催化化學能源資源環(huán)境與催化PPT課件

1、我國的能源形勢第1頁/共50頁我國的能源形勢我國的能源形勢 一次能源及可利用的資源儲備是國家生存與發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)，不僅關系和平時期的國計民生，而且涉及國家在戰(zhàn)時的動員能力，地位之重要如何估計也不會過高。先進工業(yè)國幾乎壟斷了能源及資源利用研究的全部優(yōu)勢其根本原因即在于此。在大量引進國外先進技術和設備的情況下不受制于人，是我國在任何國際環(huán)境下都能進退自如的重要前提。因此，一次能源有效利用是涉及國家長治久安的戰(zhàn)略規(guī)劃的一部分。 第2頁/共50頁表1 一次能源消費（1998） 煤 石油 天然氣 水電 核 世界平均 26.2 40.0 23.8 2.7 7.4 美國 24.9 39.7 25.7 2

2、.4 8.5 英國 17.9 35.4 35.1 0.3 11.3 前蘇聯(lián) 18.6 20.6 53.1 2.2 5.6 澳大利亞 44.5 36.3 17.8 1.4 印度 56.8 31.8 7.7 2.7 1.0 中國 71.6 19.8 2.1 6.5 我國的能源形勢我國的能源形勢第3頁/共50頁 我國是世界上唯一以煤為主要能源的大國，這樣的能源構成在今后相當長的時期內(nèi)不會改變。作為一次能源，煤的利用方式在我國主要是燃燒，而煤的燃燒是造成我國生態(tài)環(huán)境破壞的最大污染源。我國的能源消費占世界的89，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

3、%，總量都居世界第二位。其中我國煤燃燒所釋放的SO2占到全國總排放的87，CO2占71，NOx占67，粉塵占60。大量燃煤排放的SO2和NOx已經(jīng)在我國形成了極大的危害，酸雨區(qū)域迅速擴大，已超過國土面積的40，造成了難以估量的經(jīng)濟和社會損失。 我國的能源形勢我國的能源形勢第4頁/共50頁我國從1993年成為石油進口國。2003年進口石油9118萬噸，自產(chǎn)石油1.669億噸，總石油消費量約為2.7億噸，其中三分之一以上依賴進口。（2006年進口約1.4億噸）第5頁/共50頁 另一方面，我國的能源浪費又是世界上最嚴重的國家之一：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，我國是0.

4、298千克，相差十分懸殊。我國的能源形勢我國的能源形勢第6頁/共50頁能源利用中的催化技術 現(xiàn)行工業(yè)過程中，60的產(chǎn)品和90的過程是通過催化技術實現(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。 第7頁/共50頁三大支柱能源：石油第8頁/共50頁三大支柱能源：石油第9頁/共50頁三大支柱能源：石油第10頁/共50頁 石油煉制可能是世界上最大規(guī)模的工業(yè)過程，當然也是最大規(guī)模的催化過程。近二十年來，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格的環(huán)境保護標準的出臺，石油煉制工

5、業(yè)正面臨著挑戰(zhàn)。石油煉制工業(yè)的生產(chǎn)目的，一是向社會提供燃料油（汽油，柴油等），二是提供乙烯，苯，甲苯等基礎化工原料。三大支柱能源：石油第11頁/共50頁減壓蒸餾 加氫加氫裂化加氫重整FCC常壓蒸餾汽油煤油柴油潤滑油/瀝青/燃料油液化氣圖一第12頁/共50頁 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)為有機化合物）和釩、鎳金屬（賦存形式為絡合物）。一般來說，原油經(jīng)蒸餾或減壓蒸餾等物理過程，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13頁/共50頁 餾分 沸點范圍主要成分(以碳數(shù)計) 用途液化石油氣C4及以下汽

6、油150CC5-C8C5以下?lián)交斐善?，重餾分作重整原料煤油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14頁/共50頁 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油品進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網(wǎng)絡， 見圖。三大支柱能源：石油第15頁/共50頁 催化裂化的目的將減壓蒸餾后重餾分中的

7、長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)模使用的催化反應裝置（每年全世界處理量約有50億噸），一般稱FCC（流化床催化裂化），但現(xiàn)代煉廠采用的是全懸浮的流動床，以分子篩為催化劑。 三大支柱能源：石油第16頁/共50頁三大支柱能源：石油第17頁/共50頁三大支柱能源：石油時間交易價($)/桶時間交易價($)/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.

8、337.782007.880第18頁/共50頁三大支柱能源：石油法國石油價格超過法國石油價格超過1.51.5歐元歐元/ /升升第19頁/共50頁三大支柱能源：石油石油緊缺伊拉克私家車禁行石油緊缺伊拉克私家車禁行第20頁/共50頁三大支柱能源：煤第21頁/共50頁三大支柱能源：煤我國能源儲存分布圖我國能源儲存分布圖第22頁/共50頁三大支柱能源：煤第23頁/共50頁 煤中一般含碳60-70 wt%，其余為氫（5 wt%），有的含氧可高達20 wt%，其余為雜質(zhì)，主要是硫，氮和粉煤灰（2-7 wt%，優(yōu)質(zhì)煤）。由摩爾比看，煤的組成類似為CnHn，包括部分含氧化合物。三大支柱能源：煤第24頁/共50

9、頁 目前，全國發(fā)電裝機總容量約為2.2億千瓦，根據(jù)國家電力公司規(guī)劃，到2010年，將達5億千瓦，到2020年將達7億千瓦，其中，火力發(fā)電設備，90%以上仍是常規(guī)的燃煤蒸汽發(fā)電機組。隨著科學技術的進步，一些新的能源和新的燃煤發(fā)電技術將會在我國得到發(fā)展，如S863計劃將燃煤聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、加壓循環(huán)流化床（PFBC-CC）列為重點，973計劃中將煤直接氣化列為優(yōu)先支持項目等。 三大支柱能源：煤第25頁/共50頁 燃煤所造成的污染已成為制約我國國民經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，也已成為國際上，特別是周邊國家和地區(qū)對中國關注的熱點。如不采取有力的治理措施，這種局面將會加速惡化，這將直接關系到我

10、國12億人口的健康和16億畝耕地的保護以及國際關系等國家大計。三大支柱能源：煤第26頁/共50頁 世界上有幾個這樣的國家如中國，德國，南非，甚至可以包括美國，他們有豐富的煤蘊藏卻缺乏足夠的石油資源。在這些國家，煤資源的利用，不僅僅用作燃料，而希望同時作為化工原料，一直受到特別的重視。 煤可以經(jīng)水汽重整反應制得合成氣：CnHm + nH2O nCO + ( n+m)/2H2煤合成氣 第27頁/共50頁合成氣可以轉(zhuǎn)化為甲醇或者轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴燃料kJ/mol8 .90H OHCH,300Cu/ZnOH2CO32atmCkJ/mol200H OHHC,300catal. FeH) 12(CO222n2n

11、atmCnnn煤合成氣 ？第28頁/共50頁 甲醇是重要的化工原料，廣泛用于合成各種含氧化學品。近年來，甲醇摻燒汽油/甲醇制取甲基叔丁基醚(MTBE)等因其適應日趨嚴格的環(huán)保要求而受到很高重視。長遠看，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最有可能替代油氣資源，實現(xiàn)由煤制取液體燃料的有效途徑之一。煤合成氣甲醇 第29頁/共50頁 合成氣制甲醇歷經(jīng)90年的研究開發(fā)，目前已達到可與石油煉廠媲美的規(guī)模進行生產(chǎn)，日產(chǎn)20002500噸乃至萬噸的合成塔及配套技術已經(jīng)獲得工業(yè)應用。 總體上說，甲醇合成中催化技術已相當成熟。使用Cu/ZuO/Al2O3催化劑，反應條件溫和（270C,

12、 5 MPa），選擇性和產(chǎn)率都很高，催化劑壽命長，非常適合連續(xù)化生產(chǎn)的要求。煤合成氣甲醇 第30頁/共50頁 1922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)，這一過程后來被稱之為F-T Synthesis。CO + H2 CnH(2n+2)+ CnH2n + 2nH2O (H -200 KJ/mol)煤合成氣汽/柴油 第31頁/共50頁 F-T合成是研究得最多也最廣泛的催化反應之一，但迄今機理仍不清楚。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。因此，F(xiàn)-T合

13、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32頁/共50頁 餾分固定床攜帶床C5-C11C11-C18C5-C10C11-C18 烯 50 40 70 60 烷 45 55 13 15 含氧 5 5 12 10 芳香烴 - - 5 15煤合成氣汽/柴油 第33頁/共50頁Schulz-Flory分布充分顯示了平行反應間和串聯(lián)反應間的互相制約：這些反應發(fā)生時所需

14、要的條件包括催化劑上的“活性位” 都太相似了。通過這些活性位將CHX添加到長碳鏈或短碳鏈上應該說沒有什么區(qū)別，只取決于活性位周圍底物“出現(xiàn)”的幾率，而Schulz-Flory-Anderson分布似乎正反映了反應底物在眾多活性位周圍“隨機”分布的結果。煤合成氣汽/柴油 第34頁/共50頁煤合成氣汽/柴油 第35頁/共50頁煤合成氣汽/柴油 第36頁/共50頁油品的污染主要來自燃燒過程中生成的NOX, 即 N2 + O2 NO2 + NO第37頁/共50頁而 煤 的 利 用 迄 今仍 沒 有 實 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

15、 身 固 有 的 硫和氮(以NOX/SO2的形式)等釋放出來, 還在燃 燒 中 生 成 了 大量 的 N OX和 粉 煤灰. 以燃煤電廠為例, 主要污染物的濃度見表.NO 400 - 700 ppmNO2 2 - 5 ppmSO2 500 - 2000 ppm SO3 2 - 20 ppm CO2 10 - 12%Dust 5 - 20 mg/m310 - 20 g/m3 H2O 6 - 8%O2 4 - 5%第38頁/共50頁 反應: 4 NH3 + 4 NO + O2 4 N2 + 6 H2O (使用氨水或尿素溶液為還原劑) 催化劑: Al2O3, TiO2, SiO2, 分子篩擔載的鐵,

16、鉻,釩催化劑,典型體系V2O5/TiO2, 兼有良好的抗硫性能 對比: 車用DeNOX過程則采用烴類, CO為還原 劑 , 使 用 由 P t , Pd 貴 金 屬 組 成 的 三 元(three-way catalyst, TWC)催化劑.第39頁/共50頁第40頁/共50頁第41頁/共50頁 催化脫硫催化脫硫的設計思想可分氧化和還原兩條路線，其中還原路線又可分為還原或深度還原。根據(jù)對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，直接對煙氣進行處理。總體設計網(wǎng)絡示于下圖。第42頁/共50頁觀點觀點(1)：脫硫，科學上沒問題第43頁/共50頁觀點(2)：脫硫，技術

17、上沒問題第44頁/共50頁觀點觀點(3)： 電廠的成本空間有限 在中國，缺水是大問題 周而復始的長期運轉(zhuǎn) 解決辦法：價廉易得可棄置體系第45頁/共50頁大量刊登催化研究最新進展的期刊Nature/ScienceChem. Rev./Acc. Chem. Res.J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed.J. Catal./Chem. Commun./J. Phys. Chem./ Catal. TodayAppl. Catal./J. Mol. Catal./ Catal. Lett./ Topic Catal.催化學報C&E News/Chemistry World/SYNFACTS第46頁/共50頁國家項目國家重點基礎研究規(guī)劃（國家重點基礎研究規(guī)劃（973973）國家高技術研究發(fā)展計劃（國家高技術研究發(fā)展計劃（86386