煤化學(xué)的前沿與挑戰(zhàn)_結(jié)構(gòu)與反應(yīng)_劉振宇

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1、中國科學(xué):化學(xué)2014年第44卷第9期:1431~1438SCIENTIASINICAChimicawww.scichina.comchem.scichina.com《中國科學(xué)》雜志社SCIENCECHINAPRESS評述中國科學(xué)院學(xué)部科學(xué)與技術(shù)前沿論壇化工學(xué)科發(fā)展與協(xié)同創(chuàng)新專刊煤化學(xué)的前沿與挑戰(zhàn):結(jié)構(gòu)與反應(yīng)劉振宇北京化工大學(xué)化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029E-mail:liuzy@mail.buct.edu.cn收稿日期:2014-05-31;接受日期:2014-06-30;網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表日期:2014-08-14doi:10.1360/

2、N032014-00159摘要任何物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)均與其結(jié)構(gòu)有關(guān),煤也不例外.人類對煤研究和利用的歷關(guān)鍵詞煤化學(xué)史一直包括對煤的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)的探索,依據(jù)從不同層面得到的信息提出了許多煤結(jié)構(gòu)模型煤結(jié)構(gòu)并用多種方式表述了煤的反應(yīng)行為.然而到目前為止,這些探索還沒有達(dá)到準(zhǔn)確解析化學(xué)現(xiàn)反應(yīng)性象所要求的“分子水平”.本文簡要分析了“煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)”的認(rèn)識發(fā)展過程,并結(jié)合自己的思考和研究結(jié)果,試圖提出從分子水平進(jìn)一步發(fā)展煤化學(xué)的思路和挑戰(zhàn),以供參考.1引言噸/年的FT裝置實(shí)現(xiàn)了滿(或超)負(fù)荷運(yùn)行.此外,1920人類用煤歷史悠久,我國可追溯到公元前1000年[1],公

3、元前300年的《山海經(jīng)》中有對煤炭產(chǎn)地的記述[2],在隨后的西漢年間開始了規(guī)模采煤和冶鐵[3].年德國在Siemens兄弟開發(fā)的塊煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了移動床煤氣化技術(shù)(Lurgi),同時開發(fā)了流化床煤氣化技術(shù)(Winkler),20世紀(jì)50年代開發(fā)了粉煤氣流床技術(shù)(KT爐)[1].由此可見,現(xiàn)代煤化工技術(shù),國外對煤的最早描述大概是在公元前238年,亞里士大多是在前人成功工業(yè)實(shí)踐基礎(chǔ)上的再創(chuàng)新或技術(shù)多德的學(xué)生Theophrastus描述了煤的性質(zhì)、資源和使用(包括鐵匠用煤)[1].煤的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用約始于18進(jìn)步,其所面臨的挑戰(zhàn)是技術(shù)發(fā)展中的問題,不

4、是顛覆性的.但是需要指出,目前取得成功的煤轉(zhuǎn)化技術(shù)世紀(jì)30年代,當(dāng)時煤炭代替木炭煉鐵不僅大大促進(jìn) 大部分為高溫反應(yīng)技術(shù)(如煤氣化和電石生產(chǎn))或煤了工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,奠定了英國19世紀(jì)的工業(yè)霸權(quán),而且還保護(hù)了森林[1].經(jīng)高溫氣化轉(zhuǎn)化為簡單物質(zhì)(CO+H2,簡稱合成氣)后的后續(xù)轉(zhuǎn)化技術(shù)(如甲醇和氨的合成及FT合成),而目前,全球使用或研發(fā)的煤轉(zhuǎn)化(化工)技術(shù)大部高溫條件下煤組成和結(jié)構(gòu)的差異對其反應(yīng)性的影響分源于20世紀(jì)初,并在20世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用. 較小.然而,那些在相對溫和條件下運(yùn)行的煤轉(zhuǎn)化技例如,德國BergiusF.于1913年獲得了煤直接液化

5、制 術(shù)的發(fā)展并不順利,如煤的熱解和直接液化,這在很油專利,并因此于1931年獲得了諾貝爾化學(xué)獎,1944 大程度上是因?yàn)槊航Y(jié)構(gòu)的差異對反應(yīng)的影響很大,而年德國煤直接液化油的年產(chǎn)量達(dá)到423萬噸[4];2013人們對以煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)為主要內(nèi)容的煤化學(xué)的認(rèn)識還年我國神華集團(tuán)的100萬噸/年煤直接液化油生產(chǎn)線 不夠深入和清晰.達(dá)到了設(shè)計運(yùn)行天數(shù);德國FischerF.和TropschH.人們對煤化學(xué)研究的歷史可追溯到1780年對焦于1923年發(fā)現(xiàn)了煤間接液化(FT合成)路線,1944年炭和水蒸氣反應(yīng)的研究[1].雖然人們很早就開始由煤德國FT油產(chǎn)量達(dá)到57萬噸

6、;南非自20世紀(jì)50年代煉焦并于1600年開始從煉焦中回收焦油,但這些均以來實(shí)現(xiàn)了FT合成的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用,年產(chǎn)500萬屬于經(jīng)驗(yàn)性技藝,直到1780年,化學(xué)科學(xué)研究所需噸油品和260萬噸化學(xué)品[5].近幾年,我國3套16萬要的必要條件才基本具備,如壓力(1643年)和溫度劉振宇:煤化學(xué)的前沿與挑戰(zhàn):結(jié)構(gòu)與反應(yīng)(1714年)的準(zhǔn)確測定、理想氣體常數(shù)R和絕對零度 (1778年)的確定[6]以及包含煤中主要元素在內(nèi)的30期以來人們主要依賴煤的元素分析與工業(yè)分析來表征煤.一些人認(rèn)為,煤的元素組成屬于煤微觀層面的性余種元素的發(fā)現(xiàn).然而,隨后快速發(fā)展的化學(xué)科學(xué)卻質(zhì)

7、或分子層面的信息,其實(shí)不然.由上段敘述可知,沒有很好地擴(kuò)展到煤化學(xué)范疇,致使人們對煤結(jié)構(gòu)同一煤中不同巖相組分的元素組成不同,不同煤中相和反應(yīng)的認(rèn)識進(jìn)展緩慢,至今仍基本處于概念表述同巖相組分的元素組成也不同.因此,煤的元素組成和經(jīng)驗(yàn)范疇.本文將簡述人們對煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)認(rèn)識僅是其非均質(zhì)(heterogeneous)局部元素組成的宏觀平的發(fā)展?fàn)顩r,分析煤化學(xué)深入發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn).均值,反映的僅是煤的宏觀性質(zhì),并非分子層面的信息.例如,雖然人們可以從煤、石油和生物質(zhì)元素組成2前人對煤組成和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識的差異來說明它們反應(yīng)的不同,但很難知道“不同”的程度.顯然,表述

8、物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)差異的本質(zhì)信息是連煤來源于植物,該認(rèn)識可以追溯到1598年[1].現(xiàn)接元素的化學(xué)鍵