试论物料衡算及其剖析在工业污染源控制中的作用

城环部南京环境科学研究所 钱兴福 王健民

通过对浓度、工艺、总量及目标四方面的控制，论述物料街算及其剖析对控制工业污染源的重要性，为发展生产，提高环境效益提供科学而准确的依据。

一、 工业污染源控制类型

对于工业污染源的控制，文献中已有不少专论[1,2]。但由于时期、国情、技术条件和侧重面不同，选择的控制途径也不尽相同，大致可分为下面四种控制途径。

1.浓度控制

浓度控制是国内外最初采用且现在仍通用的方法。该法是控制各污染源排放口污染物浓度不超过某预先制定的浓度标准，超过时必须采取无害化处理的一种措施。这种方法明显的缺点是：(l)没有考虑介质量(如废水的水量)，因此可以“合理”稀释排放。采取这种措施，不但废水中的污染物绝对量没有减少，反而还可能增加水资源的浪费。(2)没有适当地考虑环境自净能力，因而也就不能充分利用环境容量“资源”。(3)没有考虑无组织的排放。(4)没有紧密联系通过改善生产状况，即加强管理和改革工艺来减少污染物的排放总量，这也是该法的最致命的弱点。

2.工艺控制

工艺控制的目的是从合理利用资源，改善生产的角度出发，从加强管理着手，以流失物的回收和综合利用为基础，结合设备更新，工艺改革，最后达到降低消耗，提高产量，减少污染物的排放。这种方法弥补了浓度控制中的致命弱点，它是综合治理污染源的好方法。目前，我国的工业生产，特别是化学工业生产，原料用量大，能源消耗多，生产工艺复杂，产品繁多，加之我国多数企业管理水平和工艺技术落后，设备陈旧，资源、能源、水源的浪费都很严重。因此向环境排出的废弃物种类、数量也多。据有关资料报导，部分行业投人生产的原料只有三分之一左右转化为产品[4]，有的甚至只有百分之几转化为产品(如有的药品生产)，其余均作为废弃物而排掉，而其中又有相当一部分是因为管理不善造成的。故可以说，采用工艺控制这种方法是经济合理的，也是切实可行的。它又可作为下面所要说的总量控制的基础和先行部分。

3.总量控制

总量控制主要是针对某一地区而言的，根据这地区的环境总容量，制定出该地区的污染物排放总量标准，并要求各污染源排出的污染物总的绝对量不超过这一标准。总量控制是一种反馈控制。因此控制时要有高度配套的科学技术和科学的管理，必须以准确的排污量和精确的环境总容量为基础。这种方法从污染源控制和环境质量控制的角度讲是最合理的，是治本的措施。但是由于其要求比较高，特别是搞清环境总容量需要花费很大的人力、物力和具备较高的技术条件。因此我国基本上还没有一个地区真正实行总量控制。目前日本已有部分地区在推行这种方法。

4.目标控制

目标控制是综合以上几种控制方法，根据技术经济条件、生产发展趋势和环境目标，结合已知的环境性质、环境

容量，制定出环境阶段控制目标及长远目标，然后采取各种切实可行的控制手段，逐步达到控制污染的目的。

上述几种方法，均各有优缺点，都只适用于一定条件，我们主张结合起来进行系统控制。目前，可侧重第2、4两种。去年总理在对鞍钢环保工作经验的重要批示中指出：要结合企业整顿，技术改造、综合利用资源、能源，积极治理“三废”污染[5]。并且各行各业也一再强调要加强企业管理，大搞综合利用，把“三废”消除在生产过程之中。在此形势下，第2种方法已有部分地区(如沈阳市化工局)在着手研究。第3种方法由于环境保护的要求和控制的合理性，在前两种方法达到最优的情况下和具备成熟的技术条件时也必将发展起来。由于我国目前的污染现状，技术经济条件和生产发展趋势，大部分地区适于采用目标控制。但不管怎样，要采用后三种中的任何一种方法，都必须要摸清企业的生产和对环境造成污染的多方面情况，取得比较符合实际的科学依据，选择经济合理的控制途径。只有这样才能使控制达到最佳程度。否则，盲目选择控制途经，开始也许能起一定的控制作用，但肯定达不到最优的控制目标。那么，开展企业的“物料衡算及其剖析”，就为达到上述要求提供了科学依据。

二、物料衡算及其剖析简介

工业生产一般都不可能将投入的原料全部转化成产品，总是或多或少地要向环境排放一部分废弃物。这些废弃物则在不同的环境条件下，以不同的种类、形态、数量、浓度、排放方式、去向、时间和速率，进入环境。但从环境影响的角度来看，有时成为污染物，有时又不是污染物。它们在昨天被认为是废物，今天或者明天可能会成为宝物。在一定条件下它们是“害”，另一条件下却变成了“利”，在一定条件下排放“废物”是难免的，而在另一条件下把“废物”消除于生产过程中也是可以做到的，关键在于条件。物料衡算及剖析就是基于为创造这种条件而进行的基础性工作。这里，物料衡算及剖析包括原材料、水、能的衡算及剖析。

物料衡算，能量衡算，水量衡算是工艺设计中的一项基础工作，它是根据物质不灭定律和能量守恒定律进行的。通常的物料平衡方程有两种[6]：

(1)总物料平衡 F= P+W

式中：代表投料(投入)；P代表产品(产出一)；W代表生产系统排出的“废物”(产出二)。

(2)每个组分或元素的平衡

WFF=WPP+WWW

式中：WF、WP、WW分别为F、P、W中同一种组分或元素的重量分数。

工艺设计中的物料衡算通常采用的平衡方法基本上是第二种。由于这种物料衡算的目的是为工艺设计提供基本参数，在不影响工艺设计的前提下往往可以从简。因此对于原料中、产品中夹带的与生产和产品质量无关的物质就不需要分清具体是那些种类的物质，只是以杂质笼统称之。对于废弃物也常常是以其总的排放量参加平衡，至于这些废物到底由哪些种类的物质组成有时可以不管，反正F总是等于P与W之和的。有时又由于工艺设计的需要，衡算又需要做得很细，仅仅是以操作单元来衡算还不够，要以某个设备，甚至设备内的上、下之间(如精馏塔塔板之间)也要衡算。同样，水和能的衡算也是如此。由于工业污染源调查中的物料衡算的首要目的是，尽可能查清工业生产过程中全部流失物的种类和各自的数量。因此在衡算中要根据现有的实际生产中的资料、数据，

尽可能地求出哪些杂质、废弃物是什么，排出多少?但是与此目的无关的计算可尽量简化，如能与水的平衡就可以整个生产过程为系统，平衡计算进入此系统和排出此系统的能与水是多少，然后根据共回收利用的情况得出我们所需的结果。而不需象工艺设计中那样对每一个操作单元或设备进行衡算。因此这就要求我们以工艺设计中的物料平衡为基础，根据我们的需要作适当补充与简化。

这里要讨论的物料衡算是以产品为单元，根据每个产品的实际投入、产出情况和工艺过程，计算出各种废弃物的排放量、能源利用量及余热生成量、用水量等。然后再根据衡算结果及一些生产统计资料进行一系列的剖析计算，得出一套较为完整的生产、污染源和经济等方面的资料、信息。其具体工作内容及工作结构如下：

1.物料衡算及其剖析的工作内容

(l)基本参数收集 主要收集原材料、产品、能源、水源、废物排放、产品经济核算、工艺指标等方面的数据及工艺流程图、反应方程式。

(2)原材料平衡 根据原材料的投入和产品的数量以及工艺情况平衡计算物料的回收、综合利用、无害化处理和流失的种类及数量。

(3)能源平衡 根据能耗(电、煤、油)、生产过程平衡计算工厂余热的产生量、利用量和损失量。

(4)水源平衡 根据工厂、车间或产品上下水及工艺过程平衡计算用水、耗水、排水、回收水量和循环水量。

(5)主要原材料(指有考核指标的原材料)流失原因剖析 根据国内外先进水平及本厂历史先进水平，衡算期先进月水平与衡算期年水平进行比较，得出加强管理可减少的流失量，改革工艺可减少的流失量，理论流失量等。

(6)历年原材料投入产出统计 由历年的原料总耗、产量及衡算期物料的回收，综合利用率或流失率，推算历年原料的流失数据。

(7)历年能源、水源统计 根据年产量及衡算期单位产品的能耗、水耗、余热利用量和水循环利用量推算历年能、水的总用量，总余热量，可节约用水总量等。

(8)原材料、能、水的流失和损失的经济剖析 由原材料、能源、水源的平衡结果(原材料考虑在工艺过程中的增殖情况)及历年统计资料料算原材料、能源、水源的流失和损失的经济损失。

2． 物料衡算及剖析工作结构图

由物料衡算及其剖析的工作内容和结构图可见，物料衡算及其剖析的工作内容是很丰富的，技术性也是较强的。但根据我们的经验，只要企业领导支持，产品技术人员参加，充分发动群众，就能把它搞好，从而就能得到很多资料、数据。下面以某硫酸厂对1981年的硫酸生产进行的物料衡算及其剖析(因篇幅所限，只能摘其主要结果)为例，以作说明。

三、 实 例

某厂硫酸生产以硫铁矿为原料，采用接触法工艺进行生产。年耗疏铁矿(含S22.3%)12.8万吨，其中：S2.8万吨，Fe3.2万吨，As79.2吨，F258吨，Pb562吨，Zn6吨。年耗空气37万吨。年用水(不包括间接冷却用水和炉渣熄灭用水等)67.6万吨。年产硫酸(100%)8.1万吨，综合利用含SO2尾气产液体亚硫酸氢铵490吨。

1.原材料衡算

已知硫酸生产主要有三个反应方程式：

焙烧 4FeS2+11O2=8SO2+2FeO3 (l)

转化 2SO2+O2=2SO3 (2)

吸收 SO3+H2O=H2SO4 (3)

(l)+(2)×4+(3)×8得一个总反应方程式(4)：

4FeS2+15O2+8H2O=8H2SO4+2Fe2O3 (4)

氨水吸收制酸尾气中的SO2生产亚硫酸氢铵的反应方程式为：

H4OH+SO2=NH4HSO3 (5)

根据上述反应方程式、生产工艺及其参数、投料和产量全面衡算，可得出全年物料回收、综合利用和流失的种类、数量(见表1)。

表1流失物综合利用及流失情况表（吨/年）

流失量 物料名称 综合利用量[a] 气态形式 SO2 SO3 As F H2SO4[d] 矿渣、矿尘[e] 其中：S Fe As F Pb Zn Fe2O3 空气 其中：干空气 水气 水 共计 158.5 107900 311.5 7568 71.0 227.6 550.3 650.1 34440 108000 1684 27.0 0.1 0.4 311500 311500 313200 液态形式[b] 0.9 13.5 57.1 0.2 4.0 0.03 0.2 0.3 0.3 18.2 6026 6026 660000 66100 固态形式[c] 444.7 5.7 11.6 2252 5.3 159.0 1.5 4.8 11.4 13.6 724.8 2714 小计 212.9 27.0 6.7 25.5 1696 2309 5.5 163.0 1.53 5.0 11.7 13.9 743.0 317526 311500 6026 660000 983700 注 [a]SO2综合利用制亚硫酸氢按；矿渣、矿尘综合利用作水泥原料。

[b]本栏除空气中的水汽及水是真正以液态形式流失以外，其它物料均是以溶解态或悬浮态存在于废水中而流失的。

[c]固态流失物是指废水处理沉淀下来的赤泥。其中SO2实际是以亚硫酸盐(主要是亚硫酸钙)形式存在于赤泥中而流失。

[d] H2SO4的流失量是由S的利用率Q产量推算而得，其中包括了计量误差，无组织排放等。因此表中所列数量是H2SO4的相当流失量，而不是真正流失量。由于没有足够的数据，暂还不能分清各种流失形式的量，故只好将其放在小计栏。

为矿渣、矿尘中主要元素(投料有分析数据的)或化合物的含量。 2.能源平衡

根据电、油、煤的年耗量及工艺情况进行平衡得出：该厂硫酸产品每年折合耗用标准煤3430吨。生产过程中产生的反应热，折合标准煤203吨，其中工艺需用热，折合标准煤8442吨，占反应热的41.4%；余热总量折合标准煤l1947吨，占反应热的58.6%；已利用余热折合标准煤4163吨，占余热总量的35%；未利用余热折合标准煤7784吨，占余热总量的65%。

3.水源平衡

根据全年用水量及工艺过程中平衡计算出各方面的水量：用水量316.8万吨/年，进入产品1.5万吨/年，进入炉渣1.3万吨/年，蒸发17.5吨/年，排放量296.5万吨/年。单位产品用水量39吨。 4.剖析

由上述“三衡算”的结果同行业的先进水平，历年资料统计，车间操作状况，工艺设备状况，经济参数等分别按下列三方面进行剖析。

(l)物料剖析 主要对S的流失原因进行了剖析，结果见表2。由表2可见加强管理和改革工艺后可少流失S437?90吨/年，即使不改革工艺，加强管理及开足SO2尾气吸收装置也可少流失S372.2?25.2吨/年。可见该产品还有很大的潜力可挖。

表2 硫的流失原因剖析结果

类别 可能流失量 综合利用量 实际流失量 其中：管理不善流失 工艺落后流失 SO2回收装置开车率低而流失 数量（吨/年） 2024 402 1622 40─493 379 332.2 占可能流失量的百分数 100% 19.86% 80.14% 1.98 4.36% 19.61% 16.41% 根据历年资料统计，该产品自投产以来共耗硫铁矿(含S30%)121.6万吨；产硫酸97.4万吨；综合利用(主要指炉渣综合利用作水泥原料)86.5万吨。流失3.3万吨，其中:S15124吨，As98.7吨，F365.6吨，Pb106.9吨，Zn125.8吨，Fe3800吨。

参照沈阳化工局关于流失物经济损失计算的经验，由流失量的衡算可知该年因物料流失直接造成的经济损失达62.42万元(不包括原料采用硫铁矿和硫磺时所引起的差价101.54万元)。为补偿由于污染物流失造成的环境危害所付代价(主要指赔款、排污收费)为12.5万元。共计74.92万元。由此核算得历年累计损失673万元。

(2)能源剖析 能源剖析也是根据衡算结果和经济参数进行计算的。结果见表3。由表3可见还有一半的余热没有得到利用，价值53.14万元。历年累计未利用余热而损失1253.86万元。

表3 能源经济剖析结果表

类别 年产余热 已回收利用余热 尚可回收利用余热 较难回收余热 历年累计产余热 已回收余热 可回收而没回收余热 尚可回收余热 较难回收余热 价值（万元） 111.5 38.8 20.8 32.34 1351 97.14 375.7 256.7 391.8 占总余热量的百分数（%） 34.80 34.80 49.00 29.00 100 7.91 27.81 19.00 29.00 (3)水源剖析 据有关资料介绍[8]，硫酸生产用水量一般在2?0吨/吨。而该厂的单位产品用水量为39吨由此可推算该年多用水155吨1万吨若按每吨水0.08元、循环回用一吨水需投资0.02元计，该年损失9.3?8.1万元。也可推得历年共用水3799万吨，其中多用水1851604万吨，计损失111.116.2万元。

综上三项剖析，该产品因物料流失，余热未充分利用和超用水量的经济损失全年至少有137.4万元；历年累计损失至少有1808万元。可见该产品的生产若能加强管理，走综合治理污染源的道路是大为有利可图的。

由于一些基本参数缺乏，又受一些客观条件的，实际工作投能完全按照设想的内容来进行。但是前述结果已足以用来论证物料衡算及其剖析在污染源调查与控制中的作用了。

四、物料衡算及其剖析在工业污染源控制中的作用

由前面对物料衡算及其剖析方法的简介及实例可以看出，这种方法系统地、全面地、科学地研究污染物(或者说流失物)的产生、排放与生产的关系，由此可真正使工业污染源控制与生产管理、资源(原材料、能源、水源)综合利用相结合，环境保护与发展生产相结合，因此搞好物料衡算及其剖析不仅能得到较为准确的污染物排放量及累计排放量，为污染源控制提供科学依据，指明方向和目标，而且能得到很多合理利用资源、生产管理、设备更新、工艺改革等重要的科学技术数据。从而使工厂领导和群众认识到资源浪费及经济损失的严重性；污染对环境的危害性；消除污染、改善环境与提高整个企业经济效益的一致性；加强回收综合利用、技术改造的必要性；提高大家加强企业管理的自觉性。最终达到降低消耗、提高产量、消除污染的目的。

由于各地区和单位的经济技术条件不尽相同，因此所要采取的污染源控制途径也一定有所不同。但是不管其经济技术条件如何，由物料衡算及其剖析所提供的依据来选择控制途径是完全必要的，否则就很难得到较为准确的排污量，也就很难找出经济合理的工业污染源控制途径。可见物料衡算及其剖析在工业污染源控制中是一项基础性的工作，也是很重要的工作。但是物料衡算并不能完全代替实测工作，相反，它必须利用实测所得到的数据。据了解，我国大部分工厂的实测力量较弱，实测工作做得很少，即使做了；其数据也很不完整，这为物料衡算工作带来了很大的困难。因此我们希望引起有关部门和领导对它的重视，加强必要的实测工作，搞好物料衡算工作，为发展生产、控制工业污染源提供科学而准确的依据。当然，在目前实测工作不够的情况下，也并不是不能进行衡算工作的。一方面我们可按前面曾绘出的第一种物料平衡方程进行总的物料平衡，从而得出某产品的生产究竟有多少物料流失，再根据生产原理分析所流失的这么多物料是否合理，最后提出一个比较合理的控制方案。另一方面，我们也可根据收集到的国内、国外行业的资料、数据，进行不同程度的衡算、剖析工作，也能达到同样的效果。 参考文献

[1]曲格平，工业污染的控制，环境保护，[6](1981)。

[2]张云田，关于制订排放标准的原则和方法，环境保护科学，[3]，(1982)。

[3]张珂、李国玮、任耐安，轻工行业污染物徘放标准制订原则的探讨，中国环境科学，[5]，(1982)。

[4]宋克城，化学工业利用“三废”资源的几点做法，化工环保[6]，(1982)。

[5]毛悌和， 积极防治化工生产污染，努力创办清洁工厂，化工环保，[6]，(1982)。

[6]马栩泉、同荣琪，物料衡算，化工基本计算例题集，化学工业出版社，(1982)。

[7]管荻，铁矿制酸废热锅炉热效率的分析，硫酸工业，[4]，(1981)。 [8]环办《环境污染源调查》编辑组，环境污染源调查讲义， (1982)。