【工艺在线】原子工厂和生物工厂——人类未来的工厂

摘要：炼化企业如何解决将来的原料及产品问题。替代资源，可分为替代能源和替代原料，可再生资源或可循环利用的资源...



摘要：炼化企业如何解决将来的原料及产品问题。替代资源，可分为替代能源和替代原料，可再生资源或可循环利用的资源是唯一选择。在科技发展的广阔前景下，使用核能提供能量取代汽柴油燃料的原子工厂，还可以回收各种废料，循环使用；使用生物质或循环物质提供物质原料的生物工厂配合各种生物质转化反应或原子重组反应，生产化工原料。这为下个世纪的新型工厂勾勒出一个大致的轮廓。

关键词：能量，质量，发展趋势，未来工厂

第一章引言：能源的本质--能量与质量

现代工厂，均为需求所引导，都是在解决两个问题：1，产品用到那里去？ 2，原料从哪里来？而炼化装置，现在的答案很明确：产品为能动燃料和原材料，继续用于生产人类需要的各种产品；原料则为生物质矿藏。

在不可再生资源日益枯竭和环境保护的客观趋势下，现有的炼化工厂已遇到越来越多的问题，解决办法无非是开源节流，开源即寻找新的可替代资源用于生产需要的产品；寻找替代产品来满足人类的需要；节流即改变需求。但是正如大家所看到的，人类对动力能量的需求及各种有形用品的需求不减反增，而石油质原料替代问题却已愈来愈紧迫，产品的结构也随着技术进步在转变。

如果要找到一个有效的解决办法，还需要对本质规律做一个总结。

人类活动的本质：能量，质量。

现代人类社会的驱动力是能量，载体是质量，所有的人类活动都可以归纳为这两点。人类社会越发展，所需能量总量越大，质量总量越多，种类越繁。不管以何种方式，这二者都要形成循环，且能量循环和质量循环是两个相互独立又相互关联的循环。

能量的循环为：能量获取-使用做功-转化为热量-进入自然界。

质量循环为：质量获取-富集重组-质量使用-成为废品进入自然界。

二者的联系为：质量可以转化为能量，能量可以逆向改变质量的混乱程度。这是本文的关键之处，质量转化为能量即E=MC2，用能量提取质量即我们现在所说的广义合成-分离技术。

因为熵（混乱程度）只会自发增加的原因，人类对于这两大循环的利用只能是开式循环，未形成闭环，造成了现在的能源及资源枯竭，以及超出自然环境接受的问题。

解决此质量循环的问题办法很简单，即为利用二者的联系实现物质的闭环循环；获得持续有效的外界输入能量。

解决能量循环的问题，即如何将能量使用后的废弃热量重新转化为能量，不至于超出自然的承受能力，这也是众多科学家正在探索和解决的问题。

需要明确的两点：1，如何获取能量是循环的关键。2，无论如何循环，不能改变大系统混乱程度增加的客观规律，但这个过程可以极其漫长，大于人类文明存续时间，文明以后的事，可以不用考虑。

第二章能量的来源：

太阳——现实的能量源泉。太阳能的本质：核聚变。

对于太阳能的利用手段及方法本文不再赘述，可以说人类活动的绝大部分能量都直接或间接的来自于太阳。在人类可控核聚变反应堆实现之前，大幅度利用太阳能建造生物工厂与发电，是一个初步解决方案。

太阳能的本质即核聚变，可控核聚变是21世纪能源革命换代的关键技术，人类已经持续研究了50年，预计2050年将成为现实，届时将一举解决能源问题，也就为后续问题解决提供了先决条件。

中国的能源发展战略将能源结构发展定义为：化石能源+裂变能----聚变裂变+裂变+化石能源----纯聚变能+可再生能源[1]。可见，化石能源被取代已经是历史的趋势，能量问题将迎刃而解，剩下另外一个问题：化石能源所提供的物质原料产品又如何获得？

第三章质量的来源：生物工厂和原子工厂，替代材料

如前所述，能量的来源随着能源革命的进行，化石能源将被核能所取代，但化石能源的另外一个用途：提供物质原材料用于生产各种人类所需有形产品的功能又如何解决呢？

将能量变为有形物质的途径其实早已经存在于我们身边，动植物，早在人类出现之前就已经开始将太阳能和无机物转化为生物质，并改变了地球的面貌，仅限于太阳能量密度有限和空间有限，此过程只能在时间上变得非常漫长。

生物质能否提供原需要化石资源才能得到的质量原料，答案是肯定的。仅仅从现代化工技术而言，生物油藻，生物质燃料，生物质纤维素制甲醇、乙醇，甲醇制烯烃MTO，各种一碳化工技术，使得此条道路无比通畅；再解决了能量密度，有限空间的问题，这些技术组合便会诞生以生产各种有机原料为目的的：生物工厂。届时，农业和工业将没有界限，粮食问题也将一并解决。

生物工厂的成本如何？成本决定于替代成本的大小，也决定于能耗。当石油化石能源成本高出承受范围，当能量问题有了解决的未来，成本即不再是问题。

质量原材料如何解决？

原子工厂与替代材料。

“没有垃圾，只有放错地方的资源”那么“垃圾”-便是人类的一大资源，也是实现物质循环，解决环境问题的关键一步。在能量和高温的驱动下（解决能量为前提），大部分物质均可以被离子化，变为简单原子和离子。已有的研究表明，完全可以利用核能的能量将核废料无害化，且具有功效比。那么假设的原子工厂，完全可以以垃圾或污染物为原料，分解为分子、原子、离子体或更小级别再进行分离，得到纯态产品，再经过原子重排，得到需要的工业原料。

人类在替代材料上的研究结果已非常丰富，从碳纤维的应用成果便可见端倪，可以替代各种金属和非金属制品，且来源较为广泛[2]。

第五章总结、问题及公司未来

生物工厂、原子工厂。以上所有的设想均是在能源问题解决的基础上构筑的，这些设想能否实现，人类要随心所欲使用能源进行各种生产，要看核科学发展的最终结果，这个结果在部分人的有生之年即可以看到。

遗留的问题，人类对能源的大规模利用，势必也将造成能量最后转变为热量，释放到自然界，而自然界承受能力有限。自然灾害频繁已间接证明了这一点，如何解决这一问题，需要研究和探讨，其结果是否公司在此也能做些什么。

公司的未来如何做？

技术变革与能源革命并不遥远，一旦解决了能量和质量来源问题，如何去进行各种转化，公司大有可为，这里仅列举一些方面：

1，各种生物质的处理、转化、分离，工艺路线的扩展和完善。

2，新型工厂的设计建设，土建施工。

3，原料产品的输送。

4，电力，自动控制，设备，材料。

5，无机化工，合成反应，催化反应。

公司可以拓展的方向：

1，核能物理。

2，生物化工。

3，电力工程。

4，储存输送。

5，材料工程。

相信大家心中的答案会更加丰富多彩。

最后，本文的设想基于40~50年后的技术实现，在10~20年内，公司怎么做？我们在生物化工和一碳化工方向的试探才刚刚开始，任重而道远，但笔者相信，化学工业的自由世界将来一定会实现！

参考文献：

[1]核聚变50年，核科学工程，2001年3月第一期

[2]2015-2020年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告，前瞻网，2014.8

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