催化在能源轉化中的作用分析

季德春 謝駿 邱彥濤

摘 要：隨著我國經濟發展水平的不斷提高，工業發展在技術上取得了一定進步，尤其是在能源轉換技術上得到了很多創新，而催化轉換是用來解決能源問題的關鍵，探究催化在能源轉換中的作用顯得尤為重要。該文對催化在能源轉化中的作用進行了分析和探究，表現了催化在能源轉化中的重要作用。

關鍵詞：催化作用 能源轉化 化學工業

中圖分類號：TQ536 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0086-02

能源是人類賴以生存的基礎，也是工業生產過程中必不可少的動力，如今，能源被分為一次能源和二次能源，被人們所熟知的能源，比如，天然氣能源、水能、電力能源、煤、地熱能源等被稱為一次能源，而這些能源經過加工和轉換就成了二次能源，比如，液化氣石油、蒸汽、煤油等。在這些能源進行轉化過程中，有很多的能源需要經過化學手法轉換成化工原料，在轉化過程中，催化在其中起到了非常重要的作用，已經成為解決能源問題的關鍵，在為解決能源短缺以及增強能源二次利用方面起到了重要作用。

1 化石能源的催化轉化

新型的煤化工是一項基礎能源化工體系。但是和石油以及天然氣不同的是，煤化工能夠有效解決我國石油資源短缺的問題，并且能夠通過技術成功替代石油能源和天然氣能源。在我國能源安全油氣通道戰略中起到了重要作用。那么，各種化石能源是如何通過催化技術成功轉化的呢？具體內容如下。

1.1 煤炭資源的催化轉化

在我國煤炭資源是利用率非常高的化石能源，人們日常生活以及工業生產都已經離不開煤炭資源，尤其是在發電方面，煤炭能源的作用更是無可替代，在整個發電過程中，煤炭資源大約占到了總能源利用的百分之七十，并且未來的發展方向是能源清潔和能源的高效利用。如果煤炭資源的有效利用率在每年能夠提高百分之五至百分之十，那么，我國每年就可以節省大約1億噸的煤炭資源。煤炭的清潔轉化和有效利用的方法采用的是直接液化、間接液化、焦化等方法，圖1為煤炭資源在利用過程中的催化流程。

1.2 石油利用中的催化轉化

石油是我國非常重要的石化能源，能夠被加工和利用成各種化學能源，在催化過程中會產生各種催化反應，比如，催化時產生的裂化、催化構成的異化、重整催化、烷基催化反應等，在催化時應用了加氫催化劑，加氫催化劑有氫脫硫劑和氫脫氮以及氫脫金屬劑等。在工業轉化過程中有很多的化工材料都是從石油中提煉出來的，可見，石油資源是多么重要。此外，在石油化工中大約有一半以上的化學生產過程應用了催化劑，應用催化劑產品在任何能源中都有體現。石油化工催化的整個流程中，對一些化工產品的應用有較為嚴格的要求，比如，一些質量較差的化工原油或者是精制的燃油等，在生產和轉化過程中要保持清潔無污染。

在石化工業生產中，綠色化工是未來重要的發展趨勢，生產條件要符合各項生產指標，能源要實現循環利用和可再生利用，并且要在生產過程中使能源實現最低損耗，最低排放量。因此，綠色化工生產必須采用無毒、無添加劑的原料，生產過程中的化學反應過程一定要采用環保型和節約型工藝，這樣才能使催化劑真正發揮作用。所以，綠色化學工業生產的重點是開發和利用高效節約型的催化劑。石油的催化轉化過程如圖2所示。

1.3 天然氣利用時的催化轉化

在世界上，天然氣資源總量比起石油資源還要多，并且，隨著清潔能源利用率的增加，在新時期，天然氣能源的利用率將成為能源利用的主體，并會在2050年實現突破，在所有能源利用中占一半數量。但是，在化學工業利用率方面，天然氣利用成本要比其他的化工能源高。這是因為石油資源中含量很多的化學物質，在催化生產中能夠被分解成單個的化學物質，但是天然氣中的主要原料是甲烷，在催化過程中能夠將甲烷分解成兩部分，分別是碳和烯烴。

鑒于天然氣能源的特殊性，要想對其進行催化轉化必須考慮到其內在的化學物質和轉化的成本，相比其他的能源催化轉化來說有一定的難度。應用高活性的新型催化技術是能夠有效解決這些問題。天然氣的轉化應用兩種方法，分別是直接轉化和間接轉化。通過催化可以將天然氣直接催化為甲醇或甲醛、氧化偶聯制乙烯、甲烷無氧構化、鹵代甲烷等。

2 新能源以及可再生能源的催化轉化過程

新能源已經成為新時期經濟建設的主要能源，這些新能源和可再生能源克服了傳統能源利用率低、開采困難等缺點，在實現清潔生產和綠色生產方面發揮了重要作用。這些新能源和可再生能源包括，生物能、風能以及地熱能、海洋能等。下面就對這些能源的催化過程進行具體論述。

2.1 生物能源

生物能源是一種碳含量非常豐富的可再生能源。在所有的可再生能源中，占重要作用，并且該資源綠色無污染，二氧化碳的排放量比其他任何能源都少，產量也非常豐富。此外，生物能源已經逐漸替代了化石能源，實現了石油經濟向生物經濟的轉變，逐漸替代了傳統的化石能源產品，化學材料中生物類的原材料成為了主體。因此，我國正在積極研究該能源的催化轉化方法，爭取實現該能源的高效利用。

生物能源大都來源于農業生產過程中的廢棄物中，還有很多存在土地種植的能源植物中。通過各項調查顯示，我國農業生產和生活消費中，作物秸稈量在百分之二十，取暖薪柴占百分之十，煤炭資源的利用率占百分之二十五，電力能源占百分之三，沼氣占百分之一，石油液化能源占百分之二十二。在很多的農村地區，大量的作物秸稈除了用作動物飼料以及造紙以外，很多都被當燃料使用，據統計，每年被當做燃料使用的秸稈在5萬噸左右，據計算這些秸稈可以替代大約3萬噸的石油。

生物能源可以轉化為生物氣體、液化氣體和發電能源等。在熱化學轉化方法中應用的技術有生物氣化多聯生產技術和多聯產技術，在這些技術應用下可以將生物質轉化為可以利用的燃氣資源，完全可以當做生活煤氣使用，并能夠用來發電，實現了氫元素的轉化，形成了液化燃料的合成，做到了生物質能和高效使用。

生物化學轉化可以直接利用植物油提純法加工和提煉，也可以應用生物質致密成塊的方法。由此，生物質轉化可以看作是化學的催化過程，也可以是化學工業技術與生物技術的有機結合。在加工過程中，要重視生物催化的轉化過程，還要重視化學催化的應用，使兩者有機結合，才能使生物質能真正發揮作用。

當今社會生物加工技術得到了飛速發展，可以實現對各種可再生能演進行加工、提煉，并成功轉化成化學產品、醫藥用品以及飼料等。在化學工業飛速發展的今天，生物質能必將對社會經濟發展帶來推動作用，能夠更多的順應我國經濟可持續發展的要求。比起碳氫化合物的經濟效益，碳水化合物與農業和工業生產的距離更近。因為很多的生物原料都不是集中分布的，能源分布大致呈現分散狀態，對于農業和工業體系來說，分散生產以及分散性的銷售都會產生不好的影響，還會影響到產業間的互補。這足以顯示提高經濟生產的安全性是非常重要的，能夠克服資源分散的不足。

2.2 太陽能

太陽能可以在被轉化為化學能源，轉化后的太陽能利用率非常高，儲存和運輸更加方便，轉化的化學物質有甲烷和甲醇以及氨。氨在轉化和輸送具體的流程如圖3所示。

這種轉化系統為封閉的，能夠有效減少能源的消耗和浪費，并且能夠減少污染物的產生和釋放，因此對環境污染影響非常少。甲烷的重整合成是甲烷加工的重要內容，在氫的合成以及甲醇生產過程中被廣泛應用。甲烷重整反應是非常強烈的，在反應過程中溫度可以達到500℃，在這個溫度下能夠合成氣體，反應物被轉化的幾率在高溫狀態下非常大，可以應用在太陽能和核能的加工轉化中。通過重整反應后形成的合成氣可以通過管道實現遠程運輸，并可以通過放熱反應釋放出各種熱量和能量，以此實現了能源的轉化和輸送。

但是如果將太陽能和甲烷進行結合以后，生成的合成氣可以放在室內貯存，還可以遠距離的實現運輸，被廣泛應用到了化學工業原料的制作、熱電廠的發電中，也可以通過添加一些催化劑生成氫元素，成為制作電池的材料。二氧化碳可以當作重整的原料應用到太陽能的反應器中，這種方式是合理應用能源的結果。

2.3 氫能

氫能是二次能源中非常重要的一種可再生能源，并被列入了我國重要的能源發展戰略中，重點發展的產品有氫能和氫燃料制作的電池等。氫元素是目前世界上分布最多的一種能源，整體質量在宇宙中占一半以上。其導熱性能非常優越，熱能產值非常高，是汽油熱能產值的4倍，并且氫能源本身無毒無污染，是一種非常好的清潔能源。氫能源可以被轉化為電能和熱能，并能產生機械功率，可以真正實現資源的可持續利用。氫能的來源以及轉化技術有以下兩大類：通過化石能源轉化的氫能源，技術為工業副產氣和回收氫。進行這項轉化時首先要將氫氣化，并要經過碳元素轉化，脫離出二氧化碳；應用可再生能源制作的氫，主要應用太陽能分解技術，包括太陽能熱解和太陽能的光催化水解技術。

3 結語

該文主要介紹了一些能源進行催化的過程，并探討了傳統的化學工業能源和二次能源的特點和對于工業生產起到的重要作用。表現了能源在經過催化轉化后利用率會大大提高，能夠實現能源的可持續利用。

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