基于复杂系统模拟与高维多目标优化的产业共生节能减排潜力、路径和对策研究

Under the current situation of narrowing potentialities and rising marginal costs of single-industry energy conservation and emission reduction, it has become the future policy breakthrough to conduct collaborative management of energy conservation and multi-pollutants emission reduction through industrial symbiosis. Currently, limited by the micro research scale (i.e. enterprises or industrial parks, etc.) and the black-box analysis method (i.e. statistical analysis, etc.), research by far cannot simulate, evaluate or optimize the energy conservation and emission reduction mechanism of our nationwide industrial symbiosis system. This research aims to: (1) simulate the complex retiform technological structure of the industrial symbiosis system by adopting bottom-up model, and on this basis to quantitatively evaluate the energy conservation and emission reduction potential as well as the economic performance of this system; (2) explore the best technological path within the industrial symbiosis system, which can systematically satisfy the numerous environmental and economic management objectives, by adopting many-objective optimization algorithm; and (3) identify critical factors that may affect the stability of the industrial symbiosis system and propose corresponding management strategies by adopting uncertainty analysis method of large-scale stochastic sampling.

针对当前单行业节能减排潜力空间收窄、边际成本攀升的趋势，通过构建产业共生体系，推进节能和多种污染物排放的协同控制和成本优化成为未来政策的突破口。当前，关于产业共生系统的节能减排机制研究多局限于微观的企业、园区研究尺度，以及黑箱的统计分析等非机理化研究手段，无法支撑全国尺度产业共生节能减排机制的模拟、评估及优化。本研究旨在自底向上地完整模拟产业共生系统的复杂网状技术结构，在此基础上定量评估我国产业共生模式推广的节能减排潜力及经济有效性；采用高维多目标优化方法，探索可协同满足各项环境、经济管理目标的最优产业共生节能减排技术路径；引入大样本随机采样的不确定性分析方法对产业共生模式推广的潜在风险进行有效识别并提出相应管理对策。

立足我国工业部门以单一行业为边界进行节能减排面临的潜力空间收窄、边际成本攀升的现实困境，本研究在自底向上完整模拟产业共生的复杂网状技术系统基础上，定量评估我国重点行业通过耦合共生可协同实现的节能减排潜力空间及所需的技术改造投资成本；探索协同控制诸多环境管理目标和经济成本控制目标下产业共生模式推广的最优技术路径；识别不确定的未来发展情景下，对产业共生系统的稳定性和环境、经济效果具有显著影响的关键因素，为我国产业共生节能减排模式推广的技术路线图设计和技术推广政策制定提供科学支撑。.为此，本研究构建了产业共生节能减排的综合性评估ICECER模型，模拟分析了以“钢铁-电力-水泥”行业为核心的共生系统。模型内设基于复杂网状技术系统模拟的共生节能减排潜力及投资成本核算模块、基于改进NSGA-III算法的共生技术路径高维多目标优化模块、基于拉丁超立方随机采样算法的共生系统不确定性分析及政策建议模块；同时构建了重点产业共生单元的高精度数据库，覆盖全国各地1054家燃煤发电厂、407家钢铁冶炼企业、850家水泥生产企业、4436家污水处理厂以及668个城市生活垃圾清运站的空间位置、生产规模、工艺技术水平、产废利废情况等详细信息。研究结果表明：.（1）产业共生可有力拓宽工业部门节能减排的潜力空间。共生系统2020年可实现的节能量以及SO2、NOx、PM减排量约占三行业“十三五规划”各节能减排目标量的9%~43%。（2）考虑未来发展情景的不确定性，2020-2030年，该共生系统的政策管理目标可设定为节能3227.4万吨标煤，减排SO2 17.8万吨、NOx 18.2万吨、PM 4.3万吨，投资3887.4亿元。（3）加快余热余压利用以及工业-社会共生技术的推广应用；加强工业固体废弃物-环保材料、工业副产煤气-高附加值化工产品，以及工业固体废弃物-新型建材3类共生技术的科技研发投入和示范工程项目建设；加速高炉渣、粉煤灰、脱硫石膏、炉渣的共生利用方式向环境、经济效果更优的新型共生利用方式转变，是2020-2030年产业共生的重点方向。