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1、现代化工技术选讲-能源科学与化学工程能源科学与化学工程季季 生生 福福 教 授 Email：Tel:64419619无机楼 324北京化工大学化工学院化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 化工资源有效利用国家重点实验室 1主要内容n能源对国家安全的重要性能源对国家安全的重要性n我国能源的我国能源的结构和方针、政策结构和方针、政策n我国能源的研究现状我国能源的研究现状n能源与化工过程的关系能源与化工过程的关系n能源化工的一些研究实例能源化工的一些研究实例n能源化工的一些研究方向能源化工的一些研究方向 化工资源有效利用国家重点实验室 2能源对国家安全的重要性 化石化石能源能
2、源不可再生，资源有限，全球能源安不可再生，资源有限，全球能源安全问题越来越突出全问题越来越突出 到到20032003年全球化石能源探明可采储量：煤炭年全球化石能源探明可采储量：煤炭为为9844.539844.53亿吨、石油为亿吨、石油为14381438亿吨、天然气为亿吨、天然气为164164万亿立方米万亿立方米 化工资源有效利用国家重点实验室 3能源对国家安全的重要性 中国煤炭储量为中国煤炭储量为18001800多亿吨、石油为多亿吨、石油为2424亿吨、天亿吨、天然气为然气为2.22.2万亿立方米，分别占世界储量的万亿立方米，分别占世界储量的18.2%18.2%、1.6%1.6%和和1.3%1
3、.3%中国人口多，人均资源不足，人均煤炭探明可采中国人口多，人均资源不足，人均煤炭探明可采储量大约为世界平均值的储量大约为世界平均值的1/21/2，石油大约为，石油大约为1/10,1/10,天然天然气大约为气大约为1/201/20，因此，因此，能源安全对我国非常重要能源安全对我国非常重要.化工资源有效利用国家重点实验室 4我国能源的结构和方针、政策 我国的能源结构：我国的能源结构：煤炭、石油和天然气为主体，其它能源煤炭、石油和天然气为主体，其它能源为辅。为辅。化工资源有效利用国家重点实验室 5我国能源的结构和方针、政策 我国的能源方针、政策：我国的能源方针、政策：因地制宜，多能互补，开发和节约
4、并举。因地制宜，多能互补，开发和节约并举。化工资源有效利用国家重点实验室 6我国能源的研究现状q 煤炭：直接作为燃料发电等。存在问题：能量转煤炭：直接作为燃料发电等。存在问题：能量转化效率较低，环境污染严重。重点研究：高效转化效率较低，环境污染严重。重点研究：高效转化技术及脱硫、脱硝。化技术及脱硫、脱硝。-煤炭高效转化技术：直接和间接液化制燃料油；煤炭高效转化技术：直接和间接液化制燃料油；-脱硫、脱硝：污染控制及消除。脱硫、脱硝：污染控制及消除。化工资源有效利用国家重点实验室 7我国能源的研究现状q 石油：液体燃料油和化学品。重点研究：石油：液体燃料油和化学品。重点研究：高效优化转化技术，包括
5、新反应技术和高效优化转化技术，包括新反应技术和工艺过程。工艺过程。化工资源有效利用国家重点实验室 8我国能源的研究现状q天然气：直接作为燃料和催化转化制化天然气：直接作为燃料和催化转化制化学品。重点研究：高效催化转化技术和学品。重点研究：高效催化转化技术和工艺过程。工艺过程。化工资源有效利用国家重点实验室 9我国能源的研究现状q 泥煤、油页岩、油砂、天然气水合物泥煤、油页岩、油砂、天然气水合物（可燃冰）等（可燃冰）等（潜在的燃料和化学品原料）（潜在的燃料和化学品原料）化工资源有效利用国家重点实验室 10我国能源的研究现状水电能：提供电能。水电能：提供电能。太阳能：主要是聚热直接利用。重点研太阳
6、能：主要是聚热直接利用。重点研究：高转换效率、低成本太阳能电池，究：高转换效率、低成本太阳能电池，太阳能化学转化制氢等。太阳能化学转化制氢等。核能、风能、地热能、潮汐能等：所占核能、风能、地热能、潮汐能等：所占份额较少。份额较少。化工资源有效利用国家重点实验室 11我国能源的研究现状生物质能：直接作为燃料。重点研究：生物质能：直接作为燃料。重点研究：生物柴油、发酵制沼气、制氢。潜在的生物柴油、发酵制沼气、制氢。潜在的燃料和化学品原料。燃料和化学品原料。氢能：清洁能源，燃料电池能源等。氢能：清洁能源，燃料电池能源等。化工资源有效利用国家重点实验室 12主要的化石一次主要的化石一次能源：能源：煤炭
7、煤炭石油石油天然气天然气泥煤泥煤油页岩油页岩油砂油砂天然气水合物天然气水合物（可燃冰）可燃冰）等等化工过程主要的非化石一次主要的非化石一次能源：能源：水电、风能、水电、风能、潮汐能潮汐能 等等能源转换能源转换次级能源（热、电、机械次级能源（热、电、机械能、氢、燃料电池等）能、氢、燃料电池等）太阳能太阳能生物质能生物质能核能核能地热能地热能等等能源与化工过程的关系 化工资源有效利用国家重点实验室 13 可见：各类能源转换过程中，都涉及到化工过程可见：各类能源转换过程中，都涉及到化工过程的原理及其工艺过程。的原理及其工艺过程。为了提高这些用能过程的效率，减少环境污染，为了提高这些用能过程的效率，减
8、少环境污染，必须开发高效、洁净的能量转化技术、高效传热技必须开发高效、洁净的能量转化技术、高效传热技术、高效节能材料与技术，以及能源生产与利用的术、高效节能材料与技术，以及能源生产与利用的系统工程技术。系统工程技术。这样，就形成了这样，就形成了能源与化工的交叉学科：能源化能源与化工的交叉学科：能源化工科学与技术。工科学与技术。能源与化工过程的关系 化工资源有效利用国家重点实验室 14能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q 煤直接液化制燃料油煤直接液化制燃料油 煤煤 水煤浆水煤浆 燃料油（汽油、柴油）燃料油（汽油、柴油）已完成大型冷模试验（反应器内径已完成大型冷模试验（反应器内径 1
9、 1米米，高高 9 9米）米）化工资源有效利用国家重点实验室 15能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q 煤直接液化制燃料油冷模实验装置：煤直接液化制燃料油冷模实验装置：1-空气压缩机；空气压缩机；2-缓冲罐；缓冲罐；3-涡街流量计；涡街流量计；4-混合器；混合器；5-分布器；分布器；6-三想流化床反三想流化床反应器；应器；7-收集杯；收集杯；8-浆料罐；浆料罐；9-新鲜浆泵；新鲜浆泵；10-循环浆泵；循环浆泵；11、12-电磁流电磁流量计量计 化工资源有效利用国家重点实验室 16能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q 煤间接转化制燃料油和化学品煤间接转化制燃料油和化学
10、品 CO +H2 CH3OH Hydrocarbons Fine Chemicals NH3 Higher Alcohols Fuels/Fuel Additives H2 CO 化工资源有效利用国家重点实验室 17能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q 煤间接转化制燃料油煤间接转化制燃料油(煤变油煤变油).).合成气（合成气（COCOH H2 2）燃料油（汽油、柴油）燃料油（汽油、柴油）F-TF-T合成合成制备方法变油催化剂一氧化碳转化率碳5以上选择性烯/烷比工业最好催化剂在205oC和30大气压及空速为850h-1时为55%88%0.5新型催化剂在192oC和30大气压及空速为
11、1250h-1时为67%92.5%2 化工资源有效利用国家重点实验室 18能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q 清洁燃料研究清洁燃料研究 C4（异丁烷与丁烯）烷基化反应生产高辛烷值清洁汽油组分（三甲基异丁烷与丁烯）烷基化反应生产高辛烷值清洁汽油组分（三甲基戊烷：戊烷：TMP），），是炼油厂中的重要加工过程之一。工业烷基化采用浓是炼油厂中的重要加工过程之一。工业烷基化采用浓硫酸或氢氟酸为催化剂，存在腐蚀、危险、酸渣处理、能耗大等问题硫酸或氢氟酸为催化剂，存在腐蚀、危险、酸渣处理、能耗大等问题.CH3-CH2-CH3+CH2=CH-CH2-CH3 CH3-CH-CH-CH-CH3 超
12、重力条件下，离子液体催化超重力条件下，离子液体催化C4烷基化反应，烷基化油中烷基化反应，烷基化油中C8组分和组分和C8中中TMP含量明显提高，结果达到甚至超过工业硫酸法水平含量明显提高，结果达到甚至超过工业硫酸法水平.烷基化油烷基化油辛烷值（辛烷值（RON）达到达到93以上，为无硫、高辛烷值清洁汽油组分油以上，为无硫、高辛烷值清洁汽油组分油CH3CH3CH3CH3 化工资源有效利用国家重点实验室 19能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例超重力离子液体催化烷基化反应装置：超重力离子液体催化烷基化反应装置：化工资源有效利用国家重点实验室 20能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究
13、实例催化剂烷基化油组成C8中TMP/DMHC5C7(%)C8(%)C9(%)超重力1#15.769.814.512.93超重力2#14.669.515.914.23工业硫酸法12.272.115.77.7 化工资源有效利用国家重点实验室 21能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q 天然气催化转化制化学品、制燃料油、制氢天然气催化转化制化学品、制燃料油、制氢 CHCH4 4 C C2 2H H4 4,C,C2 2H H6 6,低碳烃等低碳烃等 CH CH4 4（部分氧化，水蒸气重整，干气重整）制合成气部分氧化，水蒸气重整，干气重整）制合成气 CHCH4 41/2O1/2O2 2 CO
14、+2HCO+2H2 2 CH CH4 4H H2 2O CO+3HO CO+3H2 2 CH CH4 4COCO2 2 2CO+2H2CO+2H2 2 催化转化催化转化 化工资源有效利用国家重点实验室 22能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例 酶法酶法生物柴油生物柴油 生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的生物柴油是指植物油与甲醇进行酯交换制造的脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料，生物柴油脂肪酸甲酯，是一种洁净的生物燃料，生物柴油的生产可以减少石油的消耗的生产可以减少石油的消耗 化工资源有效利用国家重点实验室 23能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例 生物质制合成气、制
15、氢、制化学品生物质制合成气、制氢、制化学品 生物质生物质是指由光合作用而产生的各种有机体。是指由光合作用而产生的各种有机体。据估计地据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达球上每年植物光合作用固定的碳达2x102x101111t t，含能量达含能量达3x103x102121J J C C6 6H H1212O O6 6COCOH H2 2 C C6 6H H1212O O6 6CHCH3 3OHOH，C C2 2H H5 5OHOH催化剂催化剂 化工资源有效利用国家重点实验室 24能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例 秸秆发酵然后制合成气、制氢秸秆发酵然后制合成气、制氢 秸秆（纤维素
16、秸秆（纤维素）CHCH4 4（6666）COCO2 2（3333）CHCH4 4COCO2 2 2CO2CO2H2H2 2厌氧菌厌氧菌催化剂催化剂 化工资源有效利用国家重点实验室 25能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例 城市生活垃圾发酵然后制合成气、制氢城市生活垃圾发酵然后制合成气、制氢 生活垃圾（有机物）生活垃圾（有机物）CHCH4 4(66(66)COCO2 2(33(33）CHCH4 4COCO2 2 2CO2CO2H2H2 2微生物微生物催化剂催化剂 化工资源有效利用国家重点实验室 26能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例q化工化工-动力多联产及节能技术；动力
17、多联产及节能技术；q与能源技术相关的化工过程强化；与能源技术相关的化工过程强化；q过程系统能量集成及其模拟、仿真过程系统能量集成及其模拟、仿真.化工资源有效利用国家重点实验室 27能源与化工的一些研究实例能源与化工的一些研究实例燃料电池及相关材料燃料电池及相关材料 燃料电池是一种电化学的发电装置。它不同于常规意燃料电池是一种电化学的发电装置。它不同于常规意义上的电池。其主要原理是：燃料电池等温地按电化学方义上的电池。其主要原理是：燃料电池等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程，因此不式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高（受卡诺循
18、环的限制，能量转化效率高（40406060）；几乎）；几乎不产生不产生NOxNOx和和SOxSOx的排放。而且，的排放。而且，COCO2 2的排放量也比常规发电的排放量也比常规发电厂减少厂减少4040以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发倍受各国的重视，被认为是技术的研究和开发倍受各国的重视，被认为是2121世纪首选世纪首选的洁净、高效的发电技术。的洁净、高效的发电技术。化工资源有效利用国家重点实验室 28能源与化工的一些研究方向能源与化工的一些研究方向固固体体化化石石能能源源转转化化科科学学与与技技术术煤直接转化制燃料油和化学品煤直接
19、转化制燃料油和化学品煤间接转化制燃料油和化学品煤间接转化制燃料油和化学品固体化石固体化石能源高效多层次综合利用能源高效多层次综合利用的科学与技术的科学与技术 化工资源有效利用国家重点实验室 29能源与化工的一些研究方向能源与化工的一些研究方向清洁燃料及油品脱硫脱氮清洁燃料及油品脱硫脱氮基于一碳化学的能源技术（气变油）基于一碳化学的能源技术（气变油）油油气气化化石石能能源源转转化化科科学学与与技技术术天然气催化转化制合成气、制氢天然气催化转化制合成气、制氢 化工资源有效利用国家重点实验室 30能源与化工的一些研究方向能源与化工的一些研究方向生物柴油生物柴油(酶法、化学法酶法、化学法)生物质制合成
20、气、制氢生物质制合成气、制氢(催化法、催化法、发酵法发酵法)生活垃圾发酵制合成气、制氢生活垃圾发酵制合成气、制氢非非化化石石能能源源科科学学与与技技术术 化工资源有效利用国家重点实验室 31能源与化工的一些研究方向能源与化工的一些研究方向过程系统能量集成及相关研究过程系统能量集成及相关研究与能源技术相关化工过程强化与能源技术相关化工过程强化节能与热能综合利用（高效低温差节能与热能综合利用（高效低温差传热、热泵、蓄能技术与装备等）传热、热泵、蓄能技术与装备等）节节能能技技术术与与能能源源系系统统工工程程 化工资源有效利用国家重点实验室 32能源与化工的一些研究方向能源与化工的一些研究方向能能源源
21、材材料料科科学学与与技技术术燃料电池及相关研究燃料电池及相关研究清洁、高效新能源材料及技术清洁、高效新能源材料及技术储氢、储天然气及其它蓄能材料储氢、储天然气及其它蓄能材料 化工资源有效利用国家重点实验室 33结论：结论：在各类能源的获得的转换过程中，都涉及到化工过在各类能源的获得的转换过程中，都涉及到化工过程的原理及其工艺过程。程的原理及其工艺过程。为了提高这些用能过程的效率，减少环境污染，必为了提高这些用能过程的效率，减少环境污染，必须开发高效、洁净的能量转化技术、高效传热技术、须开发高效、洁净的能量转化技术、高效传热技术、高效节能材料与技术，以及能源生产与利用的系统高效节能材料与技术，以及能源生产与利用的系统工程技术。工程技术。能源与化工的交叉学科：能源化工科学与技术的形能源与化工的交叉学科：能源化工科学与技术的形成。成。化工资源有效利用国家重点实验室 34