氢能与燃料电池技术 课件 3-制氢技术；制氢技术：从化石燃料到氢燃料

5.制氢技术22制氢技术电解水制氢化石燃料制氢生物质制氢热化学制氢光化学制氢光生物制氢25.1从煤和碳氢化合物制氢原材料1.煤炭2.重油3.

轻质油4.甲烷5.生物质煤和碳氢化合物是工业制氢的主要来源，制氢反应可以简要概括为“气化反应”过程5.1.1化石燃料制氢的物理化学基础2气化反应根据其特性，可以细分为以下四类：1.与氧气的反应(燃烧)

C+1/2O2⇔CO

H=-111kJmol−1(5.1)

CO+1/2O2⇔CO2

H=-283kJmol−1(5.2)

H2+1/2O2⇔H2O

H=-242kJmol−1(5.3)

CnHm+(n+m/4)O2⇔nCO2+m/2H2O(5.4)2甲烷燃烧:

CH4+2O2⇔CO2+2H2O

H=-802kJmol-1(5.4a)碳氢化合物不完全燃烧：CnHm+(n/2+m/4)O2⇔nCO+m/2H2O

(5.5)反应焓可以从式(5.2)和式(5.4)中的焓变计算得出，如下所示：

H(Eq.(5.5))=

H(Eq.(5.4))−n

H(Eq.(5.2))CO+1/2O2⇔CO2

H=-283kJmol−1

(5.2)CnHm+(n+m/4)O2⇔nCO2+m/2H2O(5.4)22.与水蒸气反应C+H2O⇔CO+H2

H=+131kJmol−1

(5.6)CO+H2O⇔CO2+H2

H=-41kJmol−1(5.7)通式：CnHm+nH2O⇔nCO+(m/2+n)H2

(5.8)CnHm+2nH2O⇔nCO2+(m/2+2n)H2(5.9)

H(Eq.5.9)=

H(Eq.5.8)+n

H(Eq.5.7)CH4+H2O⇔CO+3H2

H=+206kJmol−1

(5.8a)23.与二氧化碳反应C+CO2⇔2CO

H=+173kJmol−1(5.10)CnHm+nCO2⇔2nCO+m/2H2(5.11)CH4+CO2⇔2CO+2H2

H=+247kJmol−1(5.11a)

H(Eq.5.11)=

H(Eq.5.8)−n

H(Eq.5.7)CO+H2O⇔CO2+H2

H=-41kJmol−1(5.7)CnHm+nH2O⇔nCO+(m/2+n)H2(5.8)24.与碳氢化合物分解碳氢化合物分解通式CnHm⇔nC+m/2H2(5.12)例如：CH4⇔C+2H2

H=+75kJmol−1(5.12a)C2H6⇔2C+3H2

H=+85kJmol−1(5.12b)

H(Eq.5.12)=

H(Eq.5.4)−n

H(Eq.5.1)−n

H(Eq.5.2)−m/2

H(Eq.5.3)乙烷甲烷2课堂作业尝试计算下面反应放出的热量：C2H6+7/2O2⇔2CO2+3H2O

1.C2H6⇔2C+3H2

H=+85kJmol−1

2.C3H8(g)＋5O2(g)⇔3CO2(g)＋4H2O(l)

△H=-2219.9kJ/mol

C3H8⇔3C+4H2

H=？kJmol−1

5.1.2煤制氢技术2煤的气化:C+H2O⇔CO+H2

(syngas)

H=+131kJmol−1(5.6)CO+H2O⇔CO2+H2

H=-41kJmol−1(5.7)气化炉内引入的空气或氧气量精确控制，比例较小，燃料可以完全燃烧。“部分氧化”过程提供热量。H2

放电管煤气化炉2SRMCH3OH+H2O=CO2+3H2ΔHSRM,298.15=50kJ/mol(5.13)POXCH3OH+1/2O2=CO2+2H2ΔHPOX,298.15=-192kJ/mol(5.14)DECH3OH=CO+2H2ΔHDE,298.15=91kJ/mol(5.15)OXCH3OH+3/2O2=CO2+2H2OΔHOX,298.15=-676kJ/mol(5.16)5.1.3天然气重整制氢2市场上大部分氢气由天然气重整制备CH4+H2O⇔CO+3H2

H=+206kJmol−1

(5.8a)原则上任何碳氢化合物都可以与水蒸汽反应重整转化为氢气和一氧化碳。天然气水蒸气重整制氢系统

2概述-工艺流程

烃类水蒸汽重整制氢流程分为：原料天然气压缩；原料天然气脱硫；原料天然气蒸汽重整转化、中温变换；蒸汽流程；锅炉水流程燃料气流程助燃空气、烟气流程2天然气重整制氢工艺流程-压缩2工艺流程-脱硫2脱硫过程的反应式RSH+H2

→H2S+RHH2S+ZnO→ZnS+H2O2工艺流程-转化2转化炉中的主要反应：CH4+H2O→CO+3H2

H=+206kJ/mol中温变换炉中的主要反应：CO+H2O→CO2+H2

H=-41.20kJ/mol总反应CH4+2H2O→4H2+CO22工艺流程-锅炉水锅炉水流程2工艺流程-锅炉水锅炉水流程2设备-转化炉转化炉辐射段烧嘴转化管炉体对流段混合气预热器天然气预热器空预器二段烟气废锅空预器一段2设备-转化炉混合气预热器烟气废锅天然气预热器空气预热器二段2天然气水蒸气重整制氢系统

天然气制氢技术种类2除天然气水蒸气重整之外，天然气制氢还包括：

⑴天然气部分氧化制氢

⑵天然气自热重整制氢

⑶天然气催化裂解超细C粉——食品添加剂等CH4⇔C+2H2

H=+75kJmol−1(5.12a)5.1.4生物质制氢2碳氢化合物的气化反应原理也可以应用于生物质和有机废弃物的处理和回收，甚至可应用于所有含碳废弃物。生物质的自热重整（气化）反应C6H9O4+5.5H2O+1.25O2=10H2+6CO2straw脱硫器喷雾冷却

旋风分离器

除油器合成气生物质焦炭灰脱氨器水蒸气5.2电解水制氢2成熟的电解制氢技术

碱性电解槽固体聚合物电解槽（SPE）

水是地球上的重要资源，可以通过电解的方式产生氢气和氧气。开发中的电解制氢技术SOEC25.2.1电解水制氢的基本原理H2O→H2+0.5O2在标准条件下(298.15K;，∆GR的值为+237.19kJmol−1开路电压E0:n:每摩尔水分解所转移的电子数，F:法拉第常数(96485Cmol-1)。2在标准条件下，开路电压E0应为1.23V。∆HR=∆GR+T∆SR这样，通过电和热的结合就能提供反应所需的总能量。在高温下进行电解水，可以减少所耗电能。电解槽的总电压2电解槽工作时的总电压取决于由电池内的电流和欧姆电阻引起的电压降、阳极和阴极过电位。:阴极过电位:阳极过电位iR

:欧姆电压降2电解制氢的效率电解制氢的效率通常定义为每单位时间产生的氢的热值与所需能量输入（包括电能和电解时吸入的热量）的比值。其中电能输入需要按照火电转换效率换算成热能。商用电解槽的总制氢效率：碱性电解槽的总制氢效率大约为25%，SPE电解槽的约35%，SOEC最高，可以达到55%。2能源需求与供给

法拉第效率:根据流过电池的电流所产生的气体和理论上产生的氢气的比例。法拉第效率通常达到90%以上.电解效率:电解槽工作时，理论电解电压与实际电解电压之比。5.2.2碱性电解水制氢技术2碱性电解水制氢是一项成熟且应用广泛的技术电极隔膜电解液电解槽组成：雷尼镍

聚砜替代石棉20–40%氢氧化钾溶液碱性电解水制氢工作原理图22单极性电解槽：电解槽并联，开放式双极性电解槽：一个电极同时作为阴极和阳极，堆叠起来减小欧姆损失目前，只有少数制造商提供单极性电解槽;大多数工业电解槽都采用双极性连接2能源来自于哪里？单位产能的投资额高度依赖于电解槽的尺寸大小;各种生产规模的电解效率基本相同。25.2.3固体聚合物电解槽碱性溶液/酸性溶液固态电解质优点减小腐蚀恒定电解质浓度能够同时使用电解质作为隔膜可能使用的电解质材料是离子交换膜.(SPE,1967,GE美国通用电气公司)2与碱性电解液相比:原材料价格——更高

气体质量——更高压力——更大据报道，效率从85%提高到93%，因此预计进一步改善的潜力很大。Pt/Ir催化剂密封性——更好SPE电解槽系统的生产能力较低。应用领域:即时供氢及航空航天固态聚合物电解质5.2.4固体氧化物电解池(SOEC)2消耗电能H2H2OO2H2O

+2e-H2+O2-2三种电解水制氢技术的简要对比电解水制氢——碱性电解——固体聚合物电解（SPE）——固体氧化物电解（SOEC）5.2.5利用可再生能源的电解水制氢—从小型到大型2世界上只有3%的氢是通过电解水生产的。氢气主要用作化工原料，很少用作能源载体。

利用太阳能、风能、水能等可再生能源提供能量的构想为电解水制氢提供了一个新的思路。电解槽风力发电站太阳能发电站水力发电站2利用可再生能源的电解水制氢1.用于自给供电的小型电解槽系统2.离网区域的大型可再生能源发电厂：自给供电的小型电解槽系统属于小众市场，除此之外，制氢技术在远离电网的偏远地区仍可发挥重要作用。风力发电厂太阳能发电厂挪威松娜峡湾

电解2利用可再生能源的电解水制氢三种可再生能源:太阳能、陆上和海上风力发电制氢的费用占比2

陆上风力发电

海上风力发电

太阳能发电

可再生能源发电成本价格（欧元/千瓦时）25.2.6总结与展望1.原理和工艺成熟，瓶颈在于成本控制（电价、催化剂成本）。2.目前，大多数商用电解槽都是碱性电解槽。3.碱性电解槽的电解效率在51％至62％之间，SPE的电解效率在74％至79％之间，

SOEC的电解效率最高，在90％至100％之间。SPE和SOEC是未来高效电解水制氢

可能采用的技术。4.目前，全世界只有很小比例（3％）的氢气通过电解水产生。5.产生的氢主要用作化工原料，很少作为能量载体。25.2.6总结与展望风力发电厂太阳能发电厂

电解水力发电站如果未来氢气在储能方面能够发挥重要作用，利用可再生能源电解水制氢将会成为能源供应的一个重要方式。2课后作业1.请用流程图描述天然气水蒸汽重整的原理和过程。2.请用流程图描述碱性电解水制氢的原理和过程。3.请查阅资料，从技术和经济等方面综合比较天然气水蒸汽重整

制氢和电解水制氢的优劣势。5.3水的热化学反应2在超过4300K的温度下，水可以被纯粹的热能分解，难以在工程上实现。水的直接分解只能通过多级热化学过程来实现。热化学制氢是一个由一组相互关联的化学反应组成的系统。该系统输入水和能量，然后输出氢气和氧气，而参与氢气生产的其他化合物则不会被消耗。225.3.1工作原理最基本的过程包括两个步骤:H2O+2X=2XH+1/2O22XH=2X+H2根据中间化合物X的性质和作用，可以将其分为几种不同反应变体。学者们已经研究了很多种可能的反应变体。这些变体依然处于实验室验证阶段。这是一个二级循环工作原理2氧化物系统目前，对ZnO/Zn和CeO2/Ce2O3

进行的研究最多。反应促进效率已经超过了20%。3MeO+H2OMe3O4+H2Me3O43MeO+1/2O2工作原理2卤化物系统

在这一类系统中，最著名的是东京大学的UT-3循环过程。它的热效率预计在35%到40%之间。该循环不需要使用贵金属---它使用的材料便宜且容易获得。3MeX2+4H2OMe3O4+6HX+H2Me3O4+8HX3MeX2+4H2O+X2MeO+X2MeX2+1/2O2

MeX2+H2OMeO+2HX热效率=产生H2的高热值/（循环中的吸热-循环中的放热）工作原理2碘系统最著名和研究最广泛的循环是碘-硫循环，它的理论效率可达52%。SO2+I2+H2O2HI+H2SO4H2SO4H2O+1/2O22HIH2+I2工作原理2混合系统混合系统制氢是一个包含电解反应的化学反应循环。该系统在高温高压下循环。它的效率可达33%-40%。CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)CH3OH(g)

CH4(g)+1/2O2(g)5.3.2热化学制氢技术前沿2碘-硫循环（最著名和研究最广泛的循环）本生反应

：SO2+I2+2H2O=2HI+H2SO4(T=20-120℃)硫酸分解：H2SO4=H2O+SO2+1/2O2(T=800-900℃)碘化氢分解：2HI=H2+I2(T=400-550℃)净反应：H2O=H2+1/2O2

22这种方法的优势：该循环的化学过程经过验证，可以连续进行。闭路循环。只需向内添加水，而其他材料可循环利用，无废水废气。理论效率可达52%，并且它的循环效率与温度有很大关系。

一般而言，效率与温度成正相关。成本相对较低。2碘化氢分解催化剂碘化氢分解反应是一个缓慢的动态平衡限制反应。少量催化剂是提高反应效率所必须的。贵金属Pt催化剂可以成为这个反应的高效催化剂，但它在高温时倾向于发生团聚。Pd催化剂在这个反应中有高活性和稳定性。可使用碳纳米管和Pd的组合。2碳纳米管/钯催化剂的制备：适量的PdCl2100ml含有碳纳米管的去离子水1ml0.001mol/L的NaBH4

加入2ml1mol/L的NaOH和1ml1mol/LN2H4在80℃下剧烈搅拌3小时用去离子水过滤和清洗4~5遍在110℃下干燥4小时钯在碳纳米管上的负载量分别为1,3,5wt%2碳纳米管单一催化的转化率最小使用钯/碳纳米管催化，碘化氢的转化率随温度线性升高。3%钯/碳纳米管催化的转化率最高。25.3.3优势与劣势优势高能量效率

大约50%1234温和的反应条件

反应温度＜1000℃氢气和氧气由不同反应模块产生

不需要附加其他额外的独立设备利用核能、太阳能等长期战略能源

易于找到合适的热源25.3.3优势与劣势劣势新的热源等待开发123反应过程难以控制工程材料问题25.3.4环境与经济问题环境

碘-硫系统的热由太阳能或核反应堆提供，装置的净反应是水的分解反应。

反应中的所有其他物质都可循环利用，它可以在不排放温室气体的情况下生产氢气。经济

技术依然不成熟，而且氢气生产成本很高。

总而言之，该技术距离商业化依然有距离。5.4光化学制氢2光电化学物理化学光＋电化学系统123456光化学光泵浦激光器敏化太阳电池荧光光致变色其它形式的能25.4.1工作原理导电衬底n-型半导体(阳极)电解质金属（阴极）费米能级通过半导体从光源中吸收光粒子电子-空穴对的分离与运输表面反应，发生水分解的氧化还原反应水分解反应为上坡反应，其所需的吉布斯自由能最小为237kJmol-1电子转移25.4.2新进展—光电化学电池光电化学电池成本低，强而高效的半导体良好的导电性长期稳定性良好的光捕获性能具有适合的能带位置研究方向：合成两种或两种以上的复合材料通过新设计改善性能（表面，体积，界面等）2CNCN-rGO独特且可调节的光学、化学和催化性能价格低廉氧化稳定性极高电子-空穴分离效率差电子扩散长度短光吸收系数低电子扩散长度长电化学活性表面积高电荷分离效率高光捕获性能强5.4.3新进展—界面材料25.4.4新进展-电极材料赤铁矿（ɑ-Fe2O3）具有丰富的资源，低生物毒性，坚固性以及理想的n型带位置研究方向：改善赤铁矿表面反应的热力学和动力学性能（助催化剂负载和表面钝化层沉积）增强光吸收以及加速赤铁矿中的电荷传输（半导体中掺杂以及纳米结构）影响界面态和电子转移（背接触）5.4.5优势与劣势2太阳能是最丰富、最清洁的可再生能源。到达地球的太阳能约100000TW到达陆地的太阳能约36000TW1%土地10%效率的光电化学电池（PEC）每年产生相当于36TW的电量作为能源载体，氢气是清洁且可再生的。2优势--成本PEC水分解需要的原料更简单，更加节省空间结构，组件（电线、电极、电抗器等）更少，成本低，具有商业可行性。成本PV电解槽系统$8/kgPEC电池$3/kgPEC电池有可能以美国能源部（DOE）设定的$2-4/kg的目标价格生产H2。2优势--潜力目前，政府对可再生能源的积极态度也极大地促进了PEC水分解制氢方向的研发。毫无疑问，这个研究方向对建立以丰富的太阳能为基础的可持续社会至关重要。利用地球上蕴藏丰富的半导体和第四周期过渡金属助催化剂的低成本PEC串联电池最有可能实现未来可持续社会所需的可再生能源供给。缺点--效率2预计PEC产生氢气的太阳能-氢气（STH）效率超过10％，具有长期稳定性（超过1000h），从而使氢气工业化生产成为可能（可与天然气的蒸汽重整制氢相比）。但到目前为止，现有的光电极显示出低的太阳能转换能力和效率。光电极数量偏压光电流效率（ABPE）单光电极3%双光电极<1%大多数PEC系统是单光电极系统，没有实现无偏太阳能-氢转换的能力缺点--效率2影响效率的因素半导体的光吸收性能半导体表面特性电解质助催化剂副作用2缺点--材料材料典型代表优点缺点宽带隙半导体TiO2便宜且稳定吸收阳光效果差窄带隙半导体CdS，Si,Ⅲ-V族化合物具有实现高效率的潜力

长期使用不稳定其他ɑ-Fe2O3，BiVO4吸收光的波长范围宽光电流还达不到理论最大值设计及生产低成本、高效率并稳定生产O2/H2的光电极是非常困难的25.4.6解决方案不同材料的复合材料纳米结构设计助催化剂改性表面保护层的沉积材料纳米结构设计5.5光生物制氢技术5.5.1

光生物制氢技术简介——分类21.根据微生物光解制氢的底物分类微藻光解水制氢异养光合细菌光解有机物2.根据不同酶在制氢过程中不同的光能利用率和产氢率划分氢化酶（Hydrogenase）固氮酶（Nitrogenase）2光生物氢技术原理--分类直接光解水法间接光解水法固氮酶利用水（微藻）或有机物（光合细菌）提供的电子在含有三磷酸腺苷的情况下将H+转换为氢气的方法3.根据光生物制氢的过程分类25.2.2光生物制氢技术的原理1.直接光解水法：氧气会抑制氢化酶的活性2.间接光解水法：第一步：光离解水释放氧气，储存有机物第二步：氢化酶利用光能，通过消耗储存的有机物来获得H2，同时产生CO2光子利用率方面;直接法大于间接法光生物制氢技术原理——反应路径21.氢化酶催化水的直接光解4e-→8个光子2.固氮酶催化水的直接光解4e-→8个光子+8三磷酸腺苷（ATP）=16个光子光生物制氢技术原理——反应路径23.氢化酶催化水的间接光解4e-→12个光子第一步:第二步:光生物制氢技术原理——反应路径24.固氮酶催化水的间接光解4e-→12个光子+8个三磷酸腺苷（ATP）=20个光子第一步:第二步:2利用蓝藻和绿藻进行生物光解水

可制氢的莱茵衣藻（Chlamydomonasreinhardtii）莱茵衣藻光解水制氢流程：2利用蓝藻进行生物光解水间接光解水制氢法由蓝藻从水中生成氢的一般反应可以用以下方式表示：2有机化合物发酵产氢暗氢发酵在有氧环境中，微生物消耗氧气，产物为水。但是在缺氧环境中，其他物质（例如质子）被还原为分子氢（H2）。2有机化合物发酵产氢利用发酵和光合细菌的杂交系统：阶段一：暗发酵（厌氧菌）阶段二：光发酵（光合细菌）2有机化合物发酵产氢利用生物电化学辅助生物反应器的混合系统A微生物燃料电池B生物电化学辅助微生物反应器2有机化合物发酵产氢利用生物电化学辅助生物反应器的混合系统阴极反应：阳极反应：总反应：土杆菌、休氏杆菌或罗多夫酵母铁还原菌注意：2

并非所有的太阳能波长都能被光合系统利用！例如：微藻能吸收的光合有效辐射范围为400-700nm。而紫色细菌能利用的波长范围则在450-900nm。2实验实例在实验室规模的多相光生物反应器中模拟光透射、蓝藻生长动力学和流体动力学制氢。A：平板光生物反应器B：三维仿真模型2各类制氢技术优劣对比表2.各类生物质制氢技术的优缺点方法优点缺点直接生物光解法1.可直接在光照条件下分解水制氢；2.与树木和作物相比，太阳能转化率可提高10倍1.需要高强度光照2.氧气的存在不利于整个系统3.较低的光化学效率间接生物光解法1.蓝藻可通过分解水制备氢气；2.有固氮能力1.需要移除氢化酶以阻止氢气的分解；2.气体混合物中约有30%的氧气存在光发酵法1.这些细菌可以利用较宽波段的光能；2.可使用不同的有机废料1.氧气对固氮酶有抑制作用；2.光转换效率非常低，仅有1%~5%暗发酵法1.可以不需要光照，24h产生氢气；2.可以使用各种碳源作为底物；3.可以产生有价值的副产品，如丁酸、乳酸和乙酸；4.厌氧过程，所以无氧气限制问题1.氧气是一个非常强烈的氢化酶抑制剂；2.相对较低的氢气收率；3.产品中的气体混合物含有需要被去除的二氧化碳；4.随着产量的增加，发酵在热力学上变得不利25.5.3光生物制氢技术发展的限制因素a.产氢量很低，达不到满意的产量要求b.固氮酶和氢化酶对于氧气的存在十分敏感c.存在回收氢气的现象d.没有理想的生物反应器c2光生物制氢技术研究方向a.优质产氢藻株的筛选与基因工程改造

制得具有高产氢率以及良好的氧抗性的基因工程藻类b.高效培养和产氢光生物反应器的构建

光生物反应器有自屏蔽现象。

对光生物反应器进行设计、优化和构建c.制氢系统工业化和经济性可行性评价2光生物制氢技术展望与应用前景

间接光水解制氢途径优势：（1）分离制氢和制氧两个过程。

（2）可以在开放式的培养池中固定二氧化碳和释放氧气，在体积较小的

密闭光生物反应器中产氢，降低设备造价和操作费用

（3）产氢效率高且下游处理工艺简单2大规模工业化光生物制氢发展方向(1)高产氢藻株的筛选与构建。(2)微藻室外大规模高密度培养。(3)可逆产氢酶诱导及高表达。(4)光照下持续稳定产氢。3.从化石燃料到氢燃料3.1化石燃料2煤“黑色黄金”石油“现代工业的血液”天然气最重要的三种化石燃料——煤、石油、天然气现代工业社会的基础

23.1.1两个世纪的发展1712年，ThomasNewcomen（托马斯

纽科门）发明蒸汽机十八世纪晚期，煤驱动的蒸汽机问世。几十年之后，高压移动式蒸汽机被广泛应用并迅速改变了人类的运输习惯。2两次能源转换蒸汽机的使用极大地推动第一次工业革命的进程，更为重要的是它推动了煤大规模的开采和利用。煤炭在一次能源消耗中所占的比重由1860年的24%一跃上升至1920年的60%，自此世界进入了“煤炭时代”。

19世纪70年代，电力工业快速的发展起来，伴随着电力逐渐取代了蒸汽机，煤在世界能源消费结构中的所占的比例也迅速回落，至1965年被石油所取代，随后进入“石油时代”。直至今日，石油和天然气的消耗在世界能源消费结构中仍然占据着不可动摇的地位。3.1.2化石燃料的优势及应用2低成本和普适性优异的燃烧特性处理、存储和运输方便高能量密度优势液态碳氢化合物:13.1kwh/kg石油:42.7MJ/kg天然气:37MJ/m3煤:25MJ/kg可燃性，火焰传播性，热效应，烟雾，碳化能力…2化石燃料的应用交通运输产生热能发电工业应用化工工业的原材料化石燃料的应用2原油的加工过程加热炉蒸馏装置原油液化石油气汽油煤油柴油燃料油C9-C14C10-C22≤C42石油液体高比能量42Jkg-1应用广泛便于运输丰富的转化产品燃料油溶剂化学原料润滑剂石蜡沥青重燃料油柴油煤油汽油2天然气的优势及其应用优点缺点所有的化石燃料中含碳量最低；燃烧过程最清洁难以储存和运输昂贵的基础设施煤2

不同能量值，种类繁多

地球上含量最多的化石资源

价格相对较低

较低能量值

含有某些有毒组分

煤灰的处理煤空气缺乏焦炭“高炉”2全球超过60％的煤炭生产用于发电。丰富的易开采煤炭储量，保证了煤炭仍将是最重要的能源之一。所有化石能源中含碳量最高较低的能量值

更多的CO2排放缺点：煤的优势及其应用陆地植物泥煤褐煤烟煤无烟煤具有挥发性的碳水化合物逐渐失去第一阶段：腐泥化阶段或泥炭化阶段

第二阶段：

成岩作用（褐煤）

变质作用（烟煤和无烟煤）23.1.3化石燃料的形成与组成煤的形成及必需条件2煤形成必需三个条件：第一，植物条件；第二，气候条件；第三，地质条件。

生物质的分解煤的形成2煤的组成组成氧金属氮氢碳硫煤饱和烃有机以及无机的含氮、含氧组分痕量的金属，如钾、钠、钒、镍硫石油和天然气的形成2海洋海底沉积物沉积层被沉积层所覆盖天然气石油温度和压力升高厌氧菌的生物活性化学过程死亡的海洋生物石油和天然气的形成2在地球形成的早期，后来生成石油的有机物便以甲烷和其他碳氢化合物的形式参与了地球的组成，后来在地球内部热力和压力的促使下，他们从深部释放出来，在某种有利的环境下进一步合成了石油。

至于石油中含有的有机质，无机成因说的主张者们认为，那是原生石油在运移过程中受到了有机物的污染，从而造成了石油成分的复杂化。无机成因说2根据油源的不同，石油的性状从黄色、流动液体到黑色、粘稠的半固体全世界共发现约9000种不同的石油，他们的密度从0.7kg/L到1.0kg/L不等。

石油油源环境海相油陆相油有机质成熟度低成熟油成熟油高成熟油密度轻质原油（<0.87）中质原油（0.87-0.92）重质原油（0.92-1）超重原油（>1）天然气的制备及组成2天然气成分甲烷高碳烃类燃料氮氧化合物碳氧化合物硫化氢生物质厌氧发酵煤床、石油井来源深海中的甲烷水合物2甲烷水合物中

1molCH4～5.75molH2O可燃冰加热减压（能耗小）两种方法提取CH4可燃冰——甲烷水合物内含甲烷分子的晶体结构的冰1L可燃冰→168LCH4(gas)23.1.4全球的储量及产量探明储量（可采储量）控制储量

非常规资源常规

资源储量预测储量在规模化的增产措施或特殊的回收工艺技术的辅助下，不能以具有经济性的流量生产或者不具有经济性产量的石油和天然气的存储。在当前市场条件下可以经济地开采的油（气）储量。2储量和未来产量的预估方法哈伯特(Hubbert)曲线R/P比曲线拟合方法的最新结果表明，与石油储量和未来产量的所有估算存在大量的不确定性。官方统计依赖于探明储量与产量（R/P）的比值。在过去四十年中，这一比例变化很小。2石油的储量和产量截止到2018年底，全球的石油探明储量估计约为2.44×1011吨，其中有近二分之一的储量位于中东。2018年，全球年产油量达到4.47×109吨。欧佩克国家仅生产了41.4％。OrganizationOfPetroleumExportingCountries(OPEC)石油输出国组织简称“欧佩克”R/P=2.44×1011/4.47×109=54.5年2非常规石油资源焦油砂

页岩油重油深水石油常规石油资源

技术革新提取和加工更加的昂贵和困难天然气的储量和产量2截止到2018年底，全球的天然气储量约为1.97×1014立方米。2018年全球的天然气产量达到3.87×1012立方米。R/P=512非常规天然气资源煤层气天然气砂岩甲烷水合物/可燃冰在特定地区，已经可以经济生产

远达不到商业化应用的要求2甲烷水合物中的气体浓度与高度压缩气体的气体浓度相当。一些学者认为，水合物中的能量相当于其他所有化石燃料的两倍。

晶体结构CH4·8H2O甲烷水合物2甲烷水合物主要分布在北极永久冻土地下和深海底部。从甲烷水合物晶体中提取甲烷成本很高，而且技术上具有挑战性。

2煤的储量和产量截至2018年底，全球煤炭的储量为1.05×1012吨，R/P比为132年。所以，世界煤炭储量还可以保证几代人使用。2结论虽然储量有限，但在可预见的未来，预计不会出现化石燃料短缺的情况。23.1.5环境影响破坏自然景观产生大量的工业废物(高酸性,重金属)采煤石油和天然气的生产2石油和天然气生产过程中最重要的环境问题来自加工水，钻井泥浆和化学品的储存，处理和排放。即使直接的环境影响得到妥善管理，石油和天然气开发之后的其他活动（包括土地清理、人类对原始地区的殖民化以及入侵物种的引入）也可能会对环境产生影响，而这些活动是不受其控制的。2石油的泄露在生产、运输和存储过程中的石油泄漏都会对环境产生严重的影响。Ecosystemsensitivity生态系统敏感性Mangrove(红树林)coralreef(珊瑚礁)saltmarsh(盐碱滩)2SOxNOxVOCCO颗粒物1.各种呼吸道&心血管疾病2.致癌物3.全球变暖（温室效应）硫酸盐硝酸盐酸沉积1.呼吸道疾病2.农作物减产3.森林遭受破坏O3化石能源燃烧对环境的影响雾霾及其危害21、影响身体健康引起呼吸系统疾病导致心脑血管疾病增加传染病的风险2、影响心理健康3、影响交通安全4、影响生态环境雾霾是由于大气中存在过量悬浮颗粒而造成的一种空气污染状态。PM是Particulatematter的缩写，指的是颗粒物质，PM2.5指的是粒径小于2.5nm的固体颗粒物质。2课后作业化石燃料的燃烧对环境的影响有哪些？2减少污染的策略改善燃料处理和储存设施优化燃料质量开发引擎和燃烧器技术技术层面排放限值产品规格限制(硫,芳香族化合物)燃油车禁令政策层面通过优化燃料和发动机来实现空气污染物排放的大幅减少。现在可以在工业界中观察到几乎所有受管制排放物水平的下降。2减少空气污染由于燃料脱硫水平的上升，二氧化硫排放量急剧下降。自20世纪70年代初以来，汽车通过安装尾气催化剂大大降低了的NOx，CO和VOC排放。与此同时，全世界的二氧化碳排放量正在迅速增加。CO2

的排放及温室效应2人类的活动，主要是化石燃料的燃烧，正在更改着自然大气的反应，而这也是导致全球变暖的主要原因。伴随着空气中污染物的降低，二氧化碳的的排放量却快速的增加了。地球的大气吸收长波辐射保持地表温度这样的特性就像一个温室一样，这也就是温室效应这个名字的由来。

2温室效应的危害polarbear1、地球上的病虫害增加；2、海平面上升；3、气候反常，海洋风暴增多；4、土地干旱，沙漠化面积增大；5、动物们失去栖息地。23.1.6未来的趋势经济的发展和人口的增长化石燃料燃烧增加全球变暖能源供应的剧烈变化终有一天会发生。

但是，在短期内，化石燃料仍然是最重要的能源来源。CO2的隔离2二氧化碳的隔离高的CO2排放地下洞穴废弃的油气田储集岩深海目前，二氧化碳地下储存已经商业化证明。然而，这种方法对大气CO2减排的潜力仍存在很大的不确定性。

2化石能源的清洁使用技术通过整体换能效率的提升，改进的发电系统有望进一步降低CO2的排放这不仅可以减少二氧化碳的排放，还可以使焦油、苯酚、苯、微粒和其他的排放也相应减少。煤是所有化石燃料中二氧化碳密集程度最高的一种，因此它具有巨大的改进潜力。现代技术可以通过提高转换效率，使燃煤发电厂能够提供至少相同的电量，同时减少二氧化碳排放。2降低化石能源中的碳含量2.昂贵的车辆改装1.开发单独的燃料分配3.车辆加油基础