时间：2023-09-18 17:34:27
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇化学工程与工艺的前景，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
前言
进入21世纪，人类正面临着越来越严重的环境危机，最突出的是人口剧增、能源日渐减少、资源濒临枯竭、生活废弃物和工农业污染物正迅速恶化生态环境，使得人与自然的矛盾不断激化。
绿色化学的设想是在化学生产过程中，不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。相应的，绿色化学工程与工艺是通过改进化学的技术和方法，减少甚至完全消除对人类健康、生态环境有危害作用的化工产物，同时促进化学工业节能目标的实现。
一、绿色化学工程与工艺的开发
我国传统的化学工程与工艺对有害污染物是滞后的被动治理，即不能根除污，并且成本很高，治标不治本。如利用烟气除尘、脱硫，虽然达到了净化气体的目的，但是污染物却转移为废渣、废水。绿色化学工程与工艺的开发，则本着零排放、清洁生产的原则，从化学反应的始端着手，进而有效防止和控制污染的产生。
1.选择、采用无毒害化学原料
原料的选择生产化学品的源头，同时，还决定着不同的化学生产流程和工艺。绿色化学工程与工艺的开发首要目标是不使用有毒有害的原料。为了从源头上防止化学污染，绿色化学工程与工艺开发的原则是尽量选用可再生的自然物质作原料，如野生植物、农作物等生物质。将诸如芦苇、木屑、树枝等野生纤维植物以及诸如蔗渣、麦秸、稻草等农副产品的废弃物作为原料加工为糠醛以及醇、酮、酸类化学品，用生物质气化产生氢气等，都是绿色原料应用的典型例子。
2.提高化学反应的选择性
烃类选择性氧化是一类具有强放热性的反应，石油化工中经常会有这种反应，其目的产物不稳定，容易进一步氧化成H2O和CO2.在各类的催化反应中，此反应的选择性最低，有时有些产品还具有异构体形式，为了得到更多的终产物，需要使用那些选择性高的试剂。为了降低分离产品和纯化产品的难度，需要提高反应的选择性，这样可以降低成本，节约资源，减少环境污染。在这一方面已经有不少的科研成果，比如开发载氧能力强、选择性好的新型催化剂，来应对不同的烃类氧化反应。
3.采用无毒无害的化学催化剂
目前，约 90 %以上的化学反应要实现工业化生产必须采用，催化剂提高其反应速率。开发新型高效、无毒无害的催化剂是绿色化学工艺的方向之一。国内外都在研发新的烷基化固相催化剂。另外，分子筛催化剂也得到了很好的开发和应用。
二、绿色化学工程与工艺在化学工业节能中的应用
绿色化学工程与工艺开始与使用，很大程度上促进了化学工业节能的实现。具体来讲，目前在国内主要有以下几方面的应用。
1.清洁生产技术的应用
清洁生产技术也被称为无害、无毒、无废的绿色化技术，比如先进的脱硝和脱硫技术；城市垃圾的无害化处理技术；生活垃圾制沼气技术；高效清洁的煤气化技术；利用风能、太阳能等自然能发电技术等等，这些都利用了清洁生产的技术。清洁生产技术包括的范围很广，主要有以下几种技术：生物工程技术，这其中有细胞工程、酶工程、基因工程等等；辐射加工技术，如离子束、射线和中子束等在常温常压下就可以引起一些需要在高温高压下才能进行的反应；绿色催化技术，这里有多种催化剂，比如分子筛催化剂、相转移催化剂等；超临界流体技术，这里有超临界H2O和超临界 CO2，都能阻燃并且无毒。清洁生产技术具有许多优点，其产品清洁无毒，不管是对环境还是对人体都是安全的。
2. 结合生物技术的应用
生物技术领域包括有细胞、基因、微生物和酶等的技术范畴。它在化工领域的应用主要包括两个方面，化学仿生学和生物化工。生物酶在生物体内作为一种催化剂具有高效性和专一性，广泛参与到生物合成的各个过程。而在化学仿生学中主要是膜化学这一领域使用到生物技术。
绿色化学工程与工艺部分采用了生物技术，使可再生资源合成化学品。早期的有机化合物原料多数直接来源于动植物，之后才发展到利用石油和煤炭作为原料。在绿色化学工程与工艺中，催化剂一般用的都是自然界中存在的酶或者是工业酶。酶与一般的化学催化剂相比，具有无污染、反应条件温和产物性质优良等优点。比如制备丙烯酰胺，使用的是丙烯腈，换用酶催化后，能耗大幅度降低，反应完全且无副产物。
3.生产环境友好型产品
发展绿色化学工程与工艺，其目的是生产出环境友好型产品。在生活中有许多实例，比如寻找替代品来替代氟利昂，这样可以保护大气的臭氧层；使用可降解的塑料制品；无磷洗衣粉、清洁汽油等等。因为传统汽油柴油给大气带来了严重污染，近年来国内外流行使用的新汽油、低硫柴油或者是其他无污染燃料，大大减少汽车尾气造成的污染。又如在山东推行的用二甲醚来做汽车用的燃料，二甲醚既经济又环保，这具有很好的发展前景。巴西在生物能源的开发上取得一定成就，如使用乙醇汽油，利用甘蔗产酒精，酒精燃料已经取代了接近一半的汽油消费。另外还有H2和CO2在太阳能和电解质存在的条件下合成乙醇这一新工艺，生产过程和产品均对环境友好。
三、结束语
总之，绿色化学工程与工艺采用无毒害的溶剂、原料、催化剂等，选择无污染、低耗、节能的化学工艺过程，应用清洁的生产技术，实现生产与环境相容，产品和生态友好。开发和应用绿色化学工艺，已成为现代化学工业的发展趋势和前沿技术，是建设环境友好型社会，实现可持续发展的关键。
参考文献
[1]陈军. 低碳时代的精细化学品绿色制造技术[J]. 科技和产业，2010，（06）.
[2]纪红兵，佘远斌. 绿色化学化工基本问题的发展与研究[J]. 化工进展，2007，（05）..
[关键词]：绿色化学；生物技术；清洁生产；环境友好型产品
1、前言
化学工艺主要是利用现有的化学方法或者改性优化方式来改变物质的结构或者组成从而达到合成新物质的生产过程以及技术。化学工艺涉及范畴较为广泛，基本包括对原料的选择以及预处理、方法原理以及生产方法的选择、能量的回收和利用、对不同工艺路线的评定以及经济预估等。化学工程则更加侧重于研究工业等其他过程中的化工过程和物理过程中的相同以及相似的规律或者工艺。其理论主要包括由有工业催化理论，传质分离理论，反应工程理论等。化学工艺的工程背景主要包括返混和扩散两种方式。返混具有两种理想状态，即活塞流状态以及全混流状态。在多数情况下，返混是一种不利与反应或者工艺进行的因素，研究人员们需要采用一定的方法对其加以限制。扩散则是一种发生在气固相催化反应过程中的常见现象，气相反应物必须克服外扩散以及内扩散所产生的的阻力，从而达到催化剂内表面并且进行反应。
化学工艺在应用过程中极易对人类自身以及周围环境造成一定危害，应用绿色化学工艺就是使用科学的技术以及手段，对危害人与环境的化学产物、试剂进行治理，从而保证化学工艺的安全性与环保性，在一定程度上从根本解决污染现象，维持社会的可持续发展。近几年在各大小城市爆发的严重雾霾问题，暴露出了化工企业对环境和人类的危害作用。为了降低环境和人类健康的危害，研究人员们逐渐⒙躺化学作为其优先发展的工艺，同时各大企业也将其作为重点的研究对象。
2、绿色化学的应用
2.1 生物技术（医药生物技术）方面的应用
当今世界大部分国家尤其是发达国家都以生物技术以及其产业的发展做作为提高国家科技和经济的重要竞争手段。医药生物技术则是生物技术领域中首先实现产业化分支之一，并且取得了重大的突破，呈现出蓬勃向上的发展态势。
近几十年来，飞速发展的生物技术为世界各国的农业，医疗业，畜牧业等各大产业的发展开辟了广阔的前景。而基因工程药物则是其中应用最为成功的领域之一。比如销售额较大的生长激素、干扰素、红细胞生成素（EPO）、白细胞介素等，都是基因工程药物中被研究人员广为应用和开发的分支。同时，单克隆抗体在生物医学领域得到了极其广泛的应用，在器官移植抗免疫排斥、肿瘤、风湿及自身免疫疾病等方面显示出不俗的临床效果。在欧美、日本等国家大力发展医药生物的同时，我国也开启了这方面的大门，比如动物血蛋白转化为人血的代用品的成功、组织工程技术修复骨和肌腱韧带损伤研究的重大突破等。虽然我国医药生物技术面临着药物生产重复、转化率较低等问题，但是随着国家自主创新能力的不断提高以及国际合作与竞争能力的持续加强，生物技术的应用前景、经济利益以及社会效益也不容小觑。
2.2 清洁生产技术方面的应用
2.2.1 太阳能的运用
太阳能作为一种新型的可再生能源，有着环保、清洁、长效、持久等优点，已经成为各国应对气候变暖，能源短缺等问题的重要选择之一。太阳能的大规模广泛利用有效地减少了人们对化石燃料的依赖程度，其发展前景也甚为可观。
首先，太阳能资源有着无可比拟的优势，其丰富的储量对于人类来说可被认为“取之不尽，用之不竭”。中国太阳能资源及其分布状况如表1所示。
由表1可知，我国西北，青藏高原地区太阳能资源极为丰富，对于西部大开发的国家战略也有着极强的推进作用；而由于太阳能资源几乎不产生任何污染，所以可以大幅度减轻各大城市的雾霾等恶劣天气的出现，也比危险系数较大的核能更加安全以及方便；其低廉的成本也为其大范围的推广创造了极其有利的条件。其次，太阳能利用技术也已得到政府较大的重视与发展。其中，单晶硅电池与选择性太阳吸收涂层两项技术的突破既是人类对能源利用技术的又一次变革，又是太阳能利用进入现代化发展的重大标志之一。我国在利用太阳能热发电的技术研究中取得了不小的进步；2011 年浙江华仪康迪斯太阳能科技有限公司自主研发的国内首台 10kW 碟式太阳能聚光发电机系统样机投入试运行，填补了中国在太阳能聚光发电方面的一个空白，由此我国的太阳能利用技术迈上了一个新的平台。
最后，在环境日趋恶化，能源日益枯竭的背景之下，太阳能技术的发展无疑有着极其重要的战略地位。纵观中国以及世界对太阳能的开发与利用，加大相关方面科技攻关、人才培养，发扬长处，并加大太阳能热利用技术的投入与发展，引导并形成以太阳能相关产业链，拓宽国内外市场，使太阳能真正成为中国重要新能源之一。
2.2.2 风能的运用
风能在提高能源供应、保障能源安全、改善能源结构、减少温室气体的排放、保护生态环境等诸多方面有着重要的作用。2010年一年，我国风电新增装机容量突破 1 800万 kw，实现连续五年快速增长的态势。而在恰巧实在2010年当年， 我国的总装机容量突破了 4 400万kw，成为世界风能大国。虽然中国已经成为世国际上的风能大国，但还不是风能强国。因此，在目前和今后一段时间内，我国尚且存在一些制约风能发展的因素：例如大规模风电场系统的建设的约束，电网与风电的协调发展问题，风能资源精细化的评估困难以及国际竞争力的提升等。
我国风能的陆上风电发展速度较快，发展态势也属于稳定增长型。新疆的达坂城风力发电站更是将大自然赐予人类的风力运用到了极致。由此可见，中国风能的近期发展主要以陆上风电为主，但同时，我国也在积极稳定发展海上风电等各项技术。虽然海上风电场相比于陆地风电场建设成本较高，建设难度较大，但是仍是风电未来发展的一个可观的趋近方向。例如2010年我国在上海东海大桥建立了容量为102MW的风电场，对海上风电的发展起到良好的标杆作用。另外，海上风电机组需要在高湿度、高盐雾以及海流、海浪、海冰和台风等恶劣环境下运行，因而海上风电机组除了需要可靠的功率特性之外，还需要研究人员， 对其的可靠性、防腐蚀性、易维护性以及抗疲劳性给予足够的重视以及提高，从而减少设备的故障率，降低运行成本，从另一种方式对资源与环境进行保护与维护。
2.3 环境友好型产品的生产
绿色化学工艺技术最终目的即是生产环境友好型产品。例如近年来生产的无磷洗衣粉、防治白色污染的生物可降解塑料、清洁汽油等，在环境保护等方面起到了显著的效果。再如目前种类繁多的通过生物技术生产和制造化y品，其主要原料成分大多为天然提取。而同时，具有独特生理活性的天然绿色生物材料甲壳低聚糖则可通过甲壳素/甲壳胺的降解得到，以之合成化妆品对于皮肤和毛发有着不俗的效果，并且不污染环境，绿色无公害，实现了环境友好性。
3、结语
现今社会发展速度较快，发展模式较为广泛。而化工生产更是会给环境带来不容小视的危害。而例如燃料的燃烧、汽车尾气的排放以及原子能与化工能源的利用导致的放射性或者腐蚀性污染等环境污染问题又是环境自身与人类活动相互作用的结果。绿色化学恰恰贯穿于环境自身与人类活动相互作用的相互作用之中，其与生命、信息、资源以及能源等紧密相联。
现今，随着绿色化学工艺技术的不断快速发展，其也为人类解决环境问题提 供了很好地解决方式。而化学工程师以及化学家们为了生产出有效的绿色产品，必须对现有的化学工艺以及其过程进行优化控制，一方面要使用无毒无害的原料、催化剂以及溶剂等药品；另一方面要采用清洁工艺，从工艺上杜绝污染；同时还要注重提高反应的选择性，节约资源，降低生产成本。总之，若要实现化学工艺在未来继续发展壮大，从而为人们所生活的社会的发展带来巨大的经济利益以及社会效益，人们需要进行一场由设计到生产的“绿色革命”，
[参考文献]：
[1]祁新萍，绿色化学工艺的未来发展分析[J]，环境保护，2013
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[6]闫云飞，张力，太阳能利用技术与应用[J]，太阳能学报，2012，12（33）
目前主要造成温室效应的气体是二氧化碳,从工业革命以前人们开始应用含碳类的能源物质开始,无论是科技生产还是工业生产,知道现代的科技,即便是已经开始了全球化的大生产,每年都会由于生产而产生数十万吨的CO2,这些气体被爱芳到大气中,就是造成温室效应禅城的最根本的原因。而过去并未有相应的法律法规对此类问题进行规范,因此很长的一个时期,工厂对大气的这种破坏是无需承担任何责任的。
目前针对这一问题,很多化工企业都开始积极的开展新的技术,通过利用新技术以改善高CO2气体排放的现状,随着投入的加大,这种现象得到了有效的控制。甚至目前已经在某些生产环节可以达到利用二氧化碳作为原料进行生产,以此降低其排放量。比如,尿素的生产过程中,化工企业就可以再生产中将CO2进行收集通过一些反应进行利用。这一工艺每年就可以减排数十万吨的二氧化碳。
2 海水淡化预处理中绿色科技的应用
水是生命源泉,无论是生活还是生产,最基础的生存都离不开水。水作为社会发展的基础资源,本身有具有着有限性,尤其是淡水资源。而随着社会以及经济的发展,淡水资源曾经的利用毫无章法和度,因此世界开始面临了淡水危机这又一环境问题。中国虽然地大物博,但是相对于整个世界而言,是淡水资源最缺乏的国家之一,因此就需要寻找到可以解决这一难题的有效途径,海水的淡化技术的产生和应用不得不说是成为了解决这一问题的有效途径。海水淡化技术在初期研发阶段的应用成本较高,只有少数发达国家才有技术以及资金使用,称得上是奢侈技术,但是随着科技的发展,海水淡化的应用成本随之降低,其开始作为一种普通技术为一些发展中国家引用并应用。
淡化海水本质上就是通过一些物理方法或者是化学方法将海水中的盐分以及水分进行相互分离的过程。在对海水进行淡化的过程中不会对环境造成任何不良的影响,并且获取海水对生态也没有造成结构上的破坏,这一点和目前我国提出的可持续发展的思想十分吻合,即满足了自身的需要,同时也给后代留下了能够发展的资源以及环境。这一点就符合了绿色科技的基础理念,所以海水的淡化中的一个重要环节就是绿色化学工艺的应用。而将这种绿色科学的理念同化工相互联系的过程实则就是现代化工发展的重要方向之一。氢氧化镁在海水的预处理淡化中产生,这种物质不但环保可靠,并且成本较为低廉,具有简单的操作工艺,同时不会造成换进的二次污染,在海水的淡化效果上又十分的明显,因此应用前景十分广阔。
3 传统香精香料生产中的绿色化工的应用
香精香料不仅仅是我国日常添加剂之一,同时在国际市场上也是我国进行进出口的贸易组成主要内容。作为日常化学产品之一,香精香料也受到了经济危机的影响,由于这种影响的逐步加深,经济萧条的状况开始蔓延整个世界,因此,随着这一影响的加深,我国在香料香精的出动中,由于订单的减少,受到了一定程度的打击。
在深入地调查我国香精香料产品出口订单锐减现象的原因之后,不难发现,产品中有害杂质含量超标,是其真正并且主要的原因。造成有害杂质含量超标的原因则在于生产工艺方面的缺陷。例如提取原料的成分在产品中有残留以及包装材料的使用不当等原因。其中,提取原料的成分在产品中的残留的问题,可以通过研究和开发新的提取技术来改变。包装材料使用不当的问题,则应通过加强企业和工厂的监管力度,督促生产商家和企业反复试验,选取符合有害杂质含量标准的外包装物等方法来改善。还要牢牢掌握我国香精香料产品的优势方面,不断加强新技术的研究和其在实际生产中的应用,才能够满足生产出高质量、低能耗的香精香料产品的要求。
4 绿色化学使可持续发展战略任务逐步向前推进
传统的化工生产,给我们的生活创造了非常丰富的物质基础和能源。其在对人类历史的发展进步的工程中所做的贡献是不不忽略的。但是呢,又由于化工产品生产的原材料和生产过后的残余物中,存在着大量的有毒有害物质,这些物质又造成了很多环境污染问题以及生态平衡的失调。这样,就又阻碍了社会经济的继续发展。新世纪,面对严峻的环境污染所提出的挑战,可持续发展战略这种道路的选择,成为了历史的必然。
关键词：聚丙烯 生产过程 催化剂 优化控制 建模研究
一、聚丙烯生产工艺
聚丙烯生产工艺的两大重要因素是催化剂和聚合工艺。其中，对聚丙烯产品性能起着关键性的作用是催化剂，同时也是聚丙烯生产技术发展的核心。随着催化剂的更新换代，促进了聚丙烯生产工艺的快速发展。上个世纪中期，齐格勒研制的催化剂经纳塔改进后，成功研制出了结晶性聚丙烯，这大大促进了聚丙烯的发展。到了20世纪80年代后期，又研发出了茂金属催化剂和后过渡金属催化剂。茂金属催化剂在保持之前的催化剂的性能和特点的基础上，增强了树脂的性能；而后过渡金属催化剂在兼具前者性能的同时，还降低了催化剂的生产成本。
聚丙烯的聚合工艺是影响聚丙烯生产工艺的另一重要因素，聚合工艺方法包含有溶剂法、溶液法、液相本体法以及气相法。其中，溶剂法和溶液法是在早期工业化时期所采用的方法，前者在使用过程中，要进行溶剂回收，物耗较高，并且生产过程较长且过于复杂，因而这种方法早已不再使用。而后者在现代虽还在使用，但由于其生产成本较溶剂法高，工艺复杂，因此，在生产中溶液法所占的份额很小。随着研究人员对聚丙烯聚合工艺的深入研究，液相本体法和气相法因其能耗低，不需要脱离催化剂残渣、产品牌号新的优势，逐渐在聚丙烯的生产聚合工艺中占据主导地位。
二、聚丙烯生产过程的优化控制
聚丙烯的生产过程是一个纷繁复杂的系统工程，生产设备庞大，生产过程复杂。聚丙烯的的生产过程包含了聚合反应、分离、单体冲洗以及后期处理等。从聚丙烯产品的生产设备来看，它是一个不确定性、非线性、大纯滞后、强耦合、分布参数等特性的生产装置系统，为实现聚丙烯的的生产过程的优化控制一直是实务界的难点和重点。从控制的角度来讲，在生产工艺和设备已经确定的情况下，实现生产的平衡控制是产品生产最基本的原则和目标。因为生产的平衡、稳定是工厂生产的前提、基础，只有在平衡、稳定的基础上才能为产品生产提供机理模型，实现优化控制。从近十年化工生产过程的控制情况来看，虽早已采用集散型控制系统，但其缺点在实际操作过程中已暴露的愈加明显。因为这种集散型控制系统只是将操作变量和控制变量之间的关系设定为一一映射的关系，从不考虑因变量的变化从而导致它们之间关系的变化。在化工产品的实际生产过程中，正是由于这种一一映射的设定，使得变量之间的关系无法真实反应出生产设备、装置的实际情况，从而也很难实现生产设备的平稳控制。
聚丙烯生产过程的优化控制可分为两个层次：一是建立工艺机理模型，这是一种静态的模型优化，是在先进的控制基础上的稳定模型，该种模型是按照目标函数进行的优化计算，计算出的优化值将作为在线经济优化控制范围内的限值；二是在线经济优化控制，是在多变量预估控制的基础上实现的，该控制在预先设定好的目标函数基础上寻找优化值，为实现经济效益而实行优化控制。
常见的优化控制主要有：模糊逻辑控制，它是以模糊语言变量和逻辑推理为基础的数字控制技术，本质上是非线性控制，主要特点是具有系统化的理论。其中模糊逻辑控制分为Mamdani模糊模型和Takagi—Stgeno模糊模型两种；预测控制，它不是一种非线性的系统理论控制，而是直接来源于聚丙烯产品的生产实践。经过几十年的快速发展，它已演变出三种形式，分别为基于非参数化模型、参数化模型和结构化模型的预测控制。但是，不管形式如何变化，每种形式的预测控制都包含了预测模型、滚动优化和反馈校正三个部分。
三、聚丙烯生产过程控制策略
连续法本体聚合工艺按采用的聚合反应器的不同，分为釜式聚合工艺和管式聚合工艺。这种工艺的特点是结构简单，具有单位体积传热面积、总传热系数高、单程转化率高、产品牌号切换时间短的特点。在全世界以及在国内生产聚丙烯的装置中，采用环管法工艺是最多。整个工艺生产过程对丈量及控制系统要求较高的是反应系统及相关流程。它包括预接触罐、预聚合反应器及环管反应器3个部分。整个反应过程对于温度、压力、丙烯进料、氢加进量、环管反应器的缓冲罐液位、聚合物含量的检测控制要求较严格，各参数的控制相互关联。
丙烯聚合属于配位阴离子聚合，是一种自由基链式聚合，在丙烯分子里面含有大量活泼的π键，这些π键的作用是被丙烯中的钦系络合物催化剂吸附或配位，让双键极化，从而使得丙烯单体插入到钦、碳键之间，形成活性链，最终实现链增长或是终止。然而对于催化剂的活性中心而言，主要有双金属活性中心模型理论和单金属涪陛中心模型理论两种。
釜式聚合装置作为生产聚丙烯产品的主要设备，深入对其研究具有十分重要的现实意义。在实践操作中，装置中的搅拌釜可以单独使用，也有多釜串联、并联使用。为达到提高模型运行效率的目的，一般都将反应器作为动力学控制状态，因而我们在研究该问题时以采取以下一些假设：拟稳态处理，等活性理论，聚丙烯的聚合总速率等于链增长速率等等。在对反应釜进行建模的过程中，反应过程中主要涉及到得物料为丙烯单体、氢气以及催化剂等，并且要充分考虑到热量平衡。
聚丙烯生产过程的热点问题是建模研究，而反应釜作为主要生产装置，对聚丙烯生产过程进行优化控制是建模研究的基础性工作。所以因在过程描述时可作进一步简化：当物料进入反应器中时，会发生一级放热不可逆的反应，这些热量会使温度升高，影响到反应物的反应速度和浓度。因此，必须对热量加以控制，可采取冷却两种方式是气相冷凝回流和夹套将热量移走。同时，为了有利于阻止聚合过程中的产物在反应器的内壁上沉积，反应釜内的聚合过程应在液相内搅拌。另外，进入到反应器中的物料由两部分组成，一部分是新鲜物料，另一部分是反应釜中没有反应的物料，经过处理后被再次利用。
参考文献
关键词：生物化工 发展前景 应用
中图分类号：TS201 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（b）-0080-01
1 生物化工的简介
生物化工（Biological Chemistry）是一门以实验研究为基础、理论和工程应用并重，综合遗传工程、细胞工程、酶工程与工程技术理论，通过工程研究、过程设计、操作的优化与控制，实现生物过程的目标产物。它在生物技术中有着重要地位，其产品具有实用价值高、需要成本低的特点，将为解决人类所面临的资源、能源、食品、健康和环境等重大问题起到积极的作用，对人类社会文明起着关键性作用。
2 生物化工的起源及应用
生物化工学科起始于第二次世界大战时期，以抗生素的深层发酵和大规模生产技术的研究为标志。1928年9月3号，弗莱明意外发现青霉素之后，抗生素开始快速且呈现正趋势的发展。特别是第二次世界大战以后，因结合转基因、生物催化、动植物细胞培养等新型、传统生物技术，将生物化工逐步分化出来，成为完好地学科体系，并形成一个让人意外的新兴产业。从酒精的医药用途、味精的调味使用，到氨基酸的大力发酵、激素可以实现生物式的转化为止，这段路程无不将生物化工注入医学、饮食、工业的精髓。如1957年，日本某公司将谷氨酸棒状杆菌提纯分离，利用葡萄糖作为基本营养，借鉴前人的发酵生产法成功生产了L-谷氨酸。直到现在谷氨酸仍然应用在各种医用药物、炫彩的化妆品、人造皮革等方面。
3 生物化工的发展及应用
20世纪80年代，美国以石油化工作为国民经济的重要支撑点，大力发展石油化工产业，甚至不惜以牺牲环境为代价。1995年至1999年，生物化工产值从3675亿美元上升到4200亿美元，增加了14.5个百分点。同时，环境污染浪费造成2319亿美元的损失。要想发展好生物化工产业以破坏环境为代价并不是持久的办法，必须继续找寻新的生产方式。与此同时，中国生物化工技术刚刚起步，只能亦步亦趋跟在发达国家的后面，进行着一次又一次的模仿秀表演，还是将实验室作为实践的基点。1986年我国的疫苗制作在医学史上还是一片空白，直到在1986年美国成功使得乙型肝炎的浅层抗原在真菌、细菌和哺乳动物里完成表达过程，并且进一步成功翻译为HBsAg，中国才“山寨”成功所谓的HBsAgII（之后销声匿迹了）。此后，基因工程的药物1996年为1.85亿元，2000年涨到30亿元人民币，2002年之前，我国就有801中生物农药有效注册，使用范围有2.5×107 hm2，这样的成就不可能忽略的。
然而，时间从不会停止脚步，科学技术依然迅猛发展，生物化工亦是如此。基因的成功重组、催化正式在生物中采用、酶的神奇作用等等种种成果的伟大形成，使得许多的化工原料与产品得到充分且有效地使用，甚至创新化工工业工艺的生产，真正做到污染少，易节能的新型工艺。比如巴西的乙醇占了整个汽车行业的52%，那就有了31亿加仑的潜在价值回收；美国杜邦、英国ICI公司等一系列大型公司对生物化工事业的支持与应用，为人类的文明建设取得了无法估算的成就。预计到了2020年，因为生物化工的改进，各方面的技术能源消耗将大大下降30%，令人头疼的污染问题同步减少30%，生物化工总增值39%，在农业、医学、特别是工业中占据相当大的比例。
4 生物化工的潜在前景应用
未来的能源发展不可避免做到效用与环境的真正配合，因此决定了生物化工的两个发展方向的拓展：一是化学学科和生物学科结合在医学上的开发，特别针对于以每一个婴儿都是拥有一个健康的童年为目标，治疗现在无法解决的先天后天性遗传疾病；二是生物物种之间的无差异转换。这是我们古人的梦想，也是我们未来的期盼，那时候羡慕小鸟的翅膀就变得没有意义了。当然，发展前景固然美好，但因为生产的进行所存在的问题是必不可少的。就新生能源、“第四大能源”—— 生物质能来说，我国进展仍是迟缓。而其它传统生物化工更是因为规模利用率低，可再生能力低，潜在性危险大，以及种种向后代借用能源的生存问题，促使我们不得不重视绿色环保的生物化工。
5 结语
总的来说，生物化工技术产业，才刚刚正式步入轨道，“863”和“973”计划刚将其纳入羽翼之下，作为一个21世纪的朝阳产业，美国的某杂志赞颂的十大科技奇迹，生物化工就占了四大，这样的情景不可估量的产业，终会盖过信息技术的时代，铸就新的世界经济领头军—— 生物经济，掀起生物技术的又一次暴风雨。
参考文献
[1] 杜晨宇，李春，曹竹安，等.工业生物技术的核心—生物催化[J].2002，22（1）：9-14.
关键词：催化裂化 ARGG工艺 应用
近年来，我国在催化裂解技术的研究上取得了突出成就，尤其MIO、MGG等技术的成功开发，极大的提高了我国炼油技术水平。在MGG工艺基础上发展而来的ARGG工艺，更是深受炼油企业的青睐。
一、催化裂化与ARGG理论
在讲解ARGG相关理论之前，先介绍催化裂化相关知识。所谓催化裂化指以渣油、重质馏分油为原料，并在450℃～510℃，以及较低压力条件下，运用相关催化剂，经过一系列的化学反应，生成柴油、汽油以及焦炭的过程。催化裂化所用的原料具有广泛的来源，总体分为渣油与馏分油两种类型，其中渣油包括减压渣油、常压渣油，而馏分油包括减粘裂化馏出油、焦化蜡油、直流减压蜡油等。催化裂化产品一般具有以下特点：具有较高轻质油收率，通常可达70%～80%；获得的汽油具有较高的辛烷值，而且具有较好的安定性；催化裂化气体中C4与C3具有较高比例，约为80%，其中C3丙烯占70%，C4中的烯烃占的55%左右，是生产高辛烷值组分以及优良石油化工原料。
ARGG是从MGG工艺基础上发展而来的一项炼油与化工相融合的新型工艺。该工艺炼油原料为常压渣油，经提炼不仅可获得安定性好、辛烷值高的汽油，而且还得到较多内含烯烃的液化石油气，为进行精细化工提供大量原料。
ARGG工艺运用的催化剂为RAG系列，反应过程在提升管催化裂化装置中进行，能够产生大量液化石油气，并伴随高辛烷值汽油的产生。ARGG工艺具有以下特点：
该工艺使用的催化剂具有较强的抗重金属污染性能，以及良好的热稳定性、选择性与重油裂化活性；以常压渣油为原料，产生的裂化产品包含较高的汽油、液化气、丙烯等，且产生的干气较少。该工艺裂化温度在525℃左右，反应所需压力比较低。回炼相对较低，在0～0.5范围内；同时，为减小油气分压，采用的雾化蒸汽比较大，通常情况下，质量分数在6%～10%范围；采用ARGG工艺提炼出的汽油经检测安定性符合相关标准要求，且具有显著的抗爆性能。
二、具体案例及改进措施
1.具体案例
某石油液化气厂之前采用RGCC生产装置，年处理量在5万吨左右，主要用于柴油、汽油的生产，液化气产率约为10%。采用RFCC装置已很难满足生产要求，为此，准备采用RFGG工艺进行升级。采用ARGG工艺以RAG系列催化剂，每年处理量提升到了7万吨，不仅获得了大量辛烷值高的汽油，以及液化气，而且显著提高了企业的经济效益。
2.设备及工艺参数的改进
在设备方面：采用再生器在下，沉降器在上的同轴式结构。这样布置允许再生与反应操作压力存在区别，而且这样布置采用的结构比较简单，大大提高控制灵便度，具备较强的事故抗干扰能力，以及广泛的应用范围。另外，使用气控式外换热器，以及改进的主风分配管。最重要的是对管反应系统进行了完善：对操作条件进行优化，促进大剂油、高温强化反应的进行；使用高效雾化喷嘴，使雾化效果得到显著提升，促进轻质油收率的提高，以及降低焦炭产率；对预提升阶段进行专门设置，运用水蒸气、自产干气当做提升介质，改善了原料及催化剂的流动情况，使原料与催化剂进行充分的接触，避免不必要热裂化反应的发生；减小沉降器单级旋分器入口与短粗旋油气出口间的距离，避免沉降器中油气出现过度二次裂化及热裂化现象；运用高效气提技术，即，使用两段气提和改进的挡板的高效气体技术。
在工艺参数方面：采用ARGG工艺进行生产，反应温度控制在530℃，反应绝对压力为0.21MPa，回炼比为0.3，反应停留时间为3.54s，提升管入口与出口线速分别为6.83m/s、14.3m/s。催化剂的循环量每小时在102吨左右，剂油比为9.0，原料油预热温度在200～250℃范围。
利用ARGG工艺获得产品的分布情况为：干气所占的比例为5%，液化石油气所占比例为30%，而汽油占有的比例为42%，轻柴油、焦炭、损失所占的比例分别为13.5%、9%、0.5%。
三、经济效益与社会效益分析
该石油液化气厂运用ARGG工艺生产后，大大提升了生产效益。由统计结果表明，当加工一吨常压渣油使用ARGG工艺与之前RFCC工艺相比增加的利税将近80元，按照每年处理7万吨的量进行计算，每年可增加五百多万元。
随着人们对环境保护工作的重视，新配方汽油以及无铅汽油的应用引起了人们的高度重视。本文中应用ARGG工艺生产的汽油，刚好符合90#无铅汽油相关标准要求，无论在节约能源还是防止环境污染方面均具有重要意义。同时，液化气产量大大提高，有助于城乡居民燃料结构的改善。另外，液化气中含有大量的丙烯，能给精细化工提供大量原料。总之，ARGG工艺在催化裂化中的应用不仅能够获得较大经济效益，而且还发挥着重要的社会效益，因此，在实际化工生产中应注重推广与应用。
四、总结
该石油液化气厂应用ARGG工艺从事生产活动，经长时间验证发现，所采用的技术具有较高安全度，成功的实现了获得大量高辛烷值的汽油，以及液化石油气的的目标，获得了较高社会与经济效益，并且该种生产工艺具有广阔的发展前景，因此，石油液化气厂生产工艺升级时，应注重ARGG工艺的应用，以更好的实现社会与经济效益最大化目标。
参考文献：
【关键词】机械加工工艺；零件加工精度；影响因素；优化方案
0 引言
机械加工工艺就是利用机械加工的方法对毛坯进行更改，使毛坯逐渐与零件生产标准相吻合。机械加工工艺对毛坯的更改包括对毛坯形状的更改、毛坯尺寸的更改等。机械加工工艺作为零部件加工的基础工艺，对零件加工精度有很大的影响，机械加工工艺越到位，零件加工的精度就越高，加工出来的零件与零件生产标准吻合度越高。
在机械加工过程中，由于多种原因，对零部件的加工精度造成了较大的影响，给机械加工的零件生产带来了很大的损失。所以在利用机械加工工艺生产零件时，要对机械加工工艺对零件加工精度造成影响的外在因素和内在因素有准确深刻的认识，从而使机械加工工艺更加完善、更加到位，加工出来的零件精度更高。本文以零件的加工过程为例，介绍机械加工工艺的流程，探讨提高加工精度的优化方案，分析造成加工误差的原因[1]。
1 机械加工工艺的流程
机械加工工艺流程是指工件或零件制造加工的步骤，是利用机械加工的方法对毛坯进行更改，使毛坯逐渐与零件生产标准相吻合的过程。机械加工工艺对毛坯的更改包括对毛坯形状的更改、毛坯尺寸的更改等。一般情况下，比较笼统的机械加工工艺流程主要是从粗加工到精加工，由精加工再到装配，装配结束进行检验，最后对检验合格的零件或工件进行包装[2]。
机械加工工艺流程是使毛坯变成合格产品的过程，这个过程由零件加工流程和零件加工步骤构成，具体的机械加工流程和机械加工步骤中都有相应具体的标准和要求，这些步骤和流程中的具体的机械加工标准和机械加工要求就是机械加工工艺。
例如在对毛坯加工时，对毛坯需要到的粗糙度、工序等的详细说明和数据规范，就是毛坯粗加工工艺。机械加工工艺规程就是零件加工企在选取工艺过程中所生成的工艺文件。零件加工企业在选取工艺过程的时候，并不是盲目选取的，而是根据企业的实际生产情况来确定的，企业的实际生产情况包括企业的机械加工员工素质、零件加工的设备条件等。
企业对自身条件有了充分的认识以后，会根据实际情况来选择工艺工程和操作方法，这个过程中需要写成工艺文件。生成的工艺文件经审批通过，就会对零件加工企业在零件加工生产中进行指导。一般的机械加工工艺规程包括零件加工的工艺路线、 加工工序的具体内容、加工设备的具体情况等等。在零件加工过程中，流程是生产路线，规程对零件加工生产进行指导，而加工工艺则决定着零件生产的精度。
2 机械加工工艺影响零件加工精度的因素
机械加工工艺对零件加工精度造成影响的因素可分为内在因素和外在因素。机械加工艺系统本身的几何精度是机械加工工艺对零件加工精度造成影响的内在因素。
2.1 对零件加工精度造成影响的内在因素成因
机械加工工艺系统本身的精度问题是机械加工工艺对零件加工精度造成影响的内在因素。机械加工工艺系统本身的精度主要受到三个方面因素的影响：①由于机械加工工艺系统在出厂时，机械加工工艺系统本身的生产制造过程中出现精度问题，因此在投入使用时对加工的零件精度造成影响；②机械加工工艺系统在安装使用的过程中，由于与机械系统的安装标准有差异，加上操作不精细、定位不准确，导致在对零件加工的过程中使零件精度受到影响；③机械系统加工工艺系统在使用过程中出现的问题，由于机械系统加工工艺系统在长期使用过程中，某些部位出现严重的磨损，使机械系统加工工艺系统对零件加工的精度受到影响。如机床、刀具和夹具等在出厂时，其构件存在一定误差或者在安装使用过程中，安装不到位、操作不精细、定位不准确。
2.2 机械加工工艺系统运行过程中的受力变形
（1）导致系统运行中产生受力变形的因素分析
在机械加工工艺系统的实际运行过程当中时常会出现系统受力变形的情况，致使其位置、形状出现轻微形变，进而严重影响系统的正常运行和寿命减少。探究其缘由，发现主要是由 两个因素致使的：①系统实际运行强度大。在系统实际运行的过程当中，系统所用的刀具、夹具等小构件均要承受高强度的工作负荷，时间一长就容易发生相对位置的位移，或是受力下的形变；②各部件面临多方受力。在系统运行过程中，系统的部件不仅要承受系统本身施加的工作力度，还要承受来自加工零件施加的相对力度，同时又要承受部件与部件之间的摩擦力度。
（2）机械加工工艺系统运行过程中的热变形
实际上，机械加工工艺系统在运行的过程中，不仅仅会面临多种力的影响，还会受到其他因素的影响。具体来讲就是热变形，包括刀具热变形、被加工零件热变形、机床本身及其构件的热变形。热变形是指系统因受热而发生的形变。它能够严重破坏刀具与被加工零件之间的准确几何关系和运动关系，进而严重影响加工零件的精度。
3 提高机械加工工艺精度的优化方案
综上所述，机械加工的工艺技术对于零部件的加工精度有着直接的影响，而机械系统本身的精度问题是影响零件加工的精度的主要因素，所以，在进行零件加工时，首先要避免的就是机械系统的问题，其次是加工过程中由于受力变形的问题。本文提出两种优化方案，一种是利用表面光整加工技术，一种是利用特种加工技术。
3.1 机械加工工艺中的表面光整加工技术
表面光整技术属于机械加工工艺的方法之一，利用该方法可以使加工后的零件不但达到规定的几何尺寸，还可以得到理想的表面光整度。经过表面光整加工的零件，其表面度和纹理都有很大的改善，该技术是通过磨具，对零件的表面进行碰撞、滚压、挤压，这样做的目的是增加表面变质层的同时，提高了耐磨性，去除了零件表面的毛刺、尖角、锐边等。光整技术是对零件整体各表面在一道工序中一次性加工，可对原来的老工艺、工序，例如：粗磨、非精磨、精磨、砂带抛光、毛毡卡瓦抛光等进行撤、并，做出优化调整。
3.2 特种加工对机械加工工艺的突破
根据现代制造业的特点，特种加工应运而生，主要是加工那些高硬度、高韧性、高强度和高脆性等难切削的材料，可以用于那些孔细小，形状复杂，具有特殊结构的工件的加工，因此，特种加工在未来的机械加工工艺中将有很好的应用前景。该方法的工作原理就是利用化学能、电能、声能、机械能以及光能和热能对金属或非金属材料进行加工，特点就是加工工具与零件之间零接触或者是间接接触，较少了加工过程中的热变形及变形力，进一步提高了零件的加工精度。
4 结论
随着机械加工工艺技术水平的不断提高，我国的加工技术也在快速发展。为了进一步提高零部件加工企业所生产出来的零部件精度更高，减少零部件生产的不合格率，实现了企业的经济效益，提高零部件生产企业的综合竞争力，需要零部件企业加强机械加工工艺的研究和投入，把影响零件精度的外在因素和内在因素降到最低程度。
【参考文献】
关键词：火电厂 烟气脱硫技术 烟气脱硝技术 联合脱硫脱硝 同时脱硫脱硝
中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0103-03
空气污染严重影响着人类的健康和生存，这一话题受到各界人士的关注。火力发电厂排放的烟气中含有SO2、NOx以及一些粉尘性的颗粒，这是形成酸雨和雾霾的主要原因。近几年我国的大气污染日趋严重，因此烟气脱硫脱硝已成为控制大气污染的必然趋势。
脱硫脱硝技术大致可以分为单独脱硫、单独脱硝、联合脱硫脱硝和同时脱硫脱硝等。联合脱硫脱硝和同时脱硫脱硝又称为一体化技术，是目前国内外研究的重点。本文主要综述传统的脱硫脱硝方法和近几年发展较快的烟气脱硫脱硝技术，分析其机理、技术特点和最新研究进展。
1 烟气脱硫技术
烟气脱硫技术是减少烟气中SO2含量的有效方法之一，传统的烟气脱硫方法有干法脱硫[1]、半干法脱硫[2]和湿法脱硫[3]。
干法脱硫的原理是用催化剂或吸收剂来脱除烟气中SO2，这些催化剂或吸收剂是固态的粉末或颗粒。典型的干法脱硫技术有氧化物法和活性炭法[4]等，此技术在含硫量较低的情况下脱硫率较高，但脱硫产物不能循环使用；半干法是介于干法和湿法之间的脱硫方法。主要有喷雾半干法、炉内喷钙炉后活化法、灰外循环增势半干法和烟道流化床脱硫法等[5]。与干法脱硫相比，脱硫效率高，但反应产物的灰循环效率低，不能进行连续的运行；湿法脱硫则与干法脱硫完全不同，所用给的吸收剂是液体，液体吸收剂来吸收烟气中的SO2。常用的湿法脱硫工艺有石灰石/石灰-石膏、海水脱硫工艺[6]。湿法脱硫技术是我国大部分电厂所采用的烟气脱硫技术，此技术的成本较低、循环性大、脱硫效率高、脱硫后的产品易于回收利用，但系统比较复杂、设备成本比较高。
传统的脱硫方法仍有很多缺点，近几年研究者们提出了更有效的烟气脱硫工艺。祁贵生等人[7]在超重力旋转填料床中，以尿素溶液为吸收剂进行烟气中SO2的吸收试验研究。研究表明脱硫率受到液气比、填料床转速、尿素溶液溶度的影响，最终得到最佳的工艺参数。在最佳工艺参数的基础上，当温度为70 ℃的条件时脱硫率可达到92%。该方法是在尿素脱硫工艺的基础上引进了超重力技术，二者结合实现了高效脱硫。超重力尿素脱硫工艺具有设备体积小、液气比低、投资少等优点。其脱硫工艺流程如图1所示。
徐砚和朱群益[8]在干法活性炭脱硫的基础上研制出一种新型的活性炭脱硫剂，椰壳活性炭担载Cu脱硫剂在煅烧温度为250 ℃时脱硫效果最好。黄祥等人[9]则利用核桃壳为原料来制备脱硫活性炭，新型柱状活性炭比传统的活性炭吸附能力提高。
2 烟气脱硝技术
烟气脱硝技术是烟气通过还原剂把NOx还原为N2的一种技术。目前我国的脱硝技术还尚不成熟，主要以国外引进的技术为主。国外应用较多的是选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）以及联合法（SNCR-SCR）。
选择性催化还原法是指在催化剂的作用下，利用NH3或尿素将烟气中的NOx还原为N2和H2O。SCR法是世界上应用最多且最为成熟最有效的烟气脱硝技术，其脱硝效率可达到90%。但也存在以下缺点：催化剂价格昂贵，氨水对管道腐蚀性强且氨易泄露，还原剂的消耗大等。
选择性非催化还原法是在没有催化剂的条件，高温喷入还原剂使其迅速分解为NH3，NH3与烟气中的NOx进行反映生成N2。SNCR工艺简单，操作简单，投资成本低，适用于老机组的改造，但脱硝效率较低，一般为25%～40%。
联合脱硝技术是一种SCR技术和SNCR技术的结合，将还原剂直接喷进炉膛内，高温下脱去部分NOx，然后未反应的还原剂进入SCR反应器与剩余的NOx进行催化反应。脱硫率可达80%，其优缺点介于SCR和SNCR之间。
在2012年孙墨杰等人[10]提出了一种新型的烟气脱硝技术-反硝化菌烟气脱硝技术。反硝化菌在适宜的碳源下，利用氮氧化物合成自身生长所需的有机氮，并通过异化反硝化作用使其转化为N2，最终排放到大气中。其工艺流程图如图2所示。反硝法的出现确实为烟气脱硝提供了新的思路，但仍有不足之处。此方法只能在处理低浓度NOx的烟气时具有优势，机理还不够完善，有待进一步的探索。
烟气脱硝技术种类较多，实际应用时一般将多种技术联合到一起已达到脱硝的要求。
3 联合脱硫脱硝技术
迄今为止，国内外的学者大量的研究了脱硫和脱硝技术，其工艺得到了大幅度的提高，但仍然存在不足。进而烟气脱硫脱硝一体化技术引起了工程界的普遍关注。一体化技术是将脱硫脱硝工艺合并到一套工艺流程当中，不但可以减少设备装置、降低投资经费，而且还可以减少废物排放同时达到脱硫脱硝的目的。按照脱除机理的不同，脱硫脱硝一体化技术可以分为两大类：一类是联合脱硫脱硝技术；另一类是同时脱硫脱硝技术[11]。
3.1 SNRB联合脱硫脱硝技术
SNRB技术是用一个高温布袋除尘器来净化烟气中的SO2和NOx[12]。其特点是占地面积小，设备中管道的腐蚀性较小，脱硫率能达到80%，脱硝率为90%。其工艺流程如图3所示。
3.2 SNOx联合脱硫脱硝技术
SNOx工艺是两种催化反应的结合，一是SCR的催化反应，一是SO2的催化反应，两者相互结合达到脱硫脱硝的目的。机理主要是SO2催化氧化为SO3，然后在冷凝塔中制成硫酸；NOx在NH3中催化还原为N3和H2O[13]。其特点为脱硫和脱硝效率分别能达到95%和94%，无二次污染但是硫酸的储运比较困难。其工艺流程如图4所示。
DESONOx脱硫脱硝技术与SNOx工艺相似，不同之处在于该工艺中的NOx和SO2的氧化在同一反应其中进行[11]。
3.3 活性炭/活性焦工艺[14～15]
活性炭/活性焦脱硫脱硝工艺是将烟气吸收然后进行化学分解，最后是产物的回收。烟气先首先进入吸附塔，在吸附塔内SO2与邻近吸附态的O2反应生成SO3，然后与H2O反应生成硫酸储存于活性焦的微孔中，SO2被脱除；然后烟气中的NOx与喷入的氨气发生反应，生成N2和H2O。工艺流程如图5所示。
其特点是吸附剂来源广，成本低、工艺简单。但存在活性炭易挥发，管道易腐蚀等缺点。此外还有循环流化床联合脱硫脱硝技术[16]、粉煤灰脱硫脱硝技术[17]、半干喷雾脱硫脱硝技术[18]、MEROS烟气净化技术等。
4 同时脱硫脱硝技术
4.1 电子束照射法
电子束照射法是将烟气中SO2和NOx等气态污染物置于高能等离子束下发生氧化反应，生成HNO3和H2SO4，最后与加入烟气中的NH3反应生成NH4NO3和（NH4）2SO4[19]。此方法可分别达到90%的脱硫率和80%的脱硝率，且不产生污染物，普遍认为它是一种有前景的烟气净化技术。但此方法仍存在以下问题：设备的可靠性低，加速器能耗较高，副产品的捕集困难，还有氨泄露等问题。工艺流程如图6所示。
4.2 电晕放电法
脉冲电子晕脱硫脱硝技术（PPCP）的机理与电子束法基本一致，不同之处在于高能源不同，PPCP法是利用高压脉冲来产生活化电子，以此破坏烟气中SO2和NOx的化学键，生成对环境无害的物质，从而达到脱硫脱硝的目的[20]。其特点是不需要电子枪和辐射屏蔽；不产生二次污染；脱硫脱硝效率高。但目前实验研究不充分无法大范围的使用。工艺流程如图7所示。
4.3 烟气循环流化床技术
传统的烟气循环流化床技术中的吸收剂不能既脱硫又脱硝。针对这一问题，张毅等人[21]研制的“高氧型高活性吸收剂”实现了同时脱硫脱硝的目的。吸收剂与烟气中的SO2反应生成CaSO3和CaSO4，与NOx反应生成Ca（NO3）2，与单质汞反应生成HgCl2或HgO，并被固体颗粒吸收，从而达到同时脱硫脱硝的目的。工艺流程图如8所示。
目前国内外兴起的同时脱硫脱硝技术还有NaClO2氧化吸收法[22]、光催化氧化法[23]、NOXSO技术[24]等。
5 结语
火电厂烟气脱硫脱硝技术的研究已经成为烟气净化技术的发展趋势。笔者对近传统的脱硫脱硝和近几年国内外脱硫脱硝技术的研究机理和发展状态进行了综述。目前出现的新方法理论仍不完善，尚处于试验初期，许多方面还需要深入研究。因此，为了真正实现大气污染的控制，还加大力度研究脱硫脱硝技术。今后可以从无污染的吸收剂、设备革新、工艺创新等方面来进行研究。
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【关键词】高速；加工机理；优势；推广价值
1.前言
高速切削加工是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用能够得到解决。“高速切削”的概念是由德国物理学家Carl.J.Salomon提出，于1931年4月提出了著名的切削速度与切削温度理论。该理论的核心是：在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高，当到达某一速度极限后，切削温度随着切削速度的提高反而降低。随后，高速切削技术的发展经历了4个阶段：高速切削的设想与理论探索阶段（193l—l971年），高速切削的应用探索阶段（1972-1978年），高速切削实用阶段（1979--1984年），高速切削推广阶段（20世纪90年代至今）。
对高速切削加工的界定有以下几种划分思路：一是以主轴转速作为界定高速切削加工的尺度，认为主轴转速在10000-20000r/min以上即为高速切削加工；二是以主轴直径D和主轴转速n的乘积Dn来界定，当Dn值达到（5～2000）×105mm.r/min，则认为是高速切削加工，新近开发的加工中心主轴DN值大都已超过100万；三是以切削速度高低来区分，认为切削速度跨越常规切削速度5至10倍即为高速切削加工。
2.数控高速切削加工的优势
随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的“量小速快”使切削力减少，切屑的高速排除，减少了工件的切削力和热应力变形，十分有利于刚性差和薄壁零件的加工。高速切削加工中，主轴转速的提高使切削系统的工作频率远离了机床的低阶固有频率，提高了切削系统的刚性，进而使产品表面质量获得提高。
数控高速切削加工和常规切削相比的主要优势可归纳为：第一，生产效率可提高3～10倍。第二，切削力可降低30%以上。第三，切削热95%被切屑及时带走，特别适合加工容易热变形的零件。第四，机床的激振频率远离工艺系统的固有频率，工作平稳，适合加工精密零件。第五，经济效益明显。
3.数控高速切削加工的应用
数控高速切削工艺的应用，能使制造成本降低20%左右，产生新的经济增长点。以某锻造厂加工曲轴和连杆锻模为例，传统的加工工序为：外形粗加工仿形铣粗加工型槽热处理外形精加工数控电火花粗、精加工型槽钳工打磨抛光型槽表面强化处理。而采用高速切削加工后的工序为：外形粗加工热处理外形精加工高速铣加工型槽表面强化处理。通过高速铣削加工直接完成淬硬钢模具，使生产成本从传统工艺的27000多元降到22000元。
高速切削加工具备过程平稳、振动小的特点，与常规切削相比，可提高加工精度1～2级，并能取消后续的光整加工。同时，采用数控高速切削加工工艺，可以在一台机床上实现对复杂整体结构件的粗、精加工，减少了转工序中多次装夹带来的定位误差，也有利于提高工件的加工精度。如某企业加工的铝质模具，模具型腔长达1500mm，要求尺寸精度误差±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8μm。原先的制造工艺为：粗刨半精刨精刨铲刮抛光，制造周期为60小时。采用高速切削加工工艺后，改为半精加工和精加工，加工周期仅需6小时，加工效率提高近10倍。可见，高速切削加工在制造业中有着广阔的应用前景。
4.数控高速切削加工的关键环节
高速切削加工不仅包含着切削过程的高速，还包含了工艺过程的集成和优化，可谓是加工工艺的统一。高速切削加工是在数控装置、机床结构及材料、机床设计、制造工艺、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造工艺、高效高精度测量测试工艺、高速切削工艺等诸多技术均获得充分成熟之后综合而形成，可谓是一个复杂的系统工程。
高速切削加工应用中还存在着一些有待解决的问题，如对高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损内因的研究，高速切削数据库的建立，适用于高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术的开发等。数控高速切削加工所用的CNC机床、刀具和CAD/CAM软件等，价格昂贵，初期投资较大，在一定程度上也制约着高速切削技术的推广应用。实现数控高速切削加工的关键环节如下：
4.1高速切削机理的研究
高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。与传统的切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。
各类材料在高速加工前提下，切屑的形成机理，切削力、切削热的转变规律，刀具磨损规律及对加工概况质量的影响规律，都有了极大的变化。通过对以上理论的研究，有利于促进高速切削工艺规范的确定和切削用量的选择，为具体零件和材料的加工工艺拟定能够提供理论依据。
4.2高速切削机床的配备
高速切削机床是实现高速切削加工的必备条件，高速主轴系统、快速进给系统和高速CNC控制系统是关键。它要求具备高性能的主轴单元和冷却系统、高刚性的机床结构、安全装置和监控系统以及优良的静动力特性，具有技术含量高、机床制造难度大等特点。通常，选用高速数控车床、加工中心，也有釆用专用的高速铣、钻床，它们都具有高速主轴系统和高速进给系统。一般主轴转速在10000r/min以上，有的甚至高达60000-100000r/min，且要保证动态和热态机能。也可釆用高速丝杆或直线电机，提高机床进给系统的快速响应。目前，直线电机最高加速度可达2-10G（G为重力加速度），最大进给速度可达60-200m/min或更高。
4.3高速切削工艺的刀具
随着切削速度的大幅度提高，刀具材料和刀具制造工艺都要能适应新的环境。刀具系统必需具有较高的几何精度和装夹再定位精度，以及较高的装夹刚度。高速切削刀具除了满足静平衡外还必需满足动平衡要求，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速扭转时所受到的离心力。高速切削中常用的刀具材料有单涂层或多涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石等，高速切削刀具刀刃的外形正向着高刚性、复合化、多刃化和超精加工方向发展。
4.4数控编程系统要求
高速切削有着比传统切削更特殊的工艺要求，除了要具备高速切削机床和高速切削刀具外，还要有合适的CAM编程软件。高速加工的CAM编程系统应具有很高的计算速度、较强的插补功能、全程自动过切检查及处理能力、自动刀柄与夹具干涉检查、进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能和加工残余分析功能等特点。高速切削应用程序首先要注意加工的安全性和有效性；其次，要保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；第三，要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。通常，使用的CNC软件中的编程功能都不能满足在整个切削过程中保证切削载荷不变的要求，需要由人工加以填补和优化，这在一定程序上降低了高速切削的价值。因此，必需研究一种全新的编程方式，使切削数据适合高速主轴的功率特征，充分发挥数控高速切削加工的优势。目前，引进的CAM软件，如Cimatron、Mastercam、UG、Pro/E等，都在逐步增添适合于高速切削的编程模块，为高速切削加工的应用提供了良好的条件。
5.结束语
由于数控高速切削加工在提高生产效益、降低制造成本中潜力巨大，美国、日本等国早在上世纪60年代初，就起动了超高速切削机理的研究。1978年美国完成了对高速加工数控铣床的改造，完成主轴转数30000r/min与100000r/min的重要参数指标。现在，欧美等发达国家生产的各类超高速机床已经实现商业化，在飞机、汽车及模具制造行业中获得了大量的应用。
我国在研究和开发高速切削工艺方面，与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距。为适应社会经济发展需要，满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求，必需加强对高速加工工艺基本理论的研究，加快高速主轴单元和高速进给单元的开发，努力实现高速机床的国产化，开发适应高速加工的CAD/CAM自主软件系统和后置系统，建立新型检测工艺监控系统。发展数控高速切削加工是提高加工效率和质量、降低成本的主要途径，把当前的高速切削水平实用化，使我国机械加工业整体切削效率提高1～2倍，缩小与工业发达国家的差距，是我国从事制造行业专业人员在新世纪的奋斗目标。
参考文献：
[1] 孙文诚 高速切削加工模具的关键工艺研究 [J].机械制造与自动化2008（5）.
关键词：煤基甲醇 制烃行业 发展现状 分析
作为一项新的能源技术――煤基甲醇制烯烃，主要是通过使用煤炭替代石油来生产甲醇进而再向乙烯、聚烯烃、丙烯等方向发展。由于我国煤矿资源丰富，而汽油和天燃气严重缺乏的能源特点决定了国民经济的可持续发展必须依靠调整和优化能源结构, 充分利用我国煤炭资源优势,从而降低对外国石油进口的依存度，对保障能源安全、部分替代石油以及促进我国经济的可持续发展具有现实和长远的意义。同时，煤基甲醇制烯烃技术在我国不断受到业内人士的重视，具有诱人的发展前景。
一、我国煤基甲醇制烯烃行业的政策
调查显示,当前我国煤基甲醇制烯烃行业正处于工业示范阶段。按国家发改委《关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知》(发改工业[2006]1350号)规定,通常情况下不会批准年产规模小于60万t的煤基烯烃项目。同时，依照石化产业调整振兴规划, 2009年~2011年,原则上不再安排新的煤化工试点项目,而是把重点放在现有煤基烯烃等类示范工程之上。目前，我国正在建设的煤基烯烃示范项目总共有3个,包括规模为60万t/a烯烃的大唐国际煤基烯烃项目，规模约60万t/a丙烯的神华包头煤基烯烃项目和50万t/a聚丙烯的神华宁煤煤基烯烃项目。
二、在我国发展煤基甲醇制烯烃产业的必要性
1.逐步取代进口，满足国内市场的需求
虽然近些年来我国石油化工产业的发展迅速，但还不能满足国内的基本社会活动正常需要，还需大量进口。因为国内烯烃市场自给率依然不足，需要依靠大量进口。所以，我们可以结合我国的实际情况，充分利用我国丰富的煤炭资源，采用先进的煤化工技术来大力发展煤基烯烃产业，从而提高国内烯烃及其下游产品的自给率，并满足国内不断增长的化工产品市场需求。
2.与我国煤多油少的能源结构特点相符
由于近年来我国经济的快速发展，使得国内对石油资源需求的日益增长，并逐渐成为石油消费大国。同时，我国石油缺口逐年增大已是不容置辩的问题，并且能源的安全供应直接影响到我国社会的可持续发展以及国民经济的平稳向前。所以，发展煤基甲醇制烯烃产业符合我国当前的资源结构特点，有利于缓解我国石油资源紧缺的局面，是有保障我国石油战略安全的一项有力国策。
3.有利实现我国的节能减排政策
相关数据表明，煤基甲醇制烯烃工艺路线是采用目前世界上最先进的污染物处理技术和洁净煤技术，与传统的煤直接燃烧方式不同，它主要是通过集中处理的方式来减少污染物的排放，从而有效地降低了环境污染。
4.有利于调整我国煤炭企业产业结构
与国际市场相比，我国的煤炭及其产品地价格相对低廉，从而使得煤炭行业经济效益长期在低位徘徊。发展煤基烯烃产业，有利于将低价值的煤转变为具有高附加值的化工产品，从而在一定程度上提高我国煤炭企业的经济效益。所以，大力倡导煤基烯烃产业，可实现我国对煤炭企业产业结构的有效调整。
三、我国煤基甲醇制烯烃行业的发展现状分析
调查显示，当前国外开发研究比较成功的甲醇制烯烃工艺主要有德国Lurgi公司的MTP技术以及UOP/HYDRO公司的MTO技术。而国内主要有中石化的SMTO技术、大连化物所DMTO技术以及清华大学FMTP技术。
1.中石化的甲醇制烯烃技术
其前期的研究工作包括C4以上组分回炼技术和SAPO-34催化剂的开发等主要是通过上海石化研究院来完成的。而华东理工大学课题组合完成了结焦动力学、反应动力学以及催化剂再生动力学的研究工作。同时，前几年中石化在北京燕山石化建立了100 t/d甲醇制烯烃工业试验装置,将所产的乙烯和丙稀之类产品直接送至燕山石化现有装置,从而实现甲醇制烃技术的连续运行。该装置使用流化床反应器，并由中国石化工程建设公司进行装置设计及承建,同时采用了上海石化研究院提供的SAPO-34分子筛催化剂。在2008年底,该技术完实现了甲醇年进料180万t的甲醇制烯烃工艺包开发任务,并且具备了设计和建设大型甲醇制烯烃工业化装置的条件。
2.大连化物所的甲醇制烯烃技术
经过多年的研究工作，中科院大连化物所终于开发出具有自主知识产权的甲醇制烯烃技术。相关数据表明，在改化物所在十年前就完成了日处理能力达到1 t的甲醇制烯烃试验，同时，在2004年, 洛阳炼油设计院、大连化物所以及陕西新兴煤化工公司经过三方的合作,并在陕西建设了年处理甲醇1. 67万t甲醇制烯烃工业化中试装置, 并于2005年12月建成该装置, 以及在2006年2月20日一次投料试车成功。经考察探究可知,该工业化试验装置工作时运行稳定、安全可靠、技术指标先进，属于具有自主知识产权的创新技术。其中所涉及的主要指标为: 乙烯/丙烯选择性不小于78%，甲醇转化率在99. 0%以上，相关技术指标达到国际先进水平。
3.清华大学的循环流化床甲醇转化丙烯技术
经过投入一定的科研资本后，清华大学对甲醇制丙烯工艺进行了改进，它是以SPO-34作为催化剂，同时使用固气并流的下行式流化床短接触反应器。通过使原料与催化剂在气固并流下行式流化床得超短接触反应器中发生化学反应。由于物流方向为下行的，然而反应产物及催化剂出反应器后及时中止反应的进行，从而有效地抑制了二次反应的发生，若果分离出的催化剂进入再生器中，催化剂将在系统中连续反应并循环进行。从而有效地降低了后续分离工艺的难度，并减小了副产物烷烃的产生与增加了低碳烯烃的产量，其中低碳烯烃收率不小于93%，甲醇转化率也在98%之上。目前,由清华大学/中国化学工程集团公司和安徽淮化集团有限公司一起合作，正利用该技术在安徽淮化集团厂区内建设一套3万t/a的甲醇制丙烯工业试验装置。
四、结语
综上所述，从我国经济发展格局、能源结构、煤企整合以及环境保护等各方面分析，煤基甲醇制烯烃的发展技术上切实可行，并且十分必要对我国煤基甲醇制烯烃产业进一步的分析与发展。本文主要是结合我国当前国情对国内煤基甲醇制烯烃行业发展的现状进行分析探讨，希望有助于促进我国甲醇制烯烃技术的发展，并有利于扭转我国当前所面临的石油主要靠进口的局面。
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【关键词】非金属管道 新型材料 腐蚀问题
1 非金属管道应用现状
由于埋地钢质管道使用存在腐蚀和防腐材料老化问题，新工艺的不断涌现，对防腐技术的要求逐渐提高，金属管道的维修成本迅速升高。而非金属管道在解决油田腐蚀问题上具有金属管道所无法比拟的优势，有效的缓解了因管道内腐蚀而污染介质的问题。由于各类非金属管道在使用环境、介温、压力等方面具有不同的特点，其应用环境及效果也各不相同。
1.1 注水系统
目前，在注水系统中应用的非金属管道主要为高压玻璃钢管和钢骨架塑料复合管，具有良好的承压性能，压力为16MPa～25Mpa，管道内壁光滑，不易结垢结蜡，对输送介质无二次污染。
1.2 集输系统
用于集输系统的非金属管材主要有连续增强塑料复合管、钢骨架聚乙烯塑料复合管和玻璃钢管。
1.2.1连续增强塑料复合管
连续增强塑料复合管是以48股×10mm钢丝编织成网状骨架或以钢带缠绕骨架，内层为交联聚乙烯、外层为中密度聚乙烯复合而成，且为连续软管，可盘卷，对敷设地形要求低，无焊口，不会出现因焊口质量不过关而造成渗漏的现象。
1.2.2钢骨架聚乙烯塑料复合管
钢骨架聚乙烯塑料复合管采用低碳钢丝编网，并高速点焊、塑料挤出填注同步成型技术，两种材料均匀复合，管壁内外层塑料通过管壁中间的金属网孔连接为一体，以法兰和电熔两种方式连接，长期输送介质温度介于0℃～70℃之间，承压相对较低。
1.2.3玻璃钢管
玻璃钢管道采用无碱增强纤维为增强材料，环氧树脂和固化剂为基质，经过连续缠绕成型、固化而成的，主要用于集输系统输送气液混合油，压力为3.5MPa～7.0MPa。
2 油田非金属管道存在的问题分析
非金属管道是一种非均质工程材料，其原材料、生产工艺，结构特性等与传统的钢制管道有很大差异。因此，在应用过程中时有渗漏、穿孔或断裂等问题发生，影响了非金属管道耐蚀优势的发挥，目前油田应用的两大类非金属管道，即复合管和玻璃钢管。
2.1 复合管在生产中常见问题总结
2.2.1管线破裂穿孔
（1）复合管道材质多为脆性或柔性、抗外界冲击能力差，因此，在穿越井排公路时均需加套管保护，以防止地面载荷损坏管道。在使用钢套管保护时，管线频繁振动，使非金属管道产生局部应力磨损，易造成管线渗漏或断裂。
（2）非金属管道在敷设时，管沟沟底应尽量均匀平整，沟底高低不平会造成管道受力不均，使管线产生不均匀沉降，回填时，高起处会产生应力集中，损坏管道或造成不必要的磨损，在管道系统中有脉动压力时，这种现象将更为严重。
（3）非金属管道是一种脆性材质，如果在装卸搬运、施工时管材受到外力冲击，在长期内压作用下至使管线断裂穿孔，因此，在施工过程中应严格执行施工操作规程。
2.2.2连接处渗漏
（1） 连续增强塑料复合管
连续增强塑料复合管为连续软管，其连接采用扣压式接头，早期的接口内部采用六瓣密封，在管线运行过程中，在内压作用下，液体易从缝隙间渗出，出现渗漏现象；连续增强塑料复合管保温性差，在冻土层中发生故障率高于土层深埋，因此敷设时按施工要求操作，应越过冻土层。
（2）钢骨架聚乙烯塑料复合管
钢骨架聚乙烯塑料复合管在与管道连接时多采用电熔方式连接，主要用于埋地供水、污水输送，应用效果较好，但因部分钢骨架聚乙烯塑料复合管的电熔连接套筒内无钢骨架加强层，耐压强度不够，因此管线埋地敷设时采用电熔连接，地面敷设可以采用法兰连接。
2.3 玻璃钢管在生产中常见问题总结
2.3.1玻璃钢管线接头漏及玻璃钢管线与钢管连接处漏
玻璃钢管线接头及玻璃钢管与钢管连接处渗漏，漏点多集中在管线出站前和穿越井排公路的两侧。为防止玻璃钢管的振动发生磨损或者引起与钢管连接处渗漏，在钢管的一侧或靠近钢制转换接头处安装固定支座，在管线内压作用下，两种管道的振幅和频率不一，在连接处产生扭应力，长期在这种应力的作用下至使玻璃钢管螺纹接头渗漏或断裂。
2.3.2管线破裂穿孔
玻璃钢管道的树脂基体属于脆性材料，当变形率达到2%～3%时，材料就会产生永久性破坏，因此管线的弯曲度不得大于管道的最小弯曲半径，否则管道在运行前已经受到弯曲应力的作用，在运行过程中则容易出现管体环向开裂，甚至在接头的应力集中处出现断裂。因此管道在储存、装卸、安装过程中及生产运行或作业施工中，避免受外力冲击，尤其易受机械损伤。
3 认识及建议
（1）从非金属管道在油田应用效果看：
水系统：
①高压玻璃钢管道从设计、施工到生产管理技术已经成熟，适宜在高压注水系统使用；
②在供水、水处理管道中，可选用低压玻璃钢管和钢骨架塑料复合管。
油系统：从抗腐蚀性和环保角度，非金属管道宜用在低洼地、夏秋积水面广、腐蚀级别高的区域应用。
（2）非金属管道无法像金属管道一样能用仪器探测到，因此，应加强非金属管道标志桩的管理，避免丢失。
（3）在施工阶段，矿及小队应做好在新建非金属管道情况统计表，明确非金属管道的井号、起点、终点、长度、管道类型、管道规格、生产厂家等相关资料，有助于日后的维修。
（4）非金属材质为电的绝缘体，不易于热力解堵，管道在应用过程中应加强日常维护管理，防止管线冻堵现象发生，同时尽可能减少因交叉作业及其它人为因素而造成的机械损伤和渗漏。
作者简介
刘丽娟，女，1981年生，工程师。2003年毕业于齐齐哈尔大学化学工程与工艺专业，现在大庆油田第七采油厂规划设计研究所从事地理信息系统工作。
关键词:梯度功能材料,复合材料,研究进展
TheAdvanceofFunctionallyGradientMaterials
JinliangCui
(Qinghaiuniversity,XiningQinghai810016,china)
Abstract:Thispaperintroducestheconcept，types，capability，preparationmethodsoffunctionallygradedmaterials.Baseduponanalysisofthepresentapplicationsituationsandprospectofthiskindofmaterialssomeproblemsexistedarepresented.ThecurrentstatusoftheresearchofFGMarediscussedandananticipationofitsfuturedevelopmentisalsopresent.
Keywords:FGM；composite；theAdvance
0引言
信息、能源、材料是现代科学技术和社会发展的三大支柱。现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展。对材料,特别是对高性能材料的认识水平、掌握和应用能力,直接体现国家的科学技术水平和经济实力,也是一个国家综合国力和社会文明进步速度的标志。因此,新材料的开发与研究是材料科学发展的先导,是21世纪高科技领域的基石。
近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展[1]。究其原因,一方面是各个学科的交叉渗透引入了新理论、新方法及新的实验技术;另一方面是实际应用的迫切需要对材料提出了新的要求。而FGM即是为解决实际生产应用问题而产生的一种新型复合材料，这种材料对新一代航天飞行器突破“小型化”，“轻质化”，“高性能化”和“多功能化”具有举足轻重的作用[2]，并且它也可广泛用于其它领域，所以它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。
1FGM概念的提出
当代航天飞机等高新技术的发展，对材料性能的要求越来越苛刻。例如：当航天飞机往返大气层，飞行速度超过25个马赫数，其表面温度高达2000℃。而其燃烧室内燃烧气体温度可超过2000℃，燃烧室的热流量大于5MW/m2,其空气入口的前端热通量达5MW/m2.对于如此大的热量必须采取冷却措施，一般将用作燃料的液氢作为强制冷却的冷却剂，此时燃烧室内外要承受高达1000K以上的温差,传统的单相均匀材料已无能为力[1]。若采用多相复合材料,如金属基陶瓷涂层材料,由于各相的热胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落[3]或龟裂[1]现象，其关键在于基底和涂层间存在有一个物理性能突变的界面。为解决此类极端条件下常规耐热材料的不足，日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小[3],如图1所示。
随着研究的不断深入，梯度功能材料的概念也得到了发展。目前梯度功能材料(FGM)是指以计算机辅助材料设计为基础，采用先进复合技术，使构成材料的要素（组成、结构）沿厚度方向有一侧向另一侧成连续变化，从而使材料的性质和功能呈梯度变化的新型材料[4]。
2FGM的特性和分类
2.1FGM的特殊性能
由于FGM的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点如图2,因此它能有效地克服传统复合材料的不足[5]。正如Erdogan在其论文[6]中指出的与传统复合材料相比FGM有如下优势:
1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;
2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;
3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;
4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。
图2
2.2FGM的分类
根据不同的分类标准FGM有多种分类方式。根据材料的组合方式，FGM分为金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多种组合方式的材料[1]；根据其组成变化FGM分为梯度功能整体型（组成从一侧到另一侧呈梯度渐变的结构材料），梯度功能涂敷型（在基体材料上形成组成渐变的涂层），梯度功能连接型（连接两个基体间的界面层呈梯度变化）[1]；根据不同的梯度性质变化分为密度FGM，成分FGM，光学FGM，精细FGM等[4]；根据不同的应用领域有可分为耐热FGM，生物、化学工程FGM，电子工程FGM等[7]。
3FGM的应用
FGM最初是从航天领域发展起来的。随着FGM研究的不断深入,人们发现利用组分、结构、性能梯度的变化,可制备出具有声、光、电、磁等特性的FGM,并可望应用于许多领域。FGM的应用[8]见图3。
图3FGM的应用
功能
应用领域材料组合
缓和热应
力功能及
结合功能
航天飞机的超耐热材料
陶瓷引擎
耐磨耗损性机械部件
耐热性机械部件
耐蚀性机械部件
加工工具
运动用具:建材陶瓷金属
陶瓷金属
塑料金属
异种金属
异种陶瓷
金刚石金属
碳纤维金属塑料
核功能
原子炉构造材料
核融合炉内壁材料
放射性遮避材料轻元素高强度材料
耐热材料遮避材料
耐热材料遮避材料
生物相溶性
及医学功能
人工牙齿牙根
人工骨
人工关节
人工内脏器官:人工血管
补助感觉器官
生命科学磷灰石氧化铝
磷灰石金属
磷灰石塑料
异种塑料
硅芯片塑料
电磁功能
电磁功能陶瓷过滤器
超声波振动子
IC
磁盘
磁头
电磁铁
长寿命加热器
超导材料
电磁屏避材料
高密度封装基板压电陶瓷塑料
压电陶瓷塑料
硅化合物半导体
多层磁性薄膜
金属铁磁体
金属铁磁体
金属陶瓷
金属超导陶瓷
塑料导电性材料
陶瓷陶瓷
光学功能防反射膜
光纤;透镜;波选择器
多色发光元件
玻璃激光透明材料玻璃
折射率不同的材料
不同的化合物半导体
稀土类元素玻璃
能源转化功能
MHD发电
电极;池内壁
热电变换发电
燃料电池
地热发电
太阳电池陶瓷高熔点金属
金属陶瓷
金属硅化物
陶瓷固体电解质
金属陶瓷
电池硅、锗及其化合物
4FGM的研究
FGM研究内容包括材料设计、材料制备和材料性能评价。FGM的研究开发体系如图4所示[8]。
设计设计
图4FGM研究开发体系
4.1FGM设计
FGM设计是一个逆向设计过程[7]。
首先确定材料的最终结构和应用条件,然后从FGM设计数据库中选择满足使用条件的材料组合、过渡组份的性能及微观结构,以及制备和评价方法,最后基于上述结构和材料组合选择,根据假定的组成成份分布函数,计算出体系的温度分布和热应力分布。如果调整假定的组成成份分布函数,就有可能计算出FGM体系中最佳的温度分布和热应力分布,此时的组成分布函数即最佳设计参数。
FGM设计主要构成要素有三:
1)确定结构形状,热—力学边界条件和成分分布函数;
2)确定各种物性数据和复合材料热物性参数模型;
3)采用适当的数学—力学计算方法,包括有限元方法计算FGM的应力分布,采用通用的和自行开发的软件进行计算机辅助设计。
FGM设计的特点是与材料的制备工艺紧密结合,借助于计算机辅助设计系统,得出最优的设计方案。
4.2FGM的制备
FGM制备研究的主要目标是通过合适的手段,实现FGM组成成份、微观结构能够按设计分布,从而实现FGM的设计性能。可分为粉末致密法:如粉末冶金法(PM),自蔓延高温合成法(SHS);涂层法:如等离子喷涂法,激光熔覆法,电沉积法,气相沉积包含物理气相沉积(PVD)和化学相沉积(CVD);形变与马氏体相变[10、14]。
4.2.1粉末冶金法(PM)
PM法是先将原料粉末按设计的梯度成分成形,然后烧结。通过控制和调节原料粉末的粒度分布和烧结收缩的均匀性,可获得热应力缓和的FGM。粉末冶金法可靠性高,适用于制造形状比较简单的FGM部件,但工艺比较复杂,制备的FGM有一定的孔隙率,尺寸受模具限制[7]。常用的烧结法有常压烧结、热压烧结、热等静压烧结及反应烧结等。这种工艺比较适合制备大体积的材料。PM法具有设备简单、易于操作和成本低等优点,但要对保温温度、保温时间和冷却速度进行严格控制。国内外利用粉末冶金方法已制备出的FGM有:MgC/Ni、ZrO2/W、Al2O3/ZrO2[8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7]。
4.2.2自蔓延燃烧高温合成法(Self-propagatingHigh-temperatureSynthesis简称SHS或CombustionSynthesis)
SHS法是前苏联科学家Merzhanov等在1967年研究Ti和B的燃烧反应时,发现的一种合成材料的新技术。其原理是利用外部能量加热局部粉体引燃化学反应,此后化学反应在自身放热的支持下,自动持续地蔓延下去,利用反应热将粉末烧结成材，最后合成新的化合物。其反应示意图如图6所示[16]：
图6SHS反应过程示意图
SHS法具有产物纯度高、效率高、成本低、工艺相对简单的特点。并且适合制造大尺寸和形状复杂的FGM。但SHS法仅适合存在高放热反应的材料体系,金属与陶瓷的发热量差异大,烧结程度不同,较难控制,因而影响材料的致密度,孔隙率较大,机械强度较低。目前利用SHS法己制备出Al/TiB2,Cu/TiB2、Ni/TiC[8]、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。
4.2.3喷涂法
喷涂法主要是指等离子体喷涂工艺,适用于形状复杂的材料和部件的制备。通常,将金属和陶瓷的原料粉末分别通过不同的管道输送到等离子喷枪内,并在熔化的状态下将它喷镀在基体的表面上形成梯度功能材料涂层。可以通过计算机程序控制粉料的输送速度和流量来得到设计所要求的梯度分布函数。这种工艺已经被广泛地用来制备耐热合金发动机叶片的热障涂层上,其成分是部分稳定氧化锆(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。
4.2.3.1等离子喷涂法(PS)
PS法的原理是等离子气体被电子加热离解成电子和离子的平衡混合物,形成等离子体,其温度高达1500K,同时处于高度压缩状态,所具有的能量极大。等离子体通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流,速度可高达1.5km/s。原料粉末送至等离子射流中,粉末颗粒被加热熔化,有时还会与等离子体发生复杂的冶金化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射在基底上,快速冷却固结,形成沉积层。喷涂过程中改变陶瓷与金属的送粉比例,调节等离子射流的温度及流速,即可调整成分与组织,获得梯度涂层[8、11]。该法的优点是可以方便的控制粉末成分的组成,沉积效率高,无需烧结,不受基体面积大小的限制,比较容易得到大面积的块材[10],但梯度涂层与基体间的结合强度不高,并存在涂层组织不均匀,空洞疏松,表面粗糙等缺陷。采用此法己制备出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7]、NiCrAl/MgO-ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料
图7PS方法制备FGM涂层示意图[17]（a）单枪喷涂（b）双枪喷涂
4.2.3.2激光熔覆法
激光熔覆法是将预先设计好组分配比的混合粉末A放置在基底B上,然后以高功率的激光入射至A并使之熔化,便会产生用B合金化的A薄涂层,并焊接到B基底表面上,形成第一包覆层。改变注入粉末的组成配比,在上述覆层熔覆的同时注入,在垂直覆层方向上形成组分的变化。重复以上过程,就可以获得任意多层的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用颗粒陶瓷增强剂熔覆金属获得了梯度多层结构。梯度的变化可以通过控制初始涂层A的数量和厚度,以及熔区的深度来获得,熔区的深度本身由激光的功率和移动速度来控制。该工艺可以显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热及电气特性和生物活性等性能,但由于激光温度过高,涂层表面有时会出现裂纹或孔洞,并且陶瓷颗粒与金属往往发生化学反应[10]。采用此法可制备Ti-Al、WC-Ni、Al-SiC系梯度功能材料[7]。
图8同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[18]
4.2.3.3热喷射沉积[10]
与等离子喷涂有些相关的一种工艺是热喷涂。用这种工艺把先前熔化的金属射流雾化,并喷涂到基底上凝固,因此,建立起一层快速凝固的材料。通过将增强粒子注射到金属流束中,这种工艺已被推广到制造复合材料中。陶瓷增强颗粒,典型的如SiC或Al2O3,一般保持固态,混入金属液滴而被涂覆在基底,形成近致密的复合材料。在喷涂沉积过程中,通过连续地改变增强颗粒的馈送速率,热喷涂沉积已被推广产生梯度6061铝合金/SiC复合材料。可以使用热等静压工序以消除梯度复合材料中的孔隙。
4.2.3.4电沉积法
电沉积法是一种低温下制备FGM的化学方法。该法利用电镀的原理,将所选材料的悬浮液置于两电极间的外场中,通过注入另一相的悬浮液使之混合,并通过控制镀液流速、电流密度或粒子浓度,在电场作用下电荷的悬浮颗粒在电极上沉积下来,最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基体材料可以是金属、塑料、陶瓷或玻璃,涂层的主要材料为TiO2-Ni,Cu-Ni,SiC-Cu,Cu-Al2O3等。此法可以在固体基体材料的表面获得金属、合金或陶瓷的沉积层,以改变固体材料的表面特性,提高材料表面的耐磨损性、耐腐蚀性或使材料表面具有特殊的电磁功能、光学功能、热物理性能,该工艺由于对镀层材料的物理力学性能破坏小、设备简单、操作方便、成型压力和温度低,精度易控制,生产成本低廉等显著优点而备受材料研究者的关注。但该法只适合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]
4.2.3.5气相沉积法
气相沉积是利用具有活性的气态物质在基体表面成膜的技术。通过控制弥散相浓度,在厚度方向上实现组分的梯度化,适合于制备薄膜型及平板型FGM[8]。该法可以制备大尺寸的功能梯度材料,但合成速度低,一般不能制备出大厚度的梯度膜,与基体结合强度低、设备比较复杂。采用此法己制备出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。气相沉积按机理的不同分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两类。
化学气相沉积法(CVD)是将两相气相均质源输送到反应器中进行均匀混合,在热基板上发生化学反应并使反映产物沉积在基板上。通过控制反应气体的压力、组成及反应温度,精确地控制材料的组成、结构和形态,并能使其组成、结构和形态从一种组分到另一种组分连续变化,可得到按设计要求的FGM。另外,该法无须烧结即可制备出致密而性能优异的FGM,因而受到人们的重视。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制备过程包括：气相反应物的形成；气相反应物传输到沉积区域；固体产物从气相中沉积与衬底[12]。
物理气相沉积法(PVD)是通过加热固相源物质,使其蒸发为气相,然后沉积于基材上,形成约100μm厚度的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束轰击、离子溅射等。PVD法的特点是沉积温度低,对基体热影响小,但沉积速度慢。日本科技厅金属材料研究所用该法制备出Ti/TiN、Ti/TiC、Cr/CrN系的FGM[7~8、10~11]
4.2.4形变与马氏体相变[8]
通过伴随的应变变化,马氏体相变能在所选择的材料中提供一个附加的被称作“相变塑性”的变形机制。借助这种机制在恒温下形成的马氏体量随材料中的应力和变形量的增加而增加。因此,在合适的温度范围内,可以通过施加应变(或等价应力)梯度,在这种材料中产生应力诱发马氏体体积分数梯度。这一方法在顺磁奥氏体18-8不锈钢(Fe-18%,Cr-8%Ni)试样内部获得了铁磁马氏体α体积分数的连续变化。这种工艺虽然明显局限于一定的材料范围,但能提供一个简单的方法,可以一步生产含有饱和磁化强度连续变化的材料,这种材料对于位置测量装置的制造有潜在的应用前景。
4.3FGM的特性评价
功能梯度材料的特征评价是为了进一步优化成分设计,为成分设计数据库提供实验数据,目前已开发出局部热应力试验评价、热屏蔽性能评价和热性能测定、机械强度测定等四个方面。这些评价技术还停留在功能梯度材料物性值试验测定等基础性的工作上[7]。目前,对热压力缓和型的FGM主要就其隔热性能、热疲劳功能、耐热冲击特性、热压力缓和性能以及机械性能进行评价[8]。目前,日本、美国正致力于建立统一的标准特征评价体系[7~8]。
5FGM的研究发展方向
5.1存在的问题
作为一种新型功能材料,梯度功能材料范围广泛,性能特殊,用途各异。尚存在一些问题需要进一步的研究和解决,主要表现在以下一些方面[5、13]:
1）梯度材料设计的数据库（包括材料体系、物性参数、材料制备和性能评价等）还需要补充、收集、归纳、整理和完善；
2）尚需要进一步研究和探索统一的、准确的材料物理性质模型，揭示出梯度材料物理性能与成分分布，微观结构以及制备条件的定量关系，为准确、可靠地预测梯度材料物理性能奠定基础；
3）随着梯度材料除热应力缓和以外用途的日益增加，必须研究更多的物性模型和设计体系，为梯度材料在多方面研究和应用开辟道路；
4）尚需完善连续介质理论、量子（离散）理论、渗流理论及微观结构模型，并借助计算机模拟对材料性能进行理论预测，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。
5)已制备的梯度功能材料样品的体积小、结构简单,还不具有较多的实用价值;
6)成本高。
5.2FGM制备技术总的研究趋势[13、15、19-20]
1）开发的低成本、自动化程度高、操作简便的制备技术；
2）开发大尺寸和复杂形状的FGM制备技术；
3）开发更精确控制梯度组成的制备技术（高性能材料复合技术）；
4）深入研究各种先进的制备工艺机理，特别是其中的光、电、磁特性。
5.3对FGM的性能评价进行研究[2、13]
有必要从以下5个方面进行研究：
1）热稳定性，即在温度梯度下成分分布随时间变化关系问题；
2）热绝缘性能；
3）热疲劳、热冲击和抗震性；
4）抗极端环境变化能力；
5）其他性能评价，如热电性能、压电性能、光学性能和磁学性能等
6结束语
FGM的出现标志着现代材料的设计思想进入了高性能新型材料的开发阶段[8]。FGM的研究和开发应用已成为当前材料科学的前沿课题。目前正在向多学科交叉,多产业结合,国际化合作的方向发展。
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