第5章 能源与化学

第5章

能源与化学能源与化学能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）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。化学提供人类合理使用能源的方法。能源与化学5.1全球能源结构和发展5.2能量的产生和转化5.3传统能源的改进5.4化学与核能5.5开发新能源5.1全球能源结构和发展能源分类可供利用的能源中国能源消费能源分类一次能源：可直接利用的能源（煤、天然气、地热、水能）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）能源分类常规能源：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）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）能源分类可再生能源：具有天然的自我恢复能力（太阳能、水能、风能、地热）非再生能源：越用越少，不能再生（矿物燃料）能源分类污染型能源：造成环境污染（煤炭、石油）清洁型能源：不造成环境污染（水能、氢能、太阳能）全球所面临的能源状况目前全世界使用的能源90%

取自化石燃料，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。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：石油：1万亿桶天然气：120万亿立方米煤炭：1万亿吨按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料能源的结构和消耗▲2、我国的能源结构▲1、我国和世界的能源消耗我国的能源状况我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨，估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨，到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。化石燃料化石燃料：是指石油、天然气、煤，它们是人类生活中的主要能源。但随着全球对能量的不断使用，必将日趋枯竭。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SO2，就能形成危害极大的酸雨。太阳能太阳表面温度高达6000℃，内部不断进行核聚变反应，并且以辐射形式向宇宙发出巨大的能量。据估计，每三天太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料燃烧放出的能量。风能当太阳辐射能穿越地球大气层时，大气层约吸收2×1016瓦能量，其中一小部分转化为大气的动能。因为热带比极带吸收较多的太阳辐射能，产生大气压力差导致空气流动形成“风”，风能非常巨大，理论上仅1%的风能就满足人类能源需要。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”，称为热能，地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。地热能地热地热供暖与生活热水系统

通常利用石油、煤炭、天然气等燃料燃烧产生的热能加热水，然后再由水蒸气推动发电机发电，除此之外，还有水力发电等。电能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。核能广东岭澳核电站江苏连云港核电站可供利用的能源煤炭－最早大规模利用的能源石油和天然气——战后大规模利用的能源新能源－20世纪末开始大规模利用的能源5.2能量的产生和转化能量的产生能量的转化和利用能量的产生物质中各种化学键键能不同，当化学建改组时，伴随着能量的变化若反应放出的能量大于吸收的能量，则反应放热比如，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。若生成液态水，则放出的热就多一些。能量的转化和利用各种能源形式可以互相转化能量的转化和利用遵循两条基本规律，即：热力学第一定律热力学第二定律热力学第一定律

Thefirstlawof

thermodynamics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，总能量保持恒定不变。

△U=Q－W热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。

热力学第二定律①热量总是从高温物体(系统)传到低温物体，但不能不带有其他的变化，把热量从低温物体传到高温物体。②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所获得的热量转变为功。

第二类永动机不可能制造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，这种空想出来的热机叫第二类永动机。它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，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。但只用海洋做为单一热源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对不可能的。

5.3传统能源的改进煤的高效利用石油催化天然气煤的高效利用不同品质的煤燃烧特性不同 比如，无烟煤一般发热量很高，但着火困难，不易燃尽。烟煤发热量较无烟煤低，但着火和燃尽都比较好。为防止二氧化硫的污染，在粉煤中加入石灰石作为脱硫剂。烟气脱硫、循环流化床锅炉、低NOx燃烧技术、火电厂粉煤灰综合利用。火力发电火力发电运作原理在我国，煤大量用于火力发电（效率不高）煤炭的结构示意图煤的焦化（干馏）煤的干馏：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1000～1300℃(高温干馏)，使煤分解，得到三部分产物：气体产物—煤气，液体产物—煤焦油，固体产物—焦炭。煤炼焦的意义(综合利用)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、分馏制取焦炭、煤气和氨水、苯、甲苯、二甲苯、萘等化工产品的工业称为炼焦化学工业。煤的焦化煤的干馏煤炼焦制取基本有机原料示意图煤的液化液化煤炭也叫人造石油，将煤加热裂解，在催化剂作用下加氢，得到多种燃料油。（一碳化学）醚化反应醇化反应烯烃化反应烷烃化反应甲烷化反应煤的气化在氧气不足的情况下进行部分氧化，使有机物转化为可燃气体合成气生产，将纯氧和水蒸气加压通过灼热的煤，生成气态燃料混合物

C+O2(不足）＝2CO

C+H2O=CO+H2煤的气化唐钢15万立方米、5万立方米煤气柜工程石油的形成石油是古代生物遗骸，堆积在湖里、海里，或是陸地上，經高溫、高压的作用，由复杂的生物及化学作用转化而成的。

水中生物的遗骸下沉而埋没于地下石油的形成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，便形成了油田。因地热或地压等作用变成石油石油油田的地质构造示意图石油的勘探海上油田石油的组成和加工组成：多种烃类的混合物，烷烃、芳香烃等。加工：分馏，裂解，重整。石油催化通过分馏得到各种有用馏分为提高汽油的产量，采用裂化、重整和加氢等方法催化剂以成为石油化工的核心技术。炼油厂石油的分馏油库天然气天然气：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。煤气和液化气的区别煤气：煤的合成气及炼焦气。液化气：来源于石油，主要成分为丙、丁烷。

“可燃冰”——冰封的能源“可燃冰”：天然气水合物(NaturalGasHydrate)；

“可燃冰”的组成：99%甲烷＋其他炭氢气体和水正在燃烧的“可燃冰”“可燃冰”微观结构图“可燃冰”的结构可燃冰的三种结构：1，“I”型：2个512空隙＋6个51262空隙；8M·46H2O2，“II”型：16个512空隙＋8个51264空隙；24M·136H2O3，“H”型：3个512空隙＋2个435663空隙＋1个51268空隙；6M·34H2O“可燃冰”样品的图片海底“可燃冰”露头

海底取出的“可燃冰”样品“可燃冰”的形成条件温度不能太高：2℃-4℃，适合“可燃冰”的形成，高于20℃就分解；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；有甲烷气源。“可燃冰”的优势一、应用优点：能源角度：1m3“可燃冰”=164m3甲烷+0.8m3水；能量密度=10倍煤=2～5倍天然气。环保角度：清洁无污染，几乎不产生任何污染物。应用角度：运输、使用方便。未来的最理想的洁净能源二、埋藏较浅，便于开发三、矿层规模大四、储量巨大“可燃冰”可为人类供能达6.4万年“可燃冰”全球分布“可燃冰”碳储量>2倍的传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)碳储量“可燃冰”在我国的现状储量丰富: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5.4化学与核能核反应与核能核利用安全核能前景核裂变能使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量。1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。利用和控制裂变能必须满足的两个条件第一，重核裂变要形成持续的链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。链式反应中子鈾-235核分裂逃逸中子核反应堆的结构示意图核反应堆的分类①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。②生产放射性同位素的核反应堆。③生产核裂变物质的核反应堆，称为生产堆。④提供取暖、海水淡化、化工等用的热量的核反应堆，比如多目的堆。⑤为发电而发生热量的核反应，称为发电堆。⑥用于推进船舶、飞机、火箭等到的核反应堆，称为推进堆。压水堆核电站基本工作原理核电秦山核电站二期工程秦山三期核能前景热反应堆的主要缺点是核燃料的利用率很低快反应堆将逐渐取代热堆，成为21世纪核能利用的主力堆型热反应堆堆芯内有慢化剂，将中子慢化为热中子，热中子较易使U-235原子核分裂压水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都属于热中子反应堆快反应堆在消耗裂变燃料的同时，还能生成相当于1.2~1.6倍的裂变燃料可以充分利用U-238“快堆”——明天的核电站“锅炉”人们将核反应堆形象地比喻为核电站的“锅炉”，在这种“锅炉”里烧的是铀、钚等核燃料。在核电站“锅炉”这个家庭中，有一个特殊成员——快中子增殖反应堆，简称“快堆”，现在已成为核反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而“快堆”的“燃料”却越烧越多，成了魔炉。“快堆”为什么会有增殖燃料的本领呢？

在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1个每吸收1个快中子发生裂变反应会放出2.45个快中子，除去1个用于链式裂变反应后，剩下的1.45个快中子会被装在反应区周围的238U（大量存在）吸收，产生1.45个新的核燃料原子239Pu

。“快堆”——明天的核电站“锅炉”

一座快堆核电站，在5～15年的时间内可使燃料数量翻一番，通过建造快堆核电站，既能用238U发电，又能增殖燃料，因此“快堆”被人们称为“明天的核电站锅炉”。中国实验快堆核聚变太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。核聚变的引发和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。核聚变的引发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。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，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到5.6×108k核聚变的引发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——等离子气体。如何容纳这么热的等离子体强大的磁场可以牢牢地束缚住炽热的等离子体。？磁场！控制核聚变装置的效果图5.5开发新能源生物质能源氢能源化学电源太阳能电池生物质能生物质能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。它是是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态和气态燃料。

生物质能生物质能的特点可再生性

生物质属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用.低污染性

生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的SOX、NOX较少；生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量,因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零,可有效地减轻温室效应.广泛分布性：缺乏煤炭的地域，可充分利用生物质能.生物质能的特点生物质燃料总量十分丰富

生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000～1250亿t干生物质;海洋年生产500亿t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,相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年可达3亿吨。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。应用：沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、气化发电、生产燃料酒精、沼气能源氢能源理想的“绿色能源”需要解决的困难

氢的制备 氢的存储 燃料电池氢能源氢能经济的背景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，造成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。能源结构单一，过渡依赖化石能源。经济增长、环境保护和社会发展的压力。氢：储量大，分布广，清洁无污染氢能社会构想再生能源制氢CO2处理加氢站燃料电池工厂天然气制氢电厂终端用户氢气作为能源遇到的两个问题

氢气的制备氢气的储存氢气的制备热化学工艺制氢甲烷重整制氢:

CH4+H2O=3H2+CO

2CH4+O2=4H2+2CO电解水制氢工艺:叶绿素中对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叶绿素，而叶绿素中对光合作用起关键作用的就是催化核心。催化核心是由4个锰离子、1个钙离子、4个氧原子和至少2个水分子组成的，其中3个锰离子、1个钙离子和4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外部，结合着1个水分子。这一发现对于了解和复制水裂解化学过程具有重要意义。叶绿素催化核心的结构氢气的储存类型典型技术体积密度重量密度备注物理方法液态氢71/37

g/l~5wt%20K,能耗大高压氢39/24g/l~3.3wt%RT,70MPa大比表吸附剂~1wt%80K纳米碳管<2wt%可逆存放量化学方法金属氢化物>100g/l<2wt%可实用速度吸\放氢量有机液体~50g/l~7wt%苯理论量其他含氢物质63/22

g/l>4wt%30%NaBH4溶液含硼贮氢材料硼氢化合物热分解制氢——NH3BH3、LiBH4等水分解制氢——NaBH4（SBH）等BN纳米结构材料

硼促进贮氢材料BN纳米结构贮氢B99N99C186

nanotubesAtomicstructuremodels近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达10%。氢燃料电池示意图化学电源原电池蓄电池燃料电池原电池将反应化学能直接转化为电能的装置一次性电池原电池电池甘汞电极（一次）锌-锰干电池电池（一次）锌-汞电池蓄电池可借助其他电源使反应逆向进行二次电池

鎳镉电池 鎳氢电池 锂离子电池蓄电池铅蓄电池