循环经济讲义.pptx

1、循环经济与科学技术,S100248 贺鹏,循环经济概念回顾 循环经济的自然科学理论基础 循环经济的怪现状 我国必然要走循环经济之路 循环经济的宏观发展模式 循环经济的技术实现,循环经济的概念回顾,基本含义是：地球就像在太空中飞行的宇宙飞船，这艘飞船靠不断消耗自身有限的资源而存在。 如果人类社会仍然像过去那样无休止地开采资源、破坏生态环境，一旦超越了自然环境的承载力，那么地球就会像宇宙飞船一样走向毁灭。,循环经济通过3R原则实现,减量化 Reduce,再循环 Recycle,输入端,过程中,输出端,减少进入生产和消费过程的资源,多方式多次利用资源,把废物 变为资源,再利用 Reuse,循环经济的

2、概念回顾,循环经济的自然科学基础,循环经济根本是一种技术,原子经济反应,循环经济的自然科学基础,循环经济背后的概念,熵的概念entropy 熵增原理principle of entropy increase 耗散结构理论 3R模式是第二类永动机 循环经济的本质：熵增=熵减,循环经济的自然科学基础,熵体系的混乱程度,1850年，德国物理学家鲁道夫克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。 按照一些后现代的西方社会学家观点，熵的概念被其移植到社会学中。,循环经济的自然科学基础,热寂说,在

3、整个宇宙当中，当一种物质转化成另外一种物质之后，不仅不可逆转物质形态，而且会有越来越多的能量变得不可利用。 大量人类制造的化工产品、能源产品一经使用，不可能再变成有利的东西，宇宙本身在物质的增殖中走向“热寂”，走向一种缓慢的熵值不断增加的死亡。,循环经济的自然科学基础,热寂说,根据“热力学第二定律”，作为一个“孤立”的系统，宇宙的“熵”会随着时间的流逝而增加，由有序向无序，当宇宙的“熵”达到最大值时，宇宙中的其他有效能量已经全数转化为能，所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。 通俗讲，热寂达到绝对零度（-273.15摄氏度），此时所有分子都已停止运动，这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或

4、是生命的能量存在。,熵加速度增加的后果,人类社会经济发展的后果是熵增过快,能源环境危机本质,熵的危机,循环经济的自然科学基础,进化论,社会进化的结果是种类不断分化、演变而增多，结构不断复杂而有序，功能不断进化而强化，整个自然界和人类社会都是向着更为高级、更为有序的组织结构发展。 地球负熵增加,循环经济的自然科学基础,热力学第一定律： 物质和能量转化 过程数量守恒,热力学第二定律： 物质或能量在转化中， 其品位将发生变化， 遵守熵增原理：,爱因斯坦能量与物质 转化公式：E=mc2,物质被使用 能量对外体 功都是熵增加 过程,自然生态过程 （光合作用） 工业代谢过程 中负熵过程,核能 太阳能,Pr

5、igogine非平衡热力学 远离平衡态耗散结构的 子系统，可以实现自组 织的负熵过程,代谢社会,Metabolic Society,热损失,dS=,Q,T,M,C,=,=,I,N,“信息负熵”: 通过减少不确定性， 使负熵注入增效,循环经济怪现状,外行比内行积极 官员比学者积极 落后比发达积极,政府很热情,贵阳乱象,贵阳概况（森林之都、中国第一个循环经济城市） 贵州开磷集团是我国磷矿开采和磷肥生产领域的巨头，磷肥年生产能力达数百万吨，去年实现销售收入达亿元。年，这家企业被国家发展和改革委员会列入全国首批循环经济工作试点单位。,2005年我国六大化工产业CO2排放,循环经济与中国历史,白居易诗作

6、 天育物有时，地生财有限，而人之欲无极。以有时有限奉无极之欲，而法制不生其间，则必物暴殄而财乏用矣 桑基鱼塘农业模式 基种桑、塘养鱼、桑叶饲蚕、蚕粪饲鱼、塘泥培桑 毛泽东名言（大炼钢铁时代） 办法嘛，就同打麻将一样，上家的废物，就是下家的原料,我国必然要走循环经济之路,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,我国

7、重要矿产资源及在世界地位,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,国家生态经济效率：中国与其他国家比较,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。”,循环经济不是小农经济,循环经济的宏观发展模式,自然生态系统进化示意图,自然界是碳、硫、

8、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,矿业工业经济的单向发展模式,与自然生态系统耦合的理想 循环经济模式,循环经济的工程技术基础,生态农业,生态工业,生态消费,资源循环利用,能源优化利用和 可再生能源开发,污染源头治理,静脉产业,向自然生态系统学习 建立生态产业系统,生态化,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,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

9、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。,各国循环经济模式,美国杜邦公司来自企业内部的循环经济 丹麦卡伦堡工业园区 德国DSD回收再利用体系 日本法律,德国DSD模式,循环经济的系统矩阵,贵糖（集团）制糖生态工业,贵港模式的总体结构,燃煤电厂位于这个工业生态系统的中心，对热能进行了多级使用，对副产品和废物进行了综合利用。电厂向炼油厂和制药厂供应发电过程中产生的蒸汽，使炼油厂获得了生产所需的40%的热能，制药厂获得了所需的全部热能。通过地下管道向卡伦堡全镇居民供热，由此使

10、镇上3500座燃烧油渣的炉子不再使用。减少了大量的烟尘排放。将除尘脱硫的副产品工业石膏，全部出售给附近一家石膏板生产厂。同时，还将粉煤灰出售供造路和生产水泥之用。 炼油厂和制药厂也进行了综合利用。炼油厂产生的火焰气通过管道供石膏厂用于石膏板生产的干燥，减少了火焰气的排空。一座车间进行酸气脱硫生产的稀硫酸供给附近的一家硫酸厂；炼油厂的脱硫气则供给电厂燃烧。制药厂是世界驰名的药厂，其原料是农产品，残渣经热处理杀死微生物后，向附近1000家农户销售进一步使用。 卡伦堡生态工业园还进行了水资源的循环使用。炼油厂的废水经过生物净化处理，通过管道向电厂输送，每年输送电厂70万立方米的冷却水。整个工业园由于

11、进行水的循环使用，每年减少25%的需水量。,循环经济的消费方式,追求可持续的交通体系,汽车,步行,自行车,公共汽车,地铁和火车,旅程,乘客密度,消费模式：From ownership to sharing,degree of sharing,degree of ownership,none,shared,individual,full ownership,rental of product per unit time as required，例如出租汽车,specified share of time use of product owned by group，例如社区用车,the major

12、ity of consumer Durables，例如私人有车,use per unit time as required; product not owned by group， 例如公共交通,TOOL HIRE,CO-OPERATIVE,LEASING/SERVICE,CONSUMER GOODS,Manzini, Ezio and Francois Jegou (2003) Sustainable Everyday, Edizioni Ambiente, Milan,用较少的碳排放满足交通需求,CO2 Emissions of various transportation mode (g

13、/person-km),案例包钢股份,实施效果,通过锅炉改烧煤气、高炉余压发电、总排水循环利用、污水处理和加强含铁废料利用等，每年可节约资金或创经济效益约4亿元以上，同时有效地改善了厂区及周边地区的环境质量。钢渣基本实现了零排放，工业水重复利用率达到93，电厂夏季基本实现不烧煤，三座高炉余压发电项目年可发电约1亿千瓦时，环保设施同步运行率100。2005年外排废水达标率为9559，外排废气达标率为9836，污染物综合排放合格率为9506,面临问题,原材料价格再生材料价格 技术瓶颈 产业政策有严重问题,案例介绍包头铝业集团,包铝集团是中国铝业公司的控股子公司，中国铝业公司和包头市共同持有公司股权

14、 包头铝业（集团）公司前身是包头铝厂，始建于1958年,0千安和70千安自焙槽,60千安和70千安自焙槽200千安和240千安大型预焙槽 氟化物由每吨30公斤降低到1公斤左右 电耗吨铝也从15万千瓦时降到137万千瓦 炭素阳极焙烧炉燃烧自动控制系统 天然气代替煤气 液态铝（铝锭）合金,精铝偏稀法生产技术，采用物理结晶的方法生产精铝，通过刚体加热到一定温度，不断地结晶出不同纯度的铝，,（2）循环经济的产品体系,循环经济的技术实现,微观循环经济的三种形式,生产技术 原料替代 废物利用,经济增长如何减物质化,最大化利用 （stock）,资源管理,资产的生产与管理,污染管理,保护自然资源，减少进入经济

15、过程的资源规模。,通过紧凑化、再使用、再循环提高经济过程的资源生产力。,保护生态环境，控制甚至消除污染物的排放。,最小化输入 （source）,最小化排放 （sink）,“原子节约”工艺优先,氯醇法(28.4%) CH3CH=CH2 + Cl2 - CH3CH(OH)CH2Cl + HCl CH3CH(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

16、”,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,以 为例,循环再利用技术,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。

17、,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。,CO2利用,CO2+C2CO H1=283.0KJ/mol(吸热） 耦合 C+1/2O2CO H2=-110.5KJ/mol（放热）,如含O2煤田气利用,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

18、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 + 2O2CO2 + 2H2O - 802 KJ/mol,2CH4 + 2H2O2CO + 6H2 + 206 KJ/mol,CH4 + CO22CO + 2H2 + 261 KJ/mol, 4CH4 + 2O24CO+8H2 -129 KJ/mol,得到 H2 ：CO= 2：1的合成气,N. Yamasaki 日本德岛工业中心,进一步制造汽油,C. Kubiak 加州大学, 甲醇,逆炼制：绿色自由（Green Freedo