煤化学的前沿及挑战_结构及反应_刘振宇.pdf

中国科学: 化学 2014 年 第44 卷 第9 期: 1431 ~ 1438 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 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 100029 E-mail: liuzy@ 收稿日期: 2014-05-31; 接受日期: 2014-06-30; 网络版发表日期: 2014-08-14 doi: 10.1360/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 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 煤化学 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 年德国在Siemens 兄弟开发的块煤气化技术的基础上 人类用煤历史悠久, 我国可追溯到公元前 1000 开发了移动床煤气化技术(Lurgi), 同时开发了流化 年[1], 公元前300 年的《山海经》中有对煤炭产地的 床煤气化技术(Winkler), 20 世纪50 年代开发了粉煤 [2] [3] 记述 , 在随后的西汉年间开始了规模采煤和冶铁 . 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 进步, 其所面临的挑战是技术发展中的问题, 不是颠 用(包括铁匠用煤)[1]. 煤的大规模工业应用约始于 18 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, 经高温气化转化为简单物质(CO+H2, 简称合成气)后 [1] 而且还保护了森林 . 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Bergius F.于1913 年获得了煤直接液化制 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