中國網/中國發展門戶網訊 我國重化工行業涉及產品種類繁多、原料來源廣泛、工藝流程長、產污環節多，具有排污量大、污染負荷高、復合污染突出，以及毒性強、碳排放強度大等基本特征。據《中國環境統計年鑒》報道，鋼鐵、石化、有色、紡織、造紙、食品加工、制藥、皮革八大行業的化學需氧量（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）。

工業碳排放占我國總碳排放約68%（包括間接排放），而鋼鐵、有色、化工等幾大行業碳排放總量已占據工業排放總量的56%左右，碳減排任務艱巨。當前，我國生態文明建設同時面臨實現生態環境根本好轉和碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）兩大戰略任務。我國“氣十條”“水十條”“土十條”提出了專項整治“十大重點行業”中焦化、造紙、有色等行業清潔化改造及轉型升級。2020年9月，國家主席習近平在第七十五屆聯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年前實現碳中和”的目標，隨后該目標被納入《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》。《2030年前碳達峰行動方案》提出了推動工業領域綠色低碳發展，推動鋼鐵、有色金屬等行業碳達峰。黨的二十大報告提出了“統籌產業結構調整、污染治理、生態保護、應對氣候變化”，以及“協同推進降碳、減污、擴綠、增長”的重要指示。我國正處于跨越式發展的經濟高速增長階段，而工業污染控制與碳減排是迫切需要解決的重大難題，協同推進工業減污降碳已成為我國新發展階段經濟社會發展全面綠色轉型的必然選擇。

目前隨著環境保護排放標準日益嚴格及行業園區化發展日漸成型，有毒有害污染物穩定達標處理關鍵技術缺乏、末端無害化治理控制成本高等問題，成為制約行業可持續發展的重大瓶頸。由于生產過程減排效果差，毒性化學品原料及生產過程產生的眾多有毒中間體結構復雜難轉化，產品分離的能耗高、分離不徹底，進入末端后導致污染與碳排放，對生態環境造成極大的破壞。另外，由于源頭減排作用發揮不夠，以末端控制經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。以鋼鐵行業為例，目前噸鋼的污染處理成本達到200—300元，占鋼鐵生產總成本的10%左右，若未來加入碳市場交易，預計成本將接近400元。為了滿足不斷提高的環境保護標準與碳排放要求，很多企業只能低利潤生產。

應對全球性重大挑戰背后的核心科學問題研究范疇已從傳統理論上升為復雜科學，從追求細節發展到尺度關聯，從多層次的分科知識演變到探索共性原理。因此，深刻認識基礎研究的重要作用和時代特征，深入探索復雜尺度的共性原理問題，具有重要意義。目前，環境污染物和碳排放高度同根同源的內在規律不明，在微觀尺度的污染物轉化機理及形態理論仍不清楚。面對生態文明建設新形勢新任務新要求，減污降碳內在規律的深入研究需求進一步凸顯。在基礎科學層面上，通過深入揭示物質轉化過程中組成—結構—性質的影響，創建高效、清潔、節能、經濟的物質轉化工藝、過程和系統，是未來可持續工業亟待解決的難點問題。

針對當前我國環境科技發展現狀及未來經濟社會發展對工業污染控制的重大需求，在充分借鑒國內外工業污染治理相關先進理念與高新技術的基礎上，通過科技工作者不懈努力、上下求索、開拓創新，“工業污染全過程控制”策略框架已基本形成，全過程控污已成為高效解決重化工行業污染問題的發展趨勢。本文在國家“雙碳”重大戰略布局下，進一步提出并闡釋了工業生產全過程減污降碳的基本理念及科學內涵，針對工業全過程減污降碳缺乏基礎數據和理論指導難題，闡明具體方案策略，旨在為致力于工業污染治理的科研人員以及企業技術人員提供切實有效的理論與方法。

工業生產全過程減污降碳理念

工業生產全過程減污降碳以工業過程的綜合成本最小化為目標，其科學內涵是：依據系統工程、循環經濟、綠色化學、清潔生產及生命周期評價等理論和方法，綜合運用最佳可行技術和最佳環境實踐（BAT/BEP），執行和（或）制（修）訂相應環境法律法規，確保以最少的人力、物力、財力、時間和空間，實現工業生產綜合成本最小化；實現工業全過程廢棄物的減量化、資源化、無害化；實現工業生產的低碳化、綠色化、智能化；實現人與自然和諧相處永續發展。工業生產全過程減污降碳是在不同維度的協同控制（圖1），包括控制方法協同、跨介質協同、多領域統籌與多要素統籌。

源頭—過程—末端控制方法協同

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

工業生產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、物質轉化原子經濟性及循環經濟等清潔生產概念進行源頭污染控制；同時，結合系統工程和最優化方法設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。

氣—液—固污染跨介質協同

近年來，污染跨介質遷移轉化問題凸顯。水體、大氣和土壤緊密關聯，相互影響，“水污染控制”“大氣污染控制”和“土壤污染控制”的學科分化，導致邊界固化，往往是“頭痛醫頭、腳痛醫腳”，致使污染物并非從環境中去除，而是在氣、液、固介質中相互傳遞，增加了環境質量改善的難度。跨介質污染由于缺少統一的聯合治污機制，治污脫節現象比較嚴重。工業生產全過程減污降碳從多介質協同治污、多污染物—碳排放協同控制、區域統籌治污等方面入手，率先加強重點行業污染成因的基礎性和系統性研究，探明主要污染物的跨介質關鍵循環過程及其生態環境效應，研究廢氣—廢水—固廢污染物多介質調控與治理機理，建立高效、經濟、安全的污染多介質組合技術優化協同整治機制，為跨介質污染—碳排放協同控制技術提供基礎理論支撐。

經濟—技術—管理多領域統籌

環境管理是國家實施可持續發展戰略的重要保障。目前，環境技術對環境管理間的銜接有待完善，缺乏完備的環境技術支持體系和管理機制；同時，缺乏有效的行政手段和經濟手段使企業污染治理行為變被動為主動，亟須加速環境防治能力建設，促進環境技術的創新與發展，為我國的環境管理和環境保護提供技術支撐。工業生產全過程減污降碳統籌經濟、技術、管理3個層面，對各個污染控制過程提供技術支持，推進低碳技術創新，同時也為環境管理目標的設定，以及環境管理制度的實施提供數據支持。確保碳排放有效削減和污染物排放穩定達標，支撐執行和（或）制（修）訂相應環境法律法規，支撐建立技術政策、可行技術指南和工程規范等行業技術指導文件體系，以及建立“雙碳”目標管理的環境技術示范推廣平臺，實現工業生產綜合成本最小化，創造顯著的社會環境經濟效益，引領企業主動治污。技術可行、經濟可達、管理完善的統籌理念將有利于進一步促進和協調環境保護、綠色發展決策和經濟社會發展之間的聯系。

資源—能源—環境多要素統籌

由于人口的快速增長，以及隨之發展的經濟模式對資源的過分依賴，導致我國一些重要自然資源的可持續利用和保護正面臨著嚴峻的挑戰。我國“雙碳”目標不僅在于節能減排，背后更大的意義在于推動社會向綠色發展轉型，實現能源高效利用、清潔能源開發、生產方式和產業結構轉變。從產業結構看，我國工業結構以重化工業為主導，決定了現階段經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濟、社會可持續發展的一個限制因素，其中水資源短缺和能源緊張的問題較為突出。傳統的發展模式消耗資源多、產生污染大，經濟增長與環境保護的矛盾十分尖銳。工業生產全過程減污降碳將資源能源及環境保護放入工業發展全局進行統籌考慮，發展傳統能源的清潔高效利用技術，降低碳排放；合理配置資源，提升水的利用效率，使用最優化方法尋求最佳資源高效分層多級利用技術路徑，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險降低，實現資源能源環境統籌下的節水節能與低碳污染減排。

工業生產全過程減污降碳的關鍵科學問題

工業生產全過程減污降碳是一個大型的復雜過程系統綜合問題，其實現的核心是統籌多個單元（或裝置）、多個尺度（分子、單元、系統），突出系統思維，挖掘協同效應，實現污染控制和碳減排協同，追求產品生產和廢物處理—碳減排的總成本最低。①在分子尺度，通過精準識別污染物與含碳物質，尤其是含碳污染復合物的形態結構、性質及其相互作用關系和調控方法，建立構效關系預測模型；②在單元尺度，系統梳理不同技術創新的減污降碳機理，分析研究典型操作單元設備結構和操作條件對污染物與含碳物質轉移轉化的影響規律、碳污耦合特征，提出反應—傳遞協同調控策略，建立過程單元構效關系預測模型；③在系統尺度，進行全過程技術組合，發展全過程減污降碳超結構優化模型，研究生產過程、控污過程與碳排放之間的相互作用關系和多單元過程組合機制，建立流程尺度的構效關系預測模型。通過以上關鍵科學問題的研究，逐步建立工業全過程減污降碳集成優化軟件工具，直接支撐重點行業減污降碳技術創新和過程集成，幫助尋求最佳系統減污降碳方案，從而實現工業生產局部與整體之間、經濟效益與環境影響之間的協同優化（圖2）。

 分子尺度

工業生產全過程減污降碳在分子尺度的科學基礎為在微觀尺度上辨識關鍵離子/分子賦存形態，深入認識其形態結構特征、相互作用關系和遷移轉化規律，構建構效關系預測模型，以指導相關介質（催化劑、藥劑、溶劑等）的設計篩選及其在宏觀單元操作過程中的轉移轉化定向調控，從而實現源頭減污降碳。

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系包括化學鍵、氫鍵、靜電作用、配位鍵、范德華力相互作用等。其基本結構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、動力學等模型（圖3）。目前，有多種科學計算軟件，如量子化學、分子動力學、介觀動力學等方面的計算軟件，可以支撐相關的微觀尺度構效關系研究。

工業生產全過程減污降碳分子尺度優化的關鍵在于建立合適的物化性質、熱/動力學和互作參數預測模型，以便于微觀—宏觀尺度模型的耦合，從而實現二者的協同優化。但微觀尺度的計算往往模型復雜、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，目前也未形成系統的方法和軟件工具。考慮到機器學習處理復雜問題的優勢，可利用“大數據+人工智能”技術，以基于微觀尺度嚴格模擬的微觀體系數字孿生作為數據生成器，低成本生成訓練機器學習/人工智能（ML/AI）模型所需的大量數據，以開發適用于跨尺度耦合的構效關系預測模型。

單元尺度

工業生產全過程減污降碳在單元尺度的科學基礎為在理論分析和實驗研究基礎上，深入認識單元操作污染、碳排行為及其相互作用規律，構建其構效關系預測模型，以指導設計和操作參數的優化，從而實現過程減污降碳。

單元尺度涉及的研究對象包括轉化、分離、產品加工、污染處理等工業過程從原材料到產品的幾大單元流程。單元過程的相互作用關系包括質量傳遞、動量傳遞、能量傳遞與反應過程等（圖4）。其中，在化學轉化過程中，需把制造產品所用的原材料預先進行必要的化學前處理，此階段產品從相應的原材料中提取出來，以便于后續進行分離純化過程；分離純化過程則是為了去除目標材料中的雜質成分，提升最終目標產品純度；在分離純化過程之后，根據產品種類和設備條件以及環境保護要求，采用最佳實用技術制備產品；在以上幾個生產過程中所產生的氣體、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，同時會產生相當的碳排放。

工業生產全過程減污降碳單元優化的關鍵在于單元模型構建的基礎上，通過系統尺度的集成優化獲得最佳的單元間銜接關系和協同調控方法。主要手段包括通過持續的單元技術創新，如介質強化（催化劑、藥劑、溶劑等）、裝備強化（設備、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，以實現過程減污降碳。需要指出的是，與目前單純聚焦某一單元創新的習慣方法不同的是，全過程減污降碳強調在單元技術創新階段就要考慮與其他單元的集成，以通過單元間的協同優化來預防或減少污染物的產生與碳排放，突出系統思維。考慮到工業過程大都表現出很強的非線性行為，我們建議采用“機理+數據”雙驅動方法，兼顧機理和數據驅動建模的優勢，提高單元模型的可解釋性和適用性。

系統尺度

工業生產全過程減污降碳在系統尺度的科學基礎為在深入認識各單元技術耦合關系的基礎上，利用過程系統工程理論和方法，構建系統超結構優化模型，解析系統尺度的減污降碳協同效益及其關鍵驅動要素，從而實現全過程物質—能量優化匹配，獲得全局最優的減污降碳技術路徑。

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

工業生產全過程減污降碳系統優化的關鍵在于生產過程和末端治理過程重點物質轉移轉化規律、污碳耦合機制、生產—末端相互作用關系、全過程減污降碳方案超結構等的模型描述，進而構建系統尺度優化模型。系統優化是一個多尺度、多目標的大規模復雜混合整數非線性規劃（MINLP）優化問題，由于在優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，導致模型復雜。例如：分子設計和單元/工藝流程設計模型引入的離散變量，優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，造成求解難度增大；以及多尺度模型耦合時模型規模快速膨脹等。目前，還缺乏具有一定普適性的支持全過程減污降碳的優化建模和求解方法，仍采用模擬試算模式，依賴于專家經驗，亟須系統的軟件工具的支持。這也是全過程減污降碳研究的重點內容之一。

工業應用與展望

本文基于工業生產全過程減污降碳基本原理，提出以技術組合網絡拓撲超結構設計為基礎的分子—單元—系統多尺度優化建模思路，創建了綜合成本最小化，兼顧減污降碳需求的多單元集成優化模型，攻克不同尺度間參數傳遞、復雜過程建模及復雜非線性優化模型求解等難題，實現了典型工業過程污染和碳排放的全景多尺度模型描述，研發出鋼鐵冶金、煤化工等近20個重化工多單元集成優化模型，實現了集成工藝快速評價和優化，成果已應用于焦化、廢鋰電池處理、電解鋁等行業的綠色升級。

在焦化行業，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，在焦化廢水處理關鍵單元技術典型污染物遷移轉化規律研究及相關技術經濟評估的基礎上，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，實現廢水處理流程操作與廢水合理回用的協同優化。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化操作參數和回用方案。

指導研發了酚油協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化的焦化廢水低成本穩定控污成套技術，實現污染物深度脫除和系統穩定、低成本運行的目標。突破產業化放大工程技術瓶頸，實現大規模推廣應用。本工藝主要包括酚油萃取協同解毒、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、多膜組合脫鹽等關鍵技術。該工藝按照工業生產全過程減污降碳的思路設計工藝路線，不僅成本低，而且穩定可靠。

針對綠色低碳發展的需求，未來我國亟待將過程工業與大數據和機器學習等信息技術深度融合，進行工業行業碳排放及碳中和技術相關數據資源建設和模型描述，以原料到產品的生產全過程為對象，以技術創新為基礎，以全流程全局優化智能尋優，貫穿工藝、過程/裝備和系統多個層面的研究開發，從而構建以需求驅動的敏捷供應鏈。其中，發展全過程優化軟件平臺及數據庫，建成全過程智能控制優化平臺及綠色智能無人工廠系統，為代表性行業提供綠色低碳過程制造智能優化系統解決方案是我們進一步工作的目標。基于軟件平臺與數據庫的逐步建立和完善，工業生產全過程減污降碳研究將以綜合成本最小化為目標，以水—物—能增值循環為核心、實現不同層級的污染物/水/能量的信息大數據集成、能量/水梯級利用與人工智能決策，打破行業間、領域間的壁壘，助力傳統單一行業減污降碳向上下游產業鏈協同減污降碳、數字化減污降碳的方向轉變。

（作者：曹宏斌、趙赫、趙月紅、張笛，中國科學院過程工程研究所、中國科學院化學化工科學數據中心、中國科學院大學  化學工程學院；《中國科學院院刊》供稿）

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