陳和平，包存寬

（1 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200092；2 中國石化上海石油化工研究院，上海 201208；3 復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433）

工業(yè)的發(fā)展，一方面給人類提供了豐富的物質(zhì)產(chǎn)品，推動社會快速發(fā)展；另一方面由于消耗了大量資源，產(chǎn)生了大量的污染，對環(huán)境和資源造成了極大的壓力，給人類的生存和發(fā)展造成了危害。為了改變工業(yè)污染的現(xiàn)狀，世界各國開始采用各種措施減少工業(yè)污染、降低污染產(chǎn)生的危害。隨著社會的發(fā)展和人們環(huán)境意識的提高，工業(yè)污染防治逐步從過去末端治理方式向清潔生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。清潔生產(chǎn)的思想起源于20 世紀(jì)60年代末和70年代初，由于工業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展，忽視對工業(yè)污染的防治，致使環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，公害事件不斷發(fā)生，對人們的身心健康造成極大危害，各國政府采取了相應(yīng)的環(huán)保措施和對策，以控制和改善環(huán)境污染問題。工業(yè)化國家靠末端治理，但要從根本上解決工業(yè)污染問題，必須以預(yù)防為主，將污染消除在生產(chǎn)過程之中[1]。20 世紀(jì)70年代末以來，不少發(fā)達國家的政府和企業(yè)都紛紛研究開發(fā)和采用少廢無廢的生產(chǎn)技術(shù)，開辟污染預(yù)防的新途徑，把推行清潔生產(chǎn)作為經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的一項戰(zhàn)略性措施。從清潔生產(chǎn)的角度來看，要實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，一方面要減少資源的消耗，另一方面要減少廢物的產(chǎn)生，即要盡可能將原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。而要做到這一點，就需要采用各種技術(shù)將反應(yīng)物盡可能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。在化學(xué)工業(yè)中，以化工、煉油、石化、造紙等過程工業(yè)污染最嚴(yán)重，為此，本文作者對我國化學(xué)工業(yè)中的各種清潔生產(chǎn)技術(shù)進行綜述，以期對從事化學(xué)工業(yè)的研究者有所幫助。

1 我國化學(xué)工業(yè)清潔生產(chǎn)研究概況

本文作者以中國知網(wǎng)為文獻來源，以“清潔生產(chǎn)”和“化工”為關(guān)鍵詞，查閱了2011年12月31 日之前的文獻，共有1222 篇，文獻數(shù)量隨時間的變化見圖1。

圖1 文獻數(shù)量隨時間的變化

從圖1 可以看出，中國知網(wǎng)中收錄的有關(guān)化工清潔生產(chǎn)的文獻最早出現(xiàn)在1993年，數(shù)量非常少，隨后逐年增加，在2009年最多，后來又有所減少。國際上關(guān)于清潔生產(chǎn)的概念早在1976年就已提出，但中國知網(wǎng)中關(guān)于清潔生產(chǎn)的文獻出現(xiàn)在1993年，可見我國在清潔生產(chǎn)方面的意識和研究與發(fā)達工業(yè) 化國家相比還比較滯后。有關(guān)清潔生產(chǎn)研究報道的文獻之所以會出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，與人們對清潔生產(chǎn)的認(rèn)識有關(guān)。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們深受工業(yè)污染的困擾，當(dāng)清潔生產(chǎn)的概念和思想引入我國后，人們對其有一個逐漸接受和認(rèn)可的過程，從而會投入大量的人力物力進行研究，所以文獻會逐年增多，而一旦人們對清潔生產(chǎn)具有比較深刻的認(rèn)識后，發(fā)現(xiàn)清潔生產(chǎn)并不能完全解決環(huán)境污染時，人們對清潔生產(chǎn)的研究會逐漸變得理性，所以對其研究也會比較謹(jǐn)慎，因此有關(guān)化工中的清潔生產(chǎn)的文獻會有所減少。

從文獻來源來看，期刊論文占65.7%，報紙報道14.2%，碩士論文12.5%，博士論文2.2%，會議論文5.4%。數(shù)據(jù)表明，期刊論文最多，碩士學(xué)位論文和報紙文獻次之，會議論文較少，博士論文最少?？梢钥闯?，就清潔生產(chǎn)某一方后面的研究較多，但系統(tǒng)研究較少。不過從新聞報道來看，各大媒體對清潔生產(chǎn)還是比較關(guān)注的。

從基金論文來看，基金論文共84 篇，占總論文數(shù)的6.9%。而在基金論文中，國家自然科學(xué)基金論文占基金論文的39.3%，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（國家863 計劃）基金論文占基金論文的21.4%，國家科技支撐計劃基金論文占基金論文的13.1%，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（國家973 計劃）基金論文占基金論文的7.1%，其它省市各類基金論文占總的基金論文的19.0%?？偟膩砜?，各個層面對清潔生產(chǎn)研究方面的投入并不多。從論文的基金類型和數(shù)量來看，國家層面在清潔生產(chǎn)方面投入的力度比較大，而省級層面相對比較小。

從論文的關(guān)鍵詞（除“清潔生產(chǎn)”和“化工”外）來看，出現(xiàn)次數(shù)較多的是循環(huán)經(jīng)濟、生態(tài)工業(yè)園、節(jié)能減排、綠色化學(xué)和產(chǎn)業(yè)鏈以及清潔生產(chǎn)的評價和審核等?？梢娫诨瘜W(xué)工業(yè)清潔生產(chǎn)研究中，上述研究相對比較多。

另外，從研究機構(gòu)來看，在清潔生產(chǎn)方面研究比較多的有華東理工大學(xué)、昆明理工大學(xué)、天津大學(xué)、北京化工大學(xué)和浙江大學(xué)等。

2 我國化學(xué)工業(yè)中的清潔生產(chǎn)技術(shù)

化學(xué)工業(yè)中的生產(chǎn)過程簡單概括就是原料和能源的輸入與產(chǎn)品和廢物的輸出。要實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，需要在目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量得到保證的前提下，通過化學(xué)工程與工藝的優(yōu)化設(shè)計，減少原料和能量的消耗以及副產(chǎn)物和廢物的產(chǎn)生?；瘜W(xué)工業(yè)中的清潔生產(chǎn)技術(shù)主要集中在以下幾方面：一是盡可能減少原料的消耗，節(jié)約資源；二是提高反應(yīng)的選擇性，盡可能減少副產(chǎn)品和廢物的產(chǎn)生；三是節(jié)約能量，并盡可能采用清潔能源。根據(jù)文獻調(diào)研情況，對我國化學(xué)工業(yè)中的清潔生產(chǎn)技術(shù)進行綜述。

2.1 過程模擬技術(shù)

在化學(xué)工業(yè)中，原料通過化學(xué)反應(yīng)變?yōu)楫a(chǎn)品的過程是一個系統(tǒng)過程，如果能夠?qū)⑷鞒踢M行優(yōu)化組合，則可以達到節(jié)約能量和原料、盡可能多地生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品的目的。過程模擬技術(shù)可以通過過程建模與優(yōu)化控制技術(shù)相結(jié)合進行生產(chǎn)流程優(yōu)化，因此成為國內(nèi)外研究的熱點和實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的重要技術(shù)之一。

近年來，間歇和半間歇生產(chǎn)方式因其生產(chǎn)的靈活性而具有良好的市場適應(yīng)性，從而逐漸成為某些企業(yè)生存的關(guān)鍵，然而國內(nèi)大部分間歇生產(chǎn)過程的自動化水平低，能耗物耗高，為提高市場競爭力，節(jié)約能耗物耗，通過建模優(yōu)化間歇生產(chǎn)過程操作非常必要。藺淑倩[2]針對間歇生產(chǎn)過程的溫度優(yōu)化控制，提出了一種面向過程數(shù)據(jù)的操作軌跡計算方法，從連續(xù)時變輸入的角度研究了間歇反應(yīng)過程的建模技術(shù)，在過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上提出了一種基于時間函數(shù)模型的最優(yōu)操作軌線自動計算方法，采用傅里葉正交基函數(shù)對連續(xù)時變輸入作預(yù)處理，進而利用過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)獨特的時間聚合算子，成功地建立了制備橡膠硫化促進劑間歇過程的操作變量與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系模型，得到了理想轉(zhuǎn)化率要求下的最優(yōu)溫度控制曲線。

王連山[3]將流程模擬技術(shù)應(yīng)用于連續(xù)重整裝置，對重整過程進行了分析與優(yōu)化，并開發(fā)了連續(xù)重整裝置模擬平臺軟件。根據(jù)集總理論和連續(xù)重整的反應(yīng)機理，基于工業(yè)連續(xù)重整裝置，提出了一個包含38 個集總組分、86 個反應(yīng)的重整反應(yīng)動力學(xué)模型，建立了相應(yīng)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。在所建立的38 集總重整動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了連續(xù)重整裝置的流程模擬框架。根據(jù)模擬結(jié)果對操作參數(shù)進行了優(yōu)化，可提高芳烴收率。

肖睿等[4]針對熱化學(xué)過程中普遍存在能源利用效率低、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，研發(fā)出“數(shù)值試驗和關(guān)鍵點試驗相結(jié)合”的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝過程優(yōu)化的創(chuàng)新性科學(xué)理論和關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于大型乙烯裂解，催化裂化，煤、油、生物質(zhì)燃燒等熱化學(xué)過程優(yōu)化的工程實踐，可以增加高價值產(chǎn)品收率、降低能耗、減少污染。

邢建良等[5]綜合應(yīng)用化工過程建模技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)、智能信息處理技術(shù)及最優(yōu)化技術(shù)等進行粗對苯二甲酸加氫精制（PTA）反應(yīng)過程操作條件優(yōu)化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的同時，降低能耗和物耗，提高國內(nèi)PTA 產(chǎn)品質(zhì)量和價格競爭力。趙揚[6]將過程模擬技術(shù)應(yīng)用于燒堿企業(yè)，采用靈敏度分析和非線性最優(yōu)化等方法分析燒堿生產(chǎn)中物耗、能耗和污染物排放等，提出相應(yīng)的節(jié)能減排方案，從而實現(xiàn)減排。

在眾多的過程模擬技術(shù)中，Aspen Tech 公司流程模擬軟件作用非常強大。中國石化集團公司自2000年批量引進Aspen Tech 公司流程模擬軟件并推廣應(yīng)用，在實現(xiàn)生產(chǎn)裝置的節(jié)能降耗、效益提升、潛力深挖等方面發(fā)揮了重要作用[7]。中國石化集團公司共有30 多套聚丙烯生產(chǎn)裝置，可生產(chǎn)多種聚丙烯產(chǎn)品。將Aspen Pech 公司流程模擬軟件應(yīng)用于聚丙烯聚合過程模擬，研究反應(yīng)動力學(xué)機理，指導(dǎo)聚丙烯裝置操作的優(yōu)化，可實現(xiàn)裝置節(jié)能降耗和挖潛增效的目的[8]。濟南煉化公司將流程模擬技術(shù)用于Spheripol 工藝的聚丙烯裝置流程模擬，同時優(yōu)化丙烯回收單元操作，既取得了顯著的經(jīng)濟效益，又達到了減排目的[9]。荊門石化公司運用Aspen Plus 流程模擬軟件建立聚丙烯裝置聚合與分離部分穩(wěn)態(tài)流程模擬模型、優(yōu)化裝置操作條件，既能提高加工負(fù)荷，又能降低裝置能耗[10]。

除了將流程模擬技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯裝置流程模擬外，中國石化集團公司還將模擬技術(shù)應(yīng)用到其煉油生產(chǎn)裝置。如鎮(zhèn)海煉化公司采用Aspen Plus 流程模擬軟件對常減壓裝置和柴油加氫裝置分餾部分進行模擬研究[11-12]，通過優(yōu)化操作，提高了產(chǎn)品收率。濟南石化公司采用Aspen Plus 流程模擬軟件對催化裂化裝置進行模擬研究，降低水耗能耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和市場競爭力[13]。石家莊煉化公司采用Aspen Plus 流程模擬軟件建立石家莊煉化Ⅰ套催化裝置除“反-再”部分外的流程模擬穩(wěn)態(tài)模型。通過模擬工藝過程計算和靈敏度分析，確定較佳的操作條件以指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)整操作參數(shù)，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的條件下，實現(xiàn)了節(jié)能降耗[14]。湛江東興石化公司采用Aspen Plus 軟件對柴油加氫改質(zhì)裝置進行流程模擬，實施流程模擬優(yōu)化操作后，全年實現(xiàn)創(chuàng)效825.1萬元[15]，此外，該企業(yè)還運用Aspen Plus 軟件對氣體分餾裝置進行模擬研究，利用模型和軟件的靈敏度分析等功能對脫丙烷塔、脫乙烷塔、精丙烯塔進行模擬，指導(dǎo)裝置生產(chǎn)，實現(xiàn)了增效和節(jié)能[16]。荊門石化對氣體分餾裝置進行模擬，并對脫丙烷塔、脫乙烷塔、丙烯塔等進行靈敏度分析，研究各塔壓力、熱負(fù)荷、回流比等參數(shù)間的相互關(guān)系，并對裝置操作進行優(yōu)化調(diào)整，全年共創(chuàng)節(jié)能效益630 萬 元[17]。青島煉油化工有限責(zé)任公司利用Aspen Plus軟件對柴油加氫裝置和航煤加氫裝置進行裝置分餾系統(tǒng)流程模擬，通過降低柴油加氫分餾塔頂部壓力及調(diào)整航煤加氫分餾塔頂部操作溫度等優(yōu)化手段，減少了柴油加氫裝置燃料氣消耗量，降低航煤與石腦油組分的重疊度，提高石腦油收率，增產(chǎn)石腦油，增加裝置效益[18]。

在利用過程模擬技術(shù)進行化工過程優(yōu)化時，除了需要具有很強的過程建模技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)、智能信息處理技術(shù)等外，還需要具有先進的檢測技術(shù)和儀器儀表技術(shù)作為支撐。

2.2 過程集成技術(shù)

要使化工過程的能耗物耗和環(huán)境污染最小，就必須把整個反應(yīng)系統(tǒng)集成起來作為一個有機整體進行優(yōu)化。過去系統(tǒng)綜合只考慮物料流的流程，后來根據(jù)節(jié)能要求及減少污染的要求，把物料流、能量流和信息流進行綜合集成，從而得到理想的化工流程，獲得更高的產(chǎn)率和更少的廢物，因而過程集成技術(shù)成為化工系統(tǒng)工程的研究熱點[19-20]。經(jīng)過努力，人們開發(fā)出不同的過程集成技術(shù)[21-22]，如反應(yīng)和分離單元過程集成技術(shù)、優(yōu)化的用熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，大幅度提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性，減少了副產(chǎn)物和廢物生成，達到節(jié)能降耗和清潔生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

過程集成技術(shù)可以解決化學(xué)反應(yīng)受限于化學(xué)平衡的問題。在有些化工生產(chǎn)中，由于化學(xué)平衡的限制，導(dǎo)致經(jīng)濟環(huán)境成本較高，而采用反應(yīng)精餾、反應(yīng)吸收和反應(yīng)萃取等集成技術(shù)則可以解決化學(xué)反應(yīng)平衡限制的問題。以生產(chǎn)生物柴油為例[23]，將反應(yīng)和分離集中在一個反應(yīng)單元，既克服了化學(xué)反應(yīng)平衡限制的問題，節(jié)省操作費用，還可以通過采用非均相催化劑解決采用傳統(tǒng)均相催化劑中出現(xiàn)的問題，此外，還能提高原料和反應(yīng)體積的有效利用率、反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，并能降低能耗。

過程集成技術(shù)可以節(jié)約大量的能量。如在化工生產(chǎn)中采用內(nèi)部熱精餾柱集成技術(shù)可以節(jié)約大量的能量。有研究表明，采用熱精餾柱集成技術(shù)分離烴類混合，可以節(jié)約60%以上的能量[24]。

過程集成技術(shù)可以降低溫室氣體排放，提高總能量的利用效率。傳統(tǒng)的整體煤氣化聯(lián)合裝置（IGCC）沒有碳捕捉單元，合成氣純化脫硫后，直接輸送到聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪機發(fā)電。為了減少溫室氣體排放，人們對傳統(tǒng)的IGCC 進行改造，設(shè)計碳捕集裝置，也就是在合成氣催化轉(zhuǎn)化使氫氣最大化后，將碳以二氧化碳的形式濃縮，然后用一個預(yù)燃燒裝置捕獲。捕獲二氧化碳后，將富氫合成氣送到變壓吸附單元純化后輸送給客戶或直接送到聯(lián)合循環(huán)燃氣渦輪機發(fā)電。通過集成，可以大大提高總能量的利用效率。除了上述集成技術(shù)外，還有熱和發(fā)電集成、空氣分離和空氣渦輪壓縮機集成等技 術(shù)[25]。羅祎青等[26]將內(nèi)部能量集成精餾技術(shù)應(yīng)用于乙烯生產(chǎn)過程，并利用流程模擬軟件對內(nèi)部能量集成精餾塔和開式熱泵精餾流程進行模擬，得到優(yōu)化的操作條件，與一般的乙烯精餾塔開式熱泵流程相比，具有明顯的節(jié)能效果。范經(jīng)濤[27]對精餾過程用能進行系統(tǒng)分析，提出了在精餾設(shè)計中采用過程集成技術(shù)的工作程序，并利用過程集成技術(shù)原理和Aspen Plus 模擬計算軟件，構(gòu)造 CGCC 曲線的方法，通過實例分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用過程集成技術(shù)可使精餾過程能量的利用更合理。

2.3 清潔的生產(chǎn)工藝

在化工生產(chǎn)中，采取新工藝，不但可提高生產(chǎn)效率，而且可以解決廢水處理問題。如利用漿料催化精餾工藝代替常規(guī)催化精餾工藝，催化劑與液相形成漿料在塔內(nèi)流動，循環(huán)使用，因而不需要停車更換催化劑，且不需要固液分離，催化劑效率更高且更易于工業(yè)化[28]。在生產(chǎn)混凝土超塑化劑聚磺化萘甲醛的過程中，水污染嚴(yán)重，而且在半固體的濾餅中含有大量的最終產(chǎn)品，為了降低污染，減少浪費，生產(chǎn)企業(yè)采取了一系列措施，包括：過濾過程中滯留水的回用，反應(yīng)器洗滌水的循環(huán)利用，高壓泵采用閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，控制原料、產(chǎn)品和水的跑冒滴漏，充分利用固體廢物中的最終產(chǎn)品等。經(jīng)過工藝路線改進，實現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟效益[29]。

2.4 清潔的反應(yīng)體系

反應(yīng)體系對反應(yīng)十分重要，以超臨界CO2、近臨界水、高溫液態(tài)水和離子液體等作為清潔生產(chǎn)的反應(yīng)體系，可以獲得良好的反應(yīng)效果。徐明仙等[30]在超臨界CO2中進行水楊酸合成，CO2既作為溶劑，又作為反應(yīng)物，成為合成水楊酸的綠色原料。朱憲等[31]利用臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)，提取黃姜中的薯蕷皂苷，發(fā)現(xiàn)其可以克服傳統(tǒng)水解法需要加堿中和、水消耗大和環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點。張輝等[32]利用超臨界水氧化法與非色散紅外法相結(jié)合測水質(zhì)中有機碳含量，發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)快，氧化徹底，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。Lv 等[33]利用高溫液態(tài)水的特性水解生物質(zhì)資源生產(chǎn)化工原料，如木糖水解等，具有較好的效果。

離子液體作為一類新型綠色反應(yīng)介質(zhì)，不僅可替代傳統(tǒng)有機溶劑或酸堿用作化工反應(yīng)和分離的新介質(zhì)，而且具有作為新型磁性材料、納微結(jié)構(gòu)功能材料、潤滑材料、航空航天推進劑等的潛力[34]。磁性功能化離子液體具有液程寬、蒸氣壓低、溶解能力強等特性[35]，在有機合成中可作為溶劑兼催化劑和模板劑，具有產(chǎn)物易分離、可回收重復(fù)使用等 優(yōu)點。

2.5 超常規(guī)反應(yīng)技術(shù)

由于人們對物質(zhì)狀態(tài)和反應(yīng)過程的認(rèn)識有限，對物質(zhì)的利用主要基于其正常狀態(tài)下的物性。隨著人們對各種物質(zhì)處于不同極限狀態(tài)的特性的研究，化學(xué)反應(yīng)過程在極限狀態(tài)下的特性受到化工界的廣泛關(guān)注，于是各種超常規(guī)狀態(tài)的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如超臨界流體技術(shù)、超重力技術(shù)等。

2.5.1 超臨界流體技術(shù)

超臨界流體指的是處于臨界點以上溫度和壓力區(qū)域下的流體，在臨界點附近會出現(xiàn)物性急劇變化的現(xiàn)象。利用流體超臨界狀態(tài)特性的技術(shù)稱為超臨界流體技術(shù)，如超臨界法制備微粒技術(shù)和超臨界流體萃取技術(shù)等。

利用超臨界法制備微粒技術(shù)有超臨界溶液快速膨脹法、超臨界輔助霧化法和超臨界反溶劑法等。采用超臨界法制備微粒，與常規(guī)的機械加工法、重結(jié)晶法、冷凍干燥法和噴霧干燥法相比，制備的微粒粒徑較小，粒徑分布均勻，而且解決了有機溶劑殘留等問題，具有綠色環(huán)保的特點[36]。

超臨界技術(shù)是未來大規(guī)模制生物燃料的理想方法，特別是用于廢油和脂肪制取生物柴油。與傳統(tǒng)的生物燃料生產(chǎn)方法相比，超臨界流體技術(shù)具有反應(yīng)快、生產(chǎn)率高、易于連續(xù)操作、而且不需要催化劑等優(yōu)勢，但操作壓力和溫度高，材料成本高，難以推廣應(yīng)用[37]。

超臨界流體萃取技術(shù)是利用處于臨界壓力和臨界溫度以上的流體所具有的超常規(guī)的溶解能力而發(fā)展起來的化工分離技術(shù)。與其它分離技術(shù)相比，超臨界流體萃取技術(shù)具有適用性廣、效率高、所得產(chǎn)品無毒無殘留等優(yōu)點，是一種典型的綠色化工分離技術(shù)。超臨界流體萃取技術(shù)在處理常規(guī)法難以處理的廢水中的有機物和高分子材料等方面具有顯著的優(yōu)越性，在污染治理方面可以發(fā)揮重要作用[38]。

2.5.2 超重力技術(shù)

在超重力環(huán)境下的物理和化學(xué)變化過程的應(yīng)用技術(shù)叫超重力技術(shù)。與傳統(tǒng)塔器相比，在超重力環(huán)境下，微觀混合和傳質(zhì)過程得到高度強化，因此超重力技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注[39]。超重力技術(shù)在分離方面的工業(yè)應(yīng)用比較廣泛，如超重力脫氧技術(shù)、超重力脫硫技術(shù)和超重力脫揮技術(shù) 等[40]。超重力技術(shù)在反應(yīng)中的應(yīng)用也比較多，如納米材料的制備以及在精餾分離和快速反應(yīng)過程中的應(yīng)用等[41]。浙江工業(yè)大學(xué)研發(fā)的折流式超重力場旋轉(zhuǎn)床已實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，與傳統(tǒng)的塔器設(shè)備相比，該設(shè)備高度降低1～2 個數(shù)量級，可節(jié)省場地和材料[42]。

2.5.3 其它超常狀態(tài)技術(shù)

除超臨界流體技術(shù)和超重力技術(shù)外，還有其它極限技術(shù)，如超高溫技術(shù)、超高壓技術(shù)、超真空技術(shù)、超低溫技術(shù)等。隨著高科技的迅速發(fā)展，這超些常規(guī)技術(shù)在化工領(lǐng)域的研究和應(yīng)用將越來 越多[43]。

2.6 催化技術(shù)

催化技術(shù)是化學(xué)工業(yè)實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的主要方法。在有機化工中，為了得到盡可能多的目標(biāo)產(chǎn)品，減少副產(chǎn)品和廢物，除了采用合適的工藝設(shè)備和工藝線路外，非常重要的是采用高效環(huán)保的催化劑，如利用酶催化劑、手性催化劑和仿生催化劑等。

酶是一種高效催化劑，催化選擇性極高，無副反應(yīng)，便于過程控制和產(chǎn)品分離?？茖W(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)2-羥基異丁酰-CoA 的酶可以將直鏈C4化合物轉(zhuǎn)化成支鏈，作為甲基丙烯酸甲酯前體，這意味著在常規(guī)的化學(xué)路線基礎(chǔ)上有可能會延伸出一條新型的生化法工藝路線[44]。人們在利用酶催化劑時，也在探索研究模擬酶催化劑，如將分子印跡法應(yīng)用于聚合物模擬酶催化劑的設(shè)計合成中，制備的模擬酶催化劑具有抗惡劣環(huán)境、高穩(wěn)定、長壽命等特點[45]。在天然酶催化劑和人造催化劑之間有許多相似的地方，如果能將固體催化劑堅固耐用、容易與產(chǎn)品分離、耐高溫等特點與酶催化劑活性高、變構(gòu)效應(yīng)好、選擇性控制精度高的特點結(jié)合，合成兼具固體催化劑和酶催化劑兩者優(yōu)點于一體的催化劑，則化學(xué)反應(yīng)中的清潔生產(chǎn)又將有進一步的突破[46]。

在化學(xué)工業(yè)中，特別是精細化工中，除了催化劑化學(xué)選擇性外，催化劑區(qū)位選擇性、立體選擇性和對映體選擇性具有非常重要的作用[47]，如不對稱加氫反應(yīng)催化劑。目前，不對稱加氫多相手性催化劑主要有固定化的均相手性催化劑、手性小分子修飾的多相催化劑和以天然高分子為手性源制備的多相催化劑等[48]。

生物界有許多高效催化反應(yīng)，人們可以根據(jù)生物界的反應(yīng)特點研制仿生催化劑，提高催化效率。葉長英等[49]根據(jù)生物表面具有多層次微米和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，以便最大限度地捕獲光子進行光合作用的特點，采用模板-超聲-水熱法制備仿生界面結(jié)構(gòu)的二氧化鈦催化劑微球，應(yīng)用于苯酚光催化降解，發(fā)現(xiàn)其具有良好的催化能力，而且在實際工程應(yīng)用中易沉降分離，有利于光催化技術(shù)在實際工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用。

2.7 化工設(shè)備技術(shù)

隨著化工工藝的進步和發(fā)展以及環(huán)保要求的不斷提高，化工設(shè)備技術(shù)也不斷發(fā)展和完善。目前，化工設(shè)備逐漸專業(yè)化、系列化，并朝著大型化、微型化和智能化方向發(fā)展。

化工設(shè)備向大型化、精密化、一體化、成套化和采用先進控制技術(shù)方向發(fā)展[50]。其中換熱器趨向大型化，并向低溫差和低壓力損失的方向發(fā)展，壓縮機向超高壓方向發(fā)展，化工流程泵向超低溫方向發(fā)展等。

與設(shè)備大型化發(fā)展相反，化工設(shè)備的另一個發(fā)展方向是朝著小型化和微型化方向發(fā)展。微反應(yīng)器技術(shù)是把化學(xué)反應(yīng)控制在盡量微小的空間內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)空間的數(shù)量級一般為微米甚至納米，化學(xué)反應(yīng)速率快，轉(zhuǎn)化率和收率高，并能解決強腐蝕、易爆、高能耗、高溶劑消耗和高污染排放等問題，具有清潔生產(chǎn)工藝的特點，在化學(xué)合成、化學(xué)動力學(xué)研究和工藝開發(fā)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[51]。目前已有微反應(yīng)器用于工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量可達幾十噸到幾千噸[52]。

隨著信息化與工業(yè)化不斷融合，化工生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸智能化。化工設(shè)備的智能化包括兩個方面：一是設(shè)備控制的智能化；二是設(shè)備設(shè)計的智能化[53]。設(shè)備智能化是提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量，提高能源利用率以及滿足環(huán)境要求的重要方向。

2.8 清潔能源

現(xiàn)在化學(xué)工業(yè)的供能主要來自石油和煤炭，這兩種能源在消耗過程中都會產(chǎn)生大量的污染，而且石油和煤炭在開采過程中也會對環(huán)境造成破壞。面對國際國內(nèi)節(jié)能減排的重壓，使用清潔能源是發(fā)展的必然趨勢。為了降低對環(huán)境造成的污染，人們努力開發(fā)清潔的能源技術(shù)，包括利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)岬?。但開發(fā)和利用這些清潔能源技術(shù)并不一定清潔[54]，因為盡管清潔能源利用時對環(huán)境無污染或少污染，但從整個生命周期來看，清潔能源的開發(fā)和使用實際上需要從其它環(huán)節(jié)獲取資源或者將污染轉(zhuǎn)移到其環(huán)節(jié)。

生物燃料是一種比較清潔的燃料，是柴油發(fā)動機等的理想替代燃料。目前先進的生物質(zhì)燃料生產(chǎn)技術(shù)有超臨界流體技術(shù)，包括采用酯交換反應(yīng)利用植物油生產(chǎn)生物柴油、通過生物質(zhì)氣化和生物質(zhì)液化制取生物油。但目前生物燃料生產(chǎn)的成本比較高，難以推廣應(yīng)用[37]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)清潔能源的研究熱點除了核能、太陽能、水能、風(fēng)能和生物質(zhì)能外，還有常規(guī)天然氣和非常規(guī)天然氣。天然氣是一種清潔能源，但隨著常規(guī)天然氣資源的逐漸減少，開發(fā)難度不斷加大，以頁巖氣、煤層氣為主的非常規(guī)天然氣將成為研究和開發(fā)的熱點[55]。我國第一部《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015）》提出，到2015年，頁巖氣將初步實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)量將達到65 億立方米/年，到2020年，產(chǎn)量最高達到1000 億立方米。雖然頁巖氣等非常規(guī)天然氣開發(fā)已是大勢所趨，但伴隨著開發(fā)的熱潮，開采技術(shù)制約、開采過程中的環(huán)境污染和破壞、初期投入大、開發(fā)成本高、回報周期長等方面仍面臨爭議。但毋庸置疑，隨著技術(shù)進步和能源安全問題的日益凸顯，非常規(guī)天然氣在未來化工領(lǐng)域中的應(yīng)用還是非常有前景的。

盡管關(guān)于清潔能源的開發(fā)與利用的研究很多，但在化工領(lǐng)域中利用清潔能源取代化石能源的還極其有限，有關(guān)取代技術(shù)需要進一步研究。為推進燃煤工業(yè)鍋爐清潔燃料替代，加強工業(yè)鍋爐的節(jié)能減排，上海市為天然氣優(yōu)化替代燃煤提出菜單式的技術(shù)指導(dǎo)以及余熱深度利用技術(shù)，開發(fā)生物質(zhì)氣化氣部分替代燃煤的混燒技術(shù)，為清潔能源替代專項工作提供支撐[56]。劉超等[57]嘗試?yán)们鍧嵉目稍偕茉创婊茉礊橐苯鹕a(chǎn)提供能量支持，提出“風(fēng)光互補非碳冶金”，以減少碳排放。通過研究，解決清潔能源利用技術(shù)與鋼鐵冶金技術(shù)相融問題，最終確立的系統(tǒng)單元之間，基本滿足了能量的協(xié)調(diào)匹配，能夠獲得1600 ℃以上的冶煉高溫。這種鋼鐵冶煉中的“風(fēng)光互補”思路為化工企業(yè)中利用清潔能源代替化石能源提供了借鑒作用。

3 研究熱點

從上述文獻綜述及其分析可以看出，化學(xué)工業(yè)中清潔技術(shù)的研究熱點主要有以下幾方面。

（1）信息技術(shù)與化工技術(shù)結(jié)合，化學(xué)工程與工藝技術(shù)不斷優(yōu)化升級。特別是隨著計算機技術(shù)和信息化的發(fā)展，輔助設(shè)計、輔助制造、輔助工程等數(shù)字化設(shè)計工具在化工企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，有利于化工生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化和自動化及創(chuàng)新，特別是化工過程集成技術(shù)的應(yīng)用，使化工生產(chǎn)的原料、水耗、能耗更加合理，能降低企業(yè)資源消耗和工業(yè)污染物排放，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

（2）制造技術(shù)和化工技術(shù)相結(jié)合，化工設(shè)備 制造技術(shù)不斷升級。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)工業(yè)的設(shè)備制造技術(shù)不斷升級換代，化學(xué)工業(yè)中的裝置向大型化、微型化、集成化和智能化等方向發(fā)展，有利于節(jié)能減排、提高生產(chǎn)效率。

（3）開發(fā)環(huán)保高效的催化技術(shù)，提高選擇性和收率，減少副產(chǎn)物和廢物，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。

（4）開發(fā)特殊狀態(tài)的反應(yīng)體系和超常規(guī)狀態(tài)的反應(yīng)技術(shù)。突破常規(guī)，研究和利用物質(zhì)特殊狀態(tài)下的物化性能和特殊環(huán)境中的物理和化學(xué)變化過程，提高反應(yīng)效率，節(jié)約資源。

（5）新能源的研究是熱點，但由于許多新能 源的開發(fā)和應(yīng)用研究還處于初期階段，新能源如何在化工企業(yè)中應(yīng)用的研究并不多。在未來，新能源，包括生物質(zhì)能和頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)能源在化學(xué)工業(yè)中如何利用將成為研究熱點。

4 展 望

為了節(jié)約資源，減少污染，促進可持續(xù)發(fā)展，我國在化工清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究與應(yīng)用方面做了大量的工作，并取得了顯著的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。但化工生產(chǎn)中的過程模擬與過程集成技術(shù)、清潔生產(chǎn)工藝與清潔反應(yīng)體系技術(shù)、催化技術(shù)與超常規(guī)技術(shù)、化工設(shè)備技術(shù)與清潔能源開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不是孤立的，其對化工生產(chǎn)“清潔化”程度除了取決于我國化工技術(shù)發(fā)展外，還與我國的信息技術(shù)、計算機技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、檢測技術(shù)、智能信息處理技術(shù)和制造裝備技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。未來化工清潔生產(chǎn)技術(shù)將是一門多學(xué)科交叉與融合發(fā)展的技術(shù)，將進一步向化工技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合、制造技術(shù)和化工技術(shù)相結(jié)合、催化技術(shù)與化工工藝技術(shù)相結(jié)合的方向發(fā)展。

但目前化工清潔生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用主要基于某種工藝或某個產(chǎn)品或某個企業(yè)，這些技術(shù)的應(yīng)用在特定的空間范圍和時間尺度內(nèi)可能是節(jié)能環(huán)保的，但從化工生產(chǎn)的生命周期來看，并不“清潔”。因此，如果要更好地節(jié)約資源和能源，減少污染，將廢物資源化，則需要從生命周期的角度去探討所謂“清潔生產(chǎn)技術(shù)”是否真正“清潔”，并在清潔生產(chǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。除了發(fā)展企業(yè)內(nèi)部的循環(huán)經(jīng)濟外，還需在企業(yè)之間甚至在社會層面發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，這樣才可能使化工生產(chǎn)“清潔”。

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