能源、资源、环境与催化

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1、能源、资源、环境与催化能源、资源、环境与催化寇 元北京大学 化学与分子工程学院PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center* *PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center能源、资源、环境与催化一次能源泛指煤、石油、天然气等矿 物燃料。能源的利用是科学与技术问题， 能源的有效利用却是政府的对策问题。 我国的能源形势PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center我国的能源形势一次能源及可利用的资源储备是国家生存与 发展战

2、略的重要一环，不仅关系和平时期的国计 民生，而且涉及国家在战时的动员能力，地位之 重要如何估计也不会过高。先进工业国几乎垄断 了能源及资源利用研究的全部优势其根本原因即 在于此。在大量引进国外先进技术和设备的情况 下不受制于人，是我国在任何国际环境下都能进 退自如的重要前提。因此，一次能源有效利用是 涉及国家长治久安的战略规划的一部分。 PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center我国的能源形势PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center我国是世界上唯一以煤为主要能源的大国，

3、这样的能源 构成在今后相当长的时期内不会改变。作为一次能源，煤的 利用方式在我国主要是燃烧，而煤的燃烧是造成我国生态环 境破坏的最大污染源。我国的能源消费占世界的89，但 SO2的排放占世界的15.1，排放总量为世界第一位；CO2占 13.6%， NOx占11.3%，总量都居世界第二位。其中我国煤 燃烧所释放的SO2占到全国总排放的87，CO2占71，NOx 占67，粉尘占60。大量燃煤排放的SO2和NOx已经在我 国形成了极大的危害，酸雨区域迅速扩大，已超过国土面积 的40，造成了难以估量的经济和社会损失。 我国的能源形势PKU Green Chemistry CenterPKU Green

4、 Chemistry Center我国从1993年成为石 油进口国。2003年进 口石油9118万吨，自 产石油1.669亿吨，总 石油消费量约为2.7亿 吨，其中三分之一以 上依赖进口。（2006 年进口约1.4亿吨）PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center另一方面，我国的能源浪费又是世界 上最严重的国家之一：以生产一美元 GDP产值的单位油耗衡量，日本是 0.084千克，我国是0.298千克，相差十 分悬殊。我国的能源形势PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center能

5、源利用中的催化技术 现行工业过程中，60的产品和90的 过程是通过催化技术实现的。催化在能 源发展战略中有突出的重要性。这可以 概括为五个方面：1. 石油炼制与石油化 工；2. 合成气化工；3. 天然气化工；4. 燃煤污染防治；5. 绿色化学。 PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源： 石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大

6、支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center石油炼制可能是世界上最大规模的工 业过程，当然也是最大规模的催化过程。 近二十年来，石油资源的枯竭已经摆上日 程。石油品质的下降伴随着日益严格的环 境保护标准的出台，石油炼制工业正面临 着挑战。石油炼制工业的生产目的，一是 向社会提供燃料油（汽油，柴油等），二 是提供乙烯，苯，甲苯等基础化工原料。三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center减压蒸馏加氢加氢裂化加氢重整FCC常压蒸馏汽油煤油柴油润滑油/

7、沥青/燃料油液化气图一PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center石油的成分是以一系列碳数的饱和烃（ 烷烃和环烷烃）为主，相当比例的芳烃和杂 环芳烃为副，混有少量的氮、硫元素（赋存 形态为有机化合物）和钒、镍金属（赋存形 式为络合物）。一般来说，原油经蒸馏或减 压蒸馏等物理过程，就可以得到有用的馏分 如汽油，柴油等。 三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center馏分 沸点范围主要成分 (以碳数计)用途液化石油气C4及以下汽油150CC5-C8C5以下掺混成汽

8、 油，重馏分作重 整原料 煤油150-250CC16及以下航空煤油粗柴油250-370CC25以下C20以下是燃料 油，重馏分是裂 化原料 常压渣油370C减压渣油540C三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center汽油是蒸馏后得到的最主要的产品, 其 次是煤油和柴油。原油直接蒸馏得到的汽油 产率较小，且质量不高。催化裂化可以有效 地增大汽油在产物中的比例，而催化重整可 以显著提高汽油质量。为防止催化剂中毒， 催化裂化和催化重整前要对油品进行催化脱 硫催化脱氮等前处理，这就形成了现在石 油炼制的主要反应网络， 见图。

9、三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center催化裂化的目的将减压蒸馏后重馏分中的长链分子切断以大幅增加产物中汽油 的比例。催化裂化是最大规模使用的催化 反应装置（每年全世界处理量约有50亿吨 ），一般称FCC（流化床催化裂化），但 现代炼厂采用的是全悬浮的流动床，以分 子筛为催化剂。 三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源：石油PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Ce

10、nter三大支柱能源：石油 时间交易价($)/桶时间交易价($)/桶1983.630.382004.542.331986.710.422004.1055.171990.1040.402005.861.571994.314.082006.168.351998.1210.722006.475.172002.624.292006.9602003.337.782007.880PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源：石油法国石油价格超过1.5欧元/升PKU Green Chemistry CenterPKU Green Che

11、mistry Center三大支柱能源：石油石油紧缺伊拉克私家车禁行PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源： 煤PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源：煤我国能源储存分布图PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center三大支柱能源：煤PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center煤中一般含碳60-70 wt%，其余 为氢（5

12、wt%），有的含氧可高达20 wt%，其余为杂质，主要是硫，氮和 粉煤灰（2-7 wt%，优质煤）。由摩 尔比看，煤的组成类似为CnHn，包括 部分含氧化合物。三大支柱能源：煤PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center目前，全国发电装机总容量约为2.2亿千瓦， 根据国家电力公司规划，到2010年，将达5亿千瓦 ，到2020年将达7亿千瓦，其中，火力发电设备， 90%以上仍是常规的燃煤蒸汽发电机组。随着科 学技术的进步，一些新的能源和新的燃煤发电技 术将会在我国得到发展，如S863计划将燃煤联合 循环（IGCC）、加压循环流化床（PF

13、BC-CC）列 为重点，973计划中将煤直接气化列为优先支持项 目等。 三大支柱能源：煤PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center燃煤所造成的污染已成为制约我国国民经济 和社会持续发展的一个重要因素，也已成为国际 上，特别是周边国家和地区对中国关注的热点。 如不采取有力的治理措施，这种局面将会加速恶 化，这将直接关系到我国12亿人口的健康和16亿 亩耕地的保护以及国际关系等国家大计。三大支柱能源：煤PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center世界上有几个这样的国家如中国，德

14、国，南非，甚 至可以包括美国，他们有丰富的煤蕴藏却缺乏足够 的石油资源。在这些国家，煤资源的利用，不仅仅 用作燃料，而希望同时作为化工原料，一直受到特 别的重视。 煤可以经水汽重整反应制得合成气：CnHm + nH2O nCO + ( n+m)/2H2煤合成气 PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center合成气可以转化为甲醇或者转化为液态烃燃料煤合成气 ？PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center甲醇是重要的化工原料，广泛用于 合成各种含氧化学品。近年来，甲醇掺 烧汽油/甲

15、醇制取甲基叔丁基醚(MTBE)等 因其适应日趋严格的环保要求而受到很 高重视。长远看，石油/天然气资源的枯 竭只是早晚之间的事，因此合成气制甲 醇是未来最有可能替代油气资源，实现 由煤制取液体燃料的有效途径之一。煤合成气甲醇 PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center合成气制甲醇历经90年的研究开发，目前已 达到可与石油炼厂媲美的规模进行生产，日产 20002500吨乃至万吨的合成塔及配套技术已经 获得工业应用。总体上说，甲醇合成中催化技术已相当成熟 。使用Cu/ZuO/Al2O3催化剂，反应条件温和（ 270C, 5 MPa），选

16、择性和产率都很高，催化剂 寿命长，非常适合连续化生产的要求。煤合成气甲醇 PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry Center1922年Fischer和Tropsch发现铁 催化剂作用下由一氧化碳加氢可以得 到碳数分布很宽的混合烃(C1-C40的 烷和烯)，这一过程后来被称之为F-T Synthesis。CO + H2 CnH(2n+2)+ CnH2n + 2nH2O(H -200 KJ/mol)煤合成气汽/柴油 PKU Green Chemistry CenterPKU Green Chemistry CenterF-T合成是研究得最多也最广泛的催化反应之 一，但迄今机理仍不清楚。F-T合成的本质特征是 碳链的增殖，而这种增殖似乎一旦发生就不可能停 止，某些中间物还可能发生了二次反应。因此，F- T合成的主要产物是一系列烷烃和烯烃的混合物， 碳数居于1-40之间。催化剂（和反应条件）可以显 著改变不同碳数产物在混合物中的比例，使某一碳 数间的产