曹宏斌 趙 赫 趙月紅 張 笛

1 中國科學(xué)院過程工程研究所 北京 100190 2 中國科學(xué)院化學(xué)化工科學(xué)數(shù)據(jù)中心 北京 100190 3 中國科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 北京 100049

我國重化工行業(yè)涉及產(chǎn)品種類繁多、原料來源廣泛、工藝流程長、產(chǎn)污環(huán)節(jié)多，具有排污量大、污染負(fù)荷高、復(fù)合污染突出，以及毒性強、碳排放強度大等基本特征。據(jù)《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》報道[1-3]，鋼鐵、石化、有色、紡織、造紙、食品加工、制藥、皮革八大行業(yè)的化學(xué)需氧量（COD）與氨氮排放占比均達到 77%，汞、鎘、鉻（六價）、鉛、砷等金屬或類金屬等毒性污染物排放約占 86%（表1）。

表1 我國重點工業(yè)行業(yè)典型污染物與碳排放情況[1-4]Table 1 Typical pollutant discharge of key industries in China[1-4]

工業(yè)碳排放占我國總碳排放約 68%（包括間接排放）[4]，而鋼鐵、有色、化工等幾大行業(yè)碳排放總量已占據(jù)工業(yè)排放總量的 56% 左右[4]，碳減排任務(wù)艱巨。當(dāng)前，我國生態(tài)文明建設(shè)同時面臨實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)和碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）兩大戰(zhàn)略任務(wù)。我國“氣十條”“水十條”“土十條”提出了專項整治“十大重點行業(yè)”中焦化、造紙、有色等行業(yè)清潔化改造及轉(zhuǎn)型升級。2020年 9月，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出“二氧化碳排放力爭于 2030年前達到峰值，努力爭取 2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，隨后該目標(biāo)被納入《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035年遠景目標(biāo)綱要》?！?030年前碳達峰行動方案》提出了推動工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展，推動鋼鐵、有色金屬等行業(yè)碳達峰。黨的二十大報告提出了“統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、污染治理、生態(tài)保護、應(yīng)對氣候變化”，以及“協(xié)同推進降碳、減污、擴綠、增長”的重要指示。我國正處于跨越式發(fā)展的經(jīng)濟高速增長階段，而工業(yè)污染控制與碳減排是迫切需要解決的重大難題，協(xié)同推進工業(yè)減污降碳已成為我國新發(fā)展階段經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的必然選擇。

目前隨著環(huán)境保護排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格及行業(yè)園區(qū)化發(fā)展日漸成型，有毒有害污染物穩(wěn)定達標(biāo)處理關(guān)鍵技術(shù)缺乏、末端無害化治理控制成本高等問題，成為制約行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸。由于生產(chǎn)過程減排效果差，毒性化學(xué)品原料及生產(chǎn)過程產(chǎn)生的眾多有毒中間體結(jié)構(gòu)復(fù)雜難轉(zhuǎn)化，產(chǎn)品分離的能耗高、分離不徹底，進入末端后導(dǎo)致污染與碳排放，對生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。另外，由于源頭減排作用發(fā)揮不夠，以末端控制經(jīng)驗組合工藝為主要手段的污染處理成本居高不下，成為又一大突出問題。以鋼鐵行業(yè)為例，目前噸鋼的污染處理成本達到 200—300 元，占鋼鐵生產(chǎn)總成本的 10% 左右，若未來加入碳市場交易，預(yù)計成本將接近 400 元[5,6]。為了滿足不斷提高的環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)與碳排放要求，很多企業(yè)只能低利潤生產(chǎn)。

應(yīng)對全球性重大挑戰(zhàn)背后的核心科學(xué)問題研究范疇已從傳統(tǒng)理論上升為復(fù)雜科學(xué)，從追求細(xì)節(jié)發(fā)展到尺度關(guān)聯(lián)，從多層次的分科知識演變到探索共性原理[7]。因此，深刻認(rèn)識基礎(chǔ)研究的重要作用和時代特征，深入探索復(fù)雜尺度的共性原理問題，具有重要意義。目前，環(huán)境污染物和碳排放高度同根同源的內(nèi)在規(guī)律不明，在微觀尺度的污染物轉(zhuǎn)化機理及形態(tài)理論仍不清楚。面對生態(tài)文明建設(shè)新形勢新任務(wù)新要求，減污降碳內(nèi)在規(guī)律的深入研究需求進一步凸顯。在基礎(chǔ)科學(xué)層面上，通過深入揭示物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中組成—結(jié)構(gòu)—性質(zhì)的影響，創(chuàng)建高效、清潔、節(jié)能、經(jīng)濟的物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝、過程和系統(tǒng)，是未來可持續(xù)工業(yè)亟待解決的難點問題。

針對當(dāng)前我國環(huán)境科技發(fā)展現(xiàn)狀及未來經(jīng)濟社會發(fā)展對工業(yè)污染控制的重大需求，在充分借鑒國內(nèi)外工業(yè)污染治理相關(guān)先進理念與高新技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過科技工作者不懈努力、上下求索、開拓創(chuàng)新，“工業(yè)污染全過程控制”策略框架已基本形成[8,9]，全過程控污已成為高效解決重化工行業(yè)污染問題的發(fā)展趨勢。本文在國家“雙碳”重大戰(zhàn)略布局下，進一步提出并闡釋了工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳的基本理念及科學(xué)內(nèi)涵，針對工業(yè)全過程減污降碳缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)難題，闡明具體方案策略，旨在為致力于工業(yè)污染治理的科研人員以及企業(yè)技術(shù)人員提供切實有效的理論與方法。

1 工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳理念

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳以工業(yè)過程的綜合成本最小化為目標(biāo)，其科學(xué)內(nèi)涵是：依據(jù)系統(tǒng)工程、循環(huán)經(jīng)濟、綠色化學(xué)、清潔生產(chǎn)及生命周期評價等理論和方法，綜合運用最佳可行技術(shù)和最佳環(huán)境實踐（BAT/BEP），執(zhí)行和（或）制（修）訂相應(yīng)環(huán)境法律法規(guī)，確保以最少的人力、物力、財力、時間和空間，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)綜合成本最小化；實現(xiàn)工業(yè)全過程廢棄物的減量化、資源化、無害化；實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的低碳化、綠色化、智能化；實現(xiàn)人與自然和諧相處永續(xù)發(fā)展[8]。工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳是在不同維度的協(xié)同控制（圖1），包括控制方法協(xié)同、跨介質(zhì)協(xié)同、多領(lǐng)域統(tǒng)籌與多要素統(tǒng)籌。

圖1 工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳的理念Figure 1 Concept of pollution control and carbon reduction in whole industrial process

1.1 源頭—過程—末端控制方法協(xié)同

工業(yè)污染及能耗主要來源于原料（介質(zhì)）或生產(chǎn)過程，通常比較復(fù)雜，現(xiàn)有污染控制體系與生產(chǎn)過程脫節(jié)，缺乏協(xié)同考慮生產(chǎn)工藝過程中物質(zhì)、資源循環(huán)，資源和能源不能在生產(chǎn)過程中得到充分利用，導(dǎo)致了企業(yè)原材料消耗、耗水量、碳排放和產(chǎn)品成本居高不下等問題，亟待通過生產(chǎn)源頭深度分離實現(xiàn)污染高效資源回收。

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳通過污染成因及原料部分生命周期分析對污染物來源及碳素流進行全面解析，基于清潔原料替代、物質(zhì)轉(zhuǎn)化原子經(jīng)濟性及循環(huán)經(jīng)濟等清潔生產(chǎn)概念進行源頭污染控制；同時，結(jié)合系統(tǒng)工程和最優(yōu)化方法設(shè)計資源高效分層多級利用，強化資源能源回收過程，并通過低成本無害化處理使綜合毒性風(fēng)險降低，最終建立源頭減廢降碳、過程控制、廢物資源化與末端治理一體化的減污降碳全過程控制系統(tǒng)。

1.2 氣—液—固污染跨介質(zhì)協(xié)同

近年來，污染跨介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化問題凸顯。水體、大氣和土壤緊密關(guān)聯(lián)，相互影響，“水污染控制”“大氣污染控制”和“土壤污染控制”的學(xué)科分化，導(dǎo)致邊界固化，往往是“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”，致使污染物并非從環(huán)境中去除，而是在氣、液、固介質(zhì)中相互傳遞，增加了環(huán)境質(zhì)量改善的難度?？缃橘|(zhì)污染由于缺少統(tǒng)一的聯(lián)合治污機制，治污脫節(jié)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳從多介質(zhì)協(xié)同治污、多污染物—碳排放協(xié)同控制、區(qū)域統(tǒng)籌治污等方面入手，率先加強重點行業(yè)污染成因的基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性研究，探明主要污染物的跨介質(zhì)關(guān)鍵循環(huán)過程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，研究廢氣—廢水—固廢污染物多介質(zhì)調(diào)控與治理機理，建立高效、經(jīng)濟、安全的污染多介質(zhì)組合技術(shù)優(yōu)化協(xié)同整治機制，為跨介質(zhì)污染—碳排放協(xié)同控制技術(shù)提供基礎(chǔ)理論支撐。

1.3 經(jīng)濟—技術(shù)—管理多領(lǐng)域統(tǒng)籌

環(huán)境管理是國家實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要保障。目前，環(huán)境技術(shù)對環(huán)境管理間的銜接有待完善，缺乏完備的環(huán)境技術(shù)支持體系和管理機制；同時，缺乏有效的行政手段和經(jīng)濟手段使企業(yè)污染治理行為變被動為主動，亟須加速環(huán)境防治能力建設(shè)，促進環(huán)境技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，為我國的環(huán)境管理和環(huán)境保護提供技術(shù)支撐。工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳統(tǒng)籌經(jīng)濟、技術(shù)、管理 3 個層面，對各個污染控制過程提供技術(shù)支持，推進低碳技術(shù)創(chuàng)新，同時也為環(huán)境管理目標(biāo)的設(shè)定，以及環(huán)境管理制度的實施提供數(shù)據(jù)支持。確保碳排放有效削減和污染物排放穩(wěn)定達標(biāo)，支撐執(zhí)行和（或）制（修）訂相應(yīng)環(huán)境法律法規(guī)，支撐建立技術(shù)政策、可行技術(shù)指南和工程規(guī)范等行業(yè)技術(shù)指導(dǎo)文件體系，以及建立“雙碳”目標(biāo)管理的環(huán)境技術(shù)示范推廣平臺，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)綜合成本最小化，創(chuàng)造顯著的社會環(huán)境經(jīng)濟效益，引領(lǐng)企業(yè)主動治污。技術(shù)可行、經(jīng)濟可達、管理完善的統(tǒng)籌理念將有利于進一步促進和協(xié)調(diào)環(huán)境保護、綠色發(fā)展決策和經(jīng)濟社會發(fā)展之間的聯(lián)系。

1.4 資源—能源—環(huán)境多要素統(tǒng)籌

由于人口的快速增長，以及隨之發(fā)展的經(jīng)濟模式對資源的過分依賴，導(dǎo)致我國一些重要自然資源的可持續(xù)利用和保護正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國“雙碳”目標(biāo)不僅在于節(jié)能減排，背后更大的意義在于推動社會向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)能源高效利用、清潔能源開發(fā)、生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)看，我國工業(yè)結(jié)構(gòu)以重化工業(yè)為主導(dǎo)，決定了現(xiàn)階段經(jīng)濟社會活動需要消耗大量的能源資源。人均能源資源相對不足是中國經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的一個限制因素，其中水資源短缺和能源緊張的問題較為突出。傳統(tǒng)的發(fā)展模式消耗資源多、產(chǎn)生污染大，經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的矛盾十分尖銳。工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳將資源能源及環(huán)境保護放入工業(yè)發(fā)展全局進行統(tǒng)籌考慮，發(fā)展傳統(tǒng)能源的清潔高效利用技術(shù)，降低碳排放；合理配置資源，提升水的利用效率，使用最優(yōu)化方法尋求最佳資源高效分層多級利用技術(shù)路徑，強化資源回收過程；并通過低成本無害化處理使綜合毒性風(fēng)險降低，實現(xiàn)資源能源環(huán)境統(tǒng)籌下的節(jié)水節(jié)能與低碳污染減排。

2 工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳的關(guān)鍵科學(xué)問題

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳是一個大型的復(fù)雜過程系統(tǒng)綜合問題，其實現(xiàn)的核心是統(tǒng)籌多個單元（或裝置）、多個尺度（分子、單元、系統(tǒng)），突出系統(tǒng)思維，挖掘協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)污染控制和碳減排協(xié)同，追求產(chǎn)品生產(chǎn)和廢物處理—碳減排的總成本最低。①在分子尺度，通過精準(zhǔn)識別污染物與含碳物質(zhì)，尤其是含碳污染復(fù)合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其相互作用關(guān)系和調(diào)控方法，建立構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型；②在單元尺度，系統(tǒng)梳理不同技術(shù)創(chuàng)新的減污降碳機理，分析研究典型操作單元設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件對污染物與含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律、碳污耦合特征，提出反應(yīng)—傳遞協(xié)同調(diào)控策略，建立過程單元構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型；③在系統(tǒng)尺度，進行全過程技術(shù)組合，發(fā)展全過程減污降碳超結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，研究生產(chǎn)過程、控污過程與碳排放之間的相互作用關(guān)系和多單元過程組合機制，建立流程尺度的構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型。通過以上關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，逐步建立工業(yè)全過程減污降碳集成優(yōu)化軟件工具，直接支撐重點行業(yè)減污降碳技術(shù)創(chuàng)新和過程集成，幫助尋求最佳系統(tǒng)減污降碳方案，從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)局部與整體之間、經(jīng)濟效益與環(huán)境影響之間的協(xié)同優(yōu)化（圖2）。

圖2 分子到系統(tǒng)多尺度減污降碳設(shè)計流程Figure 2 Molecular-unit-system design process for multi-scale pollution control and carbon reduction

2.1 分子尺度

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳在分子尺度的科學(xué)基礎(chǔ)為在微觀尺度上辨識關(guān)鍵離子/分子賦存形態(tài)，深入認(rèn)識其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、相互作用關(guān)系和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，構(gòu)建構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型，以指導(dǎo)相關(guān)介質(zhì)（催化劑、藥劑、溶劑等）的設(shè)計篩選及其在宏觀單元操作過程中的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化定向調(diào)控，從而實現(xiàn)源頭減污降碳。

微觀尺度涉及的研究對象包括分子、離子、自由基、官能團等，它們之間的相互作用關(guān)系包括化學(xué)鍵、氫鍵、靜電作用、配位鍵、范德華力相互作用等。其基本結(jié)構(gòu)描述符包括前線軌道、生成焓、自由能等，建立的模型方程主要有熱力學(xué)、動力學(xué)等模型（圖3）。目前，有多種科學(xué)計算軟件，如量子化學(xué)、分子動力學(xué)、介觀動力學(xué)等方面的計算軟件，可以支撐相關(guān)的微觀尺度構(gòu)效關(guān)系研究。

圖3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的微觀尺度構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型示意圖Figure 3 Schematic diagram of data-driven prediction model for structure-activity relationship at micro scale

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳分子尺度優(yōu)化的關(guān)鍵在于建立合適的物化性質(zhì)、熱/動力學(xué)和互作參數(shù)預(yù)測模型，以便于微觀—宏觀尺度模型的耦合，從而實現(xiàn)二者的協(xié)同優(yōu)化。但微觀尺度的計算往往模型復(fù)雜、耗時長，且求解難度大，直接與宏觀尺度模型耦合往往會造成求解困難，目前也未形成系統(tǒng)的方法和軟件工具?？紤]到機器學(xué)習(xí)處理復(fù)雜問題的優(yōu)勢，可利用“大數(shù)據(jù)+人工智能”技術(shù)，以基于微觀尺度嚴(yán)格模擬的微觀體系數(shù)字孿生作為數(shù)據(jù)生成器，低成本生成訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)/人工智能（ML/AI）模型所需的大量數(shù)據(jù)，以開發(fā)適用于跨尺度耦合的構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型。

2.2 單元尺度

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳在單元尺度的科學(xué)基礎(chǔ)為在理論分析和實驗研究基礎(chǔ)上，深入認(rèn)識單元操作污染、碳排行為及其相互作用規(guī)律，構(gòu)建其構(gòu)效關(guān)系預(yù)測模型，以指導(dǎo)設(shè)計和操作參數(shù)的優(yōu)化，從而實現(xiàn)過程減污降碳。

單元尺度涉及的研究對象包括轉(zhuǎn)化、分離、產(chǎn)品加工、污染處理等工業(yè)過程從原材料到產(chǎn)品的幾大單元流程[10]。單元過程的相互作用關(guān)系包括質(zhì)量傳遞、動量傳遞、能量傳遞與反應(yīng)過程等（圖4）。其中，在化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中，需把制造產(chǎn)品所用的原材料預(yù)先進行必要的化學(xué)前處理，此階段產(chǎn)品從相應(yīng)的原材料中提取出來，以便于后續(xù)進行分離純化過程；分離純化過程則是為了去除目標(biāo)材料中的雜質(zhì)成分，提升最終目標(biāo)產(chǎn)品純度；在分離純化過程之后，根據(jù)產(chǎn)品種類和設(shè)備條件以及環(huán)境保護要求，采用最佳實用技術(shù)制備產(chǎn)品；在以上幾個生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的氣體、液體和固體廢棄物都需要進入污染處理單元進行回收利用或無害化處理，同時會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)奶寂欧拧?/p>

圖4 工業(yè)過程單元強化示意圖Figure 4 Schematic diagram of industrial process unit reinforcement

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳單元優(yōu)化的關(guān)鍵在于單元模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)尺度的集成優(yōu)化獲得最佳的單元間銜接關(guān)系和協(xié)同調(diào)控方法。主要手段包括通過持續(xù)的單元技術(shù)創(chuàng)新，如介質(zhì)強化（催化劑、藥劑、溶劑等）、裝備強化（設(shè)備、材料、控制等）、外場強化（電、超重力、光、等離子等）等方法，提升單元能源、資源利用效率，以實現(xiàn)過程減污降碳。需要指出的是，與目前單純聚焦某一單元創(chuàng)新的習(xí)慣方法不同的是，全過程減污降碳強調(diào)在單元技術(shù)創(chuàng)新階段就要考慮與其他單元的集成，以通過單元間的協(xié)同優(yōu)化來預(yù)防或減少污染物的產(chǎn)生與碳排放，突出系統(tǒng)思維?？紤]到工業(yè)過程大都表現(xiàn)出很強的非線性行為，我們建議采用“機理+數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動方法，兼顧機理和數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的優(yōu)勢，提高單元模型的可解釋性和適用性。

2.3 系統(tǒng)尺度

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳在系統(tǒng)尺度的科學(xué)基礎(chǔ)為在深入認(rèn)識各單元技術(shù)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用過程系統(tǒng)工程理論和方法，構(gòu)建系統(tǒng)超結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，解析系統(tǒng)尺度的減污降碳協(xié)同效益及其關(guān)鍵驅(qū)動要素，從而實現(xiàn)全過程物質(zhì)—能量優(yōu)化匹配，獲得全局最優(yōu)的減污降碳技術(shù)路徑。

系統(tǒng)尺度涉及的研究對象為單元過程，其相互作用關(guān)系為物質(zhì)—能量的優(yōu)化匹配。工業(yè)生產(chǎn)過程各個單元相互聯(lián)系和相互影響。例如，原料的純度影響到反應(yīng)過程；轉(zhuǎn)化單元操作條件改變，將改變反應(yīng)產(chǎn)物組成，進而影響到分離單元的操作，最終影響產(chǎn)品產(chǎn)出，以及廢棄物產(chǎn)生和碳排放量。過程單元層次的優(yōu)化措施往往并不一定能帶來系統(tǒng)層次的最佳效果。從整體出發(fā)，在系統(tǒng)尺度上進行過程集成優(yōu)化，發(fā)掘協(xié)同效應(yīng)，經(jīng)濟合理地利用，才能實現(xiàn)全局最優(yōu)的減污降碳效果。工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳理論將生產(chǎn)全過程作為一個整體考慮，以綜合成本最小為目標(biāo)，將生產(chǎn)過程單元（轉(zhuǎn)化、分離、產(chǎn)品加工等）歸類為操作單元，將污染處理單元歸類為處置單元，對單元處理技術(shù)進行集成（圖5）。通過能量、物質(zhì)和水資源的供應(yīng)和利用過程的優(yōu)化配置，量化分析所有可行工業(yè)生產(chǎn)工藝及碳減排激勵和管理政策等不確定性因素的影響，尋求污染物穩(wěn)定達標(biāo)排放、碳排放量最小及綜合生產(chǎn)成本最低的減污降碳技術(shù)路徑。

圖5 工業(yè)生產(chǎn)全過程系統(tǒng)集成優(yōu)化示意圖Figure 5 Schematic diagram of system integration optimization for whole industrial process

工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵在于生產(chǎn)過程和末端治理過程重點物質(zhì)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律、污碳耦合機制、生產(chǎn)—末端相互作用關(guān)系、全過程減污降碳方案超結(jié)構(gòu)等的模型描述，進而構(gòu)建系統(tǒng)尺度優(yōu)化模型。系統(tǒng)優(yōu)化是一個多尺度、多目標(biāo)的大規(guī)模復(fù)雜混合整數(shù)非線性規(guī)劃（MINLP）優(yōu)化問題，由于在優(yōu)化模型中引入多個尺度，以及各尺度間的相互作用的模型描述，導(dǎo)致模型復(fù)雜。例如：分子設(shè)計和單元/工藝流程設(shè)計模型引入的離散變量，優(yōu)化問題求解空間大幅增加；描述相互作用時，可能引入強非線性函數(shù)，造成求解難度增大；以及多尺度模型耦合時模型規(guī)?？焖倥蛎浀?。目前，還缺乏具有一定普適性的支持全過程減污降碳的優(yōu)化建模和求解方法，仍采用模擬試算模式，依賴于專家經(jīng)驗，亟須系統(tǒng)的軟件工具的支持。這也是全過程減污降碳研究的重點內(nèi)容之一。

3 工業(yè)應(yīng)用與展望

本文基于工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳基本原理，提出以技術(shù)組合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑Y(jié)構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)的分子—單元—系統(tǒng)多尺度優(yōu)化建模思路，創(chuàng)建了綜合成本最小化，兼顧減污降碳需求的多單元集成優(yōu)化模型，攻克不同尺度間參數(shù)傳遞、復(fù)雜過程建模及復(fù)雜非線性優(yōu)化模型求解等難題，實現(xiàn)了典型工業(yè)過程污染和碳排放的全景多尺度模型描述，研發(fā)出鋼鐵冶金、煤化工等近 20 個重化工多單元集成優(yōu)化模型，實現(xiàn)了集成工藝快速評價和優(yōu)化，成果已應(yīng)用于焦化、廢鋰電池處理、電解鋁等行業(yè)的綠色升級。

在焦化行業(yè)，基于高濃度分離—可降解生物礦化—低濃度難降解高級氧化的污染控制基本原則，在焦化廢水處理關(guān)鍵單元技術(shù)典型污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究及相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟評估的基礎(chǔ)上，建立焦化廢水全過程高效、低成本強化處理綜合方案的工藝流程模型，實現(xiàn)廢水處理流程操作與廢水合理回用的協(xié)同優(yōu)化?；谠撃Ｐ?，獲得最小廢水處理成本條件下，焦化廢水處理流程的優(yōu)化操作參數(shù)和回用方案。

指導(dǎo)研發(fā)了酚油協(xié)同萃取減毒耦合污染物梯級生物降解的廢水處理新工藝（圖6），建立了全過程集成優(yōu)化的焦化廢水低成本穩(wěn)定控污成套技術(shù)，實現(xiàn)污染物深度脫除和系統(tǒng)穩(wěn)定、低成本運行的目標(biāo)。突破產(chǎn)業(yè)化放大工程技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。本工藝主要包括酚油萃取協(xié)同解毒、精餾—生物耦合脫氮脫碳、適度氧化高效混凝脫氰脫色、非均相催化臭氧氧化、多膜組合脫鹽等關(guān)鍵技術(shù)。該工藝按照工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳的思路設(shè)計工藝路線，不僅成本低，而且穩(wěn)定可靠。

圖6 基于超結(jié)構(gòu)模型預(yù)測的工藝優(yōu)化案例Figure 6 Process optimization case based on superstructure model prediction

針對綠色低碳發(fā)展的需求，未來我國亟待將過程工業(yè)與大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)等信息技術(shù)深度融合，進行工業(yè)行業(yè)碳排放及碳中和技術(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)資源建設(shè)和模型描述，以原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程為對象，以技術(shù)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，以全流程全局優(yōu)化智能尋優(yōu)，貫穿工藝、過程/裝備和系統(tǒng)多個層面的研究開發(fā)，從而構(gòu)建以需求驅(qū)動的敏捷供應(yīng)鏈。其中，發(fā)展全過程優(yōu)化軟件平臺及數(shù)據(jù)庫，建成全過程智能控制優(yōu)化平臺及綠色智能無人工廠系統(tǒng)，為代表性行業(yè)提供綠色低碳過程制造智能優(yōu)化系統(tǒng)解決方案是我們進一步工作的目標(biāo)。基于軟件平臺與數(shù)據(jù)庫的逐步建立和完善，工業(yè)生產(chǎn)全過程減污降碳研究將以綜合成本最小化為目標(biāo)，以水—物—能增值循環(huán)為核心、實現(xiàn)不同層級的污染物/水/能量的信息大數(shù)據(jù)集成、能量/水梯級利用與人工智能決策，打破行業(yè)間、領(lǐng)域間的壁壘，助力傳統(tǒng)單一行業(yè)減污降碳向上下游產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同減污降碳、數(shù)字化減污降碳的方向轉(zhuǎn)變。