循环经济专题讲座 4.ppt

循环经济与低碳经济 金涌清华大学化工系2009 1 专题讲座 提纲 新世纪我国经济面临课题与发展 循环经济 的必要性 紧迫性 循环经济 理念形成和发展沿革 循环经济 的生态学 经济学 工程学基础 循环经济 的工程内涵 生态工业工程技术开发原则及可行性分析 低碳经济 工程内涵以科技创新推动低碳经济政府 企业 公众的责任与义务 新世纪我国经济面临的课题 人口增长 城市化进程加快 劳动力资源丰富 最大的工程师培养机制 多种产品总产量居世界首位 人均产量仍偏低 消费需求旺盛 新产品 新技术升级空间大 中国经济高速持续发展 资源 能源人均保有量低于世界平均水平 技术水平制约相同生产过程的高物耗 高能耗 同时造成环境污染严重 生态状况恶化 社会发展的主要矛盾 规模空前的资源转化 我国资源与能源状况 矿业资源 总量居世界第五位人均产量居世界第53位2 3矿种短缺化石资源 原油储量占世界的2 43 天然气储量占世界的1 20 煤储量为世界人均的45 淡水资源 相当世界人均的1 4 居世界第110位 而消费量世界第一 占总消费量的15 我国重要矿产资源及在世界地位 固定投资率高 27 7 2003 25 8 2004 万元GDP能耗高 资源消耗率高 占世界 钢铁石28 铝矾土25 淡水15 水泥50 利润率低 DVD售价40美元 台 付专利费20美元 利润 5美元 MP3每台售价为75美元 付专利费45美元 利润 5美元 严重的环境污染 CO2排放33多亿吨 占世界总量的13 6 2002 NOX排放1700万余吨 2005 SO2排放2549 3万余吨 2005 生产约3 6万种化学品 数十种属荷尔蒙毒害 或致癌畸变毒物工业固 液废弃物10亿余吨 全球出口量占世界第一位的商品种类数量 韩国对外经济研究院报告 的粗放型发展规模成了阻碍经济持续高速发展的关键 对社会可持续发展的忧虑开始于20世纪中叶 50 60年代 西方实施凯恩斯政策 赤字财政刺激 引发了发展的可持续性思考 1962年R Carson发表 寂静的春天 1968年罗马俱乐部成立 人们开始深入思考世界未来的命运 第一次报告 增长的极限 1972 1 根据人口 经济 资源 粮食和环境污染5个基本要素变化趋势 建立世界系统动力学模型 按当前 1972 增长趋势发展下去 几代人内 人类扩展达到极限 这一体系将陷入无法控制的崩溃与瓦解 第一次报告 增长的极限 1972 2 按当时 1972 人口 生产增长速度下 21世纪前十年 矿产资源几近耗尽 污染无法消除 需制止世界系统无节制地增长倾向 唯一的办法是在1975年停止人口的增长 到1990年停止工业投资的增长 达到产业总体 零的增长 人口 资源 人均工业品产量 环境污染 第一次报告 增长的极限 1972 3 教育 艺术 音乐 基础科研 体育等不需大量资源 不产生严重污染的活动 可无限继续增长 从人类历史来看 曾产生许多发明 其结果导致人口激增 环境退化及更大的社会不平等 技术进步只会延迟崩溃 而不能避免由 增长癖 文化带来的崩溃 第一次报告 增长的极限 1972 4 唯一的出路是抑制增长 把人口 经济 资源消耗等因素的增长限定在一定水平上 这种观点对发展中国家是不公正的 也是不现实的 第一次报告 增长的极限 1972 5 增长的极限 被译成30多种文字 发行数百万册 有1000多所学院选为教材 并成为31届联大大会文件 人口 粮食 资本 资源 环境等5个因素都是指数增长 即逐年按固定百分数增长 由于1973年开始的世界第一次石油危机 使罗马俱乐部名声大噪 第二次报告 人类处于转折点 1974 1 基本论点 世界是由一个有文化 传统 经济发展差异 而又相互影响的地区组成 认为这一系统是均一的则是错误的 世界系统不会崩溃 而可能发生地区灾难或崩溃 由于不同原因会导致在不同时间发生 最早发生是在21世纪中叶 第二次报告 人类处于转折点 1974 2 要采取适当的全球行动 即通过 有机增长 来实现 改变原来 指数增长 模式 任何拖延的代价都是昂贵的 而且是致命的 无差异增长与 有机增长 指数增长 一个量按恒定百分比增长 橡树式增长 植物在初期为指数增长 在临界点以后 减为线性增长 如橡树150年后 每年还会长高3英寸 人类式增长 在青年期以前增长 以后停止增长 这种增长在任何一段时间都不是指数增长 后两者称之为 有机增长 第二次报告 人类处于转折点 1974 3 解决危机的方案 世界各部分不是单独存在的 而是互相依赖的 须各自完成其历史使命 一个地区 一个国家对人类的有机发展应作出自己的贡献 系统中任何部分的增长 都赖于其他部分的增长或不增长 任何部分不良的增长会危及整体和它自身 第二次报告 人类处于转折点 1974 4 新报告将 有机增长论 代替原报告 零增长 论 悲观论基调未变 目标使人难于接受 世界政府 式的协调机制可行性 及容易形成发达国家 控制 指挥 发展中国家 使其公正性被质疑 世界未来乐观派观点 没有极限的增长 资源总量难搞清 技术进步预测难搞清 已知储量 与 最终可采资源 之间 涉及技术进步 人口 经济 科技必然同步增长 1776年世界人口7 5亿 人均产值200美元 2176年世界人口150亿 人均产值3万美元 污染治理能力与国民生产均值成正比 人均收入达到2000 US 治理加速 700 US以下时 污染加速 未来学悲观派的 是 与 非 1 缺陷否认科学技术的作用 模型建立在数学理论基础上 基本经济关系不清 提出 零增长率理论 有机增长理论 等 但缺乏现实性和科学性 未来学悲观派的 是 与 非 2 贡献提示人们注意和解决现代世界的基本矛盾 对各种复杂生态经济关系提出定量分析要求 关于世界末日的预言 起到警世的作用 未来学乐观派的 是 与 非 1 缺陷盲目的科技万能论 忽视其两面性 把生态经济问题看成单纯的市场机制作用过程 掩盖当代人类面临问题 对长期效应的不确定性过于乐观 未来学乐观派的 是 与 非 2 贡献对科技发展趋势进行讨论 启发鼓舞人们 提出了 后工业社会 即信息社会 大过渡理论 即从工业社会 超工业社会 后工业社会 这些均可供借鉴 自然生态系统进化示意图 自然界是碳 硫 氮元素的循环多样性 没有废物靠太阳能及光合作用驱动运转 人类社会持续发展历程 人类进化成为自然界主宰采集与狩猎过度发展 出现首次人类生存危机与生态安全问题 畜牧和种植业发展 促进社会经济获得快速进步 生态问题缓解 工业社会使生产出现飞跃 终导致发展与生态安全问题再度激化 转向循环经济是人类社会可持续发展的必需 摒弃 人类中心主义 及其衍生出的 征服自然 人定胜天 思想 承认资源枯竭和环境退化的根源是人类对自然掠夺的结果 不赞同哲学上向 泛灵论 回归 诸如 人类是地球生命整体中迅速畸形滋生的那部分 如人体肿瘤 地球上没有人类 生态系统更和谐完美 怀疑科学技术的价值 只有通过信仰 宗教 抑制消费 的观点都是错误的 循环经济与近代哲学理念 1 传统哲学思想中人与自然的关系 1988年75位诺贝尔奖获得主集会巴黎共识之一 如果人类要在21世纪生存下去 必须回到2500年前去吸取孔子的智慧 东方 天人合一 天地变化 圣人效之 道法自然 西方 物竞天择 赫胥黎 认识自然统治自然 培根 循环经济 与近代哲学理念 2 人类社会活动是地球生态进化中最为活跃的一部分 不和谐只是插曲 社会文明的可持续发展与关爱人类自然家园是可以同时作到的 坚信人类的智慧和能力 依赖科学技术的发展是可以创造出新的生产与生活模式 使社会与自然协调 并且和谐发展 深绿的生态主义思潮 主张保护自然 放弃发展停止增长 克制物欲 佛教 基督教 承受显著经济倒退 环境优先一切 敬畏自然 崇拜自然人类已经成为地球的恶性肿瘤 反增长计划 Projectofanti increase SergeLafourche 生态危机 使得 反增长 对缩减经济规模是必要的 建立 生态村 城市中的村庄 Ted Trainer 是一种价值观和思想的变革 不包括生产资料所有权 资源市场配制的根本改变 反增长剥夺了普通消费者的原有经济和社会发展的合理理由 投资环境论坛 2008 14 同时渲染 增长极限 矛头指向发展中国家 过去父母说 孩子 吃完了碗里的饭 中国 印度的小孩正在挨饿 现在对自己的孩子说 乖乖好好学习 不然你们的饭碗就被中国 印度孩子抢走了 世界是平的 托马斯 弗里曼 TheworldisFlat ThomasL Friedman 浅层生态学与深层生态学 1 浅层生态学与深层生态学 2 浅层生态学与深层生态学 3 早期循环经济思想萌芽产生于20世纪60 70年代 例如 美国经济学家鲍尔丁提出 宇宙飞船理论 即地球就像在太空中飞行的宇宙飞船 在地球上生存的人类都类似乘坐飞船的旅客 资源有限性制约着飞船的寿命 宇宙飞船的延续有赖于资源的循环利用 并指出以新的 循环式经济 代替旧的 单程式经济 循环经济 CircularEconomy 是英国环境经济学家D Pearce和R K Turner在其 自然资源和环境经济学 EconomicsofNaturalResourcesandtheEnvironment HarvestrWheatsheaf1990 一书中首先提出 开始并未实际成为国家层次的模式 但随着社会可持续发展问题的日益尖锐 其内涵进一步完善发展 为社会重视 循环经济与传统经济学 1 循环经济与传统经济 2 假定 劳动 作为价值创造的唯一源泉 必导致资源低效率配置 即 产品高价 原料低价 自然资源无价 政策 假定物化劳动 资本 土地 技术 知识 活劳动共同创造价值 即所有生产要素和需求关系共同决定价值 但同样自然资源有限性也没有进入经济学的有效考量 空气 河水有使用价值 而无价格 自然资源是建立在供给无限 污染无价的基础上的 生态足迹 支撑人均资源消耗 废物消纳及建筑 铁路 所需土地面积 生态足迹 2008 5 27 英国首次公布该国2003年末生态足迹为5 19公顷 5 19 104m2中国生态足迹为1 6公顷世界生态足迹平均为2 2公顷 循环经济被定义为如此广阔是于近代经济学的发展相一致的 近代经济学者 如加里 贝克尔 1992年诺贝尔奖得主 认为 经济学的研究方法应该可以被应用到人文科学 工程科学 乃至自然科学的各个领域 任何一种常规和非常规的资源 只要它是稀缺的 而本身又有多种用途 那么这种资源的分配和选择问题均可以纳入经济学范畴 循环经济与传统经济 3 如自然资源 水 空气 矿物等 的藏量和品质 环境容量 如污染自然消纳等 舒适性资源 如温室效应 沙暴等 自维持资源 生物多样性等 的消耗 保护和恢复 当然应该纳入循环经济学领域 但是在传统经济学中 涉及自然环境被看成是一个 公共物品 在研究中被边缘化了 被无偿使用 循环经济与传统经济 4 循环经济的根本出发点和基石是 认为在当今社会可持续发展中 主要障碍是资源 能源和环境容量的有限性和人类社会需求增长的持续性 事实证明 如果它们一旦被过度消耗和破坏 它们的恢复可能需要付出千百万倍的代价 如湖泊污染问题 需要数亿年的时间 如物种的灭绝等 这是人类无法承受的 循环经济与传统经济 5 构建循环经济学理论平台的难题在于 首先是环境价值的定量计量问题 如何界定自然环境在被利用 消耗时 给出恰当的可交换测度 尽管环境价值表现出一种跨时域 跨空域的超越性 但它们的计量是否应遵循以下原则 1 货币一致化 2 直接或间接以市场价值计量 3 不同类型价值分量可以叠加性 循环经济与传统经济 6 联合国气候变化框架公约的 京都议定书 目标是2008 2010年工业化国家温室气体排放总量在1990基础上平均减少5 2 德国要使全年排放总量相对于2000年减少0 4 欧盟规定25个成员国无偿取得总排放额度后 分配给成员国超过额度的 则向其他成员国购买额度 德国领到的排放额度为年平均4 95亿吨 2005 2007 在企业间分配 额外每年有300万吨指标专门用于新企业 国际间拍卖处于起步阶段 只有丹麦 匈牙利 立陶宛试行过 占排放权比重仅为1 5 5 环境价值 资源价值 的定量计量又将如何随人口水平 科技水平 生产水平改变等 这些问题都尚未被科技界 环境界和经济界共同接受 因此它无法服务于各行业间生产链 服务链间的连接关系 生产与消费关系 地区间贸易和国际贸易关系 循环经济与传统经济 7 其次是环境价值介入后 市场经济的机制问题现代国家经济最有效的运行模式应是 政府 市场 社会 三者有机结合和协调机制 即宏观调控下的市场 RegularizedMarket 经济 循环经济体系的型式当然更不能依靠市场经济自然协调产生 而这时政府和社会如何有效 有力的介入也是难题之一 因此 循环经济学理论平台的形成需要有新的突破 循环经济与传统经济 8 构建循环经济的实践平台的难点在于 首先是科学技术发展水平的制约 这是因为循环经济的建筑的基石是资源的高效利用 重复利用和循环利用 能源优化利用和能源载体的可再生利用 以及环境污染的源头防止 这要求我们以这一目标函数去重新审视我们所有的生产环节与消费环节 而且依靠现有科技发展水平是远远难以完全做到的 应该是可持续发展的根本障碍 循环经济与传统经济 9 其次是生态伦理道德的建设难度由于生态破坏容易 而生态恢复难 如何使生态破坏者从法律 伦理道德方面付出高昂代价 使之平衡 才能逐步形成一个自觉生态意识 所以 通过从生态教育 生态制度和生态法律的建设逐步完善是十分重要的 循环经济需要科学技术和伦理道德基石的建设应该是一个不断完善的过程 是我们可以立即着手建设的 循环经济与传统经济 10 传统经济学基本原理 交替关系原理 资源配制机会成本原理 优化成本边际决策原理 产业相关比较决策激励反应原理比较优势原理 看不见的手 原理 看得见的手 原理生产率差异原理通货膨胀 失业短期交替原理收益递减原理 循环经济学基本原理 补充 自然资源总量有限 供给稀缺原理自然资源补偿原理 点石成金的手 原理不可完全循环原理 树立科学发展观协调人类和自然关系创建新型工业发展模式 给出了更具体 更明确的指导 是科学发展观的新突破 新高度 生态文明 和谐性 稳定性 可持续性 敬畏自然的原始文明 依赖自然的农业文明 改造自然的工业文明 效法自然的生态文明 工业经济的单向发展模式 生态工业循环经济发展模式 化石能源注入 自然资源 初级产品 加工产品 可再生资源 消费 2 3 4 5 6 7 8 废弃物 可再生能源 太阳能 风能 生物质能等注入 核能 裂变 聚变 注入 与自然生态系统耦合的理想循环经济模式 循环经济追求的目标 充分 重复 循环利用资源 优化利用能源 可再生能源开发 环境与生态保护效率和利润最大化 同时用这四条标准 审视所有现行生产过程 后工业社会 信息社会 经济与生态预期 循环经济可行性 人均GDP的增长可以是无限的 随着人均GDP的增长 恩格尔系数会不断下降 林有干木只栖一枝 弱水三千只饮一瓢 随着产品灵巧化 智能化的提高 在个人生活质量上升的同时 物耗 能耗将会逐步降低 人均物质总需求 吨 人均GDP 千美元 中国 波兰 美国 芬兰 英国 日本 德国 荷兰1975 1994 欧盟 151980 1997 库兹涅佐夫曲线 国际政坛有关 循环经济 的实践 1 1972年6月联合国斯德哥尔摩 人类环境宣言 人类只有一个地球赖以生存 它不是从上代人继承下来的 而是从下一代人受里借来的 1987年挪威首相布伦特兰夫人主持 我们共同的未来 报告 提出必须改变发展模式 1992年联合国 里约热内卢环境与发展宣言 首次提出人类应遵循可持续发展方针 可持续发展既符合当代人需求 又不致损害后代人发展需求 2002年8月联合国 约翰内斯堡宣言 制约了可持续发展战略时间表 和国际综合计划 国家政坛有关 循环经济 的实践 2 70年代丹麦Kalumdborg生态工业园区建设经验 及在世界范围内的推广 1996年德国颁布 循环经济与废物管理法 2000年日本制定了 推进形成循环型社会基本法 20世纪末我国在企业 鲁北 贵港 市 贵阳 省 辽宁 吉林 等不同层次进行着大量实践活动 循环经济与知识经济 动脉产业与静脉产业 动脉产业与静脉产业 谁制造 谁分解谁分销 谁回收谁污染 谁治理 循环经济的3R理念 减量化减少 再利用重复使用 再循环使再循环 输入端 过程中 输出端 减少进入生产和消费过程的物质量 从源头节约资源使用和减少污染物的排放 原料套用 能量梯级利用 中水回用 可修复产品再利用等 要求物品完成使用的功能后重新变成再生资源 减量化应放在首位全过程都必须做到无毒化 无害化 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 循环经济与和谐社会 社会发展的活力 发展是硬道理 一切有利于社会进步的创造愿望得到尊重 支持 并为社会成员充分施展才能提供机会和舞台 社会发展的凝聚力 促进社会公平和正义 妥善协调社会成员间的关系 扶贫济困 诚信祥和 社会发展持续力 建立社会与自然的和谐关系 保护社会的资源和环境 为子孙后代提供优良发展空间 总之 保证社会高速发展的同时 实现同代人之间公平正义 并维护下代人享有同等发展机遇 胡锦涛在中央资源环境工作会上指出 要加快转变经济增长方式 将循环经济的发展理念贯穿到区域经济发展 城乡建设和产品中 使资源得到最有效的利用 最大限度地减少废弃物排放 逐步使生态步入良性循环 循环经济的自然科学基础 Prigogine的自组织概念 生态工业工程技术开发原则 进化替代原则 新资源 新材料 新产品 新工艺引入减量化原则 分子设计 智能化产品再利用原则 梯级 重复 循环利用资源 能源再资源化原则 静脉产业开发 废物再利用系统综合原则 共生多联产 综合利用集成优化原则 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 获美国总统绿色化学挑战奖 TexasA M学院Holtzappll教授 生物降解塑料 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 的利用等四 原子节约 反应工艺路线的开发异丙苯氧化法生产苯酚 丙酮等五 生化合成过程 进化替代原则 清洁生产替代技术 原子节约 工艺优先 氯醇法 28 4 CH3CH CH2 Cl2 CH3CH OH CH2Cl HClCH3CH OH CH2Cl HCl Ca OH 2 CaCl2液相氧化法 76 CH3CH CH2 H2O2 2H2O气相氧化法 100 CH3CH CH2 O2 原子节约反应路径 以合成环氧丙烷为例 原子利用率 产品分子量 所有原子分子量之和 环氧丙烷 原子节约工艺 O2 MPc 肽菁染料 原则上 原子节约 率可达100 两个反应可在一个反应器内完成有少量CHP可能分解为 酸性条件下 苯酚 丙酮 需要抑制和移除 异丙苯 1 催化剂100 0 2MP PP CHP过氧化氢异丙苯 在肽菁 存在下为化学平衡 O2 CH3 CH CH2 钛硅分子解 100 0 2Mp 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 紫杉醇 Paclitaxel 的制取 生物直接提取法从太平洋洋紫杉树皮中提取 含量为0 0004 树200年才成熟 剥皮后致死 化学合成 由于分子结构复杂 多达40步反应 总收率为2 半合成路线 美癌症研究中心与BMS公司 1991 从树叶嫩枝中提取10 DAB 10 脱乙酰基卡丁 通过化学合成接上一个侧链制成 需11个反应过程 7个分离过程 污染严重 植物细胞发酵和萃取技术 用糖 氨基酸 微量元素 维生素做营养物 使紫杉系植物细胞被大量繁殖 经色谱法纯化 结晶分离 得紫杉醇 环境友好工艺与产品的技术 总统绿色化学挑战奖 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 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 从摇篮到坟墓全过程没有污染十二烷基苯合成新工艺 产品工程 ProductEng 定义 消 费 需 求 产 品 结 构 设 计 可 行 性 热 力 学 分 析 可 行 性 动 力 学 分 析 实 验 研 究 工 程 开 发 灵 巧 化 学 品 最 易 合 成 的 产 品 生 产 开 发 用 途 最 佳 性 能 用 途 的 产 品 设 计 开 发 灵 巧 产 品 的 生 产 技 术 区别 II 减量化原则 产品灵巧化 减量化原则 灵巧化学品合成 我国氮肥产量世界第一 消费量世界第一 利用率30 35 磷肥产量世界第二 消费量世界第一 利用率10 20 钾肥产量世界第一 消费量世界第二 利用率35 50 主要原因 化肥分解速率与植物吸收速率不匹配后果 污染水系 污染土壤 浪费资源 能源解决方法 专用 变速 可控释放 灵巧化肥 多层变组分 根据植物对N P K需求时间分期释放 包膜缓释 大颗粒 包膜 过程无污染 包膜剂可降解 控 缓释 减少流失 无残留 转鼓式流化床装置 造粒 包膜一次完成 设备简单 大批量制备 有8万吨 20万吨 年工程实践经验 产品工程 大粒可控缓释化肥制备 包涂技术用于灵巧农药 医药 用于高毒性农药的微量缓释技术 如纳米插层缓释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 A B 包膜 II 减量化原则 物质转化中低物耗工艺优先规则 煤的液化方案选择 煤的直接加氢液化 高压反应 产品以劣质柴油为主 要持续高压加氢 重整 能耗物耗高 折合4 0 4 5吨标准煤 吨液体燃料 煤的间接转化 中压反应 产品为劣质汽 柴油 要持续加压 能耗物耗高 折合5 0 5 5吨标准煤 吨液体燃料 乙醇合成 煤为源头合成路线长 经济上不合理 物质转化中低物耗工艺优先规则 煤的液化方案选择 二甲醚合成 中压反应 产品为柴油代用品 与柴油相比 发动机效率高10 15 噪音低10分贝 排气清洁程度符合欧洲 3标准 能耗物耗低 折合2 2 2 5吨标准煤 吨液体燃料 甲醇合成 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 折合1 8 2 2吨标准煤 吨液体燃料 二甲醚与F T合成产物分配 二甲醚 F T合成 二甲醚作为煤基液体燃料可显著节约资源 能源 二甲醚在柴油机的消耗情况 II减量化原则 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 RentaMolecule 如溶剂 催化剂等 提高生态效率实现减量化 产品经济到服务经济 顾客得到最好服务 资源得到最佳配置 商家获得最大利益 可节约 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 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 以为例 III 循环再利用原则 双层流化床 IV 再资源化原则 废弃物回收利用 纸张 轮胎 废家电 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7 8次 每翻新一条轮胎节约70 橡胶资源铁 铜 铝的再回炼从产品设计开始考虑再资源化 直至回收 分拣环节 生物质能源 再资源化 实现碳元素循环代谢 IV 再资源化原则 生物质能源 CO2的循环利用 1 以纤维质 木质素为原料 全球约1 64 1011t 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 processT 250 重油产率为45 55 P 3 10MPa 重油热值25 30MJ kg 3 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40 60 4 清洁燃料 燃烧时烟尘下降80 SOx下降100 CO下降50 IV 再资源化原则 生物质能源 CO2的循环利用 系统综合原则 物质生产中的产品共生 磷矿石 焦炭 电炉炼磷 CO CO H2 二甲醚 H2O 石英石SiO2 矿渣 微晶玻璃砖 CO2 乙烯 水泥添加 黄磷 工业生物群落互利共生 工业的生物学的社区 熔池法炼铁装置模型 清洁生产 概念演化 第一层次污染治理 达标排放第二层次循环利用 微排放 零排放第三层次 源头 治理 清洁工艺代替污染工艺第四层次 生态化工 化学品全 生命周期 即 诞生 到 消亡 的全过程与自然生态循环相协调第五层次生态工业园区建立 从非单一化学品生产着眼 地区内多种化学品生产过程之间耦合与自然生态的协调 这个厂的废物 另一个厂的原料 物流 能流 信息流区域集成的优化原则 生态工业园区 Eco IndustrialPark 发展现状丹麦的Kalundborg工业园区 70 90年代 美国的PCSD支持下的四个EIP示范园区 1994 BaltimoreMarlandVirginia等地 法国的PALME计划 1995 加拿大对现有工业园区的改造 90年代末 日本川崎零排放工业园 2001 一些发展中国家的EIP建设计划我国在太原 枣庄 衢州的实验研究生态工业园区分类老区改造型 主导产业型 全新规划型 虚拟型 区域集成优化原则生态工业园区 ECO industrialPark KalundborgEIP组成 KalundborgEIP效果 减少资源消耗 石油 45 000吨 年煤 15 000吨 年水 600 000m3 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Asnaesvaerket电热厂烧掉450万吨煤 年 40 转化为电能 其余大部分转化为蒸汽蒸汽消耗 Statiol炼油厂消耗14万吨 年 占0 3 住宅取暖消耗22 5万吨 年 占0 5 NovoNordisk生物公司消耗21 5万吨 年 占0 5 Gyproc石膏材料公司用天然石膏与电热厂副产石膏 成分不一致 生态产业园区建设内涵 物流分析 重要化学元素工业代谢分析 互利共生分析 物流的重复利用率和循环利用率分析 能流分析 梯级利用 可再生能源利用 污染物流分析生成 转化和消纳 产业价值流分析 产业链延伸 产业链柔性分析 资金投入有效性方案比较 资金流分析优化现有园区的局限性链接技术研究开发及产业发展方向 生态园区提升 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 链接技术开发优先原则 科技创新 新科技注入 提高生态工业园区水平是园区存在与发展的生命线也是解决资源产业集群退化的有效途径 鲁北生态工业系统硫代谢网络 低碳经济是指 低能耗 低污染为基础的生态经济开发在生产 使用和废弃全过程的低CO2排放产品和工程技术 建立与之相适应的生产方式 消费模式 建立鼓励低碳发展的国际国内政策法律体系和市场机制 CO2的捕集 重复利用和埋藏的技术开发 低碳经济 一词首见于英国政府贸工部白皮书 我们未来的能源 创建低碳经济 2003年LowCarbonEconomyorEconomyofLowCarbonExhaustionandLowCO2Emission2005年英国首相布莱尔在达沃斯世界经济论坛上 对世界各国发出呼吁 低碳经济法案 美国参议院2007 7 措施核心 能源结构 能源技术的创新能源政策 制度创新生活方式 生产模式 价值观转变构建和谐社会的重要手段 和谐的自然生态系统 微生物 植物 太阳能 动物 生产 消费 后处理 CO2 CO2 CO2 不和谐的人类生态系统 化石资源快速消耗 生态环境严重破坏 大气中CO2含量迅速上升 唯一出路 发展低碳经济 碳库及碳循环示意图 单位 109t碳 历年我国GDP 总能耗和万元GDP能耗 泛化工行业2007年能源消耗 石油 天然气开采业 2880 6万吨标煤石油加工 煤焦及核燃料加工 14619 8万吨标煤化学原料和化学制品 24208 57万吨标煤橡胶制品 778 49万吨标煤 合计 42487 46万吨标煤占全国规模以上行业总能耗的20 生活能量消费2006年为25387 87万吨标煤 为2000年的1 7倍 每百户汽车拥有量2006年比2000年增8 6倍 2005年四行业共排CO2量约19亿吨 2006年工业能耗消费量占78 全国温室气体排放总量61亿吨 2004年 其中CO2量50 7亿吨 占全球18 9 IEA 1994年到2004年均增4 现代能源利用率低 照明 白炽灯照明能源利用率 从煤含化学能算起 3 荧光灯照明能源利用率大数倍半导体照明能源利用率大数十倍汽车 从汽油燃烧到车轮能量利用率13 车轮有效利用率 除与地面摩擦 50 用于加速车身能耗占95 用于加速乘客能耗占5 总有效利用率0 26 0 39 产业结构调整 2005宝钢吨钢CO2排放2 1tCO2 t钢重点企业CO2排放2 34tCO2 t钢一般企业CO2排放2 67tCO2 t钢中小型生铁产能20世纪末占9 21世纪初一度达21 06年水泥产量12 4亿t占全球1 2水泥耗煤占全国煤耗15 重要方法能耗 我国工业能耗与国际领先水平对比 平均约高30 左右 2006 2007年淘汰小火电2157万kw小煤矿1 12万处小水泥8700万吨 年小炼铁产能4659万吨 年2007年单位GDP能耗下降3 27 比2005年 COD排放下降3 14 SO2排放下降4 66 11届全国人大政府工作报告 十一 五 时期淘汰落后生产能力表 年度GDP结构变化 2006年能耗强度三产结构 能耗结构第一产业0 34吨标煤 万元GDP弱第二产业1 73吨标煤 万元GDP中第三产业0 41吨标煤 万元GDP强发达国家第三产业占GDP的 70 人均CO2排放量11 9吨16 1吨 2004 中国外交部气候变化谈判代表 发展中国家第三产业占GDP 30 人均CO2排放量1 95吨即便到信息社会 预期有低物质化进程 但无低能耗化进程 能源结构调整 重点发展 核能 水电 风能 近于无碳排放能源而生物质能要考虑肥料排碳光伏电池要考虑制造中排碳 科技创新推进低碳经济 通过过程强化节能 实现二氧化碳减排两股物流间组织逆流换热多股物流之间夹点分析 组织优化换热网络 图 水泥窑外分解 水泥能流图 水泥节约途径 尾气带走热能占全能耗的份额最大22 尾气温度下降10 可节约1Kg标煤 t熟料 设尾气废热锅炉尾气温度可从300 380 下降到200 以下 熟料温度每下降100 可节约5Kg标煤 t熟料 非焦炭融池法炼铁 2005年我国六大化工产业CO2排放 2MW氢等离子体煤裂解制乙炔装置图 电石法乙炔电耗3320 3200kw h t电石等离子法乙炔电耗少30 35 氢等离子法装置 高炉炉顶余热发电 TRT 回收风机电耗40 50 干熄焦技术 CDQ 回收热能 减少气体水污染 提高焦碳质量 废塑料 废橡胶粉喷入高炉炼铁减少焦炭用量废物处理 防止二恶英排放 通过优化工艺路线 通过优化工艺路线 H2 炼油装置构成 所占百分数指占减压精馏能力的 每年有2000万吨石油焦产量同期大量筹建煤变油装置 计划2000万t 一面把石油 石油焦另一面又把煤 柴油不符合低碳经济原则 我国延迟焦加工能力快速增加 煤合成气的化学转化 F T合成油20CO 41H2 C20H42 20H2O粗柴油 水 282 360 0 78 1即生产0 78t粗柴油 副产1吨水 T 250 二甲醚合成2CO 4H2 CH3 O CH3 H2O二甲醚 水 46 18 2 5 1即生产2 5t二甲醚 副产1吨水 3 通过优化替代产品 用柴油替代汽油用二甲醚替代柴油采用氯化聚乙烯 氯化聚丙烯 聚偏氯乙烯 低CO2排放产品 碳酸二甲酯 DMC 主反应 NH2CONH2 CH3OH Zn403 433 K NH2COOCH3 NH3 NH2COOCH3 CH3OH 450 483 K CH3 OCOO CH3 NH3 副反应 CH3 OCOO CH3 NH2COOCH3 CH3NHCOOCH3 CO2 CH3OH 尿素 甲醇工艺 酯交换法CO2 环氧丙烷 碳酸丙烯酯 DMC 丙二醇甲醇 碱催化 甲醇合成 DMC合成 DMC 2 698万t D 热电厂 尿素合成 净能输出 热电供 甲醇 1 827万t D 尿素 CO23 983万t D CO22 67万t D 4 764万t D 1 313万t D 128 18MW 1 948万t D 7 709万t D 煤 NH31 015万t D 2 945t D DMC合成工艺图 各种目标产物的CO2排放量 煤制油9 2吨CO2 吨合成油煤制甲醇3 8吨CO2 吨甲醇煤制二甲醚5 28吨CO2 吨二甲醚乙烯煤 甲醇 11 4吨CO2 吨乙 丙烯丙烯煤 电石 乙炔12 5吨CO2 吨乙炔煤 氯乙烯5 6吨CO2 吨氯乙烯 4 CO2捕集化学循环燃烧发电 金属还原 2CnH2n 2 2 2n m MyOx 2nCO2 2mH2O 2 n m MyOx 1 燃料 金属氧化物 CO2 H2O 低价氧化物氧化 2 n m MyOx 1 2n m O2 2 n m MyOx N2 低价氧化物 O2 N2 金属氧化物 金属载体Cu Ni Fe Cu等 排放 化学循环燃烧发电 富氧水泥生产 水泥生产 煤燃烧排CO2 CaCO3分解排CO2 2 7 3 8 1 1 41富氧煅烧可提高尾气中CO2含量 100 水泥产量22年世界第一2006年产量12 4亿吨 年每年可收集6亿吨以上的CO2石灰产业有相同问题 5 CO2直接利用 合成水杨酸 碳酸丙烯酯 碳酸二甲酯生物降解塑料 环氧丙烷 CO2共聚物等 碳酸饮料 灭火剂 膨化剂 超临界萃取剂 保护气体等 CO2利用 CO2 C 2CO H1 283 0KJ mol 吸热 耦合C 1 2O2 CO H2 110 5KJ mol 放热 如含O2煤田气利用 CO2与CH4耦合 CH4 CO CO H2t 573 k转化率95 选择性95 利用CO2驱油 提高采收率从25 35 40 50 利用CO2水合物 替出CH4水合物 6 生物质能源 十一 五 规划增加非粮乙醇200万t 年总燃料乙醇为300万t 年 十一 五 生物柴油20万t 年可再生能源的比重从2005年 7 5 2010年 10 全国可再生能源利用率达3亿t 年标煤 1MJ柴油和生物柴油生命周期的CO2排放 7 静脉产业节能 钢材 铜 铝 回炼每吨再生纸节电512度 4m3木材 250吨水轮胎翻新节约70 橡胶10亿吨废渣 钢渣 炉渣 电石渣煤碱石 磷电炉渣作水泥原料土壤改良剂 增加土壤碳汇 全球土壤中有机碳库1 4万亿 2 2万亿吨 是生物碳库的3倍 大气碳库的2 3倍 我国土地面积占世界1 15 有机碳库仅占1 13 500 1000亿吨 为加拿大的27 秸杆的优化利用 秸杆作燃料热值为11825kJ kg发电0 98kw h kg 即3528kJ kg作纤维板可节采暖能43631kJ kg 按20年累计算 纤维砌块可节采暖能48123kJ kg可以减少大量CO2排放 我国大约年产含碳废物48 8亿t 只有34 还田利用 施用有机肥 秸杆还田可使耕地土壤年增有机碳0 03 0 09 仅耕地可固碳180万 540万吨 CO2资源化 关键是CO2分子活化 由于CO2是碳的最终氧化态 标准生成热为 Gi 394 38KJ mol典型的低化学势物质 通过CO2分子活化 可易于发生化学反应 也是生物代谢产物人排放CO2约1Kg 天 在浓度 1 时危及人的生命 CO2分子具有对称结构O C O为弱电子给予体 第一电离能13 79eV 较强电子接受体 电子亲和能38eV 采用适当方式输入电子 或在反应中夺取其他分子的电子 可使惰性CO2分子活化 金属氧化物表面上CO2吸附活化形式 这类金属氧化物有 CuO CeO2 ZnO2 Cu ZnO2 TiO2 SiO2 MgO Cu ZrO2等 吸附时电子从金属表面传递到CO2分子 使其分子结构弯曲和C O链伸长 C O对称伸缩振动频率大大降低相邻CO2线性分子的溶剂化作用 使弯曲的CO2分子稳定 弯曲的CO2分子可能是发生各种反应的前驱体 这时CO2转化尚需高能还原剂外部能源引入进行驱动以实现低能耗下反应 CO2的活化方式有 热解活化等离子体活化 生物酶活化配位活化光化学辐射活化电化学还原活化化学吸附活化化学还原活化等 甲烷部分氧化 甲烷 CO2重整 CH4 2O2 CO2 2H2O 802KJ mol 2CH4 2H2O 2CO 6H2 206KJ mol CH4 CO2 2CO 2H2 261KJ mol 4CH4 2O2 4CO 8H2 129KJ mol 得到H2 CO 2 1的合成气 上述反应在Pt Co Al2O3催化剂上转化率对CH4 86 6 CO2 80 1 在流化床反应器中表现出稳定性和活性 在Cu Mn Al2O3或Cu TiO2 Al2O3催化条件下CO2 3H2 CH3OH H2OT 240 P 3 0MPaCO2转化率 20 甲醇选择性60 GHSV 3600h 1 8 逆炼制 绿色自由 GreenFreedom F J Martin W L Kubic 以浓K2CO3液收集CO2电解水生成H2 O2 核电 热核电 以CO2 H2反应生成化学品 燃料 N Yamasaki日本德