煤炭能源转化催化技术

在煤炭、石油和天然气三大化石能源中，固体煤炭的储量最大，也是最早被开发使用的。与液态石油和气态天然气相比，固体煤炭所含杂质多、处理难度大。随着经济的高速发展，我国煤炭年产量已连续多年超过30亿吨，这不仅是由于对能源需求的旺盛，还与我国“富煤贫油少气”的能源资源分布现状相一致。我国是世界上现有少数以煤炭为主要能源的国家。众所周知，由于煤炭的一些固有特性，如含碳量高、含污染杂质多和利用技术相对落后，大量使用会带来严重的环境问题，造成大的污染。统计资料显示，燃煤产生的二氧化硫、氮氧化物、粉尘和二氧化碳的排放占总排放的比例都在50%以上。例如，2006年中国工程院给出的数据分别是85%、60%、70%和85%。为此，我国政府已经投入大量财力、物力和人力来治理燃煤所造成的环境污染。煤炭有效低污染利用在我国占有特殊的地位。虽然自2013年以来，我国开始尽量压缩煤炭的使用量，改用较为洁净的天然气替代并大力发展可再生的太阳能和风能发电以减轻环境压力，但我国高层能源战略研究的结果仍然指出：将在相当长一段时间内，我国初级能源仍然主要依赖于煤炭的情形不可能有很大的改变，即便到2050年，其在一次能源中所占比例仍然高达40%以上。因此煤炭洁净高效使用也就是洁净煤技术的研究和发展一直是我国能源政策中的重点。
煤炭主要作为初级能源使用，直接燃烧和转化为气体或液体燃料再燃烧利用的煤炭加在一起，总计有90%以上。直接燃烧用来获取方便使用的电力和热量，而转化为燃气，包括合成气、合成天然气和氢气，以及液体燃料的那部分煤炭，最终也是经过燃烧（或氧化）来产生电力、热量和机械动能的。煤炭能源的这些转化不仅是为了满足人类多种多样的不同需求，更是为了达到提高煤炭中能量的利用效率和降低对环境造成的严重污染这样的双重目的。因此，煤炭能源转化一直受到世界各国政府的大力支持，已经发展出多种高效洁净的煤炭转化技术，其中包括作为关键技术应用的催化技术。催化技术在煤炭能源转化中不仅广泛使用而且往往成为煤炭转化技术的核心。
像我国这样的煤炭生产和使用大国，在经济高速增长的年代，国家对煤炭的高效洁净利用技术即煤炭能源转化技术的研究发展是非常重视的，这使煤化工在我国进入了黄金发展年代。因此，对煤炭转化技术知识的渴求非常强烈。在这一背景下，化学工业出版社的编辑提出要我写一本有关煤炭催化转化的书。这是我们的老本行，在中国科学院山西煤炭化学研究所做了三十年的煤炭转化研究，这一要求显然是难以拒绝的。
这个要求勾起笔者长期以来的催化梦想。在进入古稀之年退休阶段的我，有时间和精力来实现这个催化的梦。靠着尚属健康的身体和对催化科学技术的热爱，已陆续出版了有关催化基础的五本书：《吸附与催化》《催化反应动力学》《催化反应工程基础》《催化反应器工程》和《固体催化剂制备原理与技术》。这些书涵盖了催化科学技术最重要的基础领域。但是催化是一门非常实用的科学技术，它的应用比科学知识更显重要。从催化技术实际应用的角度看，催化技术是在100多年前的氨合成和煤炭直接液化的铁催化剂（前者是无定形块状的，后者是粉状分散相的）基础上，随着石油炼制技术和石油化工技术的快速发展而发展起来的。笔者在编著上述催化基础理论书籍的基础上，又出版了《精细化学品催化合成技术》（《绿色催化技术》为上册，《催化合成反应和技术》为下册），还出版了《结构催化剂与环境治理》，这些是催化技术在精细化学品合成和环境治理中的应用。按笔者的想法原来的催化梦到此就做完了。而化学工业出版社提出希望撰写煤炭催化转化的书后，笔者强烈感到应该继续把催化梦做下去，催化技术在煤炭转化中的应用应该是催化技术在重要能源转化中的应用，它的完成将使笔者的催化梦做得更加圆满和完善。
但是，由于煤炭转化涉及的领域太过宽广、资料太过丰富，再加上在筹建煤转化国家重点实验室时的深切体会，感觉到关于煤炭转化这样的书涵盖的领域太过宽广内容肯定会过于臃肿。因此，考虑到自身能力和实际情况，经与出版社编辑商量，将该书的内容仅限于煤炭能源转化。既然接受了出版社的约请，资料的收集问题肯定是第一关。对已经编著完成的书，资料的收集是从国家派我去美国做访问学者时就已经开始，但是从没有想过要写煤炭能源转化的书，当然更谈不到对煤炭转化文献资料的收集。收集资料与整个书撰写的思路和结构是紧密相连的。还在撰写《结构催化剂与环境治理》的书稿时，就开始思考催化在煤炭能源转化中应用一书应该有怎样的思路和结构才有其特色。有关煤炭转化加工领域的文献资料很多很多，除了大量文章、专利文献资料外，还有不少煤炭转化加工技术的书籍，最有代表性的是谢克昌院士主编，在2010年前后出版的“现代煤化工丛书”（共计12册），几乎涉及了煤化工领域的方方面面。资料很多是好事但也使人犯愁，新写的煤炭能源转化的书是否会成为“多一本不多少一本不少”的那种？对该书要涉及的内容反复思考和构思过很多次。幸好在阅读煤炭加工文献资料特别是书籍时发现，国内绝大部分书籍的写作角度或出发点是基于煤化工，很少是从煤炭能源转化角度并以它作为出发点的。这给了我写《煤炭能源转化催化技术》一书的机遇，当然肯定也是一个很大的挑战。
在几乎所有煤炭能源转化过程中催化都发挥着不可替代的作用。催化技术在煤炭能源转化中的应用是多方面的，例如煤燃烧和煤气化过程中使用催化剂来改善其性能；燃烧尾气和气化生产合成气的催化净化技术；近来快速发展的煤制气体和液体燃料的催化技术等等。理顺这些催化技术就逐渐形成了我写《煤炭能源转化催化技术》一书的主线。催化技术在煤炭能源转化中不仅广泛使用而且往往成为转化技术的核心。这样，使本书能够具有自己鲜明的特色，与一般的煤化工技术书籍有显著不同。利用煤化工生产化学品消耗的煤炭量不到总消耗量的10%，而能源转化使用的煤炭量超过总量的90%。基于煤炭能源转化主线撰写的书应该能够避开传统煤化工的思路。该书围绕煤炭作为能源使用的这个主轴，展开煤炭到电力热量和气液燃料转化过程中涉及的重要催化技术，再结合笔者在中科院山西煤炭化学研究所几十年从事煤炭转化研究累积的基础知识和实践经验，突出煤炭直接或间接（经由化学加工到气体和液体燃料）转化为电力热量和气液运输燃料过程中起关键作用的催化技术。简而言之，把重点放在煤炭能源转化（主线），突出催化技术的关键核心作用，就是本书写作的出发点和思路。
煤炭能源转化为电力有多条路径，可以直接燃烧驱动蒸汽透平带动发电机；可以经气化生产的气体燃料驱动气体透平带动发电机发电；可以把合成气转化为液体燃料再燃烧发电；还可以把气液燃料转化为氢气再使用燃料电池技术进行发电。在煤炭直接燃烧发电中，燃烧烟气的催化净化是降低对环境危害的最有效手段。而在煤炭气化过程中，合成气催化净化对合成气的各种下游应用是至关重要的。在利用气体和液体燃料的透平燃烧发电中，催化技术不仅能够降低燃烧过程中污染物的排放量，也能够通过组合发电大幅提高燃料的能量利用效率。煤气化生产的合成气有多种不同的下游应用，包括经催化转化生产合成天然气、经FT反应合成烃类、催化加氢合成含氧液体燃料甲醇和二甲醚等。除上述的煤炭能源转化催化技术外，离不开催化技术的煤炭加工技术还包括古老但仍广泛使用（特别是在我国）的热化学加工技术热解和直接加氢液化技术，它们也能把煤炭有效转化为气体、液体和固体燃料。催化在这些煤炭能源转化中起关键作用。
鉴于上述出发点和思路，全书的内容被组织成11章。除绪论外，第2～6章介绍煤炭能源转化为电力热量的多种转化过程和技术，从直接燃烧发电到转化为合成气、合成天然气及氢气后再发电和生产热量、机械功，突出催化在这些转化技术中的关键作用。第7～9章介绍煤制运输液体燃料，这几乎都使用典型的多相催化技术。全书的最后两章介绍煤热化学加工的基础技术——煤催化热解和直接催化加氢液化技术。
本书稿的完成得到了浙江大学催化研究所以及中科院煤炭化学研究所和中科合成油技术有限公司的支持和帮助，特别是王建国所长和李永旺总经理的关心和支持，笔者衷心感谢他们。在资料收集过程中得到了浙江大学化学系资料室、化学工业出版社相关编辑的大力支持和帮助，在感谢他们的同时也感谢家人在书稿撰写过程中的支持、理解和帮助。
由于本人的学识水平所限和经验的欠缺，以及时间相对不充裕，在书稿中肯定会存在一些不尽人意和不足之处，敬请各方面的专家学者以及广大的读者批评指正，不胜感谢。

陈诵英
于浙江大学西溪校区

本书主要介绍固体煤炭转化为电能、热能、气体和液体燃料化学能及机械能过程中关键的催化技术，包括燃煤发电和烟气催化净化技术，煤气化和合成气净化催化技术，低污染催化燃烧技术和各种组合发电技术特别是热电联产（CHP）和冷热电三联产（CCHP）技术，煤制合成天然气、煤制烃类液体燃料、煤制甲醇及甲醇汽油和煤制二甲醚液体燃料等的催化技术，以及煤催化热解和煤直接催化加氢液化技术等。对各种煤炭能源转化的催化技术，详细表述了催化剂、催化反应工程和催化反应器技术，内容丰富翔实且相当深入，并富前瞻性。
本书可以作为煤炭能源转化领域如电力行业、煤化工行业、催化应用技术领域，从事工业技术开发和设计的广大科技人员、工程师和各级管理人员的重要参考书，也是高等院校能源及管理、电力、煤燃烧气化、化学化工、环境和各工业民用领域以及环境治理相关专业本科生、研究生和教师的重要专业参考书和教材。

第1章 绪 论
1.1 能量与人类社会发展 001
1.1.1 人类使用能量的形式 002
1.1.2 GDP与能量消耗 003
1.2 能量消费——现在和未来 005
1.2.1 我们现在消耗多少能量 005
1.2.2 初级能源分布 006
1.2.3 我们将使用多少能量和可能的能量资源 008
1.3 全球能量平衡和碳氢元素循环 010
1.3.1 全球能量平衡 010
1.3.2 地球上的碳元素和氢元素循环 011
1.4 非化学能源资源或非碳能源资源 012
1.4.1 概述 012
1.4.2 水电 013
1.4.3 地热能 013
1.4.4 风能 014
1.4.5 太阳能 016
1.4.6 可再生能源的能量存储 020
1.4.7 生物质能 021
1.4.8 核能 023
1.5 含碳能量资源——煤炭、石油、天然气 024
1.5.1 概述 024
1.5.2 石油 025
1.5.3 煤炭 026
1.5.4 天然气、页岩气和页岩油 026
1.6 含碳化石能源的快速消耗和带来的问题 029
1.6.1 概述 029
1.6.2 受限化石燃料的消费 030
1.6.3 CO2问题 031
1.6.4 21世纪的全球能源挑战 034
1.6.5 低碳化石能源转化技术 037
1.7 化石燃料化学能的转化效率 038
1.7.1 概述 038
1.7.2 化石能源资源的转化效率 039
1.8 提高发电效率，降低二氧化碳排放 040
1.8.1 概述 040
1.8.2 提高发电厂效率 041
1.8.3 降低二氧化碳排放 042
1.8.4 零碳能源的使用 046
1.8.5 联产概念——同时发电和生产合成燃料 047
1.8.6 液体燃料生产设计 048
1.8.7 油井-车轮效率 048
1.8.8 能源商业与催化 051
1.9 煤炭在能源中的地位和历史机遇 052
1.9.1 概述 052
1.9.2 中国煤炭能源 053
1.9.3 煤炭能源转化 054
1.10 本书的写作思路 054

第2章 直接燃煤发电和烟气催化净化
2.1 引言 057
2.2 粉煤燃烧 058
2.2.1 斯托克燃烧炉 058
2.2.2 粉煤燃烧工艺 059
2.2.3 燃烧器 060
2.2.4 流化床燃烧 061
2.3 先进燃烧发电系统 062
2.3.1 先进兰开夏循环蒸汽工厂 063
2.3.2 循环流化床（CFB）燃烧 064
2.3.3 超临界蒸汽发电工厂（PC/USC） 065
2.4 二氧化硫污染物的除去 068
2.4.1 概述 068
2.4.2 烟气脱硫吸附剂 069
2.4.3 石灰或石灰石基工艺 070
2.4.4 钠吸收剂工艺 072
2.4.5 炉内吸附剂喷射（FSI）工艺 073
2.4.6 吸附脱硫 073
2.4.7 除去SO2的沸石吸附剂 073
2.4.8 Shell炉气脱硫过程（SFGD） 074
2.5 氮氧化物污染物的除去 076
2.5.1 概述 076
2.5.2 改进燃烧降低氮氧化物的生成 077
2.5.3 烟气NOx的脱除 080
2.6 氨选择性催化氧化氮氧化物过程 080
2.6.1 概述 080
2.6.2 SCR催化剂 082
2.6.3 氧化钒基催化剂 085
2.6.4 其他SCR催化剂 086
2.6.5 氧化钒基催化剂上的SCR反应机理 087
2.6.6 SCR过程应用 089
2.6.7 发电厂烟道气净化SCR反应器的构型 089
2.6.8 SCR催化剂的失活 091
2.7 同时除去烟气中的SOx和NOx 092
2.7.1 V2O5基催化吸附剂 092
2.7.2 CuO基催化吸附剂 094
2.8 SCONOx工艺 095
2.9 汞污染物的除去 098
2.9.1 碳基汞和非碳基汞吸附剂 098
2.9.2 沸石吸附材料 100
2.9.3 纳米颗粒的可控制合成 104
2.9.4 新的可再生磁性沸石 106
2.9.5 燃煤电厂烟气中多种污染物的同时除去 108
2.9.6 小结 109
2.10 催化结构过滤器净化烟气 110
2.10.1 多功能反应器 110
2.10.2 催化过滤器的基本概念 111
2.10.3 高温无机过滤器市场 111
2.10.4 催化过滤器的制备 114
2.10.5 催化过滤器的应用机遇 115
2.10.6 工程和模型 124

第3章 煤气化和合成气催化净化
3.1 引言 127
3.2 煤炭气化（器）炉分类 128
3.2.1 固定床气化炉 130
3.2.2 流化床气化炉 130
3.2.3 气流床（载流床）气化炉 131
3.2.4 最新类型气化炉 132
3.2.5 商业气化炉的操作模式 132
3.2.6 每类气化炉的特征 133
3.2.7 气化炉的排渣 133
3.2.8 操作压力和温度 134
3.2.9 气化炉经济性 135
3.3 主要煤气化炉简要介绍 136
3.3.1 鲁奇气化炉 136
3.3.2 Texaco（德士古）气化炉 138
3.3.3 Shell（壳牌）气化炉 140
3.3.4 GSP气化炉 142
3.3.5 UGI气化炉 143
3.3.6 温克勒（Winkler）气化炉 144
3.3.7 K-T气化炉 145
3.3.8 三菱吹空气两段气化炉 146
3.3.9 多喷嘴（四烧嘴）水煤浆加压气化技术 146
3.3.10 两段式干煤粉加压气化技术 147
3.3.11 灰熔聚煤气化技术 147
3.3.12 多元料浆加压气化技术 148
3.3.13 若干气化炉的典型性能比较 148
3.4 催化煤气化 150
3.4.1 催化煤气化 150
3.4.2 煤气化催化剂实例 151
3.4.3 等离子煤气化 152
3.4.4 煤焦的催化气化 152
3.4.5 气化产生焦油的催化气化 153
3.5 褐煤的催化气化 153
3.5.1 煤气化催化剂 153
3.5.2 煤挥发分对催化气化的影响 155
3.5.3 褐煤中污染元素在气化过程中的转化 155
3.5.4 挥发分-焦相互作用 156
3.5.5 褐煤性质和气化器选择 157
3.6 合成气生产 158
3.6.1 概述 158
3.6.2 气化原料和处理 159
3.6.3 合成气的调节 162
3.7 合成气净化概述 163
3.7.1 概述 163
3.7.2 合成气的净化概述 164
3.7.3 污染物描述 164
3.8 合成气热气体净化（HGC） 168
3.8.1 颗粒物质 169
3.8.2 除焦油 175
3.8.3 硫化物的除去 179
3.8.4 氮 182
3.8.5 碱 183
3.8.6 氯 184
3.9 合成气冷气体净化 184
3.9.1 颗粒物质的捕集 185
3.9.2 焦油 186
3.9.3 硫 187
3.9.4 氮化合物 189
3.9.5 碱化合物 190
3.9.6 氯 190
3.10 暖气体净化 190
3.10.1 颗粒物质 190
3.10.2 焦油 191
3.10.3 氯 192
3.11 其他污染物 192

第4章 煤制合成天然气（SNG）和甲烷制合成气
4.1 引言 195
4.1.1 我国合成天然气工业的高速发展 195
4.1.2 合成气的甲烷化反应 197
4.1.3 合成天然气的需求和发展 197
4.2 从煤生产SNG的反应 198
4.3 固定床甲烷化 200
4.3.1 Lurgi过程 200
4.3.2 TREM过程 204
4.3.3 Conoco/BGC过程 206
4.3.4 HICOM工艺 206
4.3.5 Linde工艺 207
4.3.6 RMP工艺 208
4.3.7 ICI/Koppers 工艺 209
4.4 流化床甲烷化 210
4.4.1 多加料口流化床 210
4.4.2 气固流化床—— Bi-Gas项目 212
4.4.3 Comflux 工艺 214
4.5 气体燃料合成的其他概念 216
4.5.1 合成乙烷项目 216
4.5.2 液相甲烷化 216
4.6 煤直接加氢生产SNG 217
4.6.1 概述 217
4.6.2 煤直接加氢制甲烷的催化剂 218
4.6.3 Exxon煤加氢气化工艺 219
4.6.4 APS加氢气化工艺 220
4.6.5 Hygas 煤加氢甲烷化工艺 220
4.6.6 Hydrane 煤加氢甲烷化工艺 221
4.6.7 BG-OG 煤加氢甲烷化工艺 221
4.6.8 低阶煤炭化脱氧、高活性半焦直接加氢制甲烷工艺 222
4.7 生产SNG的甲烷化催化剂 223
4.7.1 甲烷化催化剂的活性组分 224
4.7.2 载体 225
4.7.3 助剂 225
4.7.4 活性金属负载镍催化剂的制备 226
4.7.5 活性金属负载镍催化剂的应用 227
4.8 天然气制合成气概述 228
4.9 天然气的净化 229
4.9.1 原料气体的特征和净化要求 229
4.9.2 气体脱硫基本原理 230
4.9.3 在加氢器中的反应 231
4.9.4 加氢脱硫催化剂 232
4.9.5 在硫化吸收器中的反应 232
4.9.6 硫吸附剂 235
4.10 甲烷蒸汽重整 235
4.10.1 甲烷蒸汽重整基础 235
4.10.2 甲烷蒸汽重整的催化作用 238
4.11 甲烷绝热预重整 244
4.11.1 反应器和催化剂特征以及操作条件 245
4.11.2 在低S/C比时的绝热预重整器 246
4.11.3 绝热预重整器的模型化 247
4.12 管式高温主重整器 247
4.12.1 炉室的模拟 247
4.12.2 重整器管边模拟 248
4.12.3 CFD模拟 249
4.13 热交换重整器 249
4.13.1 热交换重整器的类型 249
4.13.2 工艺概念 251
4.13.3 金属尘化 252
4.14 绝热氧化重整 255
4.14.1 过程概念 255
4.14.2 自热重整 257
4.15 天然气制合成气的其他技术 264
4.15.1 催化部分氧化（CPO） 264
4.15.2 透氧膜重整 265
4.16 完整生产工艺 267
4.16.1 氨 268
4.16.2 甲醇 269
4.16.3 低温FT（GTL） 271
4.16.4 小结 271

第5章 低NOx排放催化燃烧与组合发电
5.1 引言 273
5.1.1 燃烧产生的污染物 274
5.1.2 消除污染物排放的策略 275
5.2 燃烧气液燃料的发动机 276
5.2.1 气体透平 276
5.2.2 内燃发动机 280
5.2.3 斯特林发动机 285
5.3 催化燃烧 288
5.3.1 概述 288
5.3.2 机理和动力学 288
5.3.3 催化燃烧器模型 290
5.3.4 燃料效应 291
5.3.5 催化燃烧的应用 292
5.4 催化燃烧器 293
5.4.1 燃烧室 293
5.4.2 要求 293
5.4.3 系统构型 295
5.5 催化燃烧材料 297
5.5.1 概述 297
5.5.2 独居石基体 298
5.5.3 涂层材料 299
5.5.4 活性组分 300
5.6 组合循环发电技术 300
5.6.1 集成煤气化组合循环发电（IGCC） 301
5.6.2 气体透平（GT）和蒸汽透平的组合循环（NGCC） 307
5.6.3 煤燃烧组合循环发电 309
5.6.4 煤部分气化组合循环 311
5.6.5 燃烧发电技术成本和效率的比较 311
5.6.6 TC顶部循环 314
5.7 组合热电（冷）系统 314
5.7.1 概述 314
5.7.2 CHP和CCHP系统的优点 315
5.7.3 CHP和CCHP应用 316
5.7.4 CHP和CCHP的效率 318
5.7.5 适用于住宅区使用的CHP技术和产品 319
5.8 CHP和CCHP系统的构型和应用 320
5.8.1 微规模CCHP和CHP系统 321
5.8.2 小规模CCHP和CHP系统 321
5.8.3 中规模CCHP系统 323
5.8.4 大规模CCHP和CHP系统 324
5.9 CCHP和CHP系统在重要国家的发展和应用 324
5.9.1 美国的CCHP和CHP系统 325
5.9.2 英国的CCHP和CHP系统 326
5.9.3 中国的CCHP和CHP系统 327

第6章 煤制氢与燃料电池
6.1 引言 330
6.1.1 氢经济 332
6.1.2 氢经济的推动力 333
6.2 氢气的需求和使用 335
6.2.1 对氢气的需求 335
6.2.2 氢气的供应 337
6.2.3 氢的存储 338
6.2.4 配送-运输 339
6.2.5 氢气的公用基础设施 339
6.3 氢气生产 339
6.3.1 概述 339
6.3.2 氢气生产 341
6.3.3 制氢原料 343
6.3.4 关于CO2副产物 344
6.3.5 燃料电池对氢燃料的要求 344
6.4 水汽变换 345
6.4.1 概述 345
6.4.2 水汽变换反应 346
6.4.3 水汽变换催化剂 347
6.4.4 高温变换 349
6.4.5 低温变换 352
6.5 新WGS催化剂的研究 356
6.5.1 碳WGS催化剂 356
6.5.2 铈WGS催化剂 357
6.5.3 其他Fe WGS催化剂 358
6.5.4 其他Cu基催化剂 359
6.5.5 Pt基催化剂 360
6.5.6 Au基WGS催化剂 362
6.6 氢气最后纯化 364
6.6.1 变压吸附 365
6.6.2 钯膜分离 367
6.6.3 甲烷化 368
6.6.4 优先CO氧化（Prox）系统 369
6.7 氢气的存储 370
6.7.1 概述 370
6.7.2 合金储氢 371
6.7.3 金属有机物储氢 372
6.8 车载制氢 373
6.8.1 概述 373
6.8.2 燃料重整化学及其选择 375
6.8.3 化石燃料的部分氧化（POX，H2O/C =0） 379
6.8.4 自热重整（ATR）：氧碳比和水碳比都不等于零 380
6.8.5 燃料加工器研发面对的挑战和机遇 380
6.8.6 重整器设计和工程——燃料加工器的发展 384

第7章 煤制烃类液体燃料——FT合成
7.1 引言 387
7.2 煤间接液化 391
7.2.1 概述 391
7.2.2 煤直接液化（DCL）和间接液化（ICL）的比较 392
7.2.3 煤制液体燃料成本评估 392
7.2.4 煤制液体燃料与其他产品联产 392
7.3 Fisher和Tropsch（FT）合成 393
7.3.1 概述 393
7.3.2 FT合成反应 394
7.3.3 FT合成反应选择性 395
7.4 FT合成反应热力学 397
7.4.1 FT合成反应热力学 397
7.4.2 FT合成催化材料反应热力学 404
7.4.3 碳、碳化物、氮化物和羰基化合物热力学 407
7.4.4 小结 407
7.5 FT合成过程催化剂 408
7.5.1 高温（300～350℃）FT合成铁催化剂 408
7.5.2 低温（200～240℃）FT合成钴催化剂 411
7.5.3 水相FT合成催化剂 415
7.5.4 FT合成催化剂的失活 415
7.5.5 中温（260～300℃）FT合成铁催化剂 416
7.6 FT合成反应催化剂的活性相 425
7.6.1 活性相的化学状态 425
7.6.2 助剂 428
7.6.3 活性相大小 429
7.6.4 活性位的微环境 432
7.6.5 小结 433
7.7 FT合成反应器 434
7.7.1 固定床反应器 434
7.7.2 流化床反应器 437
7.7.3 浆态床FT合成反应器 439
7.7.4 小结 441

第8章 煤制甲醇和甲醇汽油
8.1 引言 443
8.2 甲醇的需求和应用 445
8.2.1 作为液体燃料使用 447
8.2.2 中国甲醇燃料的应用 448
8.2.3 甲醇作为化学品制造的原料 450
8.3 甲醇合成方法 453
8.3.1 概述 453
8.3.2 生产甲醇的原料 454
8.3.3 从煤生产甲醇 455
8.3.4 从天然气生成甲醇 455
8.3.5 从焦炉气生成甲醇 456
8.3.6 甲醇生产过程 458
8.3.7 高压工艺 459
8.3.8 低压工艺 459
8.3.9 分离和纯化部分 460
8.4 合成气合成甲醇的催化剂 461
8.4.1 Cu和Zn纳米粒子催化剂的基础研究 461
8.4.2 纳米钯和铑甲醇合成催化剂 462
8.4.3 Cu/ZnO/Al2O3催化剂的活性中心 463
8.4.4 在Cu/ZnO/Al2O3催化剂上甲醇合成反应机理 465
8.4.5 Cu/ZnO/Al2O3催化剂中的助剂 467
8.4.6 Cu/ZnO/Al2O3催化剂的制备 468
8.4.7 Cu/ZnO/Al2O3催化剂失活 470
8.4.8 铜锌工业甲醇催化剂现状 472
8.5 甲醇合成反应动力学模型 474
8.5.1 甲醇合成反应动力学 474
8.5.2 催化剂失活动力学模型 478
8.5.3 过程模型 480
8.6 甲醇合成反应器 481
8.6.1 ICI 冷激型甲醇合成反应器 481
8.6.2 Lurgi 管壳型（列管式）甲醇合成反应器 482
8.6.3 Topsoe甲醇合成过程反应器 482
8.6.4 TEC 新型反应器 483
8.6.5 多段径向冷激型甲醇合成反应器 483
8.6.6 绝热-管束型（列管式）甲醇合成反应器 484
8.6.7 气-液-固三相合成甲醇反应器 484
8.6.8 消除甲醇合成热力学约束的反应器 486
8.6.9 热偶合反应器 488
8.6.10 环网络-模拟移动床 488
8.6.11 合成甲醇反应器模型和模拟 489
8.6.12 甲醇过程优化 491
8.7 甲醇合成的主要挑战 492
8.7.1 高能量需求 492
8.7.2 催化剂失活 493
8.7.3 合适H2/CO比或化学计量数目（SN） 493

第9章 煤制二甲醚
9.1 引言 495
9.2 二甲醚的应用 496
9.2.1 家用二甲醚燃料 497
9.2.2 二甲醚作为运输燃料 498
9.2.3 二甲醚使用于气体透平 498
9.2.4 二甲醚使用于燃料电池 499
9.2.5 二甲醚的其他潜在应用 500
9.3 合成方法——生产二甲醚的化学 500
9.3.1 间接合成方法 501
9.3.2 直接合成方法 502
9.3.3 方法的比较 503
9.3.4 生产二甲醚的其他路线 504
9.3.5 原料和路线 504
9.4 DME合成反应热力学 506
9.4.1 反应热力学 506
9.4.2 单一步骤（STD）过程合成DME中的协同 508
9.5 反应动力学 509
9.6 不同类型的DME反应器 510
9.6.1 固定床 510
9.6.2 浆态反应器 510
9.6.3 偶合和双型反应器 511
9.6.4 反应器与分离单元的耦合 512
9.6.5 微反应器 514
9.6.6 膜反应器 514
9.6.7 球形反应器 516
9.6.8 不同反应器的比较 516
9.6.9 DME的过程模拟研究 517
9.7 DM合成催化剂 518
9.7.1 引言 518
9.7.2 甲醇合成催化剂 519
9.7.3 甲醇脱水催化剂 520
9.7.4 甲醇脱水催化剂的表面酸性 520
9.7.5 DME合成催化剂的制备 522
9.7.6 催化剂失活 523
9.8 不同催化剂的比较 524
9.8.1 活性 525
9.8.2 得率和选择性 525
9.8.3 失活 526
9.9 影响DME生成的主要因素 526
9.9.1 水移去 526
9.9.2 进料中的H2/CO比和CO2含量 527
9.9.3 操作温度 528
9.9.4 操作压力 529
9.9.5 空速 529
9.10 DME生产过程的强化 530
9.11 对DME生产的总结和展望 531
9.12 褐煤生产DME的研究 532
9.12.1 概述 532
9.12.2 褐煤制DME的相关步骤 532
9.13 混合和单一原料生产液体运输燃料的能量过程 533
9.13.1 概述 533
9.13.2 单一原料能源工艺 535
9.13.3 煤到液体（CTL） 536
9.13.4 气体到液体（GTL） 539
9.13.5 生物质到液体（BTL） 542
9.13.6 混合原料能源过程 547
9.13.7 煤和天然气到液体（CGTL） 547
9.13.8 煤和生物质到液体（CBTL） 548
9.13.9 天然气和生物质到液体（BGTL） 549
9.13.10 煤、生物质和天然气到液体（CBGTL） 549
9.13.11 未来挑战和机遇 550
9.14 小结 551

第10章 煤的催化热解
10.1 引言 554
10.1.1 低阶煤概况 554
10.1.2 我国的能源形势 555
10.1.3 煤热解技术的发展历史和现状 556
10.1.4 我国煤热解技术的发展 557
10.2 煤化学结构 558
10.2.1 褐煤结构模型 560
10.2.2 次烟煤结构模型 565
10.2.3 烟煤结构模型 568
10.2.4 无烟煤结构模型 576
10.3 煤热解过程概述 579
10.3.1 概述 579
10.3.2 煤热解过程中的宏观变化 579
10.3.3 热解工艺分类 580
10.3.4 煤热解过程中的反应 580
10.3.5 煤热解初级反应 581
10.3.6 煤热解次级反应 582
10.3.7 煤热解的不同阶段 583
10.4 热解与煤炭热化学转化及其影响因素 585
10.4.1 概述 585
10.4.2 热解的应用 585
10.4.3 煤性质对煤热解过程热化学反应的影响 586
10.4.4 工艺操作条件对煤热解的影响 588
10.4.5 煤热解使用的实验室反应器 591
10.5 煤炭热解产品 591
10.5.1 固体产物 591
10.5.2 液体产物 593
10.5.3 煤炭热解过程的气体产物 595
10.6 煤低温热解主要工艺 596
10.6.1 概述 596
10.6.2 COED工艺 596
10.6.3 Garrett工艺 597
10.6.4 Toscoal工艺 598
10.6.5 鲁奇-鲁尔法（LR） 599
10.6.6 日本的快速热解技术 600
10.6.7 壳牌（Shell）公司热解法 600
10.6.8 多段回转炉热解（MRF） 601
10.6.9 DG工艺 602
10.7 热解炉型和煤热解工艺 602
10.7.1 外热式直立炉 603
10.7.2 内热式直立炉 603
10.7.3 内外加热结合型直立炉 603
10.7.4 固体热载体新法干馏炉工艺 604
10.7.5 北京神雾块煤旋转床热解炉（旋底炉）及其工艺 604
10.7.6 大唐华银LCC煤热解工艺 604
10.7.7 陕西神木天元粉煤回转窑热解工艺 605
10.8 催化加氢热解 605
10.8.1 概述 605
10.8.2 煤炭加氢热解过程 606
10.8.3 影响加氢热解的因素 607
10.8.4 煤催化热解机理 608
10.8.5 煤热解催化剂 609
10.8.6 煤催化热解中催化剂的选择 611
10.8.7 煤的催化热解工艺 612
10.8.8 煤炭加氢热解进展 613
10.9 煤与其他物质的共热解 614
10.9.1 煤炼制和联产体系 614
10.9.2 与生物质的共热解 616
10.9.3 煤与焦炉气共热解 616
10.9.4 煤和废塑料共热解 618
10.10 煤热解在我国的产业化 618
10.10.1 热解技术发展历程 618
10.10.2 热解技术的工业化 619
10.10.3 工业化现状浅析 624
10.10.4 小结 624

第11章 煤炭催化直接液化
11.1 引言 626
11.1.1 煤炭直接液化的历史发展 626
11.1.2 能源和液体燃料形势 628
11.1.3 煤直接催化加氢液化技术的发展历程 629
11.2 煤炭直接液化技术在我国的发展 633
11.2.1 国内煤炭直接液化技术发展 633
11.2.2 神华煤直接催化加氢液化的工艺开发 633
11.2.3 神华煤直接液化工艺的创新 635
11.2.4 神华煤直接液化示范工程 635
11.3 煤炭直接液化原理 636
11.3.1 液化原理 636
11.3.2 煤直接液化过程中发生的脱杂原子反应 639
11.4 煤直接液化技术化学脉络和液化动力学 640
11.4.1 煤直接液化技术发展的化学脉络 640
11.4.2 煤液化反应动力学 642
11.5 影响煤催化直接液化的主要因素 644
11.5.1 煤浆浓度（液固比）的影响 645
11.5.2 液化气氛和氢气压力 645
11.5.3 液化温度 646
11.5.4 反应时间 648
11.5.5 气液比 649
11.5.6 溶剂 649
11.5.7 催化剂 651
11.6 液化分散相催化：过去和未来，庆祝工业发展一个世纪 651
11.6.1 概述 651
11.6.2 重质含碳原料的一般讨论 654
11.6.3 技术发展——细化方法 658
11.6.4 分散相催化剂展望 661
11.7 煤直接液化各类催化剂 662
11.7.1 概述 662
11.7.2 煤液化催化剂的种类 663
11.7.3 过渡金属催化剂 663
11.7.4 廉价可弃性催化剂（赤泥、天然硫铁矿、冶金飞灰、高铁煤矸石等） 664
11.7.5 高价可再生催化剂（Mo、Ni-Mo等） 665
11.7.6 超细高分散铁系催化剂 667
11.7.7 助催化剂 668
11.8 主要的催化煤液化工艺 668
11.8.1 概述 668
11.8.2 德国IGOR+工艺 669
11.8.3 英国LSE工艺 670
11.8.4 埃克森供氢溶剂法（EDS） 672
11.8.5 氢煤法（H-Coal） 673
11.8.6 溶剂精炼煤法（SRC） 674
11.8.7 日本NEDOL工艺 675
11.8.8 BCL工艺 677
11.8.9 俄罗斯CT-5工艺 678
11.8.10 Pyrosol工艺 679
11.8.11 美国HTI工艺 681
11.8.12 催化两段液化工艺（CTSL） 681
11.8.13 CSF工艺 682
11.9 煤催化直接液化若干关键设备 683
11.9.1 煤直接液化反应器 683
11.9.2 高压煤浆泵 685
11.9.3 煤浆预热器 685
11.9.4 固液分离设备 687
11.9.5 煤直接液化液体的提级 688
11.10 煤-油共炼制 689
11.10.1 重质油类别和性质的影响 690
11.10.2 原料煤煤化程度的影响 691
11.10.3 原料配比的影响 691
11.10.4 煤-油共炼制中的逆反应 692
11.10.5 煤-油共炼制举例 693
11.10.6 煤与有机废弃物共液化简介 693

参考文献 695