能源化学课件

西安理工大学理学院应用化学系,第8章能源化学,本章教学目的及要求,（1）了解能源（一次能源、二次能源）及其分类；（2）熟悉常规能源煤炭、石油和天然气的组成及其性能；了解煤的液化原理和方法；了解天然气水合物的组成；（3）了解化学电源的分类，掌握化学电源的组成及应用；（4）了解新能源：太阳能、核能、氢能、生物质能、海洋能和地热能的开发价值及其应用潜力。,8.1能源分类,8.2常规能源,8.2.1煤炭,煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。,煤炭的形成过程,植物残骸在地面上堆积，形成一层极厚的黑色腐植质，由于地壳的变动不断地埋入地下，长期与空气隔绝，并在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化等因素，形成的黑色可燃沉积岩。,煤炭的用途根据其使用目的分为两大主要用途：动力煤、炼焦煤。,煤的开采,木材、煤炭的成分及发热量,1.煤炭的新型利用技术,洁净煤技术煤炭的洁净生产煤炭的洁净加工煤炭的高效转化煤炭的洁净燃烧燃煤污染治理煤的气化技术煤的液化技术直接液化法间接液化法,2.煤的气化,1)C+O2=CO26)CO+H2O=CO2+H22)C+1/2O2=CO7)C+2H2=CH43)C+CO2=2CO8)CO+3H2=CH4+H2O4)C+H2O=CO+H29)CO+2H2=CH45)C+2H2O=CO2+2H210)CO2+4H2=CH4+2H2O,（2）煤的液化,煤与石油的区别：煤：H:C=0.40.8石油：H:C=1.51.8煤分子量石油分子量10倍,直接液化法间接液化法,煤间接液化工厂,8.2.2石油和天然气,1.石油,由古代动植物遗体经过长期复杂的变化形成的粘稠性液体。它是一种优良的液体燃料，也是重要的化工原料。石油是多种碳氢化合物的混合物，主要是烷烃、环烷烃、芳烃和烯烃，以及少量的有机硫化物、氧化物、氮化物等。,（1）石油的形成,（2）石油的开采,石油是由多种化合物組成的混合物，其中大部分的化合物为碳氢化合物。石油不易点燃，而且燃烧时会产生大量黑烟，所以要將石油精炼后才可使用。可以利用分馏的方法把石油內的化合物分成不同的組分。每个馏分具有不同的沸点范围。,（3）石油的分馏,（4）石油的综合利用,2.天然气,天然气可用于家庭、工厂作为燃料，还可代替汽油，作为机动车燃料。此外，它还是廉价的化工原料，用于合成氨、尿素、甲醛、甲醇、乙烯及其衍生物、乙炔、炭黑、合成气等领域。其主要成分是甲烷，燃烧反应为：,科学家发现海底埋藏着大量可燃烧的“冰”-“可燃冰”。可燃冰是甲烷水合物，它是由于处于深海之高压低温条件下，若干个水分子组成一个笼子，每个笼子里“关”一个由海底沉积的古生物遗体所分解的甲烷分子，形成水合甲烷。这些水合甲烷就像一个个淡灰色的冰球，故称可燃冰。这些冰球一旦从海底升到海面就会分解成水和甲烷，砰然而逝。一体积可燃冰可储载100200倍体积的甲烷气体，具有能量高，燃烧值大等优点。有关专家估计它分布的范围约占海洋总面积的10%，足够人类使用1000年。可燃冰是一种潜在的能源，储量很大，在能源紧缺的现在发现它真可解燃眉之急。,3.天然气水合物可燃冰,8.3化学电源,化学电源（Chemicalpower）又称电池，是一种能使化学能直接转变成电能的贮存或换能装置。因它无需传动部件，所以无噪音，对空气无污染。根据需要可将其做成任意大小，便于携带，已获得广泛应用。,8.3.1化学电源分类,一次电池：活性物质放电耗尽后不能再生，也不能充电二次电池：活性物质可借助外来电源充电再生，反复使用燃料电池：将燃料的化学能直接转变为电能的装置，电池需要的活性物质可从电池外部连续不断地输入电池，连续放电储备电池：正负极和电解质在储存期不直接接触，使用前才去激活，使电池进入放电状态,8.3.2.一次电池,1.酸性锌锰电池,电池表达式：()ZnZnCl2,NH4Cl(糊状)MnO2(C)()电极反应：负极：正极：电池反应：,2.碱性锌锰电池,电池表达式()ZnKOHMnO2(C)()电极反应：负极：正极：电池反应:,3.锌汞电池,电池表达式：()Zn(Hg)KOH（糊状）HgOHg(),特点:电池容量大，工作电压稳定(保持在1.34V左右)应用:主要用于小型电子仪器的电源，如助听器、手表、计算器等,4.锂碘电池,电池表达式:()LiLiII2(不锈钢)()电极反应:负极：正极：电池反应：,8.3.3二次电池,1.铅蓄电池,电池表达式:(-)PbPbSO4,H2SO4PbO2(+)电极反应:负极:正极:电池反应:,2.镍氢电池,电池表达式：()（C）|H2|KOH|NiOOH()电极反应：负极：正极：电池反应：,3.钠硫电池,电池表达式：()Na-Al2O3S+Na2SxC()电池反应：,4.锂离子电池,电池表达式：()C6LiPF6-ECDECLiCoO2()电极反应：负极：C6Lix6C+xLi+xe-正极：Li1-xCoO2+xLi+xe-电池反应：Li1-xCoO2+C6Lix,LiCoO2,LiCoO26C,5.燃料电池,燃料电池：一种将燃料的化学能直接转变为电能的装置。实质是氢气等的燃烧反应。在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出。燃料电池一般以天然燃料或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为负极的反应物质，以氧气作为正极反应物质组成。,电池符号：（）CH2KOH(35%)O2C()电池反应：（）H2+2OH-2H2O+2e-（）O2+2H2O+4e-4OH-正极需用催化剂（Pt、Pd、Co2O3、Ag等），负极以活性炭、多孔镍吸附H2。,（1）氢-氧燃料电池,电池符号：（）PtCH3OHH2SO4O2Pt()电池反应:（）3/2O2+6H+6e-3H2O（）CH3OH+H2OCO2+6H+6e-CH3OH+3/2O2CO2+2H2O可用工业甲醇；可用KOH代硫酸。,（2）甲醇-氧燃料电池,（3）燃料电池基本原理,使用氢氧燃料电池动力的法国产标致TAXI,6.储备电池,一种应急的备用电源，平时密封保存，需用时予以激活，在最短的时期内供电。按激活方式分水激活、海水激活、电解液激活、热激活、气体激活等，应用于一些特殊领域。,看看下列数据，你有什么想说的？,3、国际能源机构的统计，地球上的石油、天然气、煤供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。,2、我国的能源结构,1、我国和世界的能源消耗,8.4新能源,新能源是相对于常规能源而言，以采用新技术和新材料而系统开发利用的能源。新能源主要包括太阳能、核能、氢能、化学能、生物质能、海洋能和地热能等。,8.4.1太阳能,本质：核聚变能主要反应：,地球每年从太阳获得的总能量是1.81018kWh，仅为太阳总辐射能量的20亿分之一，这个能量数值相当于目前全世界总发电量的几十万倍.,太阳能的利用：,1.光热转换:利用太阳集热器将太阳辐射能直接转换成流体中的热能而被利用。如:热水器.2.光电转换:将太阳能转换成电能。如热发电(先用聚热器把太阳能变成热能，再通过汽轮机将热能转变为电能)和光发电(利用太阳能电池的光电效应，将太阳能直接转变为电能).3.光化学转换:先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其它能量。对光合作用进行化学模拟，人工模拟植物的光合作用，利用阳光把CO2和水等简单无机物变为碳水化合物来实现人造粮食和人造燃料。,太阳能发电站,8.4.2核能,核裂变:核聚变:,核能又称原子能。它是指原子核结构发生变化（核裂变、核聚变）时释放出的能量。核能比化石燃料燃烧放出的能量大得多。1kg铀235=1800t石油或2800t标准煤。,核电站,1954年，前苏联建成世界上第一座核电站；现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；我国秦山核电站、大亚湾核电站已建成和正式发电，秦山二期、三期核电工程、岭澳核电工程、连云港核电工程也将于近年内建成发电。,8.4.3氢能,以氢作为燃料时释放出来的能量。1.氢能的优点:氢的原料是丰富的水；氢燃烧生成物是水，不污染环境；氢来自水又回归于水，不影响物质循环；与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易；用途广泛；发电简单，发热量大，点火温度低，燃烧速度快。,2.氢燃料的制取电解水：H2OH2+1/2O2能量可用太阳能、电能。热分解水：H2OH2+1/2O2（催化剂：Ca、Br2、Hg等。温度：730-1000）光分解水：H2OH2+1/2O2光电分解水：以n-型氧化钛为电极，在阳光下使水分解。,太阳能制氢,水电解制氢,3.氢燃料的贮存H2密度小，运输和贮存都是很大问题。液氢沸点低，常温下压力很大，对设备要求高。目前主要考虑贮氢金属。1999年，我国研制出的纳米碳管，是很好的贮氢材料。,8.4.4生物质能,生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。,1.生物质能转化技术,物理转化：压制成棒状、粒状、块状等各种成型燃料化学转化：直接燃烧、生物质热解、生物质气化、液化生物转化：利用生物化学过程将生物质原料转变成气态或液态燃料的过程,2.生物质的燃烧技术直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固型燃料燃烧四种情况。炉灶燃烧最原始的利用方法，但一般适用于农村或山区分散独立的家庭用炉，它的投资最省，但效率最低，燃烧效率在1520%左右。锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的主要优点是效率高，并且可实现工业化生产。主要缺点是投资高，而且不适于分散的小规模利用，生物质必须相对比较集中才能采用本技术。,垃圾焚烧也是采用锅炉技术处理垃圾，但由于垃圾的品位低，腐蚀性强，所以它要求技术更高，投资更大，从能量利用的角度，它也必须规模较大才比较合理。固型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理，主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资前提下，以生物质代替煤，以达到节能的目的，或应用于对污染要求特别严格的场所，如饭店烧烤等。,3.生物质的发酵技术生物质的发酵技术是生物质在适宜的温度、湿度下依靠微生物的新陈代谢作用，生产气体燃料甲烷和液体有机肥料沼液的技术。我国的沼气最初主要为农村户用沼气池，20世纪70年代初，为解决的秸秆焚烧和燃料供应不足的问题，我国政府在农村推广沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生产、加工，沼液用料、饲料、生物农药、培养料液的生产，沼渣用于肥料的生产，我国北方推广的塑料大棚、沼气池、禽畜舍和相结合的“四位一体”沼气生态农业模式。,（5）生物质气化技术生物质气化技术是在一定的热力学条件下，将生物质原料转换成气体燃料的热化学转化技术。,（6）生物质液化技术生物质热解液化是生物质在完全缺氧或有限氧供给的条件下热降解为液体生物油、可燃气体和固体生物质炭三个组成部分的过程。生物质热裂解液化是在中温（500600）、高加热速率（104105/s）和极短气体停留时间(约2s)的条件下，将生物质直接热解，产物经快速冷却，可使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前冷凝，得到高产量的生物质液体油。生物质在溶剂中加压液化是一种有效的方法。而以超临界水为介质可使液化反应快速、环境友好、产物易于分离，符合绿色化学与洁净化工生产的发展方向。,（7）生物质发电主要有直接燃烧后用蒸汽进行发电和生物质气化发电两种。生物质直接燃烧发电生物质气化发电,中国第一座垃圾发电站：深圳垃圾发电站,8.4.5海洋能,海洋中所蕴藏的可再生的自然能源。,包括：潮汐能波浪能海流能（潮流能）海水温差能海水盐差能,1.潮汐能,法国朗斯河口发电站,水库面积为22平方公里，最大的潮差是13.5米，年发电量5亿千瓦,地球自转，月亮和太阳会对地球的海洋产生引力，海水水位因引力作用产生高低落差现象称之为潮汐。,2.波浪能,海浪的形成是由于风和海面互相影响。海浪能系來自风力，隨风速快慢变化具有不同之能量。,苏格兰波浪发电装置-陆上型海潮能源转换器,波浪发电装置-陆上型,3.海水温差能,海洋温差能又称为海洋热能转变（OTEC