单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第六章 未来能源及燃料工业用催化技术,6.1,当前能源结构及存在的问题,不可再生能源,化石能源（,50,万年以上时间才能形成）,煤炭、石油、天然气等,都是不清洁能源，尤其是煤炭,可再生能源,风能、太阳能、潮汐、地热、生物质能,我国的能源结构,富煤、少气、缺油,煤炭（,67-68%,）、石油（,23.9-26.2%,）,天然气（,2.5-3.4%,）,耗能地位,全球第二（仅次于美国）,石油进口,1.5-2.0,亿吨,/,年,（,3000-3500,亿人民币）,6.2,能源、能源载体和转换路线,能源工业建设原则,逐步减少对石油等化石类能源的依赖,气煤柴,能量密度高，较难被替代,天然气,较清洁，但输送管网投资大，需转化成液体燃料,各种能源是可以相互转换的，催化剂起重要作用,6.3,资源、环境对能源开发的制约,污染物,63,亿吨碳,/,年,7070,万吨硫,/,年,2820,万吨氮,/,年,（导致酸雨、气候变暖）,能源储备,石油,42,年,天然气,67,年,煤,200,多年,趋 势,发展清洁能源,(,主要指可再生能源的利用）,天然气属较清洁能源范畴,6.4,经洁净技术处理的清洁能源,清洁液体燃料,无铅、低,HC,、低,S,、低蒸汽压,制 备 方 法,（,1,）采用配方汽油（减少对空气的污染）,（,2,）由天然气合成清洁能源（液体燃料）,利用天然气合成不含,S,、,N,、金属、芳烃,GTL,路线,由天然气,合成气,F-T,合成,液体燃料油,MTG,路线,mobil,公司发明,SMDS,路线,改进了传统的,F-T,合成（,shell,公司发明）,HPS,重饱和烃合成,HPC,石蜡烃的临氢裂解和临氢异构化,6.5,天然气能源,优 点,分布广、储量丰富、价格低、污染小,压缩天然气,CNG,：极好的车用燃料、环保,NO,x,下降,40%,CO,2,下降,25%,，,CO,下降,80%,，,HC,下降,%,1m,3,CNG=1.1L,汽油,缺点,：需笨重燃料箱、建站代价高、行程短,液化天然气,LNG,：与,CNG,相同，但体积更小,目前最大出口基地在印尼,2000,万吨,/,年,未来最大出口地在卡塔尔,3000,万吨,/,年,储量世界最大，,6.7,亿立方米,我国天然气情况,20,世纪末,2-3%,2010,年,7-8%,2005,年 深圳,800,万吨,/,年,LNG,装置已建成,上海,600,万吨,/,年,LNG,装置在建,利用途经,（,1,）制成甲醇（它与,LNG,物性极为相似）,（,2,）制成,DME,（二甲醚,最清洁能源）,甲醇汽油优点：,CO,下降,90%,、,HC,下降,70%,、成本低,甲醇汽油缺点：,燃料品质、电喷系统配件、非常规排放物,治理尚需完善,DME,优点：,有广泛的获取性（煤、天然气均可生产）,有良好的替代性,(,可代替,LPG,）,绝对清洁,DME,缺点：,易在供油系统形成气阻,甲醇合成：,天然气转化,合成气,甲醇,煤气化,合成气,甲醇,DME,合成：,合成气,甲醇,DME,（二步法）,合成气,DME,（一步法）,(,托普索液相法，美气相法）,6.6,氢能及氢经济,火力发电,化石燃料,蒸汽,电（效率低、污染重）,能源货币,氢（能与太阳能、风能、电能等相互转换）,利用途经,直接利用（直接燃烧氢）,燃料电池（低温燃烧）,6.6.1,氢的生产、贮存及运输,生产,天然气（甲烷）水蒸气转化）,廉价,电解水制氢,日本,生物质制氢,麦秆、稻草、垃圾、粪便等,农副产品制氢,沼气、酒糟等,低谷电、太阳能等制氢,能量转换,贮存,高压存储、液化存储（即危险又不经济,弃用）,高容量金属氢化物材料（储氢材料）,纳米石墨纤维,特种活性炭,金属氢化物贮氢原理,在冷却或加压条件下，氢原子贮存于金属晶格间隙中，,形成金属氢化此物（极安定且经济），,过程放热,加热或减压时，氢化物重新分解成金属和氢气，,过程吸热,特 点：,高贮氢量、低生成热、贮氢放氢速度快、化学剂热稳定性,好、转换效率高、重量轻、成本低、可反复使用。,典 型：,钛系（,Ti-Fe,、,Ti-,Mn,）、镁系（,Mg-Ni,）,稀土金属系（,La-Ni,）,选择金属氢化物的关键,金属氢化物的逆向反应是否顺畅,（最重要）,贮氢量,金属氢化物贮氢方式,（,1,）以燃料形式贮存,易于输送及使用,（,2,）以电化学能的形式贮存,利用阴极金属的电化学作用使其变成金属氢化物，,再利用逆过程释放氢,（,3,）以热能形式贮存,太阳能等可以提供金属氢化物分解所需要的能量,氢经济,我国目前,200-300,吨,/,年制氢材料,30-50Mw.h,金属氢化物镍氢电池,可行驶,200,公里以上的镍氢电池动力汽车,一次充电,金属氢化物热泵,金属氢化物低温冷冻机,制氢,煤气化制氢,成本很低,0.3-0.5,元,/m3,（我国的技术）,制碱副产氢,25kg,氢,/,吨碱,6.7,燃料电池,(FC-fuel call),将燃料的化学能直接转化成电能的电化学装置,19,世纪中叶英国人发明，,20,世纪,60,年代后得以发展,原 理,（见图,6-7,）,燃 料 极,为负极（阳极，贵金属）,表面发生氧化反应，生成正离子进入电池回路,氧化剂极,为正极（,Pt,、,Al,、石墨等）,表面发生还原反应，生成负离子，,从电池内回路流向阳极,燃料类型,直接型（氢气、肼）、间接型（甲醇、乙醇等）,氧化剂,氧气、空气、过氧化氢等,电 解 质,离子的导体,连接正负极，构成电池回路,电极反应,A,氧化,1+B,还原,1,C,还原,2,+D,氧化,2,FC,中,负极反应：,H,2,2H,+,+2e,-,（氧气直接氧化）,天然气、丙烷、醇,H,2,（需转化重整）,FC,类 型,两种,低温（低于,500,）、,高温（,500-1000,）,（,1,）,AFC,碱性燃料电池,工作于,100,以下，,H,2,作燃料，电解质,KO,2,cat.,是非贵金属，不耐,CO,、,CO,2,排水难，不能制成大功率电池组,难于应用于汽车,（,2,）,PEMFC,质子交换膜燃料电池,工作于,80-1,05,，高纯,H,2,作燃料，怕,CO,电解质是聚合物膜（将,H+,从阳极传到阴极）,早期用,Nafion,膜，后来用,Dow,膜（电流密度高,4,倍）,启动快,活性高,结构简单,腐蚀小,工作寿命长,缺点：,膜太贵（,Nafion,膜,800-1000,美元,/m,2,）,电极,Pt,（,3,）,DMFC,直接甲醇燃料电池（基于,PENFC,的一种特殊形式）,工作于,105,以下，（取决于进料系统和电解质）,电解质是聚合物膜（将,H+,从阳极传到阴极）,早期用,Nafion,膜，后来用,Dow,膜（电流密度高,4,倍）,不需经重整转化成氢，甲醇在阳极表面可直接电化学转化,电极材料,Pt,催化剂（,Pt/,Ru,/C),缺点：,甲醇有毒,甲醇含有羟基，影响其能量密度,甲醇从阳极扩散到阴极，降低了电池的操作效率,（,4,）,PAFC,磷酸燃料电池（发展最早、最快的第一代,FC,）,工作于,180-200,，,H+,从为电池内传导离子，,电解质是磷酸，自排水，电极反应与,PEM,相同,电极材料,Pt,基催化剂,优点：,可用粗,H,2,作原料，耐,CO,、,CO,2,，,结构简单，成本低、寿命长、操作弹性大,装机容量较大（,50kW-10MW,）,缺点：,Pt,的负载量大幅度降低（,6.2-6.5kg/MW,）,目前用,Pt/WO,3,代替,Pt/C,电流密度增加,1,倍）,（,5,）,MCFC,熔融碳酸盐燃料电池（第二代,FC,）,工作于,600-700,，,电解质是熔融碳酸盐，（为电池内回路传导离子）,可用内重整方式供燃料，也可用粗,H,2,（含,CO,、,CO,2,）作燃料,阳极,多孔,Ni,（,Ni/,Al,Ni,/Cr,合金代替,Ni),阴极,掺锂,NiOx,(,形成双电层，提高了,NiOx,的稳定性）,优点：,热效率、发电效率高（,55%,）、电流联产总效率达,75%,可做成,MW,级电站,缺点：电极成本较高,反应：,（,6,）,SOFC,固体氧化物燃料电池,工作于,800-1000,（属超高温型,FC,）,电解质是固体氧化物（将氧负离子通过固体电解质的晶格,迁移进行离子传导），,比熔融碳酸盐更稳定，无液体泄漏,可用内重整方式供燃料，也可用粗,H,2,（含,CO,、,CO,2,）作燃料,电极材料,不用贵金属催化剂,优点：,热效率、发电效率高、热电联产转换总效率达,80%,以上,可做成大功率电站,缺点：,寻找热稳定性和化学稳定性均好的材料较难,FC,工作条件的选择,温度,最重要,它决定了燃料类型、进料状态、催化剂材质、效率,高温,易于燃烧反应进行，,对催化剂要求低（不易中毒）,重整容易,热利用率高,总体效率也高,低温,对材质要求低,热耗少,电池密封、防泄漏较容易,FC,的应用前景,（,1,）电力生产,建分散性,FC,电站,投资低、输电损耗少、效率高,75-80%,（火电站效率,400Km,室温可启动，寿命,5,年，价格,100,美元,/KW,目前，,FC,已成功应用于公交车、轿车、货车等,(3),特种用途,航天器、空间试验站、潜艇、机器人等等,6.8,煤的新作用,我国国情,多煤、少气、缺油,解决办法,（,1,）以煤气化为核心，将动力与化工循环耦合，发展发,电与化学品（甲醇和,DME,）联产技术,（,2,）以甲醇和,DME,取代气煤柴燃料及城市煤气和,LNG,（,3,）由甲醇和,DME,经重整制富氢（醇、醚），发展,PEM,型燃料电池，组合成兆瓦级电站。,目前已建成,15,万吨级,DME,装置（山东）,计划建,100,万吨级,DME,装置,美国化石能源计划,Vision21,丹麦,Topsoc,组合能源计划,欧洲模式,煤气化（高压,35-50bar),联合循化动力装置,6.9,生物质能源,生物质,通过光合作用生成的。,生物能,由植物体形成的,(,通过水和二氧化碳对有机物的糖类、淀粉,进行合成，通过呼吸放出能量）,动 物,自身无法由无机物合成有机物，只能用植物,产生的有机物摄入体内产生能量维持生命，,排出的粪便及和尸体包含的有机物经微生物,氧化分解再还原成,CO,2,、,H,2,O,、,CH,4,、,NH,3,等,植物,（生产者）,动物（,消费者,）,微生物（,分解者,）,通过无机物、有机物形态的转变，形成物质、能量的循环,生物质的特点,清洁性、可再生性（取之不尽用之不竭）,生物质利用途经,（,1,）能源植物,含烃植物（青珊瑚草）,石油替代品,（,2,）直接烧木柴和木炭,（,3,）生物质发酵成酒精,（,4,）生物质经厌氧发酵成沼气,（,5,）生物质催化汽化发展成高密度高热含能源,