化学与常规能源

化学与常规能源主要内容柴薪(生物质能)——第一代主体能源•煤——最主要的固体燃料•石油和天然气•化学电池•能源利用的化学本质电、汽油、太阳能都属于什么？电灯发光需要什么?汽车行驶需要燃烧什么?人造卫星正常运转需要什么?你知道目前还有有哪些能源呢？地热能西藏羊八井地热发电站温泉太阳能太阳能电池太阳能热水器电能风能核能化石燃料石油煤目前,人类生产、生活的主要能源是什么？它有什么缺点？化石燃料缺点:1.不可再生如何解决？节约能源; 研制使用节能产品2.能量转化率低3.对大气产生污染为什么化石燃料的转化率低？我们以火力发电厂发电为例火力发电厂发电中能量转化：化石燃料、化学能→热能→机械能→电能你现在知道为什么化石燃料的转化率低的原因了吗？那么生活中有没有能量转化率较高的装置？——化学电源生活生产中常见电池你知道这些电池工作时，能量是如何转化的？燃料电池可燃性物质与氧气在催化剂的作用下反应，直接将化学能转化为电能下面我们通过实验来直观感知化学电源中能量的转化连接锌片与负极、铜片与正极观察到什么现象？说明什么？实验中能量是如何转化的？使用电池虽然能减少大气污染和提高能量的转化效率，但废旧电池能否随意丢弃？为什么？你认为应如何处理？随意丢弃废旧电池会导致固体废弃物和重金属离子对环境的污染。

化石燃料能量转化率低且污染大气，而化学电源虽提高能量转化率，降低大气污染，但又带来新的环境污染问题。

那么，你认为人类理想的能源是什么？为什么？氢能的优点：1.原料来源广2.氢气热值大3.燃烧产物是水,无污染氢气——理想的绿色能源什么是能源？⏹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：1.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。

2.地热能：如地下热水、地下蒸气、干热岩体。

3.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。

4.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。

能源的分类●按能源工作者的分类1.一次能源：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2.二次能源：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。

一次能源：1、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。

2、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、氢气和焦炭水蒸气形成雨雪空气变热形成风空气、地表吸热食物中的化学能2013/11/12Ⅰ.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。

水+二氧化碳（植物、太阳能）—→有机体+氧●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(於某些条件下)；* 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。

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、乙醇一、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。

二、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●概述⏹煤是我国的主要能源⏹煤的来源及形成⏹煤的化学组成●煤的利用方式⏹直接燃烧⏹综合利用⏹煤的气化⏹煤的干馏⏹煤的液化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。

2013/11/12化学与常规能源402013/11/12化学与常规能源41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：1.热效率低；2.化学利用率低；3.严重污染环境。

2013/11/12化学与常规能源43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，电极等煤的综合利用——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。

煤的综合利用——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。