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1、现代化工技术选讲-能源科学与化学工程,季 生 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,主要内容,能源对国家安全的重要性我国能源的结构和方针、政策我国能源的研究现状能源与化工过程的关系能源化工的一些研究实例能源化工的一些研究方向,能源对国家安全的重要性,化石能源不可再生，资源有限，全球能源安全问题越来越突出 到2003年全球化石能源探明可采储量：煤炭为9844.53亿吨、石油为1438亿吨、天然气为164万亿立方米,能源对国家安全的重要性,中国煤炭储量为1800多亿吨、石油为24亿吨、天然气为2.2万亿立方米，分别占世界
2、储量的18.2%、1.6%和1.3%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1/2，石油大约为1/10,天然气大约为1/20，因此，能源安全对我国非常重要.,我国能源的结构和方针、政策,我国的能源结构：煤炭、石油和天然气为主体，其它能源为辅。,我国能源的结构和方针、政策,我国的能源方针、政策：因地制宜，多能互补，开发和节约并举。,我国能源的研究现状,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；-脱硫、脱硝：污染控制及消除。,我国能源的研究现状,石油：液体燃料油和化学品
3、。重点研究：高效优化转化技术，包括新反应技术和工艺过程。,我国能源的研究现状,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工艺过程。,我国能源的研究现状,泥煤、油页岩、油砂、天然气水合物（可燃冰）等（潜在的燃料和化学品原料）,我国能源的研究现状,水电能：提供电能。太阳能：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，太阳能化学转化制氢等。核能、风能、地热能、潮汐能等：所占份额较少。,我国能源的研究现状,生物质能：直接作为燃料。重点研究：生物柴油、发酵制沼气、制氢。潜在的燃料和化学品原料。氢能：清洁能源，燃料电池能源等。,主要的化石一次能源：煤炭石油天然气泥
4、煤油页岩油砂天然气水合物（可燃冰）等,化工过程,主要的非化石一次能源：水电、风能、潮汐能 等,能源转换,能源转换,次级能源（热、电、机械能、氢、燃料电池等）,太阳能生物质能核能地热能等,能源与化工过程的关系,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。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、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。这样，就形成了能源与化工的交叉学科：能源化工科学与技术。,能源与化工过程的关系,能源与化工的一些研究实例,煤直接液化制燃料油 煤 水煤浆 燃料油（汽油、柴油）已完成大型冷模试验（反应器内
5、径 1米，高 9米）,能源与化工的一些研究实例,煤直接液化制燃料油冷模实验装置：,1-空气压缩机；2-缓冲罐；3-涡街流量计；4-混合器；5-分布器；6-三想流化床反应器；7-收集杯；8-浆料罐；9-新鲜浆泵；10-循环浆泵；11、12-电磁流量计,能源与化工的一些研究实例,煤间接转化制燃料油和化学品,能源与化工的一些研究实例,煤间接转化制燃料油(煤变油).合成气（COH2）燃料油（汽油、柴油）,F-T合成,能源与化工的一些研究实例,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。工业烷基化采用浓硫酸或氢氟酸为催化剂，存
6、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 超重力条件下，离子液体催化C4烷基化反应，烷基化油中C8组分和C8中TMP含量明显提高，结果达到甚至超过工业硫酸法水平.烷基化油辛烷值（RON）达到93以上，为无硫、高辛烷值清洁汽油组分油,CH3,CH3,CH3,CH3,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：,能源与化工的一些研究实例,能源与化工的一些研究实例,天然气催化转化制化学品、制燃料油、制氢 CH4 C2H4,C2H6,低碳烃等 CH4（部分氧化，水蒸气重整，干气重整）制合成气 CH41/
7、2O2 CO+2H2 CH4H2O CO+3H2 CH4CO2 2CO+2H2,催化转化,能源与化工的一些研究实例,酶法生物柴油 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，生物柴油的生产可以减少石油的消耗,能源与化工的一些研究实例,生物质制合成气、制氢、制化学品 生物质是指由光合作用而产生的各种有机体。据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达2x1011t，含能量达3x1021J C6H12O6COH2 C6H12O6CH3OH，C2H5OH,催化剂,催化剂,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（纤维素）CH4（66）CO2（33）CH4CO
8、2 2CO2H2,厌氧菌,催化剂,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 生活垃圾（有机物）CH4(66)CO2(33）CH4CO2 2CO2H2,微生物,催化剂,能源与化工的一些研究实例,化工-动力多联产及节能技术；与能源技术相关的化工过程强化；过程系统能量集成及其模拟、仿真.,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（4060）；几乎不产生NOx和SOx的排放。而且，CO2的排放量也比常
9、规发电厂减少40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21世纪首选的洁净、高效的发电技术。,能源与化工的一些研究方向,固体化石能源转化科学与技术,煤直接转化制燃料油和化学品,煤间接转化制燃料油和化学品,固体化石能源高效多层次综合利用的科学与技术,能源与化工的一些研究方向,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）,油气化石能源转化科学与技术,天然气催化转化制合成气、制氢,能源与化工的一些研究方向,生物柴油(酶法、化学法),生物质制合成气、制氢(催化法、发酵法),生活垃圾发酵制合成气、制氢,非化石能源科学与技术,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,与能源技术相关化工过程强化,节能与热能综合利用（高效低温差传热、热泵、蓄能技术与装备等）,节能技术与能源系统工程,能源与化工的一些研究方向,能源材料科学与技术,燃料电池及相关研究,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,结论：,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。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、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。能源与化工的交叉学科：能源化工科学与技术的形成。,
