综述：全绿色化工的进展及前景

全绿色化工的进展及前景

摘要:全绿色化工是缓解资源与环境问题的理想途径。全绿色化工是以生物质为原料,采用清洁工艺,生产绿色产品。本文介绍了生物质气化或液化、生物质塑料方面的进展,以及生物质转化中主要副产品二氧化碳及甘油利用等情况。

关键词:绿色化工;工艺进展;节能减排;化工园区

一、研究背景

资源与环境是当今世界的两大问题,随着社会的发展,人类对资源的需求越来越多,但是化石资源的储藏量逐渐减少,不可再生能源正面临枯竭。进入工业化时代,由于大量消耗煤、石油及天然气,使大气中二氧化碳、硫化物的含量急剧增加。污染不仅给全球造成很大的经济损失,而且对我们的生存环境产生巨大不利影响。

资源与环境对人类生存提出了挑战。面对挑战,全绿色化工应运而生。所谓全绿色化工,采用无毒、无害的生物质原料;在无毒、无害的条件下生产,少产、甚至不产废物,达到零排放,其产品是安全的、环境友好的。

生物质是指所有动物、植物和微生物,以及由这些生命体排泄和代谢的可再生的或可循环的有机物质。生物质是直接或间接通过植物的光合作用,将太阳能以化学能的形式贮存在生物质体内的一种能量形式,广义上,生物质能是太阳能的一种形式,它可转化为许多有用物质,是取之不尽、用之不竭的可再生资源。

大力发展全绿色化工既能解决资源问题,又能解决环保问题。

全绿色化工的进展主要表现在生物质气化或液化、生物质塑料及加工过程中主要的副产品利用等方面。

二、研究现状

1 生物质气化

1.1 沼气[1]

以农作物秸秆、粪便、有机废水等有机废弃物通过微生物在厌氧环境发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体,即沼气。生物质沼气技术应用较早,早在20世纪70年代就开始,得到普遍推广,其成套技术现已日趋成熟,但是发展沼气存在问题主要是:厌氧消化产气率低、系统运行和管理自动化水平不高。

1.2 发电[2]

生物质气化及发电技术在发达国家受到广泛重视,生物质电能在总能源消耗中所占的比例增加迅速。1988年丹麦诞生了世界第一座生物秸秆燃烧发电厂,而后芬兰、比利时、奥地利等国也有这种发电厂,美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位,各类生物质发电站有350多座,发电总装机容量达700MW。据有关专家估计,到2010年,生物质发电装机容量将达到13000MW。小型生物质气化可采用固定床气化设备,大中型生物质气化以流化床气化为主,目前,正在进行实验室研究的还有气流床气化和旋风分离床气化。此外,美国的Battelle (63MW)和夏威夷(6MW)项目)B-IGCC (整体气化联合循环)气化发电示范工程代表生物质发电技术的世界先进水平。

1.3 合成气[3]

生物质气化可制得富含H2和CO的合成气,可制氢、甲醇和二甲醚等化工产品。从20世纪50年代开始,美国、日本、欧洲等就开始了生物质气化制取甲醇/二甲醚的研究工作,目前已经取得了相当的进展;瑞典已建立了生物质合成二甲醚中试装置;日本NHI的生物质气化甲醇合成(BGMS )近年也已完成中试,结果表明

该技术具有足够的工业化潜力。

2 生物质液化

2.1 生物柴油[4][6]

2.1.1 传统制备方法

目前,比较成熟的生物柴油制备方法主要有热解法和酯交换法。相对于热解法,酯交换法生产生物柴油费用低、工艺简单,而且制得的产品性质优良而成为当今研究的主流。根据催化剂的不同,酯交换法可以分为化学催化合成法和生物酶催化合成法。

(1)化学催化合成法的转化率相对较高,但工艺复杂、耗醇量大、能耗高、甘油回收困难、生产过程产生较多的废水。

(2)生物酶催化合成法的反应条件温和、原料品质要求较低、副产品分离工艺简单、产生废水少、设备要求较低。但生物酶催化法的转化率较低,这一缺点很大程度上抑制了生物酶催化法的发展。

2.1.2 第二代制备方法[5]

近年来,国内外一些研究者提出了基于催化加氢过程的生物柴油合成技术路线,动植物油脂通过加氢脱氧、异构化等反应得到类似柴油组分的直链烷烃,形成了第二代生物柴油制备技术。比较典型的是加拿大Sakatchewan研究委员会(SRC)和NaturalResource Canada合作提出了植物油加氢脱氧制备生物柴油的工艺。该工艺首座工业生产装置于2007年5月在芬兰南部建成投产,其生产能力达到170kt/a。

2.1.3 新工艺

制取生物柴油的新工艺很多,现举两个例子说明这方面的研究进展。

(1)超临界法制取生物柴油是指在超临界流体条件下进行的酯交换和酯化反应。它有两个显著优点:¹由于超临界状态下中介物或反应物的扩散速率远比液体中大,粘度远比液体中的小,反应物的溶解度增加,从而加快了反应速率,提高产率;脂类原料所含有的杂质不影响反应,甘油三酸酯的酯交换反应和游离脂肪酸的甲酯化反应同时进行,节省了预处理的设备和操作成本,使工艺更简单。超临界法虽然转化率高,但高温、高压的反应条件对设备气密性和精密度要求高,初期投入大,目前仅限于中试水平。

(2) Stavarache等研究了碱催化植物油和短链醇生产生物柴油过程中,使用低频超声波对反应的影响,发现由于超声波对液液互不相溶体系的乳化和空化作用,减少了反应时间,提高了产量。超声波法目前仅限于实验室,还未见有实际生产报道。

2.2 燃料乙醇[7]

随着汽、柴油价格的不断攀升,燃料乙醇又被人们所重视。制备燃料乙醇选用的生物质原料一般分为三大类:蜜糖类、谷物淀粉类和纤维素类。目前,世界上多数国家通常采用的原料是蜜糖类和谷物淀粉类,其工艺比较成熟。2007年世界燃料乙醇产量达4.4×1010L,主要集中在美国和巴西,两国产量约占世界总产量的90%。

目前工业化生产的燃料乙醇是以粮食和经济作物为原料的,从长远来看具有规模限制和不可持续性。利用秸秆、禾草和森林工业废弃物等非食用纤维素生产乙醇是决定未来大规模替代石油的关键。美欧等国研究开发纤维素乙醇已有10多年,近年来更是加大了对纤维素乙醇发展的支持力度。美国政府对率先建设纤维素乙醇生产厂实行优惠税收政策。英国BP公司宣布将在10年内投入5亿美