能源化工概论 教案1-2

1、能源化工概论能源化工概论第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容1.1. 能能源及其源及其分类分类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. 能能源储量及消源储量及消费费5.5. 能能源化源化学学6.6. 能能源与环源与环境境7.7. 能能源发展趋势源发展趋势2能量的定义能量的定义 “产生某种效果（变化）的能力产生某种效果（变化）的能力” 做功能力的一做功能力的一种种度量度量5 5 能能源化学源化学 能够直接或者经转换而获取某种形式能量的能够直接或者经转换而获取某种形式能量的载能体和自然资源。载能体和自然资源。 能源的定义能源的定义能量能量能源能源含能体含能体( (如煤

2、炭、天然气等如煤炭、天然气等) )能量过程能量过程( (如风、潮汐如风、潮汐) ) 。 机械能机械能 热热 能能电电 能能辐射能辐射能化学能化学能核核 能能六六种能量形式种能量形式5 5 能能源化学源化学动能：动能：物物体运动体运动的能量的能量位能位能：物物体体因位置而具有的能量因位置而具有的能量一种与温度有关的能量形态一种与温度有关的能量形态以电流电压呈现的能量以电流电压呈现的能量以电磁波方式呈现的能量以电磁波方式呈现的能量食物、化石燃料等物食物、化石燃料等物质储质储存存的能量的能量粒子相互作用而释放出的能量粒子相互作用而释放出的能量 自然界的一切物质都具有能量；能量既不能创造，也自然界的一

3、切物质都具有能量；能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程一个物体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中，能量的总量恒定不变中，能量的总量恒定不变能量守恒与转换定律：热力学第一定律能量守恒与转换定律：热力学第一定律5 5 能能源化学源化学能量相互转换能量相互转换能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律James Joule (18181889)能量守恒与转换定律能量守恒与转换定律热力学第一定律：能量守恒热力学第一定律：能量守恒系统的内能系统的内能= =系统吸收的热量系统吸收的热量+

4、 +对系统做功对系统做功任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数任何处于平衡态的热力学系统都有一个状态参数U（内能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，（内能）。系统从一个平衡态变化到另一个平衡态时，内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。内能等于系统吸收的热量和系统对外做功之和。能量贬值原理能量贬值原理能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力能量不仅有量的多少，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并学第一定律只说明了能量在量上要守恒，并没有说明能量在没有说明能量在“质质”方面的高方面的高低低。自自然界进行的能量转换过程是有方向性的然界进行的能量转换过程是有方向性的。不

5、不需要外界帮助就能自动进行的过程称为自需要外界帮助就能自动进行的过程称为自发过程，反之为非自发过程。自发过程都有发过程，反之为非自发过程。自发过程都有一定的方一定的方向。向。水总是从高处向低处流动水总是从高处向低处流动气体总是从高压向低压膨胀气体总是从高压向低压膨胀热量总是从高温物体向热量总是从高温物体向低温物体传递低温物体传递热力学第二定律克劳修斯说法：克劳修斯说法：“不可能把热量从低温不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化物体传到高温物体而不引起其它变化。”开尔文说法：开尔文说法：“不可能从单一热源吸取不可能从单一热源吸取热量使之完全转变成功而不产生其它影热量使之完全转变成功而

6、不产生其它影响响。”能量贬值原理能量贬值原理12能量贬值原理：热力学第二定律能量贬值原理：热力学第二定律一个封闭系统中的任何自发性变化，都必然朝着能量一个封闭系统中的任何自发性变化，都必然朝着能量贬值（熵增）的方向发展，而最后的平衡状态，则对贬值（熵增）的方向发展，而最后的平衡状态，则对应于熵的最大可能值。应于熵的最大可能值。能源能源能源形态转换过程能源形态转换过程转换机械或系统转换机械或系统水力、风水力、风力、潮汐、力、潮汐、海流、波海流、波浪浪 太阳能太阳能机械能机械能 机械能机械能机械能机械能 机械能机械能 电能电能光能光能 热能热能光能光能 热能热能 机械能机械能 电能电能光能光能 热

7、能热能 电能电能光能光能 电能电能光能光能 化学能化学能光能光能 生物能生物能电磁波电磁波 电能电能水车、风车。水轮机水车、风车。水轮机发电机，波力发电、风力发电机，波力发电、风力发电、潮汐发电、海流发电发电、潮汐发电、海流发电热水器，热水器，采暖器、太阳灶、采暖器、太阳灶、太阳能热发动机，太阳热发电太阳能热发动机，太阳热发电热力发电，热电子发电热力发电，热电子发电光电池光电池光化学电池光化学电池光化学反应（水分解）光合成光化学反应（水分解）光合成5 5 能能源化学源化学能源能源能源形态转换过程能源形态转换过程转换机械或系统转换机械或系统核能核能核分裂核分裂 热能热能 机械能机械能 电能电能核

8、分裂核分裂 热能热能核分裂核分裂 热能热能 电能电能核分裂核分裂 电磁能电磁能 电能电能核聚变核聚变 热能热能 机械能机械能 电能电能电能电能 光（激光）光（激光） 热能热能电能电能 热能热能 聚变聚变 核发电，磁流体发电核发电，磁流体发电核能炼钢核能炼钢热力发电，热电子发电热力发电，热电子发电光电池光电池核聚变发电核聚变发电5 5 能能源化学源化学5 5 能源化能源化学学思考：氢氧化钠在水中溶解，温度升高；硝酸铵思考：氢氧化钠在水中溶解，温度升高；硝酸铵 在水中溶解，温度要降低。这两种物质在在水中溶解，温度要降低。这两种物质在 溶解过程中，能量的形式各发生了怎样的溶解过程中，能量的形式各发生

9、了怎样的 转化？转化？氢氧化钠在水中溶解：化学能氢氧化钠在水中溶解：化学能热能热能硝酸铵在水中溶解：热能硝酸铵在水中溶解：热能化学能化学能水电站发电水电站发电重力势能重力势能动能动能电能电能5 5 能源化能源化学学能量储存能量储存机械能机械能以动能、势能形式储存以动能、势能形式储存。热热能能以潜热、显热形式储存以潜热、显热形式储存。电电能能感应场能或静电场能感应场能或静电场能。化化学能、核能学能、核能自身即为储能形式。自身即为储能形式。机械能的储存机械能的储存以动能形式储存以动能形式储存（1 1）飞轮）飞轮以势能形式储存以势能形式储存（1 1）弹簧、扭力杆和重力装置）弹簧、扭力杆和重力装置 （

10、2 2）压缩空气储能）压缩空气储能 （3 3）抽水蓄能电站：纯抽水蓄能电站）抽水蓄能电站：纯抽水蓄能电站 ，混合式，混合式抽水蓄能电站抽水蓄能电站 飞轮动能储存系统飞轮动能储存系统SatCon飞轮能量储存系飞轮能量储存系统可以提供常规铅酸蓄电统可以提供常规铅酸蓄电池池50倍的能量储存容量倍的能量储存容量NASA 开发的飞轮能量开发的飞轮能量储存技术储存技术液态空气能量储存系统液态空气能量储存系统电能的储存电能的储存蓄电池蓄电池发展方向：廉价、高效、能大规模储能。发展方向：廉价、高效、能大规模储能。静电场和感应电场静电场和感应电场（1 1）电容器在直流电路中广泛用作储能装置）电容器在直流电路中广

11、泛用作储能装置，在交流电路中则用于提高电力系统或负荷，在交流电路中则用于提高电力系统或负荷的功率因数，调整电压；的功率因数，调整电压；（2 2）高电压技术、高能核物理、激光技术、）高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器；地震勘探等方面采用的直流高压电容器；（3 3）超导磁铁蓄能。）超导磁铁蓄能。蓄电池作为电能储存系统蓄电池作为电能储存系统超级电容器超级电容器燃料电池储能燃料电池储能超导磁能量储存超导磁能量储存化学能储存化学能储存一种高能量密度的储存方法；一种高能量密度的储存方法； 利利用某些物质在可逆化学反应中的吸热用某些物质在可逆化学反应中的吸热和放热过程来达到

12、热能的储存和提和放热过程来达到热能的储存和提取取; ;技技术上困难，目前尚难实际应用。术上困难，目前尚难实际应用。 热能的储存热能的储存显热储显热储存存潜潜热储热储存存化化学储存学储存 地地下含水层储存下含水层储存6 能源与环境能源与环境 全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、全球环境恶化主要表现在大气和江海污染加剧、大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源大面积土地退化、森林面积急剧减少、淡水资源日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受日益短缺、大气层臭氧空洞扩大、生物多样性受到威胁等多方面，同时温室气体的过量排放导致到威胁等多方面，同时温室气体的过量排放导致全球气候变暖，使自然灾害

13、发生的频率和强度大全球气候变暖，使自然灾害发生的频率和强度大幅增加。幅增加。 大气环境的三大问题大气环境的三大问题 20世纪世纪80年代中期，在南极上空发现了年代中期，在南极上空发现了臭臭氧空洞氧空洞，它与地球变暖及所谓的，它与地球变暖及所谓的温室效应温室效应和和酸雨沉降酸雨沉降问题构成全球性的大气环境问问题构成全球性的大气环境问题。题。臭氧层的空洞臭氧层的空洞2006年发现的臭氧年发现的臭氧空洞是有史以来观空洞是有史以来观测到的最大一次，测到的最大一次，达到达到2950万万km2的的面积面积。历年的南极臭氧历年的南极臭氧臭氧层的作用臭氧层的作用地球上的生物能在陆地上生活，是因为集中在平地球上

14、的生物能在陆地上生活，是因为集中在平流层中的臭氧对于阳光中的紫外线具有隔除的作流层中的臭氧对于阳光中的紫外线具有隔除的作用，如果没有臭氧层，进入大气层的紫外线就很用，如果没有臭氧层，进入大气层的紫外线就很容易被细胞核吸收，破坏生物的遗传物质容易被细胞核吸收，破坏生物的遗传物质DNA DNA ，陆地上的生物便无法存在了。而这个臭氧层目前陆地上的生物便无法存在了。而这个臭氧层目前正受到人类持续不断的破坏。正受到人类持续不断的破坏。据科学研究，臭氧减少据科学研究，臭氧减少10%，紫外线可能增加，紫外线可能增加20%，皮，皮肤癌患者可能增加肤癌患者可能增加30%，此外还会产生下列几种现象，此外还会产生

15、下列几种现象:(1)白内障罹患率增加；白内障罹患率增加；(2)免疫系统受到抑制；免疫系统受到抑制；(3) 谷物的收成减少，品质降低，植物和浮游生物减谷物的收成减少，品质降低，植物和浮游生物减 少，少，破坏自然界的生物链；破坏自然界的生物链；(4)塑料、橡胶制品加速老化；塑料、橡胶制品加速老化；(5)紫外线直射会引起对流层臭氧的增加，致使产生光紫外线直射会引起对流层臭氧的增加，致使产生光化学烟雾，造成空气污染。化学烟雾，造成空气污染。臭氧层破坏的后果臭氧层破坏的后果臭氧层空洞的产生臭氧层空洞的产生 氯氯氟烃释放到大气中，再上升到高空时，会分解出氯原氟烃释放到大气中，再上升到高空时，会分解出氯原子

16、。自由的氯原子遇上臭氧分子后，会夺走氧分子子。自由的氯原子遇上臭氧分子后，会夺走氧分子O O3 3中的中的一个氧原子，使之变成为普通的氧分子一个氧原子，使之变成为普通的氧分子O O2 2。每一个氯原子。每一个氯原子可以把上万个臭氧分子变成普通氧分子。实验数据显示，可以把上万个臭氧分子变成普通氧分子。实验数据显示，平均每一个氯原子可以消灭平均每一个氯原子可以消灭1 1万个臭氧分子，其威力惊人。万个臭氧分子，其威力惊人。臭氧层的保护臭氧层的保护WMOWMO和联合国环境规划署同时指出，到和联合国环境规划署同时指出，到20492049年，欧洲、年，欧洲、南北美洲、亚洲、澳大利亚和非洲的臭氧层将恢复到南

17、北美洲、亚洲、澳大利亚和非洲的臭氧层将恢复到19801980年以前的水平。而南极的臭氧层要到年以前的水平。而南极的臭氧层要到20652065年才能年才能恢复到这一水平。恢复到这一水平。 目前，最早使用目前，最早使用CFCsCFCs的的2424个发达国家已于个发达国家已于19851985年和年和19871987年分别签署了限制使用年分别签署了限制使用CFCsCFCs的的维也纳公约维也纳公约和和蒙特利尔议定书蒙特利尔议定书。19931993年年2 2月，中国政府批准月，中国政府批准了了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案，确定在，确定在20102010年完全淘汰消耗臭氧层物

18、质。年完全淘汰消耗臭氧层物质。温室效温室效应应-大大气层的作用气层的作用 太阳射向地球的光约太阳射向地球的光约1/31/3被云层、冰粒和空气分子被云层、冰粒和空气分子反反 射射回去回去； 约约3030穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，穿过大气层时暂时被大气吸收起到增温作用，但以后又返回到太空但以后又返回到太空； 其其余的大约余的大约3737则被地球表面吸收。这些被吸收的则被地球表面吸收。这些被吸收的太阳辐射能大部分在晚间又重新反射到太空。太阳辐射能大部分在晚间又重新反射到太空。如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，如果这部分热量遇到了阻碍，不能全部被反射出去，地球表面的温度就会升

19、高。地球表面的温度就会升高。温室效应温室效应COCO2 2不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收不吸收短波，只吸收长波，于是，地球表面吸收的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地的太阳辐射就散不出去，从而使地表温度升高，地球变暖。球变暖。像像COCO2 2这类会使地球变暖的气体就称为温室气体，温这类会使地球变暖的气体就称为温室气体，温室气体还包括水蒸气、室气体还包括水蒸气、N N2 2O O、SFSF6 6、甲烷、氟利昂等。、甲烷、氟利昂等。温室效应温室效应-温温室气体室气体温室效应的后果温室效应的后果海平面上升与陆地淹没海平面上升与陆地淹没气候带的移动气候带的移动飓风的加剧飓风的加剧

20、 植被的迁徙与物种灭绝植被的迁徙与物种灭绝 洋流的变化与厄尔尼诺现象洋流的变化与厄尔尼诺现象雨型的改变雨型的改变温室气体的来源温室气体的来源解决温室效应的对策解决温室效应的对策提高能源的利用率，减少化石燃料的消耗量，大力推提高能源的利用率，减少化石燃料的消耗量，大力推广节能新技术；广节能新技术；开发不产生开发不产生COCO2 2的新能源，如核能、太阳能、地热能、的新能源，如核能、太阳能、地热能、海洋能；海洋能；推广植树绿化，限制森林砍伐，制止对热带森林的破推广植树绿化，限制森林砍伐，制止对热带森林的破坏；坏；减慢世界人口增长速度，在农村发展减慢世界人口增长速度，在农村发展“能源农场能源农场”，

21、一方面利用种植薪柴树木通过光合作用固定一方面利用种植薪柴树木通过光合作用固定COCO2 2，另一，另一方面燃烧薪柴比燃用化石燃料产生的方面燃烧薪柴比燃用化石燃料产生的COCO2 2要少得多；要少得多；采用天然气等低含碳燃料，大力发展氢能。采用天然气等低含碳燃料，大力发展氢能。酸酸雨及其形雨及其形成成被大气中存在的酸性气体污染被大气中存在的酸性气体污染,pH,pH小于小于5.655.65的雨的雨叫叫酸雨酸雨。高高硫煤和石油燃烧产生的硫煤和石油燃烧产生的SOSO2 2和和NONOx x是造成酸雨的是造成酸雨的主要祸首。主要祸首。酸雨污染来源酸雨污染来源1.一类为自然物质，另一类为人为物质。前者如火

22、山爆发喷出的大量硫化物及悬浮固体物，自然水域表面释放的硫化氢，动植物分解产生的有机酸，土壤微生物及海藻释放的硫化氢、二甲基硫及氮化物等，都会使雨水的pH降至5.0左右2.后者则为工业化后，燃料的大量使用，燃烧过程中产生CO、 HCl、SO2、NOx及悬浮固体物，排放至大气环境中，经光化学反应生成硫酸、硝酸等酸性物质使得雨水的pH降低，形成酸雨。造成雨水酸化之污染物很多，其污染来源大致可分为两类：酸雨的危害酸雨的危害 导致森林成片死亡，因为酸雨会损坏植物叶面和根导致森林成片死亡，因为酸雨会损坏植物叶面和根 部部。 使使湖泊酸化，湖中鱼虾绝迹湖泊酸化，湖中鱼虾绝迹。 破破坏农田的土壤成分，使农作物

23、减产甚至死亡坏农田的土壤成分，使农作物减产甚至死亡。 造造成地下水酸化，引起对人体的危害成地下水酸化，引起对人体的危害。 腐腐蚀建筑物和工业设备，造成重大的经济损失蚀建筑物和工业设备，造成重大的经济损失。 对对露天文物起腐蚀作用，加速文物资源的破坏甚至露天文物起腐蚀作用，加速文物资源的破坏甚至 毁灭。毁灭。酸雨对建筑物的酸雨对建筑物的破坏破坏酸雨控制对策酸雨控制对策制订酸雨和制订酸雨和SOSO2 2污染控制区综合防治规划。污染控制区综合防治规划。 限制高硫煤，洗煤，型煤。限制高硫煤，洗煤，型煤。调整能源结构，削减调整能源结构，削减SOSO2 2排放总量。排放总量。做好做好SOSO2 2排污收费工作，运用经济手段促进治理。排污收费工作，运用经济手段促进治理。强化控制区环境监督管理。强化控制区环境监督管理。7 7 能能源发展趋势源发展趋势 世界性的能源问题主要反映在能源短缺世界性的能源问题主要反映在能源短缺及供需矛盾所造成的能源危机。及供需矛盾所造成的能源危机。 世界能