《能源化工基础》课件

能源化工基础：课程简介本课程介绍能源化工领域的基本理论与技术涵盖传统能源与新能源的转化、储存与应用第一章：能源化工概论能源化工定义能源资源转化为有用能源形式的化学工艺发展历程从传统化石能源到多元化能源结构行业现状能源与能量的关系能源概念自然界中可转化为动力的资源1能量形式热能、光能、机械能、化学能等2能量守恒能量总量保持不变的基本规律3能量转化能源化工的核心过程4能源与环境保护环境友好技术清洁生产工艺污染控制废气、废水、固废处理循环经济资源高效利用与回收能源与可持续发展资源平衡合理开发与保护效率提升高效转化技术技术创新新型能源系统未来展望碳中和目标实现第二章：传统能源化工煤炭化工煤制气、煤制油、焦化等技术石油化工炼油、乙烯、芳烃等工艺天然气化工气体分离、气体合成等过程煤炭资源概况1.07万亿全球储量吨标准煤38.4亿中国产量吨/年50.5%中国能源占比2022年数据200年可开采年限按目前消费速度煤化工基础煤炭分类无烟煤、烟煤、褐煤煤炭组成碳、氢、氧、氮、硫热解特性热解温度与产物分布结构表征大分子网状结构先进煤炭利用技术技术类型原理特点应用领域煤气化高温部分氧化合成气生产煤液化加氢裂解转化液体燃料制备超临界发电高温高压蒸汽清洁发电煤层气开发煤层中甲烷提取气体燃料生产石油工业发展趋势资源开发多元化常规、非常规资源并举炼化一体化产业链延伸提高附加值智能化数字化自动控制与数据分析绿色低碳转型降低碳排放与环境影响石油炼制基本原理温度(°C)转化率(%)石油化工技术乙烯生产轻质烃高温裂解芳烃加工重整与萃取分离聚合物合成聚乙烯、聚丙烯制备甲醇制备合成气催化转化天然气化工概况天然气净化脱硫、脱水、脱汞工艺天然气液化深冷工艺与液态存储天然气转化制甲醇、制合成气等化工利用第三章：新能源化工氢能基础知识氢元素特性最轻元素，能量密度高水电解制氢电能分解水生成氢气甲烷重整制氢天然气催化转化光催化制氢太阳能直接分解水燃料电池技术质子交换膜固体氧化物碱性磷酸熔融碳酸盐太阳能利用原理光化学转化光合作用与光催化光电转化光伏效应产生电能光热转化吸收太阳辐射热能太阳能光伏发电原理基础PN结吸收光子产生电子空穴对材料技术单晶硅、多晶硅、薄膜、钙钛矿组件制造电池片连接封装形成发电单元系统集成逆变器、控制系统、并网技术太阳能光热发电槽式系统抛物线槽聚光系统工作温度：300-400°C适合中等规模电站塔式系统定日镜反射至中央接收塔工作温度：500-1000°C适合大规模电站碟式系统抛物面碟形反射器工作温度：600-800°C适合分布式发电风能利用技术风能资源评估风速分布测量风力密度计算地形影响分析风力发电机组水平轴与垂直轴直驱与间接驱动陆上与海上风机风电场设计机组布局优化电气系统集成并网技术解决生物质能源概述农林废弃物秸秆、、锯末1能源作物甜高粱、麻疯树、芒草2城市有机废物餐厨垃圾、污泥3水生生物质藻类、水生植物4生物质制沼气预处理粉碎、调质、调整C/N比厌氧发酵水解、酸化、产甲烷净化提纯脱硫、脱水、CO2分离利用发电、供热、车用燃料生物质制燃料乙醇原料类型预处理方法转化率(%)技术挑战淀粉质液化糖化85-90与粮争地糖质直接发酵90-95季节性强纤维素物理化学解聚60-75酶成本高藻类破壁提取45-60培养能耗大生物质制氢生物光解藻类光合产氢暗发酵厌氧菌产氢气化制氢高温气化合成气水相重整中温催化产氢生物质制柴油及航空燃料油料提取从油料作物和微藻中提取油脂转酯化反应油脂与醇反应生成脂肪酸酯3精制提纯去除杂质、调整冷流性能4加氢处理生成航空燃料分子结构第四章：能源转化过程热力学转化温度梯度能量转移化学转化分子结构重组电化学转化电子转移能量传递能量转化基本原理理论效率(%)实际效率(%)化学能与电能转化燃料电池氢氧反应释放电能效率高，零排放适用于交通和分布式能源电解水电能分解水生成氢氧可调节负荷与可再生能源互补二次电池可充放电化学装置储能密度逐步提高便携式与固定式应用热能与机械能转化核能利用基础核裂变原子核分裂释放能量堆芯反应链式反应控制产热热交换冷却剂传递热能能量转换蒸汽推动汽轮机发电第五章：能源储存技术电化学储能锂电池、铅酸电池、液流电池物理储能压缩空气、飞轮、抽水蓄能热能储存相变材料、熔盐、蓄热体化学储能氢能、合成甲烷、氨化学储能原理能量密度单位质量储存能量化学键能键断裂与生成能量变化反应热力学能量守恒与转化规律电化学储能技术250Wh/kg锂离子电池手机、电动车主要电源45Wh/kg铅酸电池应用最广泛的电池类型120Wh/kg钠硫电池高温工作的大规模储能200Wh/L液流电池功率与容量独立设计热能储存方法显热储存水储热岩石蓄热熔盐蓄热潜热储存相变材料有机相变物质无机盐水合物化学蓄热吸附蓄热化学反应蓄热氨分解-合成循环氢储存材料与技术高压气态储氢700bar碳纤维储罐低温液态储氢-253°C深冷液化固态储氢金属氢化物、MOF材料有机液态储氢甲基环己烷等液态有机载体第六章：能源传输系统能源形式转换一次能源转为便于传输能源形式能源传输载体电力、燃气、热力、氢能等传输网络建设管道、电网、储运设施等基础设施智能调度管理数字化、智能化能源传输控制电力传输网络传输距离(km)损耗率(%)天然气管道运输长输管道压力：6-12MPa管径：600-1400mm适合陆地长距离运输LNG运输温度：-162°C体积减小约600倍适合远洋运输压缩天然气压力：20-25MPa运输方式灵活适合分布式供应新型能源运输方式氢能运输高压气态、液态、有机载体化学储能运输大型电池组移动充放电氨能源运输液氨作为氢能载体4甲醇运输液态常温储运优势第七章：能源化工中的催化过程催化剂选择活性、选择性与稳定性平衡1反应过程优化温度、压力、浓度调控反应器设计传质传热与反应耦合催化剂再生活性恢复与循环利用4催化剂基础知识能源化工中的典型催化反应反应类型催化剂工艺条件应用领域催化裂化分子筛500°C,常压汽油生产催化重整Pt-Re/Al2O3490°C,3.5MPa芳烃生产甲烷重整Ni/Al2O3850°C,2MPa合成气制备费托合成Co/Fe基220°C,2MPa合成液体燃料催化剂制备方法原料准备活性组分与载体选择浸渍/沉淀活性组分与载体结合干燥/焙烧去除溶剂、形成活性相活化处理还原、硫化等最终处理催化剂表征技术物相结构XRD、XPS测定晶相和表面组成形貌分析SEM、TEM观察微观结构表面性质BET、TPD测定比表面和吸附性能第八章：能源化工设备与过程反应器催化反应的核心设备塔器分离与纯化装置换热器热能回收与温度控制输送设备物料转移与压力提升反应器设计基础反应动力学反应速率与影响因素流体力学流型与停留时间分布传热学热量传递与温度控制材料学耐腐蚀、高温材料选择传质与传热过程1分子扩散浓度梯度驱动传质热传导固体内部热能传递对流传热流体流动带走热量辐射传热电磁波形式热量传递分离工程在能源化工中的应用蒸馏分离基于沸点差异石油分馏、醇精制能耗较高但效率高膜分离基于透过性差异气体纯化、生物质分离能耗低但投资高吸附分离基于表面吸附选择性气体净化、有机物回收适合低浓度组分第九章：能源化工的环境影响资源循环废物资源化利用污染控制末端治理技术清洁生产过程减排优化能源转化过程中的污染物二氧化硫氮氧化物颗粒物二氧化碳挥发性有机物其他固定源燃烧废气控制1燃烧前控制清洁燃料、燃烧优化2燃烧中控制低氮燃烧器、分级燃烧3燃烧后处理脱硫、脱硝、除尘煤转化过程中的废水处理预处理油水分离、气浮、混凝沉淀生化处理厌氧-好氧生物降解深度处理膜分离、活性炭吸附、高级氧化回用/达标排放分级回用或严格达标排放石油炼制过程中的废气和废水处理废气处理硫回收装置催化燃烧装置VOCs回收系统废水处理气浮装置生物处理系统高级氧化工艺固废处理废催化剂再生油泥资源化危废安全处置CO2捕集与封存技术捕集技术胺吸收、膜分离、低温吸附运输方式管道、船舶、油田注入封存方法地质封存、海洋封存、矿化固定第十章：能源化工节能技术热力学优化能量梯级利用过程强化反应与分离一体化先进控制智能调控与预测余热回收低品位热能再利用节能的热力学原理1定律能量守恒能量不会凭空产生或消失2定律熵增原理能量自发从高温向低温流动3定律绝对零度无法达到理想的零损耗状态能源化工单元过