第八章--能源与化学VIP

第八章能源与化学,所谓能源是指提供能量的自然资源。既包括提供能量的物质资源，又包括提供能量的物质运动形式。,能源,一次能源,二次能源,常规能源,新能源,可再生能源,非可再生能源,可再生能源,非可再生能源,煤制品洗煤、焦碳、煤气,石油制品汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油气、电力、氢能、余热、沼气、蒸汽等。,人类利用能源的历史、现状及前景展望：,远古时代直到中世纪，薪柴在世界一次能源消费结构中居首位。,18世纪下半叶至20世纪初，煤炭取代薪柴成为主要能源。世界能源开发利用的第一次大转变。,20世纪初至70年代，石油取代煤炭成为主要能源。世界能源开发利用的第二次大转变。,20世纪70年代以来，开始世界能源开发利用的第三次大转变，即以可再生清洁能源为基础的持续发展的能源系统取代石油、天然气为主的能源系统。,世界能源委员会(WEC)和国际应用系统分析研究所(HASA)认为：在21世纪上半叶，石油、煤炭和天然气等化石燃料仍将是世界一次能源构成的主体；到21世纪下半叶，随着石油和天然气资源的枯竭，太阳能、生物质能、风能等可再生能源将获得迅速发展；到2100年，可再生能源将占世界一次能源构成的50%左右。,一、化石燃料,包括煤、石油和天然气等。最初都是由水和大气中的CO2经光合作用合成的，把太阳能转化为化学能，储存在矿物燃料中。生长周期极长，储量有限，是不可再生能源。,煤,“黑色金子”,洁净煤技术：煤的气化、煤的液化。,根据煤化程度分为：泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。,煤的气化是指煤在氧气不足的情况下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为含H2、CO等可燃性气体的过程。,石油,“工业的血液”,石油的炼制：分馏、裂化、重整、加氢精制等。,分馏塔示意图,天然气与可燃冰,天然气是指储藏于地层较深部位的可燃性气体，主要成分是甲烷，还有少量的乙烷、丙烷和其他碳氢化合物。,“西气东输”,是几乎无需加工、易于管道输送、热值高的优质清洁燃料。是21世纪消费量增长最快的能源。,管道煤气的可燃成分是氢气、一氧化碳和甲烷，分别约占4850%，1015%和1318%。,液化气又叫液化石油气，主要成分是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，分别约占7%、28%、23%、42%。,管道煤气、液化气和天然气的热值分别为：15.6、109、38.7MJ/m3。,作为民用燃料时，都添加有一定量的臭味剂。,可燃冰是一种天然气水合物的新型矿物，在低温、高压条件下，由天然气分子与水分子组成的一种类冰结晶化合物的固体物质。,陆地永久冻土带和深水大陆架具有形成天然气水合物的有利条件。绝大部分天然气水合物分布在海洋里。,地球海底可燃冰的蕴藏量相当于目前世界能源消耗量的200倍。目前国际公认全球的可燃冰总储量是地球上所有煤、石油和天然气总和的23倍。,二、核能,是原子核发生变化而释放出的巨大能量。包括核裂变能与核聚变能。目前工业上大规模应用的是核裂变能。是20世纪40年代出现的新能源。,1954年苏联建成世界上第一座核电站。目前，全世界共有核电站500座，全年总发电量占世界总发电量的17%。,核燃料有U-235、Pu-239、U-233。,中子诱发U-235裂变形成链式反应,1gU-235裂变放出的能量约为8x107kJ，相当于燃烧3吨标准煤所放出的能量。,核能发电的优点:,能量巨大，且燃料能量密度高。,清洁能源。,成本低，经济性优于火电。,核能发电的隐患:,电站的运行安全问题。,核废料的处理问题。,核聚变是使很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子核的反应。1g燃料(如氘(12H)、氚(13H)核聚变所产生的能量约为核裂变相应能量的4倍。,核聚变需要在极高温度下(如几兆度)进行。用于工业目的的可控热核反应技术尚处于研究之中。如何取得所需的高温、用何种材料制造反应器以及如何控制聚变过程等均处于实验和探索中。,三、化学电源,电能是人类社会迄今应用最广泛，使用最方便、最清洁的二次能源。利用氧化还原反应即电子转移反应将化学能直接转变成电能的装置称为化学电源。,电池中化学反应不经过热能直接转换成电能，若反应不可逆或不能再生者称为一次电池或原电池，如通常用的干电池；若反应可逆，由外部供给电能可再生者称为二次电池或蓄电池，如铅（酸）蓄电池等。,锌锰干电池锌（壳）为负极、二氧化锰连接炭棒为正极，以氯化铵为电解质。通常为1.55伏。,1一次电池,Zn(s)+2MnO2(s)+2NH4+(aq)=Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+2NH3(aq)+H2O(l),适用于电动玩具、剃须刀、照相机等电器具。,或Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l)=ZnO(s)+MnO2(s),锌汞干电池锂-铬酸银电池,2二次电池,碱蓄电池以镉为负极，氢氧化镍-镍为正极，以氢氧化钾为电解质。其特点是可在-2045应用，并且经久（725年）耐震。,可反复充、放电,铅（酸）蓄电池负极为海绵状铅，正极为二氧化铅（连炭棒或其它导体），电解液为硫酸。铅蓄电池系大容量稳定电池，可反复充电1000次以上，主要用于汽车及各种需稳压直流电源的仪器。,氢镍电池以新型储氢材料钛镍或镧镍合金材料为负极，氧化镍为正极，以氢氧化钾为电解质。其特点是能量密度高，是镉镍电池的1.52倍；可快速大电流充放电；低温性能好；无毒，无环境污染；不使用贵金属；循环寿命长等。,锂离子电池正负极材料为Li+嵌入化合物。正极用LiCoO2等锂盐，负极用LixC6等，以LiPF6等的有机溶液为电解质。其特点是能量密度高，是镉镍电池的23倍；工作电压高(约为4.0V)，是镉镍、氢镍电池的3倍；体积小，比氢镍电池小30%；质量轻，比氢镍电池轻50%；无环境污染、寿命长等。,3.燃料电池,在碳膜上布满铂粉作催化剂，通入氢气和氧气平稳反应，既得电流，又得净水。已装备于阿波罗飞船上。,PEMFC工作原理示意图,品种繁多的电池产品,一粒纽扣电池可污染60万升水，等于一个人一生的饮水量。一节电池烂在地里，能够使一平方米的土地失去利用价值，所以把一节节的废旧电池说成是“污染小炸弹”一点也不过分。,废旧电池的危害性,废旧电池的危害主要集中在其中所含的少量的重金属上。,四、现代新能源,1.太阳能,光热转换、光电转换、光化学转换。,2.氢能,氢的廉价制备、储存、运输问题。,3.生物质能,是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。,木材及森林工业废弃物农业废弃物水生植物油料植物城市和工业有机废弃物人和动物粪便,包括：,传统的从生物质取能方式是直接燃烧。能量利用率低，并且污染环境。,热化学转换法：获得木炭、焦油和可燃性气体等方法。,新方法：,生物化学转换法：生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品。,利用油料植物所产生的生物油。,把生物质压制成成型燃料(