1、循环经济的 工程科学基础,金 涌 胡山鹰 陈定江 清华大学化工系 生态工业研究中心,推动循环经济不仅是我国经济可持续发展重要的、紧迫的、必然的、根本的出路，而且 在工程科学层面上也是可行的。,循环经济追求的目标,充分、重复、循环利用资源。 优化利用能源，可再生能源开发。 环境与生态保护 效率和利润最大化、精细化、高附加值化同时用这四条标准，审视所有现行生产过程。,自然生态的循环发展模式,循环经济的工程技术基础,生态农业,生态工业,生态消费,资源循环利用,能源优化利用和 可再生能源开发,污染源头治理,静脉产业,向自然生态系统学习 建立生态产业系统,生态化,清洁生产和静脉 产业的企业层次,生态园区
2、产业链建设的区域层次,循环经济型社会构建,先进 科技 研发,先进 系统 优化 软科 学,生态 法规 教育 和道 德养 成,循环经济的三个层次和三个支撑,工程科学技术是循环经济的基石，缺乏科学技术的支撑，循环经济的理念将成为海市蜃楼。,循环经济的自然科学基础,热力学第一定律： 物质和能量转化 过程数量守恒,热力学第二定律： 物质或能量在转化中， 其品位将发生变化， 遵守熵增原理：,爱因斯坦能量与物质 转化公式：E=mc2,物质被使用 能量对外体 功都是熵增加 过程,自然生态过程 （光合作用） 工业代谢过程 中负熵过程,核能 太阳能,Prigogine非平衡热力学 远离平衡态耗散结构的 子系统，可
3、以实现自组 织的负熵过程,代谢社会,Metabolic Society,热损失,dS=,Q,T,M,C,=,=,I,N,“信息负熵”: 通过减少不确定性， 使负熵注入增效,Prigogine 的自组织概念,生态工业工程技术开发原则,进化替代原则：新资源、新材料、新产品、新工艺引入,高附加值化 减量化原则：分子设计、智能化产品 再利用原则：梯级、重复、循环利用资源、能源 再资源化原则：静脉产业开发、废物再利用 综合共生原则：共生多联产、综合利用 集成优化原则：区域内物流、能流、信息流、资金流的集成优化。,I、进化替代原则 清洁生产替代技术,一、使用无毒害原料、溶剂和催化剂的新工艺过程,采用绿色原
4、料 代替光气（COCl2）为原料制备异氰酸酯，碳酸二甲酸，聚碳酸酯等 代替氢氰酸为原料制备甲基丙烯酸，叔丁胺，氨基二乙酸钠，丙烯腈等 采用绿色催化剂与工艺 采用分子筛、固体酸为催化剂代替HF，H2SO4 ，H3PO5，BF3，AlCl3 等污染催化剂 采用绿色溶剂 采用环戊烷，戊烷为发泡剂 采用己烷油，碳酸二甲酯，N甲基吡啶烷酮为萃取剂 采用超临界CO2 ，H2O为溶剂进行合成、聚合，氧化反应或造粒、包涂,二、环境友好产品的生产 将废弃物生物质转化为动物饲料、燃料等（获美国总统绿色化学挑战奖， Texas A&M 学院Holtzappll 教授） 生物降解塑料,清洁燃油技术，生物柴油制备 三、
5、提高反应产品的专一性，反应的选择性和收率利用催化剂晶格氧进行烃类氧化反应，新催化剂（如钛硅分子筛）的利用等 四、“原子节约”反应工艺路线的开发异丙苯氧化法生产苯酚、丙酮等 五、生化合成技术,I. 进化替代原则 清洁生产替代技术,“原子节约”工艺优先,I. 进化替代原则 解决白色污染的技术进化,在塑料制品成型时，加入大量淀粉纤维素，可以使废弃时，塑料制品分散成小粒。 采用发酵法生产乳酸聚乳酸可降解塑料。 采用细胞培养法在大肠杆菌内生成可代谢塑料，聚羟基丁酸酯（PHB）用于人造血管骨钉缝线。,美国“总统绿色化学挑战奖” 一、更新合成路线奖,二、改进溶剂和反应条件奖,三、设计更安全化学品奖,四、小企
6、业奖,五、学术奖,I. 进化替代原则 全生命周期清洁产品开发,十二烷基苯合成催化剂： （1）HF （2）分子筛,例：十二烷基苯生产的绿色工艺,再生器,反应器,全生命周期清洁产品,化学品从： 从摇篮到坟墓全过程没有污染 十二烷基苯合成新工艺,我国化肥生产、消费和利用率,化肥利用率低，不仅带来严重的经济损失，更带来严重的环境问题。 化肥污染的特点是量大、面源、潜伏性强。,II. 减量化原则,我国化肥污染严重,水体含氮量过高会导致富营养化，水生生物大量死亡 。60/130大中型湖泊富营养化，水体氮磷含量严重超标。 地下水硝酸盐含量严重超标。京津唐地区14个县市的69个点的地下水、饮用水硝酸盐含量高于
7、50mg/L的超过50%，有的达300mg/L，远高于我国类水质指标(20mg/L)。在蔬菜生产发达地区，地下水中硝态氮含量高达61.6120.4 mg/L。而WHO饮用水质标准中硝态氮的最高允许浓度为10 mg/L。我国一些大城市的蔬菜硝酸盐和亚硝酸盐含量偏高，有的高达30004000 mg/kg。 饮用水中硝酸盐过量会导致高铁血红蛋白症，诱发癌症。,4,II. 减量化原则,大颗粒尿素 (46 mm),长效缓释包膜大颗粒尿素(46 mm),包膜缓释和控释化肥包膜缓释尿素,Film Coating,No.X502025，高效控释尿素包覆技术应用基础研究。 中石化股份有限公司基础研究项目，200
8、2.092005.09 。,II. 减量化原则灵巧化学品合成,转鼓流化床包覆过程,动态包覆,冷却 脱水,转鼓流化床包覆技术,转鼓流化床造粒方法及装置, 中国发明专利. 02146785.4.,Coating Granulation,稻、麦对N的“S”型需求特性,植物生长初期和后期需要的养分较少，中期需要的养分较多。 水稻： 插秧;返青;分蘖;幼穗;拔节;开花;乳熟;完熟。 冬小麦： 封冻;返青;拔节;孕穗;开花;乳熟;完熟。,植物吸收养分特性,包膜肥的释放特性,Film Coating,II. 减量化原则灵巧化学品合成,磷酸二胺尿基复合肥( 35 mm),可根据市场需要和现场条件，对一种肥料颗
9、粒表面包覆其它营养成分，形成多元包覆的复合肥，如：在硝铵表面包覆尿素。在NPK复合肥表面包覆尿素。,包膜缓释和控释化肥多元包覆复合肥,Film Coating,包涂技术用于灵巧农药、医药,用于高毒性农药的微量缓释技术，如纳米插层缓释 用于灵巧药品制备维生素、肝炎疫苗（防分解）代血浆（A异体血红蛋白B复合酶，防异体排斥）定向组织进化（干细胞复合酶）致导型药物制备,A,B,包膜,II、减量化原则 煤的液化方案选择,煤的直接加氢液化：高压反应，产品以劣质柴油为主，要持续高压加氢，重整，能耗物耗高（折合5.5吨标准煤/吨液体燃料）煤的间接转化：中压反应，产品为劣质汽，柴油，要持续加压，能耗物耗高（折合
10、5吨标准煤/吨液体燃料）乙醇合成：煤为源头合成路线长，经济上不合理,低物耗工艺优先 煤的液化方案选择,二甲醚合成：中压反应，产品为柴油代用品，与柴油相比，发动机效率高1015，噪音低10分贝，排气清洁程度符合欧洲3标准，能耗物耗低（折合2.6吨标准煤/吨液体燃料）甲醇合成：中压反应，可与汽油混用或独用，发动机出力较低，能量密度低，有毒性，能耗物耗低（折合2.5吨标准煤/吨液体燃料）,二甲醚在柴油机的消耗情况,II、减量化原则 低能耗工艺优先,氢等离子体煤粉合成乙炔技术,减少能耗35（与传统电石法相比）减少了严重的废渣，废气，废水排放,II、减量化原则 物流循环减量化,低物质化方法： 替代如四乙
11、基铅，氟利昂的禁用 创新25Kg光纤传输量相当于1吨铜线传输量（生产中的能耗减少95） 信息化无纸办公等 高性能化高强度，低密度，材料制造工艺 分子租用（Rent a Molecule）如溶剂，催化剂等,III、循环再利用原则重要元素在工业系统中的循环代谢,氯元素工业循环,从KCl+H2SO4 生产钾肥,K2SO4（钾肥）,光气,MDI(异腈酸酯),苯胺,生产氯乙烯,生产制冷剂,生产TiCl4,生产SiHCl3,氯气,部分氧化技术,电解技术,HCl,纳米TiO2,多晶硅,食盐电解,烧碱,氯气,III. 循环再利用原则 副产物再利用,通过化学加工，进行资源循环利用,氯(Cl),氯化,氯化烃,氟化
12、,氟化烃 制冷剂,烯烃,氟(F),氧气,部分氧化,冰箱,氯化氢 （HCl）,氯(Cl),水,以 为例,III、循环再利用原则,双层流化床,太阳能的利用,太阳能,电 能,热 能,化学能,光合成 生物催化 （叶绿素 新酶种）,光分解制H2,低温介质 发电 热水,太阳能电池光电转换 光利用率最高达65%,III、循环再利用原则,IV. 再资源化原则（废弃物回收利用）,纸张、轮胎、废家电、汽车的再资源化* 每吨再生纸可节约512度电，4m3木材，250吨水* 轮胎翻新率我国4，发达国家15以上其中载重胎121次，载重胎78次，每翻新一条轮胎节约70橡胶资源 铁、铜、铝的再回炼 从产品设计开始考虑再资源
13、化，直至回收、分拣环节,IV.再资源化原则 生物质能源与CO2循环利用,1、以纤维质、木质素为原料（全球约1.641011t/a生产量）： （1）超短接触热裂解：T=400,80%为液相产物t=0.01s, 粗生物质油易自聚 （2）水热法裂解：Shell. Co. HTU-processT=250,重油产率为4555%P=310MPa，重油热值2530MJ/kg （3）生物发酵法：生产乙酰丙酸为平台化合物,2、以植物油、动物油脂为原料 （1）热解法 （2）酯交换法：法国产量为35万吨/年，可副产甘油 （3）【原料为：废食用油、菜籽油、棉籽油、微藻（含油4060）】 （4）清洁燃料：燃烧时烟尘下
14、降80，SOx 下降100，CO下降50,IV.再资源化原则 生物质能源与CO2循环利用,IV.再资源化 实现碳元素循环代谢,V. 综合共生原则 物质生产中的产品共生,磷矿石,焦炭,电炉炼磷,CO,CO+H2,二甲醚,H2O,石英石SiO2,矿渣,微晶玻璃砖,CO2,乙烯,水泥添加,黄磷,V. 综合共生原则 综合效益优先（钾肥生产）,传统工艺,复分解工艺,食品级,复分解反应器,Na2SO4,KCl,K2SO4,NaCl,蒸发结晶器,V. 综合共生原则 纯碱有机硅尿素耦合工艺,H2O,NaCl,氨盐水吸收,碳化,Na2CO3,NH3,NH4Cl(副产物）,Si,有机硅 生产,CH3Cl,分解炉,
15、CH3OH,NH3,合成尿素,CO2,后处理,CaCl2 (废物),NH3,Ca(OH)2,VI. 区域集成优化原则 生态工业园区 （ECOindustrial Park）,Kalundborg EIP组成,Kalundborg EIP效果,减少资源消耗：石油：45，000吨/年煤：15，000吨/年水：600，000 m3 /年 减少污染：CO2排放：175，000吨/年SO2排放：10，000吨/年 废物再利用：炉灰： 130，000吨/年硫： 4，500吨/年石膏： 90，000吨/年氮： 1，440吨/年磷： 600吨/年,生态工业园区 优越性分析,物流，能流，信息流的总体优化利用发现
16、生产链的缺陷，定位粘合技术新工艺和装置的开发方向多产业综合的可持续发展，循环经济软科学,生态工业园区 局限性分析,资源利用的柔性较差产，供，销，未知因素多先进工艺技术使用阻力增加在管理，投资，组织等方面的局限,生态工业园区 局限性举例,Kalundborg工业园区的问题举例Asnaesvaerket电热厂烧掉450万吨煤/年40转化为电能，其余大部分转化为蒸汽蒸汽消耗Statiol炼油厂消耗14万吨/年（占0.3）住宅取暖消耗22.5万吨/年（占0.5）Novo Nordisk生物公司消耗21.5万吨/年（占 0.5）Gyproc石膏材料公司用天然石膏与电热厂副产石膏， 成分不一致,生态工业园
17、区 基本模式,全新规划型从无到有进行总体规划和建设，绿色制造技术，成员选择以效益和环境为原则，全程监控 综合改造型地区已有多种类型产业，如化工、冶金、炼油、生化、电子等，综合组织产业 专题主导型以某一大型造纸、制糖、冶金企业为主导配制地区综合产业链 虚拟型通过数模数据库的信息流交换建立能流，多方位，长短结合的综合利用，实施跨地区的合作,VI. 集成优化原则 生态工业园区建设,VI. 集成优化原则 冶金、造纸链接技术,球团法在矿冶中的重要作用 冶金球团粘结剂 纸浆褐液用于碎矿团的粘结,亚硫酸盐纸浆褐液用作有机粘结剂的可行性,与碱法制浆不同，亚硫酸盐制浆褐液中的木质素主要以磺酸盐的形式存在，由于制
18、浆助剂对结构的破坏作用较弱，木质素的磺酸盐形成了网状的大分子结构，具备了一定的粘结能力。,图2 木素磺酸盐的网状结构,亚硫酸盐纸浆褐液改性,木质素结构中既有酚羟基，又有醛基和羧基等，因此可与一些化合物在一定条件下进一步交联，增大分子量，提高其粘结能力。,亚铵制浆,硫,火电,基于冶金焦化、造纸和烟气脱硫的生态工业园示意图,系统,亚硫酸铵,燃煤,电、汽,环境,褐液,烟气,冶金焦化,氨法脱硫,氨水,褐液改性,粘结剂,亚硫酸铵和,结束语,循环经济是解决我国发展与资源、能源、环境矛盾的关键。 向自然生态系统学习，构建生态产业系统，需要依赖工程科学与技术的创新。 循环经济要求构建一种新的生产方式和生活模式，缺少高新工程科学技术支撑将成为海市蜃楼。,谢谢！,清华园荷塘月色,
