重质碳资源高效利用的科学基础_魏贤勇

1 何谓重质碳资源的高效利用
作为典型的重质碳资源，煤是古生物（主要是 植物）的遗骸经过亿万年的地质演变转化成的化石 资源。煤被称为“乌金” ，说明它来之不易，值得珍 惜。与石油被称为“工业的血液”相对应，煤又被 称为 “工业的粮食” 。 但与人们赖以生存的粮食不同， 煤属于不可再生的资源。 许多人认为，正因为是地球上，特别是我国储 量最丰富的化石资源， 煤应该是廉价的能源。 但是， 事实上我国煤炭的开采和利用都付出了极其昂贵的 代价。在我国，煤的大量开采严重地破坏了生态环 － 境并导致土地资源迅速减少。据报道[5 9]，全国采 煤沉陷面积已达 40 万公顷； 每年产生煤矸石 1.3 亿 吨，累计堆存 30 多亿吨，占用土地已经超过 15 万 亩，部分煤矸石自燃和淋溶水还造成了严重的大气 和水资源污染；生产每吨煤平均排放水量为 2～2.5 t，至 2003 年的 53 年全国产煤累积排放水量高达 680～790 亿吨，直接影响到区域水文地质条件，造 成部分地区人畜饮水困难，水利工程破坏， 农业生产 受到影响；煤矿因安全生产每年抽排瓦斯 70～90 亿 立方米，约占世界甲烷排放量的 1/3；每年因采煤过 程中的瓦斯爆炸夺去无数矿工的生命， 使其家属失去 生活来源并给他们造成难以治愈的精神创伤； 煤炭运 输已经占到我国货运的 45%以上， 给交通运输带来巨 大的压力。燃煤排放的 SOx、NOx 和所形成的包括多 环芳烃在内的气溶胶造成了极其严重的环境污染[10]。 还是形成酸雨的 燃煤排放的 CO2 不仅导致温室效应， 重要来源。更为严峻的是，作为经过 7000 万年乃至 1 亿年以上形成的宝贵的化石资源，按我国现在每年 消耗 20 亿吨且今后逐年递增 10%的速度，本世纪内 我国的经济可开采的煤炭将消耗殆尽。 大量的事实表明：我国采煤和用煤过程付出的 代价太大，获取的回报太小；煤应该被看作是宝贵 的化石资源而不是廉价的能源；煤炭资源应该得到 高效利用而不是滥用。从可持续发展的角度考虑和 科学发展观出发，包括煤在内的重质碳资源，特别
Scientific basis for efficient utilization of heavy carbon resources
WEI Xianyong，ZONG Zhimin，SUN Linbing，QIN Zhihong，ZHAO Wei
(School of Chemical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China)
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2006 年第 25 卷第 10 期
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
重质碳资源高效利用的科学基础
魏贤勇，宗志敏，孙林兵，秦志宏，赵 炜
（中国矿业大学化学工程学院，江苏 徐州 221008） 摘 要：介绍了重质碳资源是地球上最丰富的有机资源，其高效利用对国民经济的可持续发展至关重要，而制约
是重质化石资源的高效利用应该包括洁净、有节制 和高附加值利用。
2 重质碳资源利用的现状和存在的问题
缺气少油和国民经济欠发达导致煤在我国的能 源构成中长期占据主要地位。 从煤的高碳含量考虑， 产生同样热量由燃煤释放的 CO2 远多于石油和天然 气，而大量的 CO2 的排放造成全球气候反常。随着 我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，对环 境的要求也越来越高，因而作为洁净燃料煤与石油 和天然气等相比显然缺乏竞争力。 传统的煤利用技术还包括炼焦、 液化和气化等， 其共同点是热加工，即主要通过在高温下的化学反 应改变煤中碳的存在形态。 炼焦是主要服务于钢铁工业的煤转化工艺，但 随着高炉直接喷煤及电炉炼钢等新技术的发展，钢 铁工业对焦炭的需求量呈减少的趋势，导致炼焦工 业趋于萎缩，相应地作为炼焦副产物的煤焦油的产 量势必下降。Schobert 和 Song[11]指出，由于原料供 应减少，煤焦油工业前景暗淡，但全世界对高附加 值芳香族化学品的需求却在增加。煤焦油是芳香族 化合物特别是多环芳香族化合物的重要来源，为了 确保这些化合物的供给，有必要开发旨在获取这些 化合物的煤转化工艺。 煤直接液化是较温和的煤转化工艺。迄今研究 和开发煤直接液化工艺的主要目的是获取燃料油。 但由于需使用大量的氢气和无法回收的催化剂，导 致获取燃料油的成本居高不下，至少在今后数十年 内不可能与石油竞争，且产品（煤液体）作为化学 品利用，存在分离困难的问题。 过去数十年内，美国、日本和德国在煤直接液 化的基础研究和工业性试验方面做了大量的工作， 但除德国在第二次世界大战期间不惜成本通过煤直 接液化生产燃料油以满足战争的需要以外，迄今尚 未建立任何能够商业运行的煤直接液化厂。由于即 使是示范性试验也要投入大量的资金且现有的煤直 接液化工艺本身仍缺乏经济可行性，本文作者建议 我国在建立煤直接液化示范性和工业生产基地时一 定要谨慎从事。 通过煤的气化及合成气可以获取液体燃料和诸 多化学品[12]，但从全过程分析，经历了通过高温下 与气化剂（O2、H2 和 H2O）的反应将煤破碎成最小 ，然后组合这些碎片的 的碎片（CO、CH4 和 H2 等） 过程，即走了一条弯路，有得不偿失之虞。有的工
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魏贤勇等：重质碳资源高效利用的科学基础
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展。高效地利用重质碳资源可以避免中国过早地进 入后化石乃至无化石时代，对于实现建立资源节约 型和环境友好型社会具有十分重要的意义。 本文作者结合多年的研究结果， 重点以煤为例， 论述重质碳资源高效利用的定义、我国重质碳资源 利用的现状和存在的问题及实现重质碳资源高效利 用的途径。
Abstract：Heavy carbon resources (HCRs) are the most abundant organic resources globally and their efficient utilization is crucially important for the sustainable development of national economy，whereas the key issue restraining efficient utilization of HCRs is lack of understanding of the compositions and structures of organic macromolecular components in HCRs. Investigating the compositions and structures in soluble organic matter， especially macromolecular organic species， from HCRs in molecular level under the direction of molecular coal chemistry theory and using related separation and non-destructive (or slightly destructive) methods can provide reliable theoretical basis for developing new technologies of directly separating value-added chemicals from HCRs or directionally converting HCRs to clean and highly calorific fuels along with value-added chemicals. Key words：heavy carbon resources；molecular coal chemistry；macromolecular organic species； value-added utilization 重质碳资源是有机质主要由大分子成分组成的 化石资源和可再生资源，包括煤及其衍生物（煤焦 油、煤焦、煤液化油和煤液化残渣） 、重油（即原油 、 中密度大于 0.93 的稠油和沸点高于 350 ℃的渣油） 油页岩、油沙和农作物秸秆等，是全球，特别是我 国主要的有机资源。例如，就我国已探明的常规化 石资源储量而言，煤、石油和天然气分别为 818 亿 、 25 亿吨和 5.4 亿吨[2]， 吨 （另有报道为 1886 亿吨[1]） 其中石油中重油占 50%以上。也就是说，我国 98% 以上的常规化石资源属于重质碳资源。另一方面， 我国煤、石油和天然气的人均可采储量分别仅相当 而创造同量 GDP 于世界的 55.4%、 11.1%和 4.3%[3]， 的能耗却高达世界平均水平的 3.1 倍[4]。 有限的人均资源拥有量与粗放性的资源利用和 经济发展模式不可能维系我国国民经济的可持续发
重质碳资源高效利用的关键问题是人们迄今缺乏对其中有机质大分子组成结构的了解。评述了以分子煤化学理论 作为指导，利用可分离和非破坏或轻度破坏性的方法从分子水平上研究重质碳资源中可溶有机质，特别是有机大 分子成分的组成结构及研究进展，可以为开发从重质碳资源中直接分离高附加值化学品和定向转化重质碳资源为 洁净和高热值燃料及高附加值化学品的新工艺提供可靠的理论依据。 关键词：重质碳资源；分子煤化学；有机大分子；高附加值利用 中图分类号：TQ 536 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2006）10–1134–09
收稿日期 2006–07–14；修改稿日期 2006–08–21。 基金项目 国 家 973 项 目 （ G1999022101 、 2004CB217704-5 、 2004CB217801-2、2004CB217601 和 2005CB221200-G） 、国家自然科 学 基 金 西 部 能 源 重 大 研 究 计 划 重 点 和 面 上 项 目 （ 90410018 和 90510008） 、国家自然科学基金（29676045、20076051、50474066 和 20676142） 、教育部科学技术研究重点项目（104031） 、高等学校博士 学科点专项科研基金（98029016 和 20020290007） 、国家教育委员会 优秀年轻教师基金、 IET 青年教师基金、 煤炭科学基金 （93 加 410101） 、 煤炭工业科学技术发展项目基金（97-312） 、煤炭普通高校跨世纪学术 带头人培养对象基金、江苏省普通高校高新技术产业发展项目 （JHB05-33） 、江苏省自然科学基金（BK93136049）和江苏省六大人才 高峰培养对象基金。 第一作者简介 魏贤勇（1958—） ，男，工学博士，教授。电话 0516– 83885951；E–mail wei_xianyong@163.com。
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程耗费了巨额投资，带来的却是巨额亏损。 南非曾因受到制裁而以本国丰富的煤炭资源为 依托，开发了煤间接液化技术并使之工业化，但在 解除国际制裁后面临着是否继续发展煤间接液化技 术的问题。 就如同“纳米”成为热点一样，我国能源供应 紧张导致“煤变油”大行其道。然而，就煤的宝贵 程度和采煤付出的高昂而惨痛的代价及工艺过程欠 缺原子经济性而言， “煤变油”的确无异于“挖肉补 [13] 疮” 。 科学工作者需要用实事求是的科学态度看待热 点问题，能耗大、污染严重且产品附加值低是传统 的煤利用技术缺乏生命力的症结所在。与煤本身相 比，经化学反应后所得产物的组成往往更加复杂， 因而从中分离化学品也更加困难。仅以作为 1–苄 基萘的反应[14]为例，所得产物包括甲苯、萘、四氢 萘、2–苄基萘、1–苄基四氢萘、2–苄基四氢萘、 5–苄基四氢萘和 6–苄基四氢萘； 如果进一步深度 加氢，产物可多达 20 余种。因此，人们迄今尚难通 过加氢液化从煤中获取纯化学品。 Schobert 和 Song 站在煤化学和煤转化技术的前 沿， 评述了 21 世纪从煤获取化学品和材料需要采取 的技术路线[11]。他们认为一方面需要研究煤的定向 转化技术，一方面要设法从含有数百种乃至更多化 合物的煤焦油和煤液化油中分离化学品，可取的方 法是利用脱氢和脱烷基化反应，减少其中化合物的 种类。但值得注意的是，煤焦油和煤液化油在脱氢 和脱烷基化反应的同时不可避免地发生缩合等反 应；经脱烷基化反应后附加值较高的烷基芳烃转化 为无取代芳烃，也有得不偿失之虞。 随着“西气东输”工程的实施、三峡水利工程 的竣工、核电和海洋油气田的大规模开发、原煤价 格的迅速提高及人们环境保护意识的增强和国家对 环境质量的重视，中国的能源构成将会发生重大变 化。本文作者不赞成“今后相当长的时间内煤炭仍 然是我国的主要能源”的推断。可以预计，到本世 纪中叶，煤将不再占据我国能源的主导地位；煤失 去在我国能源中的主导地位将是我国国民经济步入 可持续发展轨道的重要标志。 随着轻质原油的大量消耗，世界原油重质化呈 日益加剧的趋势[15]。重油直接燃烧[16]污染严重，对 设备腐蚀及热能利用率低。利用重油的传统途径是 加氢和脱碳[17]，但重油中的沥青质，特别是其中的 有机金属、硫和氮杂原子成分极易使加氢用的催化