第9章 能源和化学ppt课件

1、第9章 能源与化学限制并有计划的开采石油和天然气发展原子能加速开发利用新能源节流 按形成条件分类按利用技术状况分类一次能源二次能源常规能源煤 炭石 油天然气油 砂油页岩生物质能（植物杆秸）水 能焦炭、煤气汽油、煤油柴油、重油液化石油气甲醇、酒精苯 胺电力、蒸汽、热水、新能源核燃料太阳能地 热海洋能潮汐能风 能沼气、氢能激 光化学电能 表9-2 世界能源消费量和构成 在消费量中所占比例/ % 年 份 消费量/万吨标准煤 煤 炭 石 油 天然气 水 电 和 核电 1950 1960 1970 1980 1990 2000 239 194 292 420 643 956 852 391 1 147

2、640 2000000 60.9 49.5 33.5 30.8 27.3 27.2 33.3 44.0 44.2 38.6 10.1 15.1 20.1 21.5 21.7 1.8 2.1 2.4 3.5 12.4 标准煤标准煤1kg发热量为发热量为29260kj的煤的煤例：某原煤的发热量为例：某原煤的发热量为20920kj/kg，则，则1kg这这种原煤相当于标准煤：种原煤相当于标准煤： 20920/29260 = 0.7150kg 在消费量中所占比例在消费量中所占比例/ % 年年 份份 消费量消费量/万吨万吨(标准煤标准煤) 煤煤 炭炭 石石 油油 天然气天然气 水水 电电 1955 196

3、0 1970 1980 1990 1998 2000 2002 6 968 30 189 29 291 60 275 98 703 136 000 130 297 148 000 93.0 93.9 80.9 72.2 76.2 71.6 66.1 66.0 4.9 4.1 14.7 20.7 16.6 19.8 24.6 23.4 0.5 0.9 3.1 2.1 2.1 2.5 2.7 2.1 1.5 3.5 4.0 5.1 6.5 6.8 7.8 无烟煤烟煤褐煤泥煤含碳量/ %859570855070501. 煤的种类及主要成分煤的种类及主要成分 煤的化学组成煤的化学组成元素CHONS含量

4、/ % 85.05.07.60.71.7C：主要可燃成分，：主要可燃成分， C (s) + O2 (g) = CO2 (g) rHm(298.15k)= -393.5 kjmol-1H：主要可燃元素：主要可燃元素 有效氢有效氢与与C S P结合，可燃烧结合，可燃烧 化合氢化合氢与与O 结合，不能燃烧结合，不能燃烧O , S, N等：有害成分等：有害成分2. 煤的有效洁净利用煤的有效洁净利用洁净煤技术洁净煤技术 （Clean Coal Technology 简称简称 CCT） 中国洁净煤技术主要技术领域：中国洁净煤技术主要技术领域： 煤炭利用前净化技术煤炭利用前净化技术 煤炭洁净燃烧煤炭洁净燃烧

5、 煤炭的转化技术煤炭的转化技术 污染控制与废气、废物管理污染控制与废气、废物管理 （1） 煤的气化煤的气化 H2O(g),O2 气化气化剂剂 高高 温温 H2 CO CH4C 1) C + O2 = CO2 6) CO + H2O = CO2 + H2 2) C + 1/2 O2 = CO 7) C + 2H2 = CH4 3) C + CO2 = 2CO 8) CO + 3H2 = CH4+ H2O 4) C + H2O = CO + H2 9) CO + 2H2 = CH4 5) C + 2H2O = CO2 + 2H2 10) CO2 + 4H2 = CH4+ 2H2O（2煤的液化煤的液

6、化煤与石油的区别：煤与石油的区别： 煤：煤： H : C = 0.40.8 石油：石油： H : C = 1.51.8 煤分子量石油分子量煤分子量石油分子量10倍倍直接液化法直接液化法间接液化法间接液化法煤间接液化工厂煤间接液化工厂石油的主要组成元素为石油的主要组成元素为 C H O N S 8387% 1014% 0.0525% 0.020.25% 0.058和煤相比和煤相比1石油含氢量高，含氧量低。石油含氢量高，含氧量低。 （2石油中的碳氢化合物以直链烃为主石油中的碳氢化合物以直链烃为主 煤中的碳氢化合物以芳烃为主煤中的碳氢化合物以芳烃为主各种石油产品：各种石油产品： 1. 原子核的组成和

7、结合能例：例： 23592U A = 235 Z = 92 n = 235-92 =143 23892U A = 238 Z = 92 n =238-92 = 146 23592U 和和23892U 是两种不同的核素，且互为同是两种不同的核素，且互为同位素位素原子核原子核 质子质子p） 质子和中子总称为核子质子和中子总称为核子 中子中子n）核素质子数和中子数都相同的一类元素）：核素质子数和中子数都相同的一类元素）：AZX X元素符号元素符号 Z质子数，即原子序数质子数，即原子序数 A核子总数，称为质量数核子总数，称为质量数质量数质量数A）= 质子数质子数Z）+ 中子数中子数n）同位数同位数质子

8、数相同而中子数不同的核素互为同位数质子数相同而中子数不同的核素互为同位数 核引力原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力原子核的结合能原子核的结合能若干个核子结合成原子核时所释放的能量若干个核子结合成原子核时所释放的能量 结合能的计算：结合能的计算： 质量亏损质量亏损 m = （中子质量（中子质量+质子质量）质子质量）- 核的质量核的质量 E = mc2 c光速）光速）= 3108 ms-1 E = mc2 例：计算例：计算1mol质子和质子和1mol中子结合成中子结合成1mol氘核氘核21H时可时可释放出多少能量结合能）释放出多少能量结合能）解：解： 1mol质子质子 m = 1.00728

9、g 1mol中子中子 m = 1.00867g 1mol 21H m =2.01355g m = (1.00728g+1.00867g) 2.01355g =0.00240g =2.410-6kg E = mc2 = 2.410-6kg(3108 ms-1)2 =2.16108kj各原子核的每克结合能是不同的各原子核的每克结合能是不同的通常 核子数质量数小的原子核，每克结合能小 核子数质量数中等程度的原子核，每克结合能最大 核子数质量数大于200的原子核，每克结合能变小核反应核反应使原子核转变成新原子核的过程使原子核转变成新原子核的过程核裂变核裂变让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度让核

10、子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度 的新原子核的过程的新原子核的过程核聚变核聚变让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大 的新原子核的过程的新原子核的过程2.核裂变核裂变：是用中子核裂变：是用中子10n轰击较重原子核使之分裂成较轻轰击较重原子核使之分裂成较轻 原子核的反应。原子核的反应。 U-235裂变链式反应：裂变链式反应：1gU-235可放出可放出 8107kj的能量的能量1g煤完全燃烧放出的热量为：煤完全燃烧放出的热量为：30kj1gU-235产生的能量相当于产生的能量相当于2.7106g煤燃烧产生的能量煤燃烧产生的能量核裂变的核燃料：核裂变的

11、核燃料：U-235 U-233 Pu-239例：例： 14456Ba + 8956Kr +3 10n 23592U + 10n 14054Xe + 9438Sr +2 10n 13351Sb + 9941Nb + 4 10n 核燃料核燃料U-235、Pu-239 中子吸收剂控制棒）：中子吸收剂控制棒）：B Cd Hf 控制控制 n = 1 中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子反应堆：反应堆：压水堆压水堆沸水堆沸水堆重水堆重水堆石墨冷气堆石墨冷气堆轻水堆轻水堆核反应堆核反应堆核电站运行的两大问题：核电站运行的两大问题：安全问题安全问题核废料的处理问题核

12、废料的处理问题例：例： 21H + 21H 42He 1g氘聚变时放出的能量为：氘聚变时放出的能量为：5.810 8 kj3.核聚变 核聚变： 由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。中国环流一号核聚变的优点：核聚变的优点： 核聚变产物核聚变产物氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的废料废料 核聚变原料核聚变原料氘、氚，资源丰富，可从海水中提取氘、氚，资源丰富，可从海水中提取1kg海水中含有海水中含有0.03g氘，地球上的海水约有氘，地球上的海水约有1018吨，聚变原料吨，聚变原料十分丰富。十分丰富。实现核聚变的两个关键问题：实现核聚变的

13、两个关键问题：反应温度足够高：反应温度足够高：109人为控制核聚变反应的速度人为控制核聚变反应的速度受控核聚变受控核聚变1. 氢能氢能以氢作为燃料而释放出的能量以氢作为燃料而释放出的能量氢能的特点：氢能的特点： （1氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出10倍倍 （2氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油发热值的料中最高的，是汽油发热值的3倍。倍。（3氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快可燃范围，而且燃点高

14、，燃烧速度快 。（4制氢的原料制氢的原料水，资源极为丰富。水，资源极为丰富。 燃烧产物燃烧产物水，对环境无污染。水，对环境无污染。（5氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。 （6氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。能适应贮运及各种应用环境的不同要求。 （1氢的制取氢的制取H2 (g) + 1/2 O2

15、 (g)h 催化剂催化剂H2Ol）氢的制取方法：氢的制取方法：水煤气法：在高温下用水煤气法：在高温下用C做还原剂，与水反应做还原剂，与水反应 C + H2O = CO + H2电解法：电解法： 2H2O(l) = 2H2(g) + O2(g)热化学分解法热化学分解法 太阳能制氢：太阳能制氢： H2O = H2 + 1/2 O2 反应中键能的变化为：反应中键能的变化为： 断开断开H2O分子中分子中2mol O-H 键需吸收键需吸收930kj的能量的能量 生成生成1mol H-H 键放出键放出463kj的能量的能量 生成生成0.5mol O=O 键放出键放出249kj的能量的能量 分解分解1mol

16、的的H2O需提供的能量为：需提供的能量为：930kj-436kj-249kj=245kj（2氢的储存氢的储存氢的密度氢的密度 = 0.071 gcm-1, 不利于储存，不利于储存，如：如：15MPa压力下，压力下，40dm3的钢瓶只能装的钢瓶只能装0.5kg的的H2。 若是将氢液化，若是将氢液化，t=-253，需耗费很高的能量。，需耗费很高的能量。 (200300kPa)微微 热热LaNi5H6LaNi5 + 3 H2储氢合金：储氢合金： 镁系储氢合金镁系储氢合金 MgH2 Mg2Ni 稀土系储氢合金稀土系储氢合金 LaNi5 MmNiMn (混合稀土混合稀土) 钛系储氢合金钛系储氢合金 TiH2 TiMn1.5例：例： 镧镍合金镧镍合金LaNi5的吸氢反应：的吸氢反应：太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为：太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为： 4 11H