能源与环境概论卢平教案.docx

1、能源与环境概论卢平教案第一次授课教学目的：全世界能源资源的现状与发展趋势教学重点：能源资源现状与能源问题教学难点：能源与社会发展教学内容：第一章：绪论第一节：能量与能源一、能量及其形式1、能量：就是“产生某种效果的能力”。2、分类：机械能、热能、电能、辐射能、化学能、核能。二、能源及其分类1、能源：能够直接或经过转换而提供能量的资源。2、分类：分类方式可按能源的来源、形成、使用分类等等。第二节：能源与社会发展一、能源利用与人类文明1、时代：薪柴时代、煤炭时代、石油时代、新能源与可再生能源时代。二、能源与经济发展1、能源在经济增长中的作用。2、经济增长对能源的需求。3、能源增长与人民生活。第三节

2、：能源资源现状与能源问题一、 全世界能源资源的现状与发展趋势1、 世界化石能源的分布。2、 多元化能源结构。3、 能源消费与需求快速增长。4、 气候变化对能源发展的影响。5、 国际能源问题的政治化。二、能源利用的现状及面临的问题1、能源结构：世界的资源分布不均匀。2、能源效率：从能源开采、加工与转换、储运和终端利用的能源系统的总效率。3、能源环境4、能源安全三、中国能源发展现状与问题1、能源资源品种多，人均占有量较少。2、资源建设不断加强。能源效率任然较低。3、能源生产迅速增长，生态环境压力明显。4、能源消费以煤为主，能源结构需要优化。5、能源需求继续增加，可持续发展面临挑战。第四节：环境与环

3、境问题一、 环境及其组成1、环境：与体系有关的周围客观事物的总和。2、组成：自然环境、社会环境、环境要素、环境质量。二、环境的形成和发展三、环境问题的由来与发展1、环境问题的分类2、环境问题的发展四、全球性环境问题1、全球气候变暖2、臭氧层破坏3、酸性降水4、多样性锐减5、森林和草原植被减少6、土地退化7、水污染8、大气污染9、海洋生态问题10、危险性废物越境转移第五节：能源利用与环境效率一、 能源开发与环境问题1、 煤炭开发的环境问题2、 铀生产的环境问题3、 水能开发对环境的影响二、能源消费与环境污染三、环境污染对生物的影响第二次授课教学目的：能源转换与利用技术教学重点：能量转换的基本定理

4、教学难点：燃烧的基本原理教学过程：第二章：能源转换与利用技术第一节：能量的基本性质1、 状态性2、 可加性：E=E1+E2+E3+.+En3、 转换性4、 做功性5、 贬值性第二节：能量转换的基本定理一、 能量形式的转换二、能量的转换定理：能量的守恒与转换定律第三节：化学能转换成热能的技术一、 燃烧的基本原理（我们在锅炉及其锅炉房设备中已讲）二、燃烧技术1、层燃2、室燃3、流态化燃烧4、液体燃烧燃烧技术第四节：热能转换为机械能或电能一、 蒸汽轮机的结构和工作原理二、燃气轮机的结构和工作原理三、内燃机的结构和工作原理四、火力发电厂的构造和热力系统图第五节：能量的储存一、 机械能的储存：旋转飞轮二

5、、电能的储存：蓄电池三、热能的储存：潜热储存和显热储存第六节：能源利用的评价主要从以下方面来评价能源的利用1、 储量2、 能源密度3、 储能的可能性4、 供能的连续性5、 能源的地理分布6、 能源的利用成本7、 能源的运输费和损耗8、 能源的可再生性9、 能源的品位10、对环境的影响i第四次授课教学目的：了解能源现状教学重点：煤的工业分析和元素组成教学难点：洁净煤技术教学过程：第三章：化石燃料能源第一节：煤炭一、 煤炭的形成与分类根据成煤物质及条件可以分为腐植煤、腐泥煤和残植煤三大类二、煤的工业分析和元素组成1、煤的分析：水分、挥发分、固定碳和灰分2、煤的元素分析成分：C、H、S、N、O3、煤

6、的发热量4、煤的分类：表3-1三、煤炭资源：表3-2表3-3表3-4四、煤炭的生产1、世界煤炭的生产2、中国煤炭生产与消费第二节：石油一、 石油的形成和分类石油可分为轻质石油、中质石油、重质石油和特重质石油二、石油的加工1、类型：燃料型、燃料-润滑油型、石油化工类2、石油炼制：分离法、转化法3、石油的产品：溶剂油、燃料油、润滑油、润滑脂、沥青、石油焦三、石油资源1、世界石油资源的分布：表3-82、中国石油资源分布：表3-9四、石油消费1、世界石油消费：表3-10表3-112、中国石油消费：表3-12表3-13表3-14第三节：天然气一、 天然气的分类与特性天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等构

7、成二、天然气的用途1、发电燃料2、民用燃料3、化肥及化工原料4、工业燃料5、交通运输三、天燃气资源1、世界天燃气资源分布：表3-152、中国天燃气资源分布：表3-16四、天然气消费1、世界天然气消费2、中国天然气消费：表3-17表3-18表3-19第四节：21世纪的化石燃料一、 化石燃料使用带来的问题1、 化石能源的使用比例：表3-202、 化石能源带来的问题：环境污染、全球气候变暖、化石燃料的污染排放对比二、洁净煤技术1、煤的清洁燃料生产：煤的洗选与加工、煤炭转化煤炭液化高效洁净燃煤发电技术烟气污染排放治理技术三、21世纪煤炭能源系统如图3-7所示的煤基多联产系统概念第五次授课教学目的：学习

8、掌握能源现状教学重点：风力发电的现状与前景教学难点：水电站的工作原理教学过程：第四章：可再生能源第一节：概述可再生能源是指那些随着人类的大规模开发和长期利用，能在自然界中不断再生、永续利用的能源。第二节：太阳能一、 太阳能资源的优点：数量巨大、时间长久、获取方便、洁净安全二、太阳能的缺点：分散性、间断性和不稳定性、效率低和成本高三、我国太阳能分布图：表4-1四、利用太阳能：平板集热器、真空管集热器、聚光型集热器、太阳能热水器、太阳灶、太阳房、太阳能温室、太阳能干燥、太阳能制冷、太阳池、太阳能热力发电、太阳炉、太阳能海水淡化、太阳能热力机五、太阳能光电转换：硅太阳能电池、光伏发电系统、太阳能光伏

9、发电技术发展状况六、推广使用太阳能的制约因素：技术、法律法规、经济、社会文化及教育等方面第三节：风能一、风能：E=1/2*pAv3风能密度：W=1/2*pv3二、风能利用的途径：主要包括风力发电、风力提水、风力助航和风力致热等三、风力发电的原理：利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化成电能的机械能四、风力发电对环境的影响：CO2污染排放、噪声污染、伤害鸟类、无线电通信干扰、安全问题、视觉影响、光影影响、雷击影响等等五、风力发电的现状与前景世界风力发电发展前景和状况：表4-11表4-12表4-13我国风力发电发展前景和状况：表4-14六、风力发电技术发展趋势：风电场的选址、风电机组技术、风电

10、机组的并网第四节：水能一、水能资源世界水能资源：表4-16我国水能资源及特点：总量丰富，人均资源量不高，资源分布不均匀，江河水量变化大，水能资源可开发率较低二、我国水能发展现状与前景水能开发现状：水电装机容量逐年上升，水电装机容量和发电量较为集中，小水电资源丰富，小水电发展迅速我国水电开发的规划和前景：表4-19三、水电站的工作原理：当水体通过隧洞、压力水管流经安装在水电站厂房的水轮机带动发电机转子旋转切割磁力线，在发电的定子绕组上就产生了感应电动势。一旦与外路接通，就可发电，旋转的机械能又变成电能四、水电站的基本类型：坝式水电站、河床式水电站、引水式水电站、抽水蓄能电站、潮汐水电站等等第六次

11、授课教学目的：研究新能源教学重点：生物质能及其分类教学难点：生物质能的特点教学过程第五节：生物质能一、生物质能及其分类：（1） 农业生物质能资源（2） 林业生物质能资源（3） 城市固体废弃物（4） 生活污水和工业有机废水（5）畜禽粪便二、生物质能的特点：（1） 可再生性（2） 可储存与替换性（3） 巨大的储量（4） 碳平衡（5） 清洁三、生物质能利用途径与现状（1） 生物质能利用途径：直接燃烧热化学法生化法化学法物理法生物质能开发利用现状：生物质发电、沼气、生物质气化、生物液体燃料四、我国生物质能源：农作物秸秆、林业及其加工废弃物、主要畜禽粪便、城市生活垃圾、生活污水与工业有机污水五、生物质能

12、转化利用技术：生物质直接燃烧技术、生物体的燃烧过程、生物质燃烧发电技术、生物质气化技术、生物质热解和液化技术、沼气技术、城市生活垃圾处理技术。六、生物质能利用发展前景：生物质能占世界总能耗的14%，作为重要的可再生能源，具有广阔的发展前景。第六节：地热能一、 概述地热能就是地球内部蕴藏的热能，它源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。二、 地热资源分类：按地质类型：热水型、蒸汽型、地压型、干热岩型、岩浆型按温度分级与规模分类：高温、中温、低温、大型、小型、中型。三、 地热资源的分布主要有四个：环太平洋地热带、地中海-喜马拉雅地热带、大西洋中脊地热带、红海-亚丁湾-东非裂谷地热带我国地热资源主要分

13、布在西藏、云南、台湾四、 地热资源的利用（1） 地热供暖（2） 地热工业应用（3） 地热农业应用（4） 地热行医（5） 地热发电：蒸汽型地热发电、热水型地热发电五、 地热资源的保护与发展前景：只有地热资源能量载体得到源源不断的补充，地热能才能成为真正意义上的可再生能源。第七节：海洋能一、 海洋能类型：潮汐能、波浪能、海水温差能、海流能、盐度差能二、海洋能的特点：可再生性、能流分布不均、密度低、能量多变、不稳定、海洋能开发对环境无污染。三、 海洋能开发的意义：(1) 海洋能可再生，在未来能源替换的时代，可作为新能源开发，保证人类的长期稳定的能源供应(2) 因为海洋能开发环境无污染，能满足保护环境

14、的要求(3) 海洋能开发作为未来的海洋产业，将给海洋经济的发展带来新的活力。四、 潮汐发电：一般分为单库单向型、单库双向型和双库单向型五、 波浪发电三个环节：第一级转换、中间转换、中间转换和最终转换。六、 海洋温差发电原理：将海洋吸收的太阳能转换为机械能，再把机械能转化成电能。七、 海流发电八、 盐差能发电九、 海洋能发电技术发展的展望：规模大型化、产品商用化、用途综合化。第七次授课教学目的：学习核能技术教学重点：开发利用核能的重大意义教学难点：核能的来源教学过程第五章：核能第一节：概述一、 原子和原子核世界是由物质构成的，物质是由元素构成的，构成元素的最小单位是原子。原子是由原子核和电子构成

15、的，袁再和带正电，原子核又由质子和中子构成的，质子带正电，中子不带电。二、核能的来源：来源于将核子保持在原子核中的一种非常强的作用力-核力三、开发利用核能的重大意义：1、核能是高度浓集的能源2、核能是地球上储量最丰富的能源3、核电远比火电清洁4、核电的经济性优于火电5、核电站的安全是能充分保证的6、核电技术能带动国家科技水平的综合提高第二节：核燃料和核燃料循环一、 链式裂变反应三种类型：自持型、发散型、收敛型二、核燃料定义：裂变材料和增值材料统称为核燃料三、核燃料的制取与燃料元件核反应堆是提取核能的关键部分，而核燃料则是核反应堆的基本元件。根据不同类型的核反应堆，核燃料元件的结构、形状和组分是

16、不同的。四、核燃料循环的过程（1）铀矿的勘探和开采（2）铀矿的加工和精制（3）铀的同位素分离（4）燃料元件的制造（5）在反应堆中使用核燃料（6）核燃料后处理（7）核废物的处理与处置五、核废料及其处理第三节：核技术应用一、核能的军事应用1、核的军事应用主要包括制造原子弹这种破坏力极大的核武器，通过铀同位素分离厂生产核武器的核材料高富集铀-235、用核反应堆生产核武器的核材料钚-239以及用核能作为动力去推动舰艇等。2、原子核：在一定条件下，在一瞬间可以进行许多代链式裂变反应，产生巨大破坏力的武器。3、原子核爆炸方式：大气层外爆炸、高空爆炸、低空爆炸、地面爆炸、地下爆炸4、氢弹：是利用核聚变能的第

17、二代武器。同样质量的核燃料，聚变反应要比裂变反应放出更多的能量。H+HHe+n+Q Q=17.6MeV3、 中子弹：中子弹的杀伤半径比裂变弹要大4、 第四代核武器：是基于核聚变，但不用核裂变能点火，而是用其他高含能物质的能量对核聚变惊醒点火。它的集中含能材料如表5-4所示二、核技术的和平应用1、核技术的基本功能：获取信息、进行物质改性和材料加工、衰变能应用2、核技术的应用：工业、农业、医学、科学研究第四节：核反应堆一、 核反应堆的用途（1） 产生动力（2） 生产新的核燃料（3） 生产放射性同位素（4） 进行中子活化分析（5） 进行中子照相（6） 进行中子嬗变掺杂生产高质量的单晶硅（7） 利用中

18、子进行基础研究及应用研究（8） 利用y射线进行辐射化学研究与辐射加工二、核反应堆的分类根据核反应堆的用途、所采用的燃料、冷却剂与慢化剂的类型及中子能量的大小进行分类三、核反应堆的组成：核燃料元件、慢化剂、反射层、控制棒、冷却剂、屏蔽层四、动力反应堆：舰船用动力堆、核电站反应堆。第五节：核电站一、 概述世界核电现状：表5-7二、核电站的组成核电站的系统和设备通常由两部分组成：核的系统和设备。三、轻水堆核电站轻水堆核电站的系统示意图如图5-17、5-18、5-19、5-20、5-21所示四、重水堆核电站重水堆核电站的系统图为图5-22所示五、石墨气冷堆核电站石墨气冷堆核电站的系统示意图如图5-23

19、所示六、核电站的安全性核电不是核弹、核电站的放射性核电站的安全措施：核电站的设计、建造和运行，按照国际原子能机构提出的“纵深防御”原则，从设备上和措施上提供多层次的保护，确保放射性物质能有效地包容起来不发生泄露。纵深防御包括以下五道防线：第一道防线：保证设计、制造、建造和运行、检修的质量，防止出现偏差。第二道防线：严格执行运行规程，遵守运行技术规划，及时检测和纠正偏差，对非正常运行加以控制，防止演变成事故。第三道防线：万一偏差未能及时纠正，发生设计基准事故时，自动启动电厂安全系统和保护系统，防止事故恶化。第四道防线：万一事故没能得到有效控制，启动事故处理规程，保证安全壳的完整性，防止放射性物质

20、外泄。第五道防线：如果上述各道防线失效，立即启动场外应急响应，努力减轻事故对公众和环境的影响。第八次授课教学目的：氢气制备的新技术教学重点：氢能的特点和关键问题教学难点：氢能利用待解决的关键问题教学过程：第六章氢能第一节：概述一、 氢的基本性质1、 氢燃烧性能好，点燃快2、 氢无毒和无腐蚀性3、 氢燃烧时最清洁4、 除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的5、 氢气键能D(H-H)=436kj/mol,比一般单键如D(Cl-Cl)=239kj/mol高很多，与双键如D(O=O)=489.5kj/mol差不多，因此在常温下氢气比较稳定。二、氢能的特点和关键问题1、氢能的特

21、点：氢的资源丰富、氢的来源多样性、氢能是最环保的能源、氢气具有可储运性、氢的可再生性、氢气是和平能源、氢气是安全的能源。2、氢能利用待解决的关键问题：廉价的制氢技术、安全可靠的储氢技术和输氢方法、大规模高效利用氢能的末端设备。第二节：氢的制取一、 实验室中制取氢气的方法1、 活泼金属与水的反应2、 金属与酸的反应3、 金属或半金属与强碱的反应4、 金属氢化物与水的反应二、氢气的工业生产1、化石燃料制氢2、氨分解制氢3、电解水制氢三、氢气制备的新技术1、高温电解水蒸汽制氢2、高温热解水制氢3、热化学循环分解水制氢4、太阳能制氢5、生物质制氢6、其他方法制氢四、氢气的提纯氢气的工业纯化方法主要有低

22、温吸附法、低温分离法、变压吸附法和无机膜分离法第三节：氢的储运和运输一、 氢气的储存技术的方法有：1、 水封储气罐储氢2、 高压气态储氢3、 低温液氢储存4、 金属氧化物储氢5、 非金属储氢材料储氢6、 有机液体等储氢材料储氢二、氢气的输配技术1、气氢的管道输送2、液氢的管道输送第四节：氢的应用一、 氢在现代工业中的应用1、 石油化学工业2、 煤的加氢气化或液化3、 合成氨工业4、 食品加工工业5、 塑料工业和精细有机合成工业6、 冶金工业7、 其他应用二、氢作为化学能的应用 1、氢的直接燃烧 2、在交通运输上的应用 3、在航空航天上的应用 4、氢能发电 5、家庭用氢三、氢的核能应用四、氢能的

23、利用与环境保护第五节：燃料电池一、 燃料电池的原理：燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，现在正发展为直接使用固体的电解质。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。二、 燃料电池的特点：（1）能量转化效率高他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目

24、前燃料电池系统的燃料电能转换效率在45%60%，而火力发电和核电的效率大约在30%40%.（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。（3）燃料适用范围广：燃料电池既可适用于城市大型发电站，也可作为医院、商店、集体宿舍、边远山区的小型发电装置，以及日常和国防用于行走机械的动力系统。燃料电池的开发时今后电气新能晕应用的重大方向，它的研制具有重大的社会意义和经济意义。（4）积木化强规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独

25、立电站都非常合适（5）负荷响应快，运行质量高燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频燃料电池原理率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。（6）环境保护性：通过燃料电池系统释放出的污染物比直接燃烧要降低几个数量级，可有效的保护环境。（7）模块设计，结构紧凑：设备可以模块化，尺寸灵活性大，发电量易于调节。（8）位置灵活性：燃料电池是一种独立的发电体系，由于没有运动部件，所以可以没有噪声污染，可以方便使用，随意放置，不受周围环境限制。（9）可以采用多种燃料：高温操作型燃料电池不需要外部还原系统，在这一方面更具

26、有优势。三、燃料电池的组成和分类 1、燃料电池的主要构成组件为：电极（Electrode）、电解质隔膜（Electrolyte Membrane）与集电器（Current Collector）等。 2、燃料电池的分类：燃料电池种类繁多，除了氢氧质子交换膜燃料电池，还有熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、金属空气电池等等。燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作

27、为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。四、燃料电池的应用1、便携式电源燃料电池一方面可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要，实际应用的产品包括高端手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等；另一方面用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。2、燃料电池无人机3、固定式电源燃料电池既可与电网系统互联用于调峰，同时也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区等发供电系统电源。采用多

28、台质子交换膜燃料电池发电机联网还可构成分散式供电系统，便可省去电网线路及配电调度控制系统，通过热电联供使燃料总利用率高达80%以上。4、军用电源电源作为军事信息技术装备的命脉，其连续性、可靠性、安全性对于新式军事战争至关重要，它是信息技术装备密不可分的一部分。目前国外先进军事装备研究机构将燃料电池应用于单兵作战动力电源（100W）、移动电站（100W-500W）和军车动力驱动电源（500W-10kW），取得了良好的反馈效果，未来燃料电池电源有望开拓这部分新兴业务。五、燃料电池的发展趋势目前，世界化学品生产商塞拉尼斯公司、杜邦公司、巴斯夫公司、Methanex公司，燃料电池开发商Ballard动

29、力系统公司、国际燃料电池公司以及汽车生产商戴姆勒-克莱斯勒公司、福特汽车公司、现代汽车公司、大众汽车公司等都纷纷联手开发燃料电池和燃料电池汽车。按燃料电池所用原始燃料的类型，大致分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池。第六节：21世纪的氢能和氢经济一、 氢能和氢经济氢能的应用不是遥远的将来，我们可望未来的经济将变成氢经济，氢能转换成动力、电能，走向家家户户，成为人类今后长期依靠的一种通用燃料。二、 氢能系统氢能系统是一种极具潜力的未来的能源系统,氢能技术与氢能系统应用的发展迫切需要开展与氢能系统评价相关的研究。第九次授课教学目的：学习生态平衡及其破坏教学重点：地球环境的基本特

30、征教学难点：地球的生态系统教学过程：第七章：能源利用的环境效应第一节：能源开发与利用过程中的环境效应一、地球环境的基本特征1、地球环境及其组成：地球环境由大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈和生物圈组成。：2、地球环境的演变：地球环境从地球诞生起就在演变，长期原来导致环境演变的直接动力第一是地质运动，第二是气候变化，第三是生物的改造作用。二、地球的生态系统1、生态系统的组成生产者（producer）生产者在生物学分类上主要是各种绿色植物，也包括化能合成细菌与光合细菌，它们都是自养生物，植物与光合细菌利用太阳能进行光合作用合成有机物，化能合成细菌利用某些物质氧化还原反应释放的能量合成有机物，比如，硝化细菌通过将氨氧化为硝酸盐的方式利用化学能合成有机物。生产者在生物群落中起基础性作用，它们将无机环境中的能量同化，同化量就是输入生态系统的总能量，维系着整个生态系统的稳定，其中，各种绿色植物还能为各种