高性能燃料合成及应用.ppt

高性能燃料合成及应用,2012.03.06,燃料的定义和作用,燃料广泛应用于工农业生产和人民生活，能通过化学或物理反应（包含反应）释放出能量的物质。燃料有许多种，最常见的如煤炭、焦炭、天然气等等。燃料的作用：发热、作功,燃料发展史,燃料的发展历史,提示1：燃料利用和消费技术的每一次重大突破，都伴随着科学技术的重大进步，促进社会生产力的大幅度提高，加速了经济的发展，使人类社会的面貌发生根本的变化。,提示2：燃料技术必须符合人类社会科技、经济、文化发展水平,现代社会的主要燃料类型,燃料种类薪柴,纤维素,木质素,一般木柴燃烧热值：12000千焦公斤,燃料种类煤,我国把每公斤含热7000大卡（29306千焦）的定为标准煤,也称标煤。,原煤燃烧热值：20934千焦公斤,燃料种类原油,原油燃烧热值：41868千焦公斤,燃料种类石油制品,汽油燃烧热值：43124千焦公斤煤油燃烧热值：43124千焦公斤柴油燃烧热值：42705千焦公斤,燃料种类天然气,天然气燃烧热值：55630千焦/公斤,燃料种类氢气,氢气燃烧热值：143000千焦/公斤,最著名的氢气燃烧事件：兴登堡飞艇燃烧，（1937年5月6日）飞艇时代突然终结了。,燃料种类核能,核航母,福岛核电站,核爆炸,反应堆堆芯,1千克U235全部裂变能量:相当于2700吨标准煤燃烧放出的能量,燃料对现代社会的影响,燃料改变人类生活(更快1),燃料改变人类生活(更快2),燃料改变人类生活(更高、更远),空客A380飞机,人造卫星,伽利略号木星探测器,燃料改变人类生活(更强),蒸汽船,40万吨超级油轮,万吨级集装箱货轮,燃料改变人类生活(气温),有关系？没有关系？,燃料改变人类生活(疾病),2005年以来，北京市肺癌的发病率及死亡率均居众癌，已经成为北京市民的“第一杀手”,燃料改变人类生活(地球环境),乞力马扎罗山顶峰（右1992左2005）,喜马拉雅山脉（上1968下2007）,内蒙古拉僧庙发电厂,化石燃料在利用过程中对环境的影响主要是燃烧时各种气体与固体废物和发电时的余热所造成的污染。一是全球气候变化，温室效应加剧，改变了全球的气候，生态平衡失衡。二是污染物对生物的毒害。三是热污染，排放废热提高周边环境温度。,未来社会对燃料的要求及应对,燃料的命运？,1、抛弃燃料？,2、改进燃料？,3、保持现状？,未来燃料的性能要求及应对,能量密度更大、使用性能更好,更方便运输、存储、使用,更清洁,更安全,可循环,从天然原料为主到人工合成为主,从固燃料为主到气、液燃料为主,气液固体燃料在运输、存储、使用中的优缺点?,可再生燃料,性能要求,解决办法,高性能,合成,高性能合成燃料,高性能汽油生产及应用,高性能汽油生产汽油生产工艺,高性能汽油生产直馏汽油生产工艺,由原油经直接分馏（直馏法）而得的汽油。其沸点范围(又称馏程)并无严格界定，通常为初馏点至205(或215)，主要含碳四至碳十二的烃类，或更重些，还含有少量硫化合物。这种汽油主要含饱和烃类，含有较少的不饱和烃类，因而具有较高的化学稳定性。辛烷值因原油产地而异，但都不够高，只能作为一个组分调合到汽油中。,高性能汽油生产重整汽油生产工艺,辛烷值较低的汽油(或石脑油)馏分，在高温下经过贵金属催化剂(如铂、铼、铱)将其转化为富含苯、甲苯、二甲苯类、乙苯类等芳烃，以提供芳烃等化工原料或生产高辛烷值汽油。这种在重整反应过程中生成的汽油就叫重整汽油，由于其中芳烃含量高，可以作为高辛烷值汽油的调和组分。,重整塔,重整工艺,高性能汽油生产裂解汽油生产工艺,又称热解汽油。以轻烃、石脑油、柴油甚至减压蜡油为原料，在水蒸气存在下高温裂解制取乙烯的过程中，生成含碳五烃类以上的液体副产品，经分馏出干点为205的液体称为裂解汽油。由于此种汽油富含芳烃，经过加氢精制后可作为高辛烷值汽油组分或用于萃取苯、甲苯、乙苯、二甲苯等化工原料。,独山子石化年15万吨乙烯裂解炉全景,裂解炉管,高性能汽油生产无铅汽油生产工艺,无铅汽油是一种在生产过程中没有添加四乙基铅作为抗震爆添加剂的汽油，英语略称ULP(Un-LeadedPetro)。,无铅汽油生产方法：采用MMT(甲基环戊二烯三羰基锰),ETBE(乙基叔丁基醚),TAME(甲基叔戊基醚),DMC(碳酸二甲酯)等添加剂替代有毒的四乙基铅。,高性能汽油生产清洁汽油生产工艺,清洁汽油生产方法：加氢脱硫、加氢精制,加氢精制装置,天然气的生产及应用,天然气生产,天然气田,天然气管道,京华BK6111CNG型公交车燃料：CNG（压缩天然气）,天然气燃料应用,卡塔尔航空公司空客340600型客机燃料：混合燃料(传统航空燃油/天然气合成燃料),硝基甲烷制备及应用,硝基甲烷应用,汽油是一种碳氢化合物，汽油的化学式是C8H18。硝基甲烷的化学式是CH3NO2。这种燃料利用自身的氧原子来辅助燃烧。通常情况下，燃烧1千克的汽油大约需要15千克的空气，而燃烧1千克的硝基甲烷则只需要1.7千克的空气。这表明，在气缸容积一定时，可以泵送到气缸的硝基甲烷量比汽油大约要多8倍，并且如此多的硝基甲烷仍可以实现全完燃烧。采用硝基甲烷的一大优势在于，发动机内每次爆燃产生的能量将远比汽油多。对于相同重量的硝基甲烷和汽油，前者产生的能量较低，但可以在气缸中燃烧的硝基甲烷的量要远比汽油多。最终结果是，采用硝基甲烷时每一冲程产生的能量更高。,直线加速赛,硝基甲烷生产,1.甲烷气相硝化法将稀硝酸喷成雾状使之气化，与经过预热的甲烷（天然气）混合，使硝酸、甲烷、水蒸气保持一定比例。混合气进入以熔盐为加热介质的管道反应器中，在常压和450-550条件下直接硝化。反应生成物经冷凝和水吸收，得到的硝基甲烷水溶液经蒸馏得粗硝基甲烷，再经洗涤、精馏即得成品。2.硫酸二甲酯与亚硝酸钠反应法将亚硝酸钠和硫酸二甲酯加入反应器中进行反应，反应产物经冷凝、蒸馏、冷却分层得成品。此外，还可以采用亚硝酸钠与氯乙酸钠反应，再加热制得。亚硝酸盐与卤代烷反应制得。在工业上也可用其他低碳烷烃（乙烷、丙烷）直接气相硝化，但反应生成物是硝基甲烷、硝基乙烷、硝基丙烷的混合物。,氢气制备及应用,氢能的利用前景,氢气的清洁工业制备,甲烷部分氧化法制氢,氢气工业生产方法：合成气生产氢气（合成气发生设备，变压吸附设备）由裂化石油气生产（生产设备裂化设备，变压吸附设备，脱碳设备）电解水生产（生产设备电解槽设备）,光解水制氢,氢能的清洁应用-氢燃料电池,氢燃料电池工作原理,氢燃料电池汽车,波音氢燃料电池飞机,氢能的清洁应用-氢氧火箭发动机燃料,我国50吨级氢氧发动机样机,新一代运载火箭50吨级氢氧发动机试验,非氢氧发动机火箭发动机试车,长征三号甲运载火箭,氢能的清洁应用-航天飞机发动机燃料,航天飞机采用液体氢氧发动机,液体氢氧发动机具有大推力、清洁等特点,云爆弹用燃料生产及应用,云爆弹和其工作原理,云爆弹亦称燃料空气炸药，实际上就是由装有燃料的容器和定时起爆装置构成的一种战斗部。其作用原理和过程是；先由适当的发射装置或飞机将云爆弹发射或投送到目标区上空；当离地面（或水面）一定高度时，实施第一次引爆使弹载化学燃料散布到空中，燃料弥散形成的细小雾粒迅速与周围空气混合，形成一定直径和厚度的可燃气溶胶云团（即燃料空气炸药）；随之，弹载起爆引信引燃云团，激发爆轰，达到破坏和杀伤目标的效果。,云爆弹燃料：大多为环氧乙烷、环氧丙烷、硝基甲烷、乙烯乙炔等液体、气体、固体类高挥发性易燃燃料,美军Moab，BLU-82云爆弹技术参数：重6800公斤，半径可达170米至190米造价2万7千美元,云爆弹攻击目标过程,云爆弹用燃料生产-环氧丙烷生产原理,1、氯醇法,2、共氧化法,云爆弹用燃料生产-环氧丙烷生产工艺（乙苯共氧化法）,云爆弹用燃料生产-环氧乙烷生产原理,催化环氧化法,云爆弹用燃料生产-环氧乙烷生产工艺,偏二甲肼生产及应用,偏二甲肼燃料的应用,偏二甲肼是导弹、卫星、飞船等发射试验和运载火箭的常规液体燃料,燃料：偏二甲肼、四氧化二氮，射程：1.2万公里，有效载荷：3.2吨,东风5洲际弹道导弹两级液体火箭,偏二甲肼燃料的燃烧方式,(CH3)2NNH2+4O2=2CO2+4H2O+N2,1、液氧为氧化剂,2、五氧化二氮为氧化剂,(CH3)2NNH2+2N2O4=2CO2+4H2O+3N2,偏二甲肼燃料的性质,熔点:-57沸点:63密度：0.793易燃，易爆，易溶于水，剧毒，致癌。易通过皮肤吸收。,偏二甲肼燃料使用的问题：1、毒害大、危险程度高。2、对水体污染大。3、运行成本高。,偏二甲肼燃料的生产,1、二甲胺亚硝化、还原法,(CH3)2NH+HNO2=(CH3)2NNO+H2O(CH3)2NNO+2Zn+4HCl=(CH3)2NNH2+2ZnCl2+H2O,2、氯胺法,(CH3)2NH+ClNH2=(CH3)2NNH2+HCl,高密度烃类燃料生产及应用,高密度烃类燃料的应用(飞得远),在飞行器体积一定的情况下,燃料密度越大则所能携带的燃料越多;而燃烧热值越高则单位体积燃料所提供的能量越大,对于提高飞行器的性能越有利。,美国海军BGM-109“战斧”式巡航导弹燃料类型：RJ-4,RQ-4“全球鹰”无人机燃料类型：JP-8/SPK（石蜡煤油）混合燃料,最大飞行速度740km/h，巡航速度635km/h，航程26000km，续航时间42h。,速度880km/h,射程2500公里,高密度烃类燃料的应用（飞得快）,“猎鹰HTV-2号”超高音速飞机,20倍音速，每小时2.1万公里,SR-71“黑鸟”高空高速侦察机,飞行高度：3万米，最大速度：3.5倍音速,燃油：JP-7吸热燃料,高密度烃类燃料的分类,1、大比重煤油2、合成多环烃类燃料3、高张力笼状烃类燃料,高密度烃类燃料的性质特点,高能量、高密度、低冰点、低粘度,高密度烃类燃料的合成航空煤油生产方法,我国航空煤油指标：净热值不小于10250大卡/公斤，密度不低于0.775克/立方厘米。冰点指不得高于-55C-60C.,由于对航空煤油要求严格，航空煤油多采用一次通过部分转化的工艺，加氢精制，芳烃饱和能力强，得到油品密度具有密度大、烟点高、热值高、芳烃低的特点。,高密度烃类燃料的合成RJ-4合成方法,混合物，由二甲基双环戊二烯加氢制备,高密度烃类燃料的合成JP-10合成方法,单质，由双环戊二烯通过加氢、异构化、分离提纯得到,高密度烃类燃料的合成RJ-5合成方法,RJ-5燃料的结构为全氢降冰片二烯二聚体。通过环戊二烯和乙炔合成的降冰片二烯(NBD),经过聚合反应可以得到几种高碳氢比、稠环烃混合物：二聚降冰片二烯,其中五环挂-反-挂式质量分数为10%-20%,六环挂-挂式为16%22%,六环桥-桥式为55%-75%,高密度烃类燃料的合成三环戊二烯合成方法,高密度烃类燃料的合成高张力烷CPUD合成方法,通过环戊二烯与对苯二醌的Diels-Alder双烯加成反应,得到的产物在Hg灯照射下发生双烯成环反应,最后在碱性溶液中发生还原反应得到产物PCUD,高密度烃类燃料的合成高张力烷二聚CPUD合成方法,由CPUD通过低价的Ti催化剂,催化还原聚合得到,高密度烃类燃料的合成高张力烷四环烷合成方法,四环烷可以通过降冰片二烯经过光化学反应异构化得到,高密度烃类燃料的合成C60合成方法,C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。,C60分子球棒模型,60个碳原子构成像足球一样的32面体，包括20个六边形，12个五边形。,用大功率激光束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳分子，从而得到了C60。,美国科学家罗伯特柯尔和理查得斯莫利、英国科学家哈罗德克罗特因发现碳元素的第三种存在形式C60，共同荣获1996年诺贝尔化学奖。,煤基航空燃料的制备及应用,煤基航空燃料的制备,2007年，美国空军一架C-17“环球霸王”运输机使用合成燃料穿越北美大陆后飞临纽约城。,美国空军F-16猎鹰战机,煤基航空燃料的应用,生物质燃料制备及应用,生物质燃料制备及应用-生物柴油,生物柴油的优点（与石化柴油相比）：1、环保（S、N含量少，不含芳烃，燃烧完全）2、可再生3、安全（闪点高、抗爆）4、燃烧性能好5、有一定润滑作用6、对发动机无需改动,生物柴油主要是指由动、植物油脂转化而来的可供柴油机使用的可再生、清洁燃料。,生物柴油的优点（与石化柴油相比）：1、环保（S、N含量少，不含芳烃，燃烧完全）2、可再生3、安全（闪点高、抗爆）4、燃烧性能好5、有一定润滑作用6、对发动机无需改动,生物质燃料制备及应用-生物柴油的生产原理,生物油脂与低碳一元醇（C1-C4）进行酯化或转酯化反应生成相应的脂肪酸低碳烷基酯，再经分离甘油、水洗、干燥得生物柴油。,生物质燃料制备及应用-生物柴油的生产工艺,生物质燃料制备及应用-燃料乙醇,燃料乙醇：作为燃料使用的，以淀粉、糖质、纤维素等为原料生产的无水乙醇。,乙醇的燃料性质,生物质燃料制备及应用-燃料乙醇生产原理,发酵途径：己糖丙酮酸乙醛乙醇,生物质燃料制备及应用-燃料乙醇生产工艺,生物质燃料应用,生物燃料动力飞机,生物燃料主要为巴西棕榈树油及椰子油,英国维京大西洋航空公司波音747型客机,宾利生物燃料车（英国女王专车）,萨博9-XAir生物燃料概念车,E85燃