【2017年整理】氢能时代的绿色化学.doc

氢能时代的绿色化学聂国印 1聂旭春 2（1、内蒙古自治区煤田地质局，2、内蒙古工业大学）摘 要 ： 氢 能 时 代 的 绿 色 化 学 ： 建立分子结构模型数据库及分子模拟技术，使得在化学分子设计、合成设计、实验控制与模拟中有了理想工具借鉴相关学科如：理论化学、计算化学、量子化学的经验，尽快实现绿色化学但是，分子结构模型数据库及分子模拟技术属于公益性技术成果，得由国家层面组织专业队伍来完成关键词：氢能时代；绿色化学；化学；创客空间；绿色化工；发展空间1.氢 能 时 代煤炭气流床气化技术特点：气化剂为水蒸气和氧；煤种适应宽；反应物在炉内停留时间短，反应时间约为 1s～3s；气化温度高达 1500℃，灰渣以熔融状态排出，熔渣中含碳量低；气化压力 4-6.5MPa；出炉煤气的组分以 C0，H 2，C0 2和 H2O 为主，CH 4含量很低，产品中不含焦油，不产生含酚废水，烟气净化装置简单影响气流床气化的主要因素：气化温度；气化压力；氧煤比；蒸汽煤比；气化炉结构 ［1］煤炭、石油、生物质都是复杂的高分子有机化合物，主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，而碳、氢、氧三者总和约占有机质的 95%以上，均可以缩写为 CxHyOz。

石油、生物质气化条件全面借鉴煤炭气化的温度、压力、气化炉结构，根据不同的碳氢化合物（CxHyOz）的碳、氢、氧的元素比例，选择试验不同的像氧煤比（nO 2）、蒸汽煤比（mH 2O），使总体反应向有效气 CO+H2含量高的方向进行 ［2］煤炭、石油、生物质气化为氢能时代解决了氢源问题，低 温 燃 料 电 池 已 成 功 地 进 入 商 业 化时 代 ， 给 “氢能时代”的氢能全面利用奠定了基础；只要解决好氢气和一氧化碳的储存、运输问题即将进入氢能时代；氢能时代已经步入了我们的生活，只是我们还没有深刻的认识到2.绿 色 化 学2.1 化 学化学是在原子层次上研究物质的组成、结构、性质、及变化规律的自然科学化学是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是社会文明的重要标志；化学工业从它形成之时起，就为各工业部门提供必需的基础物质；作为各个时期工业革命的助手，正是它所担负的历史使命2.1.1 化 学 的 历 史 悠 久 性化学的发展历史分为：萌芽时期、丹药时期、燃素时期、发展期；现代时期；人类从学会使用火开始，逐步认识和改造物质世界已有 5000 年历史2.1.2 化 学 的 活 力随着科学技术的发展，人类已经从认识物质世界到创造物质的时代，例如：50 年代德国化学家齐格勒与意大利化学家塔纳分别发明金属络合配位催化剂制得低压聚乙烯和有规聚丙烯，这无疑是划时代的发明；特别应当提起的是，在航天技术中，火箭或人造卫星壳体从外部空间回到大气层时，速度高，表面温度可达 5000～10000 摄氏度，没有一种天然材料或金属材料能经受这种高温，但增强塑料可以胜任，因为它遇热燃烧分解，放出大量挥发气体，吸收大量热能，使温度不致过高。

现代的高分子化学已经能够通过分子设计可以合成不同结构的嵌段共聚物，合成特种功能材料和智能材料此外采用高分子与无机粒子复合材料，将无机粒子引入聚合物中制取有机、无机高分子将会有大发展化学是搭原子积木，其活力无限2.1.3 化 学 的 两 面 性化学工业一方面给各工业部门提供必需的基础物质，同时也给地球带来了严重的污染而每一门科学的发展史上都充满着探索与进步，由于科学中的不确定性，化学家在研究过程中不2可避免地会合成出未知性质的化合物，只有通过长期应用和研究才能熟知其性质，这时新物质可能已经对环境或人类生活造成了影响于是绿色化学在二十世纪九十年代应运而生化学也存在惯性思维束缚创造性思维的枷锁，如：有机化学和无机化学是在人类认识过程形成的，其实自然界存在很多的交叉化合物；化学工业的绝大多数工艺都是 20 多年前开发的，有很多工艺污染大于产出，需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学；1934 年人们就认识到石油气化能产生合成气进行费托合成，就执着地研究各种费托合成催化剂和合成工艺，却没有人创新地思考能源部分直接利用石油气化的氢气和一氧化碳， ［3］ 这符合绿色化学的原子经济2.2 绿色化 学2.2.1 绿色化 学 的 诞 生1990 年，美国通过了一个“防止污染行动”的法令。

1991 年后，“绿色化学”由美国化学会（ACS）提出并成为美国环保署（EPA）的中心口号，并立即得到了全世界的积极响应2.2.2 绿色化 学 的 演 绎绿色化学是以“防止污染行动”为目的发起的，随后演绎为：开发"原子经济"反应，采用无毒、无害的原料，采用无毒、无害的催化剂，采用无毒、无害的溶剂，利用可再生的资源合成化学品，环境友好产品2.2.3 绿色化 学 的 最 新 动 态中国化学工业出版社何晓春主编的化学与生活中，已将绿色化学品的设计及分析化学合成引入绿色化学范畴即：传统的功能化学品的设计，只重视了功能的设计，忽略了对环境及人类危害的考虑，而在绿色化学品的设计中，要求产品功能与环境影响并重；随着分子结构与性能数据库的建立及分子模拟技术的发展，使得在化学分子设计、合成设计、实验控制与模拟中有了理想工具，利用大量实验数据进行综合分析，建立结构-活性关联的分子模型，为绿色化学品的设计提供保障，从而避免了茫然无边的实验探索，减少了能源和材料浪费以及由此造成的环境污染 ［4］2.2.4 绿色化 学 的 发 展 方 向建立分子结构模型数据库及分子模拟技术，使得在化学分子设计、合成设计、实验控制与模拟中有了理想工具。

借鉴相关学科如：理论化学、计算化学、量子化学的经验，尽快实现绿色化学但是，分子结构模型数据库及分子模拟技术属于公益性技术成果，得由国家层面组织专业队伍来完成2.2.5 将绿色化 学 引 入 创 客 空 间近年来随着创客空间的诞生，其发展速度飞快，但是由于化学试剂具有危险性，创客空间缺少化学元素利用数学的、物理的是能创造，但是有了化学能实现更大的创造有了绿色化学的引入，可以大大增加创客空间的创业几率3. 氢能时代的绿色化工绿色化工应遵循：先将反应物提纯净化，物理提纯优于化学提纯；减少副反应发生提高目的产物收率；全面管控有害污染物，如硫、磷、氮的循环利用，二氧化碳能源化利用用绿色化学理论对传统的化工工艺进行全面优化升级化工按用途可大致分为：能源化工，有机原料化工，无机原料化工，金属冶炼其中能源化工是占大多数的3.1 能源化工能源化工指用作燃料部分的能源，包括煤化工，石油化工，生物质化工，天然气化工根据煤炭的碳氢元素比例远大于石油、生物质，煤炭适合气化制备有机化工原料和氢气，集中捕集二氧化碳，石油、生物质适合气化制备氢气和一氧化碳3.1.1 化工与用水的关系3有些领导和专家一提化工就惯性思维：化工用水量太大。

其实化工过程中气化一部分水，尤其是一氧化碳转变为二氧化碳过程中，每一分子一氧化碳气化一分子水变成一分子二氧化碳，一氧化碳是气化水的最有利途径 ［5］ 但是在化工设计环节应尽可能减少物理消耗部分的用水量，达到节能降耗的目的国家还应加大南水北调的力度，满足绿色化工的用水量3.1.2 煤化工通过十一五和十二五的不断开发和产业化，我国煤化工技术和装备正在趋于成熟，并在一些领域居于世界前列，我国煤化工发展具备了技术条件从已投产的煤化工项目运行情况看，效益较好，可与石油路线石化产品相比，煤基替代石化产品拥有较强的成本竞争力 ［6］ 煤化工将成为有机原料化工的主力军3.1.3 石油化工石油是液体，经过脱盐除杂后，不用粉碎研磨就可以采用具有自主知识产权的多喷嘴对置式气化炉气化，可以借鉴煤炭气化技术脱硫脱硝，直接利用氢气和一氧化碳，是完全可行的石油气化要比石油精炼简单的多，且产品单一，不用催化剂，直接利用氢气和一氧化碳,与燃油相比，减排二氧化碳、SO 2、NOx 等污染物3.1.4 生物质化工引进煤炭气化的经验生 物 质 气 化 实 质 上 是 可 行 的 ， 但 由 于 生 物 质 的 分 散 性 、 能 量 密 度 低 、气 化 方 法 和 条 件 选 择 不 对 ， 一 直 未 能 形 成 商 业 化 。

目前生物质气化发展主要障碍有：经济性；技术上焦油（焦油种类达 200 之多）污染解决不了3.1.5 天然气化工目前合成气主要是通过CH 4 水蒸气重整的方法制备，CH 4+H2O→CO＋3H 2 ；制约实现工业化生产的主要障碍在于缺乏廉价、高效、稳定的催化剂体系作者借鉴煤炭气化经验提出：天然气与二氧化碳进行重整，以气流床气化技术，将CO 2加热到1500℃从顶部进入，以CH 4为气化剂从底部逆流进入，气化压力4-6.5MPa，反应时间为1s～3s，出炉气的组分中H 2的含量在70%左右，CO在27%左右，烟气净化装置简单；既不使用催化剂，反应又迅速；只有重整-分离-提纯三个流程；然后依据目的产物配置H 2/CO摩尔比直接反应，省去了很多副反应这步反应很重要，尤其是提纯流程，它是CO间接转化的基础 [7]世界具有足够天然气储量与海量的CO 2进行重整，既没有资源的后顾之忧，又解决了二氧化碳资源化利用问题3.2 有机原料化工煤炭中各种复杂的化学键在气化温度 1500℃，压力 4-6.5MPa，反应时间为 1s～3s 的条件下断裂，只保留氢氢键和碳氧键，将复杂的碳氢化合物打回来原型合成气合成气又能组合生成各种有机化合物，如煤化工连芳烃都能制备了，煤化工将成为有机原料化工的主力军。

3.3 无机原料化工无机化工是无机化学工业的简称，以天然资源和工业副产物为原料生产硫酸、硝酸 、盐酸、磷酸等无机酸、纯碱、烧碱、合成氨、化肥以及无机盐等化工产品的工业包括硫酸工业、纯碱工业、氯碱工业、合成氨工业、化肥工业和无机盐工业广义上也包括无机非金属材料和精细无机化学品如陶瓷、无机颜料等的生产无机化工产品的主要原料是含硫、钠、磷、钾、钙等化学矿物无机原料化工大多数都是传统工艺，应用绿色化学进行全面优化升级3.4 金属冶炼氢气和一氧化碳都是气体，都是还原剂，神奇的是煤炭、石油、生物质等所有的碳氢化合物都能还原，形成以氢气和一氧化碳为主的稳定的混合气体，经过分离、提纯可以得到纯净的氢气和一氧化碳虽然理论上氢气和一氧化碳都具有还原性，但由于一氧化碳具有剧毒，氢气昂贵难制，又都没有大量应用于工业生产中随着煤炭气化制氢技术的成熟，是氢气和一氧化碳经济的大量应用于工业化生产的开始；是氢产业、一氧化碳产业的开始氢气和一氧化碳可以在铁冶炼、铝冶炼、铜冶炼、铅锌冶炼、高铝粉煤灰冶炼、多晶硅冶炼等行业发挥重要作用4［8］4. 化学的发展空间有机化学和无机化学是在人类认识过程形成的，其实自然界存在很多的交叉化合物，如人体中的铁蛋白、人工合成的三烷基铝等等。

无机分为酸、碱、盐，有机化合物分类复杂而又多，已知的有机化合物近 8000 万种，那么他们之间的复合产物将有多少没有人能说的清目前，有机酸的研究还不是很成熟，尤其是有机化学和无机化学交叉的有机酸盐研究处于起步阶段无机有机化合物如铁蛋白、三烷基铝等的研究还没有系统地开始采用高分子与无机粒子复合材料，将无机粒子引入聚合物中制取有机、无机高分子将会有大发展化学的发展空间是巨大的参考文献［1］赵旨厚．张大晶．河北化工．气流床气化方法的选择．第31卷第7期．［2］聂国印．聂旭春．城市建设理论研究．改变生物质气化条件气化城市垃圾．2013年7月．第十九期．总第086期．［3］聂国印，聂旭春．氢 能 时 代 的 碳 循 环 ．现代化工，2015年．05期．［4］何晓春．化学与生活．中国化学工业出版社．［5］聂国印，聂旭春．水在煤炭气化中的作用．百度文库．［6］田亚峻．中国煤化工现状与发展思考——写在“十三五”之前．煤化工，2014年12月，第6期（总第175期）．［7］聂国印，聂旭春．氢能时代的碳循环．百度文库．［8］聂国印，聂旭春．神奇的氢气和一氧化碳．城市建设理论研究，2013，。