绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的运用

引言​

化学工业是国民经济的支柱产业，其产品广泛应用于农业、医药、材料等领域，对推动社会进步与经济增长具有不可替代的作用。然而，该行业长期依赖传统高能耗、高污染的生产模式，不仅消耗了大量化石能源，还排放了大量废水、废气和固体废弃物，加剧了能源短缺与环境恶化的双重压力。

1 绿色化学工程与工艺概述

1.1 绿色化学定义

绿色化学是一门以从源头上消除污染为核心的化学分支，它借助化学原理与技术手段，在工业生产的设计、原料选择、反应过程及产物研发等全环节，实现对环境有害物质的零排放或最小化。其核心目标是让化学反应中的原子尽可能完全转化为目标产物，减少副产物生成，从而在根本上避免污染物的产生，而非依赖末端治理。这种理念贯穿于化学工业的全生命周期，既关注物质转化的效率，也重视对生态环境和人类健康的保护，是实现化学工业可持续发展的关键理论基础。

1.2 特点与优势

绿色化学工程与工艺的显著特点在于全程性环保理念，它打破了传统化工 先污染后治理的模式，强调从生产源头控制污染，通过优化反应路径、选择环境友好型原料等方式，降低整个生产链条对生态的影响。其原子经济性特征尤为突出，通过提高原料转化率，减少资源浪费，使化工生产更符合减量化、再利用、资源化的循环经济原则。

1.3 发展现状

在技术研发层面，绿色化学工程与工艺已从概念探索迈向实际应用。绿色原料领域，生物质资源和可再生碳源的转化技术日益成熟，逐步替代传统化石原料；绿色催化剂方面，固体酸、分子筛等环境友好型催化剂因其高选择性和可回收性，在精细化工和石油化工中得到广泛应用；反应过程优化技术则通过微化工、光催化等新型反应模式，实现了反应条件的温和化与能耗的降低。

2 绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的关键技术

2.1 绿色原料的选用技术

绿色原料是指在化工工业节能领域利用最 前端的原料，即从化工生产的源头解决能耗与减排问题，用一些低能耗或污染较轻的原料替代原 中生物质原料应用最为广泛，为农作物的秸秆和残余物、林木的残留物、废旧植物纤维等 生物质原料的化工应用，可以依靠发酵、催化转化等技术途径，将原料生产为生物基平台化合物，最终转化生产为各种化工产品。

2.2 清洁生产工艺技术

清洁生产技术以最适宜的工艺过程和设备、最低的能量消耗完成化工生产的产品合成过程，是实现化工行业节能的关键技术。超临界流体技术是清洁生产的技术代表，即借助于一种物质在超临界区的特性，既具有良好的气体穿透能力也同时具备良好的液体传质能力，所以采用超临界流体可替代常规溶剂以代替其在化学物料分离及萃取中的使用；膜分离技术的特点是“分子筛分”，使其在物料分离阶段取代传统精馏实现低能耗效果。传统工艺中的精馏利用化学物质的沸点不同，在传统生产工艺中要通过多次高温蒸馏才能完成精馏过程，约占化工生产总能耗的50% 以上；而在膜分离时只需借助膜对物质的分层施加压差即可完成分离过程，不需要一个相的转变过程。

2.3 高效催化剂技术

高效催化剂可以降低反应的活化能、增加反应的选择性，减少无用的消耗和浪费原料是化工生产过程实现节能减排的重要技术手段。分子筛催化剂的微孔结构整齐、 其表面酸性的可控与调节，在石油化工过程中应用十分广泛。分子筛催化剂在催化裂化反应 进行识别和选择催化，减少副反应如焦炭生成的反应，从而提高原料的转化率，同时又使反 力降低，减少加热能耗；对精细化工合成过程来说，分子筛可以起到择形催化的作用，合成物中不会生成不需要的副产物，可以减少分离提纯的高能耗过程。

生物催化剂以酶类为代表，在其催化下进行反应条件温和、选择性极致等特点。酶催化反应一般在常压常温近中性环境下进行，无须高温高压的设备条件，从源头上减少能源消耗。在医药中间体的合成上，酶催化代替了传统化学合成的多步反应，一步得到高纯产品；在食品添加剂上，如利用淀粉酶、脂肪酶等生物催化剂生产，取代化学催化剂，使残余催化物问题得以解决，节约反应能耗。

2.4 废弃物处理与资源化技术中的节能环节

从废到宝的资源化处理的节能重点在于“以废为原料”，通过技术改造节能和资源重复利用。废气处理环节的节能优化主要体现在吸附介质的再生和燃烧利用率。利用活性炭吸附技术脱除有机废气后需要进行再生，再生一般以高温脱附进行，再生耗能较大；引入新的吸附材料蜂窝状分子筛，该技术可以采用蒸汽低压再生，节省再生耗能。催化燃烧技术是借助高效催化剂，将有机废气燃烧温度降到燃点下，相比直接燃烧可节约能源消耗约 30% 以上，并避免了氮氧化物等二次污染物质的排放。固体废弃物资源化处理的节能效益体现在取代原生原料开采和加工等能耗，对工业废渣，例如钢渣、粉煤灰，在破碎、研磨处理之后可以直接用作建筑材料的骨料，免去了开采和运输天然砂石的加工耗能；废塑料通过裂解生成燃料油，其耗能仅为原油炼制的60%。

3 化学工业节能现状与问题

3.1 化学工业能源消耗现状

化学工业作为能源密集型产业，其能源消耗呈现出显著的结构性特征。在能源消费结构中，传统化石能源仍占据主导地位，煤炭、石油和天然气作为主要动力来源和原料，支撑着大部分基础化工产品的生产。这种依赖不仅使得行业能源消耗总量居高不下，还因不同能源的转化效率差异，导致整体能耗强度难以快速降低。从能耗水平的整体趋势来看，尽管近年来行业通过技术改造和管理优化，单位产品能耗有所下降，但由于生产规模的持续扩张，能源消费总量仍保持增长态势。

3.2 化学工业节能面临的挑战

技术瓶颈。老化的传统化工工艺经过发展之后已经具备了一定的成熟度，但其能耗及排放指标已很难从本质上得到改善，以高效换热器、先进过程控制技术为代表的新一代节能技术，在产品研发阶段会存在反应机理复杂、工程难实施等问题，其产业化推广率不高。二是经济成本较高。化工企业实施节能改造会带来较大的前期投资，但回收期会比较长，资金链紧张的中小企业往往难以承受如此之大的短期经济成本。三是政策法规机制不健全。

4 促进绿色化学工程与工艺在化学工业节能中应用的对策

4.1 技术层面挑战的对策

创新和技术应用是打通绿色化工节能技术实施最后一公里的动力，应建立“基础研究—中试开发—产业技术应用”的产学研创新链。针对基础研究，应围绕分子层面的路径，即采用什么样的原料和设备，解决此类技术先天的能源效率优势等问题，如采用什么样的新型低能耗催化剂，设计什么样的高效传质装置等；鼓励新型低能耗催化技术的基础研究，由中央设置专项，以国家重点大学和科研院所为主，实施新型低能耗催化剂等绿色化工节能技术前瞻性研究，突破传统技术的藩篱。中试开发是技术工业应用的桥梁和关键环节，需要专业化中试平台，很多实验室阶段的绿色化工节能技术没有经过中试，因而无法被工业放大应用，鼓励由政府建设公共中试平台，配备小型化的生产设备与装置及检验监测设备，为企业提供中试服务，企业进入中试平台进行技术研发，实行科研院所出技术、企业出场地，大大缩短了技术转化时间；协同创新有助于加快技术更新，推动化工行业上下游企业协同攻关，如化工企业、化工装备公司合力研发专用的节能装置，与化工原料供应商联合改造绿色原料的供应模式；行业协会可倡导建立产学研创新共同体，打造协同创新联盟和技术交流平台，推进节能技术的经验交流与二次创新。

4.2 优化经济政策支持

方面，利用经济政策 利用的技术经济门槛。财政补贴应当对接 色原料的采购成本进行 则，避免补贴资金的套取风险。 所得税减免、增值税即征即退等措 以将企业获得税收优惠的措施 到激励利用的效果。积极构 限等融资模式；支持企业借 物等方式可有效缓解企业对技术性 绿色技术应用保险，以降低企业产品因应用新技术不完善所造成的投资损失

4.3 完善政策法规与加强监管

制度是一个行业良性发展的有力引导， 要建立起标准 - 激励 - 束三 结合的制度保障体系。积极推进绿色化工技术的行业标准体系建设 工艺的能耗指标、绿色原料的标准等，为企业绿色技 内市场成熟的绿色技术产品走向国际市场。激励政策要 业项目给予优先的项目立项审批及用地指标支持；建立行 造推广绿色技术应用的氛围。政府在有关节能减排方面的政策应 持 技术的规划，在园区规 留好绿色技术推广应用的相关设施。

加强监管执法约束。加大对化工企业能耗和排放的监管力度，推广在线监测的实时上传，实时监控企业的能耗和排放情况；未达节能指标的化工企业，责令其整改，不能改正者或予以处罚；建立红、黄牌预警及强制减产和停产的企业名单，并加大相关节能减排整改的监督力度。

4.4 提高社会认知与培养专业人才

加强对社会的认识，为绿色化工技术的实施创造条件。可多形式地为工业企业宣传绿色化工技术的应用能提高工业生产效率及降低生产消耗，为人民报道宣传绿色化工产品可以减少有害物质对自然环境及人体健康的危害，从而引导消费者自觉树立绿色消费行为，从而反向促使工业企业对绿色技术的提高。技术人才培养应与化工技术的应用同步进行，可建立“学校教育 + 企业培训”的人才模式，高校可对化学专业教育教学模式进行调整，可在教学中添加如绿色化学、绿色化工产品的节能生产技术，可开展多专业的课程学习、多专业并存，以便培养出高层次复合型技术人才。职业院校可与企业合作为企业定制技能类人才的教育，使学生的知识技能及能力符合企业对技能人才的需要。也可在企业内进行现有员工的培训，以保证企业的持续发展，可建立人才培训机制，定期进行有关绿色化工技术应用生产操作、生产操作中的节能技术应用的培训，定期为员工提供更多机会参与技术创新活动，对于企业员工的技术创新点应根据其合理的技术应用及研究工作等对其奖励。企业还应建立一个专业人才引进通道，为绿色环保化工生产带来世界级的技术发展与生产技术应用能力，在后期的人才梯队的建设上保证绿色化工技术在未来可以更好地促进企业产品的绿色生产。

5 绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的具体运用

5.1 绿色原料的选择与应用

对绿色原料的选择是化工企业节能的第一个环节，其原则是环境友好、绿色可再生原料替代高耗、高污染的原料，例如秸秆、淀粉、木质素等生物质原料可经生化转化成为乙醇、有机酸等基础化工原料，这类原材料不仅取之不尽、用之不竭，而且原料生产过程产生的碳排放远小于传统的化石原料。安全无害原料替代也有效降低了企业生产的安全和环保风险。传统化工常用的光气、氢氰酸原料逐步被安全无害的二氧化碳、碳酸二甲酯等绿色化学品取代。

5.2 绿色催化剂的研发与应用

绿色的催化剂从源头上降低化工反应过程中的能耗。 筛催化剂具有规律的孔道结构及可调控的酸性质，在石油炼制催化裂化过程中运用，比传统的催化剂的原料转化率要高。 在医药中间体的合成过程中，脂肪酶催化不对称酯化反应是在常温常压状态下进行反应，不需要高温高压的条件，只有传统化学催化的 1/5，且其产物的纯度更高，降低分离提纯时所用的能源。

5.3 绿色溶剂的开发与使用

绿色溶剂通过减少挥发性有机化合物（VOCs）排放和降低分离能耗实现节能。超临界二氧化碳溶剂兼具气体的扩散性和液体的溶解能力，在天然产物萃取中，可替代传统有机溶剂，萃取过程无需高温加热，且二氧化碳可循环使用，离子液体作为可设计溶剂，具有零蒸气压、高热稳定性的特点，在精细化工合成中可反复使用，减少溶剂损耗。

5.4 化学反应过程的绿色优化

绿色优化能够直接有效提高反应的能量利用效率。在氨合成工业中，原有反应工艺是高温高压反应条件，能量损耗巨大，而采用新型的低温 低压合成技术，在活性组分、反应气配比优化情况下，可在反应温度为300℃、反应压力为 10MPa 条件下实现高值合成，且单位产品能耗降低了 20% 以上。连续流反应技术在微米量级反应器内强化传质传热，可以使得反应在瞬时达到平衡，避免了间歇反应过程中的温度升降温浪费能源现象。

5.5 绿色化学工艺集成与优化​

工艺集成通过系统层面的能量与物料耦合， 实现全流程节能。热集成技术将反应过程中产生的余热通过换热器网络回收，用于预热原料 醇合 放热可通过废热锅炉产生蒸汽，驱动汽轮机发电，满足装置 建闭合循环系统减少原料消耗。在氯碱工业中，将电解产生的氯 成过程耦合， 生成 回电解槽循环使用，既减少了废物排放，又降低了原料采购与运 的能耗。借助过程模拟软件对全流 行优化，可精准匹配各单元的能量需求，使整体工艺的能源利用效率提升。

结语

绿色化学工程与工艺为化学工业节能提供了系统性解决方案，从原料、催化剂到工艺集成的全链条优化，既降低了能耗，又减少了污染。尽管当前面临技术成本、创新能力与政策支持等方面的挑战，但随着技术迭代与机制完善，其应用前景广阔。未来需持续推动产学研融合，强化政策激励，提升企业践行动力，以加速化工行业向低碳绿色转型，为实现双碳目标与可持续发展注入持久动能。

参考文献

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