化工热点问题(讨论课)2011.ppt

化学工程中的热点问题 Hotspots in Chemical Engineering 浙江大学化学工程系浙江大学化学工程系 李李 希希观点讨论1教师简介教师简介李希李希（教授，博士生导师）（教授，博士生导师）研究方向：研究方向：多相体系化学反应工程多相体系化学反应工程化工过程数学模拟化工过程数学模拟化工流体力学化工流体力学办公地址：办公地址：玉泉校区教十玉泉校区教十5024电电 话话：87952210，13588012101 Email：教学教学ppt下载地址下载地址 FTP：10.13.34.100用户名：用户名：CE密密 码：码：CE 1.1.化学工程化学工程是干什么的？是干什么的？2.2.环境问题环境问题CO2往哪里去？往哪里去？3.3.能源问题能源问题远水还是近渴远水还是近渴？4.4.资源问题资源问题煤制燃料还是煤制材料？煤制燃料还是煤制材料？以下将要阐述的问题 1.1.化学工程化学工程它它是干什么的？是干什么的？定义、方法论、学科领域定义、方法论、学科领域以下将要阐述的问题什么是化学工程？1化学工程化学工程什么是化学工程什么是化学工程？Chemical Engineering化工与化学区别在哪里化工与化学区别在哪里？化工与物理有什么联系化工与物理有什么联系？化工的研究对象是什么化工的研究对象是什么？化工解决什么问题化工解决什么问题？化工有什么特有的方法化工有什么特有的方法？1化学工程化学工程Chemical engineering is the branch of engineering that deals with the application of physical science(e.g.chemistry and physics),with mathematics,to the process of converting raw materials or chemicals into more useful or valuable forms Chemical engineering are for the most economical process.Wikipedia什么是化学工程？1化学工程化学工程 Chemical Engineering 定义定义 研究工业规模的物质转化规律及技术手段研究工业规模的物质转化规律及技术手段 研究对象研究对象质量传递质量传递 动量传递动量传递 能量传递能量传递化学反应过程化学反应过程 解决的问题解决的问题装置放大装置放大过程设计过程设计什么是化学工程？什么是化学工程？1化学工程化学工程进一步的问题进一步的问题化工与化学区别在哪里化工与化学区别在哪里？为什么要研究为什么要研究“三传三传”和和“一反一反”？放大放大 (Scale Up)是怎么一回事是怎么一回事？放大是怎么回事？放大是怎么回事？放大是自然界的普遍现象放大是自然界的普遍现象尺寸效应的理解示例尺寸效应的理解示例买西瓜为什么要挑大的？买西瓜为什么要挑大的？小锅菜为什么比大锅菜好吃小锅菜为什么比大锅菜好吃？运动员比赛为什么要按体重分级？运动员比赛为什么要按体重分级？什么是化学工程？尺寸效应的理解示例尺寸效应的理解示例南方人为什么瘦小、北方人为什么高大？南方人为什么瘦小、北方人为什么高大？冷地方的动物为什么更胖？冷地方的动物为什么更胖？大飞机省油还是小飞机省油大飞机省油还是小飞机省油？什么是化学工程？1思考题思考题 伽利略伽利略400多年前在比萨斜塔上的落球实验是近代实多年前在比萨斜塔上的落球实验是近代实验科学的标志，如果将铅球改成塑料泡沫球结果会一验科学的标志，如果将铅球改成塑料泡沫球结果会一样吗？大球先落地还是小球先落地？为什么？样吗？大球先落地还是小球先落地？为什么？什么是化学工程？为什么实验室装置与工业装置的结果会有不同？为什么实验室装置与工业装置的结果会有不同？时间尺度随空间尺寸增加而增大时间尺度随空间尺寸增加而增大大装置混合变慢大装置混合变慢线速度随尺度增加而增大线速度随尺度增加而增大发酵中的搅拌问题发酵中的搅拌问题小试结果放大后空速增加小试结果放大后空速增加换热比表面积随尺度增加线性减小换热比表面积随尺度增加线性减小化工装置爆炸事故的原因之一化工装置爆炸事故的原因之一Reynolds 数变化导致流型改变数变化导致流型改变什么是化学工程？放大到底是咋回事？放大到底是咋回事？放放大大是是一一种种随随尺尺度度变变化化而而产产生生的的物物理理效效应应，与与化化学学反反应应无无关关。这这种种效效应应将将显显著著影影响响工工业业装装置置中中的的化化学学反反应应或其它形式的物质转化。或其它形式的物质转化。因因此此，化化学学工工程程才才要要研研究究“三三传传”及及其其对对“一一反反”的影响。的影响。什么是化学工程？1 化学工程的方法论化学工程的方法论解耦解耦热模研究热模研究：考察化学反应规律：考察化学反应规律冷模研究冷模研究：考察流动与传递规律：考察流动与传递规律数学模型数学模型：反应器行为模拟：反应器行为模拟中间实验中间实验：三种模型的结合：三种模型的结合工业设计工业设计典型技术典型技术放大、强化、集成放大、强化、集成什么是化学工程？方法论1思考题思考题化学工程主要研究三传一反，但三传我们不如物理学化学工程主要研究三传一反，但三传我们不如物理学家，一反不如化学家，化学工程师的地位何在？家，一反不如化学家，化学工程师的地位何在？什么是化学工程？1 典型案例典型案例放大技术放大技术合成氨反应器的放大合成氨反应器的放大WTOWTO反应器的放大反应器的放大F-TF-T合成反应器的放大合成反应器的放大PTAPTA反应器的放大反应器的放大 化学工程的方法论放大技术1 典型案例典型案例合成氨反应器合成氨反应器N N2 2+3H+3H2 2=2NH=2NH3 3+Q+Q催化剂：催化剂：氧化铁颗粒条条 件：件：气固催化反应 150 Atm，450反应器类型反应器类型固定床固定床放放大大瓶瓶颈颈：反应热的移出（传热比表面随尺度增大降低）；热点的产生；颗粒与反应器热稳定性问题。化学工程的方法论放大技术放大措施放大措施：增加管数，限制管径；径向床。相关研究热点问题相关研究热点问题固定床数学模拟放大颗粒与反应器稳定性理论固定床多尺度优化设计 化学工程的方法论放大技术1 典型案例典型案例固定床仿生反应器设计固定床仿生反应器设计（本课题组）固定床反应器的固有问题 压降大，颗粒粗，阻力与内扩散的矛盾关键问题：one way in,one way out解决方案仿生型反应器设计分布式动脉进料系统分布式动脉进料系统 分布式静脉出料系统分布式静脉出料系统组织细胞（催化剂）系统组织细胞（催化剂）系统化学工程的方法论优化设计技术Fractal structure in lifeTwo-dimensional fractal structure in leafFractal structure in lifeThree-dimensional fractal structure in liverBionic configuration for microreactorBiometric design of microreactor referred to blood circulatory system 1 典型案例典型案例Fischer-Tropsch Synthesis（FTSFTS，煤变油），煤变油）煤气化煤气化合成气合成气CO,HCO,H2 2长链烷烃（油）长链烷烃（油）催化剂：催化剂：铁系、钴系固体粉料条条 件：件：气液固催化反应，20atm，250，强放热反应器类型反应器类型浆态床（气液固三相鼓泡塔）浆态床（气液固三相鼓泡塔）化学工程的方法论放大技术化学工程的方法论放大技术过程特征：过程特征：气液传质快，液相反应慢。反应是控制步骤。合成气高转化是工业目标，也是主要的放大效应。反应器特点：固体含量高，列管多。1 放大效应放大效应Rheinpreussen-Koppers浆态床示范装置放大参数浆态床示范装置放大参数 化学工程的方法论放大技术反应条件与结果小型试验装置R-K示范装置体积8倍放大体积100倍放大温度/K539K541K541K541K塔径/m0.051.32.66.0高度/m3.57.715.435.7表观气速/(m/s)0.0350.0950.190.44合成气转化率（%）98898579中国科学院山西煤化所费中国科学院山西煤化所费-托合成浆态床放大参数托合成浆态床放大参数 化学工程的方法论放大技术参数模试装置中试浆态床反应器10倍塔径放大装置塔径/m0.040.353.5高度/m4.52525压力/MPa2.02.02.0温度/K538538538表观气速/ms-10.0140.150.15催化剂浓度,%wt12%wt33%wt33%wt合成气转化率68%80%67%1 放大效应放大效应传热面积减少通过列管束增加来弥补；气速增大从均匀鼓泡到湍动鼓泡；混合状态改变从平推到全混；开发方向：保持气相接近平推，维持轴向浓度梯度，有利传质多相流体力学的问题。化学工程的方法论放大技术浆态床流体力学浆态床流体力学列管束的影响问题列管束的影响问题合成气液相转化属强放热反应，浆态床中有密集换热列管，列管束对流动的影响一直存在分歧？l速度分布更不均匀（Bernemann 1989;Larachi 2006）l影响不大（Chen&Dudukovic 1999;Forret 2006）l更为均匀（专利技术20012006）国内外对列管浆态床研究很少（4篇文献），认识不一，缺乏系统的流场测定数据以资比较。化学工程的方法论放大技术国外专利中为了减少气液相返混，采用以下技术措施改变列管空间疏密程度将塔内分割成小区间 采用多段塔化学工程的方法论放大技术 化学工程的方法论放大技术SasolSasol：2006/097905A12006/097905A1化学工程的方法论放大技术SasolSasol：2006/097906A12006/097906A1化学工程的方法论放大技术 化学工程的方法论放大技术本实验室测定结果本实验室测定结果（Pavlov管方法）管方法）l对安装有稀疏与密集两种列管束内构件的浆态床流速径向分布的测定结果表明，加入纵向列管束后，流速分布将显著地变得更不均匀，形成所谓的“烟囱效应烟囱效应”（funneling)，导致反应器放大结果恶化。化学工程的方法论放大技术 添加垂直列管束后塔内流速的分布添加垂直列管束后塔内流速的分布(Vg=0.12m/s,Vg=0.12m/s,列管加入使速度急剧上升）列管加入使速度急剧上升）化学工程的方法论放大技术l烟囱效应的解释烟囱效应的解释纵向列管对流体横向运动的形状阻力大于对其纵向运动的摩擦阻力，限制了流体横向动量交换，减小了湍流粘度；使气泡由螺旋运动趋于直线运动，形成更陡峭的气含率分布。化学工程的方法论放大技术 流动调控措施流动调控措施内构件技术内构件技术 在浆态床内部设置阻尼构件调整流体流动，同时将阻尼内构件与换热管或其它构件整合，多功能化。多层阻尼网：用阻尼效应抵消烟囱效应；针翅列管：多功能内构件。设计参数：阻尼面积密度、面积密度的径向分布化学工程的方法论放大技术F带垂直列管束与多层阻带垂直列管束与多层阻尼网格的浆态鼓泡塔尼网格的浆态鼓泡塔 CN200810162467.0 化学工程的方法论放大技术F换换热热器器用用的的针针翅翅管管化学工程的方法论放大技术F 带针翅列管带针翅列管的浆态床反应的浆态床反应器器（CN200910095288.4）化学工程的方法论放大技术 化学工程的方法论放大技术1过程强化的思路过程强化的思路瓶颈分析瓶颈分析化学工程中的传递与反应是一个串连的过程，类似于接力赛跑。比较传递速率与反应速率，找出问题的薄弱环节，采用针对性的有效措施进行强化，就可以用小的代价获得大的收益。化学工程的方法论过程强化技术1 典型案例典型案例过程强化技术过程强化技术反应过程的强化反应过程的强化催化剂催化剂催化剂动力学反应器流程设计，是龙头技术混合与传递过程的强化混合与传递过程的强化撞击流反应器（新型水煤浆气化炉开发）冲击流反应器（MDI合成新技术）旋转填充床混合反应器（超细碳酸钙）化学工程的方法论过程强化技术四喷嘴撞击流水煤浆气化炉化学工程的方法论过程强化技术旋转填充床超重力反应器化学工程的方法论过程强化技术微反应器（microreactor)化学工程的方法论过程强化技术1 典型案例典型案例连续化技术连续化技术将间歇式操作改进为连续式操作，使过程高效化将间歇式操作改进为连续式操作，使过程高效化分批式蒸馏分批式蒸馏连续式精馏连续式精馏间歇式色谱吸附间歇式色谱吸附移动床移动床模拟移动床模拟移动床固定床催化裂化固定床催化裂化流化床催化裂化（流化床催化裂化（FCCFCC）什么是化学工程？方法论石油连续精馏塔二甲苯吸附分离模拟移动床连续式柴油催化裂化制烯烃装置1 化工方法论化工方法论过程模拟优化过程模拟优化解决过程与系统的最优设计问题，步骤是解决过程与系统的最优设计问题，步骤是过程建模过程建模流程模拟流程模拟集成优化集成优化主要学科主要学科过程系统工程过程系统工程化学工程研究方法-集成技术1 典型案例典型案例夹点技术（夹点技术（pinch technology)pinch technology)能量与质量的分级利用，最优匹配，最少排放能量与质量的分级利用，最优匹配，最少排放热量集成：系统热流股与冷流股之间的最佳匹配质量集成：净化水与污水的分级利用 氢气的分级利用，废物最小排放化学工程研究方法-集成技术1 典型案例典型案例流程模拟技术流程模拟技术大型流程模拟软件，过程设计的通用工具大型流程模拟软件，过程设计的通用工具Flowtran,Aspen Plus,Speed up,Polymer Plus,Chemkin，Hysis 化学工程研究方法-集成技术1 典型案例典型案例过程综合与优化技术过程综合与优化技术换热器网络的综合分离系列的综合反应器网络的综合工业生态园的概念与方法 系统最优化算法SQR，MINLP，MILNP,化学工程研究方法-集成技术1 典型案例典型案例对苯二甲酸新工艺的开发对苯二甲酸新工艺的开发对二甲苯氧化反应动力学对苯二甲酸与杂质共结晶动力学新型氧化反应器开发PTA全流程建模与模拟过程集成与优化 化学工程研究方法-集成技术1 装置放大与过程强化方法装置放大与过程强化方法通过热模、冷模、数模和中试，对“三传一反”分别进行解耦研究与瓶颈分析，提出放大与强化的技术措施代表学科化学反应工程1 过程集成设计方法过程集成设计方法通过数学建模、过程模拟、组合优化与条件优化，确定系统最优结构与最佳条件代表学科过程系统工程化学工程研究方法-小结1化学工程发展史上的几个重要阶段化学工程发展史上的几个重要阶段19011920s：工业化学工业化学化学工程化学工程19231930s：单元操作，化工数学单元操作，化工数学19401950s：传递现象，数学模拟传递现象，数学模拟19571960s：化学反应工程化学反应工程1970s ：过程系统工程：过程系统工程 化学工程的研究方法-历史发展1机械、土木、热能工程机械、土木、热能工程开发步骤开发步骤实验室小试（风洞、水洞、模型实验）实验室小试（风洞、水洞、模型实验）相似放大（模型与原型满足相似条件，相似放大（模型与原型满足相似条件，特征准数相同）特征准数相同）数学模拟放大数学模拟放大（预测、优化）（预测、优化）特特点点：仅仅考考虑虑物物理理过过程程而而无无化化学学过过程程，容容易易满满足足相相似条件似条件其它工程学科的放大方法1典型案例典型案例F 三峡大坝的合龙三峡大坝的合龙 通过实验室小试直接相似放大通过实验室小试直接相似放大F 大飞机的制造大飞机的制造 通过风洞实验与通过风洞实验与CFD确定外形，单项技术全确定外形，单项技术全球招标，集成创新新模式球招标，集成创新新模式F 印巴核实验印巴核实验 为数学模拟核反应过程提供基础数据为数学模拟核反应过程提供基础数据其它工程学科的放大方法印巴印巴19981998年年5 5月的核试验月的核试验印度地下核试验印度地下核试验巴基斯坦沙漠核试验巴基斯坦沙漠核试验1基础课程基础课程 高等数学高等数学 四大化学四大化学 大学物理大学物理 1专业基础课程专业基础课程化工原理：传递现象，单元操作，分离过程化工原理：传递现象，单元操作，分离过程反应工程：化工动力学，反应器流动与传递，反应工程：化工动力学，反应器流动与传递，数学建模数学建模化工热力学：平衡关系，化工数据库化工热力学：平衡关系，化工数据库化工设计：工艺化工设计：工艺/设备计算，流程模拟，过程设计设备计算，流程模拟，过程设计 仪表与控制仪表与控制化学工程教育1专业课程专业课程 各专业学科的专门化课程，工厂实习，毕业设计各专业学科的专门化课程，工厂实习，毕业设计 课课程程体体系系特特点点：数数-理理-化化-机机-控控知知识识全全面面，方方法法先先进进，适应面广，发展与积累前景大适应面广，发展与积累前景大化学工程教育1我们的就业前景我们的就业前景美国美国薪筹最高的专业，中等生源薪筹最高的专业，中等生源中国中国好找工作的专业，中下等生源好找工作的专业，中下等生源 找工作，化学工程专业是理想的选择找工作，化学工程专业是理想的选择！化学工程就业1无机化工、石油化工、煤化工无机化工、石油化工、煤化工现现代代工工业业中中最最早早出出现现的的大大规规模模流流程程工工业业，国国民民经经济济的的支支柱柱产产业业，传传统统的的优优势势化化工工行行业业，进进行行大大宗宗化化工工原原料料与产品的生产。与产品的生产。大大型型化化、高高效效化化、集集成成化化是是上上述述工工业业过过程程的的特特点点，引引领领着着化化工工领领域域技技术术进进步步的的潮潮流流，构构建建了了化化学学工工程程学学科科放大、过程强化、系统集成方面的典型方法论。放大、过程强化、系统集成方面的典型方法论。什么是化学工程？学科领域1高分子化工高分子化工(polymer engineering)行业：高分子材料与产品的生产行业：高分子材料与产品的生产合成塑料、合成橡胶、合成纤维合成塑料、合成橡胶、合成纤维学科特点：学科特点：反应反应由小分子聚合而成大分子，机理复杂由小分子聚合而成大分子，机理复杂传递传递高粘度、变物性、高粘度、变物性、“三传三传”困难困难方方法法特特点点特特殊殊的的过过程程强强化化措措施施，如如挤挤出出式式混混合合装置、乳液聚合、冷凝态换热与低温蒸发、聚合催化剂装置、乳液聚合、冷凝态换热与低温蒸发、聚合催化剂什么是化学工程？学科领域1生物化工生物化工(biochemical engineering)行业：药品与生物制品的生产行业：药品与生物制品的生产过程特点：过程特点：催化剂是活的催化剂是活的！反应反应由活的微生物、细胞、酶进行催化转化由活的微生物、细胞、酶进行催化转化传递传递温和条件下的过程强化与控制温和条件下的过程强化与控制方方法法论论特特点点生生物物工工程程方方法法筛筛选选与与改改良良菌菌种种，高高密密度度培培养养（固固定定化化细细胞胞和和酶酶）技技术术，新新型型发发酵酵与与培培养养装装置，高效制备色谱分离技术置，高效制备色谱分离技术什么是化学工程？学科领域1环境工程环境工程(environmental engineering)行业：污染物的治理行业：污染物的治理过程特点：过程特点：辛苦，但不赚钱辛苦，但不赚钱！污染物排放量大，含量低，经济价值低污染物排放量大，含量低，经济价值低三废治理技术问题归根到底是经济性的问题三废治理技术问题归根到底是经济性的问题技术要求技术要求高效、价廉、简单可靠高效、价廉、简单可靠源头治理源头治理清洁生产、循环经济、绿色化工清洁生产、循环经济、绿色化工干净的单元技术与集成技术干净的单元技术与集成技术什么是化学工程？学科领域1精细化工（精细化工（fine chemical engineering)行业：精细化学品的生产行业：精细化学品的生产特点：特点：物以稀为贵物以稀为贵！小批量、特定功能、技术密集、附加值高小批量、特定功能、技术密集、附加值高方法论特点：方法论特点：研究方法精细化研究方法精细化精确检测，精细合成，高纯分离，柔性转换精确检测，精细合成，高纯分离，柔性转换什么是化学工程？学科领域1化工冶金（化工冶金（chemical metallurgy)传传统统冶冶金金行行业业一一般般采采用用高高温温冶冶炼炼加加工工矿矿物物，50年年前前，国国内内外外开开始始采采用用化化工工方方法法来来开开发发冶冶金金工工艺艺，郭郭慕慕孙孙、陈陈家家镛镛在在中中国国科科学学院院创创建建了了化化工工冶冶金金研研究究所所，此此后后，化化学学工程方法成为流程工业普遍采用的科学方法论。工程方法成为流程工业普遍采用的科学方法论。典型案例：高炉炼铁典型案例：高炉炼铁移动床高温氧化反应器移动床高温氧化反应器 湿法冶金湿法冶金矿物的浸取与萃取分离矿物的浸取与萃取分离 核燃料的提取与浓缩核燃料的提取与浓缩化工新领域-化工冶金化工新领域-化工冶金稀土湿法冶金车间1油藏化学工程（油藏化学工程（reservoir of chemical eng.)三三次次采采油油（EOR）采采用用各各种种过过程程强强化化方方法法来来开开采采剩剩余余油油藏藏，如如水水驱驱油油、化化学学驱驱油油、混混相相驱驱油油、热热力力采采油油。陈陈家家镛镛在在十十年年前前提提出出“油油藏藏化化学学工工程程”的的概概念念，认认为为应应该该遵遵循循化化学学工工程程的的方方法法研研究究石石油油开开采采中中的的三三传传一一反反问问题题，通通过过驱驱油油剂剂的的筛筛选选、实实验验室室小小试试、现现场场井井试试、数数学学模模拟拟，进行三次采油工艺开发。进行三次采油工艺开发。化工新领域-油藏化学工程1核化学工程（核化学工程（nuclear chemical engineering）核核反反应应器器是是通通过过裂裂变变反反应应将将核核能能转转化化为为热热能能和和电电能能的的核核心心装装置置，其其中中的的三三传传一一反反规规律律是是核核分分离离技技术术与与核核反反应技术的基础。相关的学科内容有应技术的基础。相关的学科内容有 核燃料的分离、浓缩、回收与处理核燃料的分离、浓缩、回收与处理 核反应机理与动力学、核爆轰理论核反应机理与动力学、核爆轰理论 核反应器的开发与设计核反应器的开发与设计 核能的转化与利用核能的转化与利用化工新领域-核化学工程化工新领域-核化学工程1空间化学工程（空间化学工程（space chemical engineering)目目前前的的太太空空实实验验围围绕绕三三个个方方面面展展开开：太太空空生生态态与与生生命命保保障障系系统统，育育种种，材材料料合合成成。对对月月球球的的开开发发也也提提上上日日程程。随随着着大大型型空空间间站站的的建建造造与与运运载载工工具具的的发发展展，将将来来有有可可能能建建立立太太空空工工厂厂与与太太空空实实验验室室，规规模模性性生生产产地地球球条条件件下下无无法法或或难难以以获获得得的的物物质质。因因此此，有有必必要要研研究究太太空空微微重重力力、高高纯纯净净、强强辐辐射射条条件件下下的的三三传传一一反反规规律律，开开展展规规模模制备特种化学品的化学工程研究与相关空间技术开发。制备特种化学品的化学工程研究与相关空间技术开发。化工新领域-空间化学工程化工新领域-空间化学工程中国正在建造的空间实验室中国正在建造的空间实验室二、环境问题二、环境问题CO2往哪里去？往哪里去？捕集、封存、再活化、资源化捕集、封存、再活化、资源化以下将要阐述的问题1哥本哈根气候大会的争吵哥本哈根气候大会的争吵两大集团：发达国家两大集团：发达国家发展中国家发展中国家五个层次：美、欧（日）、基础五个层次：美、欧（日）、基础4国、非洲、岛国国、非洲、岛国争议内容：碳排放权、资金、技术争议内容：碳排放权、资金、技术原则：共同而有区别，共同还是有区别？原则：共同而有区别，共同还是有区别？21世纪的南北关系：世纪的南北关系：碳政治碳政治！碳排放权筹码！碳排放权筹码!07年中国年中国CO2排放：排放：60.71亿吨。亿吨。减排就是为国家减压。减排就是为国家减压。化工热点问题-CO2排放与限制1 CO2捕集捕集技术技术湿法湿法碱性溶剂吸收与净化碱性溶剂吸收与净化碱水、氨水、乙醇胺、热钾碱、有机碱碱水、氨水、乙醇胺、热钾碱、有机碱干法干法吸附吸附氧化钙、碱性吸附剂氧化钙、碱性吸附剂评价：技术成熟，经济性还需斟酌评价：技术成熟，经济性还需斟酌 化工热点问题-CO2捕集与封存1COCO2 2封存技术封存技术 碳往哪里去？碳往哪里去？办法一：资源化利用办法一：资源化利用食用、干冰食用、干冰万吨级万吨级化肥、制碱化肥、制碱千万吨级千万吨级碳酸二甲酯、氨基甲酸酯，碳酸二甲酯、氨基甲酸酯，CO2代替光气，代替光气，50万吨级万吨级CO2驱油，驱油，CO2来源与输送问题来源与输送问题 CO2 农业，促进光合作用农业，促进光合作用？实在用不完！实在用不完！化工热点问题-CO2捕集与封存 办法二：封存与自然吸收办法二：封存与自然吸收加压液化地下封存加压液化地下封存成本成本$3070/吨，吨，难以承受！难以承受！存放空间不足！存放空间不足！加压灌注深海形成加压灌注深海形成CO2水合物存放水合物存放加铁粉促进海洋生物吸收加铁粉促进海洋生物吸收CO2养海藻制生物柴油养海藻制生物柴油生态风险生态风险？！？！化工热点问题-CO2捕集与封存澳大利亚CO2采油井地下封存办法三：办法三：CO2高能活化高能活化CO2加氢合成甲醇加氢合成甲醇氢从哪里来？氢从哪里来？核能制氢核能制氢CO2利用利用CO2活化聚合活化聚合需要大量能量输入需要大量能量输入归纳归纳在现阶段，在现阶段，CO2的捕集与封存是最难处理的科的捕集与封存是最难处理的科学、技术、经济与生态问题，可能要寄希望于核能的学、技术、经济与生态问题，可能要寄希望于核能的普遍采用。普遍采用。化工热点问题-CO2捕集与封存1COCO2 2资源化利用资源化利用即便是杯水车薪，我们也总得做点什么！即便是杯水车薪，我们也总得做点什么！原则：有利可图、大规模转化、技术升级、无二次污染原则：有利可图、大规模转化、技术升级、无二次污染现有的纯碱与尿素不能净转化现有的纯碱与尿素不能净转化CO2，因为消耗合成氨，因为消耗合成氨，因此，碳的转化关键是氨的循环利用因此，碳的转化关键是氨的循环利用一种新途径：煤化工一种新途径：煤化工-纯碱纯碱-氯乙烯联合碳氯碱工艺氯乙烯联合碳氯碱工艺化工热点问题-CO2资源化利用1联合碳氯碱新工艺设想联合碳氯碱新工艺设想煤化工过程为制碱煤化工过程为制碱提供碳源提供碳源变换气，尾气变换气，尾气CO+H2OCO2+H2氨盐水吸收氨盐水吸收CO2制纯碱制纯碱为煤化工脱碳为煤化工脱碳CO2+NaCl+NH3+H2ONaHCO3+NH4Cl氯化铵制氯乙烯氯化铵制氯乙烯无电解新工艺无电解新工艺CH2=CH2+NH4Cl+O2CH2=CHCl+NH3+H2O这是目前可能的最大规模利用这是目前可能的最大规模利用COCO2 2生产化工原料的方法！生产化工原料的方法！化工热点问题-CO2资源化利用三、能源问题三、能源问题远水还是近渴？远水还是近渴？新能源、化石能源，困惑与出路新能源、化石能源，困惑与出路以下将要阐述的问题中中国国在在能能源源方方面面面面临临严严峻峻的的局局面面，是是制制约约经经济济发发展展与与国国家安全的瓶颈之一。家安全的瓶颈之一。我国能源结构以煤为主，贫油、乏气、缺铀。我国能源结构以煤为主，贫油、乏气、缺铀。能源争夺与运输是与大国邻国形成能源争夺与运输是与大国邻国形成“周边有事周边有事”的诱因。的诱因。能源问题2006年中国和世界能源消费构成年中国和世界能源消费构成世界能源消费构成中国能源消费构成1新能源与化石能源新能源与化石能源化石能源：煤、石油、天然气化石能源：煤、石油、天然气 （94%94%）核核 能能：（：（1%）新新 能能 源：风能、太阳能、水能、生物质能、地热源：风能、太阳能、水能、生物质能、地热 能、能、海洋能海洋能 （5%水电水电+0.4%其它）其它）国家示范项目：北京氢能汽车，西藏太阳能，内蒙风力，国家示范项目：北京氢能汽车，西藏太阳能，内蒙风力，沈阳气化，云南沼气沈阳气化，云南沼气 新能源（包括核能）：新能源（包括核能）：远水解不了近渴远水解不了近渴！能源问题新能源与化石能源燃煤之急燃煤之急煤的高效利用与清洁转化煤的高效利用与清洁转化燃煤发电的两大问题燃煤发电的两大问题污染严重：硫、氮氧化物，粉尘，污水，污染严重：硫、氮氧化物，粉尘，污水，CO2热效率低：热效率低：3035，大量废热排放，总效率，大量废热排放，总效率13%！化工技术方面的挑战化工技术方面的挑战提高热效率，从提高热效率，从30到到50以上，比发达国家更高以上，比发达国家更高经济高效的清洁化技术，脱硫脱硝脱碳除尘经济高效的清洁化技术，脱硫脱硝脱碳除尘化工热点问题洁净煤技术示范性的化工新技术示范性的化工新技术热热-电电-气气-化化-多联产，以煤为原料制燃料油与化多联产，以煤为原料制燃料油与化 工产品工产品煤的液化，煤的液化，MTO，MTP，MTA替代石油路线替代石油路线化工热点问题-洁净煤技术 IGCC：煤气化燃气蒸气联合循环：煤气化燃气蒸气联合循环Integrated Gasification Combined Cycle将传统的燃煤发电转变为将传统的燃煤发电转变为煤气化净化燃气轮机发电蒸汽轮机发电煤气化净化燃气轮机发电蒸汽轮机发电煤为什么要气化以后再发电煤为什么要气化以后再发电？热效率从燃煤的热效率从燃煤的35提高到提高到45卡诺循环卡诺循环煤成气以后容易净化，无排放，实现清洁发电煤成气以后容易净化，无排放，实现清洁发电化工热点问题-洁净煤技术洁净煤技术IGCC IGCC技术关键技术关键经济的气化与空分技术经济的气化与空分技术高温脱硫技术高温脱硫技术高温燃气轮机发电技术高温燃气轮机发电技术评价：评价：优点：干净的发电技术优点：干净的发电技术缺点：发电成本太高，比燃煤发电高缺点：发电成本太高，比燃煤发电高50120洁净煤技术IGCC煤煤制浆制浆 提提 质质 加加 工工产产 品品 提提 质质 加加 工工加加 氢氢 液液 化化 FT合成合成 提提 质质 加加 工工气气 化化洁净煤技术煤变油 煤制油工艺的特点煤制油工艺的特点直接液化：条件苛刻，投资巨大，能量利用率高直接液化：条件苛刻，投资巨大，能量利用率高间接液化：技术成熟，投资巨大，能量利用率较间接液化：技术成熟，投资巨大，能量利用率较低低间接液化成本因素：间接液化成本因素：气化，空分，净化，尾气循环气化，空分，净化，尾气循环装置小而全装置小而全洁净煤技术煤变油 解决解决IGCC经济性的技术方案经济性的技术方案 与合成气液化生产燃料和化工产品进行联产与合成气液化生产燃料和化工产品进行联产化工与发电共享同样的气化单元，简化流程化工与发电共享同样的气化单元，简化流程“煤变油煤变油”装置一次通过，省去尾气循环压缩工装置一次通过，省去尾气循环压缩工序序有利于能量集成与质量集成，吃干榨尽有利于能量集成与质量集成，吃干榨尽存在的问题存在的问题多种工艺与技术的集成难度大多种工艺与技术的集成难度大洁净煤技术多联产集成工艺1核能的高效利用核能的高效利用 核能是目前能够取代化石能源的最终途径。核能是目前能够取代化石能源的最终途径。低品位铀矿的高效分离与浓缩技术低品位铀矿的高效分离与浓缩技术 第四代快中子增殖反应堆的开发第四代快中子增殖反应堆的开发 核能化工多联产工艺（峰谷发电，原子能制氢、核能化工多联产工艺（峰谷发电，原子能制氢、原子能碳处理）原子能碳处理）化工热点问题-高效核能技术1关于氢经济关于氢经济氢能是最干净的能量载体氢能是最干净的能量载体氢从哪里来氢从哪里来？天然气、煤：天然气、煤：CO2排放，能量效率排放，能量效率未来的氢能未来的氢能原子能：白天发电，夜晚电解水制氢原子能：白天发电，夜晚电解水制氢其它问题其它问题氢的储存，运输，使用：代价高昂氢的储存，运输，使用：代价高昂氢能是一种代价高昂的能量载体，近期难以实现氢能是一种代价高昂的能量载体，近期难以实现化工热点问题-进一步的思考1关于能源问题的小结关于能源问题的小结燃眉之急燃眉之急 煤的清洁高效转化技术煤的清洁高效转化技术 清洁发电，煤变油，煤代油化学品清洁发电，煤变油，煤代油化学品未来能源未来能源只能指望核能，增殖反应堆，核聚变只能指望核能，增殖反应堆，核聚变其它新能源其它新能源锦上添花，拾遗补缺锦上添花，拾遗补缺能源问题远水还是近渴？四、资源问题四、资源问题煤制燃料还是煤制煤制燃料还是煤制 材料？材料？以下将要阐述的问题1煤化工的发展方向煤化工的发展方向石油与天然气氢多碳少（石油与天然气氢多碳少（H/C 2），煤则碳多氢少），煤则碳多氢少（H/C 1），因此从原子经济的角度来看，因此从原子经济的角度来看，“油制油制燃料，煤制材料燃料，煤制材料”应该是最合理的选择，可解决碳应该是最合理的选择，可解决碳排放问题排放问题 Oil to Fuel,Coal to Material因此，未来的煤化工应该从燃料化工发展到材料化因此，未来的煤化工应该从燃料化工发展到材料化工工化工热点问题煤制材料1煤制材料的当前热点技术煤制材料的当前热点技术以合成气为原料制取大宗化工产品以合成气为原料制取大宗化工产品 煤制合成气煤制合成气合成气制甲醇合成气制甲醇甲醇制烯烃（甲醇制烯烃（MTO）甲醇制丙烯（甲醇制丙烯（MTP）甲醇制芳烃（甲醇制芳烃（MTA）甲醇制醋酸（甲醇制醋酸（MTAA）甲醇与合成气制乙二醇甲醇与合成气制乙二醇化工热点问题煤制材料煤直接液化制芳烃煤直接液化制芳烃煤与石油的分子结构有很大差别煤与石油的分子结构有很大差别煤分子是以芳环为基本单元的网状结构，石油分子主煤分子是以芳环为基本单元的网状结构，石油分子主要是直链烷烃结构；要是直链烷烃结构；煤富含芳烃，石油富含烷烃煤富含芳烃，石油富含烷烃化工热点问题煤制芳烃煤分子的稠环网状结构煤分子的稠环网状结构OriginDaqin(CN)Shenli(CN)Xinjiang(CN)IranOmanSaudiPAC,wt%26.52 35.4724.1634.023.425.4Process H-CoalSRC-IIEDSPAC of the naphtha,wt%75.8-76.9574.23-75.1773.72-74.89不同来源的原油石脑油中潜在芳烃含量（不同来源的原油石脑油中潜在芳烃含量（PAC）煤直接加氢液化石脑油中潜在芳烃含量（煤直接加氢液化石脑油中潜在芳烃含量（PAC）1现有工艺的不合理性：现有工艺的不合理性：煤制燃料：直接加氢液化采用极端反应条件煤制燃料：直接加氢液化采用极端反应条件（450，15MP）将芳环打开形成石油的链状结构将芳环打开形成石油的链状结构石油制芳烃：将石油中的直链烷烃通过芳构化合成芳石油制芳烃：将石油中的直链烷烃通过芳构化合成芳烃，代价较高烃，代价较高由于芳环很稳定，设想控制一定的加氢液化条件，使由于芳环很稳定，设想控制一定的加氢液化条件，使煤转化为富含单环芳烃的材料，更符合科学原理。煤转化为富含单环芳烃的材料，更符合科学原理。化工热点问题煤制芳烃因此，当前的因此，当前的“煤变油煤变油”工艺应当转变产品目标，从工艺应当转变产品目标，从煤制燃料为主、副产芳烃转变为煤制芳烃为主、副产煤制燃料为主、副产芳烃转变为煤制芳烃为主、副产燃料，更具经济性与合理性。燃料，更具经济性与合理性。芳烃是基本化工原料，每年中国消费芳烃是基本化工原料，每年中国消费3千多万吨，如千多万吨，如果以煤为原料来源生产芳烃，替代石油路线，就可大果以煤为原料来源生产芳烃，替代石油路线，就可大大缓解我国对石油的过度依赖局面，同时还可显著提大缓解我国对石油的过度依赖局面，同时还可显著提高能量利用效率，减少排放。高能量利用效率，减少排放。化工热点问题煤制芳烃煤直接液化制芳烃副产燃料油工