能源、资源、环境与催化     一次能源泛指煤、石油、天然气等矿物燃料。能源的利用是科学与技术问题，能源的有效利用却是政府的对策问题。  我国的能源形势       一次能源及可利用的资源储备是国家生存与发展战略的重要一环，不仅关系和平时期的国计民生，而且涉及国家在战时的动员能力，地位之重要如何估计也不会过高。先进工业国几乎垄断了能源及资源利用研究的全部优势其根本原因即在于此。在大量引进国外先进技术和设备的情况下不受制于人，是我国在任何国际环境下都能进退自如的重要前提。因此，一次能源有效利用是涉及国家长治久安的战略规划的一部分。  我国的能源形势 我国的能源形势     我国是世界上唯一以煤为主要能源的大国，这样的能源构成在今后相当长的时期内不会改变。作为一次能源，煤的利用方式在我国主要是燃烧，而煤的燃烧是造成我国生态环境破坏的最大污染源。我国的能源消费占世界的8－9％，但SO2的排放占世界的15.1％，排放总量为世界第一位；CO2占13.6%， NOx占11.3%，总量都居世界第二位。其中我国煤燃烧所释放的SO2占到全国总排放的87％，CO2占71％，NOx占67％，粉尘占60％。大量燃煤排放的SO2和NOx已经在我国形成了极大的危害，酸雨区域迅速扩大，已超过国土面积的40％，造成了难以估量的经济和社会损失。  我国的能源形势    另一方面，我国的能源浪费又是世界上最严重的国家之一：以生产一美元GDP产值的单位油耗衡量，日本是0.084千克，我国是0.298千克，相差十分悬殊。 能源利用中的催化技术  ?   现行工业过程中，60％的产品和90％的过程是通过催化技术实现的。催化在能源发展战略中有突出的重要性。这可以概括为五个方面：1. 石油炼制与石油化工；2. 合成气化工；3. 天然气化工；4. 燃煤污染防治；5. 绿色化学。         煤中一般含碳60-70 wt%，其余为氢（5 wt%），有的含氧可高达20 wt%，其余为杂质，主要是硫，氮和粉煤灰（2-7 wt%，优质煤）。由摩尔比看，煤的组成类似为CnHn，包括部分含氧化合物。 反应: 4 NH3 + 4 NO + O2 ?? 4 N2 + 6 H2O      (使用氨水或尿素溶液为还原剂) ? 催化剂: Al2O3, TiO2, SiO2, 分子筛担载的铁,铬,钒催化剂,典型体系V2O5/TiO2, 兼有良好的抗硫性能  ? 对比: 车用DeNOX过程则采用烃类, CO为还原剂, 使用由Pt, Pd贵金属组成的三元(three-way catalyst, TWC)催化剂.  催化脱硫  	催化脱硫的设计思想可分氧化和还原两条路线，其中还原路线又可分为还原或深度还原。根据对SO2浓度的考虑，催化脱硫前期步骤又可采用吸附法使SO2浓缩, 或不用吸附，直接对烟气进行处理。总体设计网络示于下图。 观点(1)：脱硫，科学上没问题 观点(3)：困难在于钙基湿法太成功 电厂的成本空间有限 在中国，缺水是大问题 周而复始的长期运转  解决办法：价廉易得可弃置体系 大量刊登催化研究最新进展的期刊  Nature/Science Chem. Rev./Acc. Chem. Res. J. Am. Chem. Soc./Angew. Chem. Int. Ed. J. Catal./Chem. Commun./J. Phys. Chem./ Catal. Today Appl. Catal./J. Mol. Catal./ Catal. Lett./ Topic Catal. 催化学报  C&E News/Chemistry World/SYNFACTS   国家项目  国家重点基础研究规划（973） 国家高技术研究发展计划（863） 国家中小企业科技创新基金 国家级火炬计划 国家自然科学基金  教学进度表 一. 催化概论（4学时）     二. 催化反应机理与平衡关系（6学时）  三. 重要催化反应（8学时） 四. 重要催化剂体系?结构与活性间关系(8学时)  五. 催化剂的分散与制备（4学时）  六. 催化反应动力学（4学时）  七. 绿色催化（2学时） 八. 催化化学: 面临创新 论非连续性技术进步          甲醇是重要的化工原料，广泛用于合成各种含氧化学品。近年来，甲醇掺烧汽油/甲醇制取甲基叔丁基醚(MTBE)等因其适应日趋严格的环保要求而受到很高重视。长远看，石油/天然气资源的枯竭只是早晚之间的事，因此合成气制甲醇是未来最有可能替代油气资源，实现由煤制取液体燃料的有效途径之一。  煤?合成气?甲醇          合成气制甲醇历经90年的研究开发，目前已达到可与石油炼厂媲美的规模进行生产，日产2000—2500吨乃至万吨的合成塔及配套技术已经获得工业应用。         总体上说，甲醇合成中催化技术已相当成熟。使用Cu/ZuO/Al2O3催化剂，反应条件温和（270?C, 5 MPa），选择性和产率都很高，催化剂寿命长，非常适合连续化生产的要求。 煤?合成气?甲醇           1922年Fischer和Tropsch发现铁催化剂作用下由一氧化碳加氢可以得到碳数分布很宽的混合烃(C1-C40的烷和烯)，这一过程后来被称之为F-T Synthesis。 CO + H2 ? CnH(2n+2)+ CnH2n + 2nH2O                        (?H? ? -200 KJ/mol)  煤?合成气?汽/柴油          F-T合成是研究得最多也最广泛的催化反应之一，但迄今机理仍不清楚。F-T合成的本质特征是碳链的增殖，而这种增殖似乎一旦发生就不可能停止，某些中间物还可能发生了二次反应。因此，F-T合成的主要产物是一系列烷烃和烯烃的混合物，碳数居于1-40之间。催化剂（和反应条件）可以显著改变不同碳数产物在混合物中的比例，使某一碳数间的产物如C5-C20(燃料油馏份)达到较高，但却不可能让其它碳数的产物消失，这一现象被描述为Schulz-Flory分布。  煤?合成气?汽/柴油     15     5    -    -  芳香烃    10    12    5    5   含氧    15    13   55   45    烷    60    70   40   50    烯 C11-C18 C5-C10 C11-C18 C5-C11 携带床 固定床    馏分 煤?合成气?汽/柴油  Schulz-Flory分布充分显示了平行反应间和串联反应间的互相制约：这些反应发生时所需要的条件包括催化剂上的“活性位” 都太相似了。通过这些活性位将CHX添加到长碳链或短碳链上应该说没有什么区别，只取决于活性位周围底物“出现”的几率，而Schulz-Flory-Anderson分布似乎正反映了反应底物在众多活性位周围“随机”分布的结果。  煤?合成气?汽/柴油  煤?合成气?汽/柴油  煤?合成气?汽/柴油  油品的污染主要来自燃烧过程中生成的NOX, 即 N2 + O2 ? NO2 + NO 污染防治 而煤的利用迄今仍没有实现在初始阶段消除潜在的污染源, 因此, 煤的燃烧不但将煤本身固有的硫和氮(以NOX/SO2的形式)等释放出来, 还在燃烧中生成了大量的NOX和粉煤灰. 以燃煤电厂为例, 主要污染物的浓度见表. 4 -
催化化学：能源资源环境与催化.ppt