常规和新能源的开发和利用（课堂PPT）

冶金能源与环保任课教师：宋巍2013年3月1第二章常规和新能源的开发和利用分为两部分：常规能源资源及评价新能源的开发和利用2第1节常规能源资源及评价能源资源虽然种类多，数量大，但各有其特点和问题原子核聚变能源：初步成熟，逐渐应用太阳能、风能：间歇性、不稳定性，大规模利用还不经济，技术初步成熟煤炭、石油、天然气、水力：成熟能源，广泛应用，但有其利弊，如污染和衰竭3常规能源是发展能源工业的基本条件，在一定时期内，各国经济发展还要靠煤炭、石油、天然气和水力等常规资源。新能源的大规模使用还受到许多因素的影响。4对能源资源数量表示的术语：资源量：定义：是不受当前开采技术经济条件限制的数量；例如：2000m以内的煤层；储量：定义：与开采的技术经济条件密切相关的数量；例如：1500m以内，0.6m厚以上的煤层。5能源储量：对能源储量进行地质和勘探工作，根据工作的不同程度分别确定为不同类别和不同级别的能源储量，一般将能源储量区分为：地质储量：

定义：是根据已掌握的资料，按能源储藏的形式与分布规律进行地质推算而得出的储量；探明储量：

定义：指已经做过不同程度的勘探工作，并提出相应的地质勘探阶段报告所计算获得的储量67可采储量：在探明储量中，按当前技术经济条件可以开采的储量，又叫可供使用量。81煤炭资源世界煤炭资源是最丰富的常规能源资源，是发展能源工业的重要物质基础。世界煤炭资源我国煤炭资源9世界煤炭可采储量的60%集中在美国(25%)、前苏联(23%)和中国(12%)，此外，澳大利亚、印度、德国和南非4个国家共占29%。10主要分布在华北、西北地区，以山西、陕西、内蒙古等省区的储量最为丰富。煤炭资源的特点是：蕴藏量大，但勘探程度低；煤种齐全，但肥瘦不均，优质炼焦用煤和无烟煤储量不多；分布广泛，但储量悬殊，东少西多，北丰南贫；资源赋存东深西浅，露采煤炭不多；煤层中共伴生矿产多。11煤炭生产和利用中的问题环境保护问题：露天开采破坏土地、废气废水污染煤炭运输问题：我国铁路煤炭运输动力与供需增长的脱节问题将持续煤炭利用的技术问题：流态化床燃烧、煤油混烧、水煤浆、煤炭气化、液化技术12洁净煤技术：（1）选煤（2）型煤（3）水煤浆（4）先进的燃烧器（5）流化床燃烧（6）煤气化联合循环发电（7）煤炭气化（8）煤炭液化13141516制备流程：17182石油资源对石油资源的储量，通常用地质储量和可采储量来表示；地质储量：地下已发现的石油总量；可采储量：在地质储量中，用现代技术可采采收率：可采储量对地质储量比值的百分数，一般为30％，保证良好储采比，防止储采比失调；世界石油资源和我国的石油资源19203天然气资源世界天然气资源概况：可采储量约为73万亿立方米，俄罗斯、伊朗最多，其次是美、阿尔及利亚、沙特、加拿大我国列12位。2122234水力资源我国水力资源理论蕴藏量达6.8亿千瓦，居世界首位；可开发的水力资源装机容量为3.7亿千瓦，年发电量1.9亿千瓦时，是我国能源的巨大宝库，是不断再生的能源；2425第二节世界能源利用状况及发展趋势能源的开发利用，同社会生产力的发展、科学技术的进步，以及人们生活水平的提高都有着极为密切的关系；能源科学技术的每个重大突破，都会引起人类社会技术的一次革命，把社会生产力推到一个新的水平；261世界能源的利用状况1－柴草2－煤炭3－石油4－天然气5－核裂变能6－太阳能、核聚变能及其它新能源272世界能源的发展趋势能源危机其它能源的开发和利用（1）原子能的进一步开发利用（2）水力发电（3）一些新型能源（4）扩大煤的利用范围：将煤转换成气体和液体燃料，是替代石油和天然气供应不足的有效途径。28我国能源利用情况1我国能源构成与消费结构我国能源构成与工业发达国家正好相反，石油和天然气的比重小，以煤为主。2我国能源利用情况（1）单位国民生产总值能耗逐年下降；（2）主要能耗产品单位能耗下降；（3）节能能力增加，节约建设资金；（4）资源综合利用率提高；29第2节新能源的开发利用新能源：一个相对的概念，任何一种能源，从它被人们发现到广泛利用，都有一个历史过程；例如：石油、天然气、核能；常规能源资源将逐渐枯竭；新能源：太阳能、地热能、原子核能、海洋能；在本世纪，新能源在世界能源消费结构中将占重要地位。301太阳能312我国的太阳能资源详细分布：一类地区：日照2800-3300h，辐射量670-840万kJ，宁甘新青藏二类地区：3000－3200h，580-670万kJ，冀晋内宁甘三类地区：2200－3000h，500－580万kJ，鲁豫吉辽粤四类地区：1400－2200h，420－500万kJ，湘鄂桂赣浙五类地区：1000－1400h，330－420万kJ，川黔国土广阔、太阳能资源丰富，一、二、三类面积大，有利用条件。323太阳能资源的利用直接利用，有三种方式：（1）太阳能－>热能，＝>光－热转换（2）太阳能－>电能，＝>光－电转换（3）太阳能－>化学能，＝>光－化学转换33光热转换：基本原理：使太阳光聚集起来，用它加热物体而获得热量；装置：平板型集热器：太阳能热水器、太阳能蒸馏器、箱式太阳灶等；抛物面型反射采光器：伞式太阳灶、高温太阳炉，可获得较高温度。34太阳能大规模利用，是用于发电：光－热－电转换方式：原理：利用太阳辐射产生的热能发电，它是由太阳能集热器将吸收的热能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电。缺点：夜间、阴天得不到太阳辐射，需要储能，投资费用高。光－电转换方式：原理：利用光电效应原理，吸收太阳光的可见光部分，将光能直接转换成电能。例如：太阳能电池（硅太阳能电池效率达13－20％），较为切实可行的方式。354原子能资源的利用最现实的替代燃料能源的高品位能源，先进、清洁和经济。核能工业的发展有以下几个问题：（1）核燃料的生产供应问题36（2）核能的安全与防护问题每一个体系，从采矿－>废物的处理，都存在着安全问题；重点：核反应堆的安全防护和核废物的安全储存；三重密封安全措施防护：燃料元件保壳、一回路压力壳、密封安全壳；废物处理：废液固化、利用地质构造地下储存37（3）核能的经济性问题核燃料消耗极少，但技术要求高，从经济性分析，核电站更适合用作承担电网的基本负荷，而不适用作为尖峰负荷。（4）进一步扩大核能的用途问题A、直接利用核能供热：低温供热<200℃，高温供热900℃；B、利用核能将煤转化为甲烷，代替天然气，扩大煤的用途；C、利用核能使水裂解制氢－>氢能385燃料电池的开发和利用燃料电池：定义：把化学反应的化学能直接转化为电能的装置，与火力发电相比，关键的区别在于燃料电池的能量转变过程是直接方式。39燃料电池（FuelCell）与电池（Battery）的区别相同点：将化学能转化成电能的装置；区别：燃料电池是能量转换装置；电池是能量储藏装置；40严格地讲：燃料电池是电化学能量发生器，是以化学反应发电；原电池是电化学能量生产装置，可一次性将化学能转变成电能；充电电池是电化学能量的储存装置，可将化学反应能与电能可逆转换。41燃料电池的构造示意42燃料电池的特性燃料的电池的优点：（1）高效率（2）可靠性（3）良好的环境效益（4）良好的操作性能（5）灵活性（6）发展潜力43燃料电池的发展1839年格罗夫使用两个铂电极电解硫酸时注意到，析出的气体（氢和氧）具有电化学活性，并在两极产生约1V的电势差;20世纪50年代，用于阿波罗登月计划；氢－空气燃料电池；70年代中期，磷酸盐燃料电池；80年代熔融碳酸盐燃料电池；90年代固体氧化物电池；质子膜燃料电池。44目前，燃料电池必须解决的问题：提高电池寿命、降低昂贵的膜及排热、排水等辅助系统的价格45燃料电池的类型、研究现状及应用分类：直接燃料电池：电池反应物被排放掉；再生燃料电池：将产物再生为反应物；非直接燃料电池：两类一种是对有机燃料的加工，使其转变成氢；一种是生物化学燃料电池，生化物质在酶的作用下产生氢。46按工作温度分：工作温度：低温中温高温超高温

25－100100－500500－1000>1000℃根据电解质的性质分：碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）47燃料电池分类直接型间接型再生型低温中温高温重整型生化型氢-氧氢-氧氢-氧天然气葡萄糖热再生有机物-氧有机物-氧CO-氧石油碳水化合物充电再生氮化物-氧氨-氧甲醇尿素光化学再生金属-氧乙醇放射化学再生氢-卤素煤金属-卤素氨48主要燃料电池及其特性电池类型碱性燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池简称AFCPEMFCPAFCMCFCSOFC电解质KOHPEM磷酸Li2CO3-K2CO3YSZ电解质形态液体固体液体液体固体阳极Pt/NiPt/CPt/CNi/Al,Ni/CrNI/YSZ阴极Pt/AgPt/CPt/CLi/NiOSr/LaMnO3工作温度/℃50-20060-800150-220约650900-1050应用空间,机动车电站,机动车,便携式电源共发电,机动车,轻便电源共发电共发电49电极反应在无CO、CO2时，阳极氧化反应为