web)diagram of Ningdong energy and coal chemical industry base

4.2 關聯(lián)度分析

由圖2可見，寧東能源煤化工基地食物鏈(網)的工業(yè)種群數(shù)(S)為10，總食物鏈數(shù)(Lt)為17，由式(2)可知，企業(yè)間總關聯(lián)度(Ct)為0.378，表明寧東能源煤化工基地工業(yè)種群間聯(lián)系相對緊密，產業(yè)鏈結構基本合理。

丹麥卡倫堡生態(tài)工業(yè)園是世界上最典型的生態(tài)工業(yè)園之一，1995年該工業(yè)園的企業(yè)間總關聯(lián)度(Ct)為0.309;我國生態(tài)工業(yè)園區(qū)企業(yè)間總關聯(lián)度(Ct)的平均值為0.303［12］。而典型自然生態(tài)系統(tǒng)的關聯(lián)度為0.5～0.6［20］。可以看出，寧東能源煤化工基地企業(yè)間總關聯(lián)度高于1995年卡倫堡生態(tài)工業(yè)園的企業(yè)間總關聯(lián)度及我國生態(tài)工業(yè)園區(qū)企業(yè)間總關聯(lián)度的平均值，表明寧東能源煤化工基地已達到相對較高的發(fā)展水平。但是，寧東能源煤化工基地企業(yè)間總關聯(lián)度低于典型自然生態(tài)系統(tǒng)的關聯(lián)度，表明其尚不具備與自然生態(tài)系統(tǒng)相似的結構。

4.3 廢棄物資源化率分析

由圖2可得，寧東能源煤化工基地食物鏈(網)的再生鏈數(shù)(Le)為6，則由式(1)可知，寧東能源煤化工基地企業(yè)間生態(tài)關聯(lián)度(Ce)為0.133。

根據2007年寧東能源煤化工基地的統(tǒng)計資料［21］，寧東能源煤化工基地內各工業(yè)種群的廢棄物資源化率見表1。由表1可知，寧東能源煤化工基地內各工業(yè)種群固體廢物資源化率的平均值(rL1)為80.37%。通過式(4)可得，寧東能源煤化工基地的固體廢物資源化率(CR1)為10.69%。同理可得，寧東能源煤化工基地的廢水資源化率(CR2)為9.91%。

表1 寧東能源煤化工基地內各工業(yè)種群的廢棄物資源化率［21］Table 1 The waste recycling rate in Ningdong energy and coal chemical industry base %

可以看出，寧東能源煤化工基地內各工業(yè)種群自身的廢棄物資源化率相對較高，平均值較大，但是廢棄物在各工業(yè)種群之間尚未得到充分利用，致使寧東能源煤化工基地整體的廢棄物資源化率相對較低，因此，應采取有力措施，促使形成更多再生鏈，提高廢棄物資源化率。

4.4 產業(yè)鏈優(yōu)化對策

4.4.1 開展重點技術研發(fā)

煤炭采掘、火力發(fā)電、煤化工是寧東能源煤化工基地的關鍵種工業(yè)種群，因此，應積極開展重點技術研發(fā)，并適時推廣先進資源開采技術。在煤炭開采行業(yè)推廣厚煤層綜采放頂煤技術，矸石充填開采、保水開采、煤與瓦斯共采等綠色開采技術，以及潔凈煤技術、水煤漿技術、型煤技術等煤炭清潔高效利用技術。積極研發(fā)從煤礦中引取煤層氣，或者制備煤氣進行發(fā)電的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術等，推動煤電聯(lián)產。重點支持煤制甲醇、二甲醚、烯烴合成、煤制油等技術和催化劑的技術研究，以及煤炭氣化、煤炭液化技術及裝備的引進消化和再創(chuàng)新。通過高新技術的研發(fā)轉化，提升關鍵環(huán)節(jié)技術水平，拓展產品鏈，促進資源利用效率及經濟效益的不斷提高。

4.4.2 發(fā)展補鏈型產業(yè)

寧東能源煤化工基地存在著煤矸石、粉煤灰、氣化渣等多種可再生利用資源，因此，在發(fā)展主導產業(yè)的同時，應積極發(fā)展補鏈型產業(yè)，對煤炭、火電、煤化工等工業(yè)種群的副產品及廢棄物進行再加工、精加工，促進副產品及廢棄物資源的再生循環(huán)利用。重點開展煤矸石、粉煤灰等在土壤改良、化肥生產以及塑料添加劑等方面的可行性研究，拓寬其應用范圍，充實資源回收利用系統(tǒng)，扶持廢棄物綜合利用產業(yè)，追求長期綜合效益。

4.4.3 建立企業(yè)聯(lián)盟

在政府相關政策的引導下，行業(yè)主管部門的業(yè)務指導和監(jiān)督管理下，建立以推動基地資源高效利用為原則、跨行業(yè)產學研相結合的企業(yè)聯(lián)盟，整合基地內主產品、副產品、廢棄物等資源，統(tǒng)一規(guī)劃各行業(yè)的技術研發(fā)，組織瓶頸技術的創(chuàng)新攻關，避免重復勞動，加快研究成果的共享與轉化，提高基地資源的循環(huán)利用率，促進寧東能源煤化工基地經濟效益的快速增長。

5 結論

(1)能源煤化工基地內各產業(yè)通過橫向耦合、縱向聯(lián)合形成了與自然生態(tài)系統(tǒng)相類似的工業(yè)食物鏈(網)結構和物質代謝功能。關聯(lián)度是衡量工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產業(yè)鏈結構的重要指標之一，隨著關聯(lián)度增大，工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內各工業(yè)種群間聯(lián)系越加緊密，產業(yè)鏈結構趨于合理;廢棄物資源化率是表征工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質代謝功能的指標，其值越大，表明工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質代謝效率越高。

(2)以寧東能源煤化工基地進行的典型案例分析結果顯示，該基地企業(yè)間總關聯(lián)度為0.378，固體廢物資源化率為10.69%，廢水資源化率為9.91%，表明寧東能源煤化工基地各工業(yè)種群間聯(lián)系相對緊密，產業(yè)鏈結構基本合理，但固體廢物及廢水資源利用水平相對較低。

(3)選取的企業(yè)間關聯(lián)度和廢棄物資源化率兩項指標基本上能夠反映工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展水平，而從多個角度、采用多個指標對其進行系統(tǒng)評價，并對結構和功能之間的關系進行深入剖析，是該領域的重要研究方向和趨勢。

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