能源教学课件PPT.ppt

2.3 能源,2.3.1能源的种类 2.3.2煤 2.3.3石油和天然气 2.3.4氢能 2.3.5太阳能,2.3 能源,能源是指能够向人们提供能量的自然资源。能源的形式有多种，如燃料、核能、太阳能、水利、地热、风能、潮汐能等；其中燃料的燃烧涉及一般化学反应的热效应，而核能与太阳能则涉及原子的热效应。本节简单介绍有关能源的一些情况，如介绍燃料的热量大小，存在的问题和可能发展的前途，以资比较并扩大视野。,2.3.1能源的种类,表2.1能源分类表,表2.2各种物质热量对比表,2.3.2煤,煤是组成和结构都相当复杂的有机化合物与无机化合物组成的混合物。 煤的主要成分是碳、氢、氧三种元素，还有少量氮、硫、磷和一些稀有元素。 其中氧、硫、磷是煤中的有害成分。氧化合（消耗）煤中碳、氢可燃成分。硫燃烧变成so2、so3和h2s等有害气体，腐蚀燃烧室，污染大气。炼焦煤中的硫会转入焦炭，用于冶炼会降低钢铁质量。 煤按含硫的质量分数w可分为四类：低硫煤w1.5%；中硫煤w（1.5%2.5%)；高硫煤w（2.5%4.0%）；富硫煤w（4%）,表2.3煤炭的成分和高发热值,煤的最大缺点是固体燃料，燃料反应速率慢，利用效率低，且不适用于多数运输业（尤其是汽车）的需求。此外，燃烧煤时还会产生二氧化硫这类有毒的气体，将导致严重的空气污染。解决的办法是将煤炭转变为汽化燃料或液化燃料。在我国，煤蕴藏量很丰富，尤其应注意这一问题。煤炭汽化和液化方法有几十种。产品类别也众多。下面简单介绍几种煤碳的汽化燃料和液化燃料。,1.煤的汽化,水煤气：以空气加水蒸气作为汽化剂，可以得到以h2和co为主要成分的煤气。 其主要的反应如下： （1）c(s)+o2(g)=co2(g)； h（298.15k）=393.5kjmol-1 （2）c(s)+h2o(g)=co(g)+h2(g)； h（298.15k）=131.3kjmol-1 这就生成了所谓的水煤气。 co(g)+1/2o2(g)=co2(g)； h（298.15k）=283.0kjmol-1 h2(g)+1/2o2(g)=h2o(g)； h（298.15k）=285.8kjmol-1,2.合成气,这是主要以纯氧气和水蒸气作为汽 化剂的方法，生成的一种气态燃料混 合物，其体积分数约为：40%h2、15%co、15%ch4和30%co2。此方法 可以直接用煤炭而不用焦炭。 利用合成气可合成天然气。 co(g)+3h2(g)=ch4(g)+h2o(g)； h（298.15k）=250.2kjmol-1,3.煤的液化,用合成气作为原料，在101.325kpa和473k(200)并有适当的催化剂存在下，co与h能反应生成多种直链烷烃和烯烃，碳链链长大都有320个碳原子，例如： 6co+13h2=c6h14+6h6o 8co+17h2=c8h16+8h6o 8co+4h2=c4h8+4co2 从而可制得汽油、柴油和液化石油气。目前成本还偏高。,2.3.3石油和天然气,表2.4石油分馏主要产品及用途,2.3.4 氢能,氢位于元素周期表之首，它的原子序数为1，在常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。作为能源，氢有以下特点： （l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7c时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。 （2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。 （3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大90o0倍。,氢的特点,（4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142,351kj/kg，是汽油发热值的3倍。 （5）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。 （6）氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境巨，而且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。 （7）氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造现在的内燃机稍加改装即可使用。 （8）氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。,对氢能的研究，目前有下列三方面,1.氢气的制取 传统的制氢方法是电解水制氢及高压、高温制氢，都需要消耗大量的电能和煤或天然气，消耗的能量比燃烧这种燃料所产生的能量还要多。科研人员经过多年的研究，已寻找出两种较为方便的制氢方法： 其一，光电化学电池分解水制氢（太阳能发电电解水制氢 ）。利用太阳光照射到半导体氧化钛表面时，在氧化钛上产生的电流会使水分解，产生氢气，效率已达12，是一种很有前途的制氢方法。,其二，生物制氢(太阳光催化光解水制氢)，人工模仿植物光合作用分解水制取氢气。目前，美国、英国用1克叶绿素每小时可产生1升的氢气，它的转化效率高达 75。 制取氢的原料除水以外，还可利用微生物产生氢气(太阳能生物制氢 )。科学家通过实验证明某些具有光合作用的菌类也能产生氢气。藻类主要是通过自身产生的脱氢酶，利用取之不尽的水和无偿的太阳能来产生氢气。可以说，这是太阳能在微生物作用下，转换利用的一种形式，这个产氢过程可以1540的较低温度下进行。,2.氢气的贮存,由于氢易气化、着火、爆炸，因此，氢的储存和携带也很困难。若把它压缩到容积为40升的钢瓶中，加到150个大气压时，钢瓶内才能容05千克的氢；若把氢液化又需消耗大量的能量。为此，如何妥善解决氢能的贮存和运输问题也就成为开发氢能的关键。 目前有如下方法：,第一种：用海绵状的吸氢金属将氢储存起来，使用时吸氢金属将氢放出。这种方法既减轻重量，便于携带，又可储存较多的氢。 第二种：利用某些金属氢化物（例如钒化氢）可以随温度变化的特点来储存和放出氢气。当温度由25升高到200时，钒化氢放出氢的压力就由19个大气压急剧升高到870个大气压。,2.3.5太阳能,对太阳能的利用有光热转换、光电转换、光化学转换等三种方式。 （1）光热转换 （2）光电转换 （3）光化学转换,屋顶太阳能,表2.4 我国各地区的太阳能资源及分布,电力,三峡总装机容量达到了2250万千瓦，年发电量约1000亿度，是大亚湾核电站的5倍，是葛洲坝水电站的10倍，约占全国年发电总量的3%，占全国水力发电的20%。（发电量只是装机容量的44%）。 2020年核能装机容量为4000万千瓦。 2020年水电装机容量3亿千