低碳經(jīng)濟背景下化工技術(shù)的發(fā)展趨勢

鄭凌玲

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511442）

化學(xué)是一把雙刃劍，人類在享受化學(xué)所帶來的各種便利和好處的同時，也承受著化學(xué)所帶來的各種負(fù)面影響。目前化工行業(yè)是受國家政策關(guān)注的6大高耗能、高污染行業(yè)之一。人們越來越意識到發(fā)展經(jīng)濟不能以犧牲生存環(huán)境為代價，應(yīng)該向著綠色生態(tài)文明發(fā)展，從而實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展，低碳經(jīng)濟就是在這種背景下提出來的。

“低碳經(jīng)濟”（Low-carbon Economy）的概念最早是在2003年的英國能源白皮書《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟》中提出來的。低碳經(jīng)濟的特征就是以減少溫室氣體排放為目標(biāo)，構(gòu)筑低能耗、低污染為基礎(chǔ)的經(jīng)濟發(fā)展體系，國家“十二五”建設(shè)規(guī)劃中新增了10項指標(biāo)，其中涉及新能源和節(jié)能減排的就有6個，這些指標(biāo)的確立，給綠色經(jīng)濟和低碳技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極大的契機，同時也促使化工行業(yè)在生產(chǎn)、運輸、使用、回收過程中不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

1 大力發(fā)展低碳化學(xué)品

低碳化學(xué)品就是以溫室氣體為原料生產(chǎn)的各種化學(xué)品，以及在生產(chǎn)過程可顯著降低溫室氣體排放的化學(xué)品。溫室氣體主要是指生產(chǎn)和生活中所排放的CO2氣體。

低碳化學(xué)品技術(shù)開發(fā)在各高校、科研機構(gòu)、企業(yè)已引起高度重視，投入的技術(shù)力量、經(jīng)費不斷增加。目前，低碳化學(xué)品已然成為技術(shù)開發(fā)的一大熱點，成為企業(yè)新上項目優(yōu)先考慮的領(lǐng)域、企業(yè)降低碳排放的首選措施，也將是全球低碳合作的重要內(nèi)容。

以CO2為原料可以合成的無機化工產(chǎn)品有硼砂、水楊酸、尿素等；有機化工產(chǎn)品包括合成胺、合成甲酸及其衍生物及醛類等；合成有機高分子化合物（如碳酸酯等）［4］。在國內(nèi)，廣東省依托中山大學(xué)于2009年成立了廣東省低碳化學(xué)與過程節(jié)能重點實驗室，該實驗室通過化學(xué)化工、材料科學(xué)和物理科學(xué)等學(xué)科的交叉融合，開展節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣示范等方面的研究。其重點研究領(lǐng)域之一就是二氧化碳的資源化利用，研究內(nèi)容包括高效催化二氧化碳合成全降解塑料技術(shù)、高效催化二氧化碳與甲醇直接合成碳酸二甲酯技術(shù)、二氧化碳全降解塑料改性應(yīng)用開發(fā)技術(shù)及工業(yè)廢水催化處理及回收技術(shù)。其中孟躍中教授的研究團隊在可降解二氧化碳共聚物的合成、二氧化碳全降解塑料產(chǎn)業(yè)化及產(chǎn)品應(yīng)用研究領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，并且在河南天冠集團建立了全球最大規(guī)模的年產(chǎn)5 000t二氧化碳合成全降解塑料生產(chǎn)線。

中科院廣州化學(xué)有限公司從1985年開始就開展了調(diào)聚二氧化碳樹脂和泡沫塑料的研究，并取得了多項研究成果。以二氧化碳和環(huán)氧化合物為主要原料，通過調(diào)節(jié)聚合制備液體脂肪族聚碳酸酯樹脂技術(shù)，進(jìn)而制備降解型聚氨酯泡沫塑料，由此制備的聚氨酯泡沫塑料可以完全生物降解且無有害物質(zhì)，減輕了廢棄塑料的“白色污染”。中科院廣州化學(xué)有限公司與江蘇省泰興市民營企業(yè)金龍公司正式簽訂“利用二氧化碳制備聚碳酸亞酯和可降解型泡沫塑料”技術(shù)合同，以中科院廣州化學(xué)有限公司技術(shù)為依托，由企業(yè)投資進(jìn)行該項技術(shù)的轉(zhuǎn)化。二氧化碳制生物降解塑料技術(shù)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟意義，為綠色環(huán)保和低碳經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

江蘇中科金龍化工有限公司十多年來主要從事二氧化碳資源化利用及新材料制備的研發(fā)。公司擁有世界唯一1條萬噸級全生物降解CO2基樹脂生產(chǎn)線。公司研發(fā)的聚碳酸亞丙酯多元醇是采用國內(nèi)外首創(chuàng)的具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)流反應(yīng)裝置，以獨創(chuàng)的催化劑將工業(yè)廢氣CO2與環(huán)氧丙烷共聚而成的。聚碳酸亞丙酯多元醇是聚酯型聚氨酯的主要原料之一，以其合成的聚氨酯彈性是當(dāng)今理想的橡塑工程材料之一，實現(xiàn)了將工業(yè)廢氣CO2資源化，轉(zhuǎn)化成實用的新型材料，符合低碳經(jīng)濟的理念，同時給企業(yè)帶來了巨大的利潤。

國內(nèi)已有多個企業(yè)利用CO2生產(chǎn)碳酸二甲酯，每生產(chǎn)1噸碳酸二甲酯就可消耗0.49噸CO2。山東石大勝華化工集團股份公司是中國石油大學(xué)（華東）的校辦企業(yè)，年產(chǎn)10萬噸碳酸二甲酯的裝置產(chǎn)能規(guī)模，是目前亞洲同行業(yè)中的最大生產(chǎn)廠商。隨著碳酸二甲酯下游市場的逐步開發(fā)，用CO2生產(chǎn)碳酸二甲酯將成為重要的低碳技術(shù)之一。

2 提高煤炭化工業(yè)的利用率

煤是碳含量最高的化石能源，我國是煤炭生成和消費大國，給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染，尤其是產(chǎn)生了大量的溫室氣體。為了適應(yīng)全球CO2減排的潮流和應(yīng)對我國可持續(xù)發(fā)展面臨的能源瓶頸問題，應(yīng)用低碳理念引導(dǎo)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，節(jié)能減排，提高燃料利用率。

提高煤炭的利用率，減少煤炭行業(yè)所帶來的污染，關(guān)鍵是進(jìn)行技術(shù)革新。北京低碳清潔能源研究所成立于2009年12月，主要致力于發(fā)展新技術(shù)，改善煤炭利用效率，在低階煤熱解技術(shù)、費托合成催化劑、煤炭氣化、直接液化殘渣利用、煤制天然氣轉(zhuǎn)化、甲烷化催化劑等領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。副所長劉科在大規(guī)模煤制清潔燃料關(guān)鍵技術(shù)及工藝集成研究、煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)利用有著獨到的見解。通過對煤炭進(jìn)行分級煉制，在較低溫度下（200～350°C）去除煤中的水分，然后在550°C左右，煤中類似油的揮發(fā)份釋出。煤中類似石油的高價值組分揮發(fā)份等得以分離，所得到的煤焦油（揮發(fā)份的一部分）再拿到煉油廠去煉制可得高價值的油品和化學(xué)品，而在500°C左右時水銀和有機硫化物等也釋出，轉(zhuǎn)移到油、氣中的硫和汞，有相對成熟的脫硫脫金屬技術(shù)去脫除。經(jīng)過高值加工利用后，液體產(chǎn)物加工成化學(xué)品和油品，氣體產(chǎn)物用做清潔燃料，而脫水，脫汞，脫硫后的固體產(chǎn)物是燃燒或者是氣化的更清潔的優(yōu)質(zhì)原料，最終實現(xiàn)高水分、高揮發(fā)分煤的全質(zhì)利用。在煤分級煉制過程中，一部分能夠?qū)諝庠斐蓢?yán)重污染的硫、水銀等都被離析出來，水和揮發(fā)份脫除后，提質(zhì)煤的孔隙率增加，燃燒時其氮氧化物排放也相應(yīng)減少。這樣在產(chǎn)油的同時，把煤變得更干凈了，而且還有一部分高價值的焦油被煉制出來。在這個過程中，還可將干燥和熱解過程分離，使用系統(tǒng)中廢棄的低品位熱源（如燃燒廢熱、煤氣廢熱或者干熄焦廢熱等）完成干燥，而燃?xì)猱a(chǎn)生的高品位熱來完成熱解，通過這樣的能量分級利用來提高煤的轉(zhuǎn)化效率。在劉所長的帶領(lǐng)下，一項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤分級煉制技術(shù)即將運用到呼倫貝爾年處理100萬t褐煤提質(zhì)項目上。

3 發(fā)展清潔化學(xué)能源

3.1 低碳清潔燃料電池

低碳化學(xué)電源是指在二氧化碳低排放的前提下，將化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化為電能和存儲過程的裝置。長春應(yīng)化所是國內(nèi)較早開展清潔化學(xué)電源的單位之一，在燃料電池、太陽能電池、超級電容器等方向上取得若干具有影響力的創(chuàng)新成果。2010年以該研究所先進(jìn)化學(xué)電源實驗室為平臺成立了“吉林省先進(jìn)低碳化學(xué)電源重點實驗室”，以新型低碳化學(xué)電源相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)為主要研究方向，著力開展高性能長壽命電池材料及其制備技術(shù)、新型關(guān)鍵部件制備技術(shù)、智能化電能轉(zhuǎn)化裝置集成技術(shù)的研發(fā)。郉巍研究員所在的研究團隊的低碳清潔燃料電池研究成果獲得了教育部自然科學(xué)二等獎，吉林省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎等多個獎項。

3.2 甲醇制取低碳烯烴（DMTO）技術(shù)

乙烯、丙烯等低碳烯烴是基本的有機化工原料，傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)強烈依賴于石油資源，而我國石油資源不足，煤炭資源相對豐富，因而發(fā)展以煤為原料制取石油類產(chǎn)品的煤化工技術(shù)，由此替代石油，將會影響國家經(jīng)濟長期穩(wěn)定發(fā)展和能源安全。

大連化物所從20世紀(jì)80年代開始，圍繞甲醇制烯烴催化劑和工藝技術(shù)進(jìn)行了30多年的研究工作，在催化劑、反應(yīng)工藝、工程化及工業(yè)化等方面取得了一系列技術(shù)發(fā)明和創(chuàng)新，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的甲醇制烯烴技術(shù)。

2010年，我國利用DMTO技術(shù)建設(shè)完成了世界首套甲醇制烯烴工業(yè)化裝置，2011年起正式進(jìn)入商業(yè)化運營，我國率先實現(xiàn)了甲醇制烯烴核心技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用“零”的突破。甲醇制取低碳烯烴技術(shù)獲得了2014年度的國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎。

4 微波合成方法

在化工行業(yè)，大量的化學(xué)合成往往需要通過加熱來實現(xiàn)，傳統(tǒng)的加熱方式主要有酒精燈加熱、電熱套加熱、蒸汽加熱、電爐加熱、水浴加熱（100°C以下），油浴加熱、沙浴等。這些加熱方式都是采用外部熱源進(jìn)行傳導(dǎo)加熱，這種方法受制于對流和材料的導(dǎo)熱性能，因此傳熱速度慢，效率低，需要通過持續(xù)的不斷加熱，因而消耗了大量的能源。而且在加熱過程中，器壁溫度高于內(nèi)部反應(yīng)物，被加熱的物質(zhì)內(nèi)部由于受熱不均存在著溫度梯度，會導(dǎo)致局部過熱，產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物。

1986年Ryamnod，J.Giugere等人發(fā)現(xiàn)用微波照射4-氰基苯氧離子與氰芐的SN2親核取代反應(yīng)可以將反應(yīng)速度提高1 240倍，而且產(chǎn)率也獲得不同程度的提高［2］。從此微波加快反應(yīng)速度在化學(xué)合成領(lǐng)域迅速引起了科學(xué)研究人員的重視。早在60年代后期，美國麻省理工學(xué)院就曾對微波能在化學(xué)中的應(yīng)用作了不少研究。在國內(nèi)，浙江大學(xué)的金欽漢教授首創(chuàng)了微波化學(xué)學(xué)科，中國科學(xué)院、蘭州化物所、吉林大學(xué)、云南大學(xué)、蘭州大學(xué)、四川大學(xué)等高校在微波等離子體化學(xué)和微波合成及反應(yīng)化學(xué)方面的研究都起步較早，并取得了有影響的成果。作為一門新興的前沿交叉學(xué)科，微波化學(xué)已經(jīng)在廣泛的實際應(yīng)用中顯示出空前強大的生命力，尤其是化學(xué)合成領(lǐng)域。

微波加熱能大大縮短反應(yīng)時間。廣州大學(xué)鄭成教授的研究團隊長期致力于微波合成在精細(xì)化工領(lǐng)域的研究。為了研究微波加熱提高反應(yīng)速度的機理，課題組采用常溫加熱和微波加熱兩種方式來合成十二烷基甲基二羥乙基溴化銨，通過討論兩種合成途徑下的動力學(xué)方程發(fā)現(xiàn)，微波合成降低反應(yīng)的活化能［3］。劉波等人［4］用二甲基十二烷基胺和氯乙醇在85℃下，傳統(tǒng)加熱方式下合成十二烷基二甲基羥乙基氯化銨需要51.5h，而在微波加熱下合成類似的十八烷基甲基二羥乙基溴化銨［5］僅需25min，轉(zhuǎn)化率高達(dá)95.3%。采用微波加熱大大縮短了加熱時間，減少了能耗，提高了產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，符合綠色化工的理念，也迎合了低碳經(jīng)濟的思想。

此外，微波技術(shù)還在分析化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如微波等離子體原子光譜分析法，MWP原子發(fā)射光譜分析法等，大大地提高了檢測的速度和準(zhǔn)確性。

低碳經(jīng)濟理念的提出，促使化工行業(yè)在發(fā)展經(jīng)濟的同時，更要在技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng)新，本文介紹了四種低碳化工技術(shù)。低碳經(jīng)濟的提出，將促使化工行業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)革新，從源頭上減少碳?xì)怏w的排放，減少能耗，開發(fā)清潔能源，發(fā)展綠色化工，保護(hù)我們的生存環(huán)境。

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