跨油氣時(shí)代——源界后起之秀——甲醇

1、YANGTZE UNIVERSITY£ J .Bi .8-1 M I |b II I I 石油工程學(xué)院第十二屆科技論文報(bào)告會(huì)作品比賽類別：社科類作者姓名；邢攀、魏浩聯(lián)系方式13487074635 指導(dǎo)老師：董磊，李秀珍淺談能源界后起之秀-甲醇作者：邢攀，魏浩指導(dǎo)老師：董磊，李秀珍摘要：甲醇是一種來源廣，可再生，辛烷值較高，能夠逐漸擺脫對石油和天然氣等傳統(tǒng)化石原料 的依賴的新興能源。本文主要介紹甲醇的生產(chǎn)制造過程，主要來源，在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際生活的廣泛應(yīng) 用，以及它與傳統(tǒng)化石能源在熱值，生產(chǎn)加工，經(jīng)濟(jì)效益，市場動(dòng)態(tài)等方面所具有的優(yōu)勢特征。最后 將闡述它對一個(gè)國家

2、的經(jīng)濟(jì)和未來的發(fā)展所具備的重要意義。關(guān)鍵詞：甲醇，石油，來源廣，清潔，環(huán)保，低耗，低成本，可再生，經(jīng)濟(jì)效益高。引言：能源是人類社會(huì)向前發(fā)展的不懈動(dòng)力，是人類創(chuàng)造幸福生活的基石，是地球留給人類的寶 貴財(cái)富。自從我們遠(yuǎn)古祖先使用火來取暖，烹飪和進(jìn)行其他許多必須的生產(chǎn)活動(dòng)以來，人類的生存便 和不斷上升的能源需求緊密地聯(lián)系在一起。從燃燒木材，植被、泥煤，石油和天然氣，人類不斷通過 利用各種資源得到了繁衍壯大。而目前，全世界每天石油的耗用量已超過1200萬噸。我們地球上化石燃料資源的不可再生性及其有限儲(chǔ)量，與全球持續(xù)的人口增長和不斷增加的能源消耗量之間，形成了 日益突出的矛盾。1998年6月7日，美國洛

3、杉磯時(shí)報(bào)發(fā)表題為即將來臨的石油危機(jī)一一真正的 危機(jī)的文章認(rèn)為，今后 10年左右，世界石油供應(yīng)似乎是充足的。在今后20年左右的時(shí)間，全球石油產(chǎn)量可能開始持續(xù)下降。雖然市場力量和石油生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)可能使石油供應(yīng)繼續(xù)保持到21世紀(jì),但是石油危機(jī)的到來可能比一般人的設(shè)想早得多。在21世紀(jì)，人類需要尋求對這一問題的解決辦法，從而可以維持目前發(fā)達(dá)工業(yè)國家已具備，其它發(fā)展中國家正在努力接近的較高的生活水平。目前，甲 醇是人類已知的最合適的新型能源的接班人。一.甲醇的性質(zhì)（一）甲醇的物理性質(zhì)液體,純品清淡，類似乙醇，粗品刺激難聞-98, ,C(lit,)64,564,7, ,C(lit,)0,791,g/mL

4、,25, ,C °52, ；F (約 11 ,C)蒸氣密度1,11,(大氣壓=1),69127,Hg(25 ,C)410,Hg(50 ,C)折射率n20/D,1,329(lit,)爆炸上限 （V/V）44.0,%(V/V)5.5沾染量<,10(APHA)水溶解性儲(chǔ)存條件（二）甲醇的化學(xué)性質(zhì)甲醇（Methanol）的分子式為 CH3OH ,是甲烷的一種最簡單的含氧衍生物。易燃， 。遇明火、高 熱能引起燃燒爆炸。與接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或引起燃燒。燃燒分解形成CO、CO2、水。有劇毒。二.甲醇的來源及合成2.1甲醇的來源1661年，羅伯特.波爾首先分理出甲醇，他是通過蒸儲(chǔ)黃楊木而得到相對

5、較純的甲醇，所以稱之為黃楊精。19世紀(jì)30年代初，由這種方法產(chǎn)生的甲醇，被用于照明、烹飪和加熱，但是在后來的應(yīng)用中被更便宜的燃料取代，尤其是煤油代替。直到 20世紀(jì)20年代，木材一直是甲醇的唯一來源，而 甲醇在化學(xué)工業(yè)中的需求日益增加。隨著工業(yè)革命，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，木材大量地被煤取代。通過蒸 汽和加熱作用，人們發(fā)展了煤和焦炭的氣化技術(shù)，通過這種方法可以得到的含有一氧化碳和氫氣的混 合氣，供城鄉(xiāng)使用。這項(xiàng)技術(shù)的突破，導(dǎo)致了許多其它需要相似嚴(yán)格條件和燃料的化學(xué)過程的發(fā)展，包括甲醇白合成。1905年，法國科學(xué)家保羅.薩巴.帝爾首先提出了由一氧化碳和氫氣反應(yīng)產(chǎn)生甲醇的 路線。2.2甲醇的合成2.2.1

6、 合成氣生產(chǎn)甲醇-今天的主流的甲醇生產(chǎn)工藝，是建立在以下反應(yīng)式中在一種非均相催化劑中生產(chǎn)的 H2 , CO , CO2 的混合物 CO+2H2 <>CH3OHCO2+3H2<>CH3OH+H2OCO2+H2<->CO+H2O 現(xiàn)有的全部工藝采取銅基催化劑這種催化劑具有極高的活性和選擇性?，F(xiàn)代化甲醇工廠對甲醇的選著性高于99%,能源利用效率在 70%以上。2.2.2 甲烷不經(jīng)合成器直接氧化生成甲醇其缺點(diǎn)是耗能過大，目前無工藝成功達(dá)到高產(chǎn)率，高選擇性和催化劑高穩(wěn)定性的聯(lián)合。此處不做過多介紹。2.2.3 利用生物質(zhì)制取甲醇在上述甲醇來源可知，生產(chǎn)原料豐富，能夠充分

7、利用木材廢料，農(nóng)作物及其無用廢物，城市固態(tài) 垃圾，動(dòng)物糞便以及水生植物藻類。生物質(zhì)原料需要研磨呈細(xì)小顆粒狀物質(zhì)便于氣化其利用。其優(yōu)點(diǎn) 是含硫量低，利于保護(hù)環(huán)境。目前技術(shù)上的缺陷是在氣化的第一階段，干燥的生物質(zhì)原料難以完全轉(zhuǎn)化為混合氣，產(chǎn)物中木炭含量占原始燃料的質(zhì)量的10%25%。與生物質(zhì)對應(yīng)的是生物氣。厭氧菌在缺氧的條件下分解有機(jī)物產(chǎn)生生物氣。在厭氧消化池中產(chǎn)生的氣體取決于原料和工藝的效率，它由50%70%的甲烷和以 CO2為主的余氣組成。目前主要用于發(fā)電和供熱，同時(shí)可用作生產(chǎn)甲醇的原料 氣。2.2.4 用CO2生產(chǎn)甲醇到目前為止，我們所談?wù)摰亩际怯苫剂虾蜕镔|(zhì)出發(fā)生產(chǎn)甲醇?；剂匣蛉魏?/p>

8、含碳的天然合成產(chǎn)品（包括甲醇在內(nèi)）燃燒都會(huì)產(chǎn)生CO2和水。一項(xiàng)日益重要的偉大挑戰(zhàn)是使這個(gè)過程逆向發(fā)生，以用CO2和水通過化學(xué)再生轉(zhuǎn)化（也即循環(huán)回收）有效且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)燃料，合成燒類和相關(guān)的衍生產(chǎn)品。（摘自跨油氣時(shí)代一甲醇經(jīng)濟(jì)2011.7）為避免過量產(chǎn)生 CO2并排入大氣，開發(fā)出了多種基于化石燃料生產(chǎn)甲醇及衍生物同時(shí)又能減少甚至完全不生成新的CO2的技術(shù)，其應(yīng)用勢必會(huì)越來越廣泛。在由一種布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的叫“ carnol ”的工藝中，通過甲烷的熱分解產(chǎn)生氫氣和固態(tài)炭。產(chǎn)生的氫氣然后和從燃燒化石燃料的發(fā)電廠，工業(yè)廢棄或者大氣中回收的CO2反應(yīng)生產(chǎn)甲醇?？傊@種工藝的CO2凈排放量接近零，

9、因?yàn)楫?dāng)甲醇被用作燃料時(shí)從存在的排放源釋放的CO2循環(huán)利用。三.甲醇的應(yīng)用3.1 甲醇的化學(xué)應(yīng)用如今，甲醇主要作為化學(xué)工業(yè)的原料，用來生產(chǎn)各種化學(xué)產(chǎn)品和材料。甲醇同時(shí)也是氯甲烷、甲 胺、甲基丙烯酸甲酯和對苯二甲酸二甲酯等的原料。這些化學(xué)半成品被用于生產(chǎn)眾多我們?nèi)粘Ｉ钏?需的物品，包括油漆、樹脂、硅樹脂、粘合劑、防凍劑和塑料。3.2 甲醇作為運(yùn)輸燃料甲醇具有非常好的燃燒特性，這就使得它成為今天內(nèi)燃機(jī)汽車和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料。汽油是 含有不同碳?xì)浠衔锖吞砑觿┑膹?fù)雜化合物，與之相比甲醇是一種簡單的化學(xué)物質(zhì)。它的能量密度是 汽油的一半，盡管甲醇的能量密度比較低，但它有著較高的辛烷值，這就允許發(fā)動(dòng)機(jī)

10、能以較高的壓縮 率工作，因此比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更有效。甲醇燃燒時(shí)不產(chǎn)生煙霧、炭黑和顆粒物。這一點(diǎn)，以及因甲醇在較低的溫室下，產(chǎn)生的碳氧化物 排放較低，使得甲醇作為柴油機(jī)替代燃料很具吸引力。相對于許多其他的替代燃料，公共汽車已經(jīng)成 為以甲醇為動(dòng)力的柴油機(jī)的主要測試工具。用甲醇取代柴油作為燃料還可以是尾氣排放的微粒及NOx的數(shù)量顯著減小。由于甲醇不含硫，因此SOx排放而導(dǎo)致的酸雨幾乎不會(huì)再發(fā)生。以甲醇為燃料的柴油機(jī)動(dòng)力的汽車隊(duì)伍在美國各地，都在使用。相對于傳統(tǒng)的柴油動(dòng)力的汽車，甲醇動(dòng)力的汽車具有更 高的維護(hù)成本，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)有一些技術(shù)上的難題和引擎需要測試。這些技術(shù)上的難題不 是不可避免的，可

11、以通過進(jìn)一步研究來解決。3.4 直接甲醇燃料電池3,3甲醇重整制氫用于燃料電池甲醇和DME蒸汽重整裝置可以在 250-350 C下運(yùn)行，雖然這種操作系統(tǒng)很昂貴，但更適合于實(shí) 際應(yīng)用。甲醇和 DME中存在的碳碳單鍵很難被破壞，這極大地方便了它以80%-90%效率轉(zhuǎn)化為氫的反應(yīng)，而且甲醇和 DME中都不含硫這種可以使燃料電池致污的物質(zhì)。1997年，戴姆勒公司生產(chǎn)了第一臺(tái)甲醇作為燃料的 FCV, Necar3,它裝備有可以提供 50kw的燃料電池并且可以連續(xù)行駛 400km，與 氫燃料電池相比，直接甲醇燃料電池不依賴氫的生產(chǎn)，比如電解水、天然氣或者碳?xì)浠衔锏闹卣^ 程。與普通的燃料電池相比，甲醇理

12、論上有相對較高的體積能量密度。這對于小的便攜式的儀器至關(guān)重要。東芝公司開發(fā)了一個(gè)有望為筆記本使用的DMFC電堆。這個(gè)電堆平均輸坦功率為12w,使用一個(gè)50ml的甲醇儲(chǔ)藏罐。為了減少儲(chǔ)藏罐的體積，電池收集產(chǎn)生的水已與甲醇混合。四.油氣及其他新能源現(xiàn)狀的現(xiàn)狀4.1 日益減少的油氣儲(chǔ)備，目前世界上已探明的石油儲(chǔ)備在1萬億1.2萬億桶之間，而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求以及人口的增長，原油正以每年300億桶并往上增長的消耗速度，石油的儲(chǔ)備供應(yīng)應(yīng)能維持3040年。某些經(jīng)濟(jì)學(xué)家對未來石油的前景所持樂觀態(tài)度，是那些堅(jiān)信市場價(jià)格的關(guān)鍵作用和勘探，鉆井和生產(chǎn)技術(shù)的提高必能 在未來的許多年里保證有足夠的石油產(chǎn)量，那些人所擁

13、護(hù)的。而事實(shí)上在石油快枯竭之前，石油的生 產(chǎn)商就會(huì)停止開采。當(dāng)勘探和開采的成本變得過高，這時(shí)的石油將會(huì)被其他能源所替代。4.2 其他能源的現(xiàn)狀水能和地?zé)崮芤呀?jīng)得到了最大限度的利用，即使在發(fā)展中國家，也已經(jīng)不大可能再找到新的可利 用的大型水能和地?zé)崮艿牡貐^(qū)。太陽能，風(fēng)能，海洋的波浪能等也有巨大的潛力，正在越來越多的被 開發(fā)利用。其局限性在于極易受到自然環(huán)境，地理位置，天氣狀況等不確定因素限制。若以這些能源 作為化石燃料的替代物大規(guī)模使用，對我們可預(yù)見將來的能源框架只能產(chǎn)生漸進(jìn)的影響。氫能雖以清潔能源聞名，但自然界中并未有含量豐富的單質(zhì)氫。其主要來源于電解水，在電解水 的過程中，會(huì)消耗大量的電能，而這些電能多是以燃燒煤炭等對環(huán)境破壞更大的化石燃料為代價(jià)，從 某角度上說，在生產(chǎn)過程中，氫能算不上清潔能源。核能蘊(yùn)藏著巨大的能量，這幾年，在發(fā)達(dá)國家得 到了充分利用，尤其是在核電方面。在日本福島核電站發(fā)生核泄露事件后，