72化学与能源

第二讲化学与能源1能源的发展史2能源的分类和能量的转化3常规能源简介4未来的能源第一节能源的发展史能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。根据各个历史阶段所使用的主要能源；可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期。柴草时期从火的发现到18世纪产业革命期间煤炭时期煤炭的开采始于13世纪，而大规模开采并使其成为世界的主要能源则是18世纪中叶的事了。石油时期第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。二十世纪60年代初期，在世界能源消费统计表里，石油和天然气的消耗比例开始超过煤炭而居首位。我国能源的结构以煤炭为主的状况可能还要延续相当的时间。第二节能源的分类和能量的转化按其来源可以分为三大类：一是来自地球以外的太阳能，除太阳的辐射能之外，煤炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能；第二类来自地球本身，如地热能，原子核能(核燃料铀、钍等存在于地球自然界);第三类则是由月球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量，如潮汐能。一次能源指在自然界现成存在，可以直接取得且不必改变其基本形态的能源。常规能源也叫传统能源，就是指已经大规模生产和广泛利用的能源。新能源指以新技术为基础，系统开发利用的能源。汽油，煤油，柴油，燃料油，液化石油气洗煤，焦炭，煤气非再生能源（如煤炭，石油，天然气，核裂变燃料）非再生能源（如核聚变燃料，油页岩，油砂）可再生能源（如太阳能，风能，生物质能）可再生能源（如水能）电力，氢能，余热，沼气，蒸气等石油制品煤制品新能源常规能源二次能源一次能源能源能源的利用，其实就是能量的转化过程。柴草、煤炭、石油和天然气等常用能源所提供的能量都是随化学变化而产生的，多种新能源的利用也与化学变化有关。第三节常规能源简介1煤炭及其综合利用按现在的开采速度，煤只能用几百年。煤的综合利用：煤的气化:煤的气化过程生成的H2，CO，CH4是可燃气体，也是重要的化工原料。煤的焦化:煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。随加热温度不同，产品的数量和质量都不同，有低温(500～600℃)、中温(750～800℃)和高温(1000～1100℃)干馏之分。低温干馏所得焦炭的数量和质量都较差，但焦油产率较高，其中所含轻油部分，经过加氢可以制成汽油，所以在汽油不足的地方，可采用低温干馏。中温法的主要产品是城市煤气，而高温法的主要产品则是焦炭。煤的液化:煤炭液化油也叫人造石油。煤和石油都是由C，H，O等元素组成的有机物，但煤的平均表现分子量大约是石油的10倍，煤的含氢量比石油低得多。所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢(450—480℃，12MPa一30MPa)可以得到多种燃料油。还有一类方法称间接液化法，它是先使煤气化得到CO和H2等气体小分子，然后在一定的温度、压力和催化剂的作用下合成各种烷烃、烯烃和乙醇、乙醛等。煤既是能源，也是重要的化工原料。我国是世界上最大的耗煤国家，但70％的煤都是直接烧掉，既浪费资源，也污染环境。积极开展煤的综合利用是十分重要的方针。2石油和天然气及其利用天然气的主要成分是甲烷(CH4)，也有少量乙烷(C2H6)和丙烷(C3H8)，它和石油伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大概伴有1000m3的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天然气归并在一起。天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物CO2和H2O，都是无毒物质，并且热值也很高(56kJ·g-1)，管道输送也很方便。(2)石油的炼制主要过程有分馏、裂化、重整、精制等。2004年我国乙烯年产量626.6万吨,国外最大的炼油厂规模达4000万吨/年，平均规模为530万吨/年；中国最大的炼油厂规模仅为1600万吨/年，中国的原油产量居世界第5位，乙烯产量居第4位。将石油气中这些不饱和烃分离后，剩下的饱和烃中以丁烷(C4H10)为主，它的沸点为-0.5℃，稍加压力即可液化储于高压钢瓶中。当打开阀门减压时即可气化点燃使用，城市居民用石油液化气的主要成分就是丁烷。另外还含有在液化时带进的一定量的戊烷(C5H12)和己烷(C6H14)，它们的沸点分别是36℃和69℃，在40～180℃沸点范围内可以收集C6～C10馏分，这是需要量很大的汽油馏分。按各种烃的组成不同又可以分为航空汽油、车用汽油、溶剂汽油等。汽油质量用“辛烷值”表示。抗震性能最好的是异辛烷，将其定标为辛烷值等于100，抗震性最差的是正庚烷，定其辛烷值为零。人们发现：1升汽油中若加入1毫升四乙基铅Pb(C2H5)4，它的辛烷值可以提高10～12个标号。CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3CH3CHCH3CH2CCH3CH3CH3提高蒸馏温度，依次可以获得煤油(C10～C16)和柴油(C17～C20)。它们又分为许多品级，分别用于喷气飞机、重型卡车、拖拉机、轮船、坦克等。蒸馏温度在350℃以下所得各馏分都属于轻油部分，在350℃以上各馏分则属重油部分，碳原子数在18～40之间，其中有润滑油、凡士林、石蜡、沥青等，各有其用途。裂化用上述加热蒸馏的办法所得轻油约占原油的1／3—1／4。但社会需要大量的分子量小的各种烃类，采用催化裂化法，可以使碳原子数多的碳氢化合物裂解成各种小分子的烃类，如：辛烯辛烷十六烷加热加压催化剂C8H16+C8H18C16H34催化重整这是石油工业中另外一个重要过程。在一定的温度压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的“重新调整”，转化为带支链的烷烃异构体，这就能有效地提高汽油的辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃，这是原油中含量很少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要的化工原料，可以说是一举两得。加氢精制这是提高油品质量的过程。留在油品中的只是碳氢化合物。石油经过分馏、裂化、重整、精制等步骤，获得了各种燃料和化工产品。有的可直接使用，有的还可以进行深加工。所以炼油厂总是和几个化工厂组成石油化工联合企业，那里是技术密集、资本密集、劳动力密集的地区。3核能的利用核反应可分为核衰变、核裂变和核聚变三大类。1g镭(Ra)在衰变过程中释放的能量是1g镭和足量氯气(C12)起反应生成RaCl2时所释放能量的50万倍。1g铀-235(92235U)发生裂变时释放能量为8107kJ，1g氘（12H）发生聚变时释放的能量是6108kJ。而1g煤完全燃烧时释放的能量仅为30kJ。U-235裂变时所释放的能量可将循环水加热至300C，高温水蒸气推动发电机发电。由此可见核电是一种清洁的能源.但有两个问题总是令人担忧，一是保证安全运行，二是核废料的处理。我国第一座自行设计的30万千瓦核电站，建在浙江省海盐县秦山脚下，地质构造良好，靠山临海。1995年7月正式通过国家验收。核聚变和氢弹由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放很大的能量。例如2个氘核（12H）在高温下可聚合生成1个氦核（24He）核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为1.510-4：1，地球上海水总量约为1018吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。4.节能和新能源的开发现代主要能源是煤、石油和天然气，它们都是短期内不可能再生的化石燃料，储量都极其有限，因此必须节能。节能问题现已受到各国的普遍重视，作为能源经济发展的重要政策。例如国际先进水平是每炼1吨钢需消耗0.7～0.9吨标准煤，而我国目前每吨钢的能耗约为1.3吨标准煤，也就是说我国炼钢的能耗是国际水平的1.6倍，所以在我国节能应该有很大的潜力可挖。如在80年代末，上海市每万元国民经济生产总值要消耗5.08吨标准煤，浙江省是5.38吨，而有的省却高达26吨，可见它们之间能源利用率差别很大。和国际相比，我国的能耗比日本高4倍，比美国高2倍，比印度高1倍，所以若能赶上印度的能源利用率，要实现生产翻一番，似乎不必增加能源消费量。要实现国民经济现代化，既要开发能源，又必须降低能耗，开源节流必须同时并举，并且要把节流放到更重要的位置。我国的工业锅炉和工业窑炉耗费全国总能源的65％，它们是节能潜力最大的行业。白炽灯的照明效率是荧光灯的一半，研制高效节能灯，并推广使用，也是节能措施之一。总之围绕着节能工作有许多科学技术问题急待研究，但要使节能工作真正落到实处，不是单纯的技术问题，还要涉及行政管理、能源政策、节能法规、能源价格等各方面的因素。当代新能源是指太阳能、生物质能、风能、地热能和海洋能等。它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染，它们是远有前景，近有实效的能源。太阳能:太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的，集热器也就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成的，封装在玻璃钢外壳中。太阳能也可通过光电池直接变成电能，这就是太阳能电池、光伏打电池。它们具有安全可靠、无噪声、无污染、不需燃料、无需架设输电网、规模可大可小等优点，制造光电池的半导体材料，它们能吸收光子使电子按一定方向流动而形成电流。生物能:生物能蕴藏在动物、植物、微生物体内，它是由太阳能转化而来的，可以说是现代的、可以再生的“化石燃料”，它可以是固态、液态或气态。燃料直接燃烧时，热量利用率很低，仅15％左右，现用节柴灶热量利用率最多也只能达到25％左右，并且对环境有较大的污染。经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的液体燃料。这类生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成一氧化碳(CO)、氢气(H2)、甲烷(CH4)等可燃性气体，这些气体可用来发电。生物质还可以在厌氧条件下生成沼气，此外科学家们还成功地培育出若干植物新品种，如巴西的香胶树(亦称石油树)，每株年产50kg左右与石油成分相似的胶质。美国人工种植的黄鼠草，每公顷可年产6000kg石油，美国西海岸的巨型海藻，可用以生产类似柴油的燃料油。把生物质转化为可燃性的液体或气体是使古老能源焕发青春的途径。风能这是利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术，这也是一种可以再生的干净能源。地热能地壳深处的温度比地面上高得多，利用地下热量也可进行发电。在西藏的发电量中，一半是水力发电，约40％是地热电，火力发电只占10％左右。海洋能在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动，站在海滩上，可以看到滚滚海浪，在其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，这些能量总称海洋能。我国在东南沿海先后建成7个小型潮汐能电站，其中浙江温岭的江厦潮汐能电站具有代表性，它建成于1980年，至今运行状况良好新能源的开发受到世界各国的重视，但进展缓慢，这是因为技术难度较大，对所需研究基金的投资要求较高。新能源的开发都是综合性项目，涉及化学、物理、电子、机械、仪表控制等各行各业，其中所需各种新材料，需要化学工作者进行研制；许多化学过程和反应条件，需化学工作者进行深入细致的研究。总之化学家将积极参与新能源的开发工作。随着新能源的不断开发，世界能源结构正向多样化的方向发展。4未来的能源(1)理想的能源---氢能氢能的优点:①发热值高②没有污染③输送方便④资源丰富⑤可以反复使用产生氢的方法①用太阳能电站或光电池发电，电解水②用聚焦太阳光的办法产生的高温，直接把水分解成氢和氧③利用催化体系，让太阳光直接分解水④利用生物工程的办法,生物制氢(2)海底新能源----燃冰甲烷与水在海底的低温和高压下形成的冰状化合物,可以燃烧.存贮量大,可供人类使用1000年以上.(3)未来的生物能量---乙醇绿色和平组织的一项研究指出,到2010年:发电可能达到如下组成:太阳/风发电55%热电联产22%生物质发电13%水力地热10%在运输业中:生物燃料:20%电:40%氢:40%生物燃料-----乙醇可用甘蔗,玉米,甜菜等转化.需要一定的土地面积:约目