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能源开发和利用医药化工学院：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％.1950-1995世界能源消费量和构成年份消费量108tce煤在消费量中所占比例煤石油天然气水电、核电195023.9260.927.210.11.8196029.2449.533.315.12.1197064.4033.544.020.12.4198085.2430.844.221.53.51990114.7627.338.621.712.41995/27.239.723.110能源形势－－能源危机1、化石燃料，有限能源（枯竭）能源危机迫在眉睫世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。石油储量1180~1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050左右年宣告枯竭。天然气储备估计在131800~152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在57~65年内枯竭。煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。核聚变到2050年还没有实现的希望。•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31.97亿吨禁运后，石油在两个月内涨价4倍，至1979年涨了近10倍。，至1982年上涨了675％。1973年美国缺少1.16亿吨标准煤能源生产损失930亿美元；日本缺少0.6亿吨，损失485亿美元，致使1974年日本国民生产总值下降。（在这之前日本每年递增10％）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？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。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；•SOx、NOx、CO2、CO、THC、PM、水污染、土质。由于以煤为主，形成了以煤烟型污染为主的严重环境问题。例如：1995年，全国烟尘排放量约1744万吨，其中70％来自煤的燃烧；全国SO2排放量约2370万吨，其中85％来自煤的燃烧；全国CO2排放量约30亿吨，占全球的14％，只比美国的22％低，而各列为第二（人均排放量还很低）。而燃煤在我国1/3以上是用于火力发电。由低水平的燃煤所造成的酸雨、光化学雾及温室效应等环境问题日益突出。而在大城市中，机动车排放所造成的环境污染，也日益严重。•（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。2、我国能源的现状•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）（1）我国能源资源中国一次能源储量和产量储量年产量煤108t1145(NO.3)12.9(NO.1)石油108t33(NO.11)1.49(NO.5)天然气108M317,000(NO.19)176(NO.21)核能109KWH铀40GW(30年)13(NO.18)水能109KWH290GW(NO.1)188(NO.4)GW=109W这张表给出了我国主要一次能源的探明可采储量和年产量，由此可知，我国石油可维持30多年，天然气80年，而煤可维持100~200年。属于多煤、少气、缺油的情况。统计数据显示，中国目前已经成为全球煤炭第一大消费国，基本能源消费占到世界总消费量的十分之一，同时，中国也是继美国之后的世界第二大石油和电力消费大国。按照专家的估算：1999年我国石油开采量约1.6亿吨，但是消耗量已上升到1.9亿吨，到2010年预计消耗量将达到3亿吨。1993年后我国已成为石油净进口国。2000年原油进口已超过7000万吨。天然气近年生产量已有较大幅度增加，新的气田也有所发现，也在计划从俄国（独联体国家）进口一些天然气，西气东输也在实施，但花一千多亿的投资，东输200多亿米3/年天然气。•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）煤1/3以上是用来发电的，直接燃烧利用热能为主(2)我国能源工业面临的问题中国的能源消费和构成年份消费量108tce煤在消费量中所占比例煤石油天然气水电、核电19500.6993.04.9-2.119603.0293.94.10.51.519702.9380.914.70.93.519806.0372.220.73.14.019909.8776.216.62.15.1199512.2775.017.41.95.7•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）能源产地和主要利用能源的经济发达地区分布不平衡.•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，造成的污染严重.单位GPT能耗是日本的6倍，美国的3倍，韩国的4.5倍；目前中国产品能耗极高，主要用能产品的单位产品能耗比发达国家高２５－９０％，加权平均高出４０％左右。比如，每千克油当量的能源，日本企业平均可以创造出１０.２美元的产值，中国只能创造出０.７美元。我国单位能源使用产生的ＧＤＰ，目前只有发达国家平均水平的五分之一至十六分之一左右•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＊；由于我国是以煤为主的国家。煤炭的含氢量低，一般来说，相对于天然气，必然会带来CO2排放量大的问题。如何在经济发展中，控制CO2的排放量，已经成为重要的课题。中国CO2排放量已在世界上位居第二，占14%，美国为22%。以煤为主、能效低是主要原因。•G、能源建设周期长，耗能多；能源输送路线比较长，占去国家相当大的运力•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节能和提高能量利用效率是最主要的。解决能源危机的措施有开发和使用新技术。如发电，我国发电终端平均能效只有30%，如果采用IGCC（整体联合循环发电）、超临界发电技术、增压循环流化床等技术，现已可提高到36-46%，今后几年有可能达到56-60%。其中也有大量化学问题要解决，多学科交叉。提高使用清洁能源（如天然气）的比率。使用更多的‘可再生’能源（水力、风力、潮汐、地热）。使是用新能源。太阳能、氢能。核能燃料电池技术•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。什么是一碳化学煤化工和天然气化工:一碳化学煤的气化最主要的反应有:C+O2-COC+H2O-CO+H2CO+H2O-CO2+H2反应过程伴随着CO2的排放(还有一些反应如生成CH4的反应等,此处为列)天然气的蒸气重整上面两点表示出煤的气化和CH4重整的主要反应。正是通过这些反应，产生出合成气（Syngas），合成气的主要成分是CO和H2，它以作为合成氨的原料气而得名。大量的化工产品可以以合成气作为起始原料。使用不同的催化剂，可以从合成气制出不同的有机化合物产物，这就组成了所谓的合成气化学。由CH4、CH3OH等含一个碳原子的分子，也可以通过催化