循环经济与社会可持续发展

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1、循环经济与社会可持循环经济与社会可持续发展续发展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、根本的重要的、紧迫的、必然的、根本的出路，出路，而且在工程科学层面上也是可行的。在工程科学层面上也是可行的。循环经济追求的目标v充分、重复、循环利用资源。v优化利用能源，可再生能源开发。v环境与生态保护v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微生物植物动物C, H, O.C, H, O.C, H, O.CO2太阳能太阳能H2O, NH3, CH4, H2, N2 早期早期目前目前氨基酸氨基酸蓝、绿藻蓝、绿藻O2循环经济的工程技

2、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

3、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，可以实现自组织的负熵过程代谢社会Metabolic Society热损失dS=QTMC=IN“信息负熵”:通过减少不确定性，使负熵注入增效 Prigogine 的自组织概念退化物质能量信息物质能量信息简单子系统简单子系统简单子系统简单子系统结构、功能更为复杂、更为有序的新系统自组织远离平衡态非线性整合由于稳定性没有保证，某种被触发的涨落会被放大，而产生新的有序结构。生态工业工程技术开发原则v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v减量化原则：分子设计、智能化产品v再利用原则：梯级、重复、循

4、环利用资源、能源v再资源化原则：静脉产业开发、废物再利用v综合共生原则：共生多联产、综合利用v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

5、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，（获美国总统绿色化学挑战奖， Texas A&M Texas A&M 学院学院HoltzappllHoltzappll 教授）教授）生物降解塑料生物降解塑料, ,清洁燃油技术，生物柴油制备清洁燃油技术，生物柴油制备三、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

6、产苯异丙苯氧化法生产苯酚酚、丙酮等、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 原子节约反应路径：原子节约反应路径：以合成环氧丙烷为例以合成环氧丙烷为例( (原子利用率原子利用率) )氯醇法(28.4%) CHCH3 3CH=CHCH=CH2 2 + Cl + Cl2 2 - CH - CH3 3CH(OH)CHCH(OH)CH2 2Cl + HClCl + HCl CH3CH(OH)CH2Cl + HCl + Ca(OH)2 - + CaCl- + CaCl2 2液相氧化法(76%) CHCH3 3CH=CHCH=CH2 2 + H + H2 2O O2

7、2 - + 2H - + 2H2 2O O气相氧化法(100%) CH CH3 3CH=CHCH=CH2 2 + + O O2 2 -CH3-CH-CH2OCH3-CH-CH2OCH3-CH-CH2O 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1996Monsanto公司不HCN为原料，生产氨基二乙酸纳除草剂1997BASF与Hoechst合营公司消炎药（ib

8、uprofen）新工艺，原子利用率从40801998Flexsys America公司4氨基二苯胺（4ADPA）新工艺，用苯胺与硝基苯直接合成，不需加入氯或溴氧化剂1999Lilly实验室抗痉挛药（anticonvulsion）新工艺，避免了大量溶剂使用和污染物产生，采用生物酶（gosaccharomyces rouxii）固定化催化剂2000Roche Colorado公司抗病毒药（gallcicloui）新工艺，将反应物和中间产物数量从22种降低至11种，气体排放减少66，固体废物减少89，4/5中间产物可循环利用2001Bayer和Bayer AG公司可生物讲解的螯合剂氨基二琥珀酸盐，1

9、00无废物释放，用作助洗剂，漂白稳定剂，肥料添加剂等二、改进溶剂和反应条件奖1996Dow化学公司用CO2代替FeCl作苯乙烯泡沫塑料发泡剂1997Imation公司（明尼苏达州）发明光热法，曝光胶片，显影只需加热，称Dryview技术，不需化学显影，定影1998阿员国家实验室高效，高选择性，乳酸酯工艺，可代替各种溶剂用量的80，目前美国此类用量为380万吨1999Naclo Chem. CO.开发带电聚丙烯酰胺的水基生产过程用于废水处理除去悬浮固体及污染物2000Bayer Corp. Pittsburgh开发了两组分水性多羟基化合物涂膜技术2001NOVOzymes 公司利用果胶裂解酶进行

10、棉纤维润湿脱脂棉的Biopreparation工艺，纺织厂节水3050三、设计更安全化学品奖1996Rohm & Haas 公司环境友好海洋生物防腐剂，用于船舶表面防海洋动植物附着，选出4，5二氯2正辛基4异噻唑啉3酮（DC01）代替三丁基氧化锡（TBTO）1997Albright & wilson公司（弗吉尼亚州）开发四羟甲级硫酸磷（THPS）杀生物药剂，它有良性毒理，选择毒性（对人毒性小）1998Rohm和Haas公司开发二酰基肼杀虫剂（Confirm），除对毛虫外对所有生物无害）1999Dow Agrosciences LLC（Dow Chem. CO子公司）开发Spinosad高选择性

11、，环境友好杀虫剂，对毛虫，苍蝇有害，而不影响益虫，环境中不累积，不挥发2000Dow Agrosciences开发除hexaflum的白蚁诱饵，抑制昆虫角质素合成，使其在脱皮时死亡，为低害杀虫剂2001PPG工业集团把阳离子电沉积油漆用于汽车工业，用钇（在地壳中比铅丰富）代替铅，铬，镍而抗腐蚀性强四、小企业奖1996Donlar公司开发两种生产热聚天门冬氨酸代替聚丙烯酸，它可被生物降解1997Legacy System公司开发冷却臭氧过程，除硅晶片上有机物，清洁蚀刻电路板，代替溶剂清洗1998Pyrocool技术公司推出PyrocoolFEF灭火剂和制冷剂，环境友好产品1999Biofine公

12、司废纤维素转化成乙酰丙酸新技术，用于处理造纸废物，垃圾，废纸，废木材，产率可达7090，可代替双酚A用于高分子材料（双酚A破坏内分泌系统）2000Revlon公司发明Enbirogluv玻璃印花技术，原料不含重金属，成分有可生物降解性，美观耐久2001EDEN生物子公司Harpin（无毒性蛋白质）技术，用于激发植物自然分泌防御系统，抗病，害虫，已批准使用的Messenger产品已由40多种农作物证明有效五、学术奖1996Taxas A & M大学 M.Holtzapple教授把废生物质转化为饲料，化学品与燃料（用石灰水或高压低温液氨处理纤维素使膨化，再酶降解）1997北卡罗来纳大学J. M.

13、Desimone教授开发能溶于CO2表面活性剂，用于微电子和光谱清洗1998斯坦福大学，特罗斯特教授创立“原子经济”概念1999Carnegie Mellon大学 Collins教授发展了一系列Fe（III）配位化合物（TAML活性剂）增强过氧化氢的氧化能力低温下55）活化H2O2漂白木桨2000Scripps研究所的Chihuey Wong教授开发了不可逆的酶酶消化的酯转化反应，用药品生产2001Tulane大学，ChaoJun Li教授发展了“准自然”催化作用，使在空气和水中应用的过渡金属催化剂，用于以水为溶剂的多种合成反应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：（

14、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：化学品从： 从摇篮到坟墓全过从摇篮到坟墓全过程没有污染程没有污染十二烷基苯合成新工艺异构体催化工艺性能HF分子筛2057易于自然分解2025高洗涤特性208205205 我国化肥生产、消费和利用率我国化肥生产、消费和利用率化肥利用率低，化肥利用率低，不仅带来严重的经济损失，更带来严不仅带来严重的经济损失，更带来严重的重的环境问题。环境问题。化肥污染的特点是量大、面源、潜伏性强。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体含氮量过高会导致富营养化，

15、水生生物大量死，水生生物大量死亡亡 。60/13060/130大中型湖泊大中型湖泊富营养化，水体氮磷含量富营养化，水体氮磷含量严重超标。严重超标。地下水硝酸盐含量严重超标。地下水硝酸盐含量严重超标。 京津唐地区京津唐地区1414个县市的个县市的6969个点的地下水、饮用水硝酸盐含量个点的地下水、饮用水硝酸盐含量高于高于50mg/L50mg/L的超过的超过50%50%，有的达，有的达300mg/L300mg/L，远高于我国，远高于我国类水质指类水质指标标( ( 20mg/L)20mg/L)。 在蔬菜生产发达地区，地下水中硝态氮含量高达在蔬菜生产发达地区，地下水中硝态氮含量高达61.661.612

16、0.4 mg/L120.4 mg/L。而。而WHOWHO饮用水质标准中硝态氮的最高允许浓度为饮用水质标准中硝态氮的最高允许浓度为10 10 mg/Lmg/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。我国一些大城市的蔬菜硝酸盐和亚硝酸盐含量偏高，有的高达高达300030004000 mg/kg4000 mg/kg。饮用水中硝酸盐过量会导致高铁血红蛋白症，诱发饮用水中硝酸盐过量会导致高铁血红蛋白症，诱发癌症。癌症。4II. 减量化原则减量化原则大颗粒尿素大颗粒尿素(46 mm)长效缓释包膜大颗粒尿素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 Coat

17、ingNo.X502025，高效控释尿素包覆技术应用基础研究。，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，中石化股份有限公司基础研究项目，2002.092005.09 。II. 减量化原则减量化原则灵巧化学品合成灵巧化学品合成转鼓流化床包覆过程转鼓流化床包覆过程动态包覆动态包覆冷却冷却脱水脱水 转鼓流化床包覆技术转鼓流化床包覆技术转鼓流化床造粒方法及装置转鼓流化床造粒方法及装置, 中国发明专利中国发明专利. 02146785.4. Coating Granulation天数（稻）天数（稻）天数（麦）天数（麦）麦麦稻吸收量 ，%稻、麦对稻、麦对N的的“S”型需求特性型需求

18、特性植物生长初期和后期需植物生长初期和后期需要的养分较少，中期需要的养分较少，中期需要的养分较多。要的养分较多。水稻：水稻：插秧插秧;返青返青;分蘖分蘖;幼穗幼穗;拔拔节节;开花开花;乳熟乳熟;完熟。完熟。冬小麦：冬小麦：封冻封冻;返青返青;拔节拔节;孕穗孕穗;开开花花;乳熟乳熟;完熟。完熟。植物吸收养分特性植物吸收养分特性包膜肥的释放特性包膜肥的释放特性Film CoatingII. 减量化原则灵巧化学品合成磷酸二胺尿基复合肥磷酸二胺尿基复合肥 ( 35 mm) 可根据市场需要和可根据市场需要和现场条件，对一种肥料现场条件，对一种肥料颗粒表面包覆其它营养颗粒表面包覆其它营养成分，形成多元包覆

19、的成分，形成多元包覆的复合肥，如：复合肥，如： 在硝铵表面包覆尿素。在硝铵表面包覆尿素。 在在NPK复合肥表面包覆复合肥表面包覆 尿素。尿素。 包膜缓释和控释化肥包膜缓释和控释化肥多元包覆复合肥多元包覆复合肥Film Coating包涂技术用于灵巧农药、医药v用于高毒性农药的微量缓释技术，如纳米插层缓释v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AB包膜II、减量化原则 煤的液化方案选择 煤的直接加氢液化：煤的直接加氢液化：高压反应，产品以劣质柴油高压反应，产品以劣质柴油为主，要持续高压加氢，重整

20、，能耗物耗高（折合为主，要持续高压加氢，重整，能耗物耗高（折合5.5吨标准煤吨标准煤/吨液体燃料）吨液体燃料） 煤的间接转化：煤的间接转化：中压反应，产品为劣质汽，柴油，中压反应，产品为劣质汽，柴油，要持续加压，能耗物耗高（折合要持续加压，能耗物耗高（折合5吨标准煤吨标准煤/吨液体燃吨液体燃料）料） 乙醇合成乙醇合成：煤为源头合成路线长，经济上不合理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：二甲醚合成：中压反应，产品为柴油代用品，与中压反应，产品为柴油代用品，与柴油相比，发动机效率高柴油相比，发动机效率高1015，噪音低，噪音低10分分贝，排气清洁程度符合欧

21、洲贝，排气清洁程度符合欧洲3标准，能耗物耗低标准，能耗物耗低（折合（折合2.6吨标准吨标准煤煤/吨液体燃料）吨液体燃料） 甲醇合成：甲醇合成：中压反应，可与汽油混用或独用，发中压反应，可与汽油混用或独用，发动机出力较低，能量密度低，有毒性，能耗物耗低动机出力较低，能量密度低，有毒性，能耗物耗低（折合（折合2.5吨标准煤吨标准煤/吨液体燃料吨液体燃料）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 减少能耗减少能耗35（与传统电石法（与传统电石法相比）相比） 减少了严重的减少了严重的废渣，废气，废废渣，废气，废水排放水排放II、减量化原则减量化原则 物流循环减

22、量化物流循环减量化低物质化方法：替代如四乙基铅，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)氯化氯化烃氟化氟化烃制冷剂烯烃

23、氟(F)氧气部分氧化冰箱氯化氢（HCl）氯(Cl)水v 以以 为例为例III、循环再利用原则CuCl2(s) + O2 (g) CuO(s) + Cl2 (g)CuO(s) +HCl (g) Cu(OH)Cl (s)Cu(OH)Cl (s) CuO (s) + CuCl2 (s) + H2O360 CCuCl2200 CCuOO2Cl2HClHeatingCooling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H2l低温介质发电l热水l太阳能电池光电转换l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）v纸张、轮胎、废

24、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v铁、铜、铝的再回炼v从产品设计开始考虑再资源化，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-process T=250,重油产率为4555% P=310MPa，重油热值2530MJ/kg（3）

25、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：燃烧时烟尘下降80，SOx 下降100，CO下降50IV.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煤 石油燃烧二氧化碳光合作用淀粉 油 纤维素为开车 发电提供能量太阳光发酵等酒精 生物质油V. 综合共生原则 物质生产中的产品共生磷矿石磷矿石焦炭焦炭电炉炼磷电炉炼磷COCO+H2二甲醚二甲醚H2O石英石石英石SiO2矿渣矿渣微晶玻璃砖微晶玻璃砖CO2乙烯乙烯水

26、泥添加水泥添加黄磷V. 综合共生原则 综合效益优先（钾肥生产）传统工艺传统工艺复分解工艺复分解工艺食品级食品级复分解反应器Na2SO4KClK2SO4NaCl蒸发结晶器V. 综合共生原则 纯碱有机硅尿素耦合工艺H2ONaCl氨盐水吸收碳化Na2CO3NH3NH4Cl(副产物）SiClSiClCH3CH3有机硅生产CH3Cl分解炉CH3OHNH3合成尿素CO2后处理CaCl2(废物)NH3Ca(OH)2VI. 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

27、/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 Asnaesvae

28、rketAsnaesvaerket电热厂烧掉电热厂烧掉450450万吨煤万吨煤/ /年年 4040转化为电能，其余大部分转化为蒸汽转化为电能，其余大部分转化为蒸汽 蒸汽消耗蒸汽消耗 StatiolStatiol炼油厂消耗炼油厂消耗1414万吨万吨/ /年（占年（占0.30.3） 住宅取暖消耗住宅取暖消耗22.522.5万吨万吨/ /年（占年（占0.50.5） Novo Novo NordiskNordisk生物公司消耗生物公司消耗21.521.5万吨万吨/ /年年 （占（占 0.50.5） GyprocGyproc石膏材料公司用天然石膏与电热厂副产石膏，石膏材料公司用天然石膏与电热厂副产石膏，

29、 成分不一致成分不一致生态工业园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 生态工业园区建设磷肥厂的矿石浸出磷矿石磷 肥硫酸磷石膏分解技术含高硫粉煤硫酸厂硫酸厂水泥厂水泥SO2磷石膏生成石膏板厂CaOVI. 集成优化原则 冶金、造纸链接技术v球团法在矿冶中的重要作用v冶金球团粘结剂v纸浆褐液用于

30、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。项目改性前改性后固含量，%46-5046-50密度，g/ml1.235-1.2381.243-1.249粘度，PaS15170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v循环经济是解决我国发展与资源、能源、环境矛盾的关键。v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。v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