化学与能源-教案

PAGE化学环境社会第三章化学与能源3——PAGE4教学目的与要求：1.了解能源的分类及能源利用现状和发展趋势。2.了解煤、石油和天然气的化学组成，掌握煤的清洁燃烧和化学转化技术，掌握石油的主要炼制过程。握核裂变反应、核聚变反应的原理。解太阳能、地热能、氢能及生物质能等新型清洁能源。教学重点与难点重点：煤的清洁燃烧和化学转化技术、石油的主要炼制过程、核能难点：核裂变反应、核聚变反应的原理能源是指可以为人类提供能量的自然资源，它是国民经济发展和人类生活所必需的重要物质基础。目前能源、材料、信息被称为现代社会繁荣和发展的三大支柱，是人类文明进步的先决条件，国际上往往以①能源的人均占有量；②能源构成；③能源使用效率；④能源对环境的影响因素，来衡量一个国家现代化的程度。一次能源:存在于自然界中的可直接利用其能量的能源。二次能源:不是自然界天然存在的，是人类利用一次能源经过加工转化而取得的能源。可再生能源：不会随着本身的能量转换或者人类的利用而日益减少的能源，它们具有天然的自我恢复能力。不可再生能源：越用越少，在短时期无法再生的一次能源。

2.全球能源结构和发展世界能源发展从历史上看，世界能源结构经历了三次大转变：①18世纪60年代，英国的产业革命促使全世界的能源结构发生了第一次大的转变。蒸汽机的推广、冶金工业的蓬勃发展以及铁路和航运的发达，无一不需要大量的煤炭，以1920年为例：煤炭在当时世界商品能源中占87%。1.煤的主要成分：煤的化学结构模型基本反映了煤化学结构研究的新进展，可以解释煤的热解，加氢、氧化、酸解聚和水解等许多化学反应，图中箭头处为键能较低即不稳定的桥键。煤的化学结构模型基本反映了煤化学结构研究的新进展，可以解释煤的热解，加氢、氧化、酸解聚和水解等许多化学反应，图中箭头处为键能较低即不稳定的桥键。2.煤的洁净燃烧煤炭的洁净燃烧与硫在煤炭中的存在状态有着密切的关系，硫在煤炭中存在形式复杂，主要包括无机硫和有机硫，有时还包括微量的呈单体状态的元素硫。有机硫以硫醇类(R-SH)、硫醚类(R-S-R′)、硫蒽类(R-S-S-R′)、硫醌类等结构的官能团存在于煤中；无机硫主要以硫化物的形式存在，还有少量的硫酸盐中的硫，无机含硫矿物以黄铁矿为主，硫酸盐以钙、铁、镁和钡的硫酸盐类形式出现。黄铁矿是煤炭中硫的主要组成部分。（1）限制高硫煤的开采和使用目前我国高硫煤总产量越为9600万吨，仅为煤炭总产量的7%，但其燃烧排放的SO2却占燃煤SO2排放总量的20%左右。限制高硫煤开采总体上不会影响我国能源生产和消费结构的平衡，又是减少SO2排放的有效措施。（2）煤炭选洗加工选煤是发展洁净煤的源头技术，常规的物理选煤可除去煤中的60％的灰分和约50％的黄铁矿硫。煤炭经洗选可大大提高燃烧效率，大大减少污染物排放，入选1亿吨原煤一般可减少燃煤排放的SO2，100～150万吨，成本仅为洗涤烟气脱硫的十分之一。但物理选煤只能脱无机硫，且会造成煤炭资源和水资源的浪费。我国当前的煤炭入洗率较低，大约在20％左右，而美国为42％，英国为94．9％，法国为88．7％，日本为98．2％。（3）脱硫燃烧煤燃烧过程中进行脱硫处理，即在煤中掺烧固硫剂固硫，固硫物质随炉渣排出。也就是在煤中掺入或向炉内喷射各种石灰石粉、白云石粉、生石灰、电石渣及富含金属氧化物的矿渣、炉渣等作为固硫剂，在燃烧中，由于固硫剂的作用，煤燃烧产生的SO2还没有逸出就与煤中含钙的固硫剂(如石灰石)发生化学反应，生成固相硫酸盐，随炉渣排出，从而减少SO2随烟气排入大气而污染环境。（4）利用型煤型煤被称为“固体清洁燃料”。煤经过破碎后，加入固硫剂和粘合剂，压制成有一定强度和形状的块状型煤。型煤是具有发展中国家特点的洁净煤技术，与烧散煤相比，可节煤20％～30％，减少黑烟排放80％～90％，颗粒物减少70％～90％，S02减少40％～60％。煤的化学转化包括：焦化、气化和液化是在氧气不足和高温条件下，使煤中的有机物部分氧化，生成H2,CO和CH4等可燃的混合物气体（即煤气）的过程。煤气的组成（体积百分比）名称气化剂组成（％）热值（kJ/M3）主要用途H2COCO2N2CH4O2空气煤气空气2.61014.772.00.50.23800－4600燃料混合煤气空气、水蒸汽13.527.55.552.80.50.25000－5200燃料水煤气水蒸汽48.438.56.06.40.50.210000－11300燃料半水煤气水蒸汽、空气40.030.78.014.60.50.28800－9600合成氨原料气•焦炭主要用于冶金工业，其中又以炼铁为主，它在生铁成本中约占1／3－1／2，焦炭还可应用于化工生产，例如，以焦炭与水蒸汽和空气作用制成半水煤气，制造合成氨，还可与石灰石高温反应制取电石，少量焦炭以沥青配合制造碳精电极等。•焦油约占焦化产品的4％左右（低温干馏得6－12％）是黑色粘稠的油状流体，成分十分复杂，目前已验明的约500多种，其中有苯、酚、萘、蒽、菲等含芳香环的化合物和吡啶、喹啉、噻吩等含杂环的化合物，它们是医药、农药、染料、炸药、助剂、合成材料等工业的重要原料。•焦炉气约占焦化产品的20％，其中的H2、CH4、CO等可燃气体热值高，燃烧方便，多用作冶金工业燃料或城市煤气，与直接燃煤相比，环境效益极高。H2、CH4、C2H4等还可用于合成氨、甲醇、塑料合成纤维等。煤液化目的是把固体煤炭转变成液体燃料，用作石油基燃料的替代品。根据化学加工过程的不同路线，煤液化方法有直接液化和间接液化两种方法。煤直接液化是把煤炭先磨成煤粉与溶剂配成油煤浆，通过催化加氢反应使煤中碳和其他组分直接转化为液体组分。转化过程是在含有煤粉的液相系统中，在10.1-20.2兆帕（100-200大气压）和约450℃温度下进行。直接液化的特点是热效率较高、液体产品收率也较高，但工艺条件复杂。煤催化加氢液化，其主要任务是将煤中的H/C比调整至适当的数值，生产类似石油的燃料油。煤间接液化的过程为：先将煤气化，制成合成气，合成气经催化反应转化为液体产品。例如用煤炭为原料制甲醇或混合醇就是典型煤间接液化过程。间接液化的特点是各步骤工艺条件比较简单，但热效率较低。同煤相比，煤经过化学转化后所得到的二次燃料，发热量更高，并且可以基本消除直接燃煤时SOx、NOx及颗粒物的污染。同时还可以作为化工原料。未经处理的石油叫原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油，石油是碳氢化合物的混合物，含有一至五十个以上碳原子的化合物，（其碳和氢分别占84－87％和12－14％）主要成分为烷烃、环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。石油的含H量比煤高，而含O量比煤低。石油中的烃类以直链烃为主，而煤中则以环芳烃为主。石油中所含化合物种类繁多。必须经过多步炼制，才能使用。主要过程有分馏、裂化、催化重整、加氢精制等。（1）分馏烃（碳氢化合物）的沸点随碳原子数增加而升高，在加热时，沸点低的烃类先气化，经过冷凝先分离出来；温度升高时，沸点较高的烃再气化再冷凝，借此可以把沸点不同的化合物进行分离，这种方法叫分馏，所得产品叫馏分。分馏过程在一个高塔里进行，分馏塔里有精心设计的层层塔板，塔板间有一定的温差，以此得到不同的馏分。分馏先在常压下进行，获得低沸点的馏分，然后在减压状况下获得高沸点的馏分。每个馏分中还含有多种化合物，可以进一步再分馏。下表列举石油分馏主要产品概况;在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃的过程。裂化有热裂化和催化裂化。有些裂化产物还要继续分解：C8H18C4H10+C4H8辛烷丁烷丁烯石油重质馏分经过催化裂化可得质量比较高的汽油。若将石油分馏产品采用更高的温度（＞700℃）进行深度裂化，可使烃分子中的碳链断裂成各种气态烃（如乙烯、丙烯、丁二烯、甲烷、乙烷等）和少量液态烃，这种深度裂化称为裂解。“裂化”和“裂解”虽属同一种反应，但在石油工业中具有不同的意义。裂化是为了提高汽油的产量和质量，副产品是裂化气。裂解是将裂化气进行分离得到各种低烯烃；成为合成纤维、合成塑料、合成橡胶的原料，副产品是液态烃。（简称重整）是在催化剂和氢气存在下，将常压蒸馏所得的轻汽油转化成含芳烃较高的重整汽油的过程。若以80~180℃馏分为原料，产品为高辛烷值汽油；若以60~165℃馏分为原料油，产品主要是苯、甲苯、二甲苯等芳烃。重整过程副产物氢气，可作为炼油厂加氢操作的氢源。重整的反应条件是：反应温度为490~525℃，反应压力为1~2兆帕。重整的工艺过程可分为：原料预处理和重整两部分。（4）加氢精制在催化剂存在下于300~425℃,1.5兆帕压力下加氢，可除去含硫、氮、氧的化合物和金属杂质，改进油品的储存性能和腐蚀性、燃烧性，可用于各种油品。所以加氢精制是提高油品质量的过程。蒸馏和裂解所得的汽油、煤油、柴油中都混有少量含N或含S的杂环有机物，在燃烧过程中会生成NOx及SO2等酸性氧化物污染空气，当环保问题日益受关注时，对油品中N，S含量的限制也就更加严格。现行的办法是用催化剂在一定温度和压力下使H2和这些杂环有机物起反应生成NH3或H2S而分离，留在油品中的只是碳氢化合物。天然气主要是低分子量的烷烃混合物，以甲烷为主，还含有少量的乙烷.丙烷、丁烷、戊烷等。碳原子数n≥5的组分在地下高温条件下以气态开采出来，但在标准状态下是液体。丙烷和丁烷常态下为气体，但稍微加压即可液化。液化后，作为液化天然气用油罐输送。天然气中各组分通常随相对分子质量的增大而含量递减，其中还含N2、H2、SO2和H2S等，有时还有稀有气体氦、氩等。和城市煤气相比，天然气不含有毒的CO，燃烧产物使CO2和H2O，其燃烧热值为：56kJ/g，而煤为：30kJ/g，石油为：48kJ/g。除了直接作为燃料以外，天然气还可以通过化学转化而成为重要的化工原料和其他形式的能源。由于CH4中的C-H的离解能为435kJ/mol高于一般的C-H键的平均键能（414kJ/mol），因此如何对甲烷进行有效的化学转化，并且要和石油化工产品竞争，一直是化学家急于攻克的难题。目前化学家提出了几种天然气转化的途径。由于CH4和CO,CO2,CH3OH,HCHO,HCOOH等分子中均只含有一个碳原子，通过化学方法将它们转化为多元碳分子是化学家普遍感兴趣的问题，因此学术上把它们归成一类并称为C1化学，将单碳分子转化为多元碳分子的过程大多涉及催化过程，因此C1化学已成为催化研究的一个重要领域。核能也叫原子能，是指原子核发生变化时所释放出的能量。由于原子核内核子之间的作用力远远大于原子内核与电子之间的作用力，故核能比化学能大的多。例如1g镭(Ra)在衰变过程中释放的能量是1g镭和足量氯气(C12)起反应生成RaC12时所释放能量的50万倍。1g铀一235（）发生裂变时释放能量为8´107kJ，1g氘()发生聚变时释放的能量是6´108kJ。而1g煤完全燃烧时释放的能量仅为30kJ。（1）足够高的点火温度；（1亿摄氏度）（2）反应装置中的等离子密度要很高（1cm3要达到500万亿个）（3）要能充分加以约束。（要达到1秒钟）与核裂变相比，核聚变发电的优点：（1）聚变能比裂变能大好多倍（2）不会产生核废料及放射性污染（因为（3）原料容易获得且资源丰富、成本低。（促使核电迅速反展的主要因素是：(1)人类对能源的需求急剧增加，能源工业成为各国发展国民经济的先行行业。(2)与燃煤、燃油的火电站相比，核电站虽然建站投资大，但核电成本比火电成本低1／3~1／2。(3)核电站对环境的污染小，废气中所含放射性也比燃煤火电厂少得多。事实上核电是清洁能源。(4)核电站的运行安全可靠，当代核电站的安全技术与管理已达到相当完善可靠的程度。(5)随着化石燃料资源的日趋枯竭，人们希望使之在非能源方面的其他独特用途和综合利用方面，充分发挥更大的作用。核能利用的安全性问题：（1）核废料处理密封深埋铀和钚溶解槽（硝酸）切成小片水密封深埋铀和钚溶解槽（硝酸）切成小片水池（几个月）核燃料除衰变热除衰变热并使辐射能衰减（2）要防止核泄漏通常是由于燃料棒包皮破损，使放射性物质随冷却材料泄漏出来。化学电源也称为化学电池，是指把化学能直接转化为电能的装置的统称。化学电池主要有：原电池、蓄电池和新型的燃料电池。一、锌锰干电池电池符号：负极：Zn+4NH4Cl(NH4)2ZnCl2+2NH4++2e正极：MnO2+2H2O+eMnO(OH)+OH-总电池反应：Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)二、蓄电池

1.铅蓄电池放电时两极反应：负极：Pb+SO42-PbSO4+2e正极：PbO2+SO4-+4H++2ePbSO4+2H2O电池反应：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O充电时两极反应：Pb极：PbSO4+2ePb+SO42-PbO极：PbSO4+2H2OPbO2+SO4-+4H++2e充电反应：2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2H2SO42.镍镉电池（碱性蓄电池）放电时的电极反应：负极：Cd+2OH-Cd(OH)2+2e正极：NiO(OH)+2H2O+2e2Ni(OH)2+2OH-总反应：Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2三、燃料电池利用催化剂的作用，以燃料（如H2,CH4,天然气）为负极，氧化剂（如O2,Cl2,空气）为正极，在电解质（如KOH溶液）中起氧化还原反应，使化学能连续、直接转变为电能的装置。1839年英国人发明了世界上第一个燃料电池“气体伏打电池”即将铂黑阳极和阴极放入硫酸溶液中，直接将氢和氧转化为直流电。1.特点与优势（1）能连续提供电能；（2）能量转化效率高；因为其能量转化过程没有任何机械和热的中间介质，故不受卡诺定理的限制，故效率可高达80-90%（3）耗费燃料烧，污染小。2.燃料电池的类型根据电解质的不同可分为：（1）固体聚合物燃料电池（PEFC)（2）碱性燃料电池（AFC）（3）磷酸型燃料电池（PAFC）（4）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）（5）固体氧化物燃料电池（SOFE）3.碱性氢氧燃料电池(-)Pt|H2(g)|KOH|O2(g)|Pt(+)负极：H2（g）+2OH-2H2O(l)+2e正极：½O2（g）+H2O(l)+2e2OH-电池反应：H2（g）+½O2（g）H2O(l)太阳能是地球上主要能源的总来源，与常规能源相比具有如下优点：（1）太阳是个持久、普遍、巨大的能源（2）太阳能是洁净、无污染的能源。（3）太阳能无偿地提供给地球的每一角落，可就地取材，不受市场的垄断和操纵。主要缺点：（1）能量密度低，即要占用巨大面积（2）强度受各种因素的影响不能维持常量。太阳能的直接利用主要有：光热转换、光电转换和光化学转换三种。（1）光热转换光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来，用收集到的热能为人类服务。太阳能集热器是通过对太阳能的采集和吸收将辐射能转换为热能的装置。分为平板型和聚焦型两类。如太阳能热水器，它的板芯由涂了吸热材料的钢片制成的，封装在玻璃钢外壳中。钢片只是导热体，进行光热转化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。封装材料也很有讲究，既要有高透光率，又要有良好的绝热性。按照用热温度可区分为低温热利用（t<100℃），用于热水、采暖、干燥、蒸馏等；中温热利用（100℃≤t≤250℃），用于工业用热、制冷空调、小型热动力等；高温热利用（t>250℃），用于热发电、废物高温解毒、太阳炉等。太阳能热利用系统一般由集热、贮热和供热三部分组成，有时还配备辅助能源。（2）光电转换光电转换即将太阳能转换成电能。目前，太阳能用于发电的途径有二：一是热发电，就是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；二是光发电，就是利用太阳能电池的光电效应，将太阳能直接转变为电能。（3）光化学转换光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其他能量。我们知道，植物靠叶绿素把光能转化成化学能，实现自身的生长与繁衍，若能揭示光化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电。风力推动风叶转动，产生的三相低压交流电经专用控制电路变为直流电给蓄电池充电储存。使用时由逆变电源产生220v交流电，与使用电网供电一样方便，一次投入长期用电不花钱。一套200W风力发电机可满足一个家庭彩电、VCD、卫星接收机、电风扇、照明等用电，若配制更大功率的风机，还可满足冰箱、小型水泵等较大电器的用电。它是草原、海岛、山区、农场、林场、渔船等无电或常仃电地区理想的电源。风力发电的优越性：风力发电是一种清洁的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电造成的环境污染的问题；风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源；风力发电的经济性日益提高，发电成本已接近没点，低于油电和核电，若计煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性优于煤电。（2）海洋能海洋面积占地球总面积的71%，太阳到达地球的能量，大部分落在海洋上空和海水中，部分转化为各种形式的海洋能,潮汐能是地球旋转所产生的能量通过太阳和月亮的引力作用而传递给海洋的，并由长周期波储存的能量，潮汐的能量与潮差大小和潮量成正比。利用潮水的涨退的水流力量带动可逆发电机发电，只要潮起潮落的现象不变就能持续的产生电力，是一种可以使用长远的能源，缺点是潮水发电的周期和人类的生活规律不配合。生物能生物能蕴藏在动物、植物、微生物体内，它是由太阳能转化而来的。利用生物能的途径主要有三种。一，直接燃烧木材或其它植物秸杆，但热量利用率很低，并且对环境有较大的污染。二，把生物能转化为可燃性的液态或气态化合物，即把生物能转化为化学能，然后再利用燃烧放热。三，将生物质经过厌氧生物处理产生沼气，其综合效益很好。沼气的主要成分是CH4，作为燃料不仅热值高并且干净，沼渣、沼液是优质速效肥料，同时又处理了各种有机垃圾，清洁了环境。二、地热能地热能是来自地球深处的可再生热能。它来源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。地热能一般分为五类：过热蒸汽；热水和蒸汽混合物；热的干岩石；压力热水和热碉浆。按温度又可分为：温度分级温度t(0C主要用途高温t≥150发电、烘干中温90≤t＜150发电、采暖、制冷、工业利用、烘干低温热水60≤t＜90采暖、制冷、工业流程温热水40≤t＜60医疗、细雨、温室温水25≤t＜40农业灌溉、养殖、土壤加温过热蒸汽最易用来发电，被大多数现有地热电站所利用。如果从地下喷出的是热水而不是蒸汽。也可以利用类似方法发电，在没有蒸汽或没有热水的地方，可钻孔到热碉层，用泵将高压水注入孔内，压破孔底的岩石，形成纵横交错的巨大裂缝。水进入裂缝中，受热沸腾变为蒸汽，从穿透裂岩的第二个钻孔升到地面，引入蒸汽涡轮机发电，不断注入热岩裂隙中的冷水，使裂缝更多更大，从而可以吸取更多的热量。我国自1970年在广东省丰顺县邓屋建立设计容量为86kw的扩容法地热发电系统以来，经过近15年的建设，截至1985年，总共已经拥有低沸点工质法地热发电系统6台、扩容法地热发电系统8台，总装机容量为11586kw。特别是西藏羊八井地热电站，1977年1000kw的机组投入运行，1982年、1982年和1985年又各有1台3000kw的机组投人运行并向拉萨市供电，标志着我国地热发电技术已经达到一定的水平，并为今后研制和应用较大容量的地热发电机组积累了经验，奠定了基础。我国已建成的7座地热电站。（l）所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，它的密度为0.0899g/l；在-252.7°C时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。

（2）所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体。

（3）氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75％，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。（4）除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、和生物燃料中最高的，为142,351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。（5）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。（