EnergyChemistry能源化学

1、能源化学第一章 能源简介1 能源的分类2 能源利用史3 能源的作用4 能源储量及消费5 中国能源的发展6 能源化学7 能源与材料8 能源与环境9 能源发展趋势第一节 能源的分类1 能（量）：能量是物质运动的一种度量，是物体做功的能力。对应于物质的不同的运动形态，能量也有不同的形式。各种运动形态是可以相互转化的，所以各种形式的能量之间也能够相互转换。能量是物质的属性，任何物质都具有能量，能本身不是物质，而是指物质的一种状况或状态。（2）能的形式：机械能（动能、势能）、热能、化学能、电能、光能、核能（3）能量的性质：状态性；可加性；传递性；转换性；做功性；贬值性。2 能源国际上，衡量一个国家现代化

2、的程度能源的人均占有量；能源构成；能源使用率；能源对环境的影响。（1）什么是能源？能源和能量既有联系又有区别，能量来自能源，但能量本身是量度物质运动形式和量度物体做功的物理量，包括机械能、热能、电能、电磁能、化学能、原子能等。能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。 科学技术百科全书能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。 大英百科全书能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。 能源百科全书（2）能源的形式：石油、天然气、煤、生物质能、太阳能、风力能、地热能、水力能、核能、丙烷（3）能源的分类能源按

3、其形成方式分为： 一次能源：直接从自然界取得的以自然形态存在的能源。如：煤炭、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、核能、生物质能、化学能等。 二次能源：由一次能源经过加工或转换得到的能源。如：焦炭、汽油、重油、煤气、热能、机械能、电能等。二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。一次能源地球上的一次能源来源于三个方面：1) 地球以外天体中的太阳辐射能（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）。2) 地球本身蕴藏的能量资源，诸如地热能、火山能、地震能以及核燃料（铀、钍、钚 ）等。3) 地球和其他天体相互作用而产生的能量。如天体运动中，太

4、阳和月亮对地球表面的水有吸引力作用而产生的潮汐能。这三类能源中，太阳辐射能是最主要的，也是人类利用最多的。能源结构一次能源第一类能源（来自地球以外）太阳辐射能煤、石油、油页岩、天然气、草木燃料、沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。风、流水、海流、波浪、海洋热能、直接太阳能宇宙射线、流星和其它星际物质带进地球大气的能量第二类能源（来自地球内部）地球热能地震，火山活动，地下热水和地热蒸气，（包括温泉和沸泉），热岩层原子能铀，钍，硼，氘第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）潮汐能二次能源电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等。一次能源按其

5、是否能够再生的性质分为： 可再生能源：可再生能源是指使用后仍能更新或是再生的能源；如：太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、海洋能、生物质能等。取之不尽，用之不竭 不可再生能源：不可再生能源是有限的能源，开采消耗后，短期内无法恢复的能源；如煤炭、石油、天然气、核燃料等。可再生能源的主要类型和特点：可再生，无污染或污染小，地区分布广，适合就地开发利用。能源按其使用性质不同可分为： 含能体能源：指能够提供能量的物质能源，即储存起来的能源，其特点是可以保存且可运输，如草木燃料、矿物燃料、核燃料、高位水库中的水等。 过程性能源：指能够提供能量的物质运动形式，它不能直接储存，存在于“过程”之中，如太阳能、

6、风能、水能、潮汐能、电能等。能源按其使用的成熟程度和技术状况可分为： 常规能源：技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的一次能源。如煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等。 新能源：一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源。如太阳能、生物质能、氢能、地热能、核聚变能等。能源按其形态方式分为： 化石能源、（矿物能源）如煤炭、石油、天然气。 非化石能源（替代性能源）如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。能源按其性质可分为： 燃料能源 矿物燃料（煤、石油、天然气等） 生物燃料（柴草、木材、沼气、有机废弃物等） 化工燃料（丙烷、甲醇、酒精、废旧塑料制品等） 核燃料

7、（铀、钍、钚、氘等） 非燃料能源 多数具有机械能，如风能、水能、潮汐能、波浪能等， 有的含有热能，如地热能和太阳能等。根据能源是否流通分为： 商品能源：指经过流通环节大量消费的能源，主要有煤炭、石油、天然气、电力等。 非商品能源：指不经流通环节而自产自用的能源，如农户自产自用的薪秸秆，牧民自用的牲畜粪便，风能、太阳能等。（在农村地区开发的为生产和生活使用的能源又叫做农村能源）根据能源消耗后是否造成环境污染可分为： 清洁能源（绿色能源）：利用现代技术开发的干净、无污染的新能源。如太阳能、氢能、风能、潮汐能等。“绿色能源”有两层含义： 利用现代技术开发干净、无污染的新能源，如太阳能、氢能、风能、潮

8、汐能等； 化害为利，将发展能源同改善环境紧密结合，充分利用先进的设备与控制技术来利用城市垃圾、淤泥等废物中所蕴藏的能源，以充分提高这些能源在使用中的利用率。 非清洁能源：包括煤炭、石油等。按能源载体同地球构成关系划分 地壳能源：地壳能源是指在地球演变过程中，经过漫长的地质年代逐渐自然形成的载能物体，如煤炭、石油、天然气、油页岩等。它们的形成与地壳运动、海水进退、气候变化、生物兴衰等息息相关。 地壳外能源：地壳外能源是指除地壳能源以外的能源，它的形成不是地壳物质，如太阳能、风能等。（4）分布式能源：分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，既可独立运行，也可并网运行。分布式能源是相对于传统的集中

9、供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量（数千瓦至50兆瓦）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统。3能源的评价 储量 能量密度 储能的可能性与供能的连续性 能源的地理分布 开发费用和利用能源的设备费用 运输费用与损耗 能源的可再生性 能源的品位 对环境的影响4 有关能源的国际组织l 国际能源机构（国际能源署、国际能源组织）International Energy Agency, IEAl 世界能源理事会（世界能源委员会）World Energy Council, WECl 国际原子能机构International Atomic Energy Agency,

10、 IAEAl 世界石油大会（世界石油理事会）World Petroleum Congress, WPCl 石油输出国组织Organization of the Petroleum Exporting Countries简称欧佩克（OPEC）或油组l 政府间气候变化专业委员会Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCCl 经济合作与发展组织Organization for Economic Cooperation and Development, OECD5 能源计量单位能源计量单位可以有3种表示方法1) 能量单位：用热功单位来表示，如焦耳（J）

11、、卡（cal）、千瓦小时（kWh）；英国热能单位（BTU）2) 当量单位：用能源的当量值表示，常见的如煤当量和油当量。3) 能源的实物量单位：用能源的实物量来表示，如煤用吨（t），石油用（桶），天然气用立方米（m3）。6 温度表示方法：华氏温度、摄氏温度、开尔文温度 第二节 能源利用史 人类对于能源的开发利用大致经历了四个历史时期：1) 古代柴草时期；2) 新石器时代晚期的煤炭时期；3) 19世纪中叶的石油时期；4) 始于20世纪中叶的新能源时期。世界能源结构发生的第一次转变：薪柴 煤炭 （英国产业革命）世界能源结构发生的第二次转变：煤炭 石油和天然气 （管线焊接技术）世界能源结构发生的第三次

12、转变：石油和天然气 可再生能源 （1973年第一次石油危机）第三节 能源的作用能源：是人类生存和发展的重要物质基础；是人类从事各种经济活动的原动力；是人类社会经济发展水平的重要标志。第四节 能源储量及消费1 能源储量 ： 世界能源消费结构变化（%）2 能源消费 能源强度：亦称能源消费强度，常用单位产值能耗或单位产品能耗表示。单位产值能耗：是指一个国家或地区、部门或行业单位产值一定时间内消耗的能源量，通常以吨（或公斤）油当量（或煤当量）美元来表示。一个国家或地区的能源强度，通常以单位国内生产总值耗能量来表示。单位产品能耗：是以实物量为单位的能源消费量与对应的产品量之比。能源强度反映经济对能源的依

13、赖程度，受一系列因素的影响，包括经济结构、经济体制、工艺水平、生产规模、技术水平、能源结构、人口等。世界能源消费现状及特点1. 受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加2. 世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国家3. 世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大4. 世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大 第五节 中国能源的发展 中国能源发展回顾：1949年新中国成立时，全国一次能源的生产总量只有2400万吨标准煤。中国能源生产总量及其构成中国能源消费结构中国的能源特点：“以煤为主，多能互补”1996年，中国成为全球第二大一次能源消费国，同

14、时也是全球第二大能源生产者。中国的能源发展现状：l 能源资源总量丰富：煤炭储量约占世界总储量的12.6%，居第3位。水力资源占世界总量的30%，居第1位，原油占2.4%，天然气仅占1.2%。l 人均能源资源拥有量较低、分布不均：人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为1/l0。l 人均能源消费量低、单位产值能耗高（即能源消费强度，是指单位GDP所投入的能源量。）l 能源资源开发难度大，能源利用效率低l 能源安全面临威胁1993年开始成为石油净进口国，2021年石油进口依存度（净进口量与消费量之比）接近52%。l 能源消费以煤为主，环境压力加大，新能源与可再生能源有待大力发展中国能源发

15、展战略：坚持节约优先、立足国内、多元发展、依靠科技、保护环境、加强国际互利合作，努力构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展。第六节 能源化学1 能量转化化学反应中的能量变化通常主要表现为热量的变化：放出热量或吸收热量。 如果反应放出的能量大于吸收的能量，则此反应为放热反应。如燃烧反应、中和反应、化合反应、金属和酸的反应； 如果反应放出的能量小于吸收的能量，则此反应为吸热反应。如分解反应、以C、H2、CO为还原剂的反应、铵盐与固体碱的反应。在化学反应中，拆散化学键需要吸收能量，形成新的化学键放出能量。热功当量：1 cal = 4.1840 J热力学第

16、一定律：能量可以从一种形式转化为另一种形式在转化过程中能量既不会消失也不会增加。热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。克劳修斯（Clausius）不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。开尔文（Kelvin）能量质量的贬值性：热力学第二定律认为，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递，在传递过程中总会有一部分能量成为热能释放出去。使用能量的过程中能量质量下降是能量的基本属性。能量的两个重要特性：能量数量的守恒性；能量质量的贬值性 能量利用就是利用能量的质量，按质用能尽可能使高质量的能尽其用和做到合理用能 2 能量储存能量储存的主要

17、指标 储能密度 储存过程的能量损耗 储存装置的经济性 储能和取能的速率 寿命（重复使用的次数） 对环境的影响能量储存方式：按储存的能的形式可分为 电化学能 （如传统铅酸电池、液流电池、燃料电池） 电能 （如超级电容器（supercapacitor） 动能 （如飞轮（flywheel） 势能 （如压缩空气储能系统（CAES）、抽水蓄能（pumped hydro） 化学能 （如氢储能系统（Hydrogen-based） 热能及热化学能 磁能 （如超导磁能储存（SMES）按储能体的形式可分为：固定式和移动式按储能时间可分为：短期和长期第七节 能源与材料 材料是发展能源的物质基础。解决能源危机的关键是

18、能源材料的突破方法有：1) 提高燃烧效率，以减少资源消耗；2) 开发新能源，积极利用再生能源；3) 开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能。这3个方面都与材料有着密切的关系。第八节 能源与环境 能源生产与使用对环境的影响1. 开采过程对环境的影响2. 运送过程对环境的影响3. 加工过程对环境的影响4. 利用过程中的污染 第九节 能源发展趋势多元化；清洁化；高效化；全球化；市场化第二章 煤炭1 煤炭是能源和其他资源的重要支柱2 煤的形成3 煤的开采与运输4 煤的结构5 煤的元素组成6 煤的综合利用7 煤的燃烧8 煤炭液化9 煤的气化第一节 煤炭是能源和其他资源的重要支柱煤：煤是由高等植物经生物化

19、学、物理化学和地球化学作用转变成的固体有机可燃矿物。煤炭资源储藏最丰富的国家为：美国、俄罗斯、中国、印度、澳大利亚、南非。6个国家的煤炭储藏量之和占全世界煤炭储藏量的80%以上。煤炭是中国工业的主要能源，中国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气。煤炭是中国的第一能源，在一次性能源的构成中煤炭占70%左右。煤炭能源中的主要化学问题是以解决效率、污染和能源形式的转化为核心目的。 煤炭的利用方式1) 直接燃烧2) 气化、热解、液化 （将煤炭转化为洁净气体、液体、固体燃料）第二节 煤的形成1 煤的形成过程高等植物：植物-泥炭-褐煤-烟煤-无烟煤。煤化序列为：植物泥炭（腐泥）褐煤烟煤无烟煤。低等植物：植

20、物-腐泥-腐泥煤煤的转变过程1) 泥炭化作用：当高等植物遗体在沼泽中堆积，在有水存在和微生物参与下，经过分解、化合等复杂的生物化学变化，形成泥炭（泥煤）。2) 成岩作用：由泥炭变成褐煤的过程 3) 变质作用：由于地壳的运动，褐煤层上部顶板逐渐加厚，受地压、地温增高的影响，经过复杂的物理化学作用，促使煤质变化，由褐煤变成烟煤、无烟煤。成岩和变质是煤化作用的两个阶段。2 煤的种类根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为两大类，即腐殖煤和腐泥煤。根据煤化度的不同，腐殖煤可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。种类含碳量（%）热量（kJ/g）用途泥煤50 608,400 12,500替代柴薪 褐煤60 7512,

21、500 20,900一般燃料次烟煤75 8520,900 23,000替代烟煤 烟煤85 9023,000 29,300炼制煤焦工业燃料无烟煤90 9529,300 33,500最佳燃料腐泥煤：煤的一类，由低级植物和浮游动物形成的煤。在煤化过程中由腐泥转变而成。还保持着本身结构的低级植物和浮游动物的残留物，如藻煤、烛煤、油页岩等。是制造人造液体燃料和润滑油的宝贵原料。第三节 煤的开采与运输煤矿开采方法1) 露天开采（剥离法开采）2) 矿井开采我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。 煤炭运输方式：水运、

22、铁路、公路、管道输煤我国第一条输煤管道：盂（县）潍（坊）青（岛）管道全长713公里。世界第一条输煤管道在美国，全长439公里。第四节 煤的结构煤的化学结构是指在煤的有机分子中，原子相互联结的次序和方式。又称煤的分子结构，简称煤结构。第五节 煤的元素组成化学成分：以碳为主体，并含有氢、氧及少量之硫、氮、无机矿物质等。 碳：碳是煤中有机质的主要组成元素。C含量随煤化程度增高而增大。褐煤含C量70%；无烟煤含C92%，氧含量则从20%左右降到2%左右，氢含量由8%左右降到4%左右。氢：氢含量与煤的煤化度也密切相关，随着煤化度增高，氢含量逐渐下降。 氧：氧是煤中第二个重要的组成元素。煤中有机氧含量随煤

23、化度增高而明显减少。泥炭中无水无灰基氧含量Odaf，高达27%-34%，褐煤中Odaf为15%-30%，到烟煤阶段为2%-15%，无烟煤为1%-3%。 氮：煤中的氮含量较少，一般约为0.5% 3.0%。氮是煤中惟一的完全以有机状态存在的元素。 煤中氮含量随煤化度的加深而趋向减少，但规律性到高变质烟煤阶段以后才比较明显。 硫：煤中的硫通常以有机硫和无机硫的状态存在。 煤中的硫按可燃性可分为：可燃硫和不可燃硫（或称固定硫）第六节 煤的综合利用煤的转化利用途径： 气化：将煤变成水煤气或发生炉煤气，然后作燃料或化工原料。 液化：将煤变成芳烃、烷烃、脂肪烃等油品。 焦化：焦化是炼焦。同时得到焦油、煤气。

24、或称部分液化和部分气化。煤的干馏：将煤隔绝空气加热使其分解的过程将煤进行气化和液化：解决燃煤污染、提高燃煤热效率、提取有关物质和化工原料。煤气化第七节 煤的燃烧 煤燃烧涉及的物理化学过程：C + O2 CO2；C + O2 CO洁净煤技术包括煤炭使用各环节的净化和防治污染的技术：洁净煤技术：1) 煤炭的洁净生产技术2) 煤炭的洁净加工技术3) 煤炭的高效洁净转化技术4) 煤的高效洁净燃烧与发电技术5) 燃煤污染排放治理技术具体是指从煤炭开采到利用的全过程中提高利用效率的生产、加工、转化、燃烧、减少污染物排放及控制污染等新技术体系。煤炭燃烧前的处理和净化技术：洗选处理；型煤加工；水煤浆技术洗选处

25、理： 洗选处理是除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同品种等级，以满足不同用户需要。型煤加工： 型煤加工是采用特定的机械加工工艺将粉煤和低品位煤制成具有一定形状、尺寸、强度和一定理化性能的煤制品。高硫煤成型时加入适量固硫剂（生石灰），可减少二氧化硫的排放。2SO2 + O2 + 2CaO 2CaSO4 SO3 + CaO CaSO4水煤浆（Coal Water Slurry, CWS）技术国际上称为：煤水混合物（Coal Water Mixture, CWM）或煤水燃料（Coal Water Fuel, CWF）制备：CWS一般由65%-70%的煤粉

26、（250-300mm）、30%-35%的水及0.5-1.0%的分散剂和0.02%-0.1%的稳定剂，经过一定的加工工艺而制得。燃烧中的净化装置：先进的燃烧器；流化床燃烧器燃烧后净化：烟气脱硫1) 湿式：湿法一般是在炉内用石灰水淋洗烟尘，二氧化硫变成亚硫酸钙浆状物。 2) 干式：干法是用浆状脱硫剂（石灰石）喷雾，与烟气中的二氧化硫反应，生成亚硫酸钙，水分被蒸发，干燥颗粒用集尘器收集。脱硫效率达90% 煤油混烧技术第八节 煤炭液化煤的液化分直接液化和间接液化两种。1) 直接液化：煤在高温高压下加氢催化裂化，转变成油料产品。2) 间接液化：先使煤转化为一氧化碳和氢气，然后在高温、高压及催化剂的作用下

27、生成液态烃、甲醇等有机物。煤的直接液化 煤的直接液化工艺主要有：Exxon供氢溶剂（EDS）法；氢-煤法；煤-油共炼。煤加氢液化反应：将煤在高温高压下与氢反应，使其降解和加氢，从而转化为液体油类（如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工艺称为加氢液化。从煤结构概念出发，认为固体煤加氢转化为液体，就是煤结构中某些键断开，并同时加氢，生成液体产物和少量气态烃。煤加氢液化的基本化学反应：热解反应；供氢反应；脱杂原子反应。直接液化大致有氢化法和溶剂精制法。1) 氢化法：将煤粉和煤液化过程中产生的油跟氢气混合，在高温条件下经催化进行加氢解聚反应。2) 溶剂精制法3) 间接液化的气化-液化法：将煤气化为H

28、2、CO和CH4，再用催化剂将气态物质转化为液态。nCO + 2nH2 CnH2n + nH2OnCO + (2n+1)H2 CnH2n+2nH2O煤的间接液化：间接液化主要分两种生产工艺：1) 费托（Fischer-Tropsch）工艺，将原料气直接合成油；2) 由原料气合成甲醇，再由甲醇转化成汽油。费-托合成：以合成气为原料在催化剂（主要是铁系） 和适当反应条件下合成以石蜡烃为主的液体燃料的工艺过程。nCO+2nH2CH2n+nH2O 一碳化学（碳一化学）：以含一个碳原子的化合物甲烷（CH4）、合成气（CO和H2）、CO2、CH3OH、HCHO等为初始反应物，反应合成一系列重要的化工原料和

29、燃料的化学。其核心是选择催化化学转化、小分子的活化和定向转化。CO、CO2是从煤的气化得到的、而CH4是天然气的主要成分。因此一碳化工实际上就是一种新一代的煤化工和天然气化工。第九节煤的气化煤炭气化是一种热化学过程，通常是在空气、蒸汽或氧等作气化介质的情况下，在煤气发生炉中将煤加热到足够的温度，与煤发生化学反应，生成一氧化碳、氢和甲烷等可燃的混合气体即煤气。煤气化过程：煤的热解过程；半焦的气化过程。煤气化目的是将煤转化成可燃气体。煤气的主要组成为：CO, H2, CO2, CH4, H2O。灰分形成废渣排出1 煤炭气化的意义及历史（1）煤炭气化的意义煤炭直接燃烧的热利用效率一般为15%-18%

30、。通过煤炭气化过程将煤变成可燃烧的煤气后，热利用效率可达55%-60%。煤气较煤具有运输和使用方便、减轻环境污染等优点。煤气化的好处是可在燃烧前脱除气态硫和氮组分。粗煤气中的硫化氢可在气体冷却后通过化学吸收或物理吸附脱除。 2 煤气分类及用途根据煤气组成不同可分为：发生炉煤气和水煤气、合成气和还原气、城市煤气和焦炉煤气、富气和合成天然气。水煤气和发生炉煤气交替吹空气和水蒸气到发生炉内产生的煤气称水煤气。同时吹空气和水蒸气到发生炉内产生的煤气称发生炉煤气。合成气与还原气合成气是根据不同用途控制煤气化过程产生的，主要用作不同化工产品的加工。如合成氨的合成气对H2/N2要求很高，合成甲醇用气CO含量

31、较高等等。还原气是指炼铁过程中产生的可燃性气体，要求其中水蒸气和二氧化碳含量较少，较多时应将其除去。城市煤气：城市煤气要求含氢气和甲烷较多，硫含量少，以提高热值和减少城市空气污染。煤炭气化原理从能量转化角度来讲，煤气化技术是把煤的化学能转换成易于利用的气体的化学能的过程。包括以煤（半焦或焦炭）为原料，以氧（包括空气、富氧、纯氧）、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过最低限度的氧化过程，将煤中所含的碳、氢等物质转化成一氧化碳、氢、甲烷等有效成分的一个多相反应的化学过程。煤炭气化技术1) 地面煤气化技术煤的高温干馏；煤的发生炉气化；煤的水煤气化；煤的加氢气化。2) 地下煤气化（UCG)技术地

32、面煤气化技术1) 煤的高温干馏：煤的高温干馏是将煤在隔绝空气的条件下加热到600-800C，主要反应为煤中有机物的热分解，生成焦炭和主要含甲烷、挥发性物质的焦炉煤气。这种煤气的热值为18.8MJ/m3，主要用于城市气体燃料。2) 煤的发生炉气化：将空气通入高温煤层，在发生炉中发生一系列的氧化还原反应 氧化层中煤炭的氧化反应： C(s) + O2(g) CO(g) + 110.54 kJ/mol用空气作氧化剂所得的煤气叫空气煤气，它的大致成分（体积分数）为：CO2约16%-18%，CO1%-2%，H21%-2%，N271%-78%。由于H2和CO含量很低，热值不高，约为4.18MJ/m3，可作燃

33、料。3) 煤的水煤气化：将水蒸气通入高温煤层的煤气发生炉使之煤气化，气体叫水煤气。主要的反应是水蒸气与炽热的炭层（700-800C以上）氧化还原反应C(s) + H2O(g) CO(g) + H2 (g) 水煤气的大致组成（体积分数） 4）煤的加氢气化：将煤先转换成煤气，然后将煤气变成富含甲烷的干净煤气。 水煤气化产生的CO和H2在400C高温和镍催化剂存在的条件下转化成甲烷，也称为甲烷化反应，其反应式可表示如下：CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)煤加氢气化所得煤气的热值很高，可达36MJ/m2。地面煤气化技术形式有固定床、流化床与气流床地下煤气化：煤炭地下气化就是

34、将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃性气体的过程。煤的气化新技术：a) 煤的热核气化技术b) 整体煤气化联合循环发电（IGCC）c) 燃煤磁流体（magnets hydrodynamics，MHD）发电技术Integrated Gasification Combined Cycle：IGCC发电技术的原理是以煤气化的方法生产燃料气，净化除去煤气中99%以上的硫化氢和接近100%的粉尘，将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料，驱动燃气轮机发电，并利用余气烧锅炉生产出蒸汽来驱动汽轮机发电。燃煤磁流体（magnets hydrodynamics，MHD）发电技术：磁流

35、体发电是一种将热能直接转换成电能的新型的发电方式，其基本原理和传统的发电机一样基于法拉第电磁感应定律，即导体切割磁力线产生感应电势，所不同的是磁流体发电机中导电流体（气体或液体）取代了普通发电机中的金属流体。煤的干馏：把煤隔绝空气加热至较高温度而发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程，称为煤的干馏（热分解）。煤在隔绝空气下加热时，煤中有机质随温度的提高而发生一系列变化，形成气态（煤气），液态（焦油）和固态（半焦或焦炭）产物。第三章 石油1、石油的重要性2、石油的成因和聚集3、石油的开采4、石油的组成5、石油的炼制6、石油化工国民经济的支柱7、工业的血液流动的乌金8、我国的石油发展第一节 石油

36、的重要性 石油：石油（包括油气沥青）是指在地壳岩石空隙（孔、洞、缝）中天然生成的，以液态烃为主的可燃有机矿产。一般认为1859年Drake在美国宾夕法尼亚州所钻油井，是近代油气勘探（或工业）的开始。石油的重要性：石油是优质动力燃料的原料石油是提炼优质润滑油的原料石油是主要的化工原料1917年首次用炼厂气中的丙烯合成异丙醇，公认为第一个石油化学产品，标志石油化工诞生。石油及其产品构成了现代生活方式和社会文明的基础石油安全关系国家安全第二节 石油的成因和聚集石油的形成石油地质学界普遍承认，石油和天然气的生源物是生物，特别是低等的动物和植物。海相成油：生源物的来源主要是在海洋中生活的生物。陆相成油：

37、生源物的来源主要是非海相生物，即生活于湖沼的生物。焦点与学派：（1）油气的无机成因学说 （2）油气有机成因学说油气的运移和聚集油气运移：生油岩中的油气在外力作用下运移到砂质岩（储集层）中集中的过程。油气从生成到形成矿藏一般要经过两次大的运移才能完成：初次运移：从生油层向储集层里的运移。二次运移：在储集层内的运移。储油构造：集中储存油气的地方。储油构造由3部分组成：储油层：有油气居住的空间。盖层：覆盖在储油层之上的不渗透层。圈闭：储集层中油、气物质自身势最小而其动能为零的地方。（封堵的条件）石油资源专家认为，一个油气田的六大要素就是生（油层）、储（油层）、盖（油层）、运（移）、圈（闭）、保（存）

38、。第三节 石油的开采1 石油勘探：地表观测、地质勘探、地球化学勘探、地球物理勘探地球物理勘探法主要方法：重力勘探（或重力法）、磁力勘探（或磁力法）、震波勘探（或震波法）其它方法：电测勘探（或电测法）、放射性勘探（或放射性法）、井测勘探（或井测法）2 钻井钻井方式1) 人工掘井：1521年之前2) 人力冲击钻：15211835年3) 机械顿钻钻井（冲钻）：18591901年4) 旋转钻井：1901年我国陆上油田目前最深探井是准噶尔盆地腹部的莫深1井，设计井深7380米（2006年）。世界上最深的石油勘探井井深为9583米（1974年美国）。3 采油世界油田开发史按技术大致可以分为3个阶段：l 直

39、接采油（一次采油）l 注水驱油（二次采油）l 提高采收率技术（三次采油）4 石油储运石油的储藏和海上运输始终是国际上最为关注的焦点问题。用管道输送石油是一种方便而又经济的方法。1934年，世界上第一条油管将伊拉克的北部油田和黎巴嫩的黎波里港连通。输油管道的铺设使原油和成品油的输送成本大幅度降低。铁路上使用的油槽车也是长距离运输石油的常用设备。第四节 石油的组成1 石油的元素组成主要元素：碳（C）、氢（H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）。C占84%87%，H占11%14%微量元素：如Fe、Mg、V、Ni等30多种，其中V、Ni为主。碳、氢占绝对优势，总量达9599%，主要以烃类形式存在，是组成石

40、油的主体。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在，与微量元素的总含量一般14%。石油中的硫含量：海相石油高硫（一般大于1%），陆相石油低硫（一般小于1%）钒和镍含量与比值：海相石油V、Ni含量高，且V/Ni大于1；陆相石油V、Ni含量较低，且V/Ni小于12 石油的化合物组成烃类化合物烷烃饱和烃环烷烃芳烃不饱和烃烯烃非烃类化合物含N、含S、含O化合物（1）石油的烃类组成烷烃：又称脂肪烃、石蜡烃，具有碳链结构，CnH2n+2，按有无支链分为正构烷烃与异构烷烃。正构烷烃（CnH2n+2）异构烷烃（CnH2n+2）石油中的异构烷烃以C10的为主，C11-25较少，且以类异戊间二烯型烷烃最重要。石油中的类异

41、戊间二烯型烷烃一般认为是由叶绿素的侧链直醇演化而来，为生物标志化合物。环烷烃（具有碳环结构）CnH2n：单环、双环、三环及多环烷烃，石油中多为五员环或六员环环戊烷、环己烷及其同系物。环烷烃分子中的碳原子连成环状，性质与烷烃相似，但稍活泼。芳香烃（含苯环结构的不饱和烃）单环芳香烃：苯、甲苯、二甲苯多环芳香烃：联苯、三联苯、三苯甲烷稠环芳香烃：萘、蒽、菲芳烃较烷烃性质活泼，可与一些物质发生化学反应。烯烃：双键结构烯烃的化学性质很活泼，可与多种物质发生反应 烯烃分子结构式中碳原子间有双键，碳原子化合价没有和氢原子完全结合，这就有能力和其他元素的原子相结合。如乙稀、丙稀、环戊稀、环己稀（2）石油的非烃

42、类组成石油中含硫、氮、氧的化合物都是非烃类化合物，它们的含量虽然不高，但对炼制过程和成品油的质量影响很大。含硫化合物；含氮化合物；含氧化合物存在形式：环烷酸、脂肪酸、酚、醛、酮等。环烷酸占石油酸的90%，易形成各种盐类，其中碱金属的环烷酸盐易溶于水、可作为找油标志。（3）生物标志化合物来源于生物体，基本保持类原始组分的碳骨架，记载了原始生油母质特殊分子结构信息的有机化合物。又称“分子化石”、“指纹化合物”或“地球化学化石”。主要有：正构烷烃、类异戊间二烯烷烃、萜类和甾类以及卟啉化合物。3 石油的组分组成油质：是石油的重要组成部分，可溶于石油醚而不被硅胶所吸附。胶质：可溶于石油醚，苯、三氯甲烷等

43、有机溶剂而不被硅胶所吸附。沥青质：不溶于石油醚和酒精而溶于苯、三氯甲烷的沥青部分。碳质：不溶于有机溶剂的非烃化合物。4 石油分类根据油源环境分为：海相石油、陆相石油根据有机质成熟度分：（未熟）低熟油、成熟油、高熟油海相石油与陆相石油的基本区别：海相石油：以芳香-中间型、石蜡-环烷型为主。V/Ni1。饱和烃占2570%，芳烃占2560%；高硫（1%）、低蜡（5%）。陆相石油：以石蜡型为主，部分为石蜡-环烷型。V/Ni5%）、低硫（1%）。5 石油的物理性质颜色：石油的颜色变化很大，无色、淡黄色、黄褐色、淡红色、深褐色、黑绿色、黑色。石油的颜色与芳烃+非烃的含量有关，芳烃+非烃含量越高，颜色越深。

44、相对密度：相对密度有三种：1个atm下，20C单位体积原油与4C单位体积纯水的质量之比。（无量纲）一般“”： 0.751.0之间，其中：0.93称为重质石油。影响因素：主要取决于化学组成，胶质、沥青质含量；石油组分的分子量；溶解气数量API度：石油工业中常用美制密度（API）表示，API与ror呈反比关系。 一般原油 API 介于 25 46 之间。波美密度：符号Symbol：B, sometimes B法国科学家波美所创制，波美比重计粘度：石油流动时分子间相对运动的内摩擦力所产生的阻力。粘度越大，愈难流动。影响因素：石油的粘度取决于石油的化学组成、所处的温度和压力。胶质、沥青质，粘度；饱和烃

45、含量，粘度；化学组成：溶解气含量，粘度；温度，粘度；压力，粘度。温度对粘度的影响较压力大，因此在地层中容易流动。溶解性：石油可溶解于多种有机溶剂，如：苯、三氯甲烷（氯仿）、二硫化碳、四氯化碳、乙醚等等。难溶于水，但随水中二氧化碳和烃气的含量增加，溶解度明显增加，有利于初次运移。凝固点：将液体石油冷却到失去流动性时的温度。石油没有明确的凝固点，当温度降低时，常出现固态与液态之间的过渡状态。导电性：石油基本上是电绝缘体。石油导电性极差，具高电阻率。可视为无限大，非导体。荧光性：石油在紫外光的照射下，产生荧光的特性。无论其本身还是溶于有机溶剂中。荧光-低能量可见光 冷发光现象原因：由多环芳香烃和非烃

46、发光，饱和烃不发光。发光颜色：含芳烃多的轻质油天蓝色；含胶质多的石油淡黄色；含沥青质多的石油褐色。发光强度：与石油中的不饱和烃浓度有关。在低浓度范围下，发光强度与石油类物质的浓度成正比；但浓度超过某一临界值以后，发光强度反而降低，这叫做浓度消光。应用：钻井现场常用荧光灯鉴定岩样中的含油情况。旋光性：当偏振光通过石油时，石油能使其振动面旋转一个角度（0.几-几度），石油的这种特性称旋光性。旋转偏振光振动面的特性。分右旋和左旋。大多石油旋光性为右旋。旋转角小于几度。石油的旋光性与结构不对称的生物标志化合物有关，因此，石油的旋光性是石油有机成因的证据。第五节 石油的炼制石油炼制过程：l 脱盐/脱水：

47、应用电化学分离或加热沉降方法脱除原油所含水、盐和固体杂质，主要目的是防止盐类（钠、钙、镁的氯化物）离解产生氯化氢而腐蚀设备和盐垢在管式炉炉管内沉积。l 原油蒸馏l 丙烷脱沥青l 溶剂萃取和脱蜡 l 混合1 石油的蒸馏蒸馏是利用物理方法将原油中的各种碳氢化合物分开。原油加热到一定温度，油中的碳氢化合物变成不同的气体，每种气体有不同的凝结点，在不同温度下凝结成为液体。蒸馏包括常压蒸馏和减压蒸馏，属于物理变化。常压蒸馏：在接近常压下蒸馏出汽油、煤油（或喷气燃料）、柴油等的直馏馏分，塔底残余为常压渣油（即重油）。减压蒸馏：使常压渣油在8kPa左右的绝对压力下蒸馏出重质馏分油作为润滑油料、裂化原料或裂解

48、原料，塔底残余为减压渣油。1 atm（标准大气压） 101.325 kPa（千帕）工业上的石油分馏：石油馏分组成与化合物组成关系随馏分沸点增加，化合物分子量增大，化合物中C数增加；随馏分沸点增加，石蜡烃和芳香烃含量明显减少，胶质含量明显增加。2 重油的裂化裂化是将重油等大分子烃类分裂成汽油、柴油等小分子烃类的一种炼制方法。重油裂化是制取高质量汽油的主要途径。重油裂化的常用方式：a) 热裂化b) 催化裂化c) 加氢裂化热裂化：是通过加热的方法把大分子烃类转化成小分子烃的过程。催化裂化：是在硅酸铝和合成沸石等催化剂作用下使重油裂化成小分子烃，可以有选择性多生成一些汽油组分的产品，反应产物是C4C9

49、的烃类。催化裂化中发生的化学反应主要是异构化反应、芳构化反应和氢转移反应。加氢催化裂化：是在370430的高温、1015MPa的高压以及催化剂的作用下使直馏柴油、减压渣油等各种轻重油原料进行加氢反应。l 可把原料中的硫和氮的化合物转化成硫化氢和氨，从而通过水洗除去。l 可使不饱和烃及一些大分子烃发生裂化和异构化，从而获得各种高质量的油品。如高辛烷值汽油、低冰点喷气机燃料、低凝固点柴油、低温性能良好的润滑油等。l 产品的收率接近100%。l 反应需要在高压下操作，条件比较苛刻，设备投资高，技术操作要求严格。石油炼制加工： 一次加工；二次加工；三次加工。一次加工和二次加工可用于生产燃料油品。二次加

50、工可提高轻质油的收率，提高油品质量，增加石油产品的品种，提高炼油厂的经济效益。三次加工（石油化学工业）则是用前两次加工所得的石油产品或半成品来生产化工产品，通过分子的异构化、芳构化、聚合等反应制取基本有机化工原料。第六节 石油化工国民经济的支柱石油化学工业简称石油化工，是指以石油和天然气为原料生产石油产品和石油化工产品的加工工业。石油产品：液体燃料：液化石油气（LPG），车用汽油，航空燃料，车用柴油，燃料重油等。润滑油：发动机油，齿轮油，液压油，气轮机油，压缩机油，金属加工用油等。固体产品：沥青，石油焦，石蜡等。其他类产品第七节 工业的血液流动的乌金石油经过炼制后,绝大部分变成了汽油、煤油、柴

51、油、燃料油、润滑油等油品。这些油品如同血液一样源源不断地输入工业的脉管，大大加快了现代文明社会的生活节奏。1 汽油的使用牌号和优质汽油的制备汽油的质量标准涉及到许多方面，其中最重要的是蒸发性、抗爆性和安定性。l 蒸发性：评价汽油蒸发性的指标是馏分组成和蒸气压。l 抗爆性：汽油的抗爆性是指汽油发动机在汽缸中燃烧时抵抗爆炸的能力。可用辛烷值度量，汽油的辛烷值越高其抗爆性越好。l 安定性：汽油的安定性是指汽油在常温和液相条件下抵抗氧化的能力。安定性不好的汽油在储存和运输过程中容易发生氧化和聚合反应，生成酸性物质和胶状物，致使油的颜色变深，辛烷值降低。汽油的辛烷值：规定具有很高抗爆性的异辛烷的辛烷值为

52、100，最容易产生爆震的正庚烷的辛烷值为0。汽油改性：提高辛烷值制取高质量的汽油是汽油改性的主要目标。两种基本改性方法：a) 在汽油中加入添加剂；b) 通过石油馏分的化学转化来改变汽油的烃类组成，以获得高辛烷值的汽油。汽油质量升级一般要经过3个阶段：一是标号升级，二是无铅化，三是组分优化。2 航空煤油喷气式飞机对喷气燃料的要求：a) 良好的燃烧性能b) 良好的热安定性c) 较低的结晶点d) 良好的雾化和蒸发性3 柴油柴油十六烷值评定柴油抗爆性的指标：a) 自燃点为205的正十六烷是抗爆性很好的柴油机标准燃料，将它的十六烷值定为100；b) 自燃点高达529的a-甲基萘是抗爆性很差的柴油机标准燃

53、料，它的十六烷值定为0。4 燃料油和润滑油燃料油：燃料油来源主要是减压渣油和裂化残油两种。润滑油：润滑油通常是从常压塔底流出的重油经过减压蒸馏制取。第八节 我国的石油发展第四章 天然气1. 清洁的燃料2. 天然气的开采3. 天然气化工4. 煤层气的利用5. 天然气适用技术6. 中国的天然气市场展望7. 天然气水合物-21世纪的新能源第一节 清洁的燃料1 天然气的概念广义的天然气：自然界中一切天然生成的气体（包括大气、岩石中的气体、海洋中的气体、地幔气、宇宙气等）。狭义的天然气：在地质条件下生成、运移并聚集在地下岩层中、以烃类为主的气体。在地壳岩石空隙（孔、洞、缝）中天然生成的，以气态烃为主的可

54、燃有机矿产。多数有机成因，也有无机成因的。2 天然气的化学组成1) 天然气的元素组成：C、H、O、S、N及微量元素组成，其中C占65%80%，H占12%20% 2) 天然气的化合物组成：烃类CH4为主；非烃类CO2、N2、H2S多数气藏以烃类为主气藏和油气藏中天然气，无论是气藏类型，还是气体中化合物组成，都是以烃类气体为主。烃类组成1) 甲烷（轻烃气）：是烃类气体主要化合物。2) 重烃气（乙烷及其以重）：次要。其中以乙烷和丙烷为主。有时有少量的环烷烃和芳香烃。在多数情况下，气体中烃类化合物含量与其分子量成反比关系。根据烃类天然气中轻烃气和重烃气含量，常将其分两类：1) 干气：CH495%，C2+ 5%，贫气。2) 湿气：CH45%，富气。典型湿、干气烃类组成天然气组成（体积%）资料来源CH4C2H6C3H8C4H10C5H12非烃典型湿气典型干气84.696.06.42.05.30.62.60.31.11.1Heron（1964）一般纯天燃气的可燃成分以甲烷为主，