前言：

铅作为重要的战略性资源，以它良好的延展性和耐腐蚀性成为第四大工业基础金属。铅锌矿经过开采和冶炼进入下游消费领域制造含铅产品，目前全球有近86%的铅用于铅酸电池制造。由于铅矿开采和冶炼过程的高污染和高能耗的特点，造成了原生矿产铅冶炼行业重金属污染排放及生态破坏问题突出，往往是“开了一座山，污染一大片”。铅酸电池使用寿命一般为2～3年，2016年中国铅酸电池产量已达世界总产量的50%以上，大量报废电池若未经合理回收利用会造成大量铅资源浪费，还带来重金属和酸液等严重的环境污染问题。以废铅酸电池为主要原料的再生铅冶炼行业的兴起，实现了铅资源从“摇篮—坟墓—摇篮”的可持续性循环代谢。

随着再生铅冶炼行业的日渐兴起和不断壮大，冶炼企业周边儿童血铅事件频发，土壤和水体重金属污染问题严重。近年来，再生铅冶炼企业对环境造成的影响研究成为国内外学者研究的热点和重点；少数学者从工艺替代角度探索性开展再生铅湿法冶炼工艺研究，但受技术经济成本、二次污染等因素影响，湿法冶炼工艺至今尚未大规模普及。为了有效开展再生铅冶炼行业污染防控，2013年以来中国政府发布实施了再生铅行业准入条件、污染物排放标准以及清洁生产标准等政策性文件，但由于行业工艺技术水平相对落后且管理模式粗放，企业普遍面临着无法持续稳定达标的困境，资源高效利用和环境污染防控的双重挑战，已成为制约再生铅冶炼行业绿色发展的巨大障碍。因此，如何科学有效地构建再生铅冶炼过程资源能源消耗以及污染物产排系统分析和优化的方法学，科学指导和引领行业绿色发展政策制定和实施，系统规范和支撑行业企业开展清洁生产实现节能、降耗、减污和增效的目标，是支撑再生铅冶炼行业绿色发展亟待解决的重大科学问题。

本书基于系统学和协同控制理论，提出了再生铅冶炼过程物质代谢的清洁生产与末端治理协同代谢模式，弥补了传统物质代谢仅关注生产系统“资源代谢”或末端治理系统“废物代谢”模式的系统边界和要素分析“局部性”的不足。基于清洁生产和循环经济原理，首次将传统物质代谢分析方法中的输入流、储存流和输出流3类物质流指标，拓展为输入流、中间产品流、产品输出流、中间废物产生流、一次污染物产生流、清洁生产回用流、末端治理循环流、一次污染物排放流和二次污染物排放流共计9类物质流，将传统物质代谢“黑箱化”研究深化为“灰箱化”甚至“白箱化”研究。研究发现，通过优化配置冶炼过程各类代谢物质的代谢路径、代谢节点和代谢种类，可实现再生铅火法冶炼过程铅回收率5.47%的提升以及16.00%～78.40%的产污负荷的降低。

为了有效表征物质代谢过程“量变化”与“质衰减”对代谢效率的影响，本书引入热力学第二定律“”的概念，协同考虑物质代谢过程“量变化”和“质衰减”，提出物质代谢效率的“”代谢分析方法，实现了资源和能源协同代谢效率归一化的核算，避免传统物质代谢仅仅考虑“量变化”，无法统一核算不同计量单位的资源和能源代谢效率造成“虚高”评价的不足，为完善传统物质代谢仅仅关注“量代谢”无法表征“质衰减”提供新的研究视角。同时，为了系统客观评估再生铅冶炼过程物质代谢的环境影响效果，本书基于大气科学颗粒物化学组分谱分析、米氏散射的粒径反演、重金属形态分析以及Hakanson生态风险指数法等分析方法，系统集成提出再生铅冶炼过程污染物“代谢形态”分析方法，完成再生铅冶炼过程物质代谢废物流“代谢形态”分析，从“代谢量”和“代谢形态”协同分析角度为物质代谢分析方法提供了新视角。本书首次构建了再生铅冶炼烟气化学成分谱，给出了冶炼渣中各类重金属潜在环境风险的生物有效性系数，为大气环境质量重金属污染有效溯源以及再生铅冶炼行业土壤和地下水重金属污染风险防控提供科学依据。

基于冶金热力学吉布斯自由能最小化原理，本书剖析了再生铅冶炼过程物质代谢机理以及代谢规律，构建了冶炼过程资源和能源协同代谢模型；基于模拟试验数据的模型泛化构建了再生铅冶炼过程“5-25-15-4”物质代谢的BP神经网络协同优化模型。优化模拟结果显示，与现行火法冶炼工艺相比，优化后的冶炼过程可实现冶炼烟气中铅、硫、砷和镉的产污负荷分别下降78.40%、52.00%、72.63%及16.00%。

本书基于系统学、协同学、物质代谢、冶金热力学、清洁生产和循环经济及神经网络等基础理论和方法，从物质代谢机理、代谢系统边界、代谢物质流分类、代谢路径、代谢模式、代谢量、代谢形态以及代谢效率8个方面，重点围绕再生铅冶炼过程清洁生产与末端治理协同代谢模式、资源和能源协同代谢效率、多污染物协同代谢机理和效率以及物质代谢量和代谢形态的协同优化的四个协同优化尺度，提出并构建了再生冶炼过程物质代谢及协同优化的理论和方法学体系，阐述了我国再生铅冶炼行业物质代谢及其协同优化的实证研究，旨在丰富和创新工业生产过程物质代谢方法学体系，为再生铅冶炼行业绿色发展提供科学理论和方法学指导，同时为其他工业代谢及其协同优化领域研究提供方法借鉴。本书具有较强的技术性和针对性，可供从事冶炼过程清洁生产、污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、冶金工程及相关专业师生参阅。

本书由李艳萍著，图书编写过程中得到了学术界和行业内大量专家、学者的指导和帮助，在此重点感谢中国环境科学研究院柴发合教授、北京仁博齐环境科技有限公司高境高级工程师、中国环境科学研究院张昕工程师、中国科学院战略研究所郭建新博士、矿冶科技集团有限公司范艳青研究员在本书的总体框架、模型构建、试验设计、数据核算等方面给予的悉心指导和大力帮助；同时感谢中国环境科学研究院乔琦研究员，北京师范大学赵传锋教授和何孟常教授，清华大学陈吕军教授、张天柱教授和田金平教授，矿冶科技集团有限公司的杨晓松研究员和邵立南研究员，中国矿业大学（北京）何绪文教授以及南开大学于宏兵教授给予的帮助；特别感谢本书初稿校对张青玲，同时感谢杨奕、智静、赵亚洲等同事的辛勤付出。本书能够顺利出版，还要特别感谢化学工业出版社编辑认真负责的态度、专业严谨的编校和高效的工作节奏。在此对给予本书支持和帮助的所有学者和同事表示真诚感谢。

限于著者水平及编写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请各位专家学者批评指正。

著者

2020年8月于北京

目录：

第1章绪论/1

1.1研究背景/2

1.2研究目的和意义/4

第2章再生铅冶炼行业及物质代谢/7

2.1再生铅冶炼行业发展现状/8

2.1.1国内外行业发展现状8

2.1.2行业原料类型及来源12

2.1.3行业典型生产工艺13

2.2行业环境污染问题/17

2.2.1废气污染17

2.2.2固体废物污染20

2.2.3废水污染21

2.3再生铅冶炼行业环境监管政策/23

2.3.1源头预防政策24

2.3.2过程控制政策30

2.3.3末端治理政策33

2.4再生铅冶炼行业物质代谢研究进展/38

第3章再生铅物质代谢及协同控制理论基础/43

3.1系统学/44

3.2物质代谢/45

3.3清洁生产/49

3.4协同学/53

3.4.1协同学概述53

3.4.2协同效应54

3.4.3协同控制58

第4章再生铅冶炼过程物质代谢及协同控制方法/63

4.1物质代谢量的系统学理论方法/64

4.1.1物质代谢边界确定64

4.1.2物质流代谢路径66

4.1.3代谢物质流分类67

4.1.4物质代谢模式68

4.2物质代谢形态分析方法/71

4.2.1冶炼烟气代谢形态分析71

4.2.2冶炼渣代谢形态分析75

4.3物质代谢的协同优化方法/78

4.3.1资源代谢的协同优化78

4.3.2资源和能源代谢的协同优化83

4.4物质代谢效率分析方法/86

4.4.1资源代谢效率分析86

4.4.2协同优化代谢效率分析88

第5章再生铅冶炼过程物质代谢机理/95

5.1冶炼过程物质代谢化学机理/96

5.2物质代谢冶金热力学机理/97

第6章再生铅冶炼过程物质代谢量/105

6.1冶炼过程物质代谢边界/106

6.2冶炼过程物质代谢路径/106

6.3冶炼过程代谢物质流分类/107

6.4冶炼过程物质代谢量/109

6.4.1资源代谢量核算111

6.4.2能源代谢量核算119

第7章再生铅冶炼过程物质代谢效率/125

7.1冶炼过程资源代谢效率分析/126

7.1.1资源代谢直接利用率126

7.1.2资源代谢综合循环利用率127

7.1.3资源代谢损失率129

7.2资源和能源协同优化代谢效率分析/130

7.2.1冶炼系统输入130

7.2.2冶炼系统输出135

7.2.3冶炼系统物质代谢效率139

第8章再生铅冶炼过程物质流代谢形态/147

8.1物质代谢形态研究背景/148

8.2冶炼过程物质流代谢形态分析/150

8.2.1冶炼烟气的理化特征150

8.2.2冶炼渣的理化特征161

第9章再生铅冶炼过程物质代谢规律/169

9.1物质代谢规律试验模拟/170

9.1.1试验样品制备170

9.1.2试验方案设计170

9.1.3试验分析方法173

9.2物质代谢规律及影响要素/174

9.2.1碳酸钠对废物流代谢迁移转化的影响174

9.2.2铁粉对废物流代谢迁移转化的影响178

9.2.3氧化钙对废物流代谢迁移转化的影响180

9.2.4焦炭对废物流代谢迁移转化的影响183

9.2.5冶炼温度对废物流代谢迁移转化的影响185

第10章再生铅冶炼过程物质代谢的协同优化/189

10.1资源代谢协同优化模型/190

10.1.1BP神经网络模型参数190

10.1.2BP神经网络模型结构192

10.1.3BP网络模型精度优化194

10.2资源代谢协同优化模拟/196

10.2.1冶炼烟气废物流代谢协同优化196

10.2.2固体废物流代谢协同优化198

10.2.3协同优化影响因素敏感性分析201

10.3资源和能源代谢协同优化/202

10.3.1资源和能源代谢协同优化模型202

10.3.2资源和能源代谢协同优化206

参考文献/210