搜索
能源开发和利用生命科学与医药化工学院：梁华定本章内容•一、能源的地位与作用•二、能源的分类•三、世界和中国能源的现状与发展趋势•四、解决能源危机的有效途径第一节、能源的地位与作用•1、能源在人类社会的发展中占据重要地位，它是人类社会发展的基本条件，是发展农业、工业、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。能源开发利用的广度和深度是衡量一个国家的科技和生产水平的主要标志之一。能源、材料、信息是人类发展的三大支柱产业。•2、能源科学技术的每一次重大突破，都引起生产技术的革命，化学在能源的研究和利用过程中扮演重要角色。•能源发展经历三个时期：•A、柴草时期：火的发现－18世纪产业革命，用于烧制陶瓷和冶炼金属；•B、煤炭时期：13世纪开采，18世纪中大规模开采，1769年瓦特发明蒸汽机，产生第一次产业革命；•C、石油时期：60年代超过煤。三次重大突破A、发明蒸汽机，产生第一次产业革命；B、电力发明使人们的生产活动进入电气时期；C、原子能发明进入时期。第二节、能源的分类•按来源分：•A、来自地球以外的太阳能，如太阳辐射能、煤、石油、天然气、水能、风能、雷电等；•B、来自地球本身，如地热能、原子核能；•C、来自地球与月球、太阳等天体相互作用产生的能量如潮汐能。•按构成分：•A、一次能源，包括常规能源（可再生能源如水能，非再生能源如煤炭、石油、天然气），新能源（可再生能源如太阳能、风能、生物质能，非再生能源如核聚变能,油页岩、油沙）；•B、二次能源如煤制品、石油制品、电力、氢能、蒸气等。第三节、世界和中国能源的现状与发展趋势•1、世界能源的结构与消耗•（1）近一百年世界能源消耗增长了20倍年份：19501960197019801990世纪末万吨标准煤239194292420643956852391114761020Gt中国6968（1955）30189292916027598703•能源消耗最多的是美国：人口占4.9％，能耗占24.4％；印度人口占15.4％，能耗占2.3％；我国1996年人均能耗1.14吨，排名86（世界人均2.4、北美10、欧洲苏联5）•(2)能源结构•1980－1986年石油煤炭天然气核能总计世界能源消耗增长率9％24％19％335％27％20世纪60年代以前煤是世界最重要能源，后来，石油上升较快，发达国家以石油为主。美国、日本56.3％；我国、印度仍以煤为主，我国75.8％,印度67.8％.能源形势－－能源危机•1、化石燃料，有限能源（枯竭）•1995版世界能源大会《能源资源调查》：能源储量1993年能源产量储采比煤1031.6Gt4.474Gt230石油140.7Gt3.197Gt44（我国23年）天然气14.1Tm30.2485Tm357核能2.23Mt铀32171t（装机358GW，年发电量2.17×1012KWh)水能：理论蕴藏量3.5×1013KWh/a,技术可开发资源1.46×1013KWh/a,经济可开发资源0.9×1013KWh/a,装机7.2×108KW,发电量2.38×1012KWh/a•特别是石油1953年1963年1973年1993年年产量6.49亿吨13.8亿吨28.2亿吨31.97亿吨•储量前十名的国家：沙特、伊拉克、科威特、阿联酋、伊朗、委内瑞拉、前苏联、墨西哥、美国、中国。•石油由西方石油公司（“石油七姐妹”）垄断，西方利用廉价石油，改造产业结构，经济繁荣。1973年阿拉伯国家成立“石油输出国组织欧佩克（OPEC）”（中东储量占65％，出口占80％）向西方强国禁运石油＊,10月战争？2、能源对环境污染•（1）化石燃料，产生大量CO2，导致温室效应＊；•（2）化石燃料，产生大量NOX、SO2，导致酸雨＊；•（3）化石燃料及生物质燃料，产生NXO，导致氧空洞；•（4）热污染，一座1000MW火电厂，排热4.6×1012J/a；•（5）放射性污染；•（6）影响人体健康。•3、石油、煤是主要化工原料•20世纪是石油化工大发展的一百年，世界年产乙烯5000万吨，100套30万吨／年乙烯装置。石油产品2、我国能源的现状•（1）我国能源资源1996年煤石油天然气水能能耗总量1145亿吨33亿吨1.7万米32.9亿KW12.6亿吨居世界位次3111912(能耗：美国28.98亿吨、俄国9.494亿吨日本0.6838亿吨）•(2)我国能源工业面临的问题•A、人均能源拥有量低（1996年人均能耗，排名86位）；•B、能源生产和消费结构依然以煤为主（75.8％年耗13亿吨）•C、能源资源分布不均匀。（北煤南运，西电东送，南水北调。煤炭集中华北地区，水能集中西南地区）地区华北东北西南西北华东中南能源丰度（吨／人）268029312181216141142•D、能源利用率低，单位GPT能耗是日本的6倍，美国的3倍，韩国的4.5倍；•E、农村商品能源短缺（人口8.6亿，能耗12.6亿吨，2／3靠柴薪）•F、环境污染严重＊；G、能源建设周期长，耗能多；•H、能源工业装备落后；I、价格末能反映成本不合理第四节、解决能源危机的有效途径•解决能源危机的措施有：•1、化石燃料的有效与清洁利用；•2、适度发展核能；•3、开发新能源；•4、改变能源转换途径。（一）、化石燃料的有效与清洁利用•1、煤（1）现代成煤理论：植物经脱水、脱CO2、脱CH4形成C•17H24O10→C16H18O5→C16H14O3→C15H18O→C18H4植物泥炭褐煤烟煤无烟煤•（2）现状效率：我国年耗＞10亿吨（30％发电、炼焦，50％锅炉、窑炉，20％人民生活）。A、效率低（煤球20－30％，蜂窝煤50％，碎煤＜20％）；B、污染。•（3）提高效率的措施：煤的流体化，包括泥浆混合流体化；煤的气化（气化反应，改性反应）；煤的焦化（干馏）；煤的液化。•（4）煤的液化（加氢法、脱碳法、分解重组法），煤的拔头工艺生产液体燃料（年轻煤种中挥发性组分可提出20％左右，其中2％为汽油、10％为柴油），在21世纪将大有发展前景。加压气化法城市煤气生天然气热裂解制乙炔炉2、石油化学家遇到的主要挑战：提取上如何提高采收率（从矿藏中得到更多的油）；精炼（原油转化成更有用的化学形态）；燃烧（使精炼油具更大的热值）•（1）采收率。A、初级开采：靠天然压力，采收率10－20％；B、二级开采：把水、气和蒸气等注入油井中，提高采收率（美国用此法仅35％）；C、三级开采：用新的化学方法开采先入为余下的可贵资源。如表面活性剂及溶液聚合物，可以把油和周围的水分开。•（2）精炼目的是提高辛烷值，采用蒸馏、裂解、重整改变原油的性能。面临的任务是低品质的石油如何转化为高质量的燃料，关键是提高石油精炼技术。•（3）燃烧。一是提高燃烧效率，若提高5％，美国获150亿美元的经济效益；二是降低烟雾、酸雨。•3、天然气关键在天然气产地要先做好脱硫和去除一些含氮杂质。•天然气可作为化工产品生产乙炔等（二）核能及其风险利弊•1、核能的类型•（1）核裂变、原子弹、核发电•23592U+10n→14456Ba+8956Kr+310n23592U+10n→14054Xe+9438Sr+210nΔH=8.2×1010J/g相当于煤的250万倍。•原子弹工作原理：让裂变能量不断积累，最后在瞬间酿成重大的爆炸。•向长屿投弹的斯威尼投放长屿的原子弹长屿被炸现场原子弹：鲜为人知的十件事•1．曼哈顿计划•盟军原子弹计划于1942年启动，代号“曼哈顿计划”。这一计划在新墨西哥州偏远的沙漠地带洛斯阿拉莫斯进行，历时4年之久，有20多万人参与，包括十几名已经获得或即将获得诺贝尔奖的科学家。(费米领导)•2．开支及成果•曼哈顿计划是二战中最昂贵的计划，5年中耗费了盟军约18亿美元（相当于今天的180亿美元），共研制出4枚原子弹。第一枚于1945年7月16日在新墨西哥州沙漠试爆，爆炸威力是预期威力的4倍，相当于1．9万吨烈性炸药TNT的威力。•3．轰炸目标•广岛和长崎起初都不是原子弹的袭击目标，盟军将领起初选定的袭击目标是古都京都。但这被当时的美国陆军部长亨利·史汀生否决掉了，他想把京都保留给子孙后代。被轰炸前不到两个星期长崎才被选定为轰炸目标，部分原因是它是为数不多的几个几乎未受战争破坏的城市之一。•4．钚的威力•第一枚落在日本的原子弹代号“小男孩”，它的设计非常独特，是用一台改装过的发炮装置将一块铀—235射入另一块铀中。这枚原子弹于1945年8月6日被投在广岛，相当于1．25万吨TNT爆炸时的威力。3天之后，另一枚原子弹落入长崎，这次采用的是钚，威力是广岛原子弹的两倍。5．伤亡情况•原子弹爆炸那天广岛大约有32．8万人，其中有20万人在5年之内死于原子弹的影响。广岛三分之二的建筑都被摧毁。而长崎的约25．9万人中有7万人在同一时期内死去。至少有9人在广岛遭袭后逃到了长崎，并且在第二次原子弹爆炸中幸免于难。•6．裕仁天皇的决定•第二枚原子弹爆炸后4天，日本将领仍拒绝投降，并考虑采取包括自杀性袭击在内的一些方案来赢得“必然的胜利”。8月14日，裕仁天皇宣布他不能再眼睁睁看着人民忍受煎熬。第二天，日本无条件投降。这一投降非常及时：盟军正准备在东京投下第三颗原子弹。•7．“印第安纳波利斯”灾难•在将“小男孩”的组配件从加州运来之后，美国“印第安纳波利斯”号巡洋舰被一艘日本潜艇击沉。接下来的四天里，850名幸存者遭到鲨群的连续袭击。他们最终被一架过路的飞机发现并营救，只有300人幸存。影片《大白鲨》中，由罗伯特·肖扮演的昆特回忆了沉船及后来的这段故事。•8．日本的原子弹计划•战争结束后，盟军调查人员发现日本从1940年就开始自行研制原子弹。日本的物理学家已经准确地算出制造一颗原子弹至少需要10公斤浓缩铀。然而到1943年，日本人弄清要从普通铀矿石中提取这么多浓缩铀远非易事，原子弹计划就此搁置。•9．长期影响•科学家们担心原子弹会导致新生婴儿带有先天缺陷。放射性研究机构从1947年开始对幸存者进行跟踪调查。在原子弹爆炸时尚在母腹中的3000名婴儿中，出现了心理和生理方面受损的情况。但是迄今为止还没有发现放射性导致的基因缺陷。•10．核武库增加•广岛长崎原子弹爆炸后一年内，美国已储备12枚原子弹。核储备在上个世纪80年代中期达到最高峰，目前世界上的核武器总数估计约为1．7万个可用核弹头，综合爆炸威力相当于1945年8月毁灭两个日本城市的两枚原子弹的12万倍。•我国1956年2月钱学森建议组建导弹研究所，1958年6月毛主席提出搞原子弹，64年10月16日爆炸试验成功。•核电站工作原理：连续核裂变放出具大的核能，人工加以控制使链式反应在一定程度上连续进行，产生能量加热水蒸气，推动涡轮机发电。•首要问题是：铀矿中235U（占0.7％）与238U的分离。采用UF6气体扩散速度不同进行提纯，富集到93％。（2）核聚变和氢弹•21H+31H→42HeΔH=5.8×1011J/g相当煤的1000万倍。•优点：A、聚变产物是稳定的氦核，无放射性污染，没有难处理的废料；B、氘资源丰富，海水中氘：氢＝1.5×10－14：1地球上海水总量1018吨。•核聚变发电困难：A、聚变反应需要非常高温度（109℃）（太阳辐射出来的巨大能量来源于核变）如何“点火”？氢弹用一个小的原子弹作引爆装置，产生瞬间高温。有人建议太阳能聚光（世界最大的聚光器有九层楼高，9000块小反射镜组成，总面积达2500米3，焦点处最高温度4000℃）•考虑化学激光。•B、如何约束：用什么材料制造反应器？考虑耐火陶瓷。•探索21H+63Li→242He（温度低些的聚变反应，处于实验室初探阶段）•我国1965年1月毛主席提出“原子弹要有，氢弹要快”，王淦昌估计：核聚变发电有望在二三十年代获得成功（核工业西南物理所和中科院合肥所取得瞩目成果）海狼号核动力攻击潜艇2、利用核能的意义•发展核能是必由之路。•（1）核能是地球上储量最丰富能源，又是高度密集能源。1t铀相当于2.7Mt煤，1t氘相当于11Mt煤，每吨海水有3克氘，相当于300吨汽油，海水可耗1000亿年。•（2）核电是较