本書以流程型工業生產過程及其環境行為為主線，主要介紹了借助工業代謝研究中常用的研究手段——物質流分析等對流程型生產系統中物質（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用案例等，內容涵蓋了工業生產系統物質代謝分析框架的建立，兩種不同角度和開發原理的模型（系統結構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生產過程為案例開展了應用研究，旨在為行業清潔、綠色和可持續發展，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”的技術方法和案例借鑒。
本書具有較強的針對性和技術應用性，可供從事工業污染源控制與管理的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也供高等學校環境科學與工程、生態工程、資源科學與工程及相關專業師生參閱。

白璐，中國環境科學研究院，研究室主任、高級工程師，主要從事運用產業生態學基礎理論與工具進行工業污染防治的研究工作。
（1）探索性的開展了重金屬工業代謝分析研究，推動產業生態學科縱向深入與橫向拓寬發展。通過建立基于物質流識別的冶煉過程工業代謝分析方法體系進行有色冶煉行業重金屬污染防控以及無組織排放環節與對策研究。針對傳統工業代謝分析方法多采用黑箱模型從而無法追蹤物質代謝行為及其影響因素的缺陷，探索性的開發了高溫多元多相復雜體系的數學模型對冶煉過程重金屬物質代謝行為進行預測和模擬，實現并建立了動態化的工業過程物質代謝分析模式。上述成果作為重要支撐之一，于2016年獲中國有色金屬工業科學技術獎一等獎。
（2）運用生命周期評價對晶體硅太陽能電池行業的環境影響及污染防治技術進行評估。該研究成果于2016年獲國家能源局能源軟科學優秀成果獎三等獎，并被進一步轉化為《多晶硅制造業污染防治技術政策》和《多晶硅及其制品工業污染物排放標準》，為多晶硅制造業環境管理提供依據。
（3）針對工業污染源類型多樣、工藝復雜、產排污環節眾多的特征，在對工業生產規律全面分析研究的基礎上，提出基于物質代謝規律的產排污量分類核算方法，創建了產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污染源產排污量核算技術指南》、《第 二次全國污染源普查工業污染源產污系數制定（不含VOCs）技術指南》，指導各工業行業（42個大類、659個小類）開展產排污核算方法研究，為第 二次全國污染源普查工業源排放量核算提供了直接支撐。作為項目總技術協調人協調指導近百家承擔單位開展系數制定，同時作為二污普工業源技術骨干對全國各級技術人員進行培訓、技術答疑和指導，在普查的質量提升、質量核查、數據集中會審等重要工作中做出了突出貢獻。

工業代謝包括使經濟系統得以運行（即生產和消費）的所有物質和能量的轉化過程。作為產業生態學的重要組成內容，工業代謝的主要研究目的是通過識別和追蹤這一系列轉化過程中某一研究對象（物質或能量）的變化（代謝）反映其所在工業體系的運行機制，進一步通過機制調節和優化這種代謝關系來達到保護生態環境、實現可持續發展的目的。工業代謝的研究歷史迄今已近30年，在系統邊界和研究目標的確定、模型構建、清單編制、分類方法、數據分析、結果解釋等方面已經基本形成了工業代謝分析方法的框架，而大量的國家、區域和產業部門的物質代謝、經濟與社會發展以及環境影響等層面的廣泛研究也使工業代謝成為辨識工業生產及其環境行為的重要理論基礎和工具。
根據工業代謝過程物質流動和轉化的特點，以及產排污行為與生產要素響應關系的一致性或相似性，工業生產可劃分為流程型生產和離散型生產。其中，流程型生產是對原材料以批量或連續的方式進行生產的過程，主要發生物理化學等變化。流程型生產包括傳統的重化工業，例如鋼鐵、有色、化工等重污染行業。本書以流程型工業生產系統及其物質代謝為主要對象，基于工業代謝的理念，在建立生產系統物質代謝分析框架的基礎上，采用雙層結構模型（系統結構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代謝過程中大宗物質元素或環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生產過程為案例，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、最終代謝產物的去向及代謝量等），旨在為行業清潔、綠色和可持續發展，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、張玥統稿并定稿。本書撰寫過程中得到了郝吉明、段寧、柴發合、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 工業代謝 001
1.1　工業代謝及其分析方法 002
1.1.1　關于代謝的研究 002
1.1.2　工業代謝的起源及其發展 002
1.1.3　工業代謝的基本概念 004
1.1.4　工業代謝分析的研究對象和范圍 006
1.2　工業代謝分析的研究意義 007
1.3　工業代謝的分析方法 010
1.3.1　物質流分析與元素流分析 011
1.3.2　投入產出分析 013
1.3.3　生命周期評價 014
1.3.4　生態足跡分析 015
1.3.5　能值分析 016
1.3.6　人類占用的凈初級生產量 017
1.3.7　常用分析方法的對比 019
1.4　工業代謝分析的研究與應用 020
1.4.1　工業代謝的實證研究 020
1.4.2　流域尺度的代謝研究 022
1.4.3　金屬及重金屬工業代謝研究進展 022
1.4.4　流程型生產過程的物質代謝研究進展 027
參考文獻 028

第2章 流程型工業 035
2.1　工業生產的類型 036
2.2　工業生產基本代謝過程 038
2.2.1　工業生產過程的代謝 038
2.2.2　社會經濟系統中的工業代謝 040
2.3　流程型生產與代謝特征 041
2.4　常見的流程型工業 042
2.4.1　鋼鐵行業 042
2.4.2　有色行業 044
2.4.3　水泥行業 046
2.4.4　醫藥行業 046
參考文獻 048

第3章 流程型行業代謝分析與評價基本方法 049
3.1　流程型工業代謝分析框架 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　流程型工業物質流識別 051
3.1.4　物質平衡賬戶的建立 055
3.1.5　代謝分析與結果解釋 058
3.2　物質流的靜態分析法 059
3.2.1　量化表征與評價分析 059
3.2.2　圖形表征與物質流圖繪制 060
3.2.3　常用的制圖軟件 061
3.3　物質流的動態分析法 064
3.3.1　冶金過程的數學模型法 065
3.3.2　化工過程的物料衡算法 065
參考文獻 066

第4章 工業代謝分析的數據及獲取 067
4.1　物質流分析的數據需求 068
4.2　生產型數據獲取 071
4.2.1　國民經濟統計年鑒 071
4.2.2　工業統計年鑒 073
4.2.3　能源統計年鑒 073
4.2.4　實地調研數據 073
4.3　排放型數據獲取 074
4.3.1　生態環境調查與統計數據 074
4.3.2　工業污染源產排污系數 077
4.3.3　實測數據 077
4.4　數據的不確定性分析 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代謝分析與評價——水口山工藝 082
5.1　我國鉛冶煉發展概況 083
5.1.1　鉛冶煉技術 083
5.1.2　鉛冶煉過程主要環境問題 086
5.1.3　研究背景和意義 087
5.2　SKS工藝中重金屬物質代謝分析與評價 089
5.2.1　SKS工藝研究對象與系統邊界 089
5.2.2　鉛冶煉過程物質流識別與確定 091
5.2.3　SKS冶煉過程工業代謝分析與評價 096
5.2.4　鉛冶煉過程重金屬污染防治環節分析 110
5.2.5　鉛冶煉過程的統計熵分析 114
參考文獻 124

第6章 冶煉過程鉛的代謝分析及優化——富氧底吹液態高鉛渣直接還原工藝 126
6.1　富氧底吹液態高鉛渣直接還原工藝研究對象與系統邊界 127
6.1.1　研究對象概況 127
6.1.2　系統邊界及采樣方案 128
6.2　物質流識別與確定 131
6.2.1　基本物質流圖的構建 131
6.2.2　數據獲取 132
6.2.3　鉛物質流核算 134
6.3　富氧底吹液態高鉛渣直接還原工藝鉛物質流代謝分析與評價 136
6.3.1　粗鉛冶煉過程鉛的物質流分析 136
6.3.2　粗鉛精煉過程鉛的物質流分析 140
6.3.3　鉛物質代謝評價 142
6.4　重點污染物與重點工序分析 146
6.5　鉛物質代謝優化模型 147
6.5.1　模型構建 147
6.5.2　模型邊際影響分析 149
6.5.3　生產過程鉛物質流優化模型分析 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　模型的簡化與假設條件 166
7.2.3　熔煉平衡時反應體系構成 167
7.2.4　確定計算所需參數 167
7.3　底吹爐熔煉過程模型計算實例 169
7.3.1　計算結果 169
7.3.2　模型的驗證 170
7.4　底吹爐工序工業代謝模擬 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 電解鋁工業代謝分析 180
8.1　我國鋁業發展現狀 181
8.1.1　電解鋁業概況 181
8.1.2　主要生產工藝 184
8.1.3　行業產排污現狀 185
8.2　鋁的主要產品及典型代謝關系識別 189
8.2.1　鋁的主要產品及產業鏈 189
8.2.2　典型鋁產業園區物質代謝關系識別 195
8.3　我國鋁行業物質流分析 200
8.3.1　鋁行業的物質代謝研究方法 200
8.3.2　2020年我國鋁業的物質流分析 203
參考文獻 206

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

第10章 制糖工業共生系統及代謝分析 223
10.1　我國制糖行業發展概況 224
10.1.1　制糖行業概況 224
10.1.2　主要產品和工藝 224
10.1.3　行業產排污現狀 226
10.2　制糖工業代謝類型及其主要特征 229
10.3　制糖生態工業系統的組成和結構 229
10.4　廣西貴糖集團制糖生態工業模式及代謝分析 231
10.4.1　廣西貴糖生態工業雛形 232
10.4.2　貴糖模式的生態工業網絡類型 232
10.4.3　貴糖模式的代謝類型及主要特點 233
10.4.4　廢物循環利用的區域環境效應 234
參考文獻 236

第11章　工業集聚區能源代謝與碳排放 237
11.1　我國工業集聚區概況  238
11.1.1　我國工業集聚區的表現形式與現狀分布 238
11.1.2　工業集聚區產業結構與能源消耗 239
11.2　工業集聚區碳排放核算與代謝分析方法 240
11.2.1　核算框架與技術流程 240
11.2.2　燃料燃燒排放 241
11.2.3　工業生產過程排放 242
11.2.4　電力、熱力調入與調出產生的排放 242
11.2.5　廢棄物處理 243
11.3　典型集聚區碳排放代謝分析 247
11.3.1　化工行業主導型集聚區碳排放代謝分析 247
11.3.2　電子行業主導型集聚區碳排放代謝分析 253
參考文獻 261

第12章　流域總磷的工業代謝分析 262
12.1　長江流域總磷的工業代謝分析 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　用于開展工業生產過程的減污降碳協同路徑分析 278
13.3　用于流域和區域的工業污染溯源 278

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

索引  295