第六章 未来能源和燃料工业用催化技术与应用.ppt
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- 第六章 未来能源和燃料工业用催化技术与应用 第六 未来 能源 燃料工业 催化 技术 应用
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1、2023-5-91第六章 未来能源和燃料工业用催化技术 能源是社会经济和人民生活的物质基础,对于社会的经能源是社会经济和人民生活的物质基础,对于社会的经济发展和人民生活水平提高极为重要。济发展和人民生活水平提高极为重要。世界世界进入工业化时代以来,能源消耗的主要构成为煤炭、进入工业化时代以来,能源消耗的主要构成为煤炭、石油和天然气,都属于化石能源,是不可再生能源,是不洁石油和天然气,都属于化石能源,是不可再生能源,是不洁净能源,尤其是煤炭,燃烧会产生大量的烟尘、净能源,尤其是煤炭,燃烧会产生大量的烟尘、SOx、COx和和NOx,造成大气污染,破坏臭氧层,引起一系列大气坏境,造成大气污染,破坏臭
2、氧层,引起一系列大气坏境问题,更重要的是危害人的身体健康。问题,更重要的是危害人的身体健康。我国我国是世界上的能源消耗大国,其消耗量仅次于美国,是世界上的能源消耗大国,其消耗量仅次于美国,居世界第二。我国的能源结构是富煤少气缺油。居世界第二。我国的能源结构是富煤少气缺油。2023-5-92能源、能源载体和转换路线 能源工业的建设和发展应该减少和逐步消除对石油及化能源工业的建设和发展应该减少和逐步消除对石油及化石能源的依赖,增加应用可持续发展供给、环境友好且可再石能源的依赖,增加应用可持续发展供给、环境友好且可再生的能源,如生物质能、风能、太阳能等。生的能源,如生物质能、风能、太阳能等。变更了能
3、源则需要能源的载体及有利于电站和交通车辆变更了能源则需要能源的载体及有利于电站和交通车辆的能源运输。石油加工产品具有较高的能量密度,较难取代。的能源运输。石油加工产品具有较高的能量密度,较难取代。天然气含氢较多,在化石能源中较之煤和石油对环境造成得天然气含氢较多,在化石能源中较之煤和石油对环境造成得影响要小很多,属于较清洁能源。但资源产地距离用户较远,影响要小很多,属于较清洁能源。但资源产地距离用户较远,需长距离管网输送,投资大,还要转换成液态燃料利用。需长距离管网输送,投资大,还要转换成液态燃料利用。2023-5-93能源转换 能源转换是为了提高能源效率,降低乃至消除对环境的能源转换是为了提
4、高能源效率,降低乃至消除对环境的冲击。变更能源路线,催化技术将具有重要的作用。冲击。变更能源路线,催化技术将具有重要的作用。多种能源都可以转换成热能,但效率是最低的。多种能源都可以转换成热能,但效率是最低的。对于电站和燃料电池动力装置,均可输出电能,能效较对于电站和燃料电池动力装置,均可输出电能,能效较高。高。热电站通过气体透平的转换,燃料电池通过电催化转换,热电站通过气体透平的转换,燃料电池通过电催化转换,对能源有一定限制。对能源有一定限制。机动车用能源通过内燃机或燃料电池转换,要促进内燃机动车用能源通过内燃机或燃料电池转换,要促进内燃机的效率。机的效率。能源路线的转换要从能源的效率、环境冲
5、击和技术经济能源路线的转换要从能源的效率、环境冲击和技术经济等多方面综合平衡分析。等多方面综合平衡分析。2023-5-94环境对能源开发的制约 发展循环经济要求经济活动按自然生态系统的模式组成发展循环经济要求经济活动按自然生态系统的模式组成资资源产品资源再生源产品资源再生的物质循环流动过程。根据环保的制约的物质循环流动过程。根据环保的制约和经济可持续发展的要求,能源的发展必然要用清洁能源和和经济可持续发展的要求,能源的发展必然要用清洁能源和可再生能源替代煤炭、石油和天然气这些化石能源。可再生能源替代煤炭、石油和天然气这些化石能源。2023-5-95资源对能源开发的制约 根据美国能源机构预测,全
6、球已确知的石油储量可供使根据美国能源机构预测,全球已确知的石油储量可供使用用42年左右,天然气约年左右,天然气约67年,煤炭约年,煤炭约200年。从资源的角度年。从资源的角度看,仅依靠以石油为主的化石资源存在生态上看,仅依靠以石油为主的化石资源存在生态上“断炊断炊”的风的风险。所以能源的变更迫在眉睫。险。所以能源的变更迫在眉睫。2023-5-96发展清洁能源 所谓清洁能源是指不污染环境的能源,也是指可再生的所谓清洁能源是指不污染环境的能源,也是指可再生的能源,包括太阳能、风能、生物质能、地热能以及潮汐能等。能源,包括太阳能、风能、生物质能、地热能以及潮汐能等。这些能源消耗之后可以恢复补充,不产
7、生生态环境的污染物,这些能源消耗之后可以恢复补充,不产生生态环境的污染物,被认为是未来理想能源的基础。被认为是未来理想能源的基础。未来能源工业发展的事态还要看经济成本、环境和科技未来能源工业发展的事态还要看经济成本、环境和科技创新这三方面的共同促进。创新这三方面的共同促进。清洁能源从广义和现实可行的角度来说,低污染的天然清洁能源从广义和现实可行的角度来说,低污染的天然气、利用洁净技术处理过的洁净煤都属于此类。特别是在我气、利用洁净技术处理过的洁净煤都属于此类。特别是在我国,以煤炭为主的能源结构将会长期存在,大力发展天然气国,以煤炭为主的能源结构将会长期存在,大力发展天然气能源和洁净煤技术具有重
8、要意义。能源和洁净煤技术具有重要意义。2023-5-97经洁净技术处理的清洁能源 石油加工的汽油和柴油是绝好的交通用液体燃料,由于石油加工的汽油和柴油是绝好的交通用液体燃料,由于环保的要求需要净化处理,世界上许多国家在炼油工业加快环保的要求需要净化处理,世界上许多国家在炼油工业加快了油品升级换代和生产清洁燃料工艺的研究开发。了油品升级换代和生产清洁燃料工艺的研究开发。第一步是采用配方汽油,它首先是无铅的。为了满足环第一步是采用配方汽油,它首先是无铅的。为了满足环保要求对配方汽油中的芳烃、烯烃、氧化物含量、相对蒸汽保要求对配方汽油中的芳烃、烯烃、氧化物含量、相对蒸汽压、硫化物允许量等都有严格而明
9、确的规定。这给传统的炼压、硫化物允许量等都有严格而明确的规定。这给传统的炼油工艺带来重大影响,对所需的催化剂性能及其操作条件提油工艺带来重大影响,对所需的催化剂性能及其操作条件提出了新的要求。出了新的要求。天然气合成石油或液体燃料为生产清洁汽油柴油提供了天然气合成石油或液体燃料为生产清洁汽油柴油提供了良好的前景。这种合成油品不含硫、氮、重金属杂质和芳烃,良好的前景。这种合成油品不含硫、氮、重金属杂质和芳烃,属于清洁燃料,完全符合现代发动机的严格要求。其技术路属于清洁燃料,完全符合现代发动机的严格要求。其技术路线是先将天然气转化成合成气,再经线是先将天然气转化成合成气,再经F FT T合成变成油
10、品或经合成变成油品或经改进的中间馏出物合成路线变成油品。改进的中间馏出物合成路线变成油品。2023-5-98天然气能源 天然气资源比石油丰富,分布广。作为能源使用,价天然气资源比石油丰富,分布广。作为能源使用,价格低,燃烧排放污染物少,是较为现实的能源选择。格低,燃烧排放污染物少,是较为现实的能源选择。压缩天然气(压缩天然气(CNG)作为汽车燃料很好,)作为汽车燃料很好,比较环保比较环保。与燃油车相比尾气排放与燃油车相比尾气排放NOx下降约下降约40,CO2下降约下降约25,CO下降约下降约80,碳氢化合物下降,碳氢化合物下降9。1m3天然气约相当于天然气约相当于1.1L汽油。使用天然气比汽油
11、费用节省汽油。使用天然气比汽油费用节省40,维修保养费,维修保养费节省节省50。CNG汽车的汽车的安全性能较传统的燃油车要好安全性能较传统的燃油车要好,因,因为天然气比空气轻,如泄漏能很快扩散,天然气比汽油燃为天然气比空气轻,如泄漏能很快扩散,天然气比汽油燃点高点高110,爆炸极限比汽油高,爆炸极限比汽油高4倍多。一个钢瓶的气量一倍多。一个钢瓶的气量一般为般为1016m3,不会在空气中大量聚集,引起火灾。其,不会在空气中大量聚集,引起火灾。其主要主要缺点是:需要笨重的燃料箱;修建公共燃料站的代价高昂;缺点是:需要笨重的燃料箱;修建公共燃料站的代价高昂;行程短于汽油车。行程短于汽油车。2023-
12、5-99天然气能源 液化天然气(液化天然气(LNG)是与)是与CNG本质上相同的能源,所不本质上相同的能源,所不同的是同的是CNG采用加压办法使其体积缩小来储存输送,采用加压办法使其体积缩小来储存输送,LNG则则采用冷却液化的方法使其变为液体进行储存输送。采用冷却液化的方法使其变为液体进行储存输送。目前世界上最大的出口基地是印尼,每年出口目前世界上最大的出口基地是印尼,每年出口2000万吨,万吨,中东的卡塔尔拥有世界最大的天然气田,储量高达中东的卡塔尔拥有世界最大的天然气田,储量高达6.79万亿万亿m3。我国的天然气能源工业起步较晚,到我国的天然气能源工业起步较晚,到20世纪末只占一次世纪末只
13、占一次能源消耗的能源消耗的23,2010年天然气能源达年天然气能源达78。2023-5-910天然气转化 天然气转化的第一步是制成合成气,再通过催化技术天然气转化的第一步是制成合成气,再通过催化技术转化成甲醇或二甲醚,还可以进一步制成汽油、柴油等液转化成甲醇或二甲醚,还可以进一步制成汽油、柴油等液体燃料。国际上天然气甲醇装置的规模体燃料。国际上天然气甲醇装置的规模20世纪末为世纪末为90100万吨年,进入万吨年,进入21世纪趋向更加超大型化。我国天然气甲世纪趋向更加超大型化。我国天然气甲醇装置最大为醇装置最大为10万吨年,能耗高,与国际水平相差较大。万吨年,能耗高,与国际水平相差较大。2023
14、-5-911甲醇汽车 在环保指标方面,甲醇汽车明显优于汽油车,在环保指标方面,甲醇汽车明显优于汽油车,CO排放排放量降低量降低90,烃类排放量降低,烃类排放量降低70左右。但在甲醇燃料品左右。但在甲醇燃料品质、燃料电喷系统的专用配件、甲醇汽车非常规排放物的质、燃料电喷系统的专用配件、甲醇汽车非常规排放物的治理方面尚需进一步完善。治理方面尚需进一步完善。2023-5-912二甲基醚车用燃料 二甲基醚可作为甲醇燃料的间接利用,这是目前世界上普二甲基醚可作为甲醇燃料的间接利用,这是目前世界上普遍看好的超洁净车用燃料,各国都在大力发展它的生产和使遍看好的超洁净车用燃料,各国都在大力发展它的生产和使用技
15、术,具有以下优点:用技术,具有以下优点:可以由天然气和煤制取,具有广泛的可获得性。可以由天然气和煤制取,具有广泛的可获得性。超清洁。目前我国汽车尾气排放基本实施欧超清洁。目前我国汽车尾气排放基本实施欧标准,标准,DME多项排放指标远低于欧多项排放指标远低于欧标准,被誉为标准,被誉为“21世纪的绿色燃世纪的绿色燃料料”。具有良好的替代性。作为民用燃料,具有良好的替代性。作为民用燃料,DME与与LPG在物理在物理性质上极为相似,完全可利用现有的性质上极为相似,完全可利用现有的LPG运输分配与储存设运输分配与储存设备;作为车用燃料,可以替代柴油。而在我国成品油中,备;作为车用燃料,可以替代柴油。而在
16、我国成品油中,LPG和柴油的缺口最大,因此和柴油的缺口最大,因此DME对于我国资源利用和环境对于我国资源利用和环境保护的协调发展具有重要意义。保护的协调发展具有重要意义。DME的传统生产技术是两步法,即由合成气合成甲醇,的传统生产技术是两步法,即由合成气合成甲醇,再脱水制得再脱水制得DME,其成本高于甲醇。先进的一步法是由合成,其成本高于甲醇。先进的一步法是由合成气直接转化生成气直接转化生成DME,可大大降低成本。,可大大降低成本。2023-5-913氢能与氢经济 传统的电力生产采用热化学方法,将化石燃料高温燃烧获传统的电力生产采用热化学方法,将化石燃料高温燃烧获得热能,再经热机转换为电能,效
17、率低且污染严重。得热能,再经热机转换为电能,效率低且污染严重。有两种解决办法:一是不使用化石燃料,即使用不含碳的有两种解决办法:一是不使用化石燃料,即使用不含碳的燃料,如氢;二是改高温燃烧为低温燃烧,如燃料电池,特燃料,如氢;二是改高温燃烧为低温燃烧,如燃料电池,特别是低温燃料电池(离子交换膜式燃料电池),氢是最佳燃别是低温燃料电池(离子交换膜式燃料电池),氢是最佳燃料。料。氢燃烧时变成氢燃烧时变成H2O,不污染环境,热效率高;在电化学燃,不污染环境,热效率高;在电化学燃烧时热效率更高。氢的储存运输性能好,用途多样化,既可烧时热效率更高。氢的储存运输性能好,用途多样化,既可产电又可产热,还可直
18、接得到动力,被认为是产电又可产热,还可直接得到动力,被认为是21世纪理想的世纪理想的能源。氢能与多类能源的转换性能好,被称为能源。氢能与多类能源的转换性能好,被称为“能源货能源货币币”。氢可作为多种能源的储存介质,用于储能,使能源得。氢可作为多种能源的储存介质,用于储能,使能源得到充分利用。到充分利用。2023-5-914氢的生产 通过天然气水蒸气重整是获得大量廉价氢的主要途径。通过天然气水蒸气重整是获得大量廉价氢的主要途径。重整气要求氢含量高,对重整气要求氢含量高,对CO的限制非常严格。因为燃的限制非常严格。因为燃料电池电极多是铂,很容易受料电池电极多是铂,很容易受CO毒化,失去催化活性,一
19、毒化,失去催化活性,一般要求般要求H2含量达含量达90以上,以上,CO含量不超过含量不超过2,故重整反,故重整反应系统的设计和控制要特别注意此点。应系统的设计和控制要特别注意此点。日本学者研究成功了离子膜式电解水制氢,效率高达日本学者研究成功了离子膜式电解水制氢,效率高达95以上,使电制氢效率大大提高,使多种电能均可制成氢以上,使电制氢效率大大提高,使多种电能均可制成氢贮存或直接使用。大量生物质均可制氢,工农业副产品也贮存或直接使用。大量生物质均可制氢,工农业副产品也可制氢,尤其是生物质制氢特别适合于发展中国家。可制氢,尤其是生物质制氢特别适合于发展中国家。2023-5-915贮氢、输氢 贮氢
20、、输氢是发展氢能技术的关键之一,早期的高压贮氢、输氢是发展氢能技术的关键之一,早期的高压贮氢或液化贮氢都是危险且成本高的方法。新近国际上发贮氢或液化贮氢都是危险且成本高的方法。新近国际上发展了贮氢材料,如高容量的金属氢化物、纳米级石墨纤维、展了贮氢材料,如高容量的金属氢化物、纳米级石墨纤维、特种活性炭、有机氢化物贮氢等,目前均有一定进展,使特种活性炭、有机氢化物贮氢等,目前均有一定进展,使低成本、高效、安全贮氢成为可能。低成本、高效、安全贮氢成为可能。2023-5-916金属氢化物贮氢 氢原子贮存在金属晶格间隙,以氢化物形态存在,极具安氢原子贮存在金属晶格间隙,以氢化物形态存在,极具安全性与经
21、济性。在冷却或加压时吸入氢气,与金属形成氢化全性与经济性。在冷却或加压时吸入氢气,与金属形成氢化物,此过程为放热反应;当加热或减压时氢化物分解成金属物,此过程为放热反应;当加热或减压时氢化物分解成金属和氢气,此过程为吸热反应,此类金属和氢化物都是可再充和氢气,此过程为吸热反应,此类金属和氢化物都是可再充气式的。气式的。目前开发的制氢材料分为三类:钛系(目前开发的制氢材料分为三类:钛系(Ti-FeTi-Fe、Ti-Ti-MnMn)、)、镁系(如镁系(如Mg-NiMg-Ni)、稀土金属系(如)、稀土金属系(如La-NiLa-Ni)等。)等。金属氢化物贮氢有三种方式:一是以氢气贮存,易于输送金属氢化
22、物贮氢有三种方式:一是以氢气贮存,易于输送和使用;二是以电化学能贮存,利用阴极金属的电化学作用和使用;二是以电化学能贮存,利用阴极金属的电化学作用使其成为金属氢化物,逆过程即进行放电;三是以热能形式使其成为金属氢化物,逆过程即进行放电;三是以热能形式贮存,太阳能或其他热能均能供氢化物分解所需的焓值,释贮存,太阳能或其他热能均能供氢化物分解所需的焓值,释放出的氢可用作压缩气体。放出的氢可用作压缩气体。2023-5-917氢经济 许多国家将氢能的利用提上议事日程,优先在财政上给许多国家将氢能的利用提上议事日程,优先在财政上给与高额支持,竞争极为激烈。我国政府非常重视氢能的发展。与高额支持,竞争极为
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