能源化工概論教案1-2

1、能源化工概論能源化工概論第一章第一章 緒論緒論主要內容主要內容1.1. 能能源及其源及其分類分類2.2. 能源利用史能源利用史3.3. 能能源的作源的作用用4.4. 能能源儲量及消源儲量及消費費5.5. 能能源化源化學學6.6. 能能源與環(huán)源與環(huán)境境7.7. 能能源發(fā)展趨勢源發(fā)展趨勢2能量的定義能量的定義 “產(chǎn)生某種效果（變化）的能力產(chǎn)生某種效果（變化）的能力” 做功能力的一做功能力的一種種度量度量5 5 能能源化學源化學 能夠直接或者經(jīng)轉換而獲取某種形式能量的能夠直接或者經(jīng)轉換而獲取某種形式能量的載能體和自然資源。載能體和自然資源。 能源的定義能源的定義能量能量能源能源含能體含能體( (如煤

2、炭、天然氣等如煤炭、天然氣等) )能量過程能量過程( (如風、潮汐如風、潮汐) ) 。 機械能機械能 熱熱 能能電電 能能輻射能輻射能化學能化學能核核 能能六六種能量形式種能量形式5 5 能能源化學源化學動能：動能：物物體運動體運動的能量的能量位能位能：物物體體因位置而具有的能量因位置而具有的能量一種與溫度有關的能量形態(tài)一種與溫度有關的能量形態(tài)以電流電壓呈現(xiàn)的能量以電流電壓呈現(xiàn)的能量以電磁波方式呈現(xiàn)的能量以電磁波方式呈現(xiàn)的能量食物、化石燃料等物食物、化石燃料等物質儲質儲存存的能量的能量粒子相互作用而釋放出的能量粒子相互作用而釋放出的能量 自然界的一切物質都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也自然界的一

3、切物質都具有能量；能量既不能創(chuàng)造，也不能消滅，而只能從一種形式轉換成另一種形式，從不能消滅，而只能從一種形式轉換成另一種形式，從一個物體傳遞到另一個物體；在能量轉換與傳遞過程一個物體傳遞到另一個物體；在能量轉換與傳遞過程中，能量的總量恒定不變中，能量的總量恒定不變能量守恒與轉換定律：熱力學第一定律能量守恒與轉換定律：熱力學第一定律5 5 能能源化學源化學能量相互轉換能量相互轉換能量守恒與轉換定律能量守恒與轉換定律James Joule (18181889)能量守恒與轉換定律能量守恒與轉換定律熱力學第一定律：能量守恒熱力學第一定律：能量守恒系統(tǒng)的內能系統(tǒng)的內能= =系統(tǒng)吸收的熱量系統(tǒng)吸收的熱量+

4、 +對系統(tǒng)做功對系統(tǒng)做功任何處于平衡態(tài)的熱力學系統(tǒng)都有一個狀態(tài)參數(shù)任何處于平衡態(tài)的熱力學系統(tǒng)都有一個狀態(tài)參數(shù)U（內能）。系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)時，（內能）。系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)時，內能等于系統(tǒng)吸收的熱量和系統(tǒng)對外做功之和。內能等于系統(tǒng)吸收的熱量和系統(tǒng)對外做功之和。能量貶值原理能量貶值原理能量不僅有量的多少，還有質的高低。熱力能量不僅有量的多少，還有質的高低。熱力學第一定律只說明了能量在量上要守恒，并學第一定律只說明了能量在量上要守恒，并沒有說明能量在沒有說明能量在“質質”方面的高方面的高低低。自自然界進行的能量轉換過程是有方向性的然界進行的能量轉換過程是有方向性的。不

5、不需要外界幫助就能自動進行的過程稱為自需要外界幫助就能自動進行的過程稱為自發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。自發(fā)過程都有發(fā)過程，反之為非自發(fā)過程。自發(fā)過程都有一定的方一定的方向。向。水總是從高處向低處流動水總是從高處向低處流動氣體總是從高壓向低壓膨脹氣體總是從高壓向低壓膨脹熱量總是從高溫物體向熱量總是從高溫物體向低溫物體傳遞低溫物體傳遞熱力學第二定律克勞修斯說法：克勞修斯說法：“不可能把熱量從低溫不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化物體傳到高溫物體而不引起其它變化?！遍_爾文說法：開爾文說法：“不可能從單一熱源吸取不可能從單一熱源吸取熱量使之完全轉變成功而不產(chǎn)生其它影熱量使之完全轉變成功而

6、不產(chǎn)生其它影響響?！蹦芰抠H值原理能量貶值原理12能量貶值原理：熱力學第二定律能量貶值原理：熱力學第二定律一個封閉系統(tǒng)中的任何自發(fā)性變化，都必然朝著能量一個封閉系統(tǒng)中的任何自發(fā)性變化，都必然朝著能量貶值（熵增）的方向發(fā)展，而最后的平衡狀態(tài)，則對貶值（熵增）的方向發(fā)展，而最后的平衡狀態(tài)，則對應于熵的最大可能值。應于熵的最大可能值。能源能源能源形態(tài)轉換過程能源形態(tài)轉換過程轉換機械或系統(tǒng)轉換機械或系統(tǒng)水力、風水力、風力、潮汐、力、潮汐、海流、波海流、波浪浪 太陽能太陽能機械能機械能 機械能機械能機械能機械能 機械能機械能 電能電能光能光能 熱能熱能光能光能 熱能熱能 機械能機械能 電能電能光能光能 熱

7、能熱能 電能電能光能光能 電能電能光能光能 化學能化學能光能光能 生物能生物能電磁波電磁波 電能電能水車、風車。水輪機水車、風車。水輪機發(fā)電機，波力發(fā)電、風力發(fā)電機，波力發(fā)電、風力發(fā)電、潮汐發(fā)電、海流發(fā)電發(fā)電、潮汐發(fā)電、海流發(fā)電熱水器，熱水器，采暖器、太陽灶、采暖器、太陽灶、太陽能熱發(fā)動機，太陽熱發(fā)電太陽能熱發(fā)動機，太陽熱發(fā)電熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電光電池光電池光化學電池光化學電池光化學反應（水分解）光合成光化學反應（水分解）光合成5 5 能能源化學源化學能源能源能源形態(tài)轉換過程能源形態(tài)轉換過程轉換機械或系統(tǒng)轉換機械或系統(tǒng)核能核能核分裂核分裂 熱能熱能 機械能機械能 電能電能核

8、分裂核分裂 熱能熱能核分裂核分裂 熱能熱能 電能電能核分裂核分裂 電磁能電磁能 電能電能核聚變核聚變 熱能熱能 機械能機械能 電能電能電能電能 光（激光）光（激光） 熱能熱能電能電能 熱能熱能 聚變聚變 核發(fā)電，磁流體發(fā)電核發(fā)電，磁流體發(fā)電核能煉鋼核能煉鋼熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電熱力發(fā)電，熱電子發(fā)電光電池光電池核聚變發(fā)電核聚變發(fā)電5 5 能能源化學源化學5 5 能源化能源化學學思考：氫氧化鈉在水中溶解，溫度升高；硝酸銨思考：氫氧化鈉在水中溶解，溫度升高；硝酸銨 在水中溶解，溫度要降低。這兩種物質在在水中溶解，溫度要降低。這兩種物質在 溶解過程中，能量的形式各發(fā)生了怎樣的溶解過程中，能量的形式各發(fā)生

9、了怎樣的 轉化？轉化？氫氧化鈉在水中溶解：化學能氫氧化鈉在水中溶解：化學能熱能熱能硝酸銨在水中溶解：熱能硝酸銨在水中溶解：熱能化學能化學能水電站發(fā)電水電站發(fā)電重力勢能重力勢能動能動能電能電能5 5 能源化能源化學學能量儲存能量儲存機械能機械能以動能、勢能形式儲存以動能、勢能形式儲存。熱熱能能以潛熱、顯熱形式儲存以潛熱、顯熱形式儲存。電電能能感應場能或靜電場能感應場能或靜電場能?；瘜W能、核能學能、核能自身即為儲能形式。自身即為儲能形式。機械能的儲存機械能的儲存以動能形式儲存以動能形式儲存（1 1）飛輪）飛輪以勢能形式儲存以勢能形式儲存（1 1）彈簧、扭力桿和重力裝置）彈簧、扭力桿和重力裝置 （

10、2 2）壓縮空氣儲能）壓縮空氣儲能 （3 3）抽水蓄能電站：純抽水蓄能電站）抽水蓄能電站：純抽水蓄能電站 ，混合式，混合式抽水蓄能電站抽水蓄能電站 飛輪動能儲存系統(tǒng)飛輪動能儲存系統(tǒng)SatCon飛輪能量儲存系飛輪能量儲存系統(tǒng)可以提供常規(guī)鉛酸蓄電統(tǒng)可以提供常規(guī)鉛酸蓄電池池50倍的能量儲存容量倍的能量儲存容量NASA 開發(fā)的飛輪能量開發(fā)的飛輪能量儲存技術儲存技術液態(tài)空氣能量儲存系統(tǒng)液態(tài)空氣能量儲存系統(tǒng)電能的儲存電能的儲存蓄電池蓄電池發(fā)展方向：廉價、高效、能大規(guī)模儲能。發(fā)展方向：廉價、高效、能大規(guī)模儲能。靜電場和感應電場靜電場和感應電場（1 1）電容器在直流電路中廣泛用作儲能裝置）電容器在直流電路中廣

11、泛用作儲能裝置，在交流電路中則用于提高電力系統(tǒng)或負荷，在交流電路中則用于提高電力系統(tǒng)或負荷的功率因數(shù)，調整電壓；的功率因數(shù)，調整電壓；（2 2）高電壓技術、高能核物理、激光技術、）高電壓技術、高能核物理、激光技術、地震勘探等方面采用的直流高壓電容器；地震勘探等方面采用的直流高壓電容器；（3 3）超導磁鐵蓄能。）超導磁鐵蓄能。蓄電池作為電能儲存系統(tǒng)蓄電池作為電能儲存系統(tǒng)超級電容器超級電容器燃料電池儲能燃料電池儲能超導磁能量儲存超導磁能量儲存化學能儲存化學能儲存一種高能量密度的儲存方法；一種高能量密度的儲存方法； 利利用某些物質在可逆化學反應中的吸熱用某些物質在可逆化學反應中的吸熱和放熱過程來達到

12、熱能的儲存和提和放熱過程來達到熱能的儲存和提取取; ;技技術上困難，目前尚難實際應用。術上困難，目前尚難實際應用。 熱能的儲存熱能的儲存顯熱儲顯熱儲存存潛潛熱儲熱儲存存化化學儲存學儲存 地地下含水層儲存下含水層儲存6 能源與環(huán)境能源與環(huán)境 全球環(huán)境惡化主要表現(xiàn)在大氣和江海污染加劇、全球環(huán)境惡化主要表現(xiàn)在大氣和江海污染加劇、大面積土地退化、森林面積急劇減少、淡水資源大面積土地退化、森林面積急劇減少、淡水資源日益短缺、大氣層臭氧空洞擴大、生物多樣性受日益短缺、大氣層臭氧空洞擴大、生物多樣性受到威脅等多方面，同時溫室氣體的過量排放導致到威脅等多方面，同時溫室氣體的過量排放導致全球氣候變暖，使自然災害

13、發(fā)生的頻率和強度大全球氣候變暖，使自然災害發(fā)生的頻率和強度大幅增加。幅增加。 大氣環(huán)境的三大問題大氣環(huán)境的三大問題 20世紀世紀80年代中期，在南極上空發(fā)現(xiàn)了年代中期，在南極上空發(fā)現(xiàn)了臭臭氧空洞氧空洞，它與地球變暖及所謂的，它與地球變暖及所謂的溫室效應溫室效應和和酸雨沉降酸雨沉降問題構成全球性的大氣環(huán)境問問題構成全球性的大氣環(huán)境問題。題。臭氧層的空洞臭氧層的空洞2006年發(fā)現(xiàn)的臭氧年發(fā)現(xiàn)的臭氧空洞是有史以來觀空洞是有史以來觀測到的最大一次，測到的最大一次，達到達到2950萬萬km2的的面積面積。歷年的南極臭氧歷年的南極臭氧臭氧層的作用臭氧層的作用地球上的生物能在陸地上生活，是因為集中在平地球上

14、的生物能在陸地上生活，是因為集中在平流層中的臭氧對于陽光中的紫外線具有隔除的作流層中的臭氧對于陽光中的紫外線具有隔除的作用，如果沒有臭氧層，進入大氣層的紫外線就很用，如果沒有臭氧層，進入大氣層的紫外線就很容易被細胞核吸收，破壞生物的遺傳物質容易被細胞核吸收，破壞生物的遺傳物質DNA DNA ，陸地上的生物便無法存在了。而這個臭氧層目前陸地上的生物便無法存在了。而這個臭氧層目前正受到人類持續(xù)不斷的破壞。正受到人類持續(xù)不斷的破壞。據(jù)科學研究，臭氧減少據(jù)科學研究，臭氧減少10%，紫外線可能增加，紫外線可能增加20%，皮，皮膚癌患者可能增加膚癌患者可能增加30%，此外還會產(chǎn)生下列幾種現(xiàn)象，此外還會產(chǎn)生

15、下列幾種現(xiàn)象:(1)白內障罹患率增加；白內障罹患率增加；(2)免疫系統(tǒng)受到抑制；免疫系統(tǒng)受到抑制；(3) 谷物的收成減少，品質降低，植物和浮游生物減谷物的收成減少，品質降低，植物和浮游生物減 少，少，破壞自然界的生物鏈；破壞自然界的生物鏈；(4)塑料、橡膠制品加速老化；塑料、橡膠制品加速老化；(5)紫外線直射會引起對流層臭氧的增加，致使產(chǎn)生光紫外線直射會引起對流層臭氧的增加，致使產(chǎn)生光化學煙霧，造成空氣污染?；瘜W煙霧，造成空氣污染。臭氧層破壞的后果臭氧層破壞的后果臭氧層空洞的產(chǎn)生臭氧層空洞的產(chǎn)生 氯氯氟烴釋放到大氣中，再上升到高空時，會分解出氯原氟烴釋放到大氣中，再上升到高空時，會分解出氯原子

16、。自由的氯原子遇上臭氧分子后，會奪走氧分子子。自由的氯原子遇上臭氧分子后，會奪走氧分子O O3 3中的中的一個氧原子，使之變成為普通的氧分子一個氧原子，使之變成為普通的氧分子O O2 2。每一個氯原子。每一個氯原子可以把上萬個臭氧分子變成普通氧分子。實驗數(shù)據(jù)顯示，可以把上萬個臭氧分子變成普通氧分子。實驗數(shù)據(jù)顯示，平均每一個氯原子可以消滅平均每一個氯原子可以消滅1 1萬個臭氧分子，其威力驚人。萬個臭氧分子，其威力驚人。臭氧層的保護臭氧層的保護WMOWMO和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署同時指出，到和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署同時指出，到20492049年，歐洲、年，歐洲、南北美洲、亞洲、澳大利亞和非洲的臭氧層將恢復到南

17、北美洲、亞洲、澳大利亞和非洲的臭氧層將恢復到19801980年以前的水平。而南極的臭氧層要到年以前的水平。而南極的臭氧層要到20652065年才能年才能恢復到這一水平。恢復到這一水平。 目前，最早使用目前，最早使用CFCsCFCs的的2424個發(fā)達國家已于個發(fā)達國家已于19851985年和年和19871987年分別簽署了限制使用年分別簽署了限制使用CFCsCFCs的的維也納公約維也納公約和和蒙特利爾議定書蒙特利爾議定書。19931993年年2 2月，中國政府批準月，中國政府批準了了中國消耗臭氧層物質逐步淘汰方案中國消耗臭氧層物質逐步淘汰方案，確定在，確定在20102010年完全淘汰消耗臭氧層物

18、質。年完全淘汰消耗臭氧層物質。溫室效溫室效應應-大大氣層的作用氣層的作用 太陽射向地球的光約太陽射向地球的光約1/31/3被云層、冰粒和空氣分子被云層、冰粒和空氣分子反反 射射回去回去； 約約3030穿過大氣層時暫時被大氣吸收起到增溫作用，穿過大氣層時暫時被大氣吸收起到增溫作用，但以后又返回到太空但以后又返回到太空； 其其余的大約余的大約3737則被地球表面吸收。這些被吸收的則被地球表面吸收。這些被吸收的太陽輻射能大部分在晚間又重新反射到太空。太陽輻射能大部分在晚間又重新反射到太空。如果這部分熱量遇到了阻礙，不能全部被反射出去，如果這部分熱量遇到了阻礙，不能全部被反射出去，地球表面的溫度就會升

19、高。地球表面的溫度就會升高。溫室效應溫室效應COCO2 2不吸收短波，只吸收長波，于是，地球表面吸收不吸收短波，只吸收長波，于是，地球表面吸收的太陽輻射就散不出去，從而使地表溫度升高，地的太陽輻射就散不出去，從而使地表溫度升高，地球變暖。球變暖。像像COCO2 2這類會使地球變暖的氣體就稱為溫室氣體，溫這類會使地球變暖的氣體就稱為溫室氣體，溫室氣體還包括水蒸氣、室氣體還包括水蒸氣、N N2 2O O、SFSF6 6、甲烷、氟利昂等。、甲烷、氟利昂等。溫室效應溫室效應-溫溫室氣體室氣體溫室效應的后果溫室效應的后果海平面上升與陸地淹沒海平面上升與陸地淹沒氣候帶的移動氣候帶的移動颶風的加劇颶風的加劇

20、 植被的遷徙與物種滅絕植被的遷徙與物種滅絕 洋流的變化與厄爾尼諾現(xiàn)象洋流的變化與厄爾尼諾現(xiàn)象雨型的改變雨型的改變溫室氣體的來源溫室氣體的來源解決溫室效應的對策解決溫室效應的對策提高能源的利用率，減少化石燃料的消耗量，大力推提高能源的利用率，減少化石燃料的消耗量，大力推廣節(jié)能新技術；廣節(jié)能新技術；開發(fā)不產(chǎn)生開發(fā)不產(chǎn)生COCO2 2的新能源，如核能、太陽能、地熱能、的新能源，如核能、太陽能、地熱能、海洋能；海洋能；推廣植樹綠化，限制森林砍伐，制止對熱帶森林的破推廣植樹綠化，限制森林砍伐，制止對熱帶森林的破壞；壞；減慢世界人口增長速度，在農(nóng)村發(fā)展減慢世界人口增長速度，在農(nóng)村發(fā)展“能源農(nóng)場能源農(nóng)場”，

21、一方面利用種植薪柴樹木通過光合作用固定一方面利用種植薪柴樹木通過光合作用固定COCO2 2，另一，另一方面燃燒薪柴比燃用化石燃料產(chǎn)生的方面燃燒薪柴比燃用化石燃料產(chǎn)生的COCO2 2要少得多；要少得多；采用天然氣等低含碳燃料，大力發(fā)展氫能。采用天然氣等低含碳燃料，大力發(fā)展氫能。酸酸雨及其形雨及其形成成被大氣中存在的酸性氣體污染被大氣中存在的酸性氣體污染,pH,pH小于小于5.655.65的雨的雨叫叫酸雨酸雨。高高硫煤和石油燃燒產(chǎn)生的硫煤和石油燃燒產(chǎn)生的SOSO2 2和和NONOx x是造成酸雨的是造成酸雨的主要禍首。主要禍首。酸雨污染來源酸雨污染來源1.一類為自然物質，另一類為人為物質。前者如火

22、山爆發(fā)噴出的大量硫化物及懸浮固體物，自然水域表面釋放的硫化氫，動植物分解產(chǎn)生的有機酸，土壤微生物及海藻釋放的硫化氫、二甲基硫及氮化物等，都會使雨水的pH降至5.0左右2.后者則為工業(yè)化后，燃料的大量使用，燃燒過程中產(chǎn)生CO、 HCl、SO2、NOx及懸浮固體物，排放至大氣環(huán)境中，經(jīng)光化學反應生成硫酸、硝酸等酸性物質使得雨水的pH降低，形成酸雨。造成雨水酸化之污染物很多，其污染來源大致可分為兩類：酸雨的危害酸雨的危害 導致森林成片死亡，因為酸雨會損壞植物葉面和根導致森林成片死亡，因為酸雨會損壞植物葉面和根 部部。 使使湖泊酸化，湖中魚蝦絕跡湖泊酸化，湖中魚蝦絕跡。 破破壞農(nóng)田的土壤成分，使農(nóng)作物

23、減產(chǎn)甚至死亡壞農(nóng)田的土壤成分，使農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡。 造造成地下水酸化，引起對人體的危害成地下水酸化，引起對人體的危害。 腐腐蝕建筑物和工業(yè)設備，造成重大的經(jīng)濟損失蝕建筑物和工業(yè)設備，造成重大的經(jīng)濟損失。 對對露天文物起腐蝕作用，加速文物資源的破壞甚至露天文物起腐蝕作用，加速文物資源的破壞甚至 毀滅。毀滅。酸雨對建筑物的酸雨對建筑物的破壞破壞酸雨控制對策酸雨控制對策制訂酸雨和制訂酸雨和SOSO2 2污染控制區(qū)綜合防治規(guī)劃。污染控制區(qū)綜合防治規(guī)劃。 限制高硫煤，洗煤，型煤。限制高硫煤，洗煤，型煤。調整能源結構，削減調整能源結構，削減SOSO2 2排放總量。排放總量。做好做好SOSO2 2排污收費工作，運用經(jīng)濟手段促進治理。排污收費工作，運用經(jīng)濟手段促進治理。強化控制區(qū)環(huán)境監(jiān)督管理。強化控制區(qū)環(huán)境監(jiān)督管理。7 7 能能源發(fā)展趨勢源發(fā)展趨勢 世界性的能源問題主要反映在能源短缺世界性的能源問題主要反映在能源短缺及供需矛盾所造成的能源危機。及供需矛盾所造成的能源危機。 世界能