节能减排要做细致而扎实的工作
——美国能源部发布的关于乙烯等5种化学品替代技术评价简析.
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
能源问题是可持续发展战略实施中的首要问题。美国能源部提出并实施“工业技术规划（The Industrial
Technologies Program,ITP）”，成立“能源效率和可再生能源办公室”（Offic of Energy Efficiency and
Renewable Energy，DOE/EERE），并建立EERE数据库，通过互联网公开能源部支持和组织的各种研究报告。美
国能源部对化学工业的能源问题（包括原料转换）极其重视，投入甚大，并进行了多项专项研究，部分研究成
果被EERE数据库收录。2007年12月曾介绍《US DOE 2006，chemical bandwidth 研究：能量分析》，近来又
发表一篇题为《最终报告：乙烯、氯碱、环氧乙烷、合成氨和对苯二甲酸替代性技术的评价》的报告，分别对
上述5种基础通用化学品的节能减排技术进行了评价，并提出相应建议。本文将对该报告的主要内容作一简介，
希望对相关行业内从事化工产品节能减排技术研究的同仁有所裨益。
美国能源部ITP计划的“Chemical Bandwidth”研究所选定的乙烯、氯碱、环氧乙烷、合成氨和对苯二甲
酸5种化工产品均属产量大、能耗高范畴。评价中所选定的技术，分别作为评价基础和改进的可能，报告中对
推荐的替代工艺、能量/有效能利用改进，以及每个替代工艺技术工业化的可能性等都作为评价结果加以论述。
对于每个选出的技术，工艺变革的概念均将较大幅度地降低总有效能的损失。选定替代性工艺的概念设计
开发完成后，再用Aspen模拟和有效能分析对此设计进行分析，估算项目建设投资费用和改进概念设计的能量
消耗，所得结果再用DOE/ITP的CPAT软件进行总结计算，从而可以估算出新技术的建设投资费用和运行成本，
并评价其进入市场的潜在的经济可行性。从CPTA软件计算结果也可以看出此概念设计的经济性，从而估算出
实施推荐技术将可能取得的总体节能效果。5种化学品替代技术节能及2020和2030年远景计划见表1。
表1 5种化学品替代技术节能及2020和2030年远景计划① Tbtu/a
替代技术 2020年 2030年
化学品 节能 推广数 年均节能 推广数 年均节能
乙烯 3.94 1 3.94 2 7.88
氯碱 1.22 2 2.44 4 4.97
环氧乙烷 0.64 1 0.64 8 5.13
合成氨 0.21 1 0.21 1 0.21
对苯二甲酸 1.39 5 6.96 14 19.5
合 计 — — 14.19 — 37.59
注：①能源和原料价格按2006年中期价格计算。
笨报告中评价的推荐节能技术并代表最先进的新技术，但是从评价中可以看出，替代技术可以提供较大的
节能空间，从而有助于化工产品ITP计划的顺利进行，推动化学工业以创新的方式来提高能源利用效率。
乙烯
乙烯技术评价是依据改变其裂解平衡，氢移出速率，使每次物料通过时都可获得较大的转化率。若使该技
术实现工业化，首先需要可靠的分离技术，如陶瓷或其他高温材料制成的膜，但该产品市值高昂，17亿磅/a
规模的乙烷制乙烯装置所需分离费用约6000万美元，但能量消耗大大降低。当然，6000万美元的分离费用对
于装置建设可能并不经济。
其他评论：
·采用低温反应，不需要乙烷脱氢激冷来替代裂解反应；
·采用氧化脱氢使乙烷转化为乙烯，丙烷转化为丙烯；
·在烯烃裂解炉的精馏段应用新的分离技术；
·应用其他原料，如甲醇或乙醇。
氯碱
氯碱产品生产工艺中，开发氯生产的替代路线是一项很艰巨的挑战。将传统的隔膜电解槽烧碱生产工艺转
变为离子膜电解法工艺，从而提高烧碱生产的能源效率，本单元将以此作为评价内容。美国至今尚有工厂采用
水银电解槽和隔膜电解槽生产烧碱。用离子膜电解法工艺生产烧碱可以显著地提高节能效果，所需投入可以很
快得到回收。从当前研究开发情况来看，通过改进电解槽来提高能源利用效率的前景不够明朗。
其他评论：从专利和技术文献中获悉，将HCl转化为氯可以替代传统的氯生产工艺，并已实现工业化。但
由于HCl自身也是一种耗氯产品，因此该工艺并没有实现真正意义上的“突破”。事实上，在一些反应中可以
采用氧和HCL来替代氯，如氧氯化反应。在化学反应中，氯的使用量很大，但在最终产品中很少含氯，甚至不
含氯，这就造成大量的氯消耗。未来的研究不仅要探索用盐水生产氯的低能耗工艺，不生成联产品，而且也要
要革新老工艺，使氯生成时及时发生反应，减少其存贮的危害性，最好采用非氯产品替代含氯产品。
对苯二甲酸
用对二甲苯氯化制造对苯二甲酸已有半个世纪，近年来该工艺不断得到提高和改进。本报告中所研究的替
代性工艺考虑了以下内容：（1）对二甲苯生产应当与对苯二甲酸生产统一考虑；（2）将来自炼厂的混合二甲苯
进行分离制对二甲苯工艺属高耗能范畴；（3）由间二甲苯生产相关的二甲酸可用类似工艺，主要的区别是它们
在水和醋酸中的溶解度与温度的关系不同，用此区别可进行产品分离。
本报告的研究是以混合二甲苯为原料，首先是分离邻二甲苯，再将间二甲苯和对二甲苯的混合物进行氧化，
分离后再进行部分结晶得到对苯二甲酸。
专利文献提出间二甲苯与对苯二甲酸的溶解度与温度的关系不同，因此，工艺的最后模型采用适当的循环
进行三步结晶（在经典的对苯二甲酸工艺中是两步结晶），邻二甲苯则可通过气相催化氧化生产邻苯二甲酸酐。
其他评论：取得成果的研究领域包括替代传统的高能耗对苯二甲酸结晶回收工艺，以及探索替代性的不需
应用卤化物和醋酸溶剂的氧化化学。当然，更好的途径是将混合二甲苯进行异构化生成对二甲苯。
合成氨
传统合成氨生产工艺中，氨的浓度受系统平衡的限制，减少循环气中氨量十分重要，以
最大限度地提高反应物每次通过时的转化率，传统工艺中是通过回流过程中应用冷凝/冷却两步回收来实现的，
这样不仅费用较高，而且氨不能完全转移。因此，本报告评价集中于将氨从循环气中完全转移，但是投资和通
用工程费用高，水的吸附亦是引起不经济的原因。使用变压吸附系统在理论上是可行的，但是热力学数据以及
氨的等温吸附剂选择等问题使得该技术难以量化补偿此替代工艺的成本。但是如果成本能降到一定程度，此系
统也将是经济可行的。当前变压吸附技术研究集中于吸附剂的物化性能的改善，特别是可以在很宽的压力摆动
下正常运行，以及高温脱吸。
其他评论：多年来，美国在改进合成氨生产设备和催化剂方面做了很多工作，但是进展不大，还没有成为
成熟的替代技术进行推广。当前，在化工生产中增加生物技术，要考虑自然界中氮的固定，要考虑将大气中的
氮通过生物催化技术合成氨。
环氧乙烷
由于反应气一次通过反应器的转化率较低，因此提高反应器出口气中环氧乙烷的浓度有助于提高工艺的经
济性，同时也能提高工艺的能源效率。应用微通道反应器设计，可以使反应器进气在有焰情况下进行，从而可
提高反应速率并获得较高的环氧乙烷产出浓度，而乙烯转化率低，环氧乙烷的选择性提高，从而降低环氧乙烷
回收和纯化的成本。过去有些工艺是在流化床反应器上进行的，容易造成催化剂流失，以及回流混合等负面效
果。这些问题都可以通过微通道反应器设计得到解决，但目前尚须解决反应系统设计和放大以及如何向每个微
型通道安全、均匀的送氧等问题。
其他评论：
·应用新的分离流程，降低能耗并处理低浓度的反应气；
·应用过氧化氢在液相环境中进行环氧化反应；
·探索生物催化途径（目前生物技术生产的产品浓度低，难以适用）。
在5种产品的分论中，分别以图表和流程示意图的方式将基础工艺和推荐的替代工艺的能量和有效能的损
失标明，同时列表将工艺中的每个工序，如乙烯工艺中的裂解、压缩、冷冻、脱甲烷、脱乙烷和产品纯化的能
量损失和有效能损失分别列出；氯碱则分盐水制备、电解和气体处理三部分列出；环氧乙烷则按原料预处理、
CO2回收、放热反应器、EO吸附、EO洗涤和EO纯化等工序分别列出；合成氨则按预处理、变换、气体升级、
氨合成、热量回收等工序分别列出；对苯二甲酸则按原料预处理、氧化、CTA结晶、加氢、PTA、产品纯化等工
序分别列出。
最后应用CPAT模拟计算并得出结论性意见。主要是计算出建设投资和公用工程节约的效果，对不同工艺
的能量和有效能损失进行比较从而提出建议。