用战略眼光  正视现实  展望未来　
化学工业大挑战中有大机遇
朱曾惠
　　21世纪，中国不可避免地遭遇到环境与发展的巨大挑战：人口总量、就业人口总量、老龄人口总量等高峰相
继来临，自然资源超常规利用，生态环境日益恶化，工业化城市及现代化急速推进，区域不平衡加剧，都将成为
发展的制约瓶颈。国际上许多知名的学术研究团体，已经将目光瞄准中国的食品安全、环境政策、经济运行、金
融风险、消除贫困、社会稳定等一系列重大问题，尤其对中国的整体发展战略，提出了一些有价值的见解或专项
研究报告。而我们自己该如何系统、准确、深入地把握人口、资源、环境和发展的整体关系及其内在规律，并由
此提出有价值的见解和方略，已经成为全社会关注的热点。
　　我们研究化学工业的发展、制定规划、谋划战略也不能脱离规律性的宏观环境，同时还要考虑当前时代的特
点（可持续发展、全球化、科学技术进步）和共同的游戏规则，与时俱进地适应世界化学工业发展趋势，从而走
出真正具有中国特色的化学工业发展道路。最近看到P.S.Ghosh教授在美国化学工程师学会领导层论坛(AIChE
Leadership Forum Oct.2006)上的报告提纲，题目是“我们面前的巨大可能性：化学工程如何推动21世纪发展”
（How Chemical Engineering Drive the 21st Century: The Mega Possibilities Ahead）。中心思想是要用宏
观战略眼光，从大环境中看到面临的挑战，从而发现化学工业发展的机遇，从社会、经济、生态环境发展中找出
化学工业的发展方向，Ghosh教授将之称为“大的可能性”（Mega Possibilities），它将推动21世纪的发展。看
后颇受启发，现简介于下，以期对我国化学工业的发展有所借鉴。
　　一、面临的挑战和机遇
　　报告提出“应当建立如何让地球处于‘健康状态’的观念，应当对地球现状有一个具体的了解”。当前世界
面临生态变化、有限的资源、CO2排放量大、气候温度升高、海平面升高、人口剧增、森林破坏以及社会公平等
问题，大国政府政策和数字化发展变化等，都将在未来发展中引发冲突。
　　●人口剧增   1350年3亿→1700年6亿→1900年16亿→1950年24亿→1985年50亿→2020年80亿
　　●CO2排放增加   1980年180亿t→2010年320亿t→2020年350亿t→2025年380亿t→2050年650亿t
　　●全球气候变暖   气候变暖造成严重后果：海平面升高，臭氧层遭破坏，极端气候事件发生强度和频率提
高，对农业产生负面影响，疾病蔓延等。
　　●森林面积减少   全球森林面积每年损失1620万公顷，由于森林砍伐造成负面影响是多方面的：①水灾增
加，水生生物破坏，水流改变，水流中氧含量降低；②土壤被破坏严重；③CO2吸收减少，焚烧树木增加CO2，
光合作用减少，火灾增加；④植物减少，物种减少，传染病增加，花粉传递减少，种子退化，人类差异丧失。
　　●能源需求增加   世界上多数国家仍处在经济发展的初期阶段，日本、美国、加拿大等发达国家人均GDP
在24000～38000美元（2004年），人均能耗6万～12万kW·h，而占世界人口80%的发展中国家人均GDP在5000
美元以下，能耗约在6万kW·h以下。现在亚洲经济发展迅猛，能源需求日益增大，未来亚洲天然气需求预测见
表1。

表1  未来亚洲国家天然气需求预测      亿m3
年份        2001    2010    2015    2020    2025
印度         220     650     900    1140    1430
中国         280     540     740    1020    1420
日本         790     910     990    1080    1190
韩国         200     280       370     430     510
其它亚洲国家    1390    1530    1730    1980    2300
合计        2880    3910    4730    5650    6850

　　以上种种是人类正面临的严峻挑战，为了应对挑战，化学工业及科学技术要重新探寻自己的发展道路。
　　二、过程工业将逐步显示优势  成为推动发展的动力
　　过去，世界一直处于一种“攫取和单向价值创造的时代”(Era of Extraction and Mono dimensional Value
Creation)，对地球资源无限制地开采加工，并供应和满足燃料的单向需求。长此以往，造成了严重后果：经济
高度增长，生态平衡被破坏，在供应链方面复杂的政治关系等。面对这些巨大的挑战，如何设计新时代的发展模
式，掌握和控制面临的巨大变革，避免巨大的混乱和破坏，这正是化学工业从业者应当认真考虑和勇于承担的历
史重任。
    1．通过全面整体的途径，化问题为机遇
　　首先要看到地球正面临的三大挑战，亦即三方面的问题：生态问题（发展可持续经济）、能源问题（可再生
和清洁能源）和世界公平问题（全民的能源、食物和健康）。面对这些挑战，化学工业应当从两个战略方向来考
虑：一是生态的平衡，由消费驱动向节约驱动；二是经济发展进步的平衡，需从单一问题解决走向全面整体的集
成式解决方式。
　　根据这两个向量构成的发展空间来规划设想化学工业的未来，即在当前基础上降低产品消耗，提高功能，循
环利用，由工艺过程强化向新型化学工业发展，形成无碳能源系统，进行能源和运输系统化管理，开发以农业为
基础的化学工业。在生态平衡方面创建新的能源/材料体系，在经济发展方面提高能源利用效率，即在新一代知
识密集方案上投资形成“小型是精美的”(Small is beautiful)观念。
    2．化学工业将向多方向多层次发展
　　知识财产从早期产业革命中逐步形成非凡的知识基础：热力学、动力学、形态变化（表面积）和传输现象等，
对化学工业发展起了关键作用。化学工业的基础知识、常用的单元操作（分离过程、反应器、热量和质量传输系
统）与新方法（基因学、蛋白质科学、微型流体学、纳米技术）、新型收敛性技术、大型数据库、预测模型等相
结合，形成了巨大的发展空间。
    3．化学工业必须应用“多规模”（Multiple Scales）理念
　　一方面由微观向整体全面巨大规模发展，一方面由微观问题向超微(Micro Nano)规模发展，由此构成了化学
应用的三种规模：①巨大规模（Tera Scale），大型规模系统动力学问题，包括全球生态平衡、能源平衡和社会
结构；②现行规模(Current scale)，包括原材料问题、效率、节约和回收循环；③超微规模（Micro Nano scale），
包括细胞/纳米水平功能问题。化学工业的多规模现象使其社会化过程涉及多种专业，例如纳米技术、信息技术、
光学技术和生物技术等，都将对化学工业的上下游产生影响。
    4．化学工业将面临以农业细胞为基础的经济革命
　　信息革命将通过新农业为基础的革命进步为新的社会经济结构，经过多种专业协调，将基因学/生物科学、
生物催化剂和收敛性技术融合产生农业细胞为基础的产业。表2为一个未来农业联合体的设想。

表2  未来的农业联合体
资源                           工业部门                     关键问题
谷物、水果、茶叶、       食品和饮料              提高作物收率；质量与持续性，分销系统，
蔬菜、水生产品                                    下游值和品种
棉花、丝、黄麻             纤维、织物和时装      成本效益，质量持久性，时尚，开发新应用
生物质、风力农业、       能源                      知识共享，低价设备开发，促进开发工作
  种子油、淀粉        
                             专用化学品工业
竹类、药用植物、藻类、   药品、香精、香料、个人      预警提出，人才专业变 更，优惠倾斜条件，
  植物油、花`               保健                        由下而上的开发资金
                          化学工业
蔬菜，花，藻类             染料及颜料    
天然橡胶、淀粉、木质素     聚合物及环氧胶    

醇类、淀粉             溶剂、化学品    
黄麻杆、碎木片、可再生     家俱及建筑业             知识共享，应用开发农村应用机械开发
  木材        
甘蔗、竹茎、麻、废纸浆     纸和纸板、包装              知识共享与应用，低成本机械开发，向合作倾斜
菜籽、蓖麻籽、漆树     油料、润滑油              促进新应用为基础的农业、投资利用，创建下
                                            游支柱产业

　  5．利用生物技术快速培育树种，快速健康地恢复森林
　　用生物技术培育树种过程可以分为四个步骤：①选树种，在野生树木中选择具有所需性能的品种（如有病虫
害抗性，生长快，形状好等）；②试验，对所选种树进行研究，找到具有所需性能的基因；③培育，培育试验后
选出最佳种树作出培育计划，目的是提高所需性能并能在其后代中呈现；④生产，从野生种树上剪枝并接枝，让
其杂交成活。
    6．生物燃料技术将开拓新天地
　　从图1可以看出生物燃料技术的开发和改进将开拓新的市场。
    目前纤维素制乙醇已经问世，有发酵法、酸水解法、热气化法、酶还原法等生产技术。由此可见，不同的技
术将驱动生物质能源发展，而生物质能源开发需要广泛的化工技术的支持。
    7．用宏观规模的工程系统思维来考虑能源问题
　　以电力为例，诸如生物能源、风力发电、光伏电池系列、燃料电池、互换式引擎、微型透平等每部分都有许
多问题有待解决，而且问题间互相关联，所以必须用系统的方法统一考虑。
　　太阳能具有用环境友好途径解决人类不断增长的能源需求的潜能，但是存在效率低和许多错综复杂的材料加
工技术问题，例如光伏电池效率仅为25%，需要用新的电解质和催化剂来提高效率。多晶硅技术也是较复杂的，
平板硅晶片较好，但尚须大的改进。
　　风能利用的关键在于用透平机发电成本高，需要大力降低生产成本。风机叶片的空气动力学特性有待改进，
需要用流体动力学和润滑的知识来提高效能。
　　核能现在多用压力水反应器，整个过程需要化学工程知识，特别是使用后的泛燃料（Spent fuel）的回收利
用需要化学工程的参与。
　　燃料电池早在19世纪已问世，但要实现工业化尚有许多问题待突破。影响燃料电池特性功能的关键在于电
解质和催化剂，这需要用到流体力学知识以及提高催化剂和电解质系统性能的材料科学。当前将甲醇转化为H2
的效率低，致使总体效率仅为24%～30%，需要从系统设计和催化剂上取得突破。其它方面如通过工艺过程强化来
降低电池重量和尺寸，这些问题都有待化学工程师们来解决。
　　地热首先要考虑健康和安全地抽取利用。根据地热源，用注水井进行注水、压裂，产生蒸汽排出驱动透并，
水冷却后再回注。但蒸汽产出时可能带有危害气体和物质，所以需要设计专门的蒸汽净化系统。
    8．纳米制造是探求创新的机遇
　　深入了解分子的行为要精确地掌握量子化学的知识，而要将创造的新分子转化为产品则需要掌握工艺过程的
放大技术，才能开发出低成本的制造方法。许多宏观系统方案都要建立在微型技术发展的基础上，例如形状记忆
合金材料是一种在一定温度下可发生形变的功能材料，具有广阔的应用远景，要掌握并应用它们首先要了解其基
本机制，例如NitiNol、CuZnAl等，它们具有两相，一是高温相，无弹性，为单纯FCC结构；另一相是低温相，
为软性，富弹性，结构复杂，可以在不同的温度下进行形状转变。又如光纤已得到了广泛应用，当前需要提高其
系统的功能性和可生物降解性，从而提高数据质量。再以美国各种能源发电的建设来看，要开发投资合理、成本
低廉的发电方法，需要依靠许多微观的、单独的技术的开发成功。
　　三、21世纪化学工程师的任务
　　21世纪的化学工程师首先要认清所处的发展环境，要用供-需动力学理念（supply-demand Dynamics）来看
待发展的需要和条件。需求方面包括清洁能源、用户满意的方法（6-sigma power）、生态平衡、生活和工作质量
提高、全球性公平等问题。在供应方面（亦即条件可能方面）包括新材料、精确控制、纳米技术、生命科学、小
型化/工艺过程强化、收敛/扩大型基础设施等。所以，新时期的化学工程师是具有多种专业的工程师，需要掌握
热力学、动力学、传输现象科学、生物学/基因学、计算机科学、材料科学和经营管理及经济学知识才能面对需
求，解决应用中的各类问题，要具有设计工程、工厂装置操作、工艺过程优化能力，同时还需要在生活系统、能
源工程、材料研究、环境工程、生物技术、安全工程、纳米工程间进行工程平衡的能力。只有如此，化学工程师
才能成为新时代众多战略性问题的解决者。
　　四、未来设想
　　综上所述，面向未来的前沿科学技术领域包括：①替代性能源：生态友好、可持续和安全的能源；②纳米制
造：用从下而上的途径开发纳米及制造机制生产无废料的高质量产品；③新材料：提高材料利用效率，如开发形
状记忆合金、新型纤维等。
　　在工厂装置设计和工程中要超越现有的框架，纳入新的内容，其前沿领域包括：①生物催化，微生物和酶用
于催化反应，可在通常条件下进行，无危害物释放；②基因法造林，应用基因学和生物技术原理培育和种植树木，
生产健康和快速生长的树种；③废料循环，回收循环利用生产中产生的废料。
　　要将过去数千年的线性机械经济转变为未来的闭路循环和谐的经济，化学工程教育和产业要重新提倡“科学
探究精神”，从可再生性(Renewability)和节约强度（conservation）两方面来重新构筑现在的工艺过程，使之
能面向新的集成式的设想，达到智慧、全面的物质和能量最佳平衡，将面临的挑战转化为发展的机遇及重大课题
的突破口。

　　启示
　　本报告读后，得到如下几点启示：①要用战略的眼光，宏观的视野观察世界，才能正确地认识现实、展望未
来、把握时机，准确地掌握突破口。②化学工业的发展要放在全球发展环境之中，中国化学工业的发展要符合适
应全球化的发展形势和方向，了解全球化经营中的各种游戏规则，在此基础上探索和形成中国式发展道路。形形
色色的只看树木不见森林，急功近利的思路和做法将会付出沉重的代价。③与时俱进才能正确贯彻科学发展观。
知识、经验和具体方式方面的缺陷常常限制我们对新事物的认识，应当加强学习，解放思想，正确对待继承和发
展，提高预见性和前瞻性，避免失误。