能源開發(fā)和利用

能源開發(fā)和利用生命科學(xué)與醫(yī)藥化工學(xué)院：梁華定本章內(nèi)容一、能源的地位與作用二、能源的分類三、世界和中國能源的現(xiàn)狀與開展趨勢四、解決能源危機(jī)的有效途徑第一節(jié)、能源的地位與作用三次重大突破A、創(chuàng)造蒸汽機(jī)，產(chǎn)生第一次產(chǎn)業(yè)革命；B、電力創(chuàng)造使人們的生產(chǎn)活動進(jìn)入電氣時(shí)期；C、原子能創(chuàng)造進(jìn)入時(shí)期。第二節(jié)、能源的分類

按來源分：A、來自地球以外的太陽能，如太陽輻射能、煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、雷電等；B、來自地球本身，如地?zé)崮?、原子核能；C、來自地球與月球、太陽等天體相互作用產(chǎn)生的能量如潮汐能。按構(gòu)成分：A、一次能源，包括常規(guī)能源〔可再生能源如水能，非再生能源如煤炭、石油、天然氣〕，新能源〔可再生能源如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能，非再生能源如核聚變能,油頁巖、油沙〕；B、二次能源如煤制品、石油制品、電力、氫能、蒸氣等。第三節(jié)、世界和中國能源的現(xiàn)狀與開展趨勢1、世界能源的結(jié)構(gòu)與消耗〔1〕近一百年世界能源消耗增長了20倍年份：19501960197019801990世紀(jì)末萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤239194292420643956852391114761020Gt中國6968〔1955〕30189292916027598703能源消耗最多的是美國：人口占4.9％，能耗占24.4％；印度人口占15.4％，能耗占2.3％；我國1996年人均能耗1.14噸，排名86〔世界人均2.4、北美10、歐洲蘇聯(lián)5〕(2)能源結(jié)構(gòu)1980－1986年石油煤炭天然氣核能總計(jì)世界能源消耗增長率9％24％19％335％27％20世紀(jì)60年代以前煤是世界最重要能源，后來，石油上升較快，興旺國家以石油為主。美國、日本56.3％；我國、印度仍以煤為主，我國75.8％,印度67.8％.能源形勢－－能源危機(jī)2、能源對環(huán)境污染石油產(chǎn)品

2、我國能源的現(xiàn)狀〔1〕我國能源資源1996年煤石油天然氣水能能耗總量1145億噸33億噸1.7萬米32.9億KW12.6億噸居世界位次3111912(能耗：美國28.98億噸、俄國9.494億噸日本0.6838億噸〕(2)我國能源工業(yè)面臨的問題A、人均能源擁有量低〔1996年人均能耗，排名86位〕；B、能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)依然以煤為主〔75.8％年耗13億噸〕C、能源資源分布不均勻?！脖泵耗线\(yùn)，西電東送，南水北調(diào)。煤炭集中華北地區(qū)，水能集中西南地區(qū)〕地區(qū)華北東北西南西北華東中南能源豐度〔噸／人〕268029312181216141142D、能源利用率低，單位GPT能耗是日本的6倍，美國的3倍，韓國的4.5倍；E、農(nóng)村商品能源短缺〔人口8.6億，能耗12.6億噸，2／3靠柴薪〕F、環(huán)境污染嚴(yán)重＊；G、能源建設(shè)周期長，耗能多；H、能源工業(yè)裝備落后；I、價(jià)格末能反映本錢不合理第四節(jié)、解決能源危機(jī)的有效途徑解決能源危機(jī)的措施有：1、化石燃料的有效與清潔利用；2、適度開展核能；3、開發(fā)新能源；4、改變能源轉(zhuǎn)換途徑?！惨弧场⒒剂系挠行c清潔利用

1、煤〔1〕現(xiàn)代成煤理論：植物經(jīng)脫水、脫CO2、脫CH4形成C17H24O10→C16H18O5→C16H14O3→C15H18O→C18H4植物泥炭褐煤煙煤無煙煤〔2〕現(xiàn)狀效率：我國年耗＞10億噸〔30％發(fā)電、煉焦，50％鍋爐、窯爐，20％人民生活〕。A、效率低〔煤球20－30％，蜂窩煤50％，碎煤＜20％〕；B、污染?！?〕提高效率的措施：煤的流體化，包括泥漿混合流體化；煤的氣化〔氣化反響，改性反響〕；煤的焦化〔干餾〕；煤的液化?！?〕煤的液化〔加氫法、脫碳法、分解重組法〕，煤的拔頭工藝生產(chǎn)液體燃料〔年輕煤種中揮發(fā)性組分可提出20％左右，其中2％為汽油、10％為柴油〕，在21世紀(jì)將大有開展前景。加壓氣化法城市煤氣生

天然氣熱裂解制乙炔爐

2、石油化學(xué)家遇到的主要挑戰(zhàn)：提取上如何提高采收率〔從礦藏中得到更多的油〕；精煉〔原油轉(zhuǎn)化成更有用的化學(xué)形態(tài)〕；燃燒〔使精煉油具更大的熱值〕〔二〕核能及其風(fēng)險(xiǎn)利弊1、核能的類型〔1〕核裂變、原子彈、核發(fā)電23592U+10n→14456Ba+8956Kr+310n23592U+10n→14054Xe+9438Sr+210nΔH=8.2×1010J/g相當(dāng)于煤的250萬倍。原子彈工作原理：讓裂變能量不斷積累，最后在瞬間釀成重大的爆炸。

向長嶼投彈的斯威尼投放長嶼的原子彈長嶼被炸現(xiàn)場原子彈：鮮為人知的十件事

3．轟炸目標(biāo)5．傷亡情況原子彈爆炸那天廣島大約有32．8萬人，其中有20萬人在5年之內(nèi)死于原子彈的影響。廣島三分之二的建筑都被摧毀。而長崎的約25．9萬人中有7萬人在同一時(shí)期內(nèi)死去。至少有9人在廣島遭襲后逃到了長崎，并且在第二次原子彈爆炸中幸免于難。6．裕仁天皇的決定第二枚原子彈爆炸后4天，日本將領(lǐng)仍拒絕投降，并考慮采取包括自殺性襲擊在內(nèi)的一些方案來贏得“必然的勝利〞。8月14日，裕仁天皇宣布他不能再眼睜睜看著人民忍受煎熬。第二天，日本無條件投降。這一投降非常及時(shí)：盟軍正準(zhǔn)備在東京投下第三顆原子彈。

7．“印第安納波利斯〞災(zāi)難

9．長期影響科學(xué)家們擔(dān)憂原子彈會導(dǎo)致新生嬰兒帶有先天缺陷。放射性研究機(jī)構(gòu)從1947年開始對幸存者進(jìn)行跟蹤調(diào)查。在原子彈爆炸時(shí)尚在母腹中的3000名嬰兒中，出現(xiàn)了心理和生理方面受損的情況。但是迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)放射性導(dǎo)致的基因缺陷。10．核武庫增加廣島長崎原子彈爆炸后一年內(nèi)，美國已儲藏12枚原子彈。核儲藏在上個(gè)世紀(jì)80年代中期到達(dá)最頂峰，目前世界上的核武器總數(shù)估計(jì)約為1．7萬個(gè)可用核彈頭，綜合爆炸威力相當(dāng)于1945年8月消滅兩個(gè)日本城市的兩枚原子彈的12萬倍?！?〕核聚變和氫彈海狼號核動力攻擊潛艇2、利用核能的意義3、核電站存在的問題②、放射性④反響堆的平安問題

〔三〕開發(fā)新能源1、太陽能取之不竭，使用方便，能再生，無污染。〔每秒鐘相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即5.2×1023KW.h/s，其中1／22億傳到地球，2.8×1024J/a，為目前人類所需能量1萬倍〕轉(zhuǎn)換形式〔1〕光－熱轉(zhuǎn)換。根本原理：使太陽光聚集，用來加熱一些物體獲熱能。裝置：A、平板型集熱器如太陽能熱水器；B、拋物面型反射聚光器如太陽能聚光灶，太陽爐?！?〕光－電轉(zhuǎn)換根本原理：利用“光－電效應(yīng)〞；裝置：太陽能電池如硅電池〔轉(zhuǎn)換效率13－20％〕；存在問題：本錢高，受晝夜、天氣影響，難以大規(guī)模使用；目標(biāo)：沙漠地帶鋪設(shè)帶有硅電池的集光板。假設(shè)能利用撒哈拉大沙漠全部輻射能的1％，足以供給全世界，我國第一座建在甘肅省。太陽能發(fā)電站〔3〕光－化學(xué)轉(zhuǎn)換是利用太陽能的最主要、最根本方式。綠色植物的光合作用，但不能完全受人控制。CO2＋H2O→糖＋O2其核心化合物是葉綠素。目標(biāo)：尋找各種“完全可控的〞光－化學(xué)轉(zhuǎn)換方法如模擬光合作用。設(shè)想：建立“宇宙太陽能站〞來收集陽光。“同步空間站〞〔距地面35600千米〕太陽能→電能→微波→地面接收站→電能2、生物質(zhì)能生物質(zhì)能是綠色植物經(jīng)光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存在生物體內(nèi)的能量。以ATP形式貯存。貯量：每年由光合作用所形成的有機(jī)質(zhì)200GT，相當(dāng)于3×1021J；垃圾27MT；廢水450MT；糞便幾十億噸。2T垃圾相當(dāng)于1T煤，作為能源利用的生物質(zhì)占總量1％，提供能量占總能耗的14％。途徑：傳統(tǒng)方法是直接燃燒〔一是熱量利用率低15％，利用節(jié)柴灶25％；二是污染環(huán)境。〕合理有效轉(zhuǎn)換是發(fā)酵制沼氣。〔法國羅爾卡公司：垃圾、鎳、輕油在高壓反響器內(nèi)、溫度350℃，反響10分鐘，得到燃油?！忱щy是：反響過程緩慢，而且對溶液的酸堿度很敏感。優(yōu)點(diǎn)是：CO2含量保持不變。培育植物新品種。巴西香膠樹每株年產(chǎn)50千克膠質(zhì)〔成分與石油相似〕；美國人工種植黃鼠草每公頃可年產(chǎn)6000千克石油；美國西海岸巨型海藻等。3、風(fēng)能6、氫能氫在周期表中是第1號元素，相對原子量是1.000.在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,它的密度為0.0899g/L,常溫下為無色氣體。1s1其原子核外的電子排布如右圖所示，其核外的電子構(gòu)型為:1氫能優(yōu)點(diǎn)作為能源，氫有以下特點(diǎn)：⒈所有元素中,氫重量最輕當(dāng)溫度降至-252.7℃時(shí),可變成液體;假設(shè)將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓,那么液氫就可變?yōu)榻饘贇?。⒉所有氣體中,氫氣的導(dǎo)熱性最好比多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍,因此在能源工業(yè)氫是極好的傳熱載體。氫能優(yōu)點(diǎn)⒊氫是自然界存在最普遍的元素水中制得，永無枯竭之虞；據(jù)估計(jì)它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75％,除空氣中含有單質(zhì)氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全部提取出來，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有石化燃料放出的熱量還大9000倍。氫能優(yōu)點(diǎn)⒋氫本身無毒,燃燒后產(chǎn)物沒有污染產(chǎn)物水無污染，屬“清潔能源〞；由于燃燒產(chǎn)物是水蒸氣，不會產(chǎn)生諸如CO、CO2、碳?xì)浠衔?、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質(zhì)，從而也就不會造成酸雨和溫室效應(yīng)。所以，氫是世界上最清潔的能源之一。燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，循環(huán)使用。氫能優(yōu)點(diǎn)⒌熱值高；氫能的燃燒熱值遠(yuǎn)高于一次能源除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,達(dá)142,351kJ/kg,是汽油發(fā)熱值的3倍。⒍氫的燃燒性能好點(diǎn)燃速度快，與空氣混合時(shí)有廣泛的可燃范圍?，F(xiàn)有汽車、飛機(jī)、艦船及其他運(yùn)載工具，只需簡單改裝即可使用氫燃料。氫能要解決的問題氫能－氫的制取

隨著化石燃料耗量的不斷增加,其儲量在日益減