煤化学的前沿与挑战_结构与反应_刘振宇

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1、中国科学:化学2014年第44卷第9期:1431~1438SCIENTIASINICAChimicawww.scichina.comchem.scichina.com《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS评述中国科学院学部科学与技术前沿论坛化工学科发展与协同创新专刊煤化学的前沿与挑战:结构与反应刘振宇北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室,北京100029E-mail:liuzy@mail.buct.edu.cn收稿日期:2014-05-31;接受日期:2014-06-30;网络版发表日期:2014-08-14doi:10.1360/

2、N032014-00159摘要任何物质的化学反应性质均与其结构有关,煤也不例外.人类对煤研究和利用的历关键词煤化学史一直包括对煤的结构与反应的探索,依据从不同层面得到的信息提出了许多煤结构模型煤结构并用多种方式表述了煤的反应行为.然而到目前为止,这些探索还没有达到准确解析化学现反应性象所要求的“分子水平”.本文简要分析了“煤结构和反应”的认识发展过程,并结合自己的思考和研究结果,试图提出从分子水平进一步发展煤化学的思路和挑战,以供参考.1引言吨/年的FT装置实现了满(或超)负荷运行.此外,1920人类用煤历史悠久,我国可追溯到公元前1000年[1],公

3、元前300年的《山海经》中有对煤炭产地的记述[2],在随后的西汉年间开始了规模采煤和冶铁[3].年德国在Siemens兄弟开发的块煤气化技术的基础上开发了移动床煤气化技术(Lurgi),同时开发了流化床煤气化技术(Winkler),20世纪50年代开发了粉煤气流床技术(KT炉)[1].由此可见,现代煤化工技术,国外对煤的最早描述大概是在公元前238年,亚里士大多是在前人成功工业实践基础上的再创新或技术多德的学生Theophrastus描述了煤的性质、资源和使用(包括铁匠用煤)[1].煤的大规模工业应用约始于18进步,其所面临的挑战是技术发展中的问题,不

4、是颠覆性的.但是需要指出,目前取得成功的煤转化技术世纪30年代,当时煤炭代替木炭炼铁不仅大大促进 大部分为高温反应技术(如煤气化和电石生产)或煤了工业技术的发展,奠定了英国19世纪的工业霸权,而且还保护了森林[1].经高温气化转化为简单物质(CO+H2,简称合成气)后的后续转化技术(如甲醇和氨的合成及FT合成),而目前,全球使用或研发的煤转化(化工)技术大部高温条件下煤组成和结构的差异对其反应性的影响分源于20世纪初,并在20世纪中期实现了工业应用. 较小.然而,那些在相对温和条件下运行的煤转化技例如,德国BergiusF.于1913年获得了煤直接液化

5、制 术的发展并不顺利,如煤的热解和直接液化,这在很油专利,并因此于1931年获得了诺贝尔化学奖,1944 大程度上是因为煤结构的差异对反应的影响很大,而年德国煤直接液化油的年产量达到423万吨[4];2013人们对以煤结构和反应为主要内容的煤化学的认识还年我国神华集团的100万吨/年煤直接液化油生产线 不够深入和清晰.达到了设计运行天数;德国FischerF.和TropschH.人们对煤化学研究的历史可追溯到1780年对焦于1923年发现了煤间接液化(FT合成)路线,1944年炭和水蒸气反应的研究[1].虽然人们很早就开始由煤德国FT油产量达到57万吨

6、;南非自20世纪50年代炼焦并于1600年开始从炼焦中回收焦油,但这些均以来实现了FT合成的大规模工业应用,年产500万属于经验性技艺,直到1780年,化学科学研究所需吨油品和260万吨化学品[5].近几年,我国3套16万要的必要条件才基本具备,如压力(1643年)和温度刘振宇:煤化学的前沿与挑战:结构与反应(1714年)的准确测定、理想气体常数R和绝对零度 (1778年)的确定[6]以及包含煤中主要元素在内的30期以来人们主要依赖煤的元素分析与工业分析来表征煤.一些人认为,煤的元素组成属于煤微观层面的性余种元素的发现.然而,随后快速发展的化学科学却质

7、或分子层面的信息,其实不然.由上段叙述可知,没有很好地扩展到煤化学范畴,致使人们对煤结构同一煤中不同岩相组分的元素组成不同,不同煤中相和反应的认识进展缓慢,至今仍基本处于概念表述同岩相组分的元素组成也不同.因此,煤的元素组成和经验范畴.本文将简述人们对煤结构和反应认识仅是其非均质(heterogeneous)局部元素组成的宏观平的发展状况,分析煤化学深入发展所面临的挑战.均值,反映的仅是煤的宏观性质,并非分子层面的信息.例如,虽然人们可以从煤、石油和生物质元素组成2前人对煤组成和结构的认识的差异来说明它们反应的不同,但很难知道“不同”的程度.显然,表述

8、物质化学性质差异的本质信息是连煤来源于植物,该认识可以追溯到1598年[1].现接元素的化学键