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能源的利用与转化摘要：文章将地球上多种多样的能源分别按来源、利用程度、能否再生、获得方法、能否作为燃料、对环境的污染程度六种方法进行分类。基于能源利用程度的分类，分别介绍了以煤、石油、天然气为代表的常规能源和以太阳能、风能、水能、生物质能、氢能、燃料电池为代表的新能源的利用情况。此外，就化石燃料所引起的环境污染问题，引入了能源的清洁利用。本文以煤的清洁利用为例，具体介绍了煤的气化和液化。关键词：能源；利用；转化；清洁1前言能源是一个国家的宝贵财富，随着经济的发展，我们对能源的需求日益增加。煤、石油、天然气三种化石燃料在日常生活中的应用最为广泛，然而煤炭和石油都是不清洁的能源，在燃烧的过程中会产生硫化物、氮化物等污染物，对环境造成危害。因此，我们又在不断寻找污染较小的替代能源。于是新能源的利用越来越广，其中太阳能、水能、风能、生物质能、氢能、燃料电池都是清洁的能源，使用过程中不会对环境造成污染，此外它们都存在于大自然中，是可再生的资源，因此具有广泛的应用前景。在开发新能源的同时，我们也在研究常规能源的清洁、高效利用技术。我国在世界上最大的煤炭生产国和消费国，丰富的煤炭资源是我国得天独厚的优势，故研究煤炭的清洁、高效利用显得尤为重要。目前国内的煤气化和液化技术已经很成熟，可应用于市场，这对我们实行与环境友好相处的可持续发展战略至关重要。2能源的分类能源就是向自然界提供能量转化的物质，包括矿物质能源、核物理能源、大气环流能源、地理性能源。可被人们利用的能源多种多样，一般有以下六种分类方法。（1）按地球上的能量来源分为：来自地球本身，如核能、地热能等；来自地球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳能引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物能、光合作用、化石燃料（如煤、石油、天然气等，它们是一亿年前由积存下来的有机质转化而来的）等；来自地球和其他天体的相互作用，如潮汐能。（2）按被利用的程度分为：常规能源，如煤炭、石油、天然气、柴薪燃料、水能等，其开发利用时间长、技术成熟、能大量生产并广泛利用；新能源，如太阳能、地热能、潮汐能、生物质能和核能等。（3）按能否再生可分为：可再生能源，如水能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等可长期提供和可再生的能源；不可再生能源，如煤炭、石油、天然气等一旦消耗就很难再生的能源。（4）按获得的方法可分为：一次能源，如煤、石油、天然气、水能、风能等直接取自自然界，而不改变它的形态的能源；二次能源，如汽油、水电、煤气、沼气等经一次能源加工成的另一种形态的能源。（5）按能否作为燃料可分为：燃料型能源，包括煤炭、石油、天然气、泥炭、木材等；非燃料型能源包括水能、风能、地热能、海洋能等。（6）按对坏境的污染程度可分为：清洁能源，如水能、风能、太阳能、核能等使用时对环境无污染或污染很小的能源；非清洁能源，如煤炭、石油等对环境污染很大的能源。3能源的利用3.1我国能源利用的现状目前我国的能源消费现状呈现出节节攀升的趋势，其中煤炭的消费占70%左右,而且在未来相当长的时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构，同时石油和天然气所占能源的消费比例也开始慢慢上升，出现了石油、天然气对外依存度逐步增大。从能源总量来看，我国是世界第二大能源生产国和第一大能源消费国，能源消费主要靠国内供应，能源自给率为92%。煤炭是我国的一个主要能源供应，其次是石油，虽然我国的水利资源丰富，但水电也只占到6%，煤炭、石油是不可再生资源，一旦能源枯竭，势必影响我国的国民经济的发展。3.2常规能源的利用在常规能源中，煤炭、石油、天然气三种化石燃料是应用最广的三种能源。煤是古代的植物因为地壳运动而埋藏于地下，在适宜的地质环境中经过漫长的年代演变而来的，含碳量一般为46%-97%。煤的形成过程大致分为两个阶段：泥炭化阶段和煤化阶段。死亡的高等植物在生化作用下变成泥炭，在复杂的地理环境中形成不同的煤种。按照成煤过程，煤可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤四种类型。煤炭的用途十分广泛，可以根据其使用目的总结为动力煤和炼焦煤两大主要用途。其中动力煤包括：发电用煤、蒸汽机车用煤、建材用煤、一般工业锅炉用煤、生活用煤、冶金用动力煤。炼焦煤主要用于炼焦炭，焦炭多用于炼钢，是目前钢铁等行业的主要生产原料，被喻为钢铁工业的“基本食粮”，是各国在世界原料市场上必争的原料之一。石油是古代植物遗体经过非常复杂的变化而形成的一种粘稠液体，一般呈黑色或深棕色，常伴有绿色或者蓝色荧光，不溶于水。海洋中的浮游生物、海藻、蛋白质及浮游在海上的生物死后沉入海底，这些有机体成为石油天然气的最初来源。当被聚积的沉积物达到足够的温度时，它们开始被蒸煮。这种转化将它们变成了液态的碳氢化合物，然后移动，变成石油和天然气储集层。随着时间的推移，海床下沉，富含有机物的页岩沉积在岩层上。页岩成为石油的发源地。然后沙岩在沉积的页岩上形成石油储集层。当盐层开始上升时，地球的压力和热量“蒸煮”页岩，形成石油向上移动进入到沙岩中。之后，岩层迅速隆起形成拱顶，截留两侧沙层中的石油。在盐层上挤的同时，断裂的盐枕状下方的油层也被截留。这就是石油的形成过程。石油主要被用来作为燃油和汽油，燃料油和汽油组成目前世界上最重要的一次能源之一。石油也是许多化学工业产品如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。它主要存在于油田、气田、煤层和页岩层。天然气燃烧后无废渣、废水产生，相较煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势。天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。伴随原油共生，与原油同时被采出的油田气叫伴生气，纯气田天然气和凝析气田天然气叫做非伴生气。天然气可用于工业燃料，以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅炉以及热电厂燃气轮机锅炉。天然气发电是缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径，且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力。天然气也可用于城市燃气事业，特别是居民生活用燃料。随着人民生活水平的提高及环保意识的增强，大部分城市对天然气的需求明显增加。天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。此外天然气可用于工艺生产，如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等。3.3新能源的利用新能源是以新技术和新材料为基础，使传统的可再生资源得到现代化的开发和利用，用取之不尽，用之不竭的的可再生能源来不断取代资源有限、对环境有污染的化石能源。目前利用比较多的新能源有太阳能、风能、水能、生物质能、氢能和燃料电池等。太阳能是指太阳所负载的能量，一般以阳光照耀在地面上的总量来计量。太阳能的转化和利用方式有光-热转化、光-电转化、光-化学转化。接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活是太阳能热利用的最基本方式。太阳热水系统是目前中国太阳能热利用的主要形式，它是利用太阳能将水加热储存于水相中以便利用的装置。太阳能产生的热能可以广泛地应用于采暖、制冷、干燥、蒸馏、温室、烹侵以及工农业生产等各个领域，并可进行太阳能热发电和热动力。利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成电能加以利用，称为光-电转换，即太阳能光电利用。光-化学转换尚处于研究试验阶段，这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢化物热分解储能等。风能是太阳能的一种新的转化形式，由于太阳辐射造成地球表面温度不均勾，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。风能属于一种自然资源，具有总储量大、可以再生、分布广泛、不需运输、对环境没有污染、不破坏生态平衡等诸多特点，但在利用上也存布者能量密度低、随机变化大、难以储存等诸多问题，风能的大小决定于风速和空气的密度。在中国北方地区和东南沿海地区的一些岛屿，风能资源非常丰富。利用风力机可将风能转换成电力、制热以及风帆助航等。水能是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。人类利用水能的历史悠久，但早期仅将水能转化为机械能，直到高压输电技术发展、水力交流发电机发明后，水能才被大规模开发利用。目前水力发电几乎为水能利用的唯一方式，故通常把水电作为水能的代名词。生物质能是新能源和可再生能源的重要组成部分，主要包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如薪柴、沼气、生物柴油、燃料乙醇、林业加工废弃物、农作物秸秆、城市有机垃圾、工农业有机废水和其他野生植物和动物粪便等。生物质能的利用方式主要有直接燃烧、热-化学转换以及生物-化学转换三种不同途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国农村生物质能利用的主要方式，生物质的热-化学转换是指在一定温度和条件下使生物质气化、碳化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术；生物质的生物-化学转换包括生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等，沼气转换是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气，生物质-乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等不同原料经发酵制成乙醇。氢能既可以通过燃烧产生热能，在热力发电机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池或转换为固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油既不造成环境污染又不需要对现有的技术装备进行改造。燃料电池具有很大的发展潜力，其中氢燃料电池汽车发展势头强劲。氢燃料电池和传统的内燃机汽车有很大的不同，燃料电池车不用内燃机离合器和传动轴等，省去70%的机械零件，使之更适合自动化的发展。4能源的清洁利用化石燃料是不清洁的能源，在利用的过程中会造成严重的环境污染。故研究能源的清洁利用显得尤为重要。对于广泛应用的煤，近年来洁净煤技术已经变得越来越成熟，因利用产生的污染小具有大的发展空间。洁净煤技术即煤的清洁利用，它包括煤的气化和液化。下面具体介绍煤的气化和液化。4.1煤的气化煤气化就是以煤为原料，空气或氧气(富氧或纯氧)、水蒸汽、H2和CO2等为气化介质，在一定温度和压力下，通过不完全的燃烧过程，将煤中的固定碳转化成可燃性气体(有效气体成分CO、H2、CH4以及副产物CO2、H2O等)的过程。4.1.1煤气化的反应过程煤气化反应可分为两个过程：煤的热解过程和残存固定碳的气化反应过程。煤的热解过程大约在350～400℃左右开始，在1000℃基本完成，而气化反应则要到700℃左右才明显开始[6]。在工业气化炉中，煤的热解过程比碳的气化反应过程快得多，因此在很多情况下为了简化计算过程，在计算中都不考虑热解过程。4.1.2煤气化的反应方程煤的气化反应是个复杂的过程，一般将这些反应分成两种类型：非均质的气固反应和均相的气相反应。（1）非均相反应：R1(部分燃烧)：C+1/2O2=CO－123kJ/molR2(燃烧)：C+O2=CO2－109kJ/molR3(碳与水蒸汽反应)：C+H2O=CO+H2+119kJ/molR4(Boundouard反应)：C+CO2=2CO+162kJ/molR5(加氢反应)：C+2H2=CH4－87kJ/mol（2）气相燃烧反应R6：H2+1/2O2=H2O－242kJ/molR7：CO+1/2O2=CO2－283kJ/mol（3）均相反应R8(均相水煤气反应)：CO+H2O=H2+CO2－42kJ/molR9(甲烷化反应)：CO+3H2=CH4+H2O－206kJ/mol在这九个反应中，R3、R4、R5是研究煤气化的主要反应，反应产物CO、H2、CH4是天然气的有效成分。其中R3和R4是吸热反应，R5是放热反应。4.2煤的液化煤的液化方法主要分为直接液化和间接液化。4.2.1煤的直接液化煤的直接液化是指煤在氢气和催化剂作用下，通过加氢裂化转变为液体燃料的过程。裂化是一种使烃类分子分裂为几个较小分子的反应过程。因煤直接液化过程主要采用加氢手段，故又称煤的加氢液化法。典型的煤直接液化技术是在400℃、150个大气压左右将合适的煤催化加氢液化，产出的油品芳烃含量高，硫氮等杂质需要经过后续深度加氢精制才能达到目前石油产品的等级。一般情况下，一吨无水无灰煤能转化成半吨以上的液化油。煤