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廣東石油化工學院坐落于中國南方最大的石油生產基地——廣東省茂名市，為華南地區唯一一所石油化工特色院校。學校的化學工程與工藝專業是國家級特色專業建設點，畢業生遍布全國各地的石油化工行業，就業具有很強的針對性，深受用人單位歡迎。廣東石油化工學院化學工程與工藝專業人才培養的目標是為社會輸送具備化學工程與工藝基本理論、基本知識和基本技能，具有較強工程實踐能力、良好的創新意識和較高綜合工程素質的人才。畢業生能在石油煉制、石油化工、能源、環保、材料等部門從事工程設計、技術開發、生產管理等方面的工作。化學工藝學作為該專業一門重要的專業課，是基礎化學、化工熱力學、化學反應工程、化工原理等課程的綜合應用。通過該課程的學習，要求學生掌握化工生產的基本原理、主要化工產品的生產方法、工藝流程等。在化學工藝學課程教學中，應注重強化學生的工程意識和基礎知識的實際應用能力。

一 結合石油化工特色，創建課程群

從人才培養的角度看，石油化工高校培養的畢業生應具有較強的工程實踐能力、良好的創新意識和較高的綜合工程素質，以適應石油煉制或石油化工等相關行業的人才需求。畢業生不但要懂得某一專業的基礎理論，還要具有某一崗位所需要的生產操作和組織能力，并能在現場進行技術操作和改進，解決生產實際問題。因此，廣東石油化工學院石油化工專業所培養的人才具有基層性、實用性和技術性，這是本專業區別于其他普通高校教育的一大特色。根據本專業的特點和學生的基礎及接受能力，以培養學生的綜合實踐操作能力和創新能力為主線，可將石油煉制工程、石油化工產品分析技術、石油產品應用技術與開發、石油儲運基礎等課程創建一個課程群，圍繞本專業人才培養目標，對各課程的主要內容進行精選優化，調整化學工藝學的教學內容。可從這些主干課程中選擇一些典型的石化產品，作為化學工藝學的教學案例，分析這些石化產品的生產方法、工藝流程、工藝參數、條件影響等。這種處理方式對課程群里面其他的課程教學可起到輔助和鞏固的作用。

二 優化和更新化學工藝學的教學內容

根據教學大綱對教學內容進行處理，把各章節內容按照了解、掌握、應用、設計等不同要求作詳細的定位。例如，對于工業生產中已經不采用的生產方法，只要求學生了解某種工業過程可能有多種生產方法即可；對需掌握的內容，可以要求學生對各種生產方法進行比較，分析其適用范圍、效果、操作條件、能耗等，從技術經濟的角度選擇生產方法。學生不僅要掌握教材介紹的幾種基本化工產品的生產，而且其生產--方法要會應用，能夠舉一反三，要能設計出一些簡單的生產工藝。例如，在講授合成氨時，可以先引入哈伯法合成氨工藝的歷史及哈伯本人的一些簡介，既可以提起學生對合成氨工藝的學習興趣，又可以了解一些名人的事跡。當學生有了興趣之后，可以從不同的原料角度，引入不同的生產工藝，如以煤為原料，以天然氣為原料，以重油為原料的合成氨工藝，其各自的工段均有所不同，可以在講授完后讓學生總結各不同原料合成氨工藝的異同，這樣學生學完之后印象深刻，可以吃透這部分內容。

另外，在組織化學工藝學教學內容時，應著重突出石油化工特色。在第一次化學工藝學講授過程中，讓大家認識到本門課程的針對性、重要性及實用性。在第一章“緒論”部分組織講授材料的時候，可以結合茂名煉油產業鏈，圍繞幾個關鍵詞如石油化工、石油煉制、乙烯工業、茂名乙烯、石化工業區等展開內容學習。例如，乙烯工業是指以石油餾分為原料裂解生產乙烯為主，同時生產丙烯、丁烯、芳烴等產品的生產過程。乙烯是石油化工的基本有機原料，目前約有75%的石油化工產品由乙烯生產。乙烯主要用來生產聚乙烯、聚氯乙烯、苯乙烯等多種重要的有機化工產品，乙烯產量已成為衡量一個國家石油化工工業發展水平的標志。再如，對乙烯產品結構的介紹（塑料類、合成橡膠類、液體化工類）；對長三角、珠三角、環渤海灣大型煉化一體化企業集群及沿長江產業帶分布的介紹等，這些內容可以讓學生清晰地認識未來的就業方向、就業區域和就業前景。在這種情況下，學生會充分認識到化學工藝學這門課程的針對性和重要性，在后面的時間里自然會重視這門課程的學習，因為這些內容的學習與他們未來的就業息息相關。

圍繞本專業人才培養目標，針對畢業生的就業特點，廣東石油化工學院的化學工藝學這門課應該調整教學內容，注重重點內容的凝練。其重點內容應圍繞乙烯工業展開。

如以茂名石化乙烯為例，學習乙烯生產原理、工藝技術、產品應用等基本知識；以茂名石化工業區為例，學習乙烯下游產業鏈、產品應用等基本知識。

乙烯生產原理主要包括乙烯生產過程中的化學反應規律、反應機理、熱力學及動力學分析，乙烯生產的工藝參數和操作指標（如原料性質及評價、裂解溫度、烴分壓、停留時間、裂解深度等）及乙烯生產的工藝過程等。

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根據資料顯示，中國已經成為世界上最大的px生產國和消費國。px項目一直飽受爭議：一方面，px涉及的產業收益巨大，各地相繼建立了一些比較大的px項目，用于促進當地經濟的快速發展；另一方面，px本身的毒性和以及在生產過程中產生的污染，使得多地民眾對px項目的建立和實施產生了抵制情緒。px項目啟示我們：科學技術是把雙刃劍，人們在利用科學技術改變社會，造福人類的時候也不能忽略它帶來的弊端。隨著科學技術負影響的顯現，工程的倫理性逐步走入了人們的視野。自20世紀70年代起，工程倫理學在美國等一些發達國家開始興起。經歷了20世紀的最后的20年，工程倫理學的教學和研究逐漸走入建制化階段。在我國，類似的工程倫理道德規范以及法制化建設方興未艾，我國工程倫理學的春天正在逐步逼近。

二、化學工程倫理規范的構建

作為工程的一支，化學工程有區別于一般工程的特點：

（1）化學工程潛在風險大

（2）化學工程對人的影響更直接

（3）化學工程的監控難度大

基于化學工程的以上特點，化學工程倫理規范的構建就尤為重要。

化學工程理論是工程理論的一部分，將科學技術轉化為生產力的化學工程，不僅是一種技術的應用行為，同時也應該被視作一種社會實踐活動。因此，化學工程倫理規范的構建應該技術和社會實踐兩方面來考慮。

第一，技術方面：

（一）降低化學原料的威脅

首先，化學工程中使用到的原材料，大多數都帶有危險標記，對人們對健康具有一定的威脅。甚至，有些化學原料無色無味，可以使人在不察覺的情況下吸入或接觸到，從而造成對人體的傷害。危險化學原料應該具有醒目的危險標志是十分必要的。

其次，危險化學品在生產、儲存、使用、經營和運輸過程中都應得到妥善處理。有些危險化學品，可以通過冷藏壓縮，密封保存等技術手段來降低和消除對人體和環境的危害。運用專業的技術降低化學原料的威脅刻不容緩。

（二）保證生產過程的規范和安全

在化學材料的生產過程中涉及很多環節，每個環節都可能具有潛在的危害。保證整個生產線都達到科學工藝的要求能夠減少工程事故和對環境的危害。

首先，通過對相關技術人員的培訓，使其了解生產過程環節的危害，使其在每個生產過程中的操作都符合相應的規范，對于一些故障能夠妥善處理。

其次，運用技術手段對每個生產環節可能出現的危險進行預防和控制，要有完備科學的三廢處理設備，保證生產過程的規范和安全。

（三）治理和修復化學工程對環境的危害

對化學工程對環境的污染應該做的預防為主，防治結合，綜合治理。但是，有些化學工程對環境的危害，運用目前的技術手段不可避免的。或者，由于種種原因，對環境的污染已經造成，都可以運用相關技術，采取有效措施，對污染后的環境進行治理和修復。

首先，必須對環境污染工程進行詳細分析，找出污染源，確定污染物，最終制定相應措施對環境進行治理和修復。

其次，修復過程中采取的方式方法，應該充分考慮到周邊公共建筑和相關人群的敏感度等因素，建設修復設施不得對場地及周圍環境造成新的破壞。

第二，社會實踐方面：

（一）借鑒國外成功經驗的同時，結合中國的具體情況

對于化學工程倫理規范的構建和制定，國外的研究比國內要早，因此很多的成功經驗值得我們學習和借鑒。

但是，國外的研究現狀不完全適用于中國國情。在國外，工程倫理的研究主要針對工程師的倫理分析，因為國外的工程運行體質是以工程師作為工程責任的獨立主體。而在國內，工程師側重的是技術層面，工程從論證到實施及運行，分別由不同的主體承擔責任，工程師很難做到獨立承擔。

因此，處理化學工程倫理規范的構建問題，應該借鑒

國外成功經驗的同時，結合中國的具體情況。

（二）構建過程中要明確不同角色的不同權利義務

一個化學工程的項目，一般涉及多個角色，不同角色在項目中有著不同的分工和責任。

化學工程師應保證化學工程科學合理的論證和設計，全力參與、全程跟蹤化學工程活動，同時對化學工程的每個生產環節進行監督，從而降低化學工程風險，保障化學工程合倫理性。

工程決策者應該根據針對工程中可能存在的問題和風險進行分析，制定不同的備選方案，選擇合適方案，實現工程最優化。

政府部門應該在道德約束和倫理規范尚不完善的情況下，對化學工程中的每個參與者進行監督，明確他們的權利義務，監督和管理化學工程的實施。

公眾是化學工程的最直接利益相關主體，有權監督化學工程的運行和實施，捍衛自身健康和生存環境安全，并對化學工程的負影響，提出正當的倫理訴求。

（三）化學工程的倫理規范要高于一般工程

化學工程具有一般工程的特點，同時高危險性高污染性使得化學工程與一般工程的不盡相同，化學工程對環境和人類健康的影響更為迅速和直接，與公眾的生存環境和自身健康息息相關。因此，化學工程的倫理規范要高于一般工程。

首先，化學工程倫理的制定和實施要比一般工程更加嚴格，確保化學工程的規范和安全。

其次，對化學工程倫理的監督和執行也要高于一般工程，敢于接受社會各方面的監督，取得公眾對于化學工程的信任。

三、結束語

廈門、大連、寧波和咸陽等地的px項目啟示我們，只有不斷地完善化學工程倫理規范的構建才能確保化學工程的持久化發展，真正地做到以人為本，促進人與社會的和諧發展。

化學工程倫理規范的制定應該從技術和管理兩個方面來考慮：

化學工程是工程的一個重要分支，化學工程倫理規范應該在原有工程倫理規范的理論框架下，同時結合化學工程理論來構建。通過技術了解危害，規范操作，對可能的危險進行預防和控制；

同時，任何一個工程也是一種社會實踐活動，那么就不應該脫離社會而獨立存在，當然也應該受到社會倫理規范的約束。

通過管理，結合國內的具體情況，明確不同角色的權利和義務，同時制定相應的化學工程倫理規范。

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一、工藝安全管理的發展歷程及關鍵要素

1.發展歷程

隨著科學技術的不斷革新，新工藝、新產品的不斷涌現，裝置規模的日益擴大，給化工、石化等產業帶來了巨大的變化。緊接著，由于涉及的化學品種的增多，處理、儲存數量的增大，應用工藝技術的復雜化，操作條件的苛刻化，導致工藝系統的危害也更加多。在全世界范圍內，化工和石化行業發生的一系列重大的工藝安全事故，引起了世人對工藝安全的注意，同時，孕育了一系列的相應法規。

1977年發生在意大利塞維索的有毒蒸氣泄漏事故，促成了歐洲第一部對于工藝安全法規的頒布，即1982年歐洲的 «Seveso I指令》。1985年，發生在印度博帕爾的事故舉世震驚，這也促使美國化學工程師協會成立了一個專門的化工工藝安全中心即為CCPS ，該中心的設立為化工、石化等行業提供工藝安全技術及管理的方面的全面支持，防范重大工藝安全事故的發生，同時，出版了一系列安全導則。1992年，美國職業安全健康局(OSHA)，頒布了關于高度危險的化學品的工藝安全管理系統相關要求。1996年，歐洲的《Seves。I指令》修訂為 《Seveso II指令》，它通過吸取博帕爾事故的教訓教訓， 更強調了對重大危害的控制，建立工藝安全管理系統的必要性。1996年，韓國政府也參考美國 0SHA的PSM體系，在韓國國內頒布了工藝安全管理系統要求。同時，1999年的美國環保局(EPA)在0SHA工藝安全管理系統的基礎上，補充風險評價、應急預案的要求，頒布了《凈化空氣法案》。

工藝安全管理及技術自20世紀80年代以來，開始蓬勃發展。在進入20世紀 90年代以后逐漸發展成為一門獨立的學科。目前的美國和歐洲非常重視工藝安全管理，強調運用系統方法、技術預防工藝安全事故的發生， 并且在高危險性的行業中強制推行工藝安全管理。

2.PSM基本要素

美國職業安全健康局(OSHA)、美國化學工程師協會化學工藝安全中心(CCPS)、美國化學協會 (ACC)和美國石油協會(API)均有為工藝安全管理系統定義的一系列不同的PSM組成要素。這些要素大多都是類似甚至相同的，都是為了預防重大的工藝安全事故并減輕后果。

其中，OSHA規定的PSM，主要應用于加工工業。它對“工藝”的定義是：使用、儲存、加工、處理或在工廠范圍內轉移危險的化學品，或是上述綜合活動。在PSM法規中，有一個危險化學品清單，其中包含130余種有毒或具有反應性的化學物品，同時對每種化學品進行一個數量標準的規定。如果工廠處理危險化學品的數量達到、超過表中的標準時，就需遵守PSM規定。但是PSM法規不適用于零售設施、油井設施、氣井設施以及無人操作的設施。

二、國內外PSM實施情況

發達國家大型的化工、石化公司，均建立了完善的工藝安全管理系統并制訂了相關法規及配套的實施指南，在工廠的各個時期嚴格執行。我國國內還在深入研究和積極推廣的階段。

1.美國PSM實施情況

在美國,這種管理系統是作為法規形式存在的，不僅有權威性，同時也說明工藝安全管理的必要性以及適用性。以陶氏化學為例。陶氏公司全球所有設施所執行的EHS管理體系 和標準均已達到OSHA PSM法案的絕大部分要求，在這些要素中，工藝危害的分析是陶氏化學的一個特色要素。

陶氏的工藝危害分析采用的主要是分級管理。這種方法的特點是將對工藝危害的分析按從簡到繁、從定性到定量進行分級別管理，陶氏化學工藝的風險管理采用的是層進式風險分析方法，過程如圖。

第1層，對所有的設施進行工藝危害分析，所采用的是火災爆炸的危險指數、化學品的暴露指數 (CEI)、RC-PHA調查問卷、保護層(LOPA)的目標值等方法；第2層，對設施的特定單元操作采用因果成對鑒別、HAZOP、LOPA、建筑物的超壓分析等方法，進行附加風險的檢查；第3層，對目標工藝進行增強型的風險檢查；第4層，選擇少數的高風險活動場景進行QRA。根據分析的組合以及事故發生的頻率來進行選擇。

2.國內工藝安全管理的現狀

在我國國內，只有很少的有關工藝(過程)安全管理體系的資料。還沒有相關的法律法規標準。雖然，國內許多企業實施了 HSE 管理體系以及ISO體系，但這些體系沒有相應法規的強制性要求，有些甚至還存在表里不一的現象。特別在這個化工和石化行業已經從引進成套技術逐漸轉為自主設計、技術改進的階段，問題顯得尤為突出。近幾年，國內的化工和石化行業中發生的重大事故，歸根結底，都是工藝安全方面的問題。所以，現有項目以及新開發項目的整個生命周期的工藝安全管理已經成為了一個急需解決的問題。還有一個客觀原因就是不同企業之間的工藝安全管理有較大的差異性，給政府的監管也帶來了不便，同時也不利于同行業內關于工藝安全信息的交流，不利于安全水平的提高。總而言之，國內一方面缺乏工藝安全管理的有關研究，另一方面缺乏相關的法律法規。導致沒有符合我國國情、與世界同步的工藝安全管理模式。因此，在國內化工和石化行業，建立、貫徹有效的工藝安全管理系統是十分必要的。

三 、工藝安全管理推行的建議

1.充分理解區別工藝安全管理與傳統安全管理

工藝安全管理，是將技術、程序和管理實踐整合在一起，形成以風險預防管理為重點的管理體系，主要對象是工藝介質本身以及涉及危險化學品的過程、廠站設施，通過控制工藝系統的動態變化，體現對工藝風險的“過程管理”。與傳統的安全管理相比，在模式上更注重過程控制、與超前防范，對象上，不同于單純關注人員作業風險的管理，更加強調了對工藝系統、設備設施的安全風險管理，在特點上，不再以經驗管理為主，更重視了運用科學系統的分析方法，強調對風險的系統評估、合理控制以及響應程序等。

因為我國的多數化工企業還沒有真正接觸、了解工藝安全管理，因此，首先應該加強工藝安全管理的認識和培訓，從轉變理念入手，走出工藝安全管理第一步。

2.獨立的組織機構支撐

在歐美等工業發達地區，工藝安全管理從20世紀80年代開始就已經發展成了了一門獨立的學科，但我國國內最初并沒有將工藝安全管理作為一門獨立的學科。所以，我國國內企業應該從國外發達國家引進工藝安全管理的理念，在借鑒經驗和做法的基礎上，積極探索，形成具有自身特色的管理模式。

3.工藝安全管理人員的技能水平提升

工藝安全管理人員包括涉及實施所有工藝安全管理要素的專業技術、管理、操作人員、專業分析師等，工藝安全管理系統的有效運作，需要每個員工的參與。因此，在一定意義上，工藝安全管理人員的技能，往往決定著某個單位工藝安全管理工作的水平。

合理、有效的培訓是提升工藝安全管理人員技能的主要途徑，我國相應企業應該舉辦大量的包括風險評價方法以及專業技術知識在內的相關工藝安全的培訓，可以用脫崗培訓、在崗培訓這兩種培訓方式，培養出一批高素質的工藝安全的管理人員。

4.工藝安全信息的有效利用

工藝安全信息產生于工藝裝置使用的各個階段，是進行危害辨識、風險控制的有效依據，是其它工藝安全要素推進的基礎，同時工藝安全信息又是其它要素實施結果的“輸入”終端。 因此，工藝安全信息的有效利用在某種程度上也反映了工藝安全管理的水平。

5.完備的技術標準支撐

工藝安全管理區別于傳統安全管理的主要特征就是它具有的專業技術性，其管理目標 是實現工藝技術（設備）的本質安全。開展工藝安全的分析、工藝技術的變更、施工工藝安全的管理等要素活動，均與技術標準有千絲萬縷的關系， 因此，要做好工藝安全管理，形成一套對企業適用性強、高標準的技術標準體系是很重要的。

6.定期開展評估審核

工藝安全審核可以有效評估和考核 各個工藝安全要素的落實情況，客觀反映工藝安全管理水平，持續提高工藝 安全管理標準（制度）的執行力，對于工藝安全管理在整體深入過程中的不足，進行及時更正，制定有效的改進措施，不斷提高工藝安全管理水平。

結語

我國國內與國外相比，不論在經濟發展水平、運行方式、員工水平還是理念和文化等方面均存在差異，所以，不能直接照搬國外的工藝安全管理模式以及相關規定。而是需要根據我國的安全管理現狀，積極借鑒國外的經驗和做法，積極探索，不斷努力，讓工藝安全管理有更美好的明天。

參考文獻

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早在半個世紀以前，西德就采用N一甲基毗咯烷酮（NMP）作溶劑，裂解萃取蒸餾丁二烯。以后，在世界各地陸續采用并加以改進。NMP法萃取蒸餾丁二烯工藝，具有溶劑的選擇性高、無毒、無腐蝕、水解穩定性和熱穩定性高、沸點高、常溫蒸汽壓低，丁二烯收率高、純度高，以及整個工藝綜合技術經濟效果優越。

如今，根據所采用的萃取溶劑的不同，丁二烯抽提生產工藝主要分為3種：NMP法、DMF法和ACN法。與NMP法和DMF法相比，ACN法具有一定的優勢，但乙腈溶劑毒性較大，隨著人們的環保意識日益加強，該工藝逐漸被淘汰。而NMP工藝由于其諸多的技術優勢，文中對NMP法和DMF法2種工藝進行對比，闡述了NMP工藝的綜合優勢。

一. NMP法丁二烯抽提工藝比較

N一甲基毗咯烷酮（NMP）是一種性能優良的高沸點溶劑，具有強極性、惰性、低粘度、溶解能力強、穩定性好、無腐蝕、揮發性低等特點，目前已在許多工藝路線中取代了其它溶劑。其生產工藝可以采用y一丁內醋與甲胺縮合路線，它是目前可靠而成熟的工藝生產路線。各個廠家大致相同.NMP目前主要用于回收丁二烯。高溫裂解制取乙烯副產品餾分中含有較多的烯烴。而NMF法不但毒性小、無腐蝕、萃取效率高，而且省卻了抽余液加氫脫炔烴工藝，可節能一半。用NMP從含有環戊二烯的裂解餾分粗品回收異戊二烯純度可達到99%r。世界采用NMP法回收異戊二烯已占總生產能力的10%。NMP法丁二烯抽提 工藝從反應壓力可分為高壓法工藝、中低壓工藝等。

1.1 高壓法工藝

這一技術的發展最早。其工藝分鍋式法和管式法2種，除反應器不同之外，其他的過程基本相同。在丁二烯高壓法聚合反應屬于自由基聚合反應，反應過程包括鏈出發，鏈增長，鏈終止和鏈轉移。低密度聚丁二烯工業生產中通常采用高壓氣相聚合法，該法生產的低密度聚丁二烯的最重要的方法，因此低密度聚丁二烯被稱為高壓聚丁二烯的歷史。它以純度達到99.95%的丁二烯為原料，采用微氧，偶氮化合物有機或無機過氧化物，使引發劑，進行自由基加成聚合氣相高的壓力下。當反應壓力為100 ～ 350MPa，聚合溫度150 ～ 30℃。由于其反應溫度高，易發生鏈轉移，因此產品支鏈多曲線的大分子。聚合度主要由反應壓力、反應溫度、引發劑用等因素影響的量，分子量調節器。在釜式法工藝的材料是近似在整個交流，壓力溫度相同時，產物的分子量分布窄，支鏈的鏈許多，因此產品的沖擊強度很高；在管式法工藝反應物料近似于柱塞類，溫度壓力梯度大，產物的分子量分布寬，支鏈少，更適合生產膜類。

1.2 中低壓工藝

該工藝主要有漿（懸浮法），溶液法，氣相法3種。漿工藝的工業化時間早，技術成熟，產品質量好，丁二烯的轉化率超過90%。分為攪拌式反應器和管式反應器2種工藝，根據反應器形式。歐洲和日本廣泛使用的攪拌釜式淤漿聚合工藝的代表；管反應器淤漿聚合工藝，代表公司為美國飛利浦。溶液法可能產生的熔融指數為0115 ～ 150g/10分鐘每種產品，本產品質量好，膠體灰份低，產品的密度范圍為0191 ～ 0.96g/cm3.solution聚合時，單體和生產聚合物溶解在惰性溶劑，聚合溫度和壓力高。

1.3 兩種工藝的比較

高壓法需要專門的技術和設備，工作壓力高（150 ～ 400MPa級），投資大，雖然近年來低密度聚丁二烯LLDPE LDPE的市場沖擊，但其采光質量，靈活性和易性好，仍有一定的競爭力，其處理技術仍在發展。所有的使用溶劑的淤漿法、溶液法，生產成本高，生產效率受到限制。在淤漿聚合一些低密度聚合物的溶解度大的溶劑溶解時，后張使反應體系的粘度增加，造成操作困難，溶液法生產的高分子量產品溶液的粘度的增加，攪拌困難，限制了生產力的提高。由于氣相流化床工藝不在粘度限制溶液法和淤漿法工藝的溶解度極限，投資和運行成本低，原材料和宣傳項目耗能低，產品范圍廣，操作彈性大等優點而發展迅速，目前新建裝置約70%使用氣相法工藝。這是PE工藝的發展方向。流化床工藝可以生產HDPE、LLDPE，特別是LLDPE成了短支鏈主鏈的植物，從一棵樹邊，結晶度高于LDPE，HDPE和LDPE性能具有空間頻帶之間填充LLDPE與LDPE相比，具有突出的抗穿透性，抗沖擊和抗拉伸性能，可廣泛應用于薄膜，如包裝，李寧膜農用膜。此外LLDPE高于LDPE的抗剝離強度，可在域等壓縮成型和油管，因此LLDPE在過去的20年里，消費量持續增長。氣相流化床工藝可生產熔融流動指數范圍非常寬的產品，從70年代初開始迅速成為聚丁二烯主導工藝。

二. DMF 法及其與NMP法的區別

DMF 法又稱 GPB 法， 目前是生產丁二烯的各種方法中產量較高的 1 種。DMF 工藝中， 萃取系統的每個塔都設置了再沸器， 并且部分再沸器有在線備用， 數量較多。NMP 工藝在生產過程中不會產生影響產品質量的胺類雜質， 在生產運行期間具有較大的節能優勢。NMP 的選擇性、溶解度、閃點、空氣中爆炸范圍、等性能均優于 DMF。但 NMP 的粘度大于 DMF。由于萃取蒸餾塔的板效率和物料的粘度成反比， 所以 DMF 的塔板效率要優于 NMP。NMP 法的廢水、廢氣和廢渣量較DMF 法低很多。DMF 職業性接觸毒物危害程度為Ⅲ級 ， 在水存在下會分解， 且含 DMF 的廢水不易被生物降解。DMF 對人體的毒性是累積性的， 無法從體內排出， 而且裝置的允許泄漏點較多， 因此DMF 對裝置員工的健康危害較大。含 DMF 的廢水也會危害周圍環境， DMF 落到水泥地面后極難清除， 而且 DMF 法每次排放焦油都會對周圍空氣產生較大污染。NMP 基本無毒， 用水很容易沖洗干凈。熱穩定性和化學穩定性極好， 即使發生微量水解， 其產物也無腐蝕性。廢水中含有微量 NMP， 也易于生物降解， 有益于環境保護和人身健康， 具有環保優勢。

三. 結語

盡管 NMP 工藝存在一定的不足， 但綜合來看， 該工藝還是優于DMF 工藝， 尤其在裝置的能耗、溶劑的性能、防聚合和環保等方面具有明顯的優勢。在今后新建丁二烯抽提裝置的技術選擇方面， NMP 工藝越來越為人們所接受。

參考文獻

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一、石油化工廢水的重要特征

石油化工產業在進行生產的過程中，產生與排除的廢水量十分巨大，從其所含有的成分來看，存在著原油脫鹽水、洗滌水、冷凝水、油罐的脫水、機泵的冷卻水與鍋爐的排污水等等，其產生的廢水量與污染物質是隨著煉廠的類型及加工工藝等方式而存在一定的差別。一般的煉油廠殘渣廢水主要來自常減壓、催化生產的初常頂油和催化汽油、催化柴油等油品用堿液進行堿洗后的廢液，而所洗的產品不同，殘渣的性質也存在著一定的差異，對殘渣的物質分析，我們發現，其仍然存在著一些有用的物質，我們必須采取有效的回收對策，實現資源的利用最大化，剩下的物質無法被利用，作為殘渣排放，對這部分物質的含油量分析，我們發現，一般情況下，其COD值都特別高，可高達數十萬，COD及硫化物、酚等污染物的排放量占煉油廠或石油化工污染物排放量的20~30%，除此之外，還含有一定部分的酚和環烷酸，對這部分物質必須采取有效對策進行處理，否則將會對整個系統造成一定的污染，將會對整個企業造成嚴重的沖擊，影響無處處理系統的功能發揮，所以，加強對殘渣廢水的處理是十分必要的。

二、處理殘渣廢水的有效對策分析

從我國當前的科學技術水平來看，對殘渣廢水的處理工藝水平相對較高，以硫酸酸化法、焚燒法、稀釋處理發、濕式氧化法、利用催化裂化再生煙氣中和高級氧化組合工藝處理堿渣法為主，下面就對這幾種工藝進行詳細的分析

1.傳統的硫酸酸化法

這是較為傳統的對殘渣廢水處理的工藝，首先其程序是進行沉降除油、然后用硫酸酸化，最后進行分離。其原理對廢水的酸堿值進行調節，除去大部分的油，但是其除去污染物的能力十分有限，經過這一處理工藝的污染物對環境的污染仍然十分嚴重，導致后續處理存在著一定的難度，而且存在著一定的安全隱患。

2.成本費用較高的樊燒法

這一方法的原理是利用瓦斯砌體或者是燃料油將經過蒸發處理后的殘渣廢水在樊燒爐中經過高溫樊燒，利用高溫氧化除去所含的污染物。但是對樊燒的物質進行化驗分析后，我們發現，其會產生大量的SO2等有毒氣體，會對周邊的環境造成一定的影響，而且由于需要采用燃料油或者是瓦斯氣助燃，所以其成本相對較高。

3.對污染物進行稀釋

這一方法的原理相對較為簡單，就是降低污染物的濃度，用水進行稀釋，使其達標。但是從實際情況來看，殘渣廢水中污染物的濃度相對較高，與預期的標準相差十分巨大，要想達到目標，就需要擴大污水處理廠的規模數倍，成本相當高，而且會造成土地資源的浪費。

4.濕式氧化和間歇式活性污泥處理法

這一方法最早出現在遼寧撫順，相對而言，其處理效果十分理想，但是其對操作的環境要求十分要個，必須在高溫高壓的環境中方能進行。其由緩和濕式空氣氧化脫臭（WAO）和間歇式活性污泥生物處理（SBR）兩個單元構成。在WAO單元，殘渣廢水中的無機物及有機物經過氧化作用合成硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽和磷酸鹽，實現脫臭的目標，同時可以減少在后續的酸化中可能出現的用酸量。進入到SBR單元，經過氧化脫臭后的廢堿液在SBR反應池完成生物降解和固相微生物與廢水的固液分離過程，出水COD500mg/L，達到二級生物處理系統進水水質的控制指標，滿足污水處理的要求。

5.利用化學原理處理殘渣廢水

現在應用較為普遍的還有利用催化裂化再生煙氣中與高級氧化組合工藝對殘渣廢水進行處理，其原理是將汽油精制產生的堿液或堿渣和液化氣精制產生的堿液或堿渣進行調和，在調和后的廢堿液或堿渣中通入催化裂化再生煙氣進行中和反應，達到降低PH值的目的，流化催化裂化裝置再生煙氣中主要包括酸性氣體CO2、SO2及NOx，且該酸性氣體將廢堿液或堿渣中的NaOH、酚鈉、環烷酸鈉、硫化鈉進行中和反應轉化為碳酸鈉及酚、環烷酸、硫化氫；便于實現殘渣廢水中的油和酚、環烷酸的處理。具體的處理步驟包括進行多級沉降、高級氧化、絮凝、壓濾工藝等等；進一步提取粗酚、環烷酸等；將處理后的水有管理地排放到現有的污水處理廠進行綜合處理。

三、各項工藝的優劣對比

經過對以上的各項工藝分析對比我們發現，各種工藝都存在著一定的處理能力，但是相較而言，硫酸酸化法相對較差，在應用中存在著一定的安全隱患；樊燒法盡管效果十分理想，但是其成本過高，而且會造成周邊環境的壓力；稀釋處理對策相對實現的可能性不大，而且對后續污水的處理仍然存在著很大的壓力。而濕式氧化和間歇式活性污泥生物處理法經過實踐分析，我們發現其成本性對較低，但是對施工環境的要求較高，但是處理的效果十分理想，脫硫率可以高達99.9%，COD脫除率：98%；而采用催化裂化的處理成本也相對較低，處理的效果也非常好，值得推廣。

經過一系列分析，我們對上述的生產工藝都有了新的認識，經過分析研究，我們發現濕式氧化和間歇式活性污泥生物處理法與催化裂化再生煙氣處理法這兩種技術比較具有實用性，從效果上來看二者沒有明顯的區別，但是從實際操作的難度上分析，我們發現催化裂化的方式更加使用，具有一定的技術優勢，具有一定的推廣價值。

四、結束語

殘渣廢水是石油化工企業發展的附屬品，其嚴重影響企業的發展與產品的生產，為了倡導綠色環保的理念，我們必須采取必要的措施，加強管理，不斷地應用心得技術來提高處理能力，降低成本，增強石油化工行業對殘渣廢水的處理能力，大力推廣新工藝。實現綠色化工。

參考文獻

篇6

【摘要】針對目前煉焦工藝學課程教學過程中的問題，對如何上好煉焦工藝學進行簡單的討論，提出多媒體教學、典型工藝教學、實驗教學和畢業實習教學等多種教學手段相結合的方法，調動學生學習的積極性和自主性，引導學生主動發現問題、分析問題、解決問題，為學生進一步深造或工作打下堅實的基礎。

關鍵詞 煉焦工藝學；教學研究；典型煉焦工藝

煉焦工藝學是煤化工專業必修的一門專業課程，具有較強的實踐性和綜合性，在日常教學過程中，由于其內容覆蓋面廣，牽涉專業知識較深，學生普遍感覺學習時有一定的難度，課程內容枯燥，學習完課程過后印象不深，很難抓住重點難點。針對上述問題，教師應該根據煉焦領域的發展，調整教學方法，使學生獲得系統化、專業化的煉焦知識，能利用所學的知識解釋專業現象，具有解決生產問題的能力。下面就如何上好煉焦工藝學進行簡單的討論。

1合理設計課程內容

要教好一門課程首先教師就要合理設計課程內容，明確課程培養目標。煉焦工藝學課程主要向學生傳授煤化工產品生產、科研、設計所需的基本理論和知識。課程內容應根據國內外煉焦與化產回收工業的最新發展，結合當前社會重大需求和所面臨的問題，對課程內容進行結構調整，刪減陳舊過時內容，尤其對課本中的一些低效老式焦爐煉焦工藝等知識點，學生感覺內容枯燥乏味，這就要求教師上課時發揮自己的能動性，將一些新型煉焦技術引入到課堂教學當中。

同時，教師還應明確教學重點如煉焦基礎理論部分、焦爐基本原理部分、典型煉焦工藝等，這些知識點涉及到許多基礎課程如煤化學、化工工藝學、化工原理、燃燒工程等課程的內容，講授課程內容時，既要說明各章節內容、新老知識點的相互聯系，又要避免或減少課程內容的重復。使學生清楚所學知識的來龍去脈，讓學生明白學什么、如何學，合理分配重點講解內容和自學內容。授課時要突出重點，探討煉焦基本問題如煉焦用煤的特點、煤粘結成焦的機理、碳化室內成層結焦、煉焦化學品以及化產回收工藝等；介紹煉焦新技術及其基本原理、焦爐加熱系統設計等；分析典型煉焦工藝，培養學生專業知識的實際應用能力；同時密切關注國內外相關領域發展前沿動態，使學生了解關于此學科的前沿進展。

2利用多媒體教學

合理有效地利用多媒體技術進行教學具有很多優點，可以擴大課堂講授的信息量，拓寬學生的專業視野，使所要傳授的知識直觀生動形象，吸引學生的注意力，激發學生學習興趣，從而調動學生的學習積極性和學習熱情，同時，多媒體還可使課堂教學更靈活，克服了課本、教師語言、板書、掛圖等傳統教學方式的局限性。這些優勢都有利于提高了教學的質量和效率，例如在教授焦爐結構課程內容時，可以先期播放一些大型焦爐生產的視頻，為學生提供了直觀具體的感性認識資料，使學生可以身臨其境的感受到焦爐的生產過程。由于學生事先通過視聽等學習較為抽象的教學內容，并且能夠直觀地認識到了焦爐的科學性和復雜性，從而能使后期教學內容的效果明顯。多媒體教學能讓學生在短時間內，對所學的知識理解，記憶的更加深刻。過去給講授焦爐熱工課程時，只是一味枯燥的講解一些理論知識如焦爐熱工效率、物料平衡和熱平衡等等，學生學習后，效果不佳，印象不深，很多同學過段時間后就不清楚如何進行焦爐的熱工評定，而現在利用多媒體教學，可以結合課本理論內容，播放一些焦爐加熱、煤氣燃燒和熄焦等過程的視頻資料，使學生對所學內容認識更加深刻，并且在實際工作中能夠運用基礎知識進行分析，提高學生專業能力。

3典型工藝講解

課堂教學時，可以將一些典型煉焦工藝引入課堂，讓學生了解這些工藝的特點，并且讓學生對不同工藝進行總結評價，激發學生積極性，主動參與課堂討論，參與學習，從而不僅能活躍課堂氣氛，提高教學效果和效率，同時讓學生能夠對所學的理論靈活應用，培養學生運用專業知識分析、解決實際問題的能力。例如在講解搗固煉焦工藝時，先將搗固煉焦的基本原理介紹給學生，然后讓學生們列表對比搗固煉焦與其他煉焦工藝的區別，如比較焦爐結構、裝煤方式、煉焦煤的質量等。同學們看過對比結果后，會進行思考，帶著問題來學習，在學習完本節課程后，鼓勵學生相互討論，大膽發言，激發學生學習積極性。對于一個典型工藝的講解分析并不只是局限在某一個堂課內容的知識點上，而是要貫徹整個教學過程中。在講授有關典型焦爐結構知識點的時候，同樣可以搗固煉焦工藝繼續進行探討，讓學生分析焦爐應該如何設計碳化室結構，如何最大限度的提高焦炭產量，又不會影響推焦操作。通過學習，學生就能對新型焦爐的發展等有較深的理解，掌握分析其它煉焦爐結構的特點，能夠舉一反三，這種講解方式比教師照本宣科的教學更能引起學生的學習興趣，有效地解決課堂中的教與學，并且最大限度地調動學生的學習積極性，以學生為中心，最終有助于達到教學目的。

4利用實驗教學

實驗教學是教學工作的重要組成部分，可以培養學生的觀察力、動手能力和專業素質，使學生初步學會學科做科學研究的基本方法，是理論聯系實際的一個重要環節。對于煉焦工藝學中的很多內容，僅僅是靠教師板書，甚至是多媒體也遠遠達不到教學效果的，必須要讓學生親體體驗操作，例如學生學完了煉焦工藝學課程過后，熟悉和掌握了煤炭結焦的基本原理，然而不少學生卻不知道焦炭反應性的測試，這就說明教學過程中，實驗教學的部分的嚴重缺乏，在煉焦工藝學教授過程中，在介紹相關章節內容時，需安排相應的實驗部分，并且同時教會學生做科學研究的基本方法與注意事項，讓學生明白做實驗前的注意事項，如何去查找實驗標準，如何紀錄、分析試驗數據，使學生養成一個良好的科研習慣。

5利用畢業實習進行教學

煤化工專業畢業實習是一次重要的實踐教學環節，是對專業課課堂教學的一個完善和補充，通過畢業實習對學生進行專業知識的深化，把理論知識和實際應用有機地結合起來，加深學生對課堂教學內容的消化、理解和掌握，提高學生對所學知識的實際應用的能力。畢業實習教學過程中，應鼓勵學生多動腦、勤思考，不能走馬觀花的看一遍，讓學生靈活運用所學理論知識，這樣使他們在畢業實習的過程中，能將自己在課堂中所學的知識應用的實際生產當中，并且引導學生查找資料解決一些復雜問題。例如在參觀焦炭的加熱系統時，要求學生描述焦爐加熱系統運行，采用何種加熱方式以及這種方式的主要特點等，并要求學生根據課本所學內容和實地學習經驗，學習焦爐加熱系統，通過此種辦法畢業實習，可以使學生不僅思考一些表面現象，還啟發同學們思考深層次的問題，能收到很好的實習效果，為學生日后的進一步深造或工作打下堅實的基礎。

總之，要上好煉焦工藝學課程，首先教師對課程內容進行合理設計，然后采用多媒體教學、典型煉焦工藝教學、實驗教學、畢業實習教學等多種教學方法和手段，調動學生學習的積極性、自主性，引導學生主動發現問題、分析問題和解決問題，對學生進行專業技術能力和科學方法研究的培養，為學生日后的進一步深造或工作打下堅實的基礎，最終將學生培養成一名合格的煤化工專業技術人員。

參考文獻

篇7

回顧20世紀的發展，特別是20世紀30年代以來，正是烴類經濟發展的歷史，主要資源來自于化石資源（煤、石油和天燃氣），許多國家都認為化石資源是保證能源和原材料供應的基礎。從20年代以來的靠其提供經濟發展的需要，以至于達到今日的生活水準。據統計，生物基資源所占份額很小，在能源方面低于1%，在原材料方面也不到5%。盡管烴類對經濟發展的貢獻呈強勁勢頭，但是有限的資源令人擔憂，而各種化工產品帶來的生態和環境問題也日益嚴重，因此可持續發展戰略已成為全球共識，并且已被廣泛接受和推行。

在可持續發展的施行中，要使經濟發展與生態環境保持平衡，經濟持續增長、生活健康標準不斷提高、國家安全與穩定，保證資源供應具有重要的作用。因此，許多國家政府的產業界都呼吁開發和利用可再生資源來補充和取代目前過于依賴的非再生并日益減少的化石燃料資源。

早在1996年，美國政府就組織有關行業協會、學術團體、產業界和教育科研部門專家講座可再生資源開發利用問題，并于1998年后提出題為《2020植物/農作物為基礎的可再生資源——通過可再生植物/農作物資源利用加強美國經濟安全性的設想》（以下簡稱“設想”）。該設想公開發表后，美國農業部和能源部支持全國玉米種植者協會組織跨產業部門研究講座設想的實施問題。經過長時間講座產業界、深信界和政府部門對設想目標的實現、存在問題和實施步驟取得共識，并提出了題為《實施植物/農作物為基礎的可再生資源2020年設想的技術指南》（以下簡稱“技術指南”）。這兩份報告內容詳實、焦點明確、邏輯性強、實施步驟清晰，許多觀點和技術課題及措施具有啟迪性。從該兩份報告中，不僅可以弄清可再生資源和內涵、開發利用的必要性和可能性，而且對如何開展和促進可再生資源的開發利用提供了實施途徑。對目前可再生資源開發利用的經濟技術狀況、存在的障礙和誤區也都作了明確的闡述。雖然兩份報告都是針對美國情況提出的，但是其科學性和前瞻性以及許多技術內涵對我們仍不乏借鑒參考價值。

“設想”是有關于發展以植物/農作物為基礎的可再生資源產業的戰略，是由美國農業、林業和化學工業部門（其中有各類美國公司企業）、非盈利組織、商貿協會和學術部門、各行各業的專家學者共63人經過講座研究，首先提出對此新興產業未來發展的設想。

1996年12月美國全國玉米種植者協會組織戰略設想研討會，目的是草擬一個產業設想，使植物/農作物為基礎的的可再生物質可以作為當前慣用的原料的補充來源以滿足人們對化學品、材料和其他產品不斷增長的需要。

本“設想”廣泛地規劃了此產業如何從目前家庭式的產業走向全國規模的核心制造產業的道路。公開此“設想”的目的是為了吸引更多讀者關注，出謀劃策，共同開發，使其能成為現實的技術實施方案。

對于世界資源能否足夠支持當前已經發生的急劇經濟膨脹，社會上歷來存在兩種不同觀點：一種是悲觀的認為，世界資源難以滿足呈指數的經濟增長。如果現有技術不能進一步發展，而非再生資源又有限，這種悲觀看法確實是現實的評價；另一方面，當前的技術正在突破，并有無限潛力，因此對未來產生樂觀看法。

歷史教育人們，只有通過協調提出明確設想，才能引導人們去解決關于未來發展的重大問題。

過去一直談如何解決未來25年世界超過100億人口的食品問題。獲得食物只是人類生存的一種需要，其他還有呈指數增長的對能源、運輸、住宅、學校、機械以及計算機等的需要，而滿足這些需求的資源從何而來是應當考慮的問題。

鉆探更多、更深的油氣井可以供應更多的烴類原料，但是油氣儲量畢竟有限。對現有烴類的有效利用率將會不斷提高，但是效果不大。納米技術可能會促進小型化從而節省材料，但是有些物件不能縮小。問題是資源正在耗盡，何時耗盡并不重要，重要的是探求一種新的資源模式，使之逐步轉化。

“設想”序言稱，不論適用性技術應用如何，凡將現有資源轉化為可再生資源，都是符合可持續發展的方向，也適應環境和生態要求。因此，應用植物/農作物資源的設想是樂觀的。

隨著適用性研究和開發的進展，人們可以發現許多經濟上可行的方案來滿足整個地球的需求。該"設想"確定了方向和相應的規劃，采取措施建立利用植物系統中能源和碳源的可再生資源基礎。面臨的挑戰是嚴重的，但機遇也是難以衡量的。人類可以適應變化，但必須接受所面臨的挑戰。序言中從兩方面進一步闡明“設想”提出的背景：

1、界定植物/農作物基資源

植物/農作物基(有時用生物基bio-based)資源是指來自于一定范圍的植物系統，主要是農作物、林產品和食品、飼料和纖維工業加工過程中的副產物。它們可以通過一年生的作物和樹種，多年生植物和短期輪作樹種等途徑在一個較短的時間內再生。石油化學品原本也是以植物為基礎，其基本分子為烴類。植物/農作物基可再生資源當前所用的大量基本分子是碳水化合物、木質素和植物油。也有一些量少高值的分子是來自二級植物新陳代謝。另一個主要區別是烴類及其提取系統已經開發并加工處理其所需要的原料型產品，而植物基可再生資源在某些程度上雖然也被認定，但某種植物會含有某種資源，加工后會留下什么，尚未完全搞清。

最近生物技術進展可以改變植物成分和酶提取系統，這就為現在需要的化學產品和新型中間人體及產品制造提供了新的經濟機遇。據統計，美國的森林、耕地、牧場等面積約22.46億英畝(1英畝=0.405公頃，下同)，其中主要農作物的種植面積有4.24億英畝，可以生產大量植物/農作物基資源。過去50年，這類資源的重點主要是面向食物、飼料和纖維生產。

2、烴類經濟

20世紀后期，世界經濟發展很快，生產增長率有很大提高，尤其是各發達國家，一些發展中國家也不斷增長。成功的增長和發展過程中起主要作用的是烴類經濟。自20年代以來，礦物化石燃料的采取和利用提供了人們當前所享受的經濟效益和生活水準。許多國家都依靠這種資源來滿足能源和原材料的需要。

在過去50年中，大量的研究開發在能源生產和基礎產品制造方面創造了許多可以大量增值的工藝過程。市場經濟明顯地受人們提高生活水準的意愿所驅動，以創造各種產品。生物基資源的(主要是用植物基)用量很小。據統計，在能源方面少于1%，在原材料方面亦低于5%。美國1996年玉米、黃豆和小米等生產用作食品和飼料量約為6900億磅(1磅=0.4536公斤，下同)。由此從經濟角度看還不能趕上工業原料，而以烴類為基礎的經濟卻繁榮昌盛。

烴類雖然將繼續起到非常有效的經濟發展平臺作用，但是在其未來應用中卻有若干問題有待解決。首先是對石油化學產品的應用環境問題日益受到關注，隨著又產生了許多相關的問題。化石燃料是一類正在減少的原料資源。應用植物/農作物基資源作為一種補充，由于它們是可再生的，所以為經濟有序地向可持續發展轉變創造了機會。

通過對能源狀態的審視就可看到可再生資源作為一種補充的必要性。烴類資源有限，許多專家提出世界可采和探明儲量，如按現在消費水平計算只能提供50-100年，此處的一個重要假設是“現在消費水平”是保持不變，但是從全世界人口增長和生活水準變化來考慮，此假設是不合理的。當前世界上按人口平均的能源消費水平差距很大，詳見表1，許多發展中國家都將增加能源消費。未來的能源供應問題是多方面的，因為發展中國家人口眾多。例如，中國按人口平均能源消費相當于美國水平的1/3，其需要增加的能量數量約相當于美國現在全年能源使用總量。

表1當前按人口平均能源消費水平KWh/人美國法國日本巴西泰國中國

122007500700015001200900

一些有效利用烴類的開發將有助于需要增長問題的解決，但是對烴類找到補充資源是完全必要的，只有如此才能保持可持續發展的工業基礎。

新技術開發和應用需要時間。石油化學工業本身的發展就是一個事例。1920年烴類原材料經濟并不像今天這樣具有吸引力，過了50年，開始適應化石燃料狀況的工藝。因此，要使植物/農作物基系統達到同樣現代化水平也需要時間。

當前正是開展大量研究開發工作、利用各種可再生資源和各種新工藝、并開始在各種可供選擇的途徑中提出選擇標準的時候。現在進行研究并不意味系統要立即改變，但是，烴類經濟的經濟學未來將出現問題：要支付高額環境費用，或是由于原料缺少而價格上揚。

投資適用性研究可以在未來能源和原材料間進行相關的比較，提供非常需要的選擇。在中期至長期，選擇植物/農作物基可再生資源可能是要兼顧環境方面容許和經濟方面具有吸引力。而在近期，研究和開發可能只在一些領域內進行，使植物/農作物可再生資源能開始進入基本化學原料市場，從而擴大資源基礎，延長有價值的化石燃料儲備的應用壽命。

在上述背景環境下，通過研究討論，提出了2020年開發利用植物/農作物可再生資源的設想的目標；“設想”是要通過植物/農作物基可再生資源的開發來提供經濟繼續發展、生活的健康標準和強大的國家安全。植物/農作物基可再生資源可以改變當前對日益減少的非再生資源的依賴。

本“設想”的內涵重點是建立新的觀念，即植物基資源是越來越重要的工業原料資源。非再生資源可能因經濟和環境因素逐步被植物基再生資源所取代，“設想”反對等到危機發生時現開始啟動替代。

展望2020年，化石燃料可能仍將占90%，增加植物基可再生資源并不是可有可無的，它對滿足未來的需求非常迫切。當然，需要有效地加工和利用這些植物衍生原料。其新途徑的研究從現在就要開始，為經濟發展有足夠的時間，保證解決環境而進行良好的合作。

要取得有成效的進展，應當確定以下的方向性目標：

1、2020年化學基礎產品中至少有10%來自植物的可再生資源原料，到2050年提高到50%。

2、建立植物基(農作物，林產，加工業)系統，用有效的轉化加工工藝生產可再生原料，為2020年選中的產品提供經濟合理、對環境瓜敏感的制造平臺。用此生產鏈來示范一個綜合的植物/農作物基原料系統的經濟合理性和潛在效益，顯示工業應用機遇的新領域，為2020年以后國內和出口的需求做出貢獻。

3、在工業投資者、植物商、生產者、學術界和各級政府之間建立合作伙伴關系，開發從小范圍到大規模的工業應用，重新激活農村經濟，改進增值加工和制造鏈的集成，消除食品、飼料和纖維加工業與基礎材料制造業之間的差別。

“設想”中提出，科研與開發方面要制定有詳細目的和要求的相應計劃，支持上述方向性目標的實現，從而也可取得投資的優勢。

植物/農作物基資源利用現狀和前景

一、現狀

烴類提供人類能源和衣著。塑料、油料、油漆、染料、藥品等基礎原料，已經成為現代生活的主要依靠。1970-1990年間石油基的塑料增加了4倍，已經逐步代替了玻璃、金屬甚至紙張。植物/農作物基資源目前尚未有效利用，主要是因為可用性差、質量不高、供應不穩或是價格高。要推動和提高植物/農作物可再生資源應用的興趣，需要從以下幾個方面來分析。

1、實用性

盡管消費總量不高，但是植物基原料當前在化學品方面應用面很廣，如用于油漆、粘合劑及劑等。黃豆是植物袖的傳統原料，隨著基因工程進展，可以生產滿足特殊劑市場需要的專門油。最近，可用黃豆衍生物制造油墨，在乙醇、山梨醇、纖維素、擰槽酸、天然橡膠、多數氨基酸以及各種蛋白質等化學品生產中，植物基資源是主要原料，詳見表2。

表2、美國植物基資源用量萬t/a類別用量用途

木材8090紙，紙板，木質素纖維復合材料

工業淀粉300粘合劑，聚合物，樹脂

植物油100表面活性劑，油墨，油漆，樹脂

天然橡膠100輪胎，家用品

木材提取物90油料，膠

纖維素50紡織纖維，聚合物

木質素20粘合劑，丹寧，vanillin

在多數情況下，應用的植物基材料主要是原始狀態分子。如木質素纖維、植物油和橡膠等復雜分子的應用也只有有限的改性。這就與石油化學工業構成明顯的反差，石油化工則是用化學方法按需要將烴類裂解成幾種簡單分子，如甲烷、丙烯等。用這些基礎原料進行化學合成，制造所需要的復雜的分子。

在少數情況下，植物/農作物原料進行裂解成為不同的基礎分子，例如高果糖的玉米生產糖漿和玉米淀粉發酵生產燃料乙醇。1996年美國用211億磅(1磅=0.4536公斤，下同)玉米采用新型酶發酵方法生產9億加侖(1加侖=4.546L,下同)乙醇，從而加工為90億加侖混合汽油。從許多實例看，植物基原料有一定實用性，雖還未生產像藥物那樣的高度專業化的分子，但卻包括了大量生產的中間體及產品。

2、供應及質量

植物系統地區分布廣，由于土壤和氣候條件不同，導致供應和質量的差異。森林和農業系統的發展已經縮小了天然野生植物的供應差異。

生物質的總產量雖然很大，但是由于沒有經濟的轉化技術而使其應用受限制。一些新進展如快速裂解提供了從中獲得低分子量產品的機會，如果能在分離技術上進一步創新，就可以推動此應用。生物質資源可以來自快速增長木材、田邊作物以及其他專門培植的植物物種。另一潛在的生物質資源是當前為食用和飼料種植的農作物，如玉米、黃豆、小麥和高梁等。一般情況下這些作物只應用其產量的一半。此4種作物估計每英畝(1英畝=0.405公頃,下同)約有2600磅(以干物質計,下同)遺留在田地中，總計約有5200億磅。一部分留在耕地以改良土壤結構，但大部分運出去，作為原料應用。因此要求有適當的、成本低的儲運系統和加工技術。

供應方面的主要問題是對原始生產的管理。當前，樹木可作木材和紙漿，種植農作物只是為食品、飼料和纖維加工，沒有在綜合利用上進行優化。對植物/農作物投入的成本評價基礎是未經優化的植物生產系統，因此經濟性不佳。一些邊際土地的利用可以擴大植物基可再生資源原料基地。但是從經濟上比較，其很難達到經濟可行目標。在估算其經濟回報時，要考慮化肥、農藥等化學品的使用費用。要增加可再生資源來源，除了要提高邊際土地利用率外，主要應是如何對良田建立優化種植生產系統。

當前低投入、低產出的植物生產對農民難以盈利，并不利于農村發展，也不能為加工業提供低價原料。但是在產出方面，數量和質量相差甚大，從此系統得到的產品必然價格較高，嚴重地限制了經濟上的可行性。而且，由于低產出生產就需要更多的土地，其對環境的單位影響常常大于更為強化、密集的系統。因此要優化生產系統，同時改善邊際土地的利用。此外利用生產率高的土地作為植物/農作物可再生資源的原料基地，這也有利于解決數量和質量上的波動變化。

農村根據市場需求規劃種植計劃，如根據乙醇市場還是植物油供需情況，做出種玉米還是種黃豆的選擇，其次則要進行第2輪對品種的選擇，作乙醇則要種高淀粉含量的玉米品種，如要種飼料，則種含高油量玉米更佳。這些選擇都對產出經濟效益有很大影響。面對“設想”需要擴大食品或飼料、飼料或原料、油料或淀粉、纖維或糖、藥品或聚合物等等選擇范圍。要根據供應或需求來決策，就需要進一步仔細研究有關課題。

3、植物/農作物基原料成本

利用植物/農作物基可再生資源主要是成本問題，它與烴類相比是不經濟的。工業生產要求大量的便宜原料。植物原料價格便宜，如果能開發適當的系統將極具競爭能力。利用植物/農作物基原料生產化學品的成本比較，詳見表3。

表3、植物/農作物基化學品生產成本類別生產量萬噸通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占總產量%

糠醛300.750.7897.0

粘合劑5001.651.4040.0

脂肪酸2500.460.3340.0

表面活性劑3500.450.4535.0

醋酸2300.330.3517.5

增塑劑801.502.5015.0

炭黑1500.500.4512.0

洗滌劑12601.101.7511.0

顏料15502.005.806.0

染料45012.0021.006.0

墻涂料7800.501.203.5

油墨3502.002.503.5

專用涂料2400.801.752.0

塑料30000.502.001.8

實際上,在制造業中選用不同的化學加工工藝對其成本影響很大。

植物/農作物基可再生資源不是一種替代性資源,而是為工業原料提供的補充資源。成本問題并非只限于原料,而且與加工過程有關，因此要進一步開發新的化學和生物加工工藝，才能擴大植物基可再生資源應用范圍，使之成為經濟可行系統。

二、前景

由于植物/農作物基可再生資源的來源不同，每種來源的原料又可以利用不同的加工工藝，構成了一種多維的發展前景。本“設想”運用矩陣分析方法進行探討。不同投人的植物原料，可以運用不同的加工系統，并取得各種不同的開發效果。

1、廢料和副產物利用

從當前看，利用機會多，但需要有新的加工技術才能使其成為更重要的資源。

(1)現代化學

森林工業已經將副產物利用發展成為一個較大的行業，如紙漿副產液轉化為磺酸木質素表面活性劑CH3SOCH3以及用樹皮制丹寧。農作物的磨榨工業開發了許多應用副產物進行加工的工藝，如從燕麥制糠醒、淀粉粘合劑、專用棉籽油、從濕磨料生產擰蒙酸鹽和氨基酸等。但是，許多食品加工業，如蔬菜和水果卻沒有開發相應的副產利用加工工藝，經常將副產淀粉和糖排放入周圍環境。副產物的利用具有許多發展機遇，提取及銷售其所含的有效成分是降低主產物成本的手段，而且從戰略上看是擴大利用植物基資源。

(2)改進化學

木本植物和有些農作物加工中有較高的木質纖維素含量和一些碳水化合物，如烴類工業一樣，可以將復雜分子轉變為較小分子技術。便宜的植物衍生發酵制糖的開發已在進行。用金屬有機物化學將碳水化合物轉變為增值化學品是擴大利用植物基原料的又一技術途徑。改進化學方法具有潛力，可以使植物衍生的廢料加工利用提高經濟回報率。

(3)生物加工

在比較復雜的料漿中用微生物發酵法生產某種分子，再將其分離出來成為需要的產物。生物轉化是應用微生物、細胞或不含細胞的酶系統的一步法工藝，它提供了改進廢物料和副產物利用機會，隨著分離技術的提高，生物加工工藝可以獲得更為廣泛的應用。

(4)新分子

在此方面似乎不太重要，從廢料中生產新分子不是一條最佳途徑。

2、現有農作物

從近期看擴大應用具有最佳機會。

(1)現代化學

從化學工業整體看，并沒有|認為植物衍生材料具有較高的經濟價值，但是具體|問題要具體分析。石油化工利用烴類而不用碳水化合物和其他生物基分子。

(2)改進化學

如果植物衍生原料是結構型的生物質，含有木質素和纖維素等成分，其具有一定優勢。一些新技術，如綜合燃燒或金屬有機化學等都能提供更好地利用此類資源的機會。除林產資源外，約有5200億磅的生物質資源目前尚未加以利用。改變加工工藝路線可以提高利用現有資源的效益。新的工藝開發可以提供利用糖和淀粉的機會。植物淀粉有不同來源，如水稻、土豆、玉米和小麥，它們的性質、用途都不同，因此需要改進其化學方法，發揮其潛能。新化學工藝與生物加工及先進的分離技術綜合起來可產生很大效益。

(3)生物加工工藝

植物作為生物加工原料量大而多樣，從結構型生物質到一些專門的植物組分，在生物加工方面潛在優勢很大：用酶轉換玉米衍生的葡萄糖生產高果糖的玉米糖漿。最近從玉米葡萄糖經過發酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸鹽可以用作制一些化學產品如丁二醇、四氫呋喃，這些中間體又可進一步加工制成許多種產品。當前，用10億磅這種原料可得到價值13億美元產品，現在正在中試。多種學科進行合作就可取得良好的效果，這是短期內取得成效的一種良好運行模式。

(4)新分子

植物原料的投入固定，利用基因改性所用微生物或是專用酶，可產生新分子。此工作目前只在很小的市場中進行。當市場對具有特殊性能的新產品需求增加，投入產出可能會促使其發展，技術和經濟的綜合研究要沿著產品開發鏈進行，從界定所需要的產品——需要的特性——分子結構——中間體——酶技術——蛋白質/基因工程——投入植物的最佳原料——生產優化等。

3、新鮮農作物

此項作為中期發展機遇。

(l)現代化學

因為化學工業一般不認為農作物的利用能獲得較高的經濟價值，因此新鮮農作物并無吸引力。過去曾認為可以降低成本，但是實際上的技術限制否定了其經濟性。

(2)改進化學

從投入產出看，存在類似問題，如果改進的化學工藝需要專門的農作物，-新鮮農作物可能會有優勢。另一優勢是在物流方面。按照改進工藝實施和運作規模，所需原料只能就近供應新鮮農作物。因此改進工藝應當與供應系統平行進行才能互相支持共同發展。植物作為原料補充資源時，困難在于許多烴類加工裝置不位于農作物和森林種植地區，而植物基原料運輸費用很高。

(3)生物加工工藝

與改性化學類似,區別在于如何將原料加工成中間體和最終產品。在技術上要考慮農作物品種的適用性，一種生物工藝可以對多種品種進行加工。優化工藝是影響運作經濟很重要的因素。

4、改性基因類植物

這是中長期發展機遇，其可提供的成效目前尚難以想像，今后是否出現碳水化合物經濟，或是其他經濟，這要看建立在生物工程基礎上的新工業平臺所能發揮的作用。

(1)現代化學

基因改性植物基原料可能成為現有的烴類加工系統原料。但是，改性植物分子在烴類系統中降解所花代價太高。因此投入技術要能跨越加工技術，或者是較復雜的分子能直接得到并進入制造鏈，再有是新工藝路線能高效地應用此改性原料。當然這些變革都要從經濟和環境兩方面來評價其效益。

(2)改性化學

對優化植物/農作物基原料投入和加工有好處，應當進行此方面研究。至于何時見效則要根據基因技術進展及其達到工業化時間來確定。

(3)生物加工工藝

微生物或酶進行基因改變達到強化工藝過程目的。生物工程具有長期潛力，在原料投入和生物技術本身之間創優，有時所需要的可作基礎原料的分子可以部分在植物原料內進行合成，用生物轉化或高度專門化的生物/化學工藝進行分離。為了繼續應用化石燃料生產專門產品，需要進行研究開發，使有限資源能取得最大的價值。

(4)新分子

過去20年中，塑料已成為最大的工業部門，在日常生活中代替了玻璃、陶瓷、木材和金屬。市場將會根據消費者的意愿和需求發生變化。材料科學將繼續發展，市場銷售者將繼續設計新的消費品，塑料的未來變化難以預料。能作為新工業發展平臺基礎的新分子將會很多，物理與化學科學與生物工程材料結合將產生新的領域。植物基可再生資源將是未來的主要資源。新陳代謝工程是將豐富資源制造成所需基礎原料的渠道，支持社會基礎設施。開發和拓寬其可能性，需要先進的技術，這將是未來新領域。

生物技術的潛在影響及實施“設想”的工作途徑

生物技術的潛在影響

對一個新的技術領域進行評價，可以從如下幾個方面來分析：近來變化的速度和引入的速度、量度及其帶來利益的水平及公共公司投資、評價專利活動和有關協會的活動、觀察開發進程、審視所取得的成功進展。

90年代初期，許多人對生物技術將對農作物帶來很大變化是持懷疑態度的。到1996年，轉基因作物在產業化方面取得成功，明確地澄清了這個問題。這些早期的成效是關于新的作物保護途徑，對保護植物生產免受病蟲害起了重要作用，對進一步了解和掌握如何改進植物組分也很重要。

由于管理方面的需要，轉基因大田試驗記錄由美國動物和植物健康監測服務中心保存。從記錄中可以看到一些行之有效的轉基因改變植物組分的工作正在進行之中，試驗范圍也在不斷擴大，一些主要的公司如杜邦、孟山都和PioneerHi-Bred等都在進行。

為了改變植物組分以提高營養價值，改善加工性能，或是為了某些工業和制藥的應用，一些轉基因改性品種已經進行了評價，包括碳水化合物的變革、油和脂肪酸改性、提高氨基酸水平、蛋白質形態操作(typemonipulation)、纖維特性改性、產生抗體、工業酶生產、二級化合物操作(甾醇，earotenoids等)、新型聚合物生產。

轉基因技術發展非常迅速，為植物基材料擴大應用開辟了新的途徑，使其可以為工業生產提供分子基礎原料和更為復雜的分子原料。用植物基原料主產聚合物，制造塑料就是一個成功事例。從A1-coligenenentrophus細菌的3種基因已經能轉入植物的1ipid合成中，可以得到polyhydroxybutyrate(聚羥基丁酸酯)，濃度可達14%。這種生物可降解的熱塑性塑料正在進一步開發，使之可以從黃豆、棉花和油菜籽制備。

在過去50年內，通常用的植物培植產率已經提高了3倍，根據農作物滿足食物、飼料和纖維不同用途，選擇不同的方法得到具有不同特性的產物。高級植物種植要用基因圖譜和轉基因技術，進一步提高食物和飼料生產需要供應的植物基原料。

生物技術對植物基原料已經產生革命性的影響。但是，用生物技術來改變植物，使之適合烴類經濟需要，并不是一條最佳途徑。這就需要進一步弄清什么是工業鏈需要的因素，而這些因素又是能在未來轉基因植物基可再生資源中具有最大的優勢。

實施“設想”的工作途徑

要成功實施美國可再生資源開發利用的戰略設想(以下簡稱“設想”)中所提出的大綱，需要將研究、開發、工業過程工程以及對未來的市場了解等項工作有效地集成起來。適應“設想”的多學科計劃以及各個項目的協作都要求有一共同的目標，向前沿技術邁進。應用改進的化學工藝加工現有的農作物，包括集成運用生物工藝，可以納入短期計劃之內，從當前到今后10年可以著手實施。這是研究中的一個熱點。另一個熱點是觀念上的飛躍，超越當前的烴類化學，結合基因改性植物，運用新的工藝，這可以納人中長期計劃中，在10到20年甚至更長時期內實施并產生影響。上述兩個熱點都是當前在研究中進行投資，在不同期限內可以取得回報。

如果在這些領域內取得成功，在工業應用上就可以有了一個可行的堅實科學基礎。新鮮作物應用開發將被看作是一個降低這些系統成本的一種機制，或是改善供應狀況(數量和質量)，滿足工業發展需要。

當審視植物基可再生資源的前景時，可以看到供應鏈本身包含著許多重大課題。不同物種發展有各自的地理優勢，可以形成專門原料的加工中心，包括進入國內和國外兩個市場。對轉基因作物的鑒別保護機制仍在變化，植物基可再生資源上的這些系統都需要進一步研究。

本“設想”并非要給各種問題以答案，而是指出未來潛在的可能，在各方面采取一定的步驟就可以使其實現。下一階段就要進行各方的協調工作，使多方面的投資者能有一個投入的基礎，針對“設想”提出的目標進行開發工作。該規劃要訂出各項目計劃，通過研究和開發來支持“設想”中提出的方向性指標。各計劃項目要符合下列一個或幾個方面的要求。

優化生物質和農作物基原料生產，達到計劃應用要求狀況。

為植物基原料的供應鏈提出裝置、地點、貯運和分銷措施，包括加強農村經濟的機制。

加速發展基于改性化學和生物工藝的新工藝，同時考慮利用植物/農作物基可再生資源原料。

對多類投資者支持的項目，對上述三個方面中一個或一個以上將產生影響的項目，或是多學科項目等將給以優先和優惠待遇。投資項目選擇標準應考慮時間要求和潛在影響的大小來確定。

植物/農作物基可再生資源對工業基礎原產的需求增長是一個戰略性措施，也是使美國在21世紀繼續保持領先地位的戰略性選擇。開發基礎資源具有經濟、環境和社會方面的好處。機遇是明確的，考慮未來的設想是需要的，要聯合投資者對新途徑進行投資，才能創造一個安全的未來。

“設想”文本中不止一處引用達爾文的名言“能夠幸存下來的物種，不是最強的，也不是最聰明的，而是能適應變化的”。

2020年可再生資源應用將增加五倍

《植物/農作物基可再生資源2020年設想實施的技術指南》(以下簡稱“技術指南”)，是《植物/農作物基可再生資源2020年設想》(以下簡稱“設想”)的補充，提出的目的是：支持“設想”方向，確定發展中的主要障礙和問題，確定優先的研究領域。

要達到上述目的需要進行協調觀念開發，收集專家證明，組織多學科研討會、聽證會，優勢排隊試驗和團隊行動計劃等多項工作。在“技術指南”編制過程中吸收了各方面人士的意見，參加研討的共有66名有關部門不同行業的專家。專家們就全球性問題提出“設想”，針對“設想”結合現實狀況提出存在的主要障礙與問題，再確定研究與開發領域，從而找出優先研究開發的課題。這些課題所屬領域都是能為利用可再生資源實現可持續發展起最大杠桿作用的研究領域。通過參加“技術指南”研究和編制的專家的專業情況反映出在化工制造中應用生物基原料需要涉及多門學科。但是有3個產業是中心，即化學、生物和農業，每個產業都涉及幾門不同的學科，如農業，林業和石油化學。

1、農業和林業

農業：是一個廣泛的概念，包括谷物生產、林地和牧場等。這些土地上生產的農產品和林產品一起構成生物基材料，它們通過太陽能，大氣中的CO2和土壤中養分進行原始生產而成為可再生資源。美國擁有大量優良土地，豐富的自然水資源和先進的技術基礎，通過資源保護和利用，每年可產生可再生資源的巨大財富。林業：在美國有超過6.5億英畝（1英畝=4046.24平方米）的森林，從業人口140萬，每年生產價值2000億美元產品。過去10年內，紙張部門的增長比木材業快。木材和紙產品回收循環利用率高，每年有約4000萬t紙再生利用。美國的林業已經制定出2020年發展設想以及相應的研究計劃。該設想呼吁進行研究，用先進的生物和遙感技術以及樹木生理學和土壤科學等理論。

農業和林業通過應用基因學技術和轉基因植物等新手段將會出現大的躍進。在不久的將來，可生產出大數量和高質量的作物。除了飼料和食品，還可以為工業部門提供原材料。而且還可以引入某些酶標記基因，可能會在植物體內制造完全新型的聚合物，并可大量生產，成為經濟的消費用品。

美國將技術進展應用于植物和農作物的調整，使其在農業、林業和制造業中保持可持續發展的領先地位起著主要作用。國家的未來明顯地要依靠近期開發可再生資源基礎的研究來支持。

2、石油化工業

化學、工程學、物理學和地理學等幾門學科在石油化學工業中的應用，對人們生活產生的影響是50年前難以想像的。石油化學工業成功地創造了眾多產品，從高性能的噴氣發動機燃料到基礎化學品以及許多聚合物，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯和聚碳酸酯等。

石油化學工業：是資本密集型工業，已經建立了可觀的基礎設施來處理和加工化石燃料。美國每天要用1390萬桶烴類原料，多數是作為燃料型產品，用于化工及其他工業基礎原料生產，每天約為260萬桶油短類原料。

近年來，工業化學品和塑料生產都有巨大的增長。塑料工業從業人員120萬人，有20000套生產加工裝置，過去在研究開發上花費以10億美元數計的投資，才獲得了今日成就。如果塑料制品的原料沒有可再生資源，遲早有一天會變得十分昂貴。一方面，是否還有上萬億桶的石油開采量，原油價格能否在每桶10美元以內。世界原油生產已經變化迅速，而且有許多不定因素。另一方面，化石燃料資源是有限的，這是無可爭議的事實。重要的是考慮當供應呈峰值時未來價格的敏感度，而不是去爭論何時是油將用盡的理論時間。最近由于幾處新資源的發現及應用，在20年內原油產量可能會有所增加。但是，必須注意美國一直是原油進口國，50%原油靠進口。如果原油進口一旦停止，北美可采用的化石燃料資源儲量按目前消費水平只能維持約14年。如果保持目前進口水平而不增加，也只能使用28年。當然，將會有新的改進的抽提技術，例如水平鉆探和核磁共振鉆孔等，但是要在近年取得成效，希望是不大的。

用可再生資源補充石油化學品，要從現在開始，由少量到大量逐步進行，有關研究工作要立即開始。不考慮化石原料供應衰退時間表的爭論，由于人口增長以及一些新興國家人們生活水平提高，需求將繼續增長。在可再生資源取代化石燃料之前，它將作為一種補充資源。因此，無論如何在美國開發可再生資源作為工業原料都是十分重要的。

“設想”中提出的指標是“2020年基礎化學品至少有10%來自植物衍生可再生資源，隨著發展觀念到位，2050年要提高到50%”。要注意無論是美國還是全世界總消費量的增加是很快的，因為即使2020年的10%目標是按當時的生產總量計算，也比當前消費水平要提高4—5倍，絕對的增加更大。如果2020年消費水平本身提高1倍，可再生資源的絕對指標也要翻番。

換言之，不能期望可再生資源在不變的需求環境下能完全取代烴類資源，而只有當消費產品需求增加，可再生資源可以能滿足此增加需求中的一部分。在2040年時間框架中，指標可以是：可再生資源應用使化石燃料能穩定地維持現在的消費水平。按此指標可以形成以下的觀念：

由于不是一個競爭替代戰略，可再生資源并不與非再生資源直接競爭。

需要用可再生資源和非再生資源兩種資源來滿足未來20年的需要。30年以后，可能要更多依靠可再生資源，因為那時的化石燃料將會很貴而且有限。滿足近期指標的支持和研究完全與長期目標保持一致，這些方向性指標，非常清楚地表明面臨的挑戰是巨大的，需要從現在就采取行動，應當開始建立通向擴大利用可再生資源的道路。除了建立可操作的可再生資源基礎指標外，其他一些相關的指標也是很重要的，包括：

建立系統，通過加強經濟可靠性的基礎設施支持，將供應、制造和分銷等活動集成起來。

通過功能基因學來提高對植物新陳代謝的理解，優化對專門的增值加工工藝的設計和應用，除應用現有的組分外，要開拓新型聚合物生產和應用。要保證開發的新工藝過程的效率高于95%，同時應用伴生工藝，應用所有副產物，消除廢料，保證新的平臺能在特殊的環境條件下堅持目標方向對確定目標與研究指標要反復交叉檢驗，使其能堅持可再生燃料/能源需要的目標。

在生產和分銷中要開發保持穩定供應的途徑，在年生產一定范圍基礎上控制一些因素，如價格、數量、性能、地區分布、質量等。同時要制定提出這些因素的標準。

建立進一步合作伙伴關系，改進綜合集成，通過加強農村發展來支持取得成功。

“設想”的目標要實現，主要要使本“技術指南”中所列出的目的大綱都能達到。基因改性植物生產專門的代謝產品和開發補充性的化學改性產品取得成效就可以達到2020年可再生資源應用增加5倍的目標。這些進展也將為2020年以后的進一步發展奠定基礎。

可再生資源應用技術和市場的障礙及問題

將可再生資源制成消費產品的整個系統中有許多障礙和問題，其中關鍵和問題是：

植物科學方面：基因學、酶、新陳代謝和組分。

生產方面：單位成本、收率、持續性、基礎設計、植物設計。

加工方面：經濟學、分離、轉化、生物催化、基礎設施。

應用方面(由技術和材料驅動的問題)：經濟學、功能性、性能、新用途。

應用方面(由市場和需求驅動的問題)：價格性能比、性能、知覺、市場開發。

現將上述關鍵和問題擇要分別介紹于下。

一、關于應用方面（材料驅動問題）

1、經濟學

單位成本是當前植物衍生材料使用的主要障礙，也是經常引起爭論的一個問題，問題的核心是競爭性成本狀態。在多數情況下，應用植物基原料的成本都比較高，難以與以烴類原料為基礎的加工工藝競爭。但是，成本競爭情況有幾個非常復雜的因素互相影響，諸如產品價值、材料成本、產量、需要加工程度以及所用基礎原料的性能等。因此如果未來的戰略只考慮降低本是不會成功的。最重要的經濟推動因素不是成本本身，而是制得的產品和制造費用的差價(即增值)。

產品價格是諸多因素的函數，諸如產品利用、性能、消費者喜好和需求等，而制造成本則受原材料價格、供應的持續性、加工、廢料處理費用和投資等諸因素影響，要符合當前的具有競爭性的通用化學品工業的低成本需要。但是，從長遠考慮，只進行成本比較是有問題的，因為未來的化石燃料的成本是難以預測的。

在當前情況下，用烴類原料生產消費型產品的加工效率是很高的。但這并非是化石原料本身具備的特點。因為石油化工已經研究了100年，有了3代科學家，政府投入了大量資源才使之達到今日的水平。與之相比，植物基材料應用尚處于較低的水平，開拓植物基原料應用來適應已臻成熟的烴類加工需要并不是一條唯一的道路，目前應用數量還是很少的。另一條路線是通過弄清植物衍生材料性能進行技術開發，用基因改性植物，使之能提供含有需要功能的組分。

2、功能性

改變植物中的不同組分含量的目的是提高其功能性。在石油化工中先進行原料裂解降級成為簡單的分子，隨后用它們再行合成為較復雜的分子和聚合物。植物中已經含有不同形態的聚合物，可以在許多產品中應用。但是，在現在加工系統中尚無大量應用。用量有限的原因有幾個方面，其中主要的是由于缺乏對其功能性的理解，而只注意其成本。最近，已經由植物衍生的蛋白質聚合物研制出塑料薄膜的試驗產品，顯示出其應用的潛力。而且，植物擁有立體化學結構，可以得到一些有價值的手性分子，如糖類、維生素、氨基酸等。從總體看，目前對植物基礎原料的反應性和功能性尚不夠了解，因此限制了新應用思路的產生。

二、關于應用方面（需求驅動問題）

1、市場開發的費用

植物衍生材料應用的一個關鍵是市場開發費用高。正如許多新產品市場一樣，新產品的研究往往是由小公司開始的，它們投資不足，缺乏繼續發展的資源，常常只停留在試驗階段。工業化的成功率低，由于沒有一定的供應量而常使產品衰落。因此，需要大力改進產品開發和支持機制，而且要進行與產品相關的市場開發，這是擴大利用可再生資源的主要工作。目前市場上應用的標準都是基于石化產品，沒有適應生物基產品的標準，這也是要成功地與石化產品競爭的另一障礙。

2、認識問題

植物衍生材料常給人以較低級的印象，這可能是由于當前處于“石化時代”之故。對某些制造廠商來說，它的性能較差，主要是因為未得優化。雖然公眾環境意識增強，但是對植物基產品需求尚不足以創造市場來拉動技術開發。因此，當前可再生資源的進展主要是基于技術推動的結果，只有增加市場拉動才能有力吸引公司更多投資。沒有要變革的沖擊，就不會有更多的變革。因此，如果沒有各種經濟傾斜途徑，現狀是難以改變的。

三、加工問題

1、基礎設施中分銷問題

多年來石油化學工業已經建立了加工和分銷烴類基礎產品的有效基礎設施。由于依賴進口原油，美國的多數基礎設施是建設在海岸線上。因此，許多現有的加工裝置并不適合大量植物基材料的收集。植物原料都是在木材加工廠、榨油廠和玉米濕法加工廠進行加工，它們最好接近于供應地。要應用大量植物原料就需要進一步將供應和加工制造集成起來。應當開拓確立農村發展優勢和重點的戰略和措施，更好地鼓勵多用可再生資源。

2、分離技術

應用植物于工業用途的一個關鍵是缺少植物組分的分離技術。樹木具有非常復雜的成分如木質纖維素。此成分強度高，但要將它分離為有用的分子組分則很困難。多數農作物收獲品是種子，它們含有碳水化合物、蛋白質、油分和數萬種其他組分。通常對許多谷物發芽和生長都能進行良好的安排，而對其作為原料進行分別管理則很困難。一些除去原始粗組分的工藝，如榨油和提取糖分等已經開發，但如何將專門形態的蛋白質和純的含碳組分分離則仍是困難。在植物基原料加工中常遇到非常稀的水溶液物料，處理費用很高而且技術困難，這是應當要解決的問題。將反應與分離集成起來的加工系統(如催化蒸餾)可能是一個解決問題的方向。但是此類系統目前應用有限。而且還未被開發作為植物基原料方面的應用。通過引入某些基因而使植物增加新的組分，就更需要應用先進的分離技術來回收有意義的新組分。例如生物聚合物開發中目前就因缺少高效純凈的經濟上可行的分餾工藝技術而受到限制。植物的組分如不能有效地分離出來，就不可能控制最終產品的特性和質量。

3、轉換技術

要利用植物中各種組分的另一問題是將這些非均相的混雜原料轉換成較為簡單的分子，這才可以進行進一步反應。在植物基原料中，加工工藝需要有高性能的多功能生物催化劑或是非均相催化劑，這些催化劑具有多種功能并可以進行回收。

知識不足是另一關鍵，目前人們尚缺乏關于植物組分的自然差別和來自不同作物的同樣組分的特性等方面知識。這些知識的缺乏和不足就構成難以鑒別植物的差異性，缺少鑒別的手段，因此也就難以考慮作為原料的應用。發酵是用來將某些農作物轉化為各種產品的工藝，轉化是非均相的。所用的轉化方式，副產利用和分離等方面仍有許多有待改進之處。一般地說，植物系統的復雜化學問題使新型或改進植物基加工工藝的設計較為困難。烴類化學制造中有豐富的氧化化學知識，還原化學方面較少，這些都是植物系統加工所需要的。目前特別缺少關于還原生物催化劑共生因子系統方面的實踐知識。

植物原料加工工藝開發的另一個大的障礙是當前缺乏有關的教育培訓。目前化學工程課程中只有少數涉及生物化學課題，多數畢業生成為化學工程師只擁有非常基礎的生物工藝知識和有限的重要生物分離的知識。多年來，工藝化學家和工程師的培訓重點都是烴類化學，考慮植物基可再生資源加工需要很少。

四、生產方面

1、收率、持續性和基礎設施

因為目前尚未利用大量植物基原料，除木材和造紙外，只是關注未來的供應分銷而不是現實存在的問題。但是，這些對實現可再生資源的目標都是十分重要的。在供應的持續性方面，數量和質量都是未知數。如果植物基原料能加工成簡單的碳分子，其持續性問題就不成關鍵。但是如果要設計應用其中某種特殊組分(如聚合物)，或是要直接抽取其中某種專門組分，原料的質量和數量的穩定性就非常重要。

在一些情況下，供應持續性中的不確定因素實際上就是風險管理的內容。未來的石油化工供應問題和可再生資源供應問題都有風險。對石油化工來說，未來的供應不桷定因素可能因世界上一些區域的政治變化而增加。而對植物基原料來說，氣候可能成為不確定的地區因素。如果某些專門植物不能大量生產可能導致貿易上的不確定因素，這些問題不需要采取斷然措施，但是需要重視通過改變基礎設施來保證經濟可靠性。另一個沖擊供應持續性的不確定因素是未來的農作物用途是作為食物還是作為工業原料。一方面是根據供應短缺理論，認為農業難以供應飛躍增長的人口和消費品增長所需的原料。實際上，從需求角度看，食物和原料都在增長，即使不考慮可再生資源進行工業利用，食物本身也存在問題。解決食物問題的方案也可能就是解決工業原料問題的方案。因此，在供應方面必須應用新技術，如生物技術，這樣才能保持產率不斷提高，使農業能達到一個新的水平。

2、植物設計、植物科學、基因學

轉基因技術已經顯示出令人鼓舞的前景，要進一步充分利用尚有大量工作有待進行。存在的一個主要障礙是對植物本身內在新陳代謝過程還不夠了解，不能按特殊聚合物和其他材料的需要進行設計。因此，對植物新陳代謝和碳流的知識匱乏是其發展中的限制因素。

近年來功能基因學的進展有望促進對材料合成設計的理解。但是這門科學目前剛開始，與類似的醫學領域相比所取得的支持還是很有限的。基因轉變中的另一成就是讓更多的專用基因嵌入和對質體以及細胞核的常規轉變。在植物變化、基因學和生物信息等方面有著廣泛的研究項目，但是將這些出現的新技術應用于可再生資源的專門研究則很少。

要使科學知識不斷深化，在一定程度上取決于消除這些主要障礙，有些已被稱為多學科的研究。但是，需要努力加強和協調才能促進現有的障礙及時地被克服。換言之，基因管理的研究必須緊密地與植物內含聚合物的功能性以及分離工程等研究相結合。

研究和開發的課題

《美國植物/農作物基可再生資源2020年設想的技術指南》(以下簡稱“技術指南“)列出為解決植物/農作物基可再生資源利用中的主要障礙應當進行研究開發的課題。“技術指南”按4個主要方面的障礙依重要性大小列出研究開發課題，每個研究課題的影響都有其時間范圍，其中近期表示0—3年、中期表示2010年、長期表示2020年，近期目標的達到可用以衡量面向2020年可再生資源開發利用設想的前進步伐。

一、植物科學研究方面

1、近期影響課題(按重要性依次減小順序排列,，下同)

(1)應用功能基因學了解植物新陳代謝和組成，至少要與1種主要農作物基因計劃結合；

(2)開發能實時進行植物組分的定量分析工具；

(3)改進轉基因方法，特別是對麥桿基因的專門嵌入，要在1998年基礎上提高效益10倍；

(4)開發1—2種主要農作物的基因標記系列，使之有助于擺在有用的可再生組件含量；

(5)將80%現有的germplasmbase進行編目，有效利用各類淀粉、蛋白質和油分；

(6)找尋發展中的生物信息學利用途徑，推動可再生資源的研究和開發，

(7)弄清nuclear-plastid相互作用。

2、中期影響課題

(1)在新陳代謝過程和碳流中至少弄清50個限制速率的關鍵步驟；

(2)利用功能基因學弄清分子、細胞和整個植物的控制管理；

(3)為主要植物用于可再生資源的組分制定標準；

(4)在2種植物中，建立碳庫并為細胞分割確定控制點；

(5)在plastid轉變中高效率(大于90%)方法的建立；

(6)創建示范工廠，使主要組分利用率大于60%(如油料、淀粉)或是專門碳鍵(如C5)大于3O%；

(7)利用基因開關的方法；

(8)建立為植物可再生資源利用的生物信息學基礎。

3、長期影響課題

(1)重新設計新陳代謝過程，提供有用的碳結構骨架；

(2)應用有針對性進化技術建立100個未來原料的品種庫；

(3)設計新型分子或改性現有化合物，使之適應于功能需要；

(4)為提供工業用原料，創制2種新植物種類；

(5)利用簡單的細胞組織進行成本和能源效率評價；

(6)利用計算機技術設計植物組分。

二、生產研究方面

1、近期影響課題

(1)提高畝產量10%~15%以降低原材料單位成本；

(2)改善農業管理，提高肥料利用效率和蟲害防治，

(3)確定至少10種影響原料組分和質量的因素；

(4)對至少10種具有潛力的系統和植物類型的畝產效率進行定標趕超（如主要農作物、林業和多年生種類等）；

(5)調節氣候條件對生產的影響；

(6)每年對2種農作物的潛力進行評價或用其他方法評價畝產量；

(7)提高當前農業加工中廢料利用率5倍；

(8)在單位投入基礎上提高貧瘠土地產量2倍。

2、中期影響課題

(1)提高產量，使單位投入的碳產出為1998年基礎上的2倍；

(2)為長期可持續發展，開發盡量減小土地、大氣和水利用影響的系統方法；

(3)對收獲產物和主要植物成分建立標準；

(4)專門設計收獲裝備，盡量增大碳的收獲；

(5)開發新的利用方法，使現在遺留在土地上的農作物45%能得到利用，

(6)培育適應專門土地和土壤的農作物；

(7)建立農業信息學基礎，重點是不同來源的可再生資源植物類型、生產價值、質量和單位成本。

3、長期影響課題

(l)在化石燃料排出廢氣中CO2的固定；

(2)從現在植物/農作物生產中消除碳的廢料；

(3)設計新的農作物/植物生長系統，優化原料回收率(大于95%可利用)；

(4)對主要能源獲取和固定，提高化合效率；

(5)對收獲前期工作和部分就地加工的裝置進行設計；

(6)對連續生產系統進行設計和評價。

三、加工研究方面

1、近期影響課題

(1)改進分離技術，處理大于95%的非均—植物材料；

(2)改進單體基礎原料變換的生物催化劑；

(3)開發3種具有高選擇性的快速反應強力催化劑；

(4)為將植物聚合物轉換為有用的單體，找出新型和性能優良的酶(具有10倍活性)并進行評價；

(5)將微生物進行工程化，改善非均—植物的發酵；

(6)提高廢物利用率2倍；

(7)開發高效的除水技術并對改進的非水溶劑反應系統進行評價；

(8)在植物材料中利用天然立體化學方法的評價。

2、中期影響課題

(1)應用5種以上高級分離系統(如自行清凈膜、離子交換、精餾等)；

(2)為經濟捕集植物單體和聚合物開發改進的分離——純化技術；

(3)為2種以上植物類型建立經濟共生系統；

(4)通過分子進化技術設計并創制50種新型酶；

(5)開發100種以上具有性能成本特性的新型酶庫；

(6)研究反應性分級系統；

(7)對微生物、酶和化學品庫的性能建立信息學基礎，用于特殊的轉化。

3、長期影響課題

(1)實現原料加工中無廢料的多種產出的連續工藝；

(2)為改性植物和組分設計新設備；

(3)為3種以上新產品(如將工程化酶轉入植物并在收獲中得到活化)設計新機制；

(4)固態酶轉化；

(5)設計14種化學與生物結合型反應器；

(6)評價植物組分在分離前相內的作用。

四、應用和基礎設施研究方面

1、近期影響課題

(3)探求3種在現有加工裝置(如玉米濕法加工廠、紙漿廠)上擴大應用植物原料的機遇；

(4)分析測量系統，對90%以上的主要植物組分進行定量；

(5)實時評價單位性能成本和增值成本的方法；

(6)評價運輸系統及成本；

(7)計算出100%年加工貯存量和投人產出的需求量；

(8)創建基礎設施，擴大利用農業廢料。

2、中期影響課匾

(1)深入掌握植物中10種以上組分和碳鍵新陳代謝體的結構與功能關系知識；

(2)開發對高質量原材料的100%鑒別保護系統；

(3)為價值驅動的生產和定貨實現營銷系統；

(4)對在同一地點的多目的利用區的協同作用進行評價；

(5)對原材料組分和加工過程中的中間產物實現實時定量分析手段(小于3分鐘/試樣)；

(6)開發生產預測手段，準確性大于95%；

(7)在一組植物原料性能基礎上建立信息學基礎，如單位成本、性能、功能性、最佳來源、應用范圍等。

3、長期影響課題

(1)所需功能進行分子結構設計制備植物化合物至少10種；

(2)在植物生產區內開發至少5個制造利用中心；

(3)開發3種以上有新功能的新材料；

(4)提出擴大利用可再生資源所需的教育培訓需求；

(5)在植物組分功能間協同作用的利用；

(6)設計最終產品的貯存和運輸，使之到達銷售中心和出口；

(7)為供需關系的控制創建減輕超過90%風險的戰略。

當前，美國有一些項目已在進行，可視為工業原料中應用可再生資源的先驅，也可視為本“技術指南”中研究項目的示范事例。其一是在轉基因植物開發中的聚羥基丁酸酯(PIB)。PHB可在植物中生成，作為制造生物降解塑料的原料，用適當的細菌基因進行轉化并弄清植物內在的新陳代謝路徑，從而構成制備方法。現在正在進行分離、生產標準等項工作。

其二是用玉米淀粉作原料，通過酶反應制備聚乳酸(PLA)。Cargi11-Dow合資企業已在充分研究的基礎上進一步投資數百萬美元建立制造裝置進行工業開發。PLA是一種生物裂解聚合物，原料是由玉米濕法加工工藝制備的葡萄糖，其中發酵過程和酶的活性是重要因素。最終的PLA樹脂可視用戶制膜、纖維、碳制品和涂層的需要分別制出不同規格品種。PLA具有聚苯乙烯、聚烯烴和纖維素的功能性。

協同與合作是取得成功的途徑

未來利用可再生資源需要采取一條多學科和跨行業途徑。在許多領域內的研究成就都提供了發展機遇，如生物聚合物、立體結構型分子、新型酶、新材料和轉基因設計等。但是每個方面內的任何進展如果只當作孤立的技術領域是遠遠不夠的，需要更有力的相關研究計劃，采取平行的和協調的方式進行工作，才能取得成果。

要取得有效益的進展必須采取多學科的途徑，這是非常清楚的。但是，任何一個組織都難以具備有如此深度和廣度的技術能力。因此，對研究提供的支持應當是多方面的，而且要在跨行業的系統中進行。

“植物/農作物基可再生資源2020年設想”(以下簡稱“設想”)中提出的要求需將重點瞄準有限的熱點目標同步取得進展。對于研究工作則需要有準確的時間表和系統中各方面的廣泛交流，所有這些都要走相互協同的道路。例如，一位科學家可能發現一種新型聚合物，具有可以作為高級生物降解塑料的功能，但是，此研究成果的價值受到以下一些因素的限制：發現適當的基因、新陳代謝過程可靠性、:最佳作物類型是否能有足夠的產率和可承受的成本、各種聚合物組分分離可能和利用此材料制造新產品的方法等。所有這些因素都需通過研究和開發才能取得相應的進展。進行這些研究開發要采取最佳途徑保證研究成果關鍵的目標互相協調、平行地進行，此途徑要鼓勵私營部門的參與。

當前，植物和農作物作為生物質和原料已被應用，諸如淀粉、蛋白質、脂肪酸和異戊二烯化合物。林業主要是為紙漿和造紙提供原料。黃豆則是用于油墨和涂料。玉米通過濕法加工發酵工藝已經進入幾個工業部門，但是各種用量都很少。由于基因工程可以通過新陳代謝操作使植物或農作物生成有功能需要的材料，從而顯示出新的發展機遇。

“技術指南”已經突出了未來取得進展的途徑，而且確定了系統的各個組成部分的目標。成功地達到這些目標就可實現“設想”中確定的到2020年可再生資源利用增加5倍的目的，同時也為2020年以后進一步發展奠定了基礎。按“技術指南”目標提出課題是人們用所有的天然資源滿足不斷增長的消費品和能源的需要。當前進行研究將為今后的產品選擇提供機會。可再生資源需要將注意焦點放在以下幾個方面：發展方向、最佳科學思維的應用、最先進技術的應用和最高級智能水平的繼續研究等。本“技術指南”已經提出了需求和研究開發課題，其目的就是為美國開拓實施一條成功的可再生資源戰略。而且也選出了需要優先支持的領域，它們都是從幾個已經確定的科學研究和工業開發需求中選擇出來的，而且考慮了在高級可再生資源的關鍵部門有最大的投資回報。

未來世界許多方面都會延續但將發生變化。幸運的是我們已看見其需求并具有科學智慧適應變化的發展。美國要保持領先地位就要繼續采取迅速的行動來滿足擴大利用可持續發展的可再生資源的需求。不斷的科學突破和技術進步(正如“技術指南”文件中所列出的項目和課題)才能滿足資源利用的挑戰。這些挑戰正在我們面前，我們面臨的挑戰是為滿足人們對產品不斷增長的需求。

“技術指南”中從兩個方面表明多學科和跨部門的研究開發對實現“設想”的重要性：

篇8

2005年，我國NOx排放總量約為1.94×107t。隨著國民經濟繼續發展、人口增長和城市化進程的加快，2020年和2030年，我國NOx排量將分別達到3.00×107t和3.54×107 t[1]。在不銹鋼表面處理的生產過程中，廣泛采用HF+HNO3混酸酸洗，也會產生高濃度的NOx廢氣，由于其中NO2的含量較高，一般表現為煙囪“冒黃龍”現象。據中國特鋼企業協會不銹鋼分會統計，2006年起，我國不銹鋼粗鋼產量及鋼材產量已居世界第一。2004年至2011年的八年之間，我國不銹鋼粗鋼產量從236.4萬噸飆升至1259.1萬噸，凈增1022.7萬噸，年均增長達127萬噸，這在世界不銹鋼發展史上也是沒有過的。面對如此嚴峻的NOx廢氣排放形勢，必須采取切實可行的方法予以處理。

目前，針對高濃度NOx廢氣的處理方法主要有干法、濕法和干濕連用技術。濕法主要以各種吸收劑溶解在水中，然后再采用噴淋的方法來吸收NOx并與之反應，最終達到降低NOx濃度的目的[2-5]。濕法實際上是一種“污染轉移”的處理方式，并未徹底解決污染治理的問題。干法即SCR法，是指在催化劑存在的條件下，采用NH3、CO或碳氧化合物等作為還原劑，將煙氣中的NOx還原為N2和H2O；其中NH3-SCR技術較為成熟可靠，目前已在全球范圍，尤其是發達國家中得到廣泛應用[6-10]。王海林等[11]詳細對比了液體吸收法和SCR法的優缺點，得出結論：采取何種形式的處理方法，一方面取決于廢氣中NOx的含量和氣體組分，另一方面，取決于廢氣的排放制度。

依據酸洗NOx廢氣的低溫、低塵、高氧化度、高濃度等特點，本文嘗試采用“噴淋吸收+預熱+換熱+加熱+SCR反應+換熱”的工藝，對某鋼廠酸洗線產生的高濃度NOx廢氣進行工程實際處理，結果顯示脫硝效果優異，大大減少了NOx廢氣的排放，由此可產生巨大的環境效益和一定的經濟效益，因此該工藝可以作為示范工程，應用于NOx廢氣的處理領域。

1. 工藝選擇

1.1. NOx廢氣排放要求

排放煙囪數據應符合《大氣污染物綜合排放標準》GB16297-1996中的新污染源大氣污染物排放限值二級排放標準。NOx排放濃度

1.2. 工藝的選擇

1.2.1 混酸酸洗NOx廢氣和燃煤煙氣的區別

混酸酸洗NOx廢氣和燃煤煙氣存在許多不同點，表1是混酸酸洗NOx廢氣和燃煤煙氣的對比表。

表1混酸酸洗NOx廢氣和燃煤煙氣的區別

結合表1中混酸酸洗NOx廢氣和燃煤煙氣的各項比較參數的區別，將會在NOx廢氣的實際處理工藝上體現差異。

1．排氣溫度

酸洗NOx廢氣的排氣溫度一般最高不會超過60℃，這就決定了需要通過加熱NOx廢氣的方式來達到SCR的反應溫度區間。因此，應該盡量選擇具有低溫催化性能的催化劑，這樣，可以最大限度的節省加熱及換熱設備投資。而燃煤煙氣的排放溫度區間正好是V/Ti系催化劑的反應區間，因此，無需額外的增加能耗既能夠讓SCR反應持續。

2．含塵量

酸洗時，脫硝系統收集的廢氣主要來源于外環境中滲入酸洗槽的空氣和酸洗液本身揮發及反應后分解產生的廢氣，所以，廢氣中的塵含量與外環境大氣中的塵含量基本相當。因此，在酸洗NOx廢氣脫硝系統的設計時一般不用考慮催化劑的防塵性能。所以，催化劑的節距可以設置的更小。

而在燃煤煙氣中，煤質燃燒產生大量的粉塵，這些粉塵和廢氣一并進入到脫硝系統。因此，在燃煤煙氣的脫硝系統設計時，第一層的催化劑一般需要堅硬化或者銳化處理，在SCR反應器內還需要設置吹灰裝置，同時，蜂窩催化劑的節距一般都比較大，這樣才能基本確保催化劑不被堵塞。

3．NOx濃度

在酸洗NOx廢氣的排放中，根據酸洗對象的不同，產生的NOx廢氣濃度可能忽高忽低或持續在高位。因此，在設計脫硝設備時，需要針對NOx廢氣排放的濃度特征進行針對性的考慮。而在燃煤煙氣的排放實例中，燃煤持續的在比較均勻的燃燒環境中燃燒，因此，排放的NOx廢氣濃度也是比較穩定的。

4．廢氣中的組分

酸洗NOx廢氣的組分一般比較簡單，主要是HF、NOx、HNO3等。在系統設計時，HF和HNO3在進入SCR系統之前就需要基本完全去除，而SCR系統將被設計為專門去除NOx。

燃煤煙氣中除了有NOx之外，還有SOx、CO等其他多種組分。由于SO2和CO等均有可能對NOx的SCR反應進行干擾，嚴重的甚至可以引起催化劑的中毒。因此，在催化劑的設計時，也要采用針對性的措施，確保NOx催化反應的順利進行。

5．NOx氧化度

酸洗廢氣中的NOx氧化度常規在50%左右，最高可達90%以上，這是金屬及其氧化物與酸液在一個強氧化環境下發生反應的必然結果。

在燃煤燃燒過程中，NOx的生成機理非常復雜。但是，從總的趨勢來看，由于氣體的溫度比較高，NO2容易分解為NO，同時，N的“爭氧”能力也不如C、CH等。綜合各種因素之后，最終導致燃煤煙氣中的NOx氧化度一般只有10%左右。

1.2.2酸洗NOx廢氣SCR處理的設計要點

1．酸洗NOx廢氣中其他污染物的去除

在酸洗NOx廢氣中，除NOx這個主要污染因子外，還有HF、HNO3(g)等對環境有害的污染物。酸洗NOx廢氣中產生的HF濃度在1000mg/m3以下，HNO3(g)濃度在2000mg/m3以下。而兩種氣體都極易溶解于水。因此，常規的處理工藝都是采用水或者稀堿液來吸收以上兩種污染物，去除率可高達99%以上。一般采用填料洗滌塔來吸收HF和HNO3。填料洗滌塔的空速控制在0.8~1.8m/s左右，填料可選用高比表面積的規整填料，比表面積最高可達500m2/m3，理論塔板數可達4~4.5m-1，可節省塔體高度，提高吸收能力。

2．防結露與廢氣預熱及加熱

由于酸洗NOx廢氣的排放溫度一般在常溫(20~60℃)之間，而SCR反應的溫度區間則在200~400℃之間，因此，一般通過換熱器預升溫后，再通過燃氣升溫或者電加熱升溫即可達到反應溫度。換熱器內的高溫氣體來自SCR反應器處理后的尾氣。

板式換熱器的換熱元件一般采用波紋板，板厚在0.6~1.5mm之間，板間距在3~41mm之間自由選擇，總壓損一般在1~3 KPa之間。在同等換熱能力下，板式換熱器的體積和重量均只有管殼式換熱器的1/3左右。

一部分SCR反應器處理后的高溫尾氣引入到吸收塔后、換熱器前的管道上，將進入換熱器的溫度提高10~30℃左右，從而避免廢氣的濕度飽和，也有效的阻止了結露。

3．還原劑的選擇

還原劑一般采用氨基，目前，市面上主要有液氨、氨水和尿素三種還原劑。

表2 液氨、氨水和尿素的比較表

注：(1)還原劑價格為2012年9月份上海市場價，氨水價格因地區差異變動較大。

(2)折合氨單價未考慮原料含雜質情況。

通過上表可以看出，液氨的使用要求和管理要求均較高，初始投資也較高，但是運行費用較低。然而，液氨在使用時一般不允許用盡，所以當液氨采用現場儲罐形式供應時，液氨的使用成本是較低的。而采用液氨鋼瓶供應時，鋼瓶內經常殘留部分液氨，該部分液氨不允許回收。同時，液氨對于環境安全的要求非常高，操作人員也需要具備特種作業人員的資質。因此，在實際項目中，尿素已經逐步成為一種主流的還原劑，廣泛應用于各種SCR場合。

4．催化劑的選擇

SCR系統中，催化劑是最關鍵的核心部分。由于酸洗NOx廢氣具有低溫、微塵、不含SO2及CO等、濃度高或者濃度波動大、氧化度高等特點，在催化劑的選擇上，需要盡量選擇低溫型的催化劑，同時，不用過多的考慮飛灰、SO2等帶來的不利影響。在催化活性上，也要更加傾向于NO和NO2的聯合去除。

目前商用的催化劑類型主要是蜂窩式催化劑。而蜂窩式又可分為兩種，一種是燃煤電廠經常使用的V/Ti系催化劑，一類是上海同濟科藍環保設備工程有限公司生產的具有低溫特性的GJ-HC型催化劑。下表是兩種催化劑的對比。

表3 兩種蜂窩式催化劑的比較

從表3中可以得出，在酸洗NOx廢氣的SCR處理中，由于無需考慮飛灰影響，因此可選用較低節距的金屬氧化物蜂窩陶瓷催化劑，提高反應空速，降低使用量。同時，與V/Ti系催化劑相比，金屬氧化物催化劑的最佳反應區間整整降低了100℃，極大的節省了廢氣加熱所需的能源，同樣的，低溫反應也相應的延長了設備的使用壽命。

2. 工藝流程及說明

2.1 工藝設計

根據某不銹鋼廠的設計要求、工程設計規范、能源介質條件，并考慮當地的氣候條件進行工藝設計。

2.2 設計工藝流程

酸洗NOx廢氣從酸洗槽中通過收集管道集中到一根總排管道中，進入SCR處理系統。工藝流程圖如圖1所示：

酸洗槽排出的NOx廢氣首先進入填料洗滌塔內，去除大部分的HF和HNO3之后，通過酸霧風機送入前置預熱器內進行預熱，隨后進入氣氣換熱器中進行換熱升溫，升溫后的廢氣再通過燃氣燒嘴加熱到反應溫度，此時，尿素噴入尿素噴射混合器內，迅速霧化成細微顆粒，并在高溫環境下熱解為NH3和CO2，再與NOx廢氣在四階段混合器內進行充分的混合之后，繼而進入SCR反應器內進行SCR反應。反應后的尾氣一部分進入氣氣換熱器內放熱，一部分直接回到前置預熱器內與進氣混合。放熱后的尾氣排入煙囪。

圖1 NOx廢氣SCR法處理工藝流程圖

3. 運行效果及處理成本說明

3.1 運行效果

在SCR系統運行時，當地環境監測部門對該項目進行了監測，主要監測項目為排氣溫度、標干排氣量、NOx濃度及排放速率、HF濃度及排放速率、NH3濃度及排放速率等，結果見表4。

表4 各監測指標的監測結果

注：ND，未監測到。

3.2 處理成本說明

SCR系統運行時，運行費用見表5，NOx處理費用見表6：

表5運行費用分析表

表6處理費用分析表

4．結論

1.由脫硝系統運行工況和實際運行效果來看，脫硝效率及各種相關參數都符合設計要求。

2.本SCR脫硝系統設計成熟，系統運行可靠，穩定性較好，脫硝效率較高。

3.本項目實施的意義：大大減少了NOx廢氣的排放，減輕了其對環境的危害，產生了優異的環境效益；減少了因NOx廢氣產生的污染而花費的治理費用，間接的產生了一定的經濟效益。

參考文獻

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篇9

目前RFID技術正處于迅速上升的時期，被業界公認為是本世紀十大技術之一，RFID商品標簽也被認為將是今后全球商品交易及物流中采用最廣的技術之一。但RFID標簽的高成本卻制約著這一技術的普及（RFID標簽的成本大約在每枚0.2美元以上）。為了解決這個關鍵問題，RFID標簽設計及制作工作一直在尋找新的途徑。近年來國外已經開始有機RFID標簽技術的研究，并且已經取得了很大的成就。采用有機薄膜晶體管(OTFT)能夠使IC電路制備在便宜的塑料基底上，進行取代硅芯片的方案，最后通過印刷方式進行批量生產。據估計，這種有機RFID標簽的成本將有望降至0.01～0.02美元甚至更低。作為一個低成本的選擇方案，有機RFID將在世界范圍內開辟一個新的市場，與硅片RFID技術相互補充來滿足市場的需求。

可印刷的RFID

有機RFID技術其基本原理同半導體RFID一樣，是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現對識別物體的自動識別。系統一般由兩部分組成，即有機RFID標簽（應答器）和閱讀器（讀頭）。在實際應用中，有機電子標簽附著在被識別的物體上，當帶有有機電子標簽的被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將有機電子標簽中的約定識別信息取出，從而實現自動識別物品或自動收集物品標志信息的功能。有機RFID技術除了具有半導體RFID技術的優點以外，還具有便宜、厚度可以非常薄等特點，可以制成柔性電子標簽，使用時可以隨意粘貼，不受軟硬度及厚度等限制，將來可以廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理、軍事物流等眾多領域。

有機RFID標簽

有機RFID作為一種新事物，是有機半導體和RFID技術相結合的產物。有機RFID標簽的工作原理、結構、功能及頻譜劃分等與無機RFID相比并沒有太大的區別，二者主要的區別在于材料和加工工藝的不同。無機RFID標簽的芯片部分需要通過復雜及昂貴的IC工藝在硅片上制備出來，然后再與天線部分集成在一起構成完整的標簽。而有機RFID標簽則力圖全部通過印刷技術，用金屬和有機物墨水把天線和芯片直接制備在同一襯底上，因為采用了印刷電子技術，有機薄膜晶體管能夠使電路制備在便宜的塑料基底上，通過卷對卷（R2R）印刷技術批量生產有機RFID標簽，這樣制作工藝將得到簡化，成本也將大大地降低。據Nature Materials Commentary雜志報導，全有機的RFID標簽成本將降至每枚0.01～0.02美元。如果有機RFID技術成熟的話，Nature期刊所設想的一種產品可能將大量進入市場: 這種產品將顯示部件、傳感部件和RFID標簽集中于一種商品上。這樣對每件商品，消費者可以直接知道其保鮮度、顏色、溫度等有關質量信息。

有機RFID標簽的結構在組成上與無機RFID標簽并無多大差異。RFID標簽主要由天線、整流器、IC芯片及負載調節器部分組成。讀寫器將要發送的信息，經編碼后載在某一頻率的載波信號上經天線向外發送，進入閱讀器工作區域的電子標簽接收此脈沖信號，卡內芯片中的有關電路對此信號進行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后通過卡內天線再發送給閱讀器， 最后閱讀器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至中央信息系統進行有關數據處理。因此有機RFID技術的發展還將得益于多項技術的綜合發展。所涉及的關鍵技術大致包括: 有機半導體技術、芯片技術、天線技術、無線收發技術、數據變換與編碼技術、電磁傳播技術等。

RFID標簽按其發射方式可分為反射式和發射式兩種。反射式（通常為無源標簽所采用）將閱讀器發射的高頻信號經過標簽內產生的識別信號調制后，形成的已調信號反射發送到閱讀器中。閱讀器將接收到已調信號，并解調出識別信號進行識別。發射式（通常為有源標簽采用）射頻卡內有高頻載波發生電路，該電路產生高頻載波，并被卡內產生的識別信號調制，調制后的已調信號發送到閱讀器中。

美國的3M公司早在2003年就采用并五苯(Pentacene)等高性能的導電材料制作了儲存信息量為1位，頻率為125KHz的并五苯RFID標簽。電路部分幾乎全部采用有機薄膜晶體管制作而成。有機射頻卡電路是屬于反射式的，7環振蕩器和或非門構成識別信號發生電路，產生振蕩脈沖識別信號，調制閱讀器發出的高頻信號，并反射給閱讀器，閱讀器接收到已調信號，并解調出識別信號進行識別。有機RFID應答器的電路部分包括脈沖識別信號產生電路、緩沖放大電路及射頻信號調制電路。

儲存信息量大的有機RFID標簽則需要加入儲存電路部分。在這方面德國PolyIC已經做出了驚人的成果。成功開發出32和64字節內存的有機RFID產品，除天線部分外，調制電路、儲存電路和邏輯控制電路等內部電路均使用有機材料，集成了數百上千個有機薄膜晶體管。

有機薄膜晶體管

有機薄膜晶體管物理特性的提高導致采用有機薄膜晶體管代替無機薄膜晶體管（主要采用硅制造）作為大規模集成電路中的主要部件，是導致有機RFID的誕生及帶動有機RFID迅速發展的主要關鍵技術之一。

有機薄膜晶體管的誕生

過去十多年來，具有光電特性的有機導電分子，以及高分子材料研發中有許多突破性的進展。這些具有光電性質的有機材料，不論是小分子、聚合物或是高分子聚合物，往往可以吸收、發射可見光及光電性質，進而催生出不同的應用，其中最重要的包括有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode，簡稱OLED）、有機薄膜晶體管（Organic Thin Film Transistors，簡稱OTFT）。有機薄膜晶體管從廣義上來說是將傳統無機晶體管中的半導體層，用有機材料來取代，并進一步以有機導體與塑料基板來取代無機導體和玻璃基板，完成可撓曲的有機薄膜晶體管。

在傳統的MOS組件制造上，一般是利用無機半導體材料硅作為主要材料。一般而言，硅是一種三度空間的共價鍵結構，強大的鍵能使得硅原子間形成緊密的三度空間聚集結構，具有寬闊的價帶和導帶，從而具有相當高的載流子遷移率。但是這種晶粒排列需要高溫、高成本的沉積方式來完成。

在有機半導體方面，包含小分子和高分子，從化學結構的觀點來看，都含有非定域(delocalize)的π共軛電子; 且由其最高已占分子軌道(Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO)及最低未占分子軌道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital，LUMO)的差距，可定義其為半導體或導體。在形成半導體層時，分子多以集團方式存在，分子與分子間僅以微弱的凡得華力相聯系，所以有機物的電特性，主要是由分子本身的結構來決定。因此，如果分子間排列不夠完整，有機物的載流子傳輸就受限于分子間的傳導，而非分子本身共軛結構的完整性，也因為分子間的鍵結合力小，相較于無機晶體，有機物的價帶與導帶就顯得相對狹窄; 有機分子載流子遷移率，其值可能偏小一些。但自從Koezuka等在1986年報道了基于電化學聚合的聚唾吩OFET（OTFT）器件，一般被認為是真正意義上的可應用于有機電子電路的基本單元器件，同時也被看做是第一次有關OFET器件的報道，從那時到現在短短的二十幾年時間里，有機薄膜晶體管的研究取得了巨大的進展，其可以應用于集成電路中有機薄膜晶體管的遷移率已經提高到5cm2/Vs，遠遠大于非晶硅的遷移率（大約1cm2/Vs）。

有機薄膜晶體管擁有傳統無機薄膜晶體管不可比擬的優點: 有機材料可利用溶液進行大面積旋涂、打印，降低制作的成本。相對于無機材料，有機材料可以在較低溫的條件下制作， 因此可選擇耐熱性較差的塑料基板，以制造質輕、具韌性、可撓曲的電子器件。可撓基底、低成本、低溫制程，使得OTFT 可以應用于低成本、大面積的軟性電子產品的機會大大提升。 例如作為開關元件應用于大面積有源矩陣平板顯示領域AMLCD、AMOLED以及傳感器陣列,在需要柔性襯底的大規模集成電路中的應用，包括智能卡、智能價格及庫存標簽、無線射頻識別標簽、商品防盜標簽以及電子條形碼等。

有機薄膜晶體管的基本原理

人們通常把半導體導電能力隨電場而變化的現象稱為“場效應”。晶體管是一種三端子有源器件。它可以分為雙極型晶體管與單極型晶體管。場效應晶體管是單極型晶體管中的一種。按載流子傳輸通道可分為表面場效應晶體管和體內場效應晶體管兩種，前者又分為MESFET(Metal-Semiconductor FET)和MISFET / MOSFET ( Metal-Insulator-Semiconductor FET /Metal-Oxide-Semiconductor FET )，后者又稱結型柵場效應晶體管(Junction-FET， JFET) 。 有機場效應晶體管是利用有機半導體作為器件的有源制備的一種MOSFET。由于有機場效應晶體管一般作為薄膜形式的器件，因此也被稱為有機薄膜晶體管。

有機薄膜晶體管基本上如同MOS晶體管一樣，是由一個柵極（Gate）、一個源極（Source）、一個漏極（Drain）的三端點電子組件組成。在MOS晶體管的三端點里，源極通常接地，而讓整個MOS晶體管的操作，由VGS(柵極電壓)與VDS(漏極電壓)來主導。其中VGS(柵極電壓)的大小將決定此晶體管的開關狀態，VDS(漏極電壓)則決定當晶體管處于“開”的狀態時，流經漏極，溝道(Channel)和源極的電流大小。按照產生的導電溝道的不同有機薄膜晶體管又可以分為n型、p型和雙極型。

研究近況及市場概況

目前世界各國都認為有機RFID市場前景巨大。至于技術的發展，目前全球都還在探索階段。各國家、地區和機構紛紛加大研發力度，尤其各國已經有專門的公司進行相關項目的投資。比如，美國Organic ID、IBM和德國PolyIC等公司。

美國的3M公司用一種便宜的導電塑料來替代傳統的硅晶體材料，這種材料名叫并五苯(Pentacene)。根據該公司公布的消息，利用并五苯作為芯片半導體材料的標簽已經可以被幾厘米外的讀取裝置識別。

OrganicID（Weyerhaeuser公司的子公司，主要生產可印刷的RFID塑料標簽）計劃設計制作一種高分子標簽，其工作頻率為13.56MHz。 2004年該公司已經申請了有關NQS模式的低性能晶體管電路設計技術方面的專利。到了2004年12月份，該公司宣稱制作出了已經滿足17MHz工作頻率的一種有機RFID標簽。

2006年，德國PolyIC GmbH & Co.KG開發出了使用印刷和卷對卷技術生產的有機無線射頻識別標簽，為數據保存集成了8位RFID標簽，集成了數百個有機晶體管，有機晶體管使用的半導體為Poly-3-alkylthiophene（P3AT）。制作完成10個月后其特性仍未出現下降。因此，該公司認為這種無線標簽能夠確保1年以上的元件壽命。

2007年6月，PolyIC又開發出32位和64位存儲有機RFID標簽，工作頻率為13.56MHz。

另外近期有機整流器方面也有較大的突破。比利時微電子研究中心（IMEC）于2006年已開發出激活無源RFID標簽的有機整流二極管，該二極管的工作頻率高達50 MHz。

日前韓國順天（Sunchon）國立大學化學工程學教授Cho Kyu-jin和他的開發團隊利用百分之百的有機傳導材料開發出了一款芯片，這款新開發的芯片可以用來制造無線射頻識別技術產品。利用噴墨打印技術，最終將生產出的無線射頻識別技術產品的成本減少為十分之一，將每個識別標簽的價格降至0.004美元。

美國市場研究公司NanoMarkets稱，目前在印刷電子市場，RFID占的份額基本上可以忽略不計，但到2014年將增長到30％。NanoMarkets表示，2012年有機RFID市場將達到45億美元。2015年，使用有機電路的RFID市場規模將達到116億美元。

目前，采用有機RFID標簽的應用已經在國外出現，剛剛結束的2007年德國有機電子大會(OEC-07)成功地在其大會票證上采用了印刷式有機RFID標簽。標簽內存為4個字節，運行頻率為13.56MHz，由PolyIC提供。PolyIC稱其兩款印刷式有機RFID標簽目前正用于一些試點項目，用量達10萬個。

自從1997年第一個完全由高分子制備的有機RFID標簽誕生以來，有機RFID技術已經在實驗室取得巨大的進步。歐美各國宣稱，有機RFID技術將很快走出實驗室，進入市場，與無機RFID相媲美。目前，部分銷售打印有機RFID標簽的公司在國外已經開始出現。近期發展趨勢雖然還是以發展無機RFID技術為主，但從長遠發展看，有機RFID有可能成為將來主導各行業信息處理的關鍵技術之一。

應用前景廣闊

面對新穎的有機RFID技術，歐美等大國一如既往地追逐及投資具有巨大市場潛力的新技術，新加坡及韓國都已明確指出要重點發展包括有機電子標簽技術及應用的項目，而中國的大部分企業一直處于觀望的狀態，雖然目前已經開始嘗試無機RFID在一些領域的應用示范，但在技術基礎方面遠遠落后于歐美各國，加之標準待確立和產業基礎薄弱，諸多因素制約著RFID技術在中國這個世界最具潛力的消費市場難以大規模運行。如果有機RFID的研究及應用方面遲遲不肯投資，在未來新崛起的有機RFID產業里又必將落后于歐美、日韓和新加坡等國。只有在快要占領市場的有機RFID技術方面盡早投入，將來才可能分得一杯羹。

鏈接

RFID的發展歷程

RFID技術其實是繼承了雷達的概念，并由此發展出的一種生機勃勃的自動識別技術。1948年哈里•斯托克曼發表的“利用反射功率的通信”奠定了RFID的理論基礎。 20世紀中期無線電技術的理論與應用研究是科學技術發展最重要的成就之一。

RFID技術的發展可按10年期劃分如下:

1941～1950年。雷達的改進和應用催生了RFID技術，1948年奠定了RFID技術的理論基礎。

1951～1960年。早期RFID技術的探索階段，主要是實驗室實驗研究。

1961～1970年。RFID技術的理論得到了發展，開始了一些應用嘗試。

1971～1980年。RFID技術與產品研發處于一個大發展時期，各種RFID技術測試得到加速。出現了一些最早的RFID應用。

1981～1990年。RFID技術及產品進入商業應用階段，各種規模的應用開始出現。

1991～1997年。RFID技術標準化問題日趨得到重視，RFID產品得到廣泛采用，RFID產品逐漸成為人們生活中的一部分。

1997年，第一個完全由高分子制備的有機RFID標簽誕生。

2000年，RFID標準化文件出現。

篇10

化學學科知識與化學學科文化之間具有密切的聯系。一方面，化學學科知識的發展是化學學科文化產生的基礎和存在的依據，并豐富了化學學科文化。如人類對原子結構的認識，經歷了道爾頓實心模型、湯姆遜糕棗模型、盧瑟福行星模型、玻爾模型和量子力學模型等，在其發展過程中不但發展了原子結構的知識和理論，其“依據事實-提出假設-抽象建模-實驗驗證”的研究思想和方法也豐富了化學學科文化；人類對酸堿的認識經歷了樸素酸堿概念、酸堿電離理論、酸堿溶劑理論、酸堿質子理論、酸堿電子理論和軟硬酸堿理論等發展過程，豐富了“堅韌不拔、不斷求索”的化學學科精神。另一方面，化學學科文化是維系學科學術共同體的基石，也是化學學科知識發展的內在動力。學科共同體成員堅信化學學科是造福人類的，追求人與自然、社會和諧發展的價值取向，遵循化學學科研究的行為規范，以偉大的化學家為榜樣，不斷探索化學科學的真諦，使化學學科知識得以豐富和發展。如新元素的發現、稀有氣體化合物的合成等，正是化學科學方法得以科學應用所取得的成果。從哲學意義上說，學科價值是指學科對人類的有用性。這種學科的有用性包括了理論與實踐上的有用性，個體與社會層面上的有用性等等，不同的學科有用性反映了不同的學科價值，形成學科之間區別的重要標志。化學是理論和實驗結合、基礎和創新并重的學科。化學學科的價值主要體現的兩個方面，一是通過揭示客觀事物的變化運動規律而得到價值體現，二是通過創造和識別能服務于人類社會發展的新物質而得到價值體現的。

1.2思維方法和語言系統

學科方法實際上是學科內開展科學研究的基本方式與途徑，不同的學科往往以不同的方法論指導學科內開展科學研究，形成了不同學科之間思維方式的差異。學科方法（也可以說成是學科共同體成員的思維方式）是學科文化的內核，是學科共同體所有成員特有的研究和思維方式。化學學科研究方法主要有觀察法、科學實驗法、歸納法、數學方法、假說與模型等等。化學學科共同體成員習慣于根據實驗事實，進行歸納概括、抽象推理的思維，習慣于從實物粒子的微觀結構視角揭示物質變化本質的思維；習慣于關注環境因素對體系狀態和性質影響的思維；習慣于提出假設、建構模型、實驗論證的思維。化學實驗方法在化學學科方法中具有特殊的地位。化學是以實驗為主要研究方法的基礎科學，即使是計算化學迅速發展的今天，化學實驗依然是檢驗化學原理和計算結構的唯一標準。正如化學教育家傅鷹先生所說，只有實驗才是化學的最高法庭。語言是文化的產物、載體和現象，是思維的物質外殼與呈現形式，是學科文化的窗口。每一學科獨特的思維方式決定了其獨特的語言方式或言語體系，學科共同體成員用這些專業言語體系進行學術上、思想上和情感上的交流，傳遞建立在學科知識和信仰體系之上的宇宙觀、人生觀和知識觀。化學學科在發展過程中形成和豐富了自身學科語言。化學語言主要包括文字語言、符號語言和圖表語言等。普適、通用和簡捷的化學語言，能將眾多的物質結構、組成、變化和性質等化學事實表達出來（如化學符號CO，表達了一氧化碳分子的組成、共價鍵成鍵情況、孤對電子數目等信息）。化學學科共同體成員用化學語言表示物質的組成、結構、性能及其變化規律，化學語言是化學學科共同體成員進行化學思維、學術和思想交流不可缺少的工具和中介。

1.3化學研究和教學行為習慣

學科研究和學科教學是學科最主要的學術活動形式，學科研究習慣和學科教學行為不但是學科文化的重要要素，更是學科文化傳承和發展的基本保障。學科共同體成員的學科教學與研究習慣具有一致性，正是這種一致性保證了學科及其學科文化的延續和發展。學科共同體成員在長期的學術研究和教學過程中，學科知識和觀點逐漸內化成學科成員的學識和信仰，逐漸改變著個人的人生觀和價值觀。伴隨著學科知識的獲取和傳授，學科文化就在不知不覺中深深地影響著所有學科共同體成員的思想、規范、行為和習慣等，并成為他們參加社會生活的重要經驗和手段。化學教學是由教師的教和學生的學所組成的雙邊活動。在教師有目的、有計劃、有組織的指導下，學生掌握系統的化學科學基礎知識和基本技能，并在此基礎上發展能力，形成一定的學科素養和社會所期望的道德品質。化學教學行為體現了化學學科前輩們進行研究和教學的行為習慣，化學教學行為能夠內化為學生的行為習慣。化學的學科特點和價值觀點一定程度上決定著化學研究和教學行為習慣。化學服務于人類社會發展的價值取向，促使化學研究和教學關注化學在生產和生活中的應用；化學研究著力解決生產、生活和社會發展中的問題，化學教學關注對學生應用化學知識解決實際問題能力的培養；化學揭示客觀事物本質及其規律的價值取向，要求化學研究應具有懷疑的、思辨的品質，促使化學教學教真實的化學、有用的化學，重視實驗探究在化學研究和教學中的作用；而“化學是一門實驗的科學”這一學科特點也同樣決定了化學研究必須以實驗為主要研究手段，化學教學也應引導學生進行以化學實驗為主要方式的探究學習。

2化學學科文化的育人功能

教育既是一個知識傳授的過程，又是一個文化育人的過程。這就表明學科教育存在兩個維度，一是知識維度，即以知識為中心，追求知識的系統性、理論體系的完備性，把對事物的認識作為主要目的的教育。二是文化維度，即以文化為中心，在知識教育基礎上關注文化，使學科教育成為關注學生如何適應社會并成為全面發展的人的教育。學科文化是教育最主要的文化資源、最基本的教育內容。從文化視角研究和探索學科教育思想、方法，可以豐富、發展和完善當前的教育理論，有助于開闊教學的視野，優化師生的知識結構。今天的化學教育已經不單純是化學知識的教育，通過化學課程的實施，培養學生的科學素養和人文精神是化學教育的最終目標。作為中學課程結構中科學領域的一個科目的化學，既是一種科學知識體系，又是一個教育科目。這就決定了化學學科的知識體系，既必須符合科學知識本身的規律，又要符合學生的學習與認知規律，符合學校的教學規律。《普通高中化學課程標準（實驗）》明確要求，要在人類文化背景下構建化學課程體系，理解化學課程的人文內涵，發揮化學課程對培養學生人文精神的重要作用；要在化學課程實施中，結合人類探索物質及其變化的歷史與現代化學科學發展的趨勢，引導學生形成科學的世界觀；要從學生已有的經驗和將要經歷的社會生活實際出發，讓學生認識化學與人類生活的密切關系，關注人類面臨的與化學相關的社會問題，培養其社會責任感、參與意識和決策能力；要通過化學課程的實施，讓學生養成務實求真、勇于創新、積極實踐的科學態度。因此，化學學科文化的育人功能是指化學學科文化主體、學科文化場域，以及包括知識理論體系、學科價值體系等在內的學科文化核心要素，對學生理想人格的塑造、價值觀念的形成、思維方式與行為習慣的養成等方面施加影響的能力[5~7]。化學學科文化中的價值取向、思維方式、行為規范、語言系統等都是豐富的教育資源，對于學生的成長和發展具有重要的定向和規范作用。在中學化學課程實施中，在重視化學學科知識的教育意義的同時，關注化學學科知識背后潛藏的文化背景和價值體系的教育意義，既能引導學生思維和行為方式的養成，又能培養他們形成認識世界的科學態度與高尚理想人格，從而提高綜合素質。

2.1運用化學學科文化，塑造學生的理想人格

人格是人的內在品質結構與外部行為方式的一種相對穩定的個性綜合特征。人格既是個人所獨有的特質，又是個人經社會化所獲得的整體，具有鮮明的時代特征。當代學生的理想人格應該包括“有理想、有信念，具有與時俱進的人生觀和價值觀；既具有良好的自我意識和獨立能力，又具有良好的團隊精神和和諧的人際關系；能積極參與社會實踐，勇于開拓創新，具有強烈的社會責任感”等。學生人格的塑造事關社會的進步和發展，基礎教育承載著幫助學生建構既適應時代的需求又不失學生個性特色的理想人格的任務。徐光憲先生曾經說“化學是一門承上啟下的中心學科”。他認為科學可按照它的研究對象由簡單到復雜的程度分為上游、中游和下游。數學、物理學是上游，化學是中游，生命、材料、環境、能源等朝陽科學是下游。化學是中心科學，是從上游到下游的必經之地。盡管今天的化學看上去沒有那些學科炫耀和光彩，卻始終默默地發揮著本學科必不可少的作用。化學學科發展的終極目標是促進人類社會發展。從生產生活實踐中孕育產生的化學科學，從誕生之日起就深深打上了服務于人類社會的烙印，化學學科共同體成員在化學學科中所進行的研究都是以服務于人類社會為終極目標的。化學學科不僅與人類的衣、食、住、行等方面密切相關，而且通過與相關學科的滲透、交叉與融合而產生了眾多新興的應用性更強的學科和研究領域，其成果應用極大地推動了人類社會進步和發展，并造福了人類。化學學科服務于社會發展的價值取向能夠有效地塑造學生報效社會的價值觀，培養學生的社會責任感和使命感。在化學科學發展進程中，許多化學家為化學科學的發展做出了杰出的貢獻，他們為科學而獻身的事跡是化學學科價值的核心內容。化學家們的事跡是我們進行學科文化教育，塑造學生理想人格的重要資源，門捷列夫對元素周期表的編制、居里夫婦對放射元素鐳的發現、候德榜制堿工藝的發明，無一不閃爍著為科學進步和為社會發展堅持信仰、勇于創新、不懈追求的人格力量。而化學學科所取得的每一進步，都體現著“在爭論中堅持追求、在合作中取得創新、在堅守中獲得成功”的特點，更能對學生進行理想人格的塑造。

2.2運用化學學科文化，培養學生的思維方法

不同的學科中有著各自公認的觀察問題、分析問題和解決問題的方式及衡量標準。學生通過學科學習，在耳濡目染中習得了該學科文化定的感知、思維和行為模式，即學會了本學科特有的觀察問題、分析問題和解決問題的方式，形成了該學科特定的專業習性。學生在學科學習中形成的學科習性不僅限于專業領域之內觀察問題與分析問題的方式，也會（自覺或不自覺地）影響到學生觀察社會和世界的方式。化學科學形成和發展過程中經常運用的、具有化學學科特征的化學科學研究方法是很好的培養學生思維方式的素材。化學在研究客觀事物及其變化、創造和識別物質的過程中，運用觀察、實驗、分析比較、假說、建模、概括、歸納和抽象演繹等科學方法，推動了化學科學的發展。例如，化學對物質結構認識所經歷的“歸納事實提出假設建構模型發現新的事實實驗驗證……”的發展模式，化學原理和理論發現（如酸堿理論的發展）經歷的“歸納實驗事實提出理論假設實踐檢驗……”的發展歷程，都是化學教育的重要內容。這一整套科學的學習和訓練過程，使得學生在掌握學科知識的同時，不斷內化形成看待問題的嚴謹的邏輯分析能力和思辨的實證精神。因此，在化學學習中形成和發展的科學思維方法，不僅有利于化學學習，而且更能夠為學生的終身發展服務。