低碳經濟背景下化工技術的發展趨勢

鄭凌玲

（廣州科技貿易職業學院，廣東 廣州 511442）

化學是一把雙刃劍，人類在享受化學所帶來的各種便利和好處的同時，也承受著化學所帶來的各種負面影響。目前化工行業是受國家政策關注的6大高耗能、高污染行業之一。人們越來越意識到發展經濟不能以犧牲生存環境為代價，應該向著綠色生態文明發展，從而實現經濟的可持續性發展，低碳經濟就是在這種背景下提出來的。

“低碳經濟”（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：創建低碳經濟》中提出來的。低碳經濟的特征就是以減少溫室氣體排放為目標，構筑低能耗、低污染為基礎的經濟發展體系，國家“十二五”建設規劃中新增了10項指標，其中涉及新能源和節能減排的就有6個，這些指標的確立，給綠色經濟和低碳技術的發展創造了極大的契機，同時也促使化工行業在生產、運輸、使用、回收過程中不斷地進行技術創新。

1 大力發展低碳化學品

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

低碳化學品技術開發在各高校、科研機構、企業已引起高度重視，投入的技術力量、經費不斷增加。目前，低碳化學品已然成為技術開發的一大熱點，成為企業新上項目優先考慮的領域、企業降低碳排放的首選措施，也將是全球低碳合作的重要內容。

以CO2為原料可以合成的無機化工產品有硼砂、水楊酸、尿素等；有機化工產品包括合成胺、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，廣東省依托中山大學于2009年成立了廣東省低碳化學與過程節能重點實驗室，該實驗室通過化學化工、材料科學和物理科學等學科的交叉融合，開展節能減排技術的應用基礎、技術開發和產業化推廣示范等方面的研究。其重點研究領域之一就是二氧化碳的資源化利用，研究內容包括高效催化二氧化碳合成全降解塑料技術、高效催化二氧化碳與甲醇直接合成碳酸二甲酯技術、二氧化碳全降解塑料改性應用開發技術及工業廢水催化處理及回收技術。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業化及產品應用研究領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模的年產5 000t二氧化碳合成全降解塑料生產線。

中科院廣州化學有限公司從1985年開始就開展了調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。以二氧化碳和環氧化合物為主要原料，通過調節聚合制備液體脂肪族聚碳酸酯樹脂技術，進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，減輕了廢棄塑料的“白色污染”。中科院廣州化學有限公司與江蘇省泰興市民營企業金龍公司正式簽訂“利用二氧化碳制備聚碳酸亞酯和可降解型泡沫塑料”技術合同，以中科院廣州化學有限公司技術為依托，由企業投資進行該項技術的轉化。二氧化碳制生物降解塑料技術創造了良好的經濟意義，為綠色環保和低碳經濟的發展做出了巨大貢獻。

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。公司擁有世界唯一1條萬噸級全生物降解CO2基樹脂生產線。公司研發的聚碳酸亞丙酯多元醇是采用國內外首創的具有獨立知識產權的環流反應裝置，以獨創的催化劑將工業廢氣CO2與環氧丙烷共聚而成的。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今理想的橡塑工程材料之一，實現了將工業廢氣CO2資源化，轉化成實用的新型材料，符合低碳經濟的理念，同時給企業帶來了巨大的利潤。

國內已有多個企業利用CO2生產碳酸二甲酯，每生產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（華東）的校辦企業，年產10萬噸碳酸二甲酯的裝置產能規模，是目前亞洲同行業中的最大生產廠商。隨著碳酸二甲酯下游市場的逐步開發，用CO2生產碳酸二甲酯將成為重要的低碳技術之一。

2 提高煤炭化工業的利用率

煤是碳含量最高的化石能源，我國是煤炭生成和消費大國，給環境帶來了嚴重的污染，尤其是產生了大量的溫室氣體。為了適應全球CO2減排的潮流和應對我國可持續發展面臨的能源瓶頸問題，應用低碳理念引導煤化工產業的發展，節能減排，提高燃料利用率。

提高煤炭的利用率，減少煤炭行業所帶來的污染，關鍵是進行技術革新。北京低碳清潔能源研究所成立于2009年12月，主要致力于發展新技術，改善煤炭利用效率，在低階煤熱解技術、費托合成催化劑、煤炭氣化、直接液化殘渣利用、煤制天然氣轉化、甲烷化催化劑等領域取得了重大進展。副所長劉科在大規模煤制清潔燃料關鍵技術及工藝集成研究、煤炭清潔高效可持續開發利用有著獨到的見解。通過對煤炭進行分級煉制，在較低溫度下（200～350°C）去除煤中的水分，然后在550°C左右，煤中類似油的揮發份釋出。煤中類似石油的高價值組分揮發份等得以分離，所得到的煤焦油（揮發份的一部分）再拿到煉油廠去煉制可得高價值的油品和化學品，而在500°C左右時水銀和有機硫化物等也釋出，轉移到油、氣中的硫和汞，有相對成熟的脫硫脫金屬技術去脫除。經過高值加工利用后，液體產物加工成化學品和油品，氣體產物用做清潔燃料，而脫水，脫汞，脫硫后的固體產物是燃燒或者是氣化的更清潔的優質原料，最終實現高水分、高揮發分煤的全質利用。在煤分級煉制過程中，一部分能夠對空氣造成嚴重污染的硫、水銀等都被離析出來，水和揮發份脫除后，提質煤的孔隙率增加，燃燒時其氮氧化物排放也相應減少。這樣在產油的同時，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，而燃氣產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化效率。在劉所長的帶領下，一項具有自主知識產權的煤分級煉制技術即將運用到呼倫貝爾年處理100萬t褐煤提質項目上。

3 發展清潔化學能源

3.1 低碳清潔燃料電池

低碳化學電源是指在二氧化碳低排放的前提下，將化學能連續不斷地轉化為電能和存儲過程的裝置。長春應化所是國內較早開展清潔化學電源的單位之一，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新成果。2010年以該研究所先進化學電源實驗室為平臺成立了“吉林省先進低碳化學電源重點實驗室”，以新型低碳化學電源相關基礎科學問題和關鍵技術為主要研究方向，著力開展高性能長壽命電池材料及其制備技術、新型關鍵部件制備技術、智能化電能轉化裝置集成技術的研發。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二等獎，吉林省科學技術進步二等獎等多個獎項。

3.2 甲醇制取低碳烯烴（DMTO）技術

乙烯、丙烯等低碳烯烴是基本的有機化工原料，傳統的生產技術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，因而發展以煤為原料制取石油類產品的煤化工技術，由此替代石油，將會影響國家經濟長期穩定發展和能源安全。

大連化物所從20世紀80年代開始，圍繞甲醇制烯烴催化劑和工藝技術進行了30多年的研究工作，在催化劑、反應工藝、工程化及工業化等方面取得了一系列技術發明和創新，形成了具有自主知識產權的甲醇制烯烴技術。

2010年，我國利用DMTO技術建設完成了世界首套甲醇制烯烴工業化裝置，2011年起正式進入商業化運營，我國率先實現了甲醇制烯烴核心技術及工業應用“零”的突破。甲醇制取低碳烯烴技術獲得了2014年度的國家科學技術發明一等獎。

4 微波合成方法

在化工行業，大量的化學合成往往需要通過加熱來實現，傳統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行傳導加熱，這種方法受制于對流和材料的導熱性能，因此傳熱速度慢，效率低，需要通過持續的不斷加熱，因而消耗了大量的能源。而且在加熱過程中，器壁溫度高于內部反應物，被加熱的物質內部由于受熱不均存在著溫度梯度，會導致局部過熱，產生大量的副產物。

1986年Ryamnod，J.Giugere等人發現用微波照射4-氰基苯氧離子與氰芐的SN2親核取代反應可以將反應速度提高1 240倍，而且產率也獲得不同程度的提高［2］。從此微波加快反應速度在化學合成領域迅速引起了科學研究人員的重視。早在60年代后期，美國麻省理工學院就曾對微波能在化學中的應用作了不少研究。在國內，浙江大學的金欽漢教授首創了微波化學學科，中國科學院、蘭州化物所、吉林大學、云南大學、蘭州大學、四川大學等高校在微波等離子體化學和微波合成及反應化學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科，微波化學已經在廣泛的實際應用中顯示出空前強大的生命力，尤其是化學合成領域。

微波加熱能大大縮短反應時間。廣州大學鄭成教授的研究團隊長期致力于微波合成在精細化工領域的研究。為了研究微波加熱提高反應速度的機理，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方程發現，微波合成降低反應的活化能［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，轉化率高達95.3%。采用微波加熱大大縮短了加熱時間，減少了能耗，提高了產物的轉化率，符合綠色化工的理念，也迎合了低碳經濟的思想。

此外，微波技術還在分析化學領域得到了廣泛的應用，比如微波等離子體原子光譜分析法，MWP原子發射光譜分析法等，大大地提高了檢測的速度和準確性。

低碳經濟理念的提出，促使化工行業在發展經濟的同時，更要在技術方面進行創新，本文介紹了四種低碳化工技術。低碳經濟的提出，將促使化工行業不斷進行技術革新，從源頭上減少碳氣體的排放，減少能耗，開發清潔能源，發展綠色化工，保護我們的生存環境。

［1］李金芳，于欣偉，鄭成.綠色化學的研究現狀與發展趨勢［J］.廣東化工，2004（8）:5-7.

［2］Gedy R.N.，Smith F.Microw ave assisted syntheses in household microwave ovens［J］.Terth Lett，1986，27（03）:279-282.

［3］鄭成，毛桃嫣，衛云路，等.沸騰狀態下十二烷基甲基二羥乙基溴化銨微波合成的動力學研究［J］.精細化工，2009（26）：131-135.

［4］劉波，司波.氯化十二烷基二甲基羥乙基銨的合成及性能［J］.遼寧化工，2006，35（1）:13-14.

［5］程文靜，鄭成，毛桃嫣，等.十八烷基甲基二羥乙基溴化銨的微波合成及性能［J］.化工學報，2011（62）:566-573.