循环经济的工程科学基础ppt课件

循环经济的工程科学基础,金涌胡山鹰陈定江清华大学化工系生态工业研究中心,推动循环经济不仅是我国经济可持续发展重要的、紧迫的、必然的、根本的出路，而且在工程科学层面上也是可行的。,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、精细化、高附加值化同时用这四条标准，审视所有现行生产过程。,自然生态的循环发展模式,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,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,Prigogine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,MetabolicSociety,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,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,高附加值化减量化原则：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、废物再利用综合共生原则：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返青;分蘖;幼穗;拔节;开花;乳熟;完熟。冬小麦：封冻;返青;拔节;孕穗;开花;乳熟;完熟。,植物吸收养分特性,包膜肥的释放特性,FilmCoating,II.减量化原则灵巧化学品合成,磷酸二胺尿基复合肥(35mm),可根据市场需要和现场条件，对一种肥料颗粒表面包覆其它营养成分，形成多元包覆的复合肥，如：在硝铵表面包覆尿素。在NPK复合肥表面包覆尿素。,包膜缓释和控释化肥多元包覆复合肥,FilmCoating,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5.5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,低物耗工艺优先煤的液化方案选择,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1015，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2.6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2.5吨标准煤/吨液体燃料）,二甲醚在柴油机的消耗情况,II、减量化原则低能耗工艺优先,氢等离子体煤粉合成乙炔技术,减少能耗35（与传统电石法相比）减少了严重的废渣，废气，废水排放,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,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,从KCl+H2SO4生产钾肥,K2SO4（钾肥）,光气,MDI(异腈酸酯),苯胺,生产氯乙烯,生产制冷剂,生产TiCl4,生产SiHCl3,氯气,部分氧化技术,电解技术,HCl,纳米TiO2,多晶硅,食盐电解,烧碱,氯气,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,氯(Cl),氯化,氯化烃,氟化,氟化烃制冷剂,烯烃,氟(F),氧气,部分氧化,冰箱,氯化氢（HCl）,氯(Cl),水,以为例,III、循环再利用原则,双层流化床,太阳能的利用,太阳能,电能,热能,化学能,光合成生物催化（叶绿素新酶种）,光分解制H2,低温介质发电热水,太阳能电池光电转换光利用率最高达65%,III、循环再利用原则,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78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,IV.再资源化原则生物质能源与CO2循环利用,1、以纤维质、木质素为原料（全球约1.641011t/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4555%P=310MPa，重油热值2530MJ/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4060）】（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与CO2循环利用,IV.再资源化实现碳元素循环代谢,V.综合共生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,V.综合共生原则综合效益优先（钾肥生产）,传统工艺,复分解工艺,食品级,复分解反应器,Na2SO4,KCl,K2SO4,NaCl,蒸发结晶器,V.综合共生原则纯碱有机硅尿素耦合工艺,H2O,NaCl,氨盐水吸收,碳化,Na2CO3,NH3,NH4Cl(副产物）,Si,有机硅生产,CH3Cl,分解炉,CH3OH,NH3,合成尿素,CO2,后处理,CaCl2(废物),NH3,Ca(OH)2,VI.区域集成优化原则生态工业园区（ECOindustrialPark）,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,VI.集成优化原则生态工业园区建设,VI.集成优化原则冶金、造纸链接技术,球团法在矿冶中的重要作用冶金球团粘结剂纸浆褐液用于碎矿团的粘结,亚硫酸盐纸浆褐液用作有机粘结剂的可行性,与碱法制浆不同，亚硫酸盐制浆褐液中的木质素主要以磺酸盐的形式存在，由于制浆助剂对结构的破坏作用较弱，木质素的磺酸盐形成了网状的大分子结构，具备了一定的粘结能力。,图2木素磺酸盐的网状结构,亚硫酸盐纸浆褐液改性,木质素结构中既有酚羟基，又有醛基和羧基等，因此可与一些化合物在一定条件下进一步交联，增大分子量，提高其粘结能力。,