第5章 能源与化学

1、o能源能源是当今社会的三大支柱之一，是我们赖以生存的重要物质基础。应重视其开发及有效与清洁利用。o化学化学提供人类合理使用能源的方法。o5.1 5.1 全球能源结构和发展全球能源结构和发展o5.2 5.2 能量的产生和转化能量的产生和转化o5.3 5.3 传统能源的改进传统能源的改进o5.4 5.4 化学与核能化学与核能o5.5 5.5 开发新能源开发新能源o能源分类能源分类o可供利用的能源可供利用的能源o中国能源消费中国能源消费o一次能源：一次能源：可直接利用的能源（煤、煤、天然气、地热、水能天然气、地热、水能）o二次能源二次能源：由一次能源经加工或转化成的另一种形态的能源（电力、汽油电力、

2、汽油）o常规能源：常规能源：技术上成熟且已大规模生产和广泛利用的能源（石油、天然气、水能）o新能源：新能源：以新技术为基础，新近开发利用的能源（太阳能、氢能、生物质能）o可再生能源：可再生能源：具有天然的自我恢复能具有天然的自我恢复能力（太阳能、水能、风能、地热）力（太阳能、水能、风能、地热）o非再生能源：非再生能源：越用越少，不能再生越用越少，不能再生（矿物燃料）（矿物燃料）o污染型能源：污染型能源：造成环境污染（煤炭、造成环境污染（煤炭、石油）石油）o清洁型能源：清洁型能源：不造成环境污染（水能、不造成环境污染（水能、氢能、太阳能）氢能、太阳能）o目前全世界使用的能源目前全世界使用的能源9

3、0% 取自化石燃料，取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。时间才得以生成，因此是不可在生能源。o从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：和天然气的总储量分别为：o石石 油：油：o天然气：天然气：o煤煤 炭：炭：储量有限的化石燃料储量有限的化石燃料2、我国的能源结构、我国的能源结构1、我国和世界的能源消耗、我国和世界的能源消耗o我国一次能源消费总量从我国一次能源消费总量从1978年的年的5.3亿吨亿吨标准煤，上升到标准煤，上升到2002年的年

4、的14.3亿吨标煤。亿吨标煤。o在在2004年，我国石油消费量达年，我国石油消费量达3亿吨亿吨，其中，其中进口进口1亿吨亿吨，o估计到估计到2020年，我国石油消费量要达年，我国石油消费量要达4.5亿亿吨吨，其中进口量要达，其中进口量要达2.7亿吨亿吨，o到到2050年，我国石油消费量要达年，我国石油消费量要达6亿吨亿吨，其，其中进口量要达中进口量要达4亿吨亿吨，相当于目前美国的石油，相当于目前美国的石油进口量。进口量。o化石燃料：是指化石燃料：是指石油、天然气、煤石油、天然气、煤，它，它们是人类生活中的主要能源。们是人类生活中的主要能源。o但随着全球对能量的不断使用，必将日但随着全球对能量的

5、不断使用，必将日趋枯竭。趋枯竭。o而且这些燃料在使用中，对环境会产生而且这些燃料在使用中，对环境会产生大量的污染，如煤燃烧产生的大量的污染，如煤燃烧产生的SO2，就，就能形成危害极大的酸雨。能形成危害极大的酸雨。o太阳表面温度高达太阳表面温度高达6000，内部不断进，内部不断进行核聚变反应，并且行核聚变反应，并且以辐射形式向宇宙发以辐射形式向宇宙发出巨大的能量。出巨大的能量。o据估计，据估计，每三天太阳每三天太阳向地球辐射的能量，向地球辐射的能量，就相当于地球就相当于地球所有矿所有矿物燃料物燃料燃烧放出的能燃烧放出的能量量。o当太阳辐射能穿越地球大当太阳辐射能穿越地球大气层时，大气层约吸收气层

6、时，大气层约吸收21016瓦能量，其中一瓦能量，其中一小部分转化为大气的动能。小部分转化为大气的动能。o因为热带比极带吸收较多因为热带比极带吸收较多的太阳辐射能，产生大气的太阳辐射能，产生大气压力差导致空气流动形成压力差导致空气流动形成“风风”，风能非常巨大，风能非常巨大，o理论上仅理论上仅1%的风能就满的风能就满足人类能源需要。足人类能源需要。o 地球内部放射性元素不断进行热核反应，放出大量的热，温度可达6000，高温的热量通过厚厚的地层，时时刻刻向太空释放，这种“大地热大地热”，称为热能，o地热能约为全球煤热能的1.7亿亿倍。o 通常利用石油、煤炭、天然气等燃料燃烧产生的热能加热水，然后再

7、由水蒸气推动发电机发电，除此之外，还有水力发电等。水电站水电站核能是由于原子核内部发生核变或聚变而产生大量热。广东岭澳核电站江苏连云港核电站o煤炭煤炭最早大规模利用的能源最早大规模利用的能源o石油和天然气石油和天然气战后大规模利用的战后大规模利用的能源能源o新能源新能源20世纪末开始大规模利用世纪末开始大规模利用的能源的能源o能量的产生能量的产生o能量的转化和利用能量的转化和利用o物质中各种物质中各种化学键键能化学键键能不同，当化学建不同，当化学建改组时，伴随着能量的变化改组时，伴随着能量的变化o若反应放出的能量大于吸收的能量，则若反应放出的能量大于吸收的能量，则反应放热反应放热o比如，在甲烷

8、的燃烧反应中，若最后生比如，在甲烷的燃烧反应中，若最后生成物是水蒸气，则放出的热就少一些。成物是水蒸气，则放出的热就少一些。若生成液态水，则放出的热就多一些。若生成液态水，则放出的热就多一些。o各种能源形式可以互相转化各种能源形式可以互相转化o能量的转化和利用遵循两条基本规律，能量的转化和利用遵循两条基本规律，即：即：o热力学第一定律热力学第一定律o热力学第二定律热力学第二定律 o即能量守恒及转化定律：即能量守恒及转化定律： 在体系和周围环境之间发生能量交换时，在体系和周围环境之间发生能量交换时，总能量保持恒定不变总能量保持恒定不变。 o热力学第一定律的另一种表述是：热力学第一定律的另一种表述

9、是：第一类永第一类永动机动机是不可能造成的。是不可能造成的。 o热量总是从热量总是从高温高温物体物体(系统系统)传到传到低温低温物物体，但体，但不能不带不能不带有其他的变化，把热量从有其他的变化，把热量从低温物体传到高温物体。低温物体传到高温物体。o功功可以可以全部转化全部转化为为热热，但任何热机，但任何热机不能不能全部全部地、连续不断地把所获得的地、连续不断地把所获得的热量热量转变转变为为功功。o人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫热机叫第

10、二类永动机第二类永动机。o它并它并不违反不违反热力学第一定律，但却热力学第一定律，但却违反违反热力学第二定热力学第二定律。有人曾计算过，地球表面有律。有人曾计算过，地球表面有1010亿立方千米的海水，亿立方千米的海水，以海水作以海水作单一热源，单一热源，若把海水的温度哪怕只降低若把海水的温度哪怕只降低O.25O.25度度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。界使用一千年。o但只用但只用做为单一做为单一的热机是违反上述第二种讲的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝法的，因此要想制造出热效率为百分之百的

11、热机是绝对不可能的。对不可能的。 o煤的高效利用煤的高效利用o石油催化石油催化o天然气天然气o不同品质的煤燃烧特性不同不同品质的煤燃烧特性不同比如，无烟煤一般发热量很高，但着比如，无烟煤一般发热量很高，但着火困难，不易燃尽。火困难，不易燃尽。o烟煤发热量较无烟煤低，但着火和燃尽烟煤发热量较无烟煤低，但着火和燃尽都比较好。都比较好。o为防止二氧化硫的污染，在粉煤中加入为防止二氧化硫的污染，在粉煤中加入石灰石作为石灰石作为脱硫剂脱硫剂。o烟气脱硫、循环流化床锅炉、低烟气脱硫、循环流化床锅炉、低NOx燃燃烧技术、火电厂粉煤灰综合利用。烧技术、火电厂粉煤灰综合利用。火力发电运作原理在我国，煤大在我国，

12、煤大量用于火力发量用于火力发电（电（效率不高效率不高）o煤的干馏：煤的干馏：把煤隔绝空气加强热使之分解的过程。把煤隔绝空气加强热使之分解的过程。工业上是把煤放在炼焦炉内，隔绝空气加热到工业上是把煤放在炼焦炉内，隔绝空气加热到10001300(高温干馏高温干馏)，使煤分解，得到三部分，使煤分解，得到三部分产物：产物： o气体产物气体产物煤气，液体产物煤气，液体产物煤焦油，固体产物煤焦油，固体产物焦炭焦炭。o 煤炼焦的意义煤炼焦的意义(综合利用综合利用)及规模很大，全世界用及规模很大，全世界用于炼焦的煤达数亿吨。用炼焦的方法及一系列吸收、于炼焦的煤达数亿吨。用炼焦的方法及一系列吸收、分馏制取分馏制

13、取焦炭、煤气和氨水、苯、甲苯、二甲苯、焦炭、煤气和氨水、苯、甲苯、二甲苯、萘萘等化工产品的工业称为等化工产品的工业称为炼焦化学工业炼焦化学工业。煤的干馏o液化煤炭也叫液化煤炭也叫人造石油人造石油，将煤加热裂解，在催，将煤加热裂解，在催化剂作用下加氢，得到多种燃料油。化剂作用下加氢，得到多种燃料油。CO3 H2+CH4+ H2On CO+ (2n+1) H2CnH2n+2n H2O+n CO + 2n H2CnH2nn H2O+n CO + 2n H2CnH2n+1OH + (n-1) H2O2 CO + 4 H2CH3-O-CH3+ H2O（一碳化学一碳化学）醚化反应醚化反应醇化反应醇化反应烯

14、烃化反应烯烃化反应烷烃化反应烷烃化反应甲烷化反应甲烷化反应o在在氧气不足氧气不足的情况下进行部分氧化，的情况下进行部分氧化，使有机物转化为使有机物转化为可燃气体可燃气体o合成气生产，将纯氧和水蒸气加压通合成气生产，将纯氧和水蒸气加压通过灼热的煤，生成过灼热的煤，生成气态燃料气态燃料混合物混合物 C + O2(不足）不足） 2CO C + H2O = CO + H2o 石油是石油是古代生物遗骸古代生物遗骸，堆积在湖里、海里，堆积在湖里、海里，或是陸地上，經或是陸地上，經高溫、高压高溫、高压的作用，由复杂的作用，由复杂的生物及化学作用转化而成的。的生物及化学作用转化而成的。 水中生物的遗骸下沉而埋

15、没于地下水中生物的遗骸下沉而埋没于地下o石油在地层中一点一滴地生成，並浮游於地层中。由石油在地层中一点一滴地生成，並浮游於地层中。由於浮力的关系，油点在每年缓慢地沿著地层或断层向於浮力的关系，油点在每年缓慢地沿著地层或断层向上移动，直到受不透油的封閉地层阻挡而停留下來。上移动，直到受不透油的封閉地层阻挡而停留下來。當此封閉內的油点越聚越多，便形成了當此封閉內的油点越聚越多，便形成了油田油田。因地热或地压等作用变成石油因地热或地压等作用变成石油o组成：组成：多种烃类的混合物，烷烃、芳多种烃类的混合物，烷烃、芳香烃等。香烃等。o加工：加工：分馏，裂解，重整。分馏，裂解，重整。馏分馏分裂化、重整裂化

16、、重整和加氢和加氢o催化剂催化剂o天然气：天然气：低级烷烃的混合物（主要是甲烷），具可燃性。将成为未来发电的首选燃料。o煤煤 气气：煤的合成气及炼焦气。：煤的合成气及炼焦气。o液化气：液化气：来源于石油，主要成分为来源于石油，主要成分为丙、丁烷丙、丁烷。 冰封的能源冰封的能源o“可燃冰”：天然气水合物 (Natural Gas Hydrate)； 99%甲烷其他炭氢气体和水正在燃烧的正在燃烧的“可燃冰可燃冰”“可燃冰”微观结构图o可燃冰的三种结构可燃冰的三种结构：1，“I”型：型：2个个512空隙空隙6 个个51262空隙；空隙；8M46H2O2，“II”型：型： 16个个512空隙空隙8个个

17、51264空隙；空隙；24M136H2O3，“H”型：型：3个个512空隙空隙2个个435663空隙空隙1个个51268空隙；空隙； 6M34H2O海底海底“可燃冰可燃冰”露头露头 海底取出的海底取出的“可燃冰可燃冰”样品样品o温度不能太高： 2-4，适合“可燃冰”的形成，高于20就分解；o压力要足够大： 在0时，30个大气压就可形成“可燃冰”。 越深压力越大，“可燃冰”就越稳定；o有甲烷气源。 一、应用优点一、应用优点：o能源角度：1m3“可燃冰”=164m3甲烷+0.8m3水； 能量密度=10倍煤=倍天然气。o环保角度：清洁无污染，几乎不产生任何污染物。 o应用角度：运输、使用方便。未来的

18、最理想的洁净能源二、埋藏较浅，便于开发二、埋藏较浅，便于开发三、矿层规模大三、矿层规模大四、储量巨大四、储量巨大 “可燃冰可燃冰”可为人类供能达可为人类供能达6.4万年万年“可燃冰可燃冰”碳储量碳储量 的传统化石能源的传统化石能源 (煤、石油、天然气、油页岩等煤、石油、天然气、油页岩等)碳储量碳储量o储量丰富:南海北部蕴藏量相当于陆地石油天然气 资源的一半o研究落后国际水平。 1992年：中科院兰州分院，国外天然气水合 物研究进展2001年：中国地质大学，海洋地质与可燃冰2002年：国家天然气水合物专项2003年：中国天气水合物研讨会o使一个重原子核分裂成为两个或两个使一个重原子核分裂成为两个

19、或两个以上中等质量原子核的过程，称为以上中等质量原子核的过程，称为。核裂变是取得核能的重要途径。核裂变是取得核能的重要途径之一。之一。o只有一些质量非常大的原子核，像铀、只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，核裂变时，。o1 1克克235235U U完全发生核裂变后放出的能量完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧相当于燃烧2.52.5吨煤吨煤所产生的能量。所产生的能量。o第一，重核裂变要形成第一，重核裂变要形成持续的持续的链式反链式反应；应；o第二，链式反应必须是第二，链式反应必须是可控的可控的。实现。实现可控链式反应的装置称

20、为反应堆。可控链式反应的装置称为反应堆。中子中子鈾鈾-235-235核分裂核分裂逃逃逸逸中子中子o将中子束用于实验或利用中子束的核反应，包括研究堆、材料实验等。o生产放射性同位素的。o生产核裂变物质的核反应堆，称为。o提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆，比如。o为发电而发生热量的核反应，称为。o用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆，称为。o热反应堆热反应堆o快反应堆快反应堆o堆芯内有慢化剂，将中子慢化为热中堆芯内有慢化剂，将中子慢化为热中子，热中子较易使子，热中子较易使U-235原子原子核分核分裂裂o压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都属于属于热中子反应

21、堆热中子反应堆o在消耗裂变燃料的同时，还能生成相在消耗裂变燃料的同时，还能生成相当于当于1.21.6倍倍的裂变燃料的裂变燃料o可以充分利用可以充分利用U-238o人们将人们将核反应堆核反应堆形象地比喻为核电站的形象地比喻为核电站的“锅锅炉炉”，在这种在这种“锅炉锅炉”里烧的是里烧的是铀、钚铀、钚等核等核燃料。燃料。o在核电站在核电站“锅炉锅炉”这个家庭中，有一个特殊这个家庭中，有一个特殊成员成员快中子增殖反应堆快中子增殖反应堆，简称，简称“快堆快堆”，现在已成为核反应中的佼佼者。现在已成为核反应中的佼佼者。o在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而越

22、少，而“快堆快堆”的的“燃料燃料”却却越烧越多越烧越多，成了魔炉。成了魔炉。o 在在“快堆快堆”中用的核燃料是中用的核燃料是239239Pu(Pu(钚钚b)b)。o1 1个每吸收个每吸收1 1个快中子发生裂变反应会放个快中子发生裂变反应会放出出2.452.45个快中子，除去个快中子，除去1 1个用于链式裂变个用于链式裂变反应后，剩下的反应后，剩下的1.451.45个快中子会被装在个快中子会被装在反应区周围的反应区周围的238238U U（大量存在）吸收，产（大量存在）吸收，产生生1.451.45个新的核燃料原子个新的核燃料原子239239PuPu 。o 一座快堆核电站，在一座快堆核电站，在5

23、51515年年的时间内可使的时间内可使燃料数量翻一番，燃料数量翻一番，o通过建造快堆核电站，通过建造快堆核电站，既能用既能用238238U U发电，又能发电，又能增殖燃料，增殖燃料，o因此因此“快堆快堆”被人们被人们称为称为“明天的核电站明天的核电站锅炉锅炉”。中国实验快堆中国实验快堆o太阳的中心发生太阳的中心发生核核聚变聚变，放出巨大能，放出巨大能量。量。o在太阳内部，这个在太阳内部，这个天然的核聚变过程天然的核聚变过程以及发生了了好几以及发生了了好几十亿年了。十亿年了。o和平利用聚变能实验非和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一常困难，因为核力是一种种短程力短程力，只有当它们，只有当它们

24、之间的距离接近到大约之间的距离接近到大约万分之一毫米万分之一毫米时，核力时，核力能才起作用，使两个原能才起作用，使两个原子核聚合在一起，放出子核聚合在一起，放出巨大的能量。巨大的能量。o所有的原子核都带正电，两个带正电的原子所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。o所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核所以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入核之间的距离进入核力力程核力力程。o据测算这样的能量将使氘核的据测算这样的能量将使氘核的

25、达到达到5.6108ko氘原子被加热到上亿度的时候，电子就会脱氘原子被加热到上亿度的时候，电子就会脱离原子核的束缚，成为一团炽热的气体离原子核的束缚，成为一团炽热的气体等离子气体。等离子气体。o如何容纳这么热的等离子体如何容纳这么热的等离子体o强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等离子强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等离子体。体。是蕴藏在生物质中的能量,是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。o它是是一种唯一可碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料燃料。 o可再生性可再生性生物质属可再生资源生物质属可再生资源, ,生物质能由于通过植物的光合作生物

26、质能由于通过植物的光合作用可以再生用可以再生, ,与与风能风能、太阳能太阳能等同属可再生能源等同属可再生能源, ,资源资源丰富丰富, ,可保证能源的永续利用可保证能源的永续利用. .o低污染性低污染性生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOSOX X、NONOX X较少；生物质作为燃料时，由于它在较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量, ,因而对大气的因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零二氧化碳净排放量近似于零, ,可有效地减轻可有效地减轻温室效应温室效应. .

27、o广泛分布性：广泛分布性：缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能. .o生物质燃料总量十分丰富生物质燃料总量十分丰富生物质能是世界第四大能源生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产地球陆地每年生产10001250亿亿t干生物质干生物质;海洋年生产海洋年生产500亿亿t干生物质。生物干生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相相当于目前当于目前世界总能耗的世界总能耗的10倍倍。o我国可开发为能源的生物质资源到我国可开发为能

28、源的生物质资源到2010年可达年可达3亿吨。亿吨。随着农林业的发展随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广特别是炭薪林的推广,生物质资源生物质资源还将越来越多。还将越来越多。o应用：应用：沼气沼气、压缩成型、压缩成型固体燃料固体燃料、气化生产燃气、气化生产燃气、气化发电、生产燃料气化发电、生产燃料酒精酒精、o理想的理想的“绿色能源绿色能源”o需要解决的困难需要解决的困难氢的制备氢的制备氢的存储氢的存储燃料电池燃料电池氢能经济的背景氢能经济的背景o大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年

29、增加。失逐年增加。o化石能源储量有限，消耗加快。化石能源储量有限，消耗加快。o能源结构单一，过渡依赖化石能源。能源结构单一，过渡依赖化石能源。o经济增长、环境保护和社会发展的压力经济增长、环境保护和社会发展的压力。氢：储量大，分布广，清洁无污染氢：储量大，分布广，清洁无污染氢能社会构想氢能社会构想再生能再生能源制氢源制氢CO2处理处理加氢站加氢站燃料电池工厂燃料电池工厂天然气制氢天然气制氢电厂电厂终端用户终端用户 o热化学工艺制氢热化学工艺制氢o甲烷重整制氢甲烷重整制氢: CH4 + H2O=3H2 + CO2CH4 + O2=4H2 +2COo电解水制氢工艺电解水制氢工艺:o秘密存在于催化核

30、心的结构中。植物进行光合作用秘密存在于催化核心的结构中。植物进行光合作用离不开离不开叶绿素叶绿素，而叶绿素中对光合作用起关键作用，而叶绿素中对光合作用起关键作用的就是催化核心。的就是催化核心。o催化核心催化核心是由是由4 4个锰离子、个锰离子、1 1个钙离子、个钙离子、4 4个氧原子个氧原子和至少和至少2 2个水分子组成的，其中个水分子组成的，其中3 3个锰离子、个锰离子、1 1个钙个钙离子和离子和4 4个氧组成一个扭曲立方体，锰离子和钙离个氧组成一个扭曲立方体，锰离子和钙离子通过氧原子相连接。第四个锰离子位于立方体的子通过氧原子相连接。第四个锰离子位于立方体的外部，结合着外部，结合着1 1个水分子。个水分子。o这一发现对于了解和这一发现对于了解和复制水裂解化学复制水裂解化学过程具有重要过程具有重要意义。意义。类 型典型技术体积密度重量密度备 注物理方法液态氢液态氢71/37 g/l5wt%20K,能耗大能耗大高压氢高压氢39/24 g/l3.3wt%RT,70MPa大比表吸附剂大比表吸附剂1wt%80K纳米碳管纳米碳管100 g/l4wt%30%NaB