催化化學(xué)能源資源環(huán)境與催化

催化化學(xué)能源資源環(huán)境與催化第一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日能源、資源、環(huán)境與催化

一次能源泛指煤、石油、天然氣等礦物燃料。能源的利用是科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，能源的有效利用卻是政府的對(duì)策問(wèn)題。

第二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter我國(guó)的能源形勢(shì)第三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter我國(guó)的能源形勢(shì)一次能源及可利用的資源儲(chǔ)備是國(guó)家生存與發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)，不僅關(guān)系和平時(shí)期的國(guó)計(jì)民生，而且涉及國(guó)家在戰(zhàn)時(shí)的動(dòng)員能力，地位之重要如何估計(jì)也不會(huì)過(guò)高。先進(jìn)工業(yè)國(guó)幾乎壟斷了能源及資源利用研究的全部?jī)?yōu)勢(shì)其根本原因即在于此。在大量引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的情況下不受制于人，是我國(guó)在任何國(guó)際環(huán)境下都能進(jìn)退自如的重要前提。因此，一次能源有效利用是涉及國(guó)家長(zhǎng)治久安的戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分。

第四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter我國(guó)的能源形勢(shì)第五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

我國(guó)是世界上唯一以煤為主要能源的大國(guó)，這樣的能源構(gòu)成在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變。作為一次能源，煤的利用方式在我國(guó)主要是燃燒，而煤的燃燒是造成我國(guó)生態(tài)環(huán)境破壞的最大污染源。我國(guó)的能源消費(fèi)占世界的8－9％，但SO2的排放占世界的15.1％，排放總量為世界第一位；CO2占13.6%，NOx占11.3%，總量都居世界第二位。其中我國(guó)煤燃燒所釋放的SO2占到全國(guó)總排放的87％，CO2占71％，NOx占67％，粉塵占60％。大量燃煤排放的SO2和NOx已經(jīng)在我國(guó)形成了極大的危害，酸雨區(qū)域迅速擴(kuò)大，已超過(guò)國(guó)土面積的40％，造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。

我國(guó)的能源形勢(shì)第六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter我國(guó)從1993年成為石油進(jìn)口國(guó)。2003年進(jìn)口石油9118萬(wàn)噸，自產(chǎn)石油1.669億噸，總石油消費(fèi)量約為2.7億噸，其中三分之一以上依賴(lài)進(jìn)口。（2006年進(jìn)口約1.4億噸）第七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter另一方面，我國(guó)的能源浪費(fèi)又是世界上最嚴(yán)重的國(guó)家之一：以生產(chǎn)一美元GDP產(chǎn)值的單位油耗衡量，日本是0.084千克，我國(guó)是0.298千克，相差十分懸殊。我國(guó)的能源形勢(shì)第八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter能源利用中的催化技術(shù)

現(xiàn)行工業(yè)過(guò)程中，60％的產(chǎn)品和90％的過(guò)程是通過(guò)催化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。催化在能源發(fā)展戰(zhàn)略中有突出的重要性。這可以概括為五個(gè)方面：1.石油煉制與石油化工；2.合成氣化工；3.天然氣化工；4.燃煤污染防治；5.綠色化學(xué)。

第九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油第十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油第十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油第十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

石油煉制可能是世界上最大規(guī)模的工業(yè)過(guò)程，當(dāng)然也是最大規(guī)模的催化過(guò)程。近二十年來(lái)，石油資源的枯竭已經(jīng)擺上日程。石油品質(zhì)的下降伴隨著日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，石油煉制工業(yè)正面臨著挑戰(zhàn)。石油煉制工業(yè)的生產(chǎn)目的，一是向社會(huì)提供燃料油（汽油，柴油等），二是提供乙烯，苯，甲苯等基礎(chǔ)化工原料。三大支柱能源：石油第十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter減壓蒸餾

加氫加氫裂化加氫重整FCC常壓蒸餾汽油煤油柴油潤(rùn)滑油/瀝青/燃料油液化氣圖一第十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

石油的成分是以一系列碳數(shù)的飽和烴（烷烴和環(huán)烷烴）為主，相當(dāng)比例的芳烴和雜環(huán)芳烴為副，混有少量的氮、硫元素（賦存形態(tài)為有機(jī)化合物）和釩、鎳金屬（賦存形式為絡(luò)合物）。一般來(lái)說(shuō)，原油經(jīng)蒸餾或減壓蒸餾等物理過(guò)程，就可以得到有用的餾分如汽油，柴油等。

三大支柱能源：石油第十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter餾分沸點(diǎn)范圍主要成分(以碳數(shù)計(jì))用途液化石油氣C4及以下汽油<150CC5-C8C5以下?lián)交斐善停仞s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，重餾分是裂化原料常壓渣油370C減壓渣油540C三大支柱能源：石油第十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter汽油是蒸餾后得到的最主要的產(chǎn)品,其次是煤油和柴油。原油直接蒸餾得到的汽油產(chǎn)率較小，且質(zhì)量不高。催化裂化可以有效地增大汽油在產(chǎn)物中的比例，而催化重整可以顯著提高汽油質(zhì)量。為防止催化劑中毒，催化裂化和催化重整前要對(duì)油品進(jìn)行催化脫硫—催化脫氮等前處理，這就形成了現(xiàn)在石油煉制的主要反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，

見(jiàn)圖。三大支柱能源：石油第十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

催化裂化的目的將減壓蒸餾后重餾分中的長(zhǎng)鏈分子切斷以大幅增加產(chǎn)物中汽油的比例。催化裂化是最大規(guī)模使用的催化反應(yīng)裝置（每年全世界處理量約有50億噸），一般稱(chēng)FCC（流化床催化裂化），但現(xiàn)代煉廠采用的是全懸浮的流動(dòng)床，以分子篩為催化劑。

三大支柱能源：石油第十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油第十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油時(shí)間交易價(jià)($)/桶時(shí)間交易價(jià)($)/桶1983.630.382004.542.331986.710.422004.1055.171990.1040.402005.861.571994.314.082006.168.351998.1210.722006.475.172002.624.292006.9~602003.337.782007.8~80第二十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油法國(guó)石油價(jià)格超過(guò)1.5歐元/升第二十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：石油石油緊缺伊拉克私家車(chē)禁行第二十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：煤第二十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：煤我國(guó)能源儲(chǔ)存分布圖第二十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter三大支柱能源：煤第二十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

煤中一般含碳60-70wt%，其余為氫（5wt%），有的含氧可高達(dá)20wt%，其余為雜質(zhì)，主要是硫，氮和粉煤灰（2-7wt%，優(yōu)質(zhì)煤）。由摩爾比看，煤的組成類(lèi)似為CnHn，包括部分含氧化合物。三大支柱能源：煤第二十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter目前，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘考s為2.2億千瓦，根據(jù)國(guó)家電力公司規(guī)劃，到2010年，將達(dá)5億千瓦，到2020年將達(dá)7億千瓦，其中，火力發(fā)電設(shè)備，90%以上仍是常規(guī)的燃煤蒸汽發(fā)電機(jī)組。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一些新的能源和新的燃煤發(fā)電技術(shù)將會(huì)在我國(guó)得到發(fā)展，如S863計(jì)劃將燃煤聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、加壓循環(huán)流化床（PFBC-CC）列為重點(diǎn)，973計(jì)劃中將煤直接氣化列為優(yōu)先支持項(xiàng)目等。

三大支柱能源：煤第二十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

燃煤所造成的污染已成為制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，也已成為國(guó)際上，特別是周邊國(guó)家和地區(qū)對(duì)中國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。如不采取有力的治理措施，這種局面將會(huì)加速惡化，這將直接關(guān)系到我國(guó)12億人口的健康和16億畝耕地的保護(hù)以及國(guó)際關(guān)系等國(guó)家大計(jì)。三大支柱能源：煤第二十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

世界上有幾個(gè)這樣的國(guó)家如中國(guó)，德國(guó)，南非，甚至可以包括美國(guó)，他們有豐富的煤蘊(yùn)藏卻缺乏足夠的石油資源。在這些國(guó)家，煤資源的利用，不僅僅用作燃料，而希望同時(shí)作為化工原料，一直受到特別的重視。煤可以經(jīng)水汽重整反應(yīng)制得合成氣：CnHm+nH2OnCO+(n+m)/2H2煤合成氣

第二十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter合成氣可以轉(zhuǎn)化為甲醇或者轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴燃料煤合成氣？第三十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter甲醇是重要的化工原料，廣泛用于合成各種含氧化學(xué)品。近年來(lái)，甲醇摻燒汽油/甲醇制取甲基叔丁基醚(MTBE)等因其適應(yīng)日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求而受到很高重視。長(zhǎng)遠(yuǎn)看，石油/天然氣資源的枯竭只是早晚之間的事，因此合成氣制甲醇是未來(lái)最有可能替代油氣資源，實(shí)現(xiàn)由煤制取液體燃料的有效途徑之一。煤合成氣甲醇

第三十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

合成氣制甲醇?xì)v經(jīng)90年的研究開(kāi)發(fā)，目前已達(dá)到可與石油煉廠媲美的規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)，日產(chǎn)2000—2500噸乃至萬(wàn)噸的合成塔及配套技術(shù)已經(jīng)獲得工業(yè)應(yīng)用?？傮w上說(shuō)，甲醇合成中催化技術(shù)已相當(dāng)成熟。使用Cu/ZuO/Al2O3催化劑，反應(yīng)條件溫和（270C,5MPa），選擇性和產(chǎn)率都很高，催化劑壽命長(zhǎng)，非常適合連續(xù)化生產(chǎn)的要求。煤合成氣甲醇

第三十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter1922年Fischer和Tropsch發(fā)現(xiàn)鐵催化劑作用下由一氧化碳加氫可以得到碳數(shù)分布很寬的混合烴(C1-C40的烷和烯)，這一過(guò)程后來(lái)被稱(chēng)之為F-TSynthesis。CO+H2CnH(2n+2)+CnH2n+2nH2O

(H-200KJ/mol)煤合成氣汽/柴油

第三十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter

F-T合成是研究得最多也最廣泛的催化反應(yīng)之一，但迄今機(jī)理仍不清楚。F-T合成的本質(zhì)特征是碳鏈的增殖，而這種增殖似乎一旦發(fā)生就不可能停止，某些中間物還可能發(fā)生了二次反應(yīng)。因此，F(xiàn)-T合成的主要產(chǎn)物是一系列烷烴和烯烴的混合物，碳數(shù)居于1-40之間。催化劑（和反應(yīng)條件）可以顯著改變不同碳數(shù)產(chǎn)物在混合物中的比例，使某一碳數(shù)間的產(chǎn)物如C5-C20(燃料油餾份)達(dá)到較高，但卻不可能讓其它碳數(shù)的產(chǎn)物消失，這一現(xiàn)象被描述為Schulz-Flory分布。

煤合成氣汽/柴油

第三十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter餾分固定床攜帶床C5-C11C11-C18C5-C10C11-C18烯50407060烷45551315含氧551210芳香烴--515煤合成氣汽/柴油

第三十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenterSchulz-Flory分布充分顯示了平行反應(yīng)間和串聯(lián)反應(yīng)間的互相制約：這些反應(yīng)發(fā)生時(shí)所需要的條件包括催化劑上的“活性位”

都太相似了。通過(guò)這些活性位將CHX添加到長(zhǎng)碳鏈或短碳鏈上應(yīng)該說(shuō)沒(méi)有什么區(qū)別，只取決于活性位周?chē)孜铩俺霈F(xiàn)”的幾率，而Schulz-Flory-Anderson分布似乎正反映了反應(yīng)底物在眾多活性位周?chē)半S機(jī)”分布的結(jié)果。煤合成氣汽/柴油

第三十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter煤合成氣汽/柴油

第三十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter煤合成氣汽/柴油

第三十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter油品的污染主要來(lái)自燃燒過(guò)程中生成的NOX,

即N2+O2

NO2+NO污染防治第三十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter而煤的利用迄今仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在初始階段消除潛在的污染源,因此,煤的燃燒不但將煤本身固有的硫和氮(以NOX/SO2的形式)等釋放出來(lái),還在燃燒中生成了大量的NOX和粉煤灰.以燃煤電廠為例,主要污染物的濃度見(jiàn)表.

NO400-700ppmNO2

2-5ppmSO2

500-2000ppmSO3

2-20ppmCO2

10-12%Dust5-20mg/m310-20g/m3

H2O6-8%O2

4-5%污染防治第四十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter反應(yīng):4NH3+4NO+O2

4N2+6H2O(使用氨水或尿素溶液為還原劑)

催化劑:Al2O3,TiO2,SiO2,分子篩擔(dān)載的鐵,鉻,釩催化劑,典型體系V2O5/TiO2,兼有良好的抗硫性能

對(duì)比:

車(chē)用DeNOX過(guò)程則采用烴類(lèi),CO為還原劑,使用由Pt,Pd貴金屬組成的三元(three-waycatalyst,TWC)催化劑.污染防治第四十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter第四十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter污染防治第四十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter催化脫硫 催化脫硫的設(shè)計(jì)思想可分氧化和還原兩條路線(xiàn)，其中還原路線(xiàn)又可分為還原或深度還原。根據(jù)對(duì)SO2濃度的考慮，催化脫硫前期步驟又可采用吸附法使SO2濃縮,或不用吸附，直接對(duì)煙氣進(jìn)行處理?？傮w設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)示于下圖。污染防治第四十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter觀點(diǎn)(1)：脫硫，科學(xué)上沒(méi)問(wèn)題第四十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter觀點(diǎn)(2)：脫硫，技術(shù)上沒(méi)問(wèn)題第四十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日PKUGreenChemistryCenter觀點(diǎn)(3)：困難在