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    强化“过程技术”:化工节能减排重拳出击

          化学工业是典型的高能耗、高污染、高物耗行业。资料显示:我国化工企业的能源消费量约占全国总能源量的16.4%,占全国工业能源消费总量的近25%,废水排放量占全国工业废水排放总量的16%。与日本等发达国家相比,我国的化工产品能耗存在显著差距。例如,在乙烯方面存在的差距达到70%。

      近日,北京化工大学教授、博士生导师张明国在接受记者采访时表示,我国化工领域的专家和技术人员通过自主或与国外学者进行合作等方式,研究开发出了多种不同类型的化工高新技术,为有效地提高我国化工企业的节能减排效率打出了一系列“重拳”。其中,化工反应过程强化技术就是系列“重拳”中的一个。

    掀开“重拳”的“盖头”

      记者了解到,化工反应过程强化技术是在实现既定生产目标前提下,大幅度减小生产设备尺寸、简化工艺流程、减少装置数目,使工厂布局更加紧凑合理,单位能耗、废料、副产品显著减少的一种新技术。

      这种新技术包括单元操作设备的强化、生产过程的强化和信息技术提高过程强化的综合效益等内容。该技术是解决我国化学工业存在的高物耗、高能耗和严重污染问题,实现化工发展模式转变的最重要手段之一,也是实现节能减排的重要技术途径。

      北京化工大学教授、博士生导师邵磊在接受记者采访时表示,在化工过程中,化学反应过程占有很大比重,它在很大程度上决定了化工过程的能源与资源消耗和污染排放的水平,因此,化工反应过程强化技术又是化工过程强化技术中的核心技术。

      他说,化工反应过程强化技术是指化学反应过程中运用新材料、新技术和新设备,减小设备体积,或增加设备生产能力的一种高效、节能、清洁的新技术。它具体包括两项技术:一种是过程强化设备技术,它属于硬件技术,主要通过研究开发各种新型反应器和单元操作设备,使生产设备小型化。另一种是过程强化方法,它属于软件技术,主要是指化工过程集成化方法,包括化学反应和分离的耦合、换热等过程集成化方法。

      “化工反应过程强化技术具体包括三种技术途径,流体流动结构强化、外场强化和过程集约化。上述三大类技术又包括了20多种化工反应过程强化技术。其中,结构催化技术、超重力强化技术、微波强化技术和反应过程耦合强化技术,具有明显的平台技术特征和很好的工业应用前景而备受化学和化工界的重视。”邵磊说。

    打造“重拳”的历程

      据了解,在研究与开发化工反应强化技术方面,发达国家比我国起步早,其历史最早可追溯到20世纪70年代末。当时,英国化学工业公司(ICI)开发出的超重力(HiGee)分离技术,采用高速旋转设备代替大型分离装置,实现了分离装置的小型化。同期,美国Eastman公司首次将反应与精馏过程耦合到一个塔式结构反应器中,简化了生产流程。壳牌公司发明的静态混合器将流体混合与传递通过管道进行耦合,用于反应过程,这些都取得了很好的强化效果。

      张明国告诉记者:“让人们重视‘过程强化’的是联碳公司在印度发生的甲基异氰酸酯泄漏事故,它使人们进一步认识到要大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目、降低生产成本、降低能耗和减少废料的生成,提高生产效率、降低生产成本、提高安全性和减少环境污染。”

    当记者问及国际化工反应过程强化技术研究与开发的动态时,张明国说,自从1995年正式提出“过程强化”的概念以后,美、英等国连续通过召开国家学术会议和开展合作研究等方式,展开对化工过程强化技术的研究与开发,并取得了很多成果。至今,国际化工过程强化的目标从追求缩小设备体积转变为高效与环保并重,从注重分离强化转变为重视反应过程强化以及反应与分离的耦合强化。化工反应过程强化的对象集中到“受传热、传质和混合限制的反应过程”和“受反应动力学、反应化学平衡限制的反应过程”两大类过程体系。

      “我国研究与开发化工反应过程强化技术起步虽然比较晚,但发展的速度却很快,在结构催化技术、超重力强化技术、微波强化技术和反应过程耦合强化技术等领域都实现了突破。”张明国介绍。

      他向记者举例:“中国科学院金属研究所发明了‘高分子热解结合可控熔渗反应烧结技术’,制备出了系列高性能碳化硅泡沫材料,从根本上解决了泡沫陶瓷材料存在的通透率与强度的矛盾、性能与成本的矛盾等问题,为加速结构催化剂技术等化工过程强化技术的发展奠定了材料基础。他们研究与开发出的结构催化剂突破天然气绝热转化制合成气和氧化偶联制乙烯的工程化瓶颈,为天然气优化利用做出了重大贡献。”

      据记者了解,清华大学、辽宁石油大学、中国科学院金属研究所等单位在微波有机合成工艺、高效催化剂制备方面取得了很多研究结果。齐鲁石化、华东理工大学、华南理工大学和南京工业大学等在反应过程耦合强化技术的个别领域也取得了研究成果。

      北京化工大学教育部超重力工程研究中心研制出了国际上第一台300吨/小时超重力水脱氧商业化样机,率先原创性地提出了超重力反应沉淀法合成纳米粉体的新方法并实现了万吨级工业化生产,技术和产品出口欧、美、日、新加坡等国。这些技术均处于世界领先水平,因此也确立了我国在国际超重力技术领域的核心地位。

      北京化工大学邹海魁博士告诉记者,化工反应过程强化技术项目被列入“十一五”国家“863”计划后,针对国际化工领域普遍关注的诸如“受传热、传质和混合限制”及“受动力学和反应化学平衡限制”等两大类急需强化的反应过程,选择结构催化剂强化、超重力强化、微波强化、反应过程耦合强化等关键共性技术以及对技术发展具有支撑作用的碳化硅泡沫材料。

      “在科技部、中国科学院和国家教育部的领导下,采用产学研一体化组织运作机制、学科交叉与融合、新材料、新技术、新过程的交叉集成等,联合国内20多个单位共同围绕泡沫碳化硅基结构催化剂技术、超重力反应强化工程化技术、大型超重力过程强化与系统集成技术和反应过程耦合强化技术等问题展开研究与开发并取得了重大成果,尤其在节能减排方面实现了单元过程平均节能达20%以上,部分过程原料消耗下降20%,污染物排放降低25%的显著效益。”邹海魁说。

    出击“重拳”的效益

      记者从相关部门了解到,传统化工企业生产的设备大都“巨型化”,这不仅在设备安装上占有大量土地,造成土地的浪费。这种“巨大化”的设备而带来材料的浪费,也提高了生产成本。设备“巨大化”使化工原料在其中存留的时间长,反应时间增加,从而进一步降低其化学反应速度,增加了能量消耗,同时还会出现副反应、产生副产物,增加反应废物,从而加大了废物排放和环境污染。

      邹海魁向记者表示,化工反应过程强化技术是使设备体积微型化,节省设备及土地资源。充分利用能量、提高生产效率,降低能耗。加大反应迅速,减少副反应,减少副产物的生成,减少污染环境的废物排放。也就是说,化工反应过程强化技术将从源头上实现化学工业的能源与资源的高效利用和清洁生产,达到节能、降耗、环保、安全生产的目的。

      张明国在谈到化工反应过程强化技术的效益时说,在国外,化工反应过程强化技术被广泛应用于蒸馏、精馏、除尘、除雾、烟气中二氧化硫、有害气体、吸收二氧化碳、脱碳、脱硫、受污染的地下水中所吹出芳烃化学热,旋转电化学反应器及燃料电池,以此达到快速去除气泡和降低超电压的目的,聚合物脱除挥发物,强化生物氧化反应过程等。

    “而在国内,化工反应过程强化技术被广泛应用于制备纳米材料、强化除尘过程和强化生化反应过程、油田注水脱氧等领域。”张明国说。

      张明国介绍,用高性能低成本泡沫碳化硅材料技术不仅能够控制汽车尾气排放、工业大气污染、高效环保燃烧技术、高效耐用换热器技术以及发展新型复合材料提供支撑,而且能够突破天然气部分氧化制合成气和部分氧化偶联制乙烯等工程化的瓶颈,为天然气资源的优化利用提供技术保障,有助于改变化学工业过度依赖石油资源的局面,开辟一条重要的非石油原料的化学工业路线。

      他说,应用超重力反应器技术,能够显著降低MDI生产反应过程的能耗,采用超重力磺化法生产三次采油用石油磺酸盐,能够解决原液-液磺化工艺能耗高、环境污染严重的问题。此外,应用超重力反应器技术还能生产生物柴油,实施水脱氧,处理废水,治理SO2等废物。

      “应用反应过程耦合强化技术、微波强化技术等生产碳酸酯、醋酸酯、羧酸酯、MDI(二苯甲烷二异氰酸酯)、丁基橡胶、碳酸二甲酯等,不仅提高装置生产能力,降低能耗、物耗、废物排放,而且显著简化生产工艺流程,降低设备投资,实现生产过程的绿色化、低能耗、高效化。”张明国说。

    “重拳”出击任重道远

      化工反应过程强化技术的研发与应用能够有效地促进我国节能减排的实施与实现。目前,这项高新技术虽然部分地实施与实现了产业化,取得了良好的效果,但跟发达国家相比,尤其距离《国家中长期发展规划》和《国家十一五规划》对化工企业的要求,还存在一定的差距。

      “之所以存在差距,主要是化工反应过程强化技术是一项高新技术,具有高风险、高效益等特点,要得到企业的长期支持与协助。但是,受市场影响的企业在利益的驱动下,仅对明确的、短期的商业目标感兴趣,而不愿投资开发高风险的远期项目,因此,他们难以给予持续关注和支持,致使其研究与开发的可持续受到影响。”张明国说。

      张明国还说:“许多化工公司的研究和开发工作主要集中在开发新产品,而对开发新型设备和过程等化学工程问题不太感兴趣,一些设备制造商和工程公司通常只选用已得到工业应用的成熟的设备或技术,而不愿冒风险进行开创性的实验。目前许多大学的化工系面临研究经费短缺和编制被压缩的困境,教授们只能选择一些小型的、低风险的研究项目。”

      显然,面向节能减排,要持续有效地出击化工反应过程强化技术这个“重拳”,虽然前景广阔,但仍有很长的艰难之路要走。

      为此,张明国建议,首