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二氧化碳绿色化是化工科技创新的重大命题
 
二氧化碳绿色化是化工科技创新的重大命题
 
目前,绿色化学科学技术发展突飞猛进,消除和减少二氧化碳带来的'温室效应',以及发展硫酸二甲酯、光气、苯、甲苯、二甲苯、卤代甲烷等有毒试剂的替代品势在必行。利用化肥生产过程产生的二氧化碳废气,开发具有广阔市场前景的绿色化工产品碳酸二甲酯及其系列产品,不仅具有巨大的社会效益和经济效益,还可能成为煤炭化学工业中二氧化碳废气高附加值利用的一种卓有成效的模式。就这一话题,日前记者采访了中国化工学会精细化工专委会主任委员王大全先生。
把减排当作义不容辞的责任
记者:中国化工学会精细化工专委会将于近日为我国第一个以碳酸二甲酯为主导产品的'全国二氧化碳绿色化高新精细化工技术创新示范基地'挂牌。开发和推广碳酸二甲酯这个产品,对二氧化碳绿色化有什么意义?
王大全:目前,由于地球大气中二氧化碳的含量显著增高,阻止了地球热量的散失,使得地球发生了可感觉到的气温升高,这种'温室效应'已经对人类的生存和社会经济可持续发展构成了极其严重的威胁。我国已经在《京都议定书》上签了字,并获得全国人民代表大会的批准,减排就成了我们义不容辞的责任。目前全世界二氧化碳排放量至少在270亿吨以上,能源专家预测,到2030年排放量可能达380亿吨以上。而我们中国目前至少有38亿吨,到2030年可能到71亿吨,占世界二氧化碳排放增加总量的1/4以上。我们要履行《京都议定书》的义务,任务十分繁重。所以,全行业都要把减排当作义不容辞的责任。
我国是一个农业大国,每年需要数量巨大的化肥,而其中氮肥占到95%以上。煤炭不仅是我们化工生产的主要能源,也是氮肥生产的主要原料。每年以煤炭为原料,生产满足我国农业需要的氮肥排出的二氧化碳是我国北方二氧化碳污染的主要来源。关闭一些污染严重的工业是我国环境污染治理的一个措施,但这一措施不适合我国的氮肥工业。因为氮肥是我们农业大国必须的大宗化工产品,而我们国家目前又没有这么大的财力进口巨量氮肥来支持我国农业的发展。此外,煤炭资源也是我国一大优势,氮肥工业仅是我国煤炭化工的一大分支,其他分支诸如煤炭电力,煤炭能源等等存在着比氮肥工业更为严重的二氧化碳废气污染的问题。所以,寻找消除和减少二氧化碳污染的途径不仅是我国氮肥工业可持续发展的出路,也是我国煤炭化工的出路。寻找切实可行的消除和减少二氧化碳污染的途径一直是各国政府关注的焦点,也是我国政府近来极为关注的课题。人们提出了许多办法来消除和减少二氧化碳的污染,如二氧化碳地下埋存技术,培养螺旋藻消除二氧化碳技术等等。但其中最好的办法就是将二氧化碳利用到工业生产中去,变废为宝,为国民经济的可持续发展创造新的经济增长点。
碳酸二甲酯是近年来受到国内外广泛关注的环保绿色化工产品。由于本身所具有的优良特性,碳酸二甲酯产品在医药、农药、合成材料、染料、润滑剂、食品添加剂、电子化学品等领域得到广泛应用;以其为原料,还可以开发制备多种高附加值的精细专用化学品;与此同时,它又是一种性能优良的高效溶剂,能有效替代苯、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、丙酮等溶剂,并广泛用作汽油和柴油添加剂、高级溶剂、高能锂电池电解液等。因此,1992年碳酸二甲酯在欧洲通过了非毒化学品的注册登记,产品被称为绿色化学品,被誉为21世纪有机合成的'新基石',市场需求每年以20%的速度递增,发展前景极其广阔。我们自主开发成功的以二氧化碳为原料,酯交换法合成碳酸二甲酯的这个新技术,生产一吨碳酸二甲酯要消耗0.65吨二氧化碳,而且已经打到国外市场,为二氧化碳减排提供了一条安全、可靠的工艺路线。这既能解决中国自己的环境问题,也能作为带动人类经济发展最有效,最实际的措施。
碳酸二甲酯:绿色精细化工首选产品
记者:与国外相比我们自主开发的工艺路线有哪些特点?目前国内碳酸二甲酯产业化是怎样一个状况?最终要达到一个什么样的规模?
王大全:碳酸二甲酯首先是国外搞起来的。已工业化的技术有光气法、甲醇氧化羰基化法(包括液相法工艺、气相法工艺和常压非均相法)和酯交换法。光气法是最早工业化生产DMC的主要方法。由于光气的剧毒性和工艺复杂性及其对设备的严重腐蚀性,且产品氯含量高,已经被逐步淘汰。甲醇氧化羰基化法因生产原料一氧化碳时产生大量固体废料,同时过程中有废水产生,副产3%~5%的草酸二甲酯,国内目前尚无用途,暂时只能作为废料处理,容易污染环境;羰基化反应往往在原料的爆炸极限区域内进行,对设备的安全和自动化控制要求较高;又因有酸性副产品生成,腐蚀设备,加之工艺流程长、设备投入大、原料路线长、产品成本高,国内还未能形成工业化生产。正在研究的尿素醇解法合成DMC工艺,虽然原料价廉、易得、流程短、无腐蚀、无污染,但生产过程中甲醇过量,分离能耗高,碳酸二甲酯选择性较低,尿素易分解成副产物,国内也尚未正式形成工业化生产。
我国开发碳酸二甲酯始于'六五'计划期间,并形成了具有中国特色的工艺路线。之所以选择碳酸二甲酯作为全行业科技开发的重点项目,就是想解决二氧化碳的减排问题。当时国内急需这类产品,但国外厂家不卖给我们技术,我们就下决心自主开发。我们自主开发的设计构思是将工业产生的废气综合利用,用高新技术转化为绿色产品,延伸下去生产各种功能性新材料,真正变废为宝。正好符合我们循环经济、可持续发展和环境友好的理念。
我们目前推广的成套技术是结合中国的国情自主开发的,这项技术在中国已是工业化的,有保障的。从碳酸二甲酯出发,延伸下去产品链很长,不但可形成群体产业,还可替代剧毒的光气和硫酸二甲酯,生产各种绿色高新精细化工产品和化工新材料,既绿色又安全,是世界上精细化工产品的发展方向。我们以二氧化碳为原料,采用高新的反应精馏酯交换技术,流程很短,产品纯度很高,转化率、选择性和收率都接近百分之百。这个技术一套装置可以同时得到三个产品,而这三个产品都是中国急需,并且比国外的羰基化法、树脂法投资都省了3/4~2/3。经过行业内的评价,无论在技术,还是经济、环保、质量、安全等几个方面在全球都有竞争力。由于这个产品在化工领域应用广泛,在我国现已形成规模化产业,对化工行业和国民经济的发展都具有十分重要的促进作用。所以,中国化工学会精细化工专业委员会正好借着调整精细化工产业结构和产品结构的时机,在全国有意识地、规范化地组织对这项技术的推广,组织下游的应用技术开发,让它形成产业链,以达到科技创新和原始创新的目的。在编制中国精细化工行业2020年长远发展规划里面,我们优选了21个自主创新的、有竞争力的成套技术,其中第一大项就是把二氧化碳绿色化,组织全行业的专家一同搞好。
从组织上来讲,以中国化工学会精细化工专委会与成员单位共同组织技术创新示范基地的形式来干。主要有两项工作:第一,先把'全国二氧化碳绿色化高新精细化工技术创新示范基地'的牌子挂起来,做到师出有名。基地主体是国内最早尝试开发这一产业的企业———唐山朝阳化工有限责任公司。他们自主开发的万吨/年级碳酸二甲酯酯交换法生产工艺,具有无毒、无腐蚀、无污染的优良特性,同时具有高转化率、高质量指标、低成本等优点,是一项具有国际先进水平的高科技环保工艺技术。该公司已完成两项万吨级碳酸二甲酯及其配套碳酸丙烯酯装置的技术转让,实现了技术资本的成功经营。关键是我们发挥中国化工学会精细化工专业委员会跨行业、跨地区、专家群体的优势,以'产、学、研、官、金'的组合形式,与龙头企业共同推行二氧化碳的绿色化,争取到2020年吃掉360万吨二氧化碳,将它转化为1300多万吨绿色高新精细化工产品和新材料,这样我们每年至少可以产生二三千亿元的产值,既解决我们国内二氧化碳的污染和应用问题,也解决人类的环境问题,并且带动了经济的发展。第二,在此基础上全面推广国内自主创新的技术。从上世纪90年代至今,我们自己的酯交换法碳酸二甲酯技术已经工业化了,已经有14套装置,产能大概是10万多吨。2020年将达到400万吨/年的规模。
绿色精细化工基地示范意义重大
记者:建立示范基地有哪些意义?建立示范基地希望示范什么?
王大全:建立示范基地首先是示范精细化工的内在规律,按照精细化工内在规律来干。精细化工的内在规律是什么?我从上个世纪70年代就开始研究这个课题,探索从分子设计入手,与化工新技术开发程序配合起来,这是今后化工从技术研究开发到产业化最好的方法和规律。我们示范了好多个项目,都是硬骨头,都成功了。现在从项目示范到基地示范,更有说服力,更容易推广。在示范基地内,把分子设计、化工新技术开发程序与高新技术结合起来,以设计出满足市场用户需要产品的内在分子结构为核心,并保证该产品使用时的物性和加工行为,把合成这种产品的生产技术做到最优化,使其原料的转化率、产品的选择性和收率都争取达到百分之百,做到原子经济反应,消灭'三废',实现零排放,达到绿色化。要示范规律,才能超越别人,真正靠科技创新赚到钱。
其次要示范'四化'。
第一个是示范工业化。在我国化工技术的放大和工业化是最大的问题,多年来研究、开发、放大成功的不多,就是因为没有按照规律干,只是阶段性的成果。我们的研究、开发一直要到第一套工业装置的示范、修改,回来那套技术才算是成熟的技术,国外卖给我们的'黑皮书'就属于这类东西。那套技术是经过反复验证、修改,是有保证的。以前,研究开发、设计、生产都比较脱节,没有形成一个整体。多年来,很多研究项目工业放大的实践不成功,问题就在于此。而我们往往只注意实验室的小试、中试工艺试验,基础研究、反应工程研究、应用研究都比较缺乏,工业装置原来都没有人管。所谓按照化工新技术开发程序干,就一定要按照工业装置概念设计的要求,进行实验室和放大的验证试验,求取必要的数据完成基础设计,第一套工业装置是示范装置,要考验其放大效应根据实践再对基础设计进行修改和完善,最后才能达到国外'黑皮书'或'软件包'的标准,这才是工业化的成功设计和成套技术,才能做到交钥匙工程,真正实现工业化。我们要示范这个化工新技术开发程序,这个程序是得到国家科技进步奖的。所谓分子设计就是以市场为导向,根据市场需求的产品的性能(化学性能、物理性能和加工性能)去设计这个产品的内在结构,以分子内在结构为核心来串连,研究保证这个产品内在结构和性能的合成技术分子设计和化工新技术开发程序紧密配合,就使研究开发的成套技术紧紧跟市场和用户结合起来,使工艺和工程结合起来,保证内在规律的实现,做到多快好省地实现工业化。
第二,要示范商业化。就是产品开发出来了,如果应用技术不开发也不行。我们以前没有明白工业化和商业化不是一个概念商业化概念就是通过应用技术复配技术,把产品跟市场结合起来。这种应用和复配技术的研究以前各方面都不很重视。计划经济时期是坐商,现在是市场经济了,你把产品交付给用户他要会用才行。国外很多专家讲,我就是教你怎么用这个产品,他的产品才能卖得出去。这方面我们与国外的差距最大。国外应用技术、复配技术所需的人员和设备是前面合成技术投入的三倍。我们就要研究怎么来延伸开发应用技术像二氧化碳延伸技术的开发,没有这个应用技术是连接不上的必须组织全行业研究开发后面的技术,才能解决前面的问题。像碳酸二甲酯产品,如果没有开发延伸产品的应用技术,前面再怎么开发也是不成功的。
第三要示范产业化。所谓产业就是群体产业。你仅有一个产品市场一变你的企业就死定了。如果我有系列产品,形成产业链,当市场变化的时候,东方不亮西方亮应变能力就强了,企业就有了生命力,才能活下去。上个世纪80年代,人们都认为搞精细化工是摇钱树,很多乡镇企业都在搞,开始还好,但市场一有变化,很多企业没有应变能力就死掉了。我们就要示范这个应变能力。而二氧化碳延伸下去就是群体产品,产品链那么长,不怕市场风险。在产业化方面,企业应该立足于开发系列产品,形成产品树,才能做到不断组合,做大做强,这样的开发要做到循序渐进。
第四,示范国际化。我国加入WTO以后面临的只有一个市场,因此要按照一个市场来考虑产业的布局,竞争力要有最高水平,要在一个水平面上参与国际竞争。经济、技术、质量、环保、安全,五大要素,还有服务和标准,这方方面面以前说是和国际接轨,现在要超前。要建立一种新的概念。
在此基础上,组建中国和世界二氧化碳绿色化行业,以全球性'产、学、研、官、金'的组合('官'指政府部门,而'金'是指银行),全力推进'京都议定书'的执行。为了更好地推进这一创新工作,建议我国和世界各国的政府对'二氧化碳的绿色化'予以重视和支持。
 
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