第九章能源与化学

第9章能源与化学,9.1能源概述1.能源的分类2.世界能源结构与消费3.中国能源现状及趋势4.能源开发利用趋势限制并有计划的开采石油和天然气发展原子能加速开发利用新能源节流,表9-1能源分类,表9-2世界能源消费量和构成,标准煤1kg发热量为29260kj的煤例：某原煤的发热量为20920kj/kg，则1kg这种原煤相当于标准煤：20920/29260=0.7150kg,表9-3中国的能源现状和构成,9.2煤、石油和天然气,1.煤的种类及主要成分,煤的化学组成,C：主要可燃成分，C(s)+O2(g)=CO2(g)rHm(298.15k)=-393.5kjmol-1H：主要可燃元素有效氢与CSP结合，可燃烧化合氢与O结合，不能燃烧O,S,N等：有害成分,2.煤的有效洁净利用洁净煤技术（CleanCoalTechnology简称CCT）,中国洁净煤技术主要技术领域：煤炭利用前净化技术煤炭洁净燃烧煤炭的转化技术污染控制与废气、废物管理,（1）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,3.石油和天然气,石油的主要组成元素为CHONS8387%1014%0.0525%0.020.25%0.058,和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。（2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主煤中的碳氢化合物以芳烃为主,各种石油产品：,9.3核能,1.原子核的组成和结合能,例：23592UA=235Z=92n=235-92=14323892UA=238Z=92n=238-92=14623592U和23892U是两种不同的核素，且互为同位素,原子核质子（p）质子和中子总称为核子中子（n）,核素（质子数和中子数都相同的一类元素）：AZXX元素符号Z质子数，即原子序数A核子总数，称为质量数,质量数（A）=质子数（Z）+中子数（n）,同位数质子数相同而中子数不同的核素互为同位数,核引力原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力,原子核的结合能若干个核子结合成原子核时所释放的能量结合能的计算：质量亏损m=（中子质量+质子质量）-核的质量E=mc2c（光速）=3108ms-1E=mc2例：计算1mol质子和1mol中子结合成1mol氘核（21H）时可释放出多少能量（结合能）,解：1mol质子m=1.00728g1mol中子m=1.00867g1mol21Hm=2.01355gm=(1.00728g+1.00867g)2.01355g=0.00240g=2.410-6kgE=mc2=2.410-6kg(3108ms-1)2=2.16108kj,各原子核的每克结合能是不同的,通常核子数（质量数）小的原子核，每克结合能小核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大核子数（质量数）大于200的原子核，每克结合能变小,核反应使原子核转变成新原子核的过程核裂变让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度的新原子核的过程核聚变让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大的新原子核的过程,2.核裂变,核裂变：是用中子（10n）轰击较重原子核使之分裂成较轻原子核的反应。,U-235裂变链式反应：,1gU-235可放出8107kj的能量1g煤完全燃烧放出的热量为：30kj1gU-235产生的能量相当于2.7106g煤燃烧产生的能量,核裂变的核燃料：U-235U-233Pu-239,例：14456Ba+8956Kr+310n23592U+10n14054Xe+9438Sr+210n13351Sb+9941Nb+410n,核燃料U-235、Pu-239中子吸收剂（控制棒）：BCdHf控制n=1中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子,反应堆：,核电站运行的两大问题：安全问题,核废料的处理问题,例：21H+21H42He1g氘聚变时放出的能量为：5.8108kj,3.核聚变,核聚变：由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。,中国环流一号,核聚变的优点：核聚变产物氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的废料核聚变原料氘、氚，资源丰富，可从海水中提取1kg海水中含有0.03g氘，地球上的海水约有1018吨，聚变原料十分丰富。,实现核聚变的两个关键问题：反应温度足够高：109人为控制核聚变反应的速度受控核聚变,9.4新能源的开发、利用,1.氢能以氢作为燃料而释放出的能量氢能的特点：（1）氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出10倍（2）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，是汽油发热值的3倍。（3）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。（4）制氢的原料水，资源极为丰富。燃烧产物水，对环境无污染。（5）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。（6）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。,（1）氢的制取,氢的制取方法：水煤气法：在高温下用C做还原剂，与水反应C+H2O=CO+H2电解法：2H2O(l)=2H2(g)+O2(g)热化学分解法太阳能制氢：,H2O=H2+1/2O2反应中键能的变化为：断开H2O分子中2molO-H键需吸收930kj的能量生成1molH-H键放出463kj的能量生成0.5molO=O键放出249kj的能量分解1mol的H2O需提供的能量为：930kj-436kj-249kj=245kj,（2）氢的储存,氢的密度=0.071gcm-1,不利于储存，如：15MPa压力下，40dm3的钢瓶只能装0.5kg的H2。若是将氢液化，t=-253，需耗费很高的能量。,储氢合金：镁系储氢合金MgH2Mg2Ni稀土系储氢合金LaNi5MmNiMn(混合稀土)钛系储氢合金TiH2TiMn1.5,例：镧镍合金LaNi5的吸氢反应：,2.太阳能、风能,太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为：411H42He+2-10e-该反应释放出的核能