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1、第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动生物地球化学循环自然生态系统中物质流动生物地球化学循环生物地球化学循环：在自然生态系统中物质的流动，各种各种化学元素在不同层次、不同大小的生态系统内乃至生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，又从生物体再回归到环境，不断地进行着流动和循环的过程。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动地质大
2、循环自然生态系统中物质流动地质大循环物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入五大自然圈气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈的循环过程，这是一种闭合式循环。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动生物小循环自然生态系统中物质流动生物小循环环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用，这是一种开放式开放式循环。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物
3、质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动生物小循环自然生态系统中物质流动生物小循环物质在库与库之间的转移动动状态称为物质循环的流物质循环的流。循环效率循环效率：循环物质(Fc)占总输入物质(Fi)的比例，称为物质的循环效率(Ec)，Ec=Fc/Fi生态系统组成局部FcFc第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学地球上拥有化合物数量最多的元素广泛分布于大气、海洋、地壳岩石和生物体中，并循环不止是有机化合
4、物的根本成分，是构成生命体的根本元素，是构成煤、石油、天然气的主要元素1. 自然生态系统中物质流动碳循环自然生态系统中物质流动碳循环第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动碳自然生态系统中物质流动碳循环循环第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动碳自然生态系统中物质流动碳循环循环大气中的二氧化碳库大气中的二氧化碳库植物植物动物动物
5、化石燃料化石燃料动、植物残骸动、植物残骸光合作用光合作用光合作用光合作用呼吸作用呼吸作用燃烧燃烧微生物的分解作用微生物的分解作用光合作用与呼吸作用细胞；大气中二氧化碳与植物体；大气中二氧化碳、植物、动物和微生物生物小循环。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学化化泥碳泥碳煤煤大气中大气中CO2CO2碳化作用碳化作用石油石油水生植物水生植物光合作用光合作用腐烂腐烂燃料燃料呼吸呼吸作用作用光合光合作用作用腐烂腐烂扩散扩散1. 自然生态系统中物质流动碳自然生态系统中物质流动碳循环循环第三章第三
6、章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学陆地陆地陆地陆地其它其它动植物动植物蓝藻蓝藻浅层死有机物浅层死有机物溶解死溶解死有机物有机物土壤土壤中无中无机氮机氮库库丧失于深丧失于深层沉积中层沉积中动植物动植物活体活体共生或共生或自由生活自由生活的固氮的固氮微生物微生物死有机体死有机体陆地陆地河流带走河流带走生物固氮生物固氮大气库大气库N2大气库大气库HN3,NO,NO2, N2O ，工业固氮工业固氮汽车汽车,化肥化肥,电厂电厂脱氮脱氮闪电闪电化学反响化学反响海洋海洋火火山山作作用用降降水水大气大气1.
7、自然生态系统中物质流动氮自然生态系统中物质流动氮循环循环第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动水自然生态系统中物质流动水循环循环为什么高处往往比较贫瘠，低地比较为什么高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃？肥沃？ 由于携带着各种营养物质的水总是从高处往低处流动，所以高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃。 例如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学
8、与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动水自然生态系统中物质流动水循环循环水循环的意义：水循环的意义：水是所有营养物质的介质；水是所有营养物质的介质；水对物质是很好的溶剂库；水对物质是很好的溶剂库；水是地质变化的动因之一。水是地质变化的动因之一。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动水自然生态系统中物质流动水循环循环第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系
9、工业生态学热科学与能源工程系工业生态学磷循环磷循环硫循环硫循环 特点是：分子或化合物无气体无气体形态，以固体颗粒存在；贮存库主要是岩石、沉积物、土壤等；循环过程缓慢；循环是非全球性的，容易出现局部短缺。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学沉积型循环沉积物中的磷沉积物中的磷约为土壤和海洋中千倍以上约为土壤和海洋中千倍以上陆地陆地海洋海洋死死有机物有机物土壤中的土壤中的无机磷无机磷活有机物活有机物死死有机物有机物深海的磷深海的磷活有机物活有机物捕鱼捕鱼鸟粪鸟粪悬浮在水中随河水带走悬浮在水中
10、随河水带走摄取摄取排泄排泄死亡死亡下下,沉沉分解分解沉积沉积溶解于水溶解于水上升风化上升风化开采开采摄取摄取排泄死亡排泄死亡上涌上涌1. 自然生态系统中物质流动磷自然生态系统中物质流动磷循环循环第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学陆地陆地海洋海洋沉积物沉积物CaSO4,FeS2溶解的溶解的SO42-SO2H2SSCaSO4FeS2死有机物死有机物活有机物活有机物SO42-降水降水SO2,SO42-扩散扩散海浪海浪SO42-大气大气上升，分化上升，分化SO2FeS2死有机物死有机物活有机
11、物活有机物SO42-H2SS分解分解化肥工业化肥工业SO42-摄取摄取扩散扩散火山活动火山活动H2S ,SO2,SO42-植物摄取植物摄取SO2,SO42-降水降水SO2,SO42-化石化石燃烧燃烧 SO2H2S ,SO2,SO42-1. 自然生态系统中物质流动硫自然生态系统中物质流动硫循环循环第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学1. 自然生态系统中物质流动有毒物质的自然生态系统中物质流动有毒物质的循环循环海鸥海鸥(3.52-18.50)鱼鹰鸥鱼鹰鸥(13.80)燕鸥燕鸥(3.15-6
12、.40)麦穗鱼麦穗鱼(0.23)比目鱼比目鱼(1.28)鳗鳗(0.28)颌针鱼颌针鱼(2.07)贝贝(0.42)蜗牛蜗牛(0.26)浮游生物浮游生物(0.04)水草水草(0.08)第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学2. 自然生态系统中能量流动定义自然生态系统中能量流动定义 生态系统中生物与环境之间、生物与生物之间的能量传递和转化过程，即生态系统的能量流动过程，称为能量流。是推动生物圈和各级生态系统物质循环流动的动力，是能量在食物链中的传递太阳能太阳能化学能化学能热能热能环境环境第三章
13、第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学2. 自然生态系统中能量流动特点自然生态系统中能量流动特点(1) “单向性单向性-单向流动单向流动太阳能太阳能光合作用光合作用绿色植物绿色植物植食动物植食动物肉食动物肉食动物（化学能）（化学能）死亡死亡 被分解被分解第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学2. 自然生态系统中能量流动特点自然生态系统中能量流动特点(2) “低效性低效性-逐级递减逐级递减
14、第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学2. 自然生态系统中能量流动能量系统的分类自然生态系统中能量流动能量系统的分类第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学3. 工业生态系统物质和能量的流动工业生态系统物质和能量的流动经济子系统全球生态系统低阶热能能量原料降价的能量自然资源经济效劳废物的消化降价的原料再循环原料第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业
15、生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学3. 工业生态系统原料与能量流动分析根本方法工业生态系统原料与能量流动分析根本方法质量平衡法质量平衡法输入输出分析法输入输出分析法生命周期分析与评价法生命周期分析与评价法工业代谢分析法工业代谢分析法第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学3. 工业生态系统原料与能量流动分析根本方法工业生态系统原料与能量流动分析根本方法供给废物循环初级典型的原料质量平衡典型的原料质量平衡生产加工装配消费处置循环四级堆肥堆埋循环三级循环二
16、级环境出口进口空气污染固体废物出口库存进口初级副产物副产品动物植被矿物气体矿石与成品浓缩半成品消费后过程第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学4. 工业代谢工业代谢工业代谢分析示意图工业代谢分析示意图太阳水(地表水、地下水)废弃物处置空气家庭与“个人消费风景“环境改善制造业、建筑物、运输、销售、效劳生物群(藻、蠕虫、细菌、昆虫、真菌、鸟等)采矿和钻井(从公用或从私人所有无主的土地)农业与林厂(在私人土地上、在公共土地上的耕作与管理、打猎、钓鱼、放牧雨臭氧燃烧光合成呼吸作用、蒸腾作用光合成
17、地下水、雨浮选用水灌溉用水矿物纤维食品纤维营养循环处理水工业废弃物再循环有机体减少垃圾废物废水产品效劳土壤有机体、有害物等到垃圾填埋场、海洋饮用水、洗涤用水、烹饪用水及污水市场范围第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学4. 工业代谢工业代谢分析分析工业代谢分析方法是建立生态工业的一种行之有效的分析方法，它是基于模拟生物和自然新陈代谢功能的一种系统分析方法；与自然生态系统相似，生态工业系统包括四个根本组分；通过分析系统结构，进行功能模拟和输入输出信息流分析来研究生态工业系统的代谢机理；与以
18、往系统分析方法不同之外在于它以环境为最终的考察目标，追踪资源在从提炼到经过工业生产和消费体系后变成废物的整个过程中物质和能量的流向，给出系统造成污染的总体评价，并力求找出造成污染的主要原因；可以适用于不同层次的分析要求，即可以是全球性、国家性或是地区性的工业生产分析，也可以是对某一个具本行业、公司或是特定场所的调查分析；工业代谢分析研究方法的根据是质量守恒定理。可以为公众或企业的决策者提供一幅详细的物流图，并从中可以看出某一地区或企业所有的可持续开展的潜力。目的目的第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源
19、工程系工业生态学4. 工业代谢分析研究形式工业代谢分析研究形式可以在有限的区域内追踪某些污染物某些污染物；可以分析研究一组物质一组物质，如某种有毒金属；可以限于某种物质某种物质成分，如硫、碳等；可以研究不同的写这样那样的产品相联系相联系的物质与能量流，如橙汁或电子芯片第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学4. 工业代谢分析度量工业代谢分析度量原料生产力原料生产力 是用来量度工业代谢效率的，即每单位原料输入的每单位原料输入的经济输出经济输出。它可量度一个经济整体，也可以量度一个部门，同样也
20、可对营养元素进行量度，如碳、氮、氨磷等。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学4. 工业代谢分析度量工业代谢分析度量再循环率再循环率 再循环率(再循环或再利用量/资源消耗总量)100% 可持续性的一个好的度量是有无消耗性的使用资源，有别于资源的有用性。物质的再循环或再利用率是判别工业体系是否是一个持续稳定持续稳定体系的度量。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学5. 物质与能量流动
21、物质流动的生物学模型生物地球化学循环方框图物质与能量流动物质流动的生物学模型生物地球化学循环方框图无机物生物产物无生命的生物量有机物营养物尿素碳，氮磷，硫流动回收死亡、排泄回收流动光合作用重新产生重新产生重新产生无机物沉积岩铁离子，硫酸盐碳酸盐，磷酸盐营养物空气或水中的CO2可溶解的N、P、S生物产物有机碳腐殖质)腐烂物碳、氮、磷、硫等生命营养元素的自然循环是封闭的碳、氮、磷、硫等生命营养元素的自然循环是封闭的第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学5.物质与能量流动物质流动的工业模型工业
22、原料循环方框图物质与能量流动物质流动的工业模型工业原料循环方框图天然环境最终产品生产资本机器建筑物土地总量原料日用品提取产生废物再制造、更新消费产生的废物产品生产副产物、家庭废物废物循环废物循环最终产品的分发资本货物的积累 一般营一般营养物质养物质不能参不能参与再循与再循环，是环，是一一开放开放循环系循环系统统第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学6.物流分析理论四倍因子理论物流分析理论四倍因子理论四倍因子理论(factor 4)是德国Von Weizsaecker教授于20世纪90年代
23、初首先提出来的，初衷是针对消除社会的贫富悬殊，实现各国健康、和平开展。按1995年数据，占世界总人数20%的富人，每年消耗全世界82.7%的能源和资源，而其他80%的人每年消耗的能源和资源占全世界总消耗的17.3%。为了能够保持兴旺国家的已有高质量生活方式，同时又消除贫富差异，必须采取技术措施，将现有的资源和能源效率提高4倍。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学6.物流分析理论四倍因子理论物流分析理论四倍因子理论到1995年， Von Weizsaecker把该理论科学化了(?四倍因子
24、：半份消耗，倍数产出?)在经济活动和生产过程中，通过采取各种技术措施，将能源消耗、资源消耗降低一半，同时将生产效率提高1倍。R = P / I = 2 / 0.5 = 4R资源效率，P产品产出量，I原材料、能源投入量四倍因子理论对有效利用资源、改善生态环境、实现社会和经济的可持续开展具有战略性的意义。第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学6.物流分析理论十倍因子理论物流分析理论十倍因子理论第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能
25、源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学6.物流分析理论极值理论物流分析理论极值理论第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用钢铁工业代谢钢铁工业代谢现现有有钢钢铁铁企企业业代代谢谢分分析析图图第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用钢铁工业代谢钢铁工业代谢现现有有钢钢铁铁企企业业代代谢谢分分析析图图第
26、三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用钢铁工业代谢钢铁工业代谢现现有有钢钢铁铁企企业业代代谢谢分分析析图图第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用钢铁工业代谢钢铁工业代谢现现有有能能量量代代谢谢分分析析图图第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源
27、工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用钢铁工业代谢钢铁工业代谢改改进进后后钢钢铁铁企企业业代代谢谢分分析析图图第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用钢铁工业代谢钢铁工业代谢改改进进后后能能量量代代谢谢分分析析图图第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用煤的工业
28、代谢煤的工业代谢能源工厂能源工厂煤炭化工厂化工厂能源产品能源产品污染物污染物化工产品化工产品废料废料能源消耗能源消耗消耗消耗循环环境传统工业传统工业煤的工业代谢途径煤的工业代谢途径第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学7.工业代谢研究的应用工业代谢研究的应用煤的工业代谢煤的工业代谢水泥厂水泥厂煤炭资源煤炭资源综合利用综合利用代谢分析代谢分析气化气化转化工艺转化工艺别离器别离器反响器反响器甲烷生产甲烷生产锅炉锅炉煤渣燃烧煤渣燃烧热交换热交换脱硫脱硫煤气煤气IGCC电厂电厂电空气水煤炭水泥煤灰蒸汽别离器别离器反响器反响器NH3吹扫气化肥厂化肥厂尿素H2CO化工厂化工厂乙酸乙酐甲酸混合器混合器吹扫气甲醇煤气蒸汽CO2N2第三章第三章 物质与能量的流动工业代谢分析物质与能量的流动工业代谢分析工业生态学工业生态学热科学与能源工程系工业生态学热科学与能源工程系工业生态学工业生态系统内物质与能量流动特点是什么？原料与能量流动分析的根本方法有哪些？什么是工业代谢，工业代谢分析方法？工业代谢的度量有哪些？简述物质与能量流动的模型？问题与思考？
