中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶(hù)網(wǎng)訊 我國(guó)重化工行業(yè)涉及產(chǎn)品種類(lèi)繁多、原料來(lái)源廣泛、工藝流程長(zhǎng)、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(qiáng)、碳排放強(qiáng)度大等基本特征。據(jù)《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒》報(bào)道，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(dá)到77%，汞、鎘、鉻（六價(jià)）、鉛、砷等金屬或類(lèi)金屬等毒性污染物排放約占86%（表1）。

工業(yè)碳排放占我國(guó)總碳排放約68%（包括間接排放），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，碳減排任務(wù)艱巨。當(dāng)前，我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)同時(shí)面臨實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)和碳達(dá)峰、碳中和（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙碳”）兩大戰(zhàn)略任務(wù)。我國(guó)“氣十條”“水十條”“土十條”提出了專(zhuān)項(xiàng)整治“十大重點(diǎn)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(jí)。2020年9月，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》。《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》提出了推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展，推動(dòng)鋼鐵、有色金屬等行業(yè)碳達(dá)峰。黨的二十大報(bào)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(hù)、應(yīng)對(duì)氣候變化”，以及“協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長(zhǎng)”的重要指示。我國(guó)正處于跨越式發(fā)展的經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)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(jìn)工業(yè)減污降碳已成為我國(guó)新發(fā)展階段經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的必然選擇。

目前隨著環(huán)境保護(hù)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(dá)標(biāo)處理關(guān)鍵技術(shù)缺乏、末端無(wú)害化治理控制成本高等問(wèn)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(guò)程減排效果差，毒性化學(xué)品原料及生產(chǎn)過(guò)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(jìn)入末端后導(dǎo)致污染與碳排放，對(duì)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(yàn)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(wèn)題。以鋼鐵行業(yè)為例，目前噸鋼的污染處理成本達(dá)到200—300元，占鋼鐵生產(chǎn)總成本的10%左右，若未來(lái)加入碳市場(chǎng)交易，預(yù)計(jì)成本將接近400元。為了滿(mǎn)足不斷提高的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與碳排放要求，很多企業(yè)只能低利潤(rùn)生產(chǎn)。

應(yīng)對(duì)全球性重大挑戰(zhàn)背后的核心科學(xué)問(wèn)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(shí)演變到探索共性原理。因此，深刻認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)研究的重要作用和時(shí)代特征，深入探索復(fù)雜尺度的共性原理問(wèn)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(jī)理及形態(tài)理論仍不清楚。面對(duì)生態(tài)文明建設(shè)新形勢(shì)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(jìn)一步凸顯。在基礎(chǔ)科學(xué)層面上，通過(guò)深入揭示物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)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(jì)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝、過(guò)程和系統(tǒng)，是未來(lái)可持續(xù)工業(yè)亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)環(huán)境科技發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)工業(yè)污染控制的重大需求，在充分借鑒國(guó)內(nèi)外工業(yè)污染治理相關(guān)先進(jìn)理念與高新技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)科技工作者不懈努力、上下求索、開(kāi)拓創(chuàng)新，“工業(yè)污染全過(guò)程控制”策略框架已基本形成，全過(guò)程控污已成為高效解決重化工行業(yè)污染問(wèn)題的發(fā)展趨勢(shì)。本文在國(guó)家“雙碳”重大戰(zhàn)略布局下，進(jìn)一步提出并闡釋了工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳的基本理念及科學(xué)內(nèi)涵，針對(duì)工業(yè)全過(guò)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(shí)有效的理論與方法。

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳理念

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳以工業(yè)過(guò)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(jì)、綠色化學(xué)、清潔生產(chǎn)及生命周期評(píng)價(jià)等理論和方法，綜合運(yùn)用最佳可行技術(shù)和最佳環(huán)境實(shí)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(cái)力、時(shí)間和空間，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)綜合成本最小化；實(shí)現(xiàn)工業(yè)全過(guò)程廢棄物的減量化、資源化、無(wú)害化；實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的低碳化、綠色化、智能化；實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處永續(xù)發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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。

源頭—過(guò)程—末端控制方法協(xié)同

工業(yè)污染及能耗主要來(lái)源于原料（介質(zhì)）或生產(chǎn)過(guò)程，通常比較復(fù)雜，現(xiàn)有污染控制體系與生產(chǎn)過(guò)程脫節(jié)，缺乏協(xié)同考慮生產(chǎn)工藝過(guò)程中物質(zhì)、資源循環(huán)，資源和能源不能在生產(chǎn)過(guò)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(wèn)題，亟待通過(guò)生產(chǎn)源頭深度分離實(shí)現(xiàn)污染高效資源回收。

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

氣—液—固污染跨介質(zhì)協(xié)同

近年來(lái)，污染跨介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化問(wèn)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。跨介質(zhì)污染由于缺少統(tǒng)一的聯(lián)合治污機(jī)制，治污脫節(jié)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(qiáng)重點(diǎn)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(guò)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(jī)理，建立高效、經(jīng)濟(jì)、安全的污染多介質(zhì)組合技術(shù)優(yōu)化協(xié)同整治機(jī)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。

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

環(huán)境管理是國(guó)家實(shí)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(duì)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(jī)制；同時(shí)，缺乏有效的行政手段和經(jīng)濟(jì)手段使企業(yè)污染治理行為變被動(dòng)為主動(dòng)，亟須加速環(huán)境防治能力建設(shè)，促進(jìn)環(huán)境技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，為我國(guó)的環(huán)境管理和環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管理3個(gè)層面，對(duì)各個(gè)污染控制過(guò)程提供技術(shù)支持，推進(jìn)低碳技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)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(shí)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(dá)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(tái)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)綜合成本最小化，創(chuàng)造顯著的社會(huì)環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益，引領(lǐng)企業(yè)主動(dòng)治污。技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可達(dá)、管理完善的統(tǒng)籌理念將有利于進(jìn)一步促進(jìn)和協(xié)調(diào)環(huán)境保護(hù)、綠色發(fā)展決策和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的聯(lián)系。

資源—能源—環(huán)境多要素統(tǒng)籌

由于人口的快速增長(zhǎng)，以及隨之發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式對(duì)資源的過(guò)分依賴(lài)，導(dǎo)致我國(guó)一些重要自然資源的可持續(xù)利用和保護(hù)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國(guó)“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(dòng)社會(huì)向綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)能源高效利用、清潔能源開(kāi)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(guó)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(jì)社會(huì)活動(dòng)需要消耗大量的能源資源。人均能源資源相對(duì)不足是中國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)限制因素，其中水資源短缺和能源緊張的問(wèn)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(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的矛盾十分尖銳。工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳將資源能源及環(huán)境保護(hù)放入工業(yè)發(fā)展全局進(jìn)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(jí)利用技術(shù)路徑，強(qiáng)化資源回收過(guò)程；并通過(guò)低成本無(wú)害化處理使綜合毒性風(fēng)險(xiǎn)降低，實(shí)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。

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳是一個(gè)大型的復(fù)雜過(guò)程系統(tǒng)綜合問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)的核心是統(tǒng)籌多個(gè)單元（或裝置）、多個(gè)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(shí)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(guò)精準(zhǔn)識(shí)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(cè)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(jī)理，分析研究典型操作單元設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件對(duì)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(guò)程單元構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)模型；③在系統(tǒng)尺度，進(jìn)行全過(guò)程技術(shù)組合，發(fā)展全過(guò)程減污降碳超結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，研究生產(chǎn)過(guò)程、控污過(guò)程與碳排放之間的相互作用關(guān)系和多單元過(guò)程組合機(jī)制，建立流程尺度的構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)模型。通過(guò)以上關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究，逐步建立工業(yè)全過(guò)程減污降碳集成優(yōu)化軟件工具，直接支撐重點(diǎn)行業(yè)減污降碳技術(shù)創(chuàng)新和過(guò)程集成，幫助尋求最佳系統(tǒng)減污降碳方案，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)局部與整體之間、經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境影響之間的協(xié)同優(yōu)化（圖2）。

 分子尺度

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(shí)關(guān)鍵離子/分子賦存形態(tài)，深入認(rèn)識(shí)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(cè)模型，以指導(dǎo)相關(guān)介質(zhì)（催化劑、藥劑、溶劑等）的設(shè)計(jì)篩選及其在宏觀單元操作過(guò)程中的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化定向調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)源頭減污降碳。

微觀尺度涉及的研究對(duì)象包括分子、離子、自由基、官能團(tuán)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(dòng)力學(xué)等模型（圖3）。目前，有多種科學(xué)計(jì)算軟件，如量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、介觀動(dòng)力學(xué)等方面的計(jì)算軟件，可以支撐相關(guān)的微觀尺度構(gòu)效關(guān)系研究。

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(dòng)力學(xué)和互作參數(shù)預(yù)測(cè)模型，以便于微觀—宏觀尺度模型的耦合，從而實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同優(yōu)化。但微觀尺度的計(jì)算往往模型復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，且求解難度大，直接與宏觀尺度模型耦合往往會(huì)造成求解困難，目前也未形成系統(tǒng)的方法和軟件工具。考慮到機(jī)器學(xué)習(xí)處理復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，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(jī)器學(xué)習(xí)/人工智能（ML/AI）模型所需的大量數(shù)據(jù)，以開(kāi)發(fā)適用于跨尺度耦合的構(gòu)效關(guān)系預(yù)測(cè)模型。

單元尺度

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，深入認(rèn)識(shí)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(cè)模型，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程減污降碳。

單元尺度涉及的研究對(duì)象包括轉(zhuǎn)化、分離、產(chǎn)品加工、污染處理等工業(yè)過(guò)程從原材料到產(chǎn)品的幾大單元流程。單元過(guò)程的相互作用關(guān)系包括質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞、能量傳遞與反應(yīng)過(guò)程等（圖4）。其中，在化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，需把制造產(chǎn)品所用的原材料預(yù)先進(jìn)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(lái)，以便于后續(xù)進(jìn)行分離純化過(guò)程；分離純化過(guò)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(guò)程之后，根據(jù)產(chǎn)品種類(lèi)和設(shè)備條件以及環(huán)境保護(hù)要求，采用最佳實(shí)用技術(shù)制備產(chǎn)品；在以上幾個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體、液體和固體廢棄物都需要進(jìn)入污染處理單元進(jìn)行回收利用或無(wú)害化處理，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)奶寂欧拧?/p>

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(guò)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(guò)持續(xù)的單元技術(shù)創(chuàng)新，如介質(zhì)強(qiáng)化（催化劑、藥劑、溶劑等）、裝備強(qiáng)化（設(shè)備、材料、控制等）、外場(chǎng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)過(guò)程減污降碳。需要指出的是，與目前單純聚焦某一單元?jiǎng)?chuàng)新的習(xí)慣方法不同的是，全過(guò)程減污降碳強(qiáng)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(guò)單元間的協(xié)同優(yōu)化來(lái)預(yù)防或減少污染物的產(chǎn)生與碳排放，突出系統(tǒng)思維。考慮到工業(yè)過(guò)程大都表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性行為，我們建議采用“機(jī)理+數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動(dòng)方法，兼顧機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的優(yōu)勢(shì)，提高單元模型的可解釋性和適用性。

系統(tǒng)尺度

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(shí)各單元技術(shù)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用過(guò)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(dòng)要素，從而實(shí)現(xiàn)全過(guò)程物質(zhì)—能量?jī)?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(duì)象為單元過(guò)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(guò)程各個(gè)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(guò)程；轉(zhuǎn)化單元操作條件改變，將改變反應(yīng)產(chǎn)物組成，進(jìn)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(guò)程單元層次的優(yōu)化措施往往并不一定能帶來(lái)系統(tǒng)層次的最佳效果。從整體出發(fā)，在系統(tǒng)尺度上進(jìn)行過(guò)程集成優(yōu)化，發(fā)掘協(xié)同效應(yīng)，經(jīng)濟(jì)合理地利用，才能實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的減污降碳效果。工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳理論將生產(chǎn)全過(guò)程作為一個(gè)整體考慮，以綜合成本最小為目標(biāo)，將生產(chǎn)過(guò)程單元（轉(zhuǎn)化、分離、產(chǎn)品加工等）歸類(lèi)為操作單元，將污染處理單元?dú)w類(lèi)為處置單元，對(duì)單元處理技術(shù)進(jìn)行集成（圖5）。通過(guò)能量、物質(zhì)和水資源的供應(yīng)和利用過(guò)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(lì)和管理政策等不確定性因素的影響，尋求污染物穩(wěn)定達(dá)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。

工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程減污降碳系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵在于生產(chǎn)過(guò)程和末端治理過(guò)程重點(diǎn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律、污碳耦合機(jī)制、生產(chǎn)—末端相互作用關(guān)系、全過(guò)程減污降碳方案超結(jié)構(gòu)等的模型描述，進(jìn)而構(gòu)建系統(tǒng)尺度優(yōu)化模型。系統(tǒng)優(yōu)化是一個(gè)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(wèn)題，由于在優(yōu)化模型中引入多個(gè)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(jì)和單元/工藝流程設(shè)計(jì)模型引入的離散變量，優(yōu)化問(wèn)題求解空間大幅增加；描述相互作用時(shí)，可能引入強(qiáng)非線性函數(shù)，造成求解難度增大；以及多尺度模型耦合時(shí)模型規(guī)模快速膨脹等。目前，還缺乏具有一定普適性的支持全過(guò)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(lài)于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，亟須系統(tǒng)的軟件工具的支持。這也是全過(guò)程減污降碳研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

工業(yè)應(yīng)用與展望

本文基于工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(jì)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(guò)程建模及復(fù)雜非線性?xún)?yōu)化模型求解等難題，實(shí)現(xiàn)了典型工業(yè)過(guò)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(gè)重化工多單元集成優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了集成工藝快速評(píng)價(jià)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(jí)。

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(jí)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(jì)評(píng)估的基礎(chǔ)上，建立焦化廢水全過(guò)程高效、低成本強(qiáng)化處理綜合方案的工藝流程模型，實(shí)現(xiàn)廢水處理流程操作與廢水合理回用的協(xié)同優(yōu)化。基于該模型，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(jí)生物降解的廢水處理新工藝（圖6），建立了全過(guò)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(shí)現(xiàn)污染物深度脫除和系統(tǒng)穩(wěn)定、低成本運(yùn)行的目標(biāo)。突破產(chǎn)業(yè)化放大工程技術(shù)瓶頸，實(shí)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(guò)程減污降碳的思路設(shè)計(jì)工藝路線，不僅成本低，而且穩(wěn)定可靠。

針對(duì)綠色低碳發(fā)展的需求，未來(lái)我國(guó)亟待將過(guò)程工業(yè)與大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等信息技術(shù)深度融合，進(jìn)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(guò)程為對(duì)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(guò)程/裝備和系統(tǒng)多個(gè)層面的研究開(kāi)發(fā)，從而構(gòu)建以需求驅(qū)動(dòng)的敏捷供應(yīng)鏈。其中，發(fā)展全過(guò)程優(yōu)化軟件平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)，建成全過(guò)程智能控制優(yōu)化平臺(tái)及綠色智能無(wú)人工廠系統(tǒng)，為代表性行業(yè)提供綠色低碳過(guò)程制造智能優(yōu)化系統(tǒng)解決方案是我們進(jìn)一步工作的目標(biāo)。基于軟件平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)的逐步建立和完善，工業(yè)生產(chǎn)全過(guò)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(shí)現(xiàn)不同層級(jí)的污染物/水/能量的信息大數(shù)據(jù)集成、能量/水梯級(jí)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。

（作者：曹宏斌、趙赫、趙月紅、張笛，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)化工科學(xué)數(shù)據(jù)中心、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)  化學(xué)工程學(xué)院；《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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