化學(xué)與常規(guī)能源

化學(xué)與常規(guī)能源2/22/20241主要內(nèi)容柴薪(生物質(zhì)能)——第一代主體能源煤——最主要的固體燃料石油和天然氣化學(xué)電池能源利用的化學(xué)本質(zhì)2/22/20242什么是能源？能源是提供能量的自然資源。能量是一切運動的源泉。沒有能量就沒有生命運動，生命運動的停止意味著生命的死亡；沒有能量就沒有化學(xué)反應(yīng)，所有形式的生命都不能維持。能源是宇宙的推動力，是系統(tǒng)作功能力的量化特性，能源可以是動能、位能、熱能。能源的形式有很多(例如熱力、電力等)，而且一種能源形式可以轉(zhuǎn)化成另一種形式。2/22/20243能源結(jié)構(gòu)：石油仍居主導(dǎo)地位，占能源消費總量的36.8％，煤炭次之，占27.2％，天然氣發(fā)展較快，已占23.7％，有三足鼎立之勢。而水電與核能則相對勢微，分別僅占6.2％和6.1％。2/22/20244

目前，我國能源利用效率為33%，比發(fā)達(dá)國家低10個百分點；單位產(chǎn)值能耗是世界平均水平的2倍多，比美國、歐盟、日本、印度分別高2.5倍、4.9倍、8.7倍和43%；我國8個行業(yè)（石化、電力、鋼鐵、有色、建材、化工、輕工、紡織）主要產(chǎn)品單位能耗平均比國際先進(jìn)水平高40%；燃煤工業(yè)鍋爐平均運行效率比國際先進(jìn)水平低15-20%；機動車百公里油耗比歐洲高25%，比日本高20%。能源利用效率2/22/20245能源的分類能源按其來源不同可以分類四類：太陽能：除太陽輻射能以外，還包括煤、石油、天然氣等化石燃料，以及生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、海洋能等間接來自太陽能的能源。地?zé)崮埽喝绲叵聼崴⒌叵抡魵?、干熱巖體。核裂變資源和核聚變資源：如鈾、釷等核裂變和氘、氚、鋰等核聚變資源。月球、太陽等星體對地球的引力為主產(chǎn)生的能源：如以月球引力為主產(chǎn)生的潮汐能。2/22/20246按能源工作者的分類一次能源：可從自然界取得而不改變其基本形態(tài)的能源。常規(guī)能源：已被人們廣泛應(yīng)用的能源，如水能、煤、石油、核裂變材料等新能源：采用新的先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)而被廣泛應(yīng)用的能源，如太陽能、風(fēng)能、核聚變材料二次能源：由一次能源加工或轉(zhuǎn)換而轉(zhuǎn)變了形態(tài)的能源稱為二次能源。煤制品石油制品電能、沼氣、蒸汽等。能源的分類2/22/20247一次能源二次能源再生能源非再生能源太陽能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能、地?zé)嵩骸⒃?、天然氣、油頁巖、核能電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭能源的分類2/22/20248直接利用太陽能光合作用空氣、地表吸熱煤炭食物中的化學(xué)能空氣變熱形成風(fēng)水蒸氣形成雨雪2/22/20249

Ⅰ.柴薪(生物質(zhì)能)

——第一代主體能源柴薪是人類第一代主體能源柴薪也可稱為生物質(zhì)能,它是光合作用的產(chǎn)物,是太陽能的間接利用植物的葉綠體通過光合作用，利用太陽的能量，將CO2和H2O合成為有機物并放出O2,在燃燒時，這些有機物又與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變?yōu)镃O2和H2O,同時釋放出能量。2/22/202410水+二氧化碳----->有機體+氧植物太陽能生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，一種以生物質(zhì)為載體的能量，它直接或間接地來源于植物的光合作用，在各種可再生能源中，生物質(zhì)是獨特的，它是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源。生物質(zhì)資源數(shù)量龐大，形式繁多，其中包括柴薪，農(nóng)林作物，尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物，農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘剩物，食品加工和林產(chǎn)品加工的下腳料，城市固體廢棄物，生活污水和水生植物等等（中國生物質(zhì)資源主要是農(nóng)業(yè)廢棄物及農(nóng)林產(chǎn)品加工業(yè)廢棄物、薪柴、人畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾等四個方面）。2/22/202411生物能具備下列優(yōu)點：

*提供低硫燃料；

*提供廉價能源(於某些條件下)；

*將有機物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害(例如，垃圾燃料)；

*與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術(shù)上的難題較少。其缺點有:

*小規(guī)模利用；

*植物僅能將極少量的太陽能轉(zhuǎn)化成有機物；

*單位土地面的有機物能量偏低；

*缺乏適合栽種植物的土地；

*有機物的水分偏多(50%～95%)。

生物能的優(yōu)缺點2/22/202412據(jù)統(tǒng)計：世界每年約產(chǎn)出1.7×1011噸干生物量，利用量僅為1.3×108噸，不足總量的1%；生物質(zhì)向人類提供了世界能源消費總量的15%,僅次于石油、煤碳和天然氣（生物能是第四大能源）；我國利用的生物質(zhì)能約為2.6×108噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占農(nóng)村能源消費的70%左右。2/22/202413傳統(tǒng)能源使用的新方式柴薪的傳統(tǒng)使用方法是直接燃燒，其熱利用率很低，為15%左右，即使用新式節(jié)柴灶，也最多能提高到25%左右，而且直接燃燒還會造成環(huán)境污染?？傮w思路：將固態(tài)的柴薪通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可燃性液態(tài)或氣態(tài)化合物，即將生物能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后再燃燒放熱。氣態(tài)燃料：沼氣液態(tài)燃料：甲醇、乙醇2/22/202414一、氣體燃料—沼氣生物質(zhì)在厭氧條件下可生成沼氣,其主要成份是甲烷(CH4),甲烷燃燒熱值高,而且干凈,因此被稱為清潔燃料。另外，生成沼氣的殘渣、殘液是優(yōu)質(zhì)的速效肥料。沼氣的原料可以是有機垃圾，既處理了生活垃圾的一部分又清潔了環(huán)境，所以建設(shè)大型沼氣池可同時處理城市垃圾，還可以用于發(fā)電。到2000年底，我國共建成了1000座工業(yè)廢水和畜禽糞便沼氣工程形成了每年約6億立方米沼氣生產(chǎn)能力。我國農(nóng)村有500多萬小型沼氣池作為家用能源。2/22/202415二、液體燃料生物質(zhì)經(jīng)過發(fā)酵或高溫?zé)岱纸獾确椒芍圃旒状肌⒁掖嫉雀蓛舻囊簯B(tài)燃料。許多歐美國家已經(jīng)普及使用了乙醇或含乙醇的汽油做汽車燃料。歐洲已有多家由木屑生產(chǎn)甲醇的工廠。除利用農(nóng)牧業(yè)的廢料，科學(xué)家們成功地培植了一些速生樹木等高產(chǎn)作物以獲取生物能源。巴西：香膠樹（又稱石油樹）每株每年產(chǎn)50KG左右與石油成份相近的膠質(zhì)。美國：黃鼠草，每公頃年產(chǎn)6000kg石油；巨型海藻，提煉類似柴油的燃料油。2/22/202416生物能的開發(fā)和利用具有巨大的潛力

直接燃燒生物質(zhì)來產(chǎn)生熱能、蒸汽或電能。利用能源作物生產(chǎn)液體燃料。目前具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉醋魑?，包括：快速成長作物樹木、糖與淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。生產(chǎn)木炭和炭。生物質(zhì)（熱解）氣化后用于電力生產(chǎn)，如集成式生物質(zhì)氣化器和噴氣式蒸汽燃?xì)廨啓C（BIG/STIG）聯(lián)合發(fā)電裝置。對農(nóng)業(yè)廢棄物、糞便、污水或城市固體廢物等進(jìn)行厭氧消化，以生產(chǎn)沼氣和避免用錯誤的方法處置這些物質(zhì)，以免引起環(huán)境危害。2/22/202417

根據(jù)生物質(zhì)能的作用和我國的現(xiàn)狀，目前重點發(fā)展的項目如下：（1）近期優(yōu)先發(fā)展項目·

生物質(zhì)氣化供氣·

生物質(zhì)氣化發(fā)電·

大型沼氣工程·

生物質(zhì)直接燃燒供熱（2）中長期化發(fā)展項目·

生物質(zhì)高度氣化發(fā)電項目（BIG/CC）·

生物質(zhì)制氫等優(yōu)質(zhì)燃?xì)狻?/p>

生物質(zhì)熱解液化制油2/22/202418Ⅱ.煤——最主要的固體燃料概述煤是我國的主要能源煤的來源及形成煤的化學(xué)組成煤的利用方式直接燃燒綜合利用煤的氣化煤的干餾煤的液化2/22/202419煤是我國的主要能源中國最早使用煤，700多年前，馬可波羅看到中國人燒煤，這是他第一次見識到一種可以燃燒的“黑石頭”最早大規(guī)模使用煤的是英國：英國森林資源有限，而英國又是產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)源地，隨著蒸汽機的發(fā)明和推廣，煤逐漸成為能源主角。世界能源消費：20世紀(jì)70年代石油超過了煤。發(fā)展中國家仍以煤為主要能源。中國的能源消費構(gòu)成：煤所占比例為：1960年94%；1970年81%;1990年76%；2000年68%2/22/202420煤的來源（形成）煤、石油和天然氣是上億年前的植物或動物變來的，故被稱為“化石能源”。它的主要演變過程為：約3億年前的古生代——泥煤形成隨著地殼下降，下有地?zé)?，上有土石壓力——褐煤形成地殼繼續(xù)下降，較深的地方，壓力繼續(xù)增大，地?zé)釡囟瓤蛇_(dá)20000C左右，形成煙煤，最后變成無煙煤。

煤因此被稱為化石能源2/22/202421煤的化學(xué)組成因產(chǎn)地而異。目前公認(rèn)的平均組成含C、H、O、N、S分別為85.0%，5.0%，7.6%，0.7%，1.7%，可折成原子比來表示：

C135H96O9NS此外還含有其他的金屬和非金屬元素。2/22/2024222/22/2024232/22/202424煤的利用方式

——直接燃燒我國是一個燃煤大國。年消費量在10億噸以上。其中30%用于火力發(fā)電，煉焦；50%用于各種工業(yè)鍋爐、窯爐；20%的用于生活。可見，絕大部分是直接燒掉。直接燃燒的弊端：熱效率低；化學(xué)利用率低；嚴(yán)重污染環(huán)境。2/22/2024252/22/202426煤的綜合利用

——煤的干餾（煤的焦化）即隔絕空氣加熱，使煤分解生成：焦?fàn)t氣（氣體），煤焦油（液體），焦炭（固體）煤隔絕空氣：控制干餾的溫度可以得到不同的產(chǎn)品。焦?fàn)t氣中除可燃?xì)怏wCO，H2，CH4外，還有乙烯、苯、氨等。煤焦油可提煉苯、酚、萘、蒽、菲等環(huán)狀化合物，它們是醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、染料行業(yè)的重要原料，此外還可分離出吡啶、喹啉、機油、瀝青等400多種化合物；焦炭的主要用途是煉鐵，還可制成電石，電極等2/22/202427煤的綜合利用

——煤的氣化讓煤在氧氣不足的情況下，進(jìn)行部分氧化，使煤中的有機物部分分轉(zhuǎn)化。氣化的主要目的有二個：產(chǎn)生氣體燃料，便于管道輸送（車間、實驗室、廚房）氣化的過程涉及10個左右的基本化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)不同需要作不同的條件控制，產(chǎn)物的成分和比例不同。2/22/202428煤的綜合利用

——煤的液化(在研究過程中)煤與石油有著相似的“成長經(jīng)歷”，有著近似的“基因”，有可能通過一定化學(xué)反應(yīng)，將煤轉(zhuǎn)化為石油。煤炭液化油可稱為人造石油。煤的液化可分為直接和間接液化2/22/202429直接液化：2.3噸煤可以液化為一噸油，但不能直接用于汽油。加H2，重整后可用于汽油，但成本加大間接液化：5-6噸煤可以液化為1噸油，品位較純，符合環(huán)保要求2/22/202430一碳化學(xué)隨著煤的氣化和液化技術(shù)的重大突破，以煤為原料的C1化學(xué)可望在今后形成一個新體系。C1化學(xué)：以分子中含一個碳原子的化合物（如：CH3OH、CO、CH4等）為原料來合成化工產(chǎn)品的化學(xué)體系。C1化學(xué)的發(fā)展對煤礦資源豐富的我國十分重要。2/22/202431Ⅲ.石油和天燃?xì)馐偷挠蓙砼c分布石油的組成與利用石油的伴生物——天然氣2/22/202432石油的由來石油在世界能源消耗結(jié)構(gòu)中雄居首位，同時是化工生產(chǎn)最主要的原料來源——被稱為“工業(yè)的血液”。關(guān)于石油的成因，現(xiàn)在較為一致的觀點：石油是遠(yuǎn)古時代海洋或湖泊中動植遺體，在地下經(jīng)過漫長的復(fù)雜變化而形成的棕黑色黏稠液態(tài)混合物。2/22/202433石油的分布未經(jīng)處理的石油叫原油。目前查明儲量最大的產(chǎn)油帶有兩個，這兩個都曾是海槽，因此有“海相成油”學(xué)說。長科迪勒地帶：北起阿拉斯加和加拿大，經(jīng)美國西海岸，到南美委內(nèi)瑞拉、阿根挺特提斯地帶：從地中海起經(jīng)中東到印尼我國已經(jīng)開發(fā)的大小油田有160多個：大慶、勝利、中原、華北、大港等。我國還有大量的油氣資源（大陸架）2/22/202434石油的組成與利用石油是極其龐雜的混合物，其中絕大多數(shù)是碳?xì)浠衔?。（C元素與H元素的化合物→烴）200年前，人類開始用蒸餾方法提煉石油最先出來的沸點最低：汽油其次是煤油剩在鍋里的是重油：柴油、潤滑油、凡士林、石蠟、瀝青2/22/202435石油的組成與利用最初，人們利用煤油照明，汽油和重油是副產(chǎn)品。19世紀(jì)80年代：汽油發(fā)動機問世，汽油的產(chǎn)量超過煤油。柴油機的發(fā)明、內(nèi)燃機的普及使工業(yè)對石油的需求量直線上升。至此，石油方成為工業(yè)的血液。2/22/2024362/22/2024372/22/2024382/22/202439石油的組成與利用當(dāng)今社會，隨著汽車的普及，汽油用量遠(yuǎn)大于煤油。能否將煤油變成汽油呢？怎樣提高汽油的性能和品質(zhì)呢？熱裂法（催化裂解法制汽油）催化重整法加氫精制2/22/202440煤油變汽油——熱裂法經(jīng)測定，汽油的主要成分是7~8個C原子的烷烴，而煤油為含10~15個C原子的烷烴。在加熱加壓條件下，通過催化劑，大分子分裂為小分子，煤油變成汽油。經(jīng)催化裂化，從重油中能獲得更多乙烯、丙烯、丁烯等化工原料，也能獲得較多較好的汽油。2/22/202441提高汽油性能——催化重整法提高汽油的辛烷值（汽油性能的表征）

辛烷值：汽油中異辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的含量，用以衡量汽油抗震性的高低。人們把抗震性最差的正庚烷的辛烷值定為0（自燃點：2230C），抗震性較好的異辛烷的辛烷值定為100（自燃點：4180C）。2/22/202442

辛烷值常用來衡量汽油的抗震程度，把抗震性較好的異辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)的辛烷值定為l00，爆震性極強的正庚烷的辛烷值定為零，把汽油的抗震性和這兩種烴的不同比例的混合物進(jìn)行比較，就可以得到該汽油的相對辛烷值。目前，我國使用的車用汽油標(biāo)號就是按照汽油的辛烷值大小劃分的，例如90號汽油表示該汽油的辛烷值不低于90。為了提高汽油的辛烷值，過去廣泛使用的一種方法是在汽油中添加少量抗震劑—四乙基鉛（汽油精）；現(xiàn)在為了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚[CH3—O—C(CH3)3，又名MTBE]作為高辛烷值組分。汽油和汽油的標(biāo)號2/22/202443這是石油工業(yè)中另外一個重要過程。在一定的溫度壓力下，汽油中的直鏈烴在催化劑表面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的“重新調(diào)整”，轉(zhuǎn)化為帶支鏈的烷烴異構(gòu)體，這就能有效地提高汽油的辛烷值，同時還可得到一部分芳香烴，這是原油中含量很少而只靠從煤焦油中提取不能滿足生產(chǎn)需要的化工原料，可以說是一舉兩得?，F(xiàn)用催化劑是貴金屬鉑（Pt）、銥（Ir）和錸（Re）等，它們的價格比黃金貴得多，化學(xué)家們巧妙地選用便宜的多孔性氧化鋁或氧化硅為載體，在表面上浸漬0.1％的貴金屬，汽油在催化劑表面只要20～30s就能完成重整反應(yīng)。提高油品質(zhì)量——催化重整法2/22/202444提高油品質(zhì)量——加氫精制法蒸餾和裂解所得的汽油、煤油、柴油中都混有少量含N或含S的雜環(huán)有機物，在燃燒過程中會生成NOx及SO2等酸性氧化物污染空氣，當(dāng)環(huán)保問題日益受關(guān)注時，對油品中N，S含量的限制也就更加嚴(yán)格?，F(xiàn)行的辦法是用催化劑在一定溫度和壓力下使H2和這些雜環(huán)有機物起反應(yīng)生成NH3或H2S而分離，留在油品中的只是碳?xì)浠衔?。?0年代末開始，石油化工科學(xué)研究院針對我國油品特點，開展了大量基礎(chǔ)研究工作，開發(fā)出多種加氫催化劑，基本滿足了國內(nèi)煉油工業(yè)的需要，并有出口。這類催化劑以Al2O3為載體，活性組分有鈷－鉬（Co－Mo）、鎳－鉬（Ni－Mo）、鎳－鎢（Ni－W）等體系。2/22/202445天然氣（與石油伴生）天然氣可分為兩種：干天然氣（含甲烷80-90%），難液化，常用于燃料。我國天然氣多為干天然氣濕天然氣，加壓降溫時易液化，常作裂解氣原料，制取乙烯。我國是最早利用天然氣的國家。比西方早1300年。在晉朝初年開始利用，宋朝時已經(jīng)大規(guī)模用于熬制井鹽。陸上資源主要集中在四川盆地、陜甘寧地區(qū)、塔里木盆地和青海，海上資源集中在南海和東海。此外，在渤海、華北等地區(qū)還有部分資源可利用。2/22/202446化學(xué)電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，分為原電池和蓄電池。原電池原電池通常由正極、負(fù)極、電解液以及容器和隔膜等組成，它可表示為：負(fù)極/電解液/正極。Ⅳ.化學(xué)電池原電池示意圖2/22/202447干電池

1800年伏打首先制成了伏打電池。1836年英國化學(xué)家發(fā)明了古典原電池。1865年法國化學(xué)家勒克朗斯發(fā)明了第—個干電池，現(xiàn)代的干電池不過是其改進(jìn)。

2/22/202448鋅錳干電池結(jié)構(gòu)圖

2/22/202449(2)堿性干電池用氫氧化鉀代替氯化鋅和氯化銨作電解質(zhì)，在這種電池里，電解質(zhì)為堿溶液，有良好的導(dǎo)電性能，比糊狀的氯化銨溶液導(dǎo)電速度快得多；鋅皮改為鋅粉，反應(yīng)的面積要比鋅皮大得多，因此可做到連續(xù)大容量放電；外殼另有做成封閉型的鐵皮，以防電解液滲漏。

2/22/202450銀鋅鈕扣電池

鈕扣式電池中常見的為銀鋅電池。銀鋅電池體積小、重量輕，可大電流放電，放電電壓平穩(wěn)，工作電壓是1.6伏，廣泛應(yīng)用于對體積和重量有嚴(yán)格要求的場合，但價格昂貴。

2/22/202451蓄電池

蓄電池也稱二次電池，是指放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用的化學(xué)電池。(1)鉛蓄電池由金屬鉛板(負(fù)極)和緊附著二氧化鉛的鉛板(正極)浸入30％（密度為1.2—1.3g/cm3）的硫酸水溶液所組成。鉛蓄電池充電后電壓可達(dá)2.2伏；放電后電壓下降，當(dāng)電壓降至l.25伏時(這時溶液密度為1.05g/cm3)不能再使用，必須充電。鉛蓄電池用于汽車、小型電動機車作為啟動電源，用于實驗室作為常用電源，還廣泛用于飛機、汽車、拖拉機、坦克的照明光源。

2/22/202452鉛蓄電池的電極反應(yīng)2/22/202453堿式鎳鎘蓄電池2/22/202454銀鋅電池2/22/202455發(fā)展中的新型電池1、氫鎳電池氫鎳電池是新型的蓄電池，其正極為氧化鎳，負(fù)極為氫電極（其內(nèi)部氣體壓力可達(dá)4MP）。它的工作狀態(tài)可劃分為3種：正常工作狀態(tài)、過充電狀態(tài)和過放電狀態(tài)。氫鎳電池的電極反應(yīng)及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位2/22/202456氫鎳電池的電極反應(yīng)及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電位氫鎳電池的的突出優(yōu)點是循環(huán)壽命長，1977年起在地球同步軌道條件下壽命超過10年。此外，它承受過充電和過放電的能力很強。但其成本較高，電池放電速度較大，以及有爆炸的可能性。盡管如此，氫鎳電池的前景十分樂觀，最終將在航天領(lǐng)域內(nèi)全面取代鎘鎳電池。2/22/2024572、鋰電池鋰是自然界電池最輕