化工工程技术在能源转化中的创新性进展

一、引言

在全球能源需求攀升和环保意识增强的当下，能源转化技术的革新迫在眉睫。化工工程技术凭借其多学科融合的特性，在能源转化领域持续推陈出新。从高效催化剂的研发，到创新反应工艺的设计，正逐步打破传统能源转化的局限，为实现能源高效、清洁转化开辟新路径，对推动能源行业变革意义深远。

二、催化反应工程的创新突破

2.1 高性能负载型金属催化剂的研发

催化反应工程国际联合团队针对废塑料资源化和 CO 催化转化难题，开发出一系列高性能负载型金属催化剂。如在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）处理中， Au/NiO 催化剂能实现其解聚和氧化串联反应，经分离纯化可获得收率 77.51% 的乙醇酸晶体，且引入氧空位可调控反应速率，相比传统碱性水解，经济收益更高且二氧化碳排放大幅减少。在水煤气变换反应中， Pt/α -MoC 催化剂上的单层 Pt 纳米团簇在低温下展现出极高活性，CO 转化率在 160^∘ °C 可达 97.6% ，实现了 Pt 原子的最大化利用。

2.2 热催化一步解聚氧化策略的应用

该团队提出的热催化一步解聚氧化策略，为废弃 PET 的高值化转化带来突破。废弃 PET 在特定催化剂作用下，能直接转化为商品级乙醇酸晶体，且此策略对其他聚酯类塑料回收同样有效，乙醇酸收率较高，展现出巨大的工业化应用潜力，为解决白色污染和实现资源循环利用提供了新思路。

2.3 定量分析方法助力催化剂性能提升

通过 DFT 计算和化学吸附相结合的定量分析方法，研究团队有效量化了 Pt/α -MoC 催化剂中 Pt 团簇尺寸等关键指标，如界面周长。这不仅为理解 Pt 微观结构提供了突破性见解，也为优化催化剂性能、提高能源转化效率提供了有力手段。

三、气化技术的创新发展

3.1SE 东方炉系列气化技术的迭代升级

在“双碳”背景下，SE 东方炉系列气化技术不断创新，成为化石能源高效清洁利用的关键。该技术通过持续的技术迭代，在原料适应性上实现了重大突破，涵盖粉煤、水煤（焦）浆、重质油等多种含碳物质，无论是高灰分、高水分的劣质煤，还是粘度大、难以处理的重质油，都能高效转化。其清洁高效的特性体现在气化过程中能将碳转化率提升至 99% 以上，同时通过先进的净化系统，使合成气中有效气体成分（ CO+H₂ ）占比超过90% ，且污染物排放远低于行业标准。产品的多样性更是满足了不同工业场景需求，可生产合成氨、甲醇、乙二醇等化工原料，也能用于发电、制氢等能源领域。多种炉型的设计使其能灵活适配不同规模的工厂，从中小型煤化工企业到大型能源基地均能稳定运行，运行成本较传统气化技术降低 15%-20% ，在当前能源结构转型中展现出强大的竞争力。

3.2SE 重质油气化技术解决炼厂难题

中石化宁波工程有限公司开发的 SE 重质油气化技术，针对炼厂重质油粘度高、硫含量高、处理难度大且成本高昂的痛点，通过独特的喷嘴设计和反应工艺优化，实现了脱油沥青和加氢未转化油等含碳资源的高效转化，转化效率较传统延迟焦化工艺提升 30% 以上。该技术能为炼化企业稳定供应高纯度氢气和优质合成气，其中氢气纯度可达 99.9% ，满足加氢精制等工艺需求，合成气则可用于生产高附加值化工产品，大幅提升了炼厂的资源利用率和经济效益。

3.3 生物质气化技术的探索与实践

宁波工程公司在生物质气化技术方面积极探索，通过多年的研发与试验，成功实现了生物质与煤共气化的工业应用，在巴陵石化和中安联合煤气化装置的试验中，生物质掺烧比例从最初的 5% 逐步提高至 20% ，每掺烧1 吨生物质可减少二氧化碳排放约 1.5 吨，为现有煤气化装置降碳减碳开辟了经济可行的新途径。此外，针对不同生物质原料特性，开发了固定床、流化床和气流床等多种生物质气化技术，固定床适用于秸秆、木屑等块状原料，流化床可处理稻壳、花生壳等颗粒状物料，气流床则能高效转化生物质炭等粉末状物质，满足农业废弃物处理、生物质能源站建设等不同场景需求。目前正打造的拓展试烧平台，已对玉米秸秆、甘蔗渣、林业废弃物等 20 余种生物质原料进行了气化试验。

四、光热协同催化技术的创新实践

4.1“光子-声子协同催化”概念的提出

清华大学唐军旺院士团队创新性提出“光子-声子协同催化”概念，该概念突破了传统催化技术中光催化与热催化各自独立的局限，将光催化的精准激发特性与热催化的热力学调控优势有机结合，形成了一种全新的催化机制。在这一机制中，光子作为能量载体，能够精准激活反应物分子中的特定化学键，降低反应的活化能垒，而声子则通过热能传递实现反应体系的热力学平衡调控，确保反应朝着目标产物方向高效进行。这种协同作用旨在突破传统化学品制造过程中普遍存在的高温、高能耗瓶颈，例如在合成氨反应中，传统热催化需要高温高压条件，能耗巨大，而“光子-声子协同催化”有望在中低温条件下实现高效反应，大幅降低单位产品的能耗，为化学品的绿色制造提供了全新的理论指导和技术路径，推动能源转化过程向更高效、更环保的方向发展。

4.2 光催化甲烷制甲醇的突破

2018 年，清华大学唐军旺院士团队首次报道在常温常压下实现光催化甲烷制甲醇的 92% 高选择性，这一突破性成果打破了传统热催化甲烷制甲醇过程中需要高温（通常超过 200^∘C ）、高压条件的限制，为甲烷的温和转化开辟了新道路。在传统工艺中，高温条件不仅导致能耗激增，还容易使甲醇进一步氧化为 CO₂ 等副产物，降低目标产物的选择性，而该团队研发的光催化体系通过特定的催化剂设计，利用光子能量精准激活甲烷分子中的 C-H 键，在常温下就能促使其与水分子反应生成甲醇，且有效抑制了副反应的发生。后续研究发现，在该光催化体系中引入适量的热能（如通过外部加热使反应体系温度升至 50-100^∘C ），可进一步优化反应路径，加快反应物分子的扩散速率和产物的脱附速率，使甲醇的生成速率提升 1.5-2倍，显著提升了催化反应效率，为甲烷这一丰富的天然气资源的高效、高值化利用提供了极具前景的新方向。

4.3 光子-声子协同催化在多领域的应用成果

清华大学唐军旺院士团队利用“光子-声子协同催化”技术在多个能源转化领域取得了显著成果，展现出该技术的广泛适用性和巨大潜力。在甲烷氧化制乙烷反应中，团队开发的 ΔAu/TiO₂ 催化剂通过光能和热能的协同作用，使反应温度从传统热催化所需的 800^∘C 降低至 300^∘C ，不仅大幅减少了能源消耗，还将乙烷的选择性提高至 90% 以上，避免了高温下的深度氧化副反应；在甲烷氧化制备甲醛方面，使用单原子 Ru/ZnO 催化剂，在 150摄氏度的光照条件下，借助光子对 Ru 活性中心的激发和热能对反应体系的调控，使甲醛的生成效率较传统热催化提升了 3 倍以上，且产物纯度高，无需复杂的分离提纯工艺。

五、结论

化工工程技术在能源转化中的创新性进展成效斐然。催化反应工程通过新型催化剂和策略提升了能源转化效率与资源利用率；气化技术在原料多元化和清洁化利用上成果显著；光热协同催化技术则为温和条件下的能源转化开辟了新路径。这些创新技术的协同发展，为全球能源转型注入强大动力，未来需持续投入研发，推动其更广泛应用，助力实现可持续能源发展目标。

参考文献

[1]周成平.打造世界领先的技术先导型能源化工工程公司[J].中国石化,2021,(01):48-50.

[2]朱树镇,闫永,吴立剑.化工工程工艺中绿色化工关键技术研究[J].塑料包装,2025,35(03):66-69.