催化在能源轉化中的作用分析

季德春 謝駿 邱彥濤

摘 要：隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，工業(yè)發(fā)展在技術上取得了一定進步，尤其是在能源轉換技術上得到了很多創(chuàng)新，而催化轉換是用來解決能源問題的關鍵，探究催化在能源轉換中的作用顯得尤為重要。該文對催化在能源轉化中的作用進行了分析和探究，表現(xiàn)了催化在能源轉化中的重要作用。

關鍵詞：催化作用 能源轉化 化學工業(yè)

中圖分類號：TQ536 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0086-02

能源是人類賴以生存的基礎，也是工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的動力，如今，能源被分為一次能源和二次能源，被人們所熟知的能源，比如，天然氣能源、水能、電力能源、煤、地熱能源等被稱為一次能源，而這些能源經(jīng)過加工和轉換就成了二次能源，比如，液化氣石油、蒸汽、煤油等。在這些能源進行轉化過程中，有很多的能源需要經(jīng)過化學手法轉換成化工原料，在轉化過程中，催化在其中起到了非常重要的作用，已經(jīng)成為解決能源問題的關鍵，在為解決能源短缺以及增強能源二次利用方面起到了重要作用。

1 化石能源的催化轉化

新型的煤化工是一項基礎能源化工體系。但是和石油以及天然氣不同的是，煤化工能夠有效解決我國石油資源短缺的問題，并且能夠通過技術成功替代石油能源和天然氣能源。在我國能源安全油氣通道戰(zhàn)略中起到了重要作用。那么，各種化石能源是如何通過催化技術成功轉化的呢？具體內(nèi)容如下。

1.1 煤炭資源的催化轉化

在我國煤炭資源是利用率非常高的化石能源，人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)都已經(jīng)離不開煤炭資源，尤其是在發(fā)電方面，煤炭能源的作用更是無可替代，在整個發(fā)電過程中，煤炭資源大約占到了總能源利用的百分之七十，并且未來的發(fā)展方向是能源清潔和能源的高效利用。如果煤炭資源的有效利用率在每年能夠提高百分之五至百分之十，那么，我國每年就可以節(jié)省大約1億噸的煤炭資源。煤炭的清潔轉化和有效利用的方法采用的是直接液化、間接液化、焦化等方法，圖1為煤炭資源在利用過程中的催化流程。

1.2 石油利用中的催化轉化

石油是我國非常重要的石化能源，能夠被加工和利用成各種化學能源，在催化過程中會產(chǎn)生各種催化反應，比如，催化時產(chǎn)生的裂化、催化構成的異化、重整催化、烷基催化反應等，在催化時應用了加氫催化劑，加氫催化劑有氫脫硫劑和氫脫氮以及氫脫金屬劑等。在工業(yè)轉化過程中有很多的化工材料都是從石油中提煉出來的，可見，石油資源是多么重要。此外，在石油化工中大約有一半以上的化學生產(chǎn)過程應用了催化劑，應用催化劑產(chǎn)品在任何能源中都有體現(xiàn)。石油化工催化的整個流程中，對一些化工產(chǎn)品的應用有較為嚴格的要求，比如，一些質(zhì)量較差的化工原油或者是精制的燃油等，在生產(chǎn)和轉化過程中要保持清潔無污染。

在石化工業(yè)生產(chǎn)中，綠色化工是未來重要的發(fā)展趨勢，生產(chǎn)條件要符合各項生產(chǎn)指標，能源要實現(xiàn)循環(huán)利用和可再生利用，并且要在生產(chǎn)過程中使能源實現(xiàn)最低損耗，最低排放量。因此，綠色化工生產(chǎn)必須采用無毒、無添加劑的原料，生產(chǎn)過程中的化學反應過程一定要采用環(huán)保型和節(jié)約型工藝，這樣才能使催化劑真正發(fā)揮作用。所以，綠色化學工業(yè)生產(chǎn)的重點是開發(fā)和利用高效節(jié)約型的催化劑。石油的催化轉化過程如圖2所示。

1.3 天然氣利用時的催化轉化

在世界上，天然氣資源總量比起石油資源還要多，并且，隨著清潔能源利用率的增加，在新時期，天然氣能源的利用率將成為能源利用的主體，并會在2050年實現(xiàn)突破，在所有能源利用中占一半數(shù)量。但是，在化學工業(yè)利用率方面，天然氣利用成本要比其他的化工能源高。這是因為石油資源中含量很多的化學物質(zhì)，在催化生產(chǎn)中能夠被分解成單個的化學物質(zhì)，但是天然氣中的主要原料是甲烷，在催化過程中能夠?qū)⒓淄榉纸獬蓛刹糠?，分別是碳和烯烴。

鑒于天然氣能源的特殊性，要想對其進行催化轉化必須考慮到其內(nèi)在的化學物質(zhì)和轉化的成本，相比其他的能源催化轉化來說有一定的難度。應用高活性的新型催化技術是能夠有效解決這些問題。天然氣的轉化應用兩種方法，分別是直接轉化和間接轉化。通過催化可以將天然氣直接催化為甲醇或甲醛、氧化偶聯(lián)制乙烯、甲烷無氧構化、鹵代甲烷等。

2 新能源以及可再生能源的催化轉化過程

新能源已經(jīng)成為新時期經(jīng)濟建設的主要能源，這些新能源和可再生能源克服了傳統(tǒng)能源利用率低、開采困難等缺點，在實現(xiàn)清潔生產(chǎn)和綠色生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要作用。這些新能源和可再生能源包括，生物能、風能以及地熱能、海洋能等。下面就對這些能源的催化過程進行具體論述。

2.1 生物能源

生物能源是一種碳含量非常豐富的可再生能源。在所有的可再生能源中，占重要作用，并且該資源綠色無污染，二氧化碳的排放量比其他任何能源都少，產(chǎn)量也非常豐富。此外，生物能源已經(jīng)逐漸替代了化石能源，實現(xiàn)了石油經(jīng)濟向生物經(jīng)濟的轉變，逐漸替代了傳統(tǒng)的化石能源產(chǎn)品，化學材料中生物類的原材料成為了主體。因此，我國正在積極研究該能源的催化轉化方法，爭取實現(xiàn)該能源的高效利用。

生物能源大都來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的廢棄物中，還有很多存在土地種植的能源植物中。通過各項調(diào)查顯示，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活消費中，作物秸稈量在百分之二十，取暖薪柴占百分之十，煤炭資源的利用率占百分之二十五，電力能源占百分之三，沼氣占百分之一，石油液化能源占百分之二十二。在很多的農(nóng)村地區(qū)，大量的作物秸稈除了用作動物飼料以及造紙以外，很多都被當燃料使用，據(jù)統(tǒng)計，每年被當做燃料使用的秸稈在5萬噸左右，據(jù)計算這些秸稈可以替代大約3萬噸的石油。

生物能源可以轉化為生物氣體、液化氣體和發(fā)電能源等。在熱化學轉化方法中應用的技術有生物氣化多聯(lián)生產(chǎn)技術和多聯(lián)產(chǎn)技術，在這些技術應用下可以將生物質(zhì)轉化為可以利用的燃氣資源，完全可以當做生活煤氣使用，并能夠用來發(fā)電，實現(xiàn)了氫元素的轉化，形成了液化燃料的合成，做到了生物質(zhì)能和高效使用。

生物化學轉化可以直接利用植物油提純法加工和提煉，也可以應用生物質(zhì)致密成塊的方法。由此，生物質(zhì)轉化可以看作是化學的催化過程，也可以是化學工業(yè)技術與生物技術的有機結合。在加工過程中，要重視生物催化的轉化過程，還要重視化學催化的應用，使兩者有機結合，才能使生物質(zhì)能真正發(fā)揮作用。

當今社會生物加工技術得到了飛速發(fā)展，可以實現(xiàn)對各種可再生能演進行加工、提煉，并成功轉化成化學產(chǎn)品、醫(yī)藥用品以及飼料等。在化學工業(yè)飛速發(fā)展的今天，生物質(zhì)能必將對社會經(jīng)濟發(fā)展帶來推動作用，能夠更多的順應我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的要求。比起碳氫化合物的經(jīng)濟效益，碳水化合物與農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的距離更近。因為很多的生物原料都不是集中分布的，能源分布大致呈現(xiàn)分散狀態(tài)，對于農(nóng)業(yè)和工業(yè)體系來說，分散生產(chǎn)以及分散性的銷售都會產(chǎn)生不好的影響，還會影響到產(chǎn)業(yè)間的互補。這足以顯示提高經(jīng)濟生產(chǎn)的安全性是非常重要的，能夠克服資源分散的不足。

2.2 太陽能

太陽能可以在被轉化為化學能源，轉化后的太陽能利用率非常高，儲存和運輸更加方便，轉化的化學物質(zhì)有甲烷和甲醇以及氨。氨在轉化和輸送具體的流程如圖3所示。

這種轉化系統(tǒng)為封閉的，能夠有效減少能源的消耗和浪費，并且能夠減少污染物的產(chǎn)生和釋放，因此對環(huán)境污染影響非常少。甲烷的重整合成是甲烷加工的重要內(nèi)容，在氫的合成以及甲醇生產(chǎn)過程中被廣泛應用。甲烷重整反應是非常強烈的，在反應過程中溫度可以達到500℃，在這個溫度下能夠合成氣體，反應物被轉化的幾率在高溫狀態(tài)下非常大，可以應用在太陽能和核能的加工轉化中。通過重整反應后形成的合成氣可以通過管道實現(xiàn)遠程運輸，并可以通過放熱反應釋放出各種熱量和能量，以此實現(xiàn)了能源的轉化和輸送。

但是如果將太陽能和甲烷進行結合以后，生成的合成氣可以放在室內(nèi)貯存，還可以遠距離的實現(xiàn)運輸，被廣泛應用到了化學工業(yè)原料的制作、熱電廠的發(fā)電中，也可以通過添加一些催化劑生成氫元素，成為制作電池的材料。二氧化碳可以當作重整的原料應用到太陽能的反應器中，這種方式是合理應用能源的結果。

2.3 氫能

氫能是二次能源中非常重要的一種可再生能源，并被列入了我國重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略中，重點發(fā)展的產(chǎn)品有氫能和氫燃料制作的電池等。氫元素是目前世界上分布最多的一種能源，整體質(zhì)量在宇宙中占一半以上。其導熱性能非常優(yōu)越，熱能產(chǎn)值非常高，是汽油熱能產(chǎn)值的4倍，并且氫能源本身無毒無污染，是一種非常好的清潔能源。氫能源可以被轉化為電能和熱能，并能產(chǎn)生機械功率，可以真正實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。氫能的來源以及轉化技術有以下兩大類：通過化石能源轉化的氫能源，技術為工業(yè)副產(chǎn)氣和回收氫。進行這項轉化時首先要將氫氣化，并要經(jīng)過碳元素轉化，脫離出二氧化碳；應用可再生能源制作的氫，主要應用太陽能分解技術，包括太陽能熱解和太陽能的光催化水解技術。

3 結語

該文主要介紹了一些能源進行催化的過程，并探討了傳統(tǒng)的化學工業(yè)能源和二次能源的特點和對于工業(yè)生產(chǎn)起到的重要作用。表現(xiàn)了能源在經(jīng)過催化轉化后利用率會大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的可持續(xù)利用。

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