第二部分化学与能源一化学与常规能源.docx
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第二部分化学与能源一化学与常规能源
第二部分化学与能源
（一）化学与常规能源
什么是能源？
能源是提供能量的自然资源。
能量是一切运动的源泉。
没有能量就没有生命运动，生命运动的停止意味着生命的死亡；没有能量就没有化学反应，所有形式的生命都不能维持。
能源是宇宙的推动力，是系统作功能力的量化特性，能源可以是动能、位能、热能。
能源的形式有很多（例如热力、电力等），而且一种能源形式可以转化成另一种形式。
能源结构：
石油仍居主导地位，占能源消费总量的36.8％，煤炭次之，占27.2％，天然气发展较快，已占23.7％，有三足鼎立之势。
而水电与核能则相对势微，分别仅占6.2％和6.1％。
能源利用效率
目前，我国能源利用效率为33%，比发达国家低10个百分点；单位产值能耗是世界平均水平的2倍多，比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍和43%；我国8个行业（石化、电力、钢铁、有色、建材、化工、轻工、纺织）主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%；燃煤工业锅炉平均运行效率比国际先进水平低15-20%；机动车百公里油耗比欧洲高25%，比日本高20%。
能源的分类
能源按其来源不同可以分类四类：
太阳能：
除太阳辐射能以外，还包括煤、石油、天然气等化石燃料，以及生物质能、水能、风能、海洋能等间接来自太阳能的能源。
地热能：
如地下热水、地下蒸气、干热岩体。
核裂变资源和核聚变资源：
如铀、钍等核裂变和氘、氚、锂等核聚变资源。
月球、太阳等星体对地球的引力为主产生的能源：
如以月球引力为主产生的潮汐能。
按能源工作者的分类
一次能源：
可从自然界取得而不改变其基本形态的能源。
常规能源：
已被人们广泛应用的能源，如水能、煤、石油、核裂变材料等
新能源：
采用新的先进的科学技术而被广泛应用的能源，如太阳能、风能、核聚变材料
二次能源：
由一次能源加工或转换而转变了形态的能源称为二次能源。
煤制品
石油制品
电能、沼气、蒸汽等。
能源的分类
一次能源：
再生能源：
太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热非再生能源：
原煤、原油、天然气、油页岩、核能
二次能源：
电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭
Ⅰ.柴薪（生物质能）
——第一代主体能源
柴薪是人类第一代主体能源
柴薪也可称为生物质能,它是光合作用的产物,是太阳能的间接利用
植物的叶绿体通过光合作用，利用太阳的能量，将CO2和H2O合成为有机物并放出O2,在燃烧时，这些有机物又与氧气发生化学反应变为CO2和H2O,同时释放出能量。
生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源。
生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括柴薪，农林作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃圾等四个方面）。
生物能的优缺点：
生物能具备下列优点：
*提供低硫燃料；
*提供廉价能源（于某些条件下）；
*将有机物转化成燃料可减少环境公害（例如，垃圾燃料）；
*与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。
其缺点有:
*小规模利用；
*植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；
*单位土地面的有机物能量偏低；
*缺乏适合栽种植物的土地；
*有机物的水分偏多（50%～95%）。
据统计：
世界每年约产出1.7×1011吨干生物量，利用量仅为1.3×108吨，不足总量的1%；
生物质向人类提供了世界能源消费总量的15%,仅次于石油、煤碳和天然气（生物能是第四大能源）；
我国利用的生物质能约为2.6×108吨标准煤，占农村能源消费的70%左右。
我国传统能源使用的新方式：
柴薪的传统使用方法是直接燃烧，其热利用率很低，为15%左右，即使用新式节柴灶，也最多能提高到25%左右，而且直接燃烧还会造成环境污染。
总体思路：
将固态的柴薪通过化学反应转化为可燃性液态或气态化合物，即将生物能转化为化学能，然后再燃烧放热。
气态燃料：
沼气
液态燃料：
甲醇、乙醇
1、气体燃料—沼气
生物质在厌氧条件下可生成沼气,其主要成份是甲烷（CH4）,甲烷燃烧热值高,而且干净,因此被称为清洁燃料。
另外，生成沼气的残渣、残液是优质的速效肥料。
沼气的原料可以是有机垃圾，既处理了生活垃圾的一部分又清洁了环境，所以建设大型沼气池可同时处理城市垃圾，还可以用于发电。
到2000年底，我国共建成了1000座工业废水和畜禽粪便沼气工程形成了每年约6亿立方米沼气生产能力。
我国农村有500多万小型沼气池作为家用能源。
2、液体燃料
生物质经过发酵或高温热分解等方法可制造甲醇、乙醇等干净的液态燃料。
许多欧美国家已经普及使用了乙醇或含乙醇的汽油做汽车燃料。
欧洲已有多家由木屑生产甲醇的工厂。
除利用农牧业的废料，科学家们成功地培植了一些速生树木等高产作物以获取生物能源。
巴西：
香胶树（又称石油树）每株每年产50KG左右与石油成份相近的胶质。
美国：
黄鼠草，每公顷年产6000kg石油；
巨型海藻，提炼类似柴油的燃料油。
生物能的开发和利用具有巨大的潜力
直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。
利用能源作物生产液体燃料。
目前具有发展潜力的能源作物，包括：
快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。
生产木炭和炭。
生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIG）联合发电装置。
对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消化，以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免引起环境危害。
根据生物质能的作用和我国的现状，目前重点发展的项目如下：
（1）近期优先发展项目
· 生物质气化供气
· 生物质气化发电
· 大型沼气工程
· 生物质直接燃烧供热
（2）中长期化发展项目
· 生物质高度气化发电项目（BIG/CC）
· 生物质制氢等优质燃气
· 生物质热解液化制油
Ⅱ.煤——最主要的固体燃料
煤是我国的主要能源
中国最早使用煤，700多年前，马可波罗看到中国人烧煤，这是他第一次见识到一种可以燃烧的“黑石头”
最早大规模使用煤的是英国：
英国森林资源有限，而英国又是产业革命的发源地，随着蒸汽机的发明和推广，煤逐渐成为能源主角。
世界能源消费：
20世纪70年代石油超过了煤。
发展中国家仍以煤为主要能源。
中国的能源消费构成：
煤所占比例为：
1960年94%；1970年81%;1990年76%；2000年68%
煤的来源（形成）
煤、石油和天然气是上亿年前的植物或动物变来的，故被称为“化石能源”。
它的主要演变过程为：
约3亿年前的古生代——泥煤形成
随着地壳下降，下有地热，上有土石压力——褐煤形成
地壳继续下降，较深的地方，压力继续增大，地热温度可达20000C左右，形成烟煤，最后变成无烟煤。
煤因此被称为化石能源
煤的化学组成：
因产地而异。
目前公认的平均组成含C、H、O、N、S分别为85.0%，5.0%，7.6%，0.7%，1.7%，可折成原子比来表示：
C135H96O9NS
此外还含有其他的金属和非金属元素。
煤的利用方式
——直接燃烧
我国是一个燃煤大国。
年消费量在10亿吨以上。
其中30%用于火力发电，炼焦；50%用于各种工业锅炉、窑炉；20%的用于生活。
可见，绝大部分是直接烧掉。
直接燃烧的弊端：
热效率低；
化学利用率低；
严重污染环境
煤的综合利用
——煤的干馏（煤的焦化）
即隔绝空气加热，使煤分解生成：
焦炉气（气体），煤焦油（液体），焦炭（固体）
煤隔绝空气：
控制干馏的温度可以得到不同的产品。
焦炉气中除可燃气体CO，H2，CH4外，还有乙烯、苯、氨等。
煤焦油可提炼苯、酚、萘、蒽、菲等环状化合物，它们是医药、农药、炸药、染料行业的重要原料，此外还可分离出吡啶、喹啉、机油、沥青等400多种化合物；
焦炭的主要用途是炼铁，还可制成电石，电极等
——煤的干馏（煤的焦化）
即隔绝空气加热，使煤分解生成：
焦炉气（气体），煤焦油（液体），焦炭（固体）
煤隔绝空气：
控制干馏的温度可以得到不同的产品。
焦炉气中除可燃气体CO，H2，CH4外，还有乙烯、苯、氨等。
煤焦油可提炼苯、酚、萘、蒽、菲等环状化合物，它们是医药、农药、炸药、染料行业的重要原料，此外还可分离出吡啶、喹啉、机油、沥青等400多种化合物；
焦炭的主要用途是炼铁，还可制成电石，电极等
——煤的气化
让煤在氧气不足的情况下，进行部分氧化，使煤中的有机物部分分转化。
气化的主要目的有二个：
产生气体燃料，便于管道输送（车间、实验室、厨房）
气化的过程涉及10个左右的基本化学反应，根据不同需要作不同的条件控制，产物的成分和比例不同。
——煤的液化（在研究过程中）
煤与石油有着相似的“成长经历”，有着近似的“基因”，有可能通过一定化学反应，将煤转化为石油。
煤炭液化油可称为人造石油。
煤的液化可分为直接和间接液化
直接液化：
2.3吨煤可以液化为一吨油，但不能直接用于汽油。
加H2，重整后可用于汽油，但成本加大
间接液化：
5-6吨煤可以液化为1吨油，品位较纯，符合环保要求
一碳化学
随着煤的气化和液化技术的重大突破，以煤为原料的C1化学可望在今后形成一个新体系。
C1化学：
以分子中含一个碳原子的化合物（如：
CH3OH、CO、CH4等）为原料来合成化工产品的化学体系。
C1化学的发展对煤矿资源丰富的我国十分重要。
Ⅲ.石油和天燃气
石油的由来
石油在世界能源消耗结构中雄居首位，同时是化工生产最主要的原料来源——被称为“工业的血液”。
关于石油的成因，现在较为一致的观点：
石油是远古时代海洋或湖泊中动植遗体，在地下经过漫长的复杂变化而形成的棕黑色黏稠液态混合物
石油的分布
未经处理的石油叫原油。
目前查明储量最大的产油带有两个，这两个都曾是海槽，因此有“海相成油”学说。
长科迪勒地带：
北起阿拉斯加和加拿大，经美国西海岸，到南美委内瑞拉、阿根挺
特提斯地带：
从地中海起经中东到印尼
我国已经开发的大小油田有160多个：
大庆、胜利、中原、华北、大港等。
我国还有大量的油气资源（大陆架）
石油的组成与利用
石油是极其庞杂的混合物，其中绝大多数是碳氢化合物。
（C元素与H元素的化合物→烃）
200年前，人类开始用蒸馏方法提炼石油
最先出来的沸点最低：
汽油
其次是煤油
剩在锅里的是重油：
柴油、润滑油、凡士林、石蜡、沥青
最初，人们利用煤油照明，汽油和重油是副产品。
19世纪80年代：
汽油发动机问世，汽油的产量超过煤油。
柴油机的发明、内燃机的普及使工业对石油的需求量直线上升。
至此，石油方成为工业的血液。
当今社会，随着汽车的普及，汽油用量远大于煤油。
能否将煤油变成汽油呢？
怎样提高汽油的性能和品质呢？
热裂法（催化裂解法制汽油）
催化重整法
加氢精制
煤油变汽油——热裂法
经测定，汽油的主要成分是7—8个C原子的烷烃，而煤油为含10—15个C原子的烷烃。
在加热加压条件下，通过催化剂，大分子分裂为小分子，煤油变成汽油。
经催化裂化，从重油中能获得更多乙烯、丙烯、丁烯等化工原料，也能获得较多较好的汽油。
提高汽油性能——催化重整法
提高汽油的辛烷值（汽油性能的表征）
辛烷值：
汽油中异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）的含量，用以衡量汽油抗震性的高低。
人们把抗震性最差的正庚烷的辛烷值定为0（自燃点：
2230C），抗震性较好的异辛烷的辛烷值定为100（自燃点：
4180C）。
汽油和汽油的标号
辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的异辛烷（2，2，4一三甲基戊烷）的辛烷值定为l00，爆震性极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种烃的不同比例的混合物进行比较，就可以得到该汽油的相对辛烷值。
目前，我国使用的车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如90号汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。
为了提高汽油的辛烷值，过去广泛使用的一种方法是在汽油中添加少量抗震剂—四乙基铅（汽油精）；现在为了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚[CH3—O—C（CH3）3，又名MTBE]作为高辛烷值组分。
提高油品质量——催化重整法
这是石油工业中另外一个重要过程。
在一定的温度压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的“重新调整”，转化为带支链的烷烃异构体，这就能有效地提高汽油的辛烷值，同时还可得到一部分芳香烃，这是原油中含量很少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要的化工原料，可以说是一举两得。
现用催化剂是贵金属铂（Pt）、铱（Ir）和铼（Re）等，它们的价格比黄金贵得多，化学家们巧妙地选用便宜的多孔性氧化铝或氧化硅为载体，在表面上浸渍0.1％的贵金属，汽油在催化剂表面只要20～30s就能完成重整反应。
提高油品质量——加氢精制法
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。
自70年代末开始，石油化工科学研究院针对我国油品特点，开展了大量基础研究工作，开发出多种加氢催化剂，基本满足了国内炼油工业的需要，并有出口。
这类催化剂以Al2O3为载体，活性组分有钴－钼（Co－Mo）、镍－钼（Ni－Mo）、镍－钨（Ni－W）等体系。
天然气（与石油伴生）
天然气可分为两种：
干天然气（含甲烷80-90%），难液化，常用于燃料。
我国天然气多为干天然气
湿天然气，加压降温时易液化，常作裂解气原料，制取乙烯。
我国是最早利用天然气的国家。
比西方早1300年。
在晋朝初年开始利用，宋朝时已经大规模用于熬制井盐。
陆上资源主要集中在四川盆地、陕甘宁地区、塔里木盆地和青海，海上资源集中在南海和东海。
此外，在渤海、华北等地区还有部分资源可利用。
Ⅳ.化学电池
化学电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，分为原电池和蓄电池。
原电池原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和隔膜等组成，它可表示为：
负极/电解液/正极。
干电池
1800年伏打首先制成了伏打电池。
1836年英国化学家发明了古典原电池。
1865年法国化学家勒克朗斯发明了第—个干电池，现代的干电池不过是其改进。
银锌钮扣电池
钮扣式电池中常见的为银锌电池。
银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是1.6伏，广泛应用于对体积和重量有严格要求的场合，但价格昂贵。
蓄电池
蓄电池也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用的化学电池。
（1）铅蓄电池由金属铅板（负极）和紧附着二氧化铅的铅板（正极）浸入30％（密度为1.2—1.3g/cm3）的硫酸水溶液所组成。
铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压降至l.25伏时（这时溶液密度为1.05g/cm3）不能再使用，必须充电。
铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、拖拉机、坦克的照明光源。
2）碱性干电池用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作电解质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导电性能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改为锌粉，反应的面积要比锌皮大得多，因此可做到连续大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电解渗漏
银锌电池
碱式镍镉蓄电池
发展中的新型电池
1、氢镍电池
氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电极（其内部气体压力可达4MPa）。
它的工作状态可划分为3种：
正常工作状态、过充电状态和过放电状态。
氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，1977年起在地球同步轨道条件下寿命超过10年。
此外，它承受过充电和过放电的能力很强。
但其成本较高，电池放电速度较大，以及有爆炸的可能性。
尽管如此，氢镍电池的前景十分乐观，最终将在航天领域内全面取代镉镍电池。
2、锂电池
锂是自然界电池最轻的金属元素，同时它又具有最低的电负性（-3.045V）。
所以选择适当的正极与之匹配，可以获得较高的电动势，具有最高的比能量，所谓比能量，即单位重量电极物质所能放出的能量。
由于锂遇水会发生剧烈反应，所以应选用非水电解质溶液。
日本三洋公司首先推出Li/MnO2电池。
其电极反应如下
反应结束Li+进入MnO2晶格中。
锂电池的优异性能是：
比能量高，使用温度范围广，放电电压平坦。
以固体电解质制成的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用于心脏起搏器的电源。
主要缺点是：
但在短路或某些重负荷下，有发生爆炸的可能性。
3、燃料电池
所谓燃料电池，是通过电化学过程将反应物（燃料）中的化学能直接转化成电能的电池装置。
燃料电池的基本组成是电极、电解质、燃料和氧化剂。
工作时，燃料和氧化剂不间断地分别输送到电池的两个电极上，确保电池连续稳定工作。
燃料电池适用于航空事业，一则燃料电池有很高的比能量，可降低向太空的发射费用。
二则燃料电池的产物是水，经处理后可供宇航员饮用，更可减少携带重量。
Ⅴ.能源利用的化学本质
能源利用过程是能量的转化过程
如煤燃烧放热使蒸汽温度升高的过程就是化学能转化为热能的过程；
高温蒸汽推动发电机发电的过程是内能转化为电能的过程；
电能通过电动机可转化为机械能；电能通过白炽灯泡或荧光灯管可转化为光能；电能通过电解槽可转化为化学能等等。
柴草、煤炭、石油和天然气等常用能源所提供的能量都是随化学变化而产生的，多种新能源的利用也与化学变化有关。
能源利用的化学本质
——绝大多数能源利用的第一步是化学能的释放
化学能转化的实质是化学键的改组
化学变化的实质是原子的重新排列组合，化学变化过程是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。
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