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化工学科建设30周年系列活动----之王建国研究员讲座
2014-11-14 09:28  
讲座题目:若干煤转化过程的研发与工业示范
讲座人:王建国
讲座时间:11月20日(星期四)下午16:00
讲座地点:西安交通大学教学二区ag亚集团官方网站办公楼一层104会议室
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讲座人概况:
王建国,理学博士,研究员、博士生导师。
??????? 1985年毕业于兰州大学化学系,同年考取本校研究生。1988年获硕士学位后到太原工业大学应用化学系工作。1991年考入中科院山西煤化所攻读博士学位,1995年取得博士学位。1996年作为洪堡学者,赴德国Erlangen大学做博士后。1998年回国任山西煤化所研究员,2000年入选中科院“百人计划”。现任山西煤化所所长、煤转化国家重点实验室主任,全国催化专业委员会副主任。
?????? 主要开展煤转化过程中催化与反应工程基础研究与技术研发。在不同尺度上对催化剂结构、表面性质与催化性能的内在联系、超临界相和反应耦合促进化学反应的本质等进行了理论研究与实践探索。在甲醇制丙烯、苯羟化制苯二酚、CO低温氧化、煤层气脱氧催化剂与反应工艺研究方面取得了进展。
??????? 主持完成了国家基金重大项目“能源发展中的若干关键化学科学基础问题”等项目。现主持科技部973“褐煤清洁高效转化的催化与化学工程基础”、国家基金仪器专项“真实反应条件下催化剂动态微观结构原位表征装置”和中科院战略性科技先导专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”等项目。发表国际刊物论文170余篇、参与编写专著6部,授权专利19件。
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讲座内容摘要:
若干煤转化过程的研发与工业示范

中科院山西煤炭化学研究所,王建国

?????? 在世界能源结构中,煤炭长期处于非常重要的位置。我国的能源状况尤其如此,以煤为主的能源结构在未来相当长时期内不会改变。煤炭是一种劣质能源,使用中已经带来了一系列生态、环境问题,因此煤炭的清洁高效利用就显得尤为重要。煤转化利用就是一个重要的方向,它符合我国国情,是保障油气供应安全、推动能源结构调整的迫切需要和现实选择。
?????? 煤转化包括直接转化与间接转化,直接转化是煤在高温高压下经催化加氢转化为油品和化学品。间接转化是将煤气化转化为CO和H2,即合成气,再在催化剂的作用下转化为液体燃料和化学品,主要途径有2个,一是经过费托反应合成烃类;一是经过含氧化合物,主要是甲醇转化为液体燃料和化学品。煤转化利用过程是大系统,投资极高,产品种类丰富,其学科基础是一碳化学与催化化学。相关催化过程的研究,必须同时进行热力学、动力学与反应工程的分析,注重实验研究与理论计算的结合,以基础研究推动关键技术的研发。
中科院经过30多年持续不断的研发,掌握了国际领先的煤炭清洁高效转化利用技术。百万吨级煤制油、60万吨煤制烯烃和20万吨煤制乙二醇技术已全部实现工业应用。在此基础上,针对占我国已探明储量一半以上的低阶煤,汇聚全院优势单位,并与煤炭能源企业密切合作,组织实施了战略性科技先导专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”,力争用5年左右的时间,突破10项以上重大关键示范技术,形成适合我国资源特征的高能效、低污染、低排放和高值化的低阶煤综合利用技术体系,使系统能量利用效率提高5–8个百分点,硫、硝、重金属和CO2等污染物排放显著降低,推动我国煤电和煤化工行业的技术进步。
(1)费托合成催化剂与反应工艺
?????? 在持续深入的基础研究引导下,我国的铁基浆态床费托合成技术处于国际领先水平,催化剂产能、时空收率、和能量转换效率等主要指标明显超过国外同类技术。在催化剂方面,研究深入到了活性相的结构与表面,发现了甲烷形成的根本原因,并在实验上找到了抑制甲烷、增加油品收率的方法。认识到了催化剂助剂K对暴露更多的铁微晶高活性晶面(211)和(310)的促进作用,实现了产物分布的调控。在反应器方面,通过流体力学计算和实验模拟,优化了内构件、换热器结构及其分布,研发出了高效的产品-催化剂分离技术。在动力学研究的引导下,反应器直径由5 m放大到10 m,单台反应器的产能达到80万吨。通过系统集成,丰富了产品结构,提高了系统的能效和经济性,减少了排放,也带动了一批单元技术走向产业化应用。以润滑油基础油、高纯蜡和溶剂油为目标产品的钴基固定床费托合成技术也取得了突破,完成了5000吨工业侧线,正在潞安集团实施10万吨工业示范,成功后,将用于改造一批30万吨的甲醇生产装置。
(2)甲醇转化制烃类催化反应机理
??????? 甲醇是煤转化过程的平台化合物。在不同的分子筛催化剂上,甲醇可以转化为烯烃、芳烃和烷烃,转化率100%。技术的关键是催化剂的选择性和稳定性,这和反应机理密切相关。从化学的角度看,甲醇转化为烃类的共同点是C-O键转变成C-C。过去曾经提出20多种直接转化机理,后来发现都站不住脚,现在普遍认为是烃池机理,但说明不了C-C键的起源。通过同位素标记实验,获得了直接转化机理的有力证据。脉冲实验发现,甲醇的转化有明显的诱导期,二甲醚几乎没有,即使在甲醇诱导期以后的催化剂上通入二甲醚,转化率增加也不多。为此,提出了甲醇转化的机理,并得到了实验的证明,解决了C-C键的起源问题。其中理论计算发挥了重要的作用,它能够很快地检验所设想的反应机理是否合理,而在实验上要做的就是捕获反应的中间物种。
(3)油品加氢超深度脱硫催化剂动态结构变化
环保法规对油品的含硫量限制愈来愈严格,化学品的生产更需要将硫含量降低到极低水平,这就需要对油品和化学品进行超深度脱硫。传统的方法很难将硫含量脱除到1ppm以下,现有的技术中,反应-吸附脱硫是比较有效和经济的方法。大家将油品加氢脱硫的活性组分Ni与煤化工中常用的吸附脱硫剂ZnO相结合,制备出了加氢反应-吸附超深度脱硫催化剂,在比较温和的条件下可将汽油和柴油中的硫降低到0.5 ppm以下,并在30 kt/a装置上长周期运行。采用同步辐射技术,对催化反应过程和催化剂的动态微观结构进行了原位在线检测与表征,提出了反应机理模型。
(4)原子与能量经济的加氢-脱氢反应耦合
能源化工过程中有大量的加氢和脱氢反应。加氢反应需要大量的氢气,反应为放热过程;脱氢反应产生大量的氢气,为吸热过程。如果能将特定的加氢反应和脱氢反应过程进行耦合,则既可以推动化学反应平衡,又能实现原子和能量的经济性。但耦合反应不是两个反应的简单加和,对两个反应都有效的催化剂对耦合反应并不一定有效。本文将糠醛加氢制 2-甲基呋喃与1,4-丁二醇脱氢制 g-丁内酯反应进行了耦合,利用氢溢流原理设计制备出了性能优良的Cu-Pd-Zn-Al催化剂,并在3 kt/a装置上实现了工业应用。糠醛和1,4-丁二醇的转化率接近100%,产物2-甲基呋喃与g-丁内酯的选择性均在95%以上,由于两种产物的沸点相差很大,分离容易。实际生产过程中,系统充氢启动后,不再需要补氢;基本不需供热,温度容易控制;氢气的存在有利于消除催化剂的积炭,寿命延长了10倍;产能大幅度提高,反应器仅为原来的1/8。
(5)含氧煤层气脱氧催化剂与流化床工艺
?????? 煤矿抽采煤层气因含有氧气,在管输、分离浓缩过程中存在潜在危险。煤层气脱氧技术中最直接、最安全的方法是催化燃烧法,采用的催化剂有贵金属和非贵金属两类。反应工艺采用固定床绝热反应器,存在单程转化率低、气体循环量大、过程能耗高等缺点。流化床反应器具有传热效率高、流化颗粒能容易地加入或取出、气体处理量大、热量回收容易等明显优势,特别适用于强放热的煤层气脱氧反应。大家将煤层气脱氧催化剂与流化床技术集成,成功研制出了一种高催化活性、高稳定性、高机械强度、价格只有贵金属催化剂百分之五的非贵金属煤层气脱氧催化剂,采用流化床工艺能在空速1000-30000 h-1、常压、反应温度400-750 oC下,将煤层气中氧含量由4-14%一次性脱除到0.2%,无需循环,完全达到煤层气后续加工操作的要求,同时还可以将脱氧反应热回收,已完成300 Nm3/h的中试。
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