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泉州轻纺建材产业固废耦合利用技术集成体系研究

来源:未知
 

 

摘    要:以产业生态学理论为指导,以泉州市轻纺与建材特色产业多源固废为研究对象,分析了泉州市纺织服装、制革制鞋等轻纺特色产业和陶瓷、石材等建材特色产业的结构、规模和分布特征,把握泉州市轻纺、建材特色产业固废的主要组成和特征.在总结产业生态学“产品的耦合共生”、“废物的循环减量”、“过程的演变进化”和“方式的集体优先”的原则的基础上,提出并构建了泉州市轻纺建材特色产业固废耦合资源化利用绿色技术集成创新体系,为区域产业固废耦合高质化利用和“无废城市”建设提供指导.
 
关键词:产业生态学;轻纺;建材;多源固废;耦合利用;技术集成体系;
 
Research on the Integrated System of Technology for Coupling Utilization of Solid
Wastes from Light Textile and Building Materials Industries in Quanzhou City
ZHUANG Lingfeng
School of Economics and Management,Fujian Polytechnic Normal University Engineering
Research Center of Polymer Green Recycling of Ministry of Education,Fujian Normal University
Graduate School of Lyceum-Northwestern University
 
Abstract:
Guided by the theory of industrial ecology and taking i the multi-source solid wastes from the light textile and building materials industries in Quanzhou city as the research object, this paper analyzes the structure, scale and distribution characteristics of textile, clothing, leather, footwear, ceramic and stone processing industries, and investigates the main composition and characteristics of the solid wastes from the industries in Quanzhou. On the basis of summarizing the principles of industrial ecology, namely “coupled symbiosis of products”, “recycling and reducing wastes”, “process evolution” and “collective priority of methods”, this paper proposes and constructs an integrated innovation system of green technology for coupling utilization of multi-source solid wastes from light textile and building materials industries in Quanzhou. The aim of the paper is to give guidance for high-quality coupling utilization of industrial solid wastes and the construction of a “waste free city” in the region.
 
Keyword:
industrial ecology; light textile industry; building materials industry; multi-source solid waste; coupling utilization; integrated system of technology;
 
纺织服装、制革制鞋与石材产业是我国转纺建材行业的传统特色产业,主要集聚于我国泉州区域,已形成多个特色鲜明的千亿产业链网,为满足人民美好生活和出口创汇提供了物美价廉的物质基础.与此同时,纺织服装、制革制鞋等轻纺产业和石材等建材产业集聚区产生了量大面广的多源固废.由于多源固废品种繁多、品质不一,难以用单一的方法进行处理处置,已严重影响了该产业的健康发展,成为产业聚集区亟需解决的共性难题.如何集中研发并建立轻纺建材特色产业——纺织服装、制革制鞋与石材等产业聚集区的固废资源化成套绿色技术集成体系,系统地解决这一共性难题已成为“无废城市”建设和福建省建设首个国家生态文明试验区的重要组成部分.绿色技术集成是当今世界以科技创新推动工业领域技术系统优化与绿色发展的制高点,也是实现碳中和战略目标的重要途径之一.
 
工业的高速发展导致自然资源的快速消耗及废弃物的大量增加,这引起了学者的关注.Schwara等[1]提出通过匹配“循环产业集成网络”中不同企业的生产过程来实现对上游废物的再使用.模拟自然生态系统中的生产者、消费者及分解者[2],在生态系统内实现物质的循环利用.产业共生作为一种系统化的思维,为产业的结构平衡和资源优化提供了新的范式.其内因是产业链的连续性,外因是产业链带来的价值增值[3].其国际实践包括丹麦卡伦堡工业园、韩国蔚山工业园和日本川崎工业园[4,5,6] ;国内实践包括广西贵港工业区、天津滨海新区、山东省鲁北生态工业园以及上海市莘庄生态产业园等产业生态模式[7,8,9,10].Sellitto等[11]以巴西8家企业组成的产业共生网络为例,总结了8种共生模式及结构特征,并对共生关系的阻碍因素和驱动因素进行分析.世界经合组织评价产业共生是实现绿色增长的最终和最重要的系统创新工具[12].
 
本文基于产业生态学的视角,以泉州市轻纺、建材特色产业集聚区多元固废为研究对象.虽然不同区域由于资源禀赋、产业发展历史不同,形成了不同的产业集群,产业固废的类型、组分均不相同,各区域影响产业结构升级的因素不同[13],无法形成相同的绿色技术集成体系,但是有共通的特点.本文以产业生态学的基本原理和原则为指导,研究泉州轻纺建材产业多源固废耦合利用技术集成体系,设计并构建泉州市轻纺建材特色产业多源固废耦合利用绿色技术集成创新体系,突破集聚区面临着土地、能源和资源等刚性约束,厘清区域绿色技术系统集成路径基础,也为其他产业集聚地区探索绿色技术集成创新提供相关思路.
 
1 泉州市轻纺与建材特色产业分布及其固废特征分析
1.1 泉州市轻纺与建材特色产业分布
对《泉州统计年鉴》的数据进行梳理分析,总结出2019年泉州市产业的基本情况如表1所示.从表1结果可以看出,建材家居、纺织服装、石油化工、鞋业和机械装备等是泉州市的主导产业,食品饮料、工艺制品和纸业印刷等是泉州市的特色产业,而新一代信息技术是泉州市的新兴产业.产业规模庞大、门类丰富.产业结构上呈现出异化特性显著的县域经济发展态势.
 
纺织服装、制革制鞋和石材加工等轻纺建材产业主要集聚于我国东南区域,经长期培育和发展,已形成了多个特色鲜明的千亿产业链网,成为国民经济重要的支柱产业.经查阅各省相关主导产业目录,制鞋产业主要集中于广东、福建和浙江等省,西部地区也有少量布局;制革产业主要集中于东南地区和中原地区,西北地区也有少量企业;纺织产业主要集中于广东、福建、浙江和江苏等省;石材产业主要集中于广东、福建、山东和广西等省.我国轻纺建材特色产业分布示意图如图1所示,从图1可以看出,福建的轻纺建材产业最具特色,其品种最齐全.
 
2018年福建省轻工产业总产值约2.1万亿,占工业总值51%,福建是纺织鞋服出口大省,皮革产业年产值近500亿元,鞋业产值占全国鞋业70%.同时福建也是我国第一大石材生产大省,拥有5 000多家石材企业,出口额接近全国50%.福建省泉州市认真贯彻习总书记总结的“晋江经验”,连续20年工业总值居福建省第一,是全国纺织服装、制革制鞋和石材加工等轻纺建材特色产业主要集聚区.2021年福建省纺织服装产值8 144.26亿元,其中泉州市产值3 990亿元,福建省制鞋行业产值3 517亿元,其中泉州市产值2 346亿元,占比突出.泉州市是我国重要的纺织鞋服生产基地和出口基地,年产运动鞋近7亿双,占全国总产量的60%以上、世界总产量的20%,泉州的晋江市素有“鞋都”之美誉.泉州市石材产业集群的产值也超过1 000亿元,泉州的南安市是“中国石材城”.
 
泉州市东部地区的晋江、石狮、惠安和泉港等县市区,主要以纺织、服装、制革和制鞋等产业为主,形成了较为集中的经济发达的轻纺特色产业集聚区;泉州市西部地区的德化、南安和安溪等县市区,主要以石材和陶瓷产业为主,形成了具有闽南文化特征的建材特色产业集聚区.其中,泉州市轻纺建材特色产业空间分布示意图如图2所示,从图2可以看出,泉州市轻纺、建材产业分布特色十分明显,其县域经济发达,兼具互补性和集聚性.
 
1.2 泉州市轻纺与建材特色产业固废特征及处置现状
1.2.1 轻纺与建材产业固废种类与数量
轻纺产业的产业链较长,如纺织行业的化纤制造以及棉纺、机织、针织、经编花边、无纺布、印染和成衣的制备过程,皮革鞋业行业的皮革处理、大底、冲裁、帮面以及成型等过程均会产生固废.通过调研,泉州市轻纺与建材特色产业固废包括纺织行业产生的聚酯纤维、聚酯混纺纤维、其他混纺纤维、天然纤维和涂前织物等;制革制鞋行业产生的鞣前皮毛、胚革、成品革、帮面和鞋底等;石材行业产生的人造石材石粉和天然石材石粉等12类产业固废,多源的性状品质差异大,特别是含有难分离的染化料和混杂高分子等,采用单一回收再利用技术已无法满足市场的需求.
 
2018 年我国纺织原材料消耗量达 5 850 万t, 占全世界的55%以上.据行业长期观察和估算,纺织服装产业各工序的平均利用比例如表2所示,产生的废物以各类织物固废为主,但废旧纺织品当前整体的再生利用率低于20%[14],仍以低值回收再利用为主.
 
通过福建省纺织协会提供的2021年度纺织品产量数据及行业相关数据测算得出当年度福建省纺织行业固废数量,结果见表2.
 
此外,通过石材及制革制鞋协会的现场调研,得出2021年度泉州市轻纺与建材特色产业固废的产生量(其中由于泉州纺织行业产值占福建省的49%,故固废量也按49%分摊).从表3可以看出,特色产业固废数量大、成分复杂,难以回收利用,引起了一系列环境和资源问题,已成为制约福建省传统产业绿色发展的重要因素,是产业聚集区亟需解决的共性难题.
 
1.2.2 轻纺与建材产业固废利用现状
废旧纺织品中,聚酯纤维占化纤总量的70%以上,聚酯织物固废在纺织服装产业固废中占比较大,单一品种聚酯纤维固废的价值高,目前已有不少单一的物理处置或化学处置方式.例如,针对纺织品中的PET聚酯废料,美国可再生能源国家实验室发展了解聚提纯再聚合技术,利用微醇解活化的PET和生物质单体反应制备高品质增强塑料,但其工艺复杂,成本高,难以产业化推广;马来西亚侯赛因大学利用回收PET生产建筑材料增强填料;墨西哥国立自治大学通过活性单体的反应增强,研究了再生PET的流变和机械性能;中国的东华大学利用废涤纶纤维和聚酯瓶片熔融纺丝生产再生短纤.但是,聚酯纤维大多与其它化纤或天然纤维形成了混纺织物固废,包括了聚酯/棉混纺、聚酯/毛混纺和聚酯/化纤混纺固废,也有部分混纺固废不含聚酯,其中纯聚酯织物和高含量聚酯混纺织物的回收价值相对较高,但不管哪类固废,其性状品质差异均较大、表面含有各种染料,即使纯聚酯织物固废采用传统的熔融再生纺丝技术,也难以实现其有效循环利用.而混纺固废的回收价值低,已成为制约纺织服装产业绿色发展的重要因素.
 
我国也发布了轻纺、建材等行业的节能减排先进适用技术目录,其中也包含一些固废综合利用的技术方案,但仍未见到系统耦合解决纺织服装、制革制鞋和石材加工3大产业固废的绿色技术集成方案.泉州市的轻纺建材特色产业规模大,产生的固废成分复杂.据调查泉州目前纺织服装、制革制鞋和石材加工3大产业产生的固废率分别为10%、20%、30%,固废资源综合利用率分别小于50%、60%、70%.早期的直接焚烧或石材填埋方式处理处置,引发了大气污染、水体污染、土地占有等问题,大大影响了福建省的生态质量,在当前以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局中,只有推动轻纺建材行业固废高质高值绿色利用,才能有效推动高质量发展,固废综合利用率的有效提升也将同时促进打赢蓝天、碧水、净土3大污染防治保卫战,实现“无废城市”建设,推进国家生态文明试验区建设.因此在泉州市开展多源固废耦合利用技术集成体系,既符合国家战略需求,又契合区域产业发展的需要.
 
2 产业生态学的基本原理与原则
2.1 产业生态学的基本原理
产业生态学的学科发端归属于1989年发表在《科学美国人》上的文章“制造业的策略”[15].它是一门探讨产业发展与生态环境之间相互关系的科学[16],要求人们不是孤立地,而是协调地看待产业系统与周围环境的关系[17],借鉴自然生态系统中生产者、消费者和分解者之间物质与能量交换概念和机理,探讨产业生态的物质流、能量流和信息流,及其构成的“食物网”形态、物质集成与能量集成方式,探讨工业系统的柔性及适应外界环境干扰[18].产业生态系统中,提供产生原料的企业可以视为“生产者”,即利用基本环境要素(空气、水、土壤岩石、矿物质等自然资源)生产初级产品的企业.利用上游企业提供的原料,通过深加工生产高级产品的企业可视为“消费者”.而分解者则是把企业生产的副产品或废物进行资源化转化利用的企业,如废物回收公司、资源再生公司等.
 
2.2 产业生态学的基本原则[19]19]
(1)产品的耦合共生原则:
主要包括产品共生和产业链延续两个方面.产品共生是在中间产物或产品的基础上,构成多产品共生的反应路径,从而实现经济目标最优和废物排放最小的目标;产业链延伸是使国民经济中各产业环环不断地发展、延伸,形成有机的产业链条,实现资源的梯次、循环利用.
 
(2)废物的循环减量原则:
对于生产过程中的废品或使用后的废物,一是通过再制造技术修复功能或局部更新,实现直接再利用;二是通过破碎、分选、分质等物理过程,实现材料回收利用;三是通过热化学反应过程实现单体或化合物回收.
 
(3)过程的演变进化原则:
主要包括产品智能化和轻巧化;技术密集化和生产过程清洁化.
 
(4)方式的集体优先原则:
即产业链的延伸和工业生态园区的构建,模拟“生产者-消费者-分解者”的“食物链网”,构建物质流的“生态产业链”或“生态产业网”,能量流上的“多次梯级”利用系统.在一定界区内形成跨行业、多产品的耦合发展[20].
 
3 基于产业生态学视角的泉州特色产业多源固废耦合利用集成
3.1 多源固废耦合利用共生技术选择
在产业生态原理的指导下,对于泉州市轻纺、建材特色产业固废的资源化耦合利用体系进行设计与建设.在产业共生网络构建过程中,采用自底向上建模思想,并将底层的工艺技术与资源循环利用效益评估之间的关系固定建立在模块化的基础上,进而锁定了工序各生产环节、废弃物和副产品类别及其共生利用方式和行业类型[21];然后,基于我国轻纺、建材行业各介质的共生技术,开展泉州市轻纺建材特色共生技术链条梳理;形成了泉州市轻纺建材产业集聚区共生技术清单和固废资源化利用技术系统集成技术清单,如表4所示.
 
从表4可以看出,在技术先进性上,涤纶长丝是泉州地区特色的再生纺织品品种,典型的绿色技术创新产品包括免染再生彩纱和再生聚酯单丝.作为课题研发重点,将其列入技术清单,成为识别出来的8大共生技术之一,相应的绿色技术创新产品还包括有机人造石、纤维增强无机绿色建材和橡塑复合建材等;在技术成熟度上,主要考虑加上主流的一些废旧纺织品回收处理技术,由此构成轻纺建材循环经济区泉州地区绿色技术系统集成.
 
3.2 固废耦合资源化利用体系构建
基于上述分析,构建绿色技术创新体系,研发了以综合利用技术链条和代谢共生发展范式为基础的多源固废系统性解决方案,建立集成示范工程,进而打造多源固废绿色梯级耦合高值利用的“泉州模式”.主要特点是以点带面,多层次构建轻纺建材循环经济区的绿色技术集成创新体系,以表4总结凝练出的8项企业级共生模式为集成路径基础,探索其在城市产业共生网络中的推广应用机制.
 
3.2.1 纺织服装产业子系统固废耦合利用技术集成体系
根据系统内部的联系和系统之间相对的独立性,合理划分固废耦合利用技术集成子系.对子系统进行设计.本文以最复杂的纺织服装产业子系统为例进行分析.以纺织服装行业所产生的聚酯织物、混纺织物为重点研究对象,通过技术突破进行固废耦合资源化利用,实现集聚区纺织产业内的固废梯级利用,减少纺织服装行业对石油化工产业的依赖,较好实现了纺织服装固废在东南轻纺产业集聚区内部进行自我闭环的循环经济模式.图3表示泉州市纺织服装产业子系统固废资源化利用技术集成体系构成.
 
从图3可以看出,纺织服装子系统在功能、信息等方面相对独立,有较好的凝聚性.
 
(1)以棉纺纱产品为核心的模块:
以纺织服装废边角料回收为起点,经分拣、清洗、烘干、脱色、开松等工序得到再生可纺纤维,循环回到纺纱工序.其中,分拣工序中,根据纺织服装废边角料的材质,大体区分为涤纶面料、尼龙面料、棉毛面料,并按颜色分选为杂色和纯白色两大类.对清洗和烘干后的杂色棉毛类面料先进行脱色,再与纯白色棉毛类面料一起放入开松设备中,加工成可纺纤维,如回纺再用棉等作为棉纺原料使用.
 
(2)以无纺布产品为核心的模块:
以纺织服装废边角料回收为起点,经分拣、清洗、烘干、破碎或开松、造粒、纺丝、非织造等工序得到再生无纺布产品,最后回归纺织服装或可以与其他行业子系统构成各种共生关系.
 
3.2.2 跨产业固废耦合利用技术集成体系
基于对轻纺建材行业自底向上物质代谢模型的固废利用共生模式分析与总结,本研究建立了跨产业集成网络模式的绿色技术集成创新的方法体系见图4.由图4可见,泉州市纺织产业共生网络中可以耦合共生的主要包括化纤产业集群、纺织服装产业集群和建材产业集群等子系统.在化纤行业、纺织行业、服装行业、制革行业、制鞋行业、石材行业和陶瓷行业等泉州市特色轻纺建材产业之间,形成共生模式的多源固废耦合利用绿色创新技术集成网络,主要包括以下内容.
 
(1)以固废消纳和纤维源生产新型建材为核心的共生技术集成体系:
主要以新型建材为产品中心,以石材加工固废石粉、碎石和污泥等利废资源和开松纤维碎屑、PET废纺织品醇解副产物、开松再生纤维、增强单丝、无纺布等纤维源中间产品为材料,途经环保企业、再生纤维企业、增强单丝企业,最后回归绿色建材.
 
(2)以不饱和树脂产业下游有机人造石为核心的共生技术集成体系:
主要以石材加工为重心,以天然石材废料、纺织服装PET废纺织品为原料,途经可控醇解工序、酯化缩聚工序、纤维源不饱和树脂企业,最终产品为有机人造石.
 
(3)以纤维增强材料应用于无机人造石为核心的共生技术集成体系:
主要以石材加工为重心,以天然石材废料、石材加工废料、纺织服装废边角料(混纺面料为主)和PET废纺织品为原料,途经开松工序、再生纤维企业、增强单丝企业等链节,最终产品为无机人造石.
 
根据产业共生的基本原理,对泉州市轻纺建材特色产业多源固废耦合利用技术集成体系中的物质如何在产业链之间流动进行分析,明确废弃物通过何种节点进行交换,表4提及的共生模式在泉州市通过何种其它行业进行网络推广应用.分析结果如图5所示.以当前纺织服装、制革制鞋和石材加工产业固废资源综合利用率分别小于50%、60%、70%作为基准情形,设定逐级提高的泉州市各特色产业固废综合利用率目标,例如纺织行业的固废利用率设定55%、60%、65%,在不同情景目标下,综合分析分步提升工程的技术可行性和经济有效性,最终确定纺织产业共生网络构建的目标与实施路径.
 
4 多源固废耦合利用技术集成体系的关键提升点
实现轻纺建材循环经济区的绿色低碳目标,是贯彻国务院《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》(国发[2021]4号)的必然要求,需要从轻纺建材循环经济区的固废综合利用率指标核算与分解、共生模式识别及评价、共生潜力分析及绿色技术推广应用机制、动态可视化呈现的集成解决方案等多个方面形成合力.本文以产业生态学的基本理论为指导,基于泉州市轻纺建材特色产业固废组成与分布特色分析,设计并构建了泉州市轻纺建材特色产业多源固废耦合利用绿色技术集成创新体系.指出了轻纺建材循环经济区绿色技术集成创新的4个关键提升点如下.
 
(1)纤维生产阶段:
以废旧化纤资源化为重点应用领域,实施再生产品和原材料推广使用制度,鼓励泉州鞋服、箱包等品牌企业打造绿色供应链,逐渐提高再生产品的使用占比,为行业的绿色发展发挥表率作用,同时对消费者也进行宣传教育,从需求侧拉动绿色消费,用市场的手段对再生产品价格进行调节.
 
(2)轻工纺织面料阶段:
以轻革、棉纺织、化纤纺织的废边角料资源化和PET废纺织品资源化为重点应用领域,实施再生资源回收利用环节的信息公开制度,通过制定标准等手段规范重点再生产品的分类、回收、消毒、综合利用等过程;
 
(3)示范工程阶段:
选择符合国家和地方绿色工厂建设标准要求的企业,重点开展免染再生彩纱、再生聚酯单丝、有机人造石、纤维增强无机绿色建材、橡塑复合建材等再生产品的绿色创新试点工作;为进一步推动再生资源产业的发展,可将绿色建材,如减水剂、有机人造石等再生产品优先纳入政府采购产品,同时将绿色产品纳入南安政府打造的泛家居产业规划.
 
(4)智慧运营阶段:
构建轻纺建材循环利用产业联动机制,基于自底向上的复杂系统建模方法与物质代谢生命周期理论、物质流分析模型进行有机结合,剖析工业集聚区多源固废综合利用的物质代谢机理,建立泉州地区多源固废耦合利用体系的物质流动网络,必要时也可以对组成体系的模块或子系统进行调整,如改变规模、在共生链条上的顺序、创新绿色技术、改变排放成分等,通过共生体系的演变进化,实现物质和能量的多级循环利用和废物的最小化生产[22].
 
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