《化工与新能源材料与应用》课件

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1、化工与新能源材料及应用化工与新能源材料及应用 2011.092011.09 目 录 化工与生物质能资源清洁转化及应用 化工与洁净煤技术生产及应用 化工与风力发电开发及应用 化工与氢能和燃料电池及应用 化工与“绿色二次电池”及应用 石油与天然气能源的可持续发展 化工与新能源材料 化工与太阳能利用及应用 1.1研究背景 1.化工能源与新材料 石油50年煤炭200年 能源危机 环境污染 1.2 能源的定义与分类 能源：比较集中的含能体或能量过程，可以直接或 经转化提供人类所需的光、热、动力等任何形式能量的 载能体资源。 按能源形成的条件： 一次能源：以现成形式存在于自然界中的能源称为 一次能源。 二

2、次能源：经过人类加工生产出来的能源称为二次 能源。 新能源新能源：指在新技术基础上加以开发利用的可再生：指在新技术基础上加以开发利用的可再生 能源能源。 新能源 氢能 生物质能 风能 核能 太阳能 地热能 海洋能 纳米新能源 一次能源 二次能源 新能源分类 氢能：氢燃烧释放的能量。 氢作为能源有以下几大优点： （1）氢是宇宙中最丰富的元素， 覆盖地球表明四分之三的海洋 水中就含有氢。 （2）氢在燃烧时不放出污染物， 是理想的绿色能源。 （3）氢的质量最轻，是元素周期 表中最轻的元素，与其它物质 相比，氢的燃烧热值高。 生物质能：是指植物叶绿素 将太阳能转化为化学能储 存在生物质内部的能量。 生

3、物质能既可直接利用，也 可转化成氢气、乙醇、沼 气等含能物质间接使用。 风能是太阳辐射能的一种 转化形式，是太阳辐射 引起的空气流动动能。 风能的大小与风速的三次 方及风通过的面积和空 气的密度成正比。 风能密度是指每秒通过每 平方米面积的风所具有 的动能。 核能：由原子核 的链式反应所产 生的能量，包括 应用于原子电站 的核裂变和核聚 变 太阳能：是各种可再 生能源中最重要的基 本能源。 利用最有效的途径是 太阳能的化学转化和 储存，以及通过“光电 效应”原理，把太阳能 转变为电能。 地热能：能够经济地 为人类所开发和利用 的蕴藏在地球内部的 热资源。 地球本身是一座巨大 的天然储热库。地

4、壳、地幔、地核都蕴 藏着不同量的热能。 地热发电不 需要燃料、锅 炉、运输设备等 ，是一种比煤、 核能等发电便宜 得多的能源利用 方式。 我国用于发 电的地热资源主 要集中在西藏、 云南的横断山脉 一线。第一座地 热电站是西藏羊 八井电站始建于 1976年，已稳定 运行了30多年。 海洋能是指蕴藏在海洋 中的可再生能源，主要包括 潮汐能、波浪能、海流能、 海水温差能、海水盐差能 等。 广义的海洋能还包括海 洋上空的风能、太阳能及海 洋生物质能等。 优点：蕴藏丰富、分布广、 清洁无污染 缺点：能量密度低、地域性 强，开发困难，存在局限 性。 纳米技术和纳米材料的出现为新能源实现本质 上的飞跃提供

5、了条件。从本质看，纳米新能源很大 程度上是二次新能源，它主要是利用纳米材料和纳 米技术为能量的储存和转化提供了非常便利的条 件。 原因：1纳米粒子表面能高而储存大量的能量 ；2纳米粒子表面活性大而吸附大量的其他含能物质 ；3纳米粒子作为催化剂对原有能源释放形式和释放 过程进行一定改变和加速，使被催化的原有含能材 料的能量释放更完全、更充分，从而达到提高能量 的目的。 2.化工与生物质能资源清洁转化及应用 2.1生物质能 生物质能就是蕴藏在生 物质中的能量，是绿色植物 通过叶绿素将太阳能转化为 化学能形式存储在生物质中 的能量。 在当今世界能源消费结 构中，仅次于煤炭、石油和 天然气，被称为“第

6、四能源” 。 2.2生物能的特点 2.2.1优点 1.提供低硫燃料.2.提供廉价能源.3.将有机物转化 成燃料可减少环境公害（例如，垃圾燃料）.4与其他 非传统能源相比，技术难题较少.5燃烧容易、污染 少、灰分低。 2.2.2缺点 1.小规模利用；2.植物仅能将极少量的太阳能转 化成有机物；3.单位土地面积的有机物能量偏低；4. 缺乏适合栽种植物的土地；5.有机物的水分偏多 (50%90%)，热值和热效率低，体积大不容易运输。 2.3生物能分为两类传统的和现代的 2.3.1现代生物质 木质废弃物(工业性的)； 甘蔗渣(工业性的)；城市废物4 生物燃料(包括沼气和能源型作物)。 2.3.2传统生

7、物质 家庭使用的薪柴和木炭；稻草，也包括稻壳；其他的植 物性废弃物；动物粪便。 2.4、生物质能的种类 (1)木材和森林工业废弃物（树枝、树叶、树根等） ； (2)农业废弃物（秸杆、果核、玉米芯等）； (3)水生植物（藻类等） (4)油料植物（棉籽、麻籽、油桐等） (5)城市与工业有机废弃物（垃圾和食品、屠宰、制 酒、制纸工业的排泄物等） (6)人畜粪便。 2.5 生物质能的利用技术 2.5.1直接燃烧：炉灶燃烧、锅炉燃烧和成型燃料燃烧，炉 灶燃烧热效率低于15%；锅炉燃烧热效率高，热电联产可达 90%；成型燃料燃烧是把生物质固化成型后用于传统的燃烧 设备，电耗较高。 2.5.2 生物化学转换

8、 分为厌氧发酵和生物酶技术两类。 （1）厌氧发酵主要将工业废液和人畜粪便等非固体生物质 如植物的秸杆、枝叶、杂草等分解为沼气。 （2）生物酶技术是把生物质含糖类、淀粉（C6H10O5）n较多 的农作物（如玉米、高粱）为原料生化转化成乙醇。 燃料乙醇是用于做发动机燃料的乙醇，与普通食用酒精 相比含水率低，不大于0.5%，纯度要求也较低。 燃料乙醇的优点 可作为新的燃料,减少对石油的消耗。燃料乙醇作为可 再生能源，可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,可 减少对石油的依赖,保障本国能源的安全 可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用，而不用更 换发动机。汽油中加入燃料乙醇可大大提高汽油的辛烷 值, 有

9、效地提高汽油的抗爆性。 作为汽油添加剂,可减少汽油消耗量，增加燃烧的含氧 量，使汽油更充分燃烧。 乙醇是可再生能源,若采用甜高粱、小麦、玉米、稻谷 壳、薯类、甘蔗、糖蜜等生物质发酵生产乙醇,其燃烧所 排放的CO2和作为原料的生物源生长所消耗的CO2 在数量 上基本持平,这对减少大气污染及抑制温室效应意义重大 。 燃料乙醇的缺点 乙醇汽油的保质期只有一个月。过了保质期的乙醇汽 油容易出现的分层现象，在油罐油箱中容易变浑浊，打 不着火。 乙醇汽油对环境要求非常高，非常怕水，保质期短， 因此销售乙醇汽油要比普通汽油在调配、储存、运输、 销售各环节要严格得多。 2.5.3热化学转化：热解干馏、热解气化

10、和热解液化 热解干馏将木质生物质转化为炭、燃气和多种 化学品，缺点是利用率低，与原料适应性不强； 热解气化可将生物质转化为可燃气体，既可用 作生活煤气，也可用作制氢或合成气的原料，还可 通过锅炉或内燃机等转化为热能或电能； 热解液化是在中温闪速加热条件下使生物质迅 速热解、然后对热解产物迅速冷凝获得一种称为生 物油的初级液体燃料，提质后可替代柴油汽油用于 内燃机。 2.6生物质能的转换方式 现代生物质能技术为我国工业、农业提供了极大的发展 空间，利用现代技术可以将生物质能转化为固态、液态和气 态的生物质燃料，显著改善能源利用与工作环境。 2.6.1固态生物质燃料 (1)直接燃烧的生物质，利用薪

11、柴、秸秆和畜粪等有机物质 为燃料，通过对传统炉灶结构和燃烧方式进行改进，可以 提高热效率。 (2)压缩成型燃料，生物质压缩致密成型技术是在一定温度和 压力作用下，将各类生物质压制成密度较大的棒状、块状或 颗粒状等成型饲料或成型燃料的技术。 (3)生物质与煤混合燃烧的燃料，主要用来发电。 2.6.2液态生物质燃料 液态生物质燃料是指利用生物质资源生产的燃料乙醇和 生物柴油等，用以替代由石油资源制取的汽油和柴油，是可 再生能源开发利用的重要方向之一。 燃料乙醇技术：主要采用生物发酵法。发酵法的原料主 要是玉米、谷物等糖类或淀粉类粮食作物和废树木、农作物 秸秆等纤维素类原料。 生物柴油：是燃料乙醇外

12、的另一种液体生物质燃料，它 是以油料作物(如麻风树、黄连木等植物)、野生油料作物等 植物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料油通过酯交换 工艺制成的甲酯或乙酯燃料。 生物柴油可以替代部分石油等化石资源，具有温室气体 排放量少、排放物易于生物降解等特点。 生物柴油的3种制作方法：化学碱法、超临界 方法和酶法。化学法的特点是工艺简单，但对原料 有选择，不适合用于酸值特别高的废油脂；超临界 的方法是发展方向，因为不需要催化剂，但设备要 求高，适合于大规模装置；酶法是一种清洁的生产 工艺，对原料没有选择性，设备简单，能耗低，而 且环境友好，但是成本较高。 2.6.3气态生物质燃料 生物质气化是通过化学

13、方法将固体生物质能转化为气体 燃料；气态生物质燃料包括沼气、生物质气化制气等。 2.7生物质发电 生物质发电的三种形式：气化发电、直燃发电、热电联 供技术。 秸秆燃烧发电，热效率可达90%;生物质能净转化效率40 2.8我国生物技术的现状 在生物燃料的规模化生产方面，巴西、美国、德国和中国 处于世界的领先位置。 与国外相比，我国生物质能技术存在较大差距： (1)厌氧消化产气率低 (2)系统运行和管理自动化水平不高 (3)与厌氧消化和综合利用配套的技术和设备还不成熟 (4)厌氧消化技术产业化发展缓慢，不便于大规模市场推进 (5)秸秆气化热值低，在稳定运行、焦油清除、气体净化等技术 上需要提高 (

14、6)缺乏秸秆直接燃烧供热技术研究和设备开发，不便于多途径 能源利用 (7)生物质发电技术和装置方面有较大差距。 3.化工与洁净煤技术生产及应用 3.1洁净煤技术的含义 洁净煤技术(Clean Coal Technology ，CCT)是指煤炭 从开发到利用的全过程中， 旨在减少污染物排放与提高 利用效率的生产、加工、转 化、燃烧及污染控制等新技 术体系。 在我国，一次商品能源 以煤炭为主。煤炭提供了75% 的工业燃料、76%的发电能 源、80%的民用商品能源和 60%的化工原料。 我国传统的煤炭开发和 利用技术极大的污染了环境 ，诱发温室效应、酸雨，引 起疾病、农业减产甚至带来 严重的经济、社

15、会问题。 3.2洁净煤包含的内容 包括：洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁 净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术和燃煤污染 排放治理技术等。 中国煤炭开采和利用的特点决定，中国洁净煤 技术领域与国外洁净煤技术领域重点在燃烧发电技 术上有所不同。 涵盖从煤炭开采到利用全过程，是煤炭开发和 利用中旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃 烧、转化和污染控制等新技术的总称。 3.3煤化工 煤化工是为摆脱原油依赖，即就石油化工要取 得的各类烷烃、烯烃、芳烃，以及进一步的多种有 机原料、合成原料、高分子聚合材料单体而言，都 可以通过煤化工获得。如柴油、汽油、航空没有、 液化石油气、乙烯原料、替代燃料(甲醇、二甲醚) 等。 煤化工的四个重要方向：煤基多联产；煤的直 接液化；煤制化学品；费托合成。 3.4中国洁净煤技术发展概况 领域：煤炭加工、煤炭高效洁净燃烧、煤炭转化、 污染排放控制与废弃物处理。