化学与能源一化学与常规能源

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1、2019/1/7,化学与常规能源,1,化学与常规能源,主讲：陈渊,第二部分 化学与能源（一）,2019/1/7,化学与常规能源,2,主要内容,柴薪(生物质能)第一代主体能源 煤最主要的固体燃料 石油和天然气 化学电池 能源利用的化学本质,2019/1/7,化学与常规能源,3,什么是能源？,能源是提供能量的自然资源。 能量是一切运动的源泉。没有能量就没有生命运动，生命运动的停止意味着生命的死亡；没有能量就没有化学反应，所有形式的生命都不能维持。 能源是宇宙的推动力，是系统作功能力的量化特性，能源可以是动能、位能、热能。能源的 形式有很多(例如热力、电力等)，而且一种能源形式可以转化成另一种形式。

2、,2019/1/7,化学与常规能源,4,能源结构： 石油仍居主导地位，占能源消费总量的36.8，煤炭次之，占27.2，天然气发展较快，已占23.7，有三足鼎立之势。而水电与核能则相对势微，分别仅占6.2和6.1。,2019/1/7,化学与常规能源,5,目前，我国能源利用效率为33%，比发达国家低10个百分点；单位产值能耗是世界平均水平的2倍多，比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和43%；我国8个行业（石化、电力、钢铁、有色、建材、化工、轻工、纺织）主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%；燃煤工业锅炉平均运行效率比国际先进水平低15-20%；机动车百公里油耗比欧洲高2

3、5%，比日本高20%。,能源利用效率,2019/1/7,化学与常规能源,6,能源的分类,能源按其来源不同可以分类四类： 太阳能：除太阳辐射能以外，还包括煤、石油、天然气等化石燃料，以及生物质能、水能、风能、海洋能等间接来自太阳能的能源。 地热能：如地下热水、地下蒸气、干热岩体。 核裂变资源和核聚变资源：如铀、钍等核裂变和氘、氚、锂等核聚变资源。 月球、太阳等星体对地球的引力为主产生的能源：如以月球引力为主产生的潮汐能。,2019/1/7,化学与常规能源,7,按能源工作者的分类 一次能源：可从自然界取得而不改变其基本形态的能源。 常规能源：已被人们广泛应用的能源，如水能、煤、石油、核裂变材料等

4、新 能 源：采用新的先进的科学技术而被广泛应用的能源，如太阳能、风能、核聚变材料 二次能源：由一次能源加工或转换而转变了形态的能源称为二次能源。 煤制品 石油制品 电能、沼气、蒸汽等。,能源的分类,2019/1/7,化学与常规能源,8,一次能源,二次能源,再生能源,非再生能源,太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热,原煤、原油、天然气、油页岩、核能,电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭,能源的分类,2019/1/7,化学与常规能源,9,直接利用太阳能,光合作用,空气、地表吸热,煤炭,食物中的化学能,空气变热形成风,水蒸气形成雨雪,201

5、9/1/7,化学与常规能源,10,.柴薪(生物质能) 第一代主体能源,柴薪是人类第一代主体能源 柴薪也可称为生物质能,它是光合作用的产物,是太阳能的间接利用 植物的叶绿体通过光合作用，利用太阳的能量，将CO2和H2O合成为有机物并放出O2,在燃烧时，这些有机物又与氧气发生化学反应变为CO2和H2O,同时释放出能量。,2019/1/7,化学与常规能源,11,水 + 二氧化碳,-,有机体 + 氧,植物,太阳能,生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生

6、的碳源。 生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括柴薪，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面）。,2019/1/7,化学与常规能源,12,生物能具备下列优点： * 提供低硫燃料； * 提供廉价能源(于某些条件下)； * 将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)； * 与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。,其缺点有: *小规模利用； *植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物； *单位土地面的有机

7、物能量偏低； *缺乏适合栽种植物的土地； *有机物的水分偏多(50%95%)。,生物能的优缺点,2019/1/7,化学与常规能源,13,据统计：,世界每年约产出1.71011吨干生物量，利用量仅为1.3108吨，不足总量的1%； 生物质向人类提供了世界能源消费总量的15%,仅次于石油、煤碳和天然气（生物能是第四大能源）； 我国利用的生物质能约为2.6108吨标准煤，占农村能源消费的70%左右。,2019/1/7,化学与常规能源,14,传统能源使用的新方式,柴薪的传统使用方法是直接燃烧，其热利用率很低，为15%左右，即使用新式节柴灶，也最多能提高到25%左右，而且直接燃烧还会造成环境污染。 总体

8、思路：将固态的柴薪通过化学反应转化为可燃性液态或气态化合物，即将生物能转化为化学能，然后再燃烧放热。 气态燃料：沼气 液态燃料：甲醇、乙醇,2019/1/7,化学与常规能源,15,一、气体燃料沼气,生物质在厌氧条件下可生成沼气,其主要成份是甲烷(CH4),甲烷燃烧热值高,而且干净,因此被称为清洁燃料。另外，生成沼气的残渣、残液是优质的速效肥料。 沼气的原料可以是有机垃圾，既处理了生活垃圾的一部分又清洁了环境，所以建设大型沼气池可同时处理城市垃圾，还可以用于发电。 到2000年底，我国共建成了1000座工业废水和畜禽粪便沼气工程形成了每年约6亿立方米沼气生产能力。我国农村有500多万小型沼气池作

9、为家用能源。,2019/1/7,化学与常规能源,16,二、液体燃料,生物质经过发酵或高温热分解等方法可制造甲醇、乙醇等干净的液态燃料。许多欧美国家已经普及使用了乙醇或含乙醇的汽油做汽车燃料。欧洲已有多家由木屑生产甲醇的工厂。 除利用农牧业的废料，科学家们成功地培植了一些速生树木等高产作物以获取生物能源。 巴西：香胶树（又称石油树）每株每年产50KG左右与石油成份相近的胶质。 美国：黄鼠草，每公顷年产6000kg石油； 巨型海藻，提炼类似柴油的燃料油。,2019/1/7,化学与常规能源,17,生物能的开发和利用具有巨大的潜力,直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。 利用能源作物生产液体燃料。目前

10、具有发展潜力的能源作物，包括：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。 生产木炭和炭。 生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIG）联合发电装置。 对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免引起环境危害。,2019/1/7,化学与常规能源,18,根据生物质能的作用和我国的现状，目前重点发 展的项目如下： （1）近期优先发展项目 生物质气化供气 生物质气化发电 大型沼气工程 生物质直接燃烧供热 （2）中长期化发展项目 生物质高度气化发电项目（B

11、IG/CC） 生物质制氢等优质燃气 生物质热解液化制油,2019/1/7,化学与常规能源,19,.煤最主要的固体燃料,概述 煤是我国的主要能源 煤的来源及形成 煤的化学组成 煤的利用方式 直接燃烧 综合利用 煤的气化 煤的干馏 煤的液化,2019/1/7,化学与常规能源,20,煤是我国的主要能源,中国最早使用煤，700多年前，马可波罗看到中国人烧煤，这是他第一次见识到一种可以燃烧的“黑石头” 最早大规模使用煤的是英国：英国森林资源有限，而英国又是产业革命的发源地，随着蒸汽机的发明和推广，煤逐渐成为能源主角。 世界能源消费：20世纪70年代石油超过了煤。 发展中国家仍以煤为主要能源。 中国的能源

12、消费构成： 煤所占比例为：1960年94%；1970年81%;1990年76%；2000年68%,2019/1/7,化学与常规能源,21,煤的来源（形成）,煤、石油和天然气是上亿年前的植物或动物变来的，故被称为“化石能源”。它的主要演变过程为： 约3亿年前的古生代泥煤形成 随着地壳下降，下有地热，上有土石压力褐煤形成 地壳继续下降，较深的地方，压力继续增大，地热温度可达20000C左右，形成烟煤，最后变成无烟煤。 煤因此被称为化石能源,2019/1/7,化学与常规能源,22,煤的化学组成,因产地而异。目前公认的平均组成含C、H、O、N、S分别为85.0%，5.0%，7.6%，0.7%，1.7%

13、，可折成原子比来表示： C135H96O9NS 此外还含有其他的金属和非金属元素。,2019/1/7,化学与常规能源,23,2019/1/7,化学与常规能源,24,2019/1/7,化学与常规能源,25,煤的利用方式 直接燃烧,我国是一个燃煤大国。年消费量在10亿吨以上。其中30%用于火力发电，炼焦；50%用于各种工业锅炉、窑炉；20%的用于生活。可见，绝大部分是直接烧掉。 直接燃烧的弊端： 热效率低； 化学利用率低； 严重污染环境。,2019/1/7,化学与常规能源,26,2019/1/7,化学与常规能源,27,煤的综合利用 煤的干馏（煤的焦化）,即隔绝空气加热，使煤分解生成：焦炉气（气体）

14、，煤焦油（液体），焦炭（固体） 煤隔绝空气：控制干馏的温度可以得到不同的产品。 焦炉气中除可燃气体CO，H2，CH4外，还有乙烯、苯、氨等。 煤焦油可提炼苯、酚、萘、蒽、菲等环状化合物，它们是医药、农药、炸药、染料行业的重要原料，此外还可分离出吡啶 、喹啉、机油、沥青等400多种化合物； 焦炭的主要用途是炼铁，还可制成电石，电极等,2019/1/7,化学与常规能源,28,煤的综合利用 煤的气化,让煤在氧气不足的情况下，进行部分氧化，使煤中的有机物部分分转化。 气化的主要目的有二个：产生气体燃料，便于管道输送（车间、实验室、厨房） 气化的过程涉及10个左右的基本化学反应，根据不同需要作不同的条件

15、控制，产物的成分和比例不同。,2019/1/7,化学与常规能源,29,煤的综合利用 煤的液化(在研究过程中),煤与石油有着相似的“成长经历”，有着近似的“基因”，有可能通过一定化学反应，将煤转化为石油。煤炭液化油可称为人造石油。 煤的液化可分为直接和间接液化,2019/1/7,化学与常规能源,30,直接液化：2.3吨煤可以液化为一吨油，但不能直接用于汽油。加H2，重整后可用于汽油，但成本加大,间接液化：5-6吨煤可以液化为1吨油，品位较纯，符合环保要求,2019/1/7,化学与常规能源,31,一碳化学,随着煤的气化和液化技术的重大突破，以煤为原料的C1化学可望在今后形成一个新体系。 C1化学：

16、以分子中含一个碳原子的化合物（如：CH3OH、CO、CH4等）为原料来合成化工产品的化学体系。 C1化学的发展对煤矿资源丰富的我国十分重要。,2019/1/7,化学与常规能源,32,.石油和天燃气,石油的由来与分布 石油的组成与利用 石油的伴生物天然气,2019/1/7,化学与常规能源,33,石油的由来,石油在世界能源消耗结构中雄居首位，同时是化工生产最主要的原料来源被称为“工业的血液”。 关于石油的成因，现在较为一致的观点：石油是远古时代海洋或湖泊中动植遗体，在地下经过漫长的复杂变化而形成的棕黑色黏稠液态混合物。,2019/1/7,化学与常规能源,34,石油的分布,未经处理的石油叫原油。目前查明储量最大的产油带有两个，这两个都曾是海槽，因此有“海相成油”学说。 长科迪勒地带：北起阿拉斯加和加拿大，经美国西海岸，到南美委内瑞拉、阿根挺 特提斯地带：从地中海起经中东到印尼 我国