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1、环境材料学,第四章 材料的资源效率理论,目录,材料的资源效率材料流概念、理论及其分析方法和案例资源保护和综合利用,4.1 材料的资源效率,4.1.1 资源概述自然资源：矿产资源、水力资源、海洋资源、土地资源、森林草地资源、生物资源恒定性：空气、太阳可再生：生物、水、森林草地、土壤非再生：矿物、化石燃料,资源的三个特点,社会性人们对资源的认识随时代和地区的不同而不同自然性资源随地域的不同，其丰饶程度也有所不同商品性资源具有商品性，可以进入市场进行流通,我国的自然资源现状,矿业资源丰富，人均占有量低耕地面积150亿亩，人均13.1亩，是世界平均三分之一人均草地面积为世界二分之一人均水资源为世界四分
2、之一我国正处在经济大发展的阶段，每年投入国民经济运转的矿物超过60亿吨。90%以上的能源和80%的工业原料取自矿产资源。对资源的需求趋向于负荷的极限，引起了严重的资源短缺问题。,4.1.2 材料生产的资源效率指在某一生产过程中所产出的有用产品占所投入原料总量的百分比资源效率越低，环境污染越严重,我国资源效率低下,我国原材料生产的资源消耗与国际平均水平比较矿产资源回收率30%-50%，比发达国家低20%每万元国民收入的能耗是发达国家的3-5倍“高投入、低效率、高污染”,4.2 材料流分析,4.2.1 材料流理论概述材料流：又称物质流，也称材料链。材料流分析理论是指用数学物理方法对在工业生产过程中
3、按照一定的生产工艺所投入的原材料的流动方向和数量大小的一种定量分析理论。理论基础：物质不灭定律和能量守恒定律,实质：从实物的质量出发，通过追踪人类对自然资源和物质的开发、利用及遗弃过程，研究可持续发展问题。即通过对自然资源和物质的开采、生产、转移、分配、消耗、循环、废弃等过程的分析，揭示物质在特定区域内的流动特征和转化效率，找出环境压力的直接来源，进而提出相应的减少环境压力的解决方案。用于研究、评价工业生产过程中所投入的原材料的资源效率，找出提高资源效率的途径。,典型的材料流的循环过程,矿石,材料,零件,成品,使用,定量了解现有工艺过程的环境负担性，分析新工艺、新技术是否为环境友好型工艺或技术
4、,4.2.2 材料流分析的研究框架和主要指标,从层次上划分为:经济系统材料流分析产业部门材料流分析产品生命周期评价以质量守恒定律为依据，将通过经济系统、产业部门和企业的物质分为输入、储存与输出三大部分，通过研究三者的关系，跟踪、定位物质利用及迁移、转化途径。利用文献积累的公式来计算材料流分析的指标,输入：区域内物质输入总量最为重要，是度量一个国家和地区资源利用与自然生态的可持续性的重要指标输出：区域内物质输出总量最为重要，主要由固、气、水等废弃物和区域隐藏流组成。是人类对自身环境直接输出的环境压力。可用于表征环境友好程度，人与环境的和谐程度，环境保护与建设的可持续性。,物质消耗总量:反映了人类
5、对自然界物质的消耗程度。物质消耗总量越大，意味着人类对自然界的干扰越强烈，也就越不利于资源节约型社会的建立。物质库存净增量：反映物质财富的增长水平。强度和效率：物质生产力（GDP/国内物质消耗量）代表了一个国家或地区的资源利用效率的高低；,4.2.3 材料流分析的基本方法,4倍因子理论(von Weizsaecker,1995)：基于：20%的富人消耗82.7%的能源和资源（1995）。目的：保持已有的高质量生活，消除贫富差距措施：通过采取技术措施，将现有的资源和能源效率提高4倍。4倍因子：半份消耗，倍数产出,半份消耗，倍数产出,R:资源效率P：产品产出量I：原材料能源投入量,认同者：政治家、
6、经济学家、社会学家、生态学家、环境科学家等,10倍因子理论（Schmidt-Bleek，1994）核心思想：必须继续减少全球的材料流量，在一代人之内将资源效率提高10倍，才能使发达国家保持享有的生活质量，逐步缩小国与国之间的贫富差距，且可以让子孙后代在这个星球上继续生存。,用上式将环境影响(I)、人口(P)和国内生产总值(GDP)联系至2050年，P增加一倍（2），GDP增加3-6倍（5），由此对环境的影响将增加10倍为保持现有的生态环境水平，必须将资源效率提高10倍以平衡和补偿对环境的破坏基本理念：进入经济活动的所有物质最终都会进入环境，造成环境负担和环境保护费用的持续增长。要降低环保费用，
7、必须从源头上降低物质从自然界流入经济活动圈，减少污染排放量，降低环保费用。F-10俱乐部卡诺勒斯宣言，一代人之内完成,3.X因子理论8、16、20倍等，统称X倍因子理论理论基础同上,4.极值理论对一定的原材料投入，有效产品的产出率越高，废物产生量就越小。极大的有效产品产出率和极小的废物排放量,I物质总投入量；P有用产品产出量；W废物产出量,资源效率,废物产出率,Rmax=(P/I)max,4.2.4 材料流分析理论的应用实践,国家材料流分析目的：提高资源利用效率、节约能源、减少环境污染指标：经济系统的物质输入量和输出量1997年，世界资源所与德国WUPPERTAL气候、能源、环境研究所、日本国
8、立环境研究所、荷兰房屋、土地规划和环境保护部等合作研究发表了德国、荷兰、日本等国材料流年度调查结果。,图4.2 1991年德国全国材料流分析示意图,1991年荷兰全国人均材料流分析示意图,1991年日本全国材料流分析示意图,进口远大于出口，资源贫乏，依赖进口进口原材料的废弃物自身消化，环境负担较重建筑材料消耗是固态废弃物排放的主体，提倡发展生态建材和天然材料,我国经济系统固体和气体的物质输入输出总量,图4.5,输入总量和输出总量均呈增长态势，输入总量决定了输出总量，输出总量越大，污染物排放量越大人均输入输出总量的增加大于人口增长，反映自然资源消耗增加，污染加强单位GDP的输入和输出均呈下降态势
9、，反映资源利用效率显著提高,2.区域材料流分析主要研究对象是一个城市或地区经济系统的物质流向和物质输入、输出量，通过跟踪分析这些情况，为政府对经济和环境问题的宏观调控提供技术支持。,2000年贵阳市物质流全景,图4.6,贵阳市社会经济发展主要依赖本地资源，进口少，出口多；大量开采本地不可再生资源，大量出口矿产资源及初级加工产品，同时产生大量的污染物，对环境造成巨大压力,2004年青岛市城阳区物质流全景,图4-7,进口资源比例高，本地资源匮乏，主要依赖进口循环利用率0.75%，生活垃圾再利用和在资源化程度低（垃圾分类回收）,3.产业部门材料流分析某钢铁企业为例，材料流分析示意图，利用物质流理论分
10、析方法，得出该企业总资源效率为30.7%,2002年北京市住宅建设活动的物质流全景,图4.9,能耗占北京市15%，其中89%用于建筑材料能源消耗固废产出量惊人，加强建筑垃圾的再循环利用是建筑行业节能降耗的主要途径,1.资源保护,广义：人类在维护自然的生态系统及其综合体过程中对开采和利用资源采取的平衡观念和行动。狭义：对资源进行有效的利用和综合利用，提高资源效率。,4.3 资源保护和综合利用,提高资源效率的途径：技术革新、工艺改造，提高单位资源利用效率发展替代能源延长产品生命周期废弃物回收利用,资源保护中需要注意的问题,经济、社会和生态效益相结合，不能只注重环境影响而阻碍经济发展开发与保护相适应
11、，不能只保护而不开发当前与长远相结合因地制宜、平衡发展、统筹兼顾、综合利用做好资源的规划和设计,资源的保护措施,资源评价：综合评价资源价值、开采价值、开采目的，根据资源效率决定资源利用的意义。资源管理：对资源使用过程中的资源回采率、贫化率、加工回收率等进行综合管理，以保证资源效率资源监督：保证资源利用过程中的经济效益、社会效益和环境效益的统一。资源利用：资源的开采技术、分选水平和资源的综合利用水平等,2.一次资源的综合利用,一次资源的综合利用：将某一生产过程中排除的废弃物直接作为下一生产过程的原料而加以利用。主要有三个方面：矿业废弃物的综合利用冶金废弃物的综合利用化工废弃物的综合利用,3.二次
12、资源的综合利用,将某种废物经过加工处理使其重新变为资源的过程，也称废弃资源再生利用。与一次资源不同的是，二次资源利用是将已经排放进入环境成为污染物的物质进行加工、处理、使之成为原料。其意义、技术、成本与一次资源利用有本质区别。所以，二次资源综合利用时，需对处理技术、经济性、环境影响、资源本身和能源消耗等进行综合考虑。物理法：破碎、浮选、溶解、分选等方法。化学法：热分解、燃烧发电等。生物法：有机质微生物发酵等。,LCA和材料流理论的异同?,LCA和MFA是两种定量分析工业系统与环境之间物质和能量交换的统计方法，两种方法的统计口径不同，在分析材料对环境影响时有很强的互补性。LCA方法沿着材料的生命周期，统计各阶段所有的资源、能源输入和废弃物排放数据，因而可以描述单位数量的材料所造成的环境影响，并有助于系统化地寻找改进材料环境表现的途径。MFA则是统计某个区域在某个时间段内一种材料流入和流出的各种渠道与数量，因而可以描述材料流的来龙去脉以及发生的规模。,
