大连理工能源化工复习题答案.doc

“能源化工”课程复习参考题（ 2014 年）（内容来自网上论文以及老师所发材料）1 能源类型及各自特点（优缺点）。按照是否在自然界中天然形成可把能源分为一次能源和二次能源，按照是否可再生利用可以分为可再生能源和不可再生能源。在能源科学里，把利用历史长，使用范围广，技术成熟程度高的能源称为常规能源，对比于常规能源而言，人类新近才开发利用的能源叫新能源。具体分类：类别常规能源新能源一次能源可再生能源水能、生物质能海水温差能、海洋波力能、海洋动力能、太阳能、风能、地热能、潮汐能不可再生能源煤炭、石油、天然气、油页岩核能燃料二次能源焦炭、煤气、电力、氢、蒸气、酒精、汽油、柴油、煤油、石油液化气、沼气等二.各种能源的优缺点对比：能源优点缺点电能水电可再生，清洁无污染，发电成本低，综合效益大受降水的季节变化大，枯水期发电少，电量不稳定，枯水期需火电调节；对位置的要求高。火电投资少，建设周期短。对环境污染比较严重煤炭分布广，储量大；开发和利用技术难度不大。发热量和燃烧效率不高；输送和使用不如石油方便；易造成环境污染。石油和天然气便于开采、运输、使用；发热量高；天然气的燃烧会造成的污染较小。石油的燃烧会造成较大污染。太阳能太阳能无处不在非常普遍，不需要开采和运输；清洁无污染，对环境无害；可以长期持续利用；能量巨大可再生。目前有三大利用：1.光热转换（太阳能热水器）；2.光电转换（太阳能电池）；3.光化学转换（植物的光合作用）能量不稳定，受地域和季节影响较大。水能清洁无污染，可再生，发电比较廉价，水利枢纽可以综合利用。能量不稳定（如我国四川水电时有短缺），水利枢纽淹没耕地，需要移民。核能经济效益高，核原料运输方便、节约，清洁无污染，安全性高，资源丰富，能量密集,地区适应性强.需要较高的科技和充足的资金,存在安全隐患.风能不需要运输、不需要开采、清洁、无污染、可再生。利用难度大,受地区和季节影响大.多分布在沿海地区和内地地区。地热能资源丰富，可直接利用，地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，（温泉沐浴、医疗）等，我国地热能利用居世界第一地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大，受地理地质条件限定生物质能可再生，可直接利用，使用范围广。做燃料利用，会使土壤失去氮、磷、钾等营养成分而导致肥力减退海洋能可再生；这些能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在于海洋之中；我国大陆沿岸和海岛附近蕴藏着较丰富的海洋能资源只分布在沿海地区，并且各种能量涉及的物理过程开发技术及开发利用程度等方面存在很大的差异。产生方式分类：一次能源：不可再生能源：煤，石油，天然气，油页岩，核能 可再生能源：太阳能，水能，风能，潮汐能，地热能，生物质能 二次能源：电能，热能，汽油，柴油，煤气，焦炭，氢能，蒸汽不可再生能源能源优点缺点煤炭容易获得成本较低易造成空气和水的污染石油使用便宜，容易运输会造成空气污染，油泄漏会污染土壤和水天然气污染很小储量有限核能不会造成大气污染建造反应堆成本昂贵，核废料处理是问题，有发生核事故的危险可再生能源能源优点缺点太阳能用之不竭，污染极小太阳光不稳定，太能发电成本昂贵风能用之不竭，成本低，污染极小涡轮噪音大，受地域限制水能对水和空气污染小受地域限制，水坝会影响生态环境地热能用之不竭，成本低受地域限制，对空气和水轻度污染海洋能用之不竭，空气污染低，土地干扰少适当位置少，造价高，能源输出不稳定，破坏正常潮汐可能会影响河口水生生物生物质能分布广，储量大，环保热值及热效率低2 中国的能源特点（资源、生产、消费等）。 能源资源特点 国务院新闻办26日发布中国的能源状况与政策白皮书指出，中国能源资源有总量丰富、人均拥有量较低、分布不均衡、开发难度较大等特点。是能源资源总量比较丰富。2006年，中国煤炭保有资源量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13，列世界第三位。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为619万亿千瓦时，经济可开发年发电量约176万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12，列世界首位。二是人均能源资源拥有量较低。中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的115左右。耕地资源不足世界人均水平的30，制约了生物质能源的开发。三是能源资源赋存分布不均衡。中国能源资源分布广泛但不均衡。煤炭资源主要赋存在华北、西北地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要赋存在东、中、西部地区和海域。四是能源资源开发难度较大。中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，开发难度和成本较大。能源生产特点 我国能源生产量持续增长；但能源生产量始终低于能源消费量；而且能源缺口（生产和消费的差值）逐年扩大能源消费特点一是以煤炭消费为主体由于我国煤炭资源丰富,在一次能源总储量的构成中,原煤占87.4%,所以长期以来的一次能源消费构成中一直以煤炭消费为主体。煤炭占能源消费总量的比重,在20世纪50年代占90%以上,60年代占80%以上,直到1997年都在70%以上,2000年降至67%仍处于主体地位。煤炭消费总量逐年增加,从1955年的9070万t,1970年的3.31亿t,1950年的6.06亿t,最高达到1996年的14.47亿t。原煤产量最高时的1996年达到13.%亿t。二是工业部门能源消费量大我国近年能源消费的部门构成大致为:工业占71一72%,民用能源占11-12%,交通运输占5一6%,农业占4一5%,商业占2%,建筑业占1%,其他第三产业占4%。工业和交通运输业属高耗能产业,随着我国工业化的迅速发展,能源消费量不断增加。近几年的中国煤炭消费总量12一13亿t中,工业部门的消费量占10一11亿t。工业部门的用煤大户是电力、冶金、化工、建材等行业。火力发电用煤量大致在4.5一5.0亿t左右,占煤炭总消费量的35一40%。三是人均能源消费较低我国人口众多,农村人口所占比重较大(2001年64%),经济发达程度和居民生活水平较低,在世界上属于中低收人国家,按人均的能源消费量还处于较低水平。统计资料表明我国每人年的能耗(标煤)1953年只有93.07kg,1970年357.9kg,1990年863.3kg,2000年增加到1011.2kg。与20世纪的五、六十年代达到人均国内生产总值1000美元的发达国家当年人均能耗为1.94一4.90tce/人年相比,我国人均能耗是较低的。人均能耗中的人均净用电量2000年为999.6kWh,不到世界人均净用电量2433kWh的一半,也低于亚洲人均1207kWh。随着我国今后向全面建设小康社会的发展,人均能耗和人均电耗势必不断提高。能源消费需求的总量仍将以较大的幅度增加。四是地区间东西部的差别大我国东部沿海地区是早期的工业发祥聚集地,又是新中国成立后大力发展工业时的主要基地,改革开放以来工业和交通运输业的发展更是突飞猛进。土地面积仅占我国29.5%的东部地区,工业产值多年来都占全国的80%以上。同时,东部也是我国人口和城市密集的地区,人口占全国的70%以上。因此,能源消费量一直较大,并且逐年不断增加。能源资源的分布却与需求相反,是西多东少。水力资源基本上都在西部,煤炭资源东部原本不多,又已经过几十年的高强度开发更为不足,形成了当前东部的用煤需求量占全国的70%以上,煤炭保有储量所占比重不足20%的煤炭资源短缺的局面。中国的基本能源状况：富煤，缺油，少气中国的原油消费很大程度上依赖进口 中国是世界煤炭生产和消费大国中国天然气消费增加迅速，但比例有限 3 煤的分子结构特点，煤直接液化和间接液化的原理及特点。煤是由高分子化合物组成的复杂化合物，每个高分子化合物缩合程度各不相同，构成煤的高分子化合物的基本结构单元彼此也不相同，这不仅明显地表现在不同成煤阶段的煤中，以及同一成煤阶段不同显微组分上，即使是同一成煤阶段的煤或同一显微组分的分子间，气缩合程度和基本机构单元也不尽相同。煤分子的基本结构由两部分组成，规则部分的缩合结构称为核，在核的周围有各种侧链和官能团则为不规则结构基本结构单元中的芳香结构有单环的苯环，双环的萘环，三环的菲环和蒽环，还有四环和五环以上的缩合环的形式，脂环结构既有与芳香环一起缩合的结构存在，又有单独存在的，而脂肪族结构是指结合在芳香环或脂环上的那些以侧链存在的烷基。煤直接液化将煤制成煤浆，在高温高压下，通过催化加氢裂化，同时包括热裂解，溶剂萃取，非催化液化，将煤降解，加氢转化为液体烃类，然后再通过加氢精制等过程，脱除煤中氮氧硫等杂原子并提高有的品质过程包括煤浆制备，反应，分离和加氢提质等单元优点：液化油收率高；煤消耗量小；馏分油以汽油柴油为主，目标产品的选择性相对较高；油煤浆进料 ，设备体积小，投资低，运行费用低不足反应条件相对苛刻，液化压力，温度要求过高；出液化反应器的产物组成比较复杂，液固两相混合物由于黏度较高，分离相对困难；氢消耗量大煤的间接液化煤的气化，F-T合成反应，油品加工气化装置产出的煤气进入合成反应器后，在一定温度，压力及催化剂作用下，H2和CO转化为直链烃类，水以及少量的含氧有机化合物，生成物经三相分离，提取，深加工得到合格的油品和多种化工产品优点：合成条件比较温和；转化率高缺点：反应物均为气相，设备体积大，投资高，运行费用高；煤基间接液化全部依赖于煤的气化，没有大规模气化便没有煤基间接液化；合成副产物较多，目标产品的选择性相对较低，煤消耗量大。4 煤燃烧发电减排 CO2 的几种方法。化石燃料在接近纯氧的环境中燃烧，并辅以烟气循环。该技术得到的烟气主要成分为CO2和水燃烧前分离捕捉CO2实质上是H2和CO2的分离，指化石燃料在燃烧前分离捕捉CO2。利用化学吸收剂的CO2吸收性能，在化石燃料燃烧后的烟气中分离捕获CO2。常用的化学溶剂：有机醇胺类。主要问题是CO2吸收量小，腐蚀性强，降解吸收能耗大，且高温再生时具有加速腐蚀的趋势5 原油加工的方法。为改善燃油品质，可采用哪些二次加工工艺。催化裂化；热裂化；加氢；催化重整；延迟焦化6 天然气分离净化及转化过程。天然气净化的常用物理方法有：（1）分离和过滤。是除去固体尘粒和气体中夹带液体的主要方法。如重力或旋转式分离器都是根据气固、气液两相存在密度差原理工作的。（2）冷凝分离。利用低温操作使水和重烃凝析成液体，从气流中分出。（3）吸附法。气相或液相中某一部分在固体吸附剂表面浓聚的现象称为吸附。若被吸附物质和吸附剂间无化学反应，称物理吸附；否则，称化学吸附。吸附剂只对气流中的某种组分吸附，使该组分和气流分离。物理吸附时，随工况改变（如温度升高）会使被吸附物质脱离吸附剂表面，使吸附剂恢复吸附能力，这一过程称为再生。（4）吸收法。某种液体能选择性地吸收气体中的某种组分，使它与气流分离，这种液体称吸收剂。按两者是否能发生化学反应，也可分为物理吸收和化学吸收两种。物理吸收时，也可采取措施使被吸收物质和吸收剂分开，这一过程称为解析。解析能使吸收剂再生并重复使用。（5）直接转化法。通过某种化学反应，使杂质转化为无害化合物或易于除去的化合物。（6）综合法。以上方法的综合利用。采出气的分离天然气的脱水天然气的脱硫与硫磺回收天然气提氢水汽重整CO2的转化部分氧化联合转化7 几种特殊类型天然气，各自特点，应用开发问题。可燃冰：甲烷和水形成的水合物，易燃烧，外形似冰被称为可燃冰，其储量巨大但是开采难度巨大，且对环境可能会造成不利影响，预计相当长的一段时间内还难以进入商用煤层气：俗称瓦斯，主要成分是CH4，与煤炭伴生，以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气。热值是通用煤的2-5倍。燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气页岩气：从页岩层中开采出的天然气是一种很重要的非常规天然气资源。与常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点。大部分页岩气分布范围广，厚度大，且普遍含气，这使得页岩井能够长期地以稳定的速率产气。8 生物质转变为液体燃料的途径，生物质能源化工利用存在问题，可能解决途径。热解；直接液化；水解，发酵；间接液化；酯化生物质能缺点：氧含量高，含水分大，热值及热效率低，体积大而不易运输。解决途径：热化学转化法；利用油料植物产生的生物油；生物化学转化法；把生物质压缩成块状燃料9 几种电池的工作原理，类型、特点、使用范围，发展方向。燃料电池：电极提供电子转移场所，阳极催化燃料的氧化过程，阴极催化氧化剂等的还原过程，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电回路。锂电池：是一种二次电池，当外部电源给电池充电。此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，锂离子Li+从正极跳进电解液里，爬过隔膜上弯弯曲曲的小洞，游泳到达负极，与早先到达的电子结合在一起。放电则与充电时机理相反。特点：能量密度高，生产成本低，低毒，回收利用的能耗小。超级电容器：依靠材料表面对电荷的吸附作用形成双电层，从而达到电荷储存目的。特点：长循环寿命；功率密度高；原理和结构模型简单；材料廉价；可与再充电电池混合使用。 能量密度有限；相比电解电容器及相应电池，其工作电压低；无水电解质要求纯，价格昂贵；高电位运作时要求累积串联；实际应用过程要求与电池单元具有良好的匹配性。10 制氢的途径，从经济环保角度考虑，哪些可行？原油，煤，天然气，有机废弃物，生物质能经过重整生成氢气核能，水能，太阳能，地热能，潮汐能，风能发电分解制氢11 储氢的方法，各自特点。深冷液化液氢储存具有较高的体积能量密度，与同一体积的储氢容器相比，其储氢质量大幅度提高。液氢储存工艺特别适宜于储存空间有限的运载场合。但是由于氢气液化要消耗很大的冷却能量，液化1kg氢需耗电410kwh，增加了储氢和用氢的成本。另外液氢储存容器必须使用超低温用的特殊容器，由于液氢储存的装料和绝热不完善容易导致较高的蒸发损失，因而其储存成本较贵，安全技术也比较复杂。高压压缩普通高压气态储氢是一种应用广泛、简便易行的储氢方式，而且成本低，充放气速度快，且在常温下就可进行。但其缺点是需要厚重的耐压容器，并要消耗较大的氢气压缩功，存在氢气易泄漏和容器爆破等不安全因素金属氢化物储存特点为储氢量大，但存在氢