催化在能源转化中的作用分析

季德春 谢骏 邱彦涛

摘 要：随着我国经济发展水平的不断提高，工业发展在技术上取得了一定进步，尤其是在能源转换技术上得到了很多创新，而催化转换是用来解决能源问题的关键，探究催化在能源转换中的作用显得尤为重要。该文对催化在能源转化中的作用进行了分析和探究，表现了催化在能源转化中的重要作用。

关键词：催化作用 能源转化 化学工业

中图分类号：TQ536 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0086-02

能源是人类赖以生存的基础，也是工业生产过程中必不可少的动力，如今，能源被分为一次能源和二次能源，被人们所熟知的能源，比如，天然气能源、水能、电力能源、煤、地热能源等被称为一次能源，而这些能源经过加工和转换就成了二次能源，比如，液化气石油、蒸汽、煤油等。在这些能源进行转化过程中，有很多的能源需要经过化学手法转换成化工原料，在转化过程中，催化在其中起到了非常重要的作用，已经成为解决能源问题的关键，在为解决能源短缺以及增强能源二次利用方面起到了重要作用。

1 化石能源的催化转化

新型的煤化工是一项基础能源化工体系。但是和石油以及天然气不同的是，煤化工能够有效解决我国石油资源短缺的问题，并且能够通过技术成功替代石油能源和天然气能源。在我国能源安全油气通道战略中起到了重要作用。那么，各种化石能源是如何通过催化技术成功转化的呢？具体内容如下。

1.1 煤炭资源的催化转化

在我国煤炭资源是利用率非常高的化石能源，人们日常生活以及工业生产都已经离不开煤炭资源，尤其是在发电方面，煤炭能源的作用更是无可替代，在整个发电过程中，煤炭资源大约占到了总能源利用的百分之七十，并且未来的发展方向是能源清洁和能源的高效利用。如果煤炭资源的有效利用率在每年能够提高百分之五至百分之十，那么，我国每年就可以节省大约1亿吨的煤炭资源。煤炭的清洁转化和有效利用的方法采用的是直接液化、间接液化、焦化等方法，图1为煤炭资源在利用过程中的催化流程。

1.2 石油利用中的催化转化

石油是我国非常重要的石化能源，能够被加工和利用成各种化学能源，在催化过程中会产生各种催化反应，比如，催化时产生的裂化、催化构成的异化、重整催化、烷基催化反应等，在催化时应用了加氢催化剂，加氢催化剂有氢脱硫剂和氢脱氮以及氢脱金属剂等。在工业转化过程中有很多的化工材料都是从石油中提炼出来的，可见，石油资源是多么重要。此外，在石油化工中大约有一半以上的化学生产过程应用了催化剂，应用催化剂产品在任何能源中都有体现。石油化工催化的整个流程中，对一些化工产品的应用有较为严格的要求，比如，一些质量较差的化工原油或者是精制的燃油等，在生产和转化过程中要保持清洁无污染。

在石化工业生产中，绿色化工是未来重要的发展趋势，生产条件要符合各项生产指标，能源要实现循环利用和可再生利用，并且要在生产过程中使能源实现最低损耗，最低排放量。因此，绿色化工生产必须采用无毒、无添加剂的原料，生产过程中的化学反应过程一定要采用环保型和节约型工艺，这样才能使催化剂真正发挥作用。所以，绿色化学工业生产的重点是开发和利用高效节约型的催化剂。石油的催化转化过程如图2所示。

1.3 天然气利用时的催化转化

在世界上，天然氣资源总量比起石油资源还要多，并且，随着清洁能源利用率的增加，在新时期，天然气能源的利用率将成为能源利用的主体，并会在2050年实现突破，在所有能源利用中占一半数量。但是，在化学工业利用率方面，天然气利用成本要比其他的化工能源高。这是因为石油资源中含量很多的化学物质，在催化生产中能够被分解成单个的化学物质，但是天然气中的主要原料是甲烷，在催化过程中能够将甲烷分解成两部分，分别是碳和烯烃。

鉴于天然气能源的特殊性，要想对其进行催化转化必须考虑到其内在的化学物质和转化的成本，相比其他的能源催化转化来说有一定的难度。应用高活性的新型催化技术是能够有效解决这些问题。天然气的转化应用两种方法，分别是直接转化和间接转化。通过催化可以将天然气直接催化为甲醇或甲醛、氧化偶联制乙烯、甲烷无氧构化、卤代甲烷等。

2 新能源以及可再生能源的催化转化过程

新能源已经成为新时期经济建设的主要能源，这些新能源和可再生能源克服了传统能源利用率低、开采困难等缺点，在实现清洁生产和绿色生产方面发挥了重要作用。这些新能源和可再生能源包括，生物能、风能以及地热能、海洋能等。下面就对这些能源的催化过程进行具体论述。

2.1 生物能源

生物能源是一种碳含量非常丰富的可再生能源。在所有的可再生能源中，占重要作用，并且该资源绿色无污染，二氧化碳的排放量比其他任何能源都少，产量也非常丰富。此外，生物能源已经逐渐替代了化石能源，实现了石油经济向生物经济的转变，逐渐替代了传统的化石能源产品，化学材料中生物类的原材料成为了主体。因此，我国正在积极研究该能源的催化转化方法，争取实现该能源的高效利用。

生物能源大都来源于农业生产过程中的废弃物中，还有很多存在土地种植的能源植物中。通过各项调查显示，我国农业生产和生活消费中，作物秸秆量在百分之二十，取暖薪柴占百分之十，煤炭资源的利用率占百分之二十五，电力能源占百分之三，沼气占百分之一，石油液化能源占百分之二十二。在很多的农村地区，大量的作物秸秆除了用作动物饲料以及造纸以外，很多都被当燃料使用，据统计，每年被当做燃料使用的秸秆在5万吨左右，据计算这些秸秆可以替代大约3万吨的石油。

生物能源可以转化为生物气体、液化气体和发电能源等。在热化学转化方法中应用的技术有生物气化多联生产技术和多联产技术，在这些技术应用下可以将生物质转化为可以利用的燃气资源，完全可以当做生活煤气使用，并能够用来发电，实现了氢元素的转化，形成了液化燃料的合成，做到了生物质能和高效使用。

生物化学转化可以直接利用植物油提纯法加工和提炼，也可以应用生物质致密成块的方法。由此，生物质转化可以看作是化学的催化过程，也可以是化学工业技术与生物技术的有机结合。在加工过程中，要重视生物催化的转化过程，还要重视化学催化的应用，使两者有机结合，才能使生物质能真正发挥作用。

当今社会生物加工技术得到了飞速发展，可以实现对各种可再生能演进行加工、提炼，并成功转化成化学产品、医药用品以及饲料等。在化学工业飞速发展的今天，生物质能必将对社会经济发展带来推动作用，能够更多的顺应我国经济可持续发展的要求。比起碳氢化合物的经济效益，碳水化合物与农业和工业生产的距离更近。因为很多的生物原料都不是集中分布的，能源分布大致呈现分散状态，对于农业和工业体系来说，分散生产以及分散性的销售都会产生不好的影响，还会影响到产业间的互补。这足以显示提高经济生产的安全性是非常重要的，能够克服资源分散的不足。

2.2 太阳能

太阳能可以在被转化为化学能源，转化后的太阳能利用率非常高，储存和运输更加方便，转化的化学物质有甲烷和甲醇以及氨。氨在转化和输送具体的流程如图3所示。

这种转化系统为封闭的，能够有效减少能源的消耗和浪费，并且能够减少污染物的产生和释放，因此对环境污染影响非常少。甲烷的重整合成是甲烷加工的重要内容，在氢的合成以及甲醇生产过程中被广泛应用。甲烷重整反应是非常强烈的，在反应过程中温度可以达到500℃，在这个温度下能够合成气体，反应物被转化的几率在高温状态下非常大，可以应用在太阳能和核能的加工转化中。通过重整反应后形成的合成气可以通过管道实现远程运输，并可以通过放热反应释放出各种热量和能量，以此实现了能源的转化和输送。

但是如果将太阳能和甲烷进行结合以后，生成的合成气可以放在室内贮存，还可以远距离的实现运输，被广泛应用到了化学工业原料的制作、热电厂的发电中，也可以通过添加一些催化剂生成氢元素，成为制作电池的材料。二氧化碳可以当作重整的原料应用到太阳能的反应器中，这种方式是合理应用能源的结果。

2.3 氢能

氢能是二次能源中非常重要的一种可再生能源，并被列入了我国重要的能源发展战略中，重点发展的产品有氢能和氢燃料制作的电池等。氢元素是目前世界上分布最多的一种能源，整体质量在宇宙中占一半以上。其导热性能非常优越，热能产值非常高，是汽油热能产值的4倍，并且氢能源本身无毒无污染，是一种非常好的清洁能源。氢能源可以被转化为电能和热能，并能产生机械功率，可以真正实现资源的可持续利用。氢能的来源以及转化技术有以下两大类：通过化石能源转化的氢能源，技术为工业副产气和回收氢。进行这项转化时首先要将氢气化，并要经过碳元素转化，脱离出二氧化碳；应用可再生能源制作的氢，主要应用太阳能分解技术，包括太阳能热解和太阳能的光催化水解技术。

3 结语

该文主要介绍了一些能源进行催化的过程，并探讨了传统的化学工业能源和二次能源的特点和对于工业生产起到的重要作用。表现了能源在经过催化转化后利用率会大大提高，能够实现能源的可持续利用。

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