编者按：当前，我国各行各业的“十二五”规划的编制工作正在紧张进行。据业内人士分析，石油和化工产
业的“十二五”规划将重点关注结构调整、节能减排（低碳经济）、科技创新等各个层面。在编制重大规划和中
长期发展战略时，可持续发展战略原则应成为前提。中国化工信息中心朱曾惠教授长期研究国外石油和化工产业
的发展和规划，他认为，行业规划不但要关注当前产业发展的矛盾和问题、着眼于未来产业的发展趋势，更重要
的是需要潜心研究和借鉴世界范围内化学工业的发展重点和未来的科技增长点。朱曾惠教授摘编了近期外国文献
介绍化学工业产品和工艺可持续发展的报告，该报告是根据国外158篇文献综述编写，具有很高的启迪参考价值。

化学工业“十二五”规划编制的技术前瞻（上）
新产品、新工艺开发要遵循可持续发展原则
中国化工信息中心教授级高工  朱曾惠
    可持续发展（Sustainable Development）已是世人共识，我国也已正式宣布将可持续发展战略的实施作为
国策。当前正是研究制定“十二五”长远规划之时，必须使发展途径、方向和目标、发展内容和战略都能符合可
持续发展的原则和要求，体现全球可持续发展战略方向。近年来，由于“绿色化学和工程”的应用，使可持续化
学工业成为现实，出现了一系列的新化学、新工艺设计和新设备，构成了可持续化学的工业应用，对实现化学工
业可持续发展提供了基础，在长远规划中应当予以考虑。
　　一、化学工业创新支撑可持续发展
　  经济合作发展组织（OECD）界定的工业可持续性（Industrial Sustainability）定义是不断的创新改进和
利用清洁技术，降低污染和资源消耗。在实践中通过技术和技术诀窍（Know-how）少用原料和能源，尽可能扩大
利用可再生资源，在产品制造和应用的过程中尽量少产生污染和有毒害的废料，生产的产品可以回收利用或能生
物降解。化学及其加工工业可以通过许多分支行业和价值链上相关的产业达到可持续发展目标，如向建筑业、运
输业和保健等提供产品和服务，促进其沿着可持续发展道路发展；化学工业还可为消费市场直接提供材料和产品，
保证这些材料和产品的生产、使用和回收再利用的制造过程都是清洁、安全，同时也是经济的。因此全球化学工
业发展较快，规模逐渐增大。据统计，全球化工产值约为13000亿欧元（不包括制药业），如将制药业计入则可
达18410亿欧元，约占世界总收入的4%~5%，世界贸易额的9%，而全球性温室气体排放仅占CO2排放总量的4%。
　　化学工业拥有非常强大的创新记录：在产品开发上可以满足客户需求；在制造工艺开发上可以保护环境和人
体健康；可提供许多解决环境问题的方法途径；许多化工企业实施广泛的自我约束、自我监测系统，保证可持续
发展战略的实施。
　　二、化学工业可持续发展的基础框架
　　提高工业可持续性的目标不仅是在分子和产品的层面上，也体现在工艺过程和系统的层面上，因此“绿色工
程”的重点是如何通过技术实现这些目标。最近欧盟委员会系统地研究这些问题，并提出相应的倡议，认为以下
技术挑战可以作为工业创新的重点课题：
　　●可再生资源
　　●有利于生态的产品
　　●能源效率和可持续应用的能源
　　●废料减少
    ●废料再次利用
　　●降低温室气体等排放
　　●安全的工艺过程
　　以上七个方面将构成实施工业可持续化学的基础框架。
　　1. 可再生资源
    自然界每年通过光合作用生产巨大数量的生物质，约2000亿t，但当前被人们作食品和非食品利用的仅3%～
4%。生物质的利用在实施可持续发展和面对全球气候变暖两大方面都具有重要的作用。主要表现在两个方面：生
物质直接或简接地用作能源；生物质作为化学品、材料和产品的基础原料。
　　对化学工业来讲，应当重视可再生资源的三个主要方面：（1）用可再生原料替代化石燃料原料；（2）开发新
型生物产品；（3）用生物工艺过程替代传统的化学工艺。
　　在降低温室气体排放方面，用生物质替代化石燃料，减少CO2排放是重要的技术。例如用液体生物燃料实现
可持续运输，由植物油生产的生物柴油，生物乙醇及其衍生物EMTB。其他如生物甲醇及其衍生物MTBE可以从木
质素纤维素原料生产。生物柴油是C16~18脂肪酸甲酯，欧洲每年生产约150万t。生物乙醇可以用饮料、食品和
林业的废料来生产；以农业废料以及城市垃圾和能源为原料生产的生物乙醇，与汽油相混作为汽车燃料
“Gaoohol”，在美国这种混合燃料已占汽车燃料的12%。
　　油脂化学品是从天然油脂衍生的，可以用作洗涤剂和日用品，塑料、橡胶和纺织品的添加剂，亦可用作油漆、
表面涂料、各种食物和医品工业。
　　生物聚合物自1997年以来，取得很大进展，聚乳酸PLA开发成功，成为第一个由可再生资源合成的新型聚
合物，已可建工业规模装置，并可循环回收利用，在大型生产装置生产成本低，乳酸合成品及其真空蒸馏的技术
进步是两大技术成就。
　　代谢工程方面：杜邦公司用单糖发酵以微生物生产了1,3-丙二醇（PDO），中试装置收率达到135g/L,产率为
4g/L.hr，PDO可用于生产高性能纤维PTT聚合物，2010年产量可达50万t。
　　生物聚合物Xanthane是一种由发酵制取的聚糖化合物（Polysaceharide），可以用作食品、调料、油漆和水
泥的增稠性剂。Biopol是ICI公司开发由小麦碳水化合物经发酵制取的天然基聚酯，最近在利用改性酶提高其产
率和产品性能。研究人员还通过改变植物和微生物基因生产聚羟基丁酸。道康宁与Genencor合作投资3500万美
元制造生物基有机硅，并称之为“硅生物技术”（Silicon Biotechnology），期望制取的生物有机硅材料能应用
于诊疗、生物传感器、控制有效药物有效成分释放以及个人保健产品等。
　　三菱人造丝公司将生物技术应用于制造丙酰胺，转化率已超过99.99%，选择性和收率高，产率达到每天2kg/L。
赢创德固赛生产饲料用氨基酸——L-苏氨酸，产能已达3万t/a，可通过基因工程改性细菌使生产稳定，生产率
提高并减少了发酵产品对环境条件的敏感性，其发酵培养液中产物转化可达90%。
　　生物技术应用改进了植物保护化学品，如广谱杀虫剂Glyphosate新工艺，用酶制剂进行glycolide酸氧化，
减少了反应步骤，降低了产品流失。工业生物技术对生产手性化合物十分有效。
　　2. 生态效率高（eco-efficient）产品：提高功能性/质量比（Functionality/mase rafio）
　　生命周期评价（LCA）是确定某一产品从始至终全过程（从原料到最终废弃以及回收再次利用）对环境的影
响的重要手段。欧美化工企业的许多产品都用各种LCA方法进行产品评价，向公众提供相关信息，并据此改善产
品和工艺过程。
　　米其林公司用高分散性二氧化硅（HPS）制造“绿色轮胎”，可以显著提高滚动摩擦性能，从而降低车辆能耗，
并改进了对道路的湿滑性。所用的HPS聚集成几个纳米大小，替代传统的炭黑。轮胎的最终性能改进取决于合成
第一步的控制，即对HPS的酸中和、洗涤和干燥，生产的HPS有不同的形状：粉末、微球、颗粒，以防止搬运处
理时形成灰分。
　　3. 能源效率
    通过改进工艺提高能源效率是人们共同的目标。精细控制反应参数取得高收率和选择性从而使下游分离工艺
简化，提高能源效率。当前有一些能效很高的分离技术，如膜的利用。在工艺设计中尽量减少干燥步骤可以大幅
度降低能耗。
　　Polimeri Europa开发了一种新型分子筛催化的乙基苯和异丙苯工艺，克服了常用烷基化工艺中长期存在的
缺点。将苯与乙烯或丙烯在固定床烷基化反应器上反应，再用苯去处理烷基化过度的产品使之成为乙基苯或异丙
基而回收。能耗要比三氯化铝、磷酸或气相分子筛工艺低，主要原因是下游蒸馏中杂质极少。由于催化剂无腐蚀
性因此装置建设成本低，催化剂丧失活性后可以再生，最终废弃可以焚烧，成为安全的可以废弃的惰性材料，该
厂已运转数年，安全运转。
　　巴斯夫开发了一种新颖的涂装概念。用于汽车可以大幅度减少用涂料20%，降低排放和能耗，整个工艺包括
三个连续的“在未干表面层上涂装”步骤，防腐蚀，并不含重金属水基涂层，用静电层积不含溶剂的粉末游浆，
只需最终一次干燥。
　　组合操作（combining operation）是减少能源应用的有效方法。在上世纪七十年代多功能工艺方面就出现
反应性蒸馏。伊士曼用一个塔型反应器将甲醇和醋酸进行酯化同时将醋酸甲酯蒸馏分离出来，所用催化剂是液相。
其他如异丁烯和甲醇进行醚化，用离子交换催化床同时连续内部精馏塔取得成功。最近以来，反应性分离取得进
展，曾将9种功能集中于一个设备之中，其它如将膜技术与反应工艺结合从而可移去阻碍反应的组分，如在酶酯
化中用蒸发除去水份，在发酵工艺中用纳米膜过滤产品等。在膜的应用领域内，出现了许多新概念，例如：非孔
弹性体膜（non-porous elastomer membrane）是一种选择性单向渗透通过膜，已在英国工业化。MARS（膜回收
芳香族产品系统）是一种新分离工艺过程，可以在点滴状来源的物料流中分出有毒有机化合物，可以每天处理数
千立升废水回收对甲酚。
　　4. 减少废料产量
    要达到零排放就要先从减少废料产生入手。住友化学和Enichem合作开发的两种催化技术用于7万t/a己内
酰胺装置上，用硫酸羟基胺替代传统工艺中有毒并有腐蚀性的反应物，使环己酮可在Ti-MFI型分子筛上用氨和
过氧化氢进行氨氧化，通过重排而得到己内酰胺，取代了烃硫酸催化剂。其联产的硫酸铵因具有一定的肥料性能
对环境和经济方面影响可以不计，而NOx和SOx排放量也比传统工艺有所减少。
　　金属氧化物制造中经常要用硝酸，随后又要用碱进行沉淀，Süd-Chemie开发新工艺用温和的含水羧酸在空气
存在下进行反应，可以减少95%工艺用水（每吨产品可减少废水75t）同时没有硝酸盐废料，除产生环境和经济
效益外，产品性能也有所改进。
　　在电子材料产业中，硅芯片加工厂每天常规排放废水1.5万t，还要用大量醇类作为干燥剂，现在用超临界
CO2替代湿法处理去除微量杂质，同时CO2也可循环使用。
　　5. 废料的再次利用
    由废弃副产物生产新材料可以化害为利，变废为宝。例如从橄榄油废料液中提取鲨鱼烯（Squalene）（而不
是从鲨鱼胆器中提取），可用于保健用品和化妆品。还可从地沟油中回收利用生产高级硬脂（Stearine），用于轮
胎工业。
　　高级碳纤维是由桶底沥青作原料将低值产品转化为高值材料。一种以蒽和咔唑基的芳香族染料是由煤焦油为
原料，用一种静态结晶方法可以不同溶剂，同时降低了耗能，提高传统工艺中萃取效率2倍。用稻壳麦杆纤维制
造硬纸板和多层纸板是可再生资源，并可替代木材，将农业废料转变为有用的原料。
　　6. 减少排放
    提高能源效率和应用可再生能源可以不断地降低工业的CO2排放。但是要注意的是40% VOC（挥发性有机化
合物）排放相当于15%全球向大气排放温室气体量，这些VOC都来自化学和相关工业所用的有机溶剂，其中有些
还是易燃或有毒的。要设法用水替代它们，或用超临界溶剂、离子性液体等，替代的原则虽已被公众确认，但工
业化的新工艺却不多。
　　N2O是不燃烧的化学温室气体，在硝酸制造和用硝酸作氧化剂的工艺中大量产生。如在己二酸制造中，每吨
产品产生300kg N2O，从上世纪90年代就不断有减少N2O排放的技术，如用催化剂分散N2O、将N2O沉积为氧化
物进行焚烧、部分氧化成NOx再回收，减排量从1990年的38%到2000年减少81%，这意味每年少排N2O约60万
t，相当17500万CO2。
　  7. 安全的工艺过程
    在风险评估和管理中，最好的途径是安全应用新技术。试用“良性设计”（Benign-by-design）是一种被动
的控制，它不需要人为的干涉。
　　·良性设计：自1984年印度博帕尔事件后，人们开始重视库存中减少危险性中间体存量，及时生产就近使
用。这就产生“内在安全”（inherent safty）的概念，也就是用最经济的方法在第一时间内除去危险品，它有
以下一些原则：
　　强化（Intensification）：减少危险性材料数量；
　　替代（Substitution）：利用较安全的材料；
　　衰减（Attenuation）：在较安全操作条件下运作（室温常压，液相）
　　效应限制（Effect limitation）：改变设计和操作为非严峻状态
　　简化（Simplification）：避免多产品和多种单元操作
　　差错容忍（Error tolerance）：过分强劲设备，有误差的工艺等。
　　工艺过程小型化是一项关键性的内在安全技术，可以减少潜在危险。近年来，危险品的替代取得很大进展，
如用碳酸二甲酯替代光气，用H2O2代替氯和水进行氧化，开发金属茂催化剂替代SBS橡胶生产中的镍和铝，用
H2O2代替氯进行纸张、纺织品漂白等。
　　·分散性制造：不在一个地方集中生产某种产品,再通过运输向不同的客户供货，进行分散制造要提高产品
的一致性，可以在不同的地方就地生产小批量的产品，让这些有毒可燃的材料避免储运危险和潜在的环境影响。
较好的方法是“按需就地生产”（on-site on demand），用连续模式立即用完，保持极小的库存。
　　·连续式工艺：有许多工业过程，特别是专用化学品行业是由实验室工作直接放大，由于急于投入市场，所
以多用一步式间歇工艺。这样可较快生产，比较可靠、但废料量大，常是产品的20~30倍，因此并非是技术上、
经济上和生态上的最佳化状态。当前的趋势是将间歇式生产转向连续化工艺，比较容易控制反应，产品质量和工
艺安全性都易于保证。在连续化的基础上做任何事可以尽量减少危险性材料的库存。例如某药厂每年制造12万
吨原药，其反应器小如一茶杯，可以固定在办公桌上，其价钱比反应釜便宜，该厂用VRT概念（可变停留时间）
设计反应器进行专用的中间体生产。
　　有些技术是间歇工艺和连续工艺的桥梁，如MLR单环式反应器用于气体传输限制式加氯反应，催化剂具有蜂
窝状平行通道，含有1%~5%贵金属附于通道内表面，将它安装于常用的反应釜外层与气体吸入器结合，从而将气-
液介质传播速率提高100倍。这种10M3反应器，底座仅0.3M2，很容易安装。此工艺不用催化剂游浆，因此免除
过滤和洗涤。
　　·新管理模式：为了安全使用含氯溶剂，用户可以继续用它作清洗。陶氏化学开发了一种新工艺，在清洗的
同时可以减少排放。所用的是一种闭环系统，有两个双层容器，用以安全清洗和回收溶剂，用后的溶剂再进行回
收。溶剂采用专门设计的稳定剂包装和专门维护方法，其有效期和效率可以大大提高。