百篇科普系列（132） 碳中和，煤炭該怎麼用？
百篇科普系列（132）
碳中和，煤炭該怎麼用？
徐長髮，華中科技大學，2022.1.10.
這多年來我國一直在大力發展清潔能源，如水電工程、風電工程、光伏電工程、儲氫制氫工程，一批接著一批；電動汽車大批上市，燃油車將被取代；我國第四代反應堆“釷基熔鹽反應堆”也試驗成功，‘火電’不斷地被關停，第四代核電站將要大批建造；我國解決能源危機的前景很光明，關於2060年我國將實現碳中和的承諾是沒有問題的。
隨著我國的經濟和科技的發展，我國現在陸續探明在南海蘊藏著極大量的油氣和可燃冰，在西部也探明不少的頁岩油氣田，在塔克拉瑪干沙漠下面也探明有巨大的油田；我國本來就是產煤大國，現在又探明更多的大煤礦。
在新能源形勢如此快速發展的形勢下，不少人疑問，我國將來怎麼利用石油和煤炭？
回答應該是肯定的。以前，石油和煤炭主要用於燃料，將來石油和煤炭主要用於化工。
其實，石油和煤炭是同源的：
‘地下散部燃氣’→（地質變遷，升溫升壓作用）→‘油氣田’→（地質變遷，降溫、降壓作用）→‘煤氣田’。
泥碳→（地質變遷，升溫升壓作用，氫不斷加入）→褐煤 → 煙煤 → 無煙煤 。
‘地下燃氣’、‘石油’、‘煤’這三種‘化石燃料’是同源的，是可以互相轉化的，參見本系列文章34-37。
一．石油化工及其應用
石油主要是由‘烷烴’、‘環烷烴’和‘芳香烴’所組成的混合物；石油所含有的元素主要是碳和氫，同時還含有少量的硫、氧、氮等摻雜元素。
石油的產品目前主要的是“燃油”、“潤滑油”、“液化石油氣”、“石油焦”、“石蠟”、“瀝青”等。
石油化工產品是非常豐富的，人們的日常生活都離不開它。生產石油化工產品的步驟大致如下：
第一步：對原料油或油氣進行‘裂解’生成化工原料，化工基本原料主要是烯類（乙烯、丙烯、丁二烯）和苯類（甲苯、二甲苯）；
第二步：以化工基本原料去生產多種有機化工原料（200多種）及合成材料（合成樹脂、合成纖維、合成橡膠）等。
石油化工能夠延伸到各行各業，如下圖：
合成樹脂和塑膠是石油化工的一類主要產品。
合成樹脂為高分子化合物，是由低分子原料，如乙烯、丙烯、氯乙烯等，透過聚合反應結合成大分子而生產的。塑膠的主要成分是樹脂，適當新增關於使用功能和加工功能的輔助材料，就可以製成各種塑膠產品。樹脂和塑膠的需求量很大。
合成橡膠是石油化工的一類主要產品。
現有的幾種合成橡膠都是由‘乙烯’、‘丙烯’、‘丁烯’聚合而成的。合成橡膠可以部分或全部代替天然橡膠使用，主要用於製造輪胎和一般工業橡膠製品，需求量很大。
合成纖維是石油化工的一類主要產品。
因為石油的化工原料可以合成‘高分子化合物’，由此得到合成纖維原料，有滌綸、錦綸、腈綸、氯綸、維綸、氨綸、聚烯烴彈力絲等，再抽成細絲做成紡織品。合成纖維的需求量很大。
醫藥合成要使用石油化工原料。
早在歐洲人踏上美洲之前，印第安人曾經把石油當做‘包治百病’的神藥，適當外用可治療風溼病，適當內用可以做‘溫和的瀉藥’，還可以治療長期咳嗽、瘧疾、牙痛、雞眼、神經痛、痔瘡、泌尿疾病和肝病等，療效神奇。
當然，現代醫藥不是直接使用石油了，而是利用石油化工原料合成藥物了。現代醫藥是由多類‘有機化學基團’合成的。
農藥合成要使用石油化工原料。
農藥中的絕大部分品種是有機的。以前的‘滴滴涕’、‘666’、‘有機磷殺蟲劑’都是由‘無機元素’和‘有機基團’合成出來的，不過這幾類農藥都不再使用了，現在合成的農藥要講究‘殺蟲效果好’、‘易降解’、‘對人的毒性小’。
化肥離不開石油的貢獻。
尿素是由氨和二氧化碳合成的，氨和氫都是煉油的副產品。有了氨，就可以生產出硫酸銨、硝酸銨、碳酸銨等氮肥。
日化領域離不開石油的貢獻。
像肥皂、清潔劑、洗衣液等無磷洗滌用品，以及琳琅滿目的化妝品也都是石油化工的深化產品。
精細化工產品很多。
像表面活性劑、農藥、染料（含顏料）、醫藥、助劑、催化劑。此外還有塗料、膠粘劑、感光材料、磁記錄材料、化學試劑、香料、食品與飼料新增劑、油田化學品、水處理劑、油品新增劑等。
二．煤炭的化工及其應用
煤炭，它們可能是由含氣量少的泥碳在溫度和壓力的作用下透過‘增加氫’形成的，也可能是石油在溫度和壓力的作用下透過‘失去氫’形成的。
煤炭組成的元素基本與石油相同。
煤炭的結構以‘芳香’類為主，可以把它看作是‘石油嚴重脫氫’的結果。如果把煤炭的提取物‘不斷地加氫’，也同樣會得到各種‘石油化工’產品。現在，煤炭化工越來越受到重視了，而且要大力發展了。
1.‘煤礦地下氣化’
對於煤質量差、範圍小、不便於開採的礦區，直接在地下礦區燃燒，並鼓進水蒸氣，煤在缺氧的封閉環境下與水反應，人們可獲得大量的氫和一氧化碳，這些都是化工原料。另外，原礦區殘留的灰渣、氧化物、放射性物質、矸石等全部留在地下，氣化完成後再向地下‘注漿’，避免地表沉陷。該方法非常有利於環保。參見本系列122。
2.
煉焦
將煤隔絕空氣加熱，煤中的有機物分解逸出，剩下焦炭或半焦。煉焦是一種對煤炭的高溫乾餾方法，在900-1100℃下，煤炭分解出的氣體產物經處理後得到‘煤焦油’、‘氨’、‘粗苯’和‘煤氣’，這些都是化工原料；固體產物是‘焦炭’，可用於其它化工，也可用於冶煉。
3.
生產‘電石’
將焦炭與石灰石在2200℃下反應生成‘電石’，電石的成分是碳化鈣（CaC2）；
電石加水又可產生‘乙炔’（C2H2）：
Ca+3C
→
CaC2+CO， CaC2+2H2O → C2H2 + Ca（OH）2
乙炔既有很多工業應用，例如金屬焊接與切割等；乙炔也是重要的化工原料，例如用其生產聚錄乙烯（PVC），在工業和建築業應用廣泛。
4.煤的直接液化技術
煤和石油的有機成分類似，只不過石油的主體是低分子化合物，煤的主體是
高分子聚合物，因此在高溫高壓下‘加氫’，可以將高分子聚合物裂解為低分子化合物。
煤直接液化的工藝過程大致是這樣的：
1）將煤碎成粉末，與“溶劑”和“催化劑”混合成成‘糊狀’便於輸運；
2）溶劑要求能夠‘溶解氫’，便於氫和煤充分接觸和反應，許多石油產品
都是氫的溶劑，包括石油分餾後期的重油、渣油；
3）催化劑要求能夠裂解氫，例如鐵、錳、鋁的氧化物等；
4）將‘糊狀物’透過管道預熱送入‘裂解塔’；
5）裂解塔內溫度高於400-500℃，壓力大於20-30MPa，於是在催化劑的
作用下，煤中的高分子聚合物被裂解為較低分子的化合物，較低分子化合物成氣態從塔的頂部排出，渣類可從塔的底部排出；
6）從塔頂部排出的較低化合物還可以再分餾或裂解為常用的化工原料；
7）從塔底部排出的渣類，可以再利用；
煤的直接液化的成本低，效率也高，生成原油的效率能夠達到90%以上。
5.
煤的間接液化技術
煤的間接液化流程是，將煤乾餾得到焦炭，焦炭在高溫下於氧氣和水蒸氣反應，製得‘粗煤氣’，經脫硫等工序即可製成潔淨的一氧化碳和氫氣，這是化工原料，由此可以合成‘烴類’等化工產品。
三．結束語
隨著減少碳排放的要求加大，石油化工，特別是煤化工一定會全面地，速度
更快地發展起來。例如2009年，我國神華集團就在內蒙古一個煤田旁邊，建造了一座‘煤制油’生產線，日產柴油2000噸。
煤的氣化與發電也會得到快速發展。把煤氣化，再用淨化煤氣發電，可以減少粉塵、汙染物的排放，提高發電效率。例如，我國首座‘華能煤氣化聯合迴圈電站’，於天津新海濱區，2018年併網發電 ；該電站不僅捕集二氧化碳，實現零排放；生產煤化工原料；同時還年發電12億度。
塑膠垃圾的裂解處理也會得到快速發展。煤的直接液化技術本質上是‘加氫裂解技術’，該技術可以用於處理所有的塑膠垃圾。因為塑膠都是大分子聚合物，都可以加氫裂解，裂解後的產物就是小分子化合物，再裂解就是化工原料了。
