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工程化学 —— 第六章 化学与能源. 使用教材:许力等编著, 《 工程化学 》 ,兰州大学出版社 授课对象:非化学类各专业学生 主讲教师:董文魁、许力、李静萍等. 学习目的和要求 : 了解能源. 本章节重点、难点 各种能源分类. 学时分配 共( 1 学时)。. §6 化学与能源 能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明始于火的使用,燃烧现象是人类最早的化学实践之一,燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化,创造了五光十色的物质文明。
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工程化学——第六章 化学与能源 使用教材:许力等编著,《工程化学》,兰州大学出版社 授课对象:非化学类各专业学生 主讲教师:董文魁、许力、李静萍等
§6 化学与能源 能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明始于火的使用,燃烧现象是人类最早的化学实践之一,燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化,创造了五光十色的物质文明。 现代社会的生产和生活离不开能源。能源既是工农业生产中必需的物质基础,也是人类赖以生存的物质条件之一。随着社会的发展,能源供需之间将会出现越来越尖锐的矛盾。因此,如何节约能源,研究和发展利用新能源,就引起了世界范围内极大的关注。 §6.1能源概述
§6.2煤、石油和天然气 煤、石油和天然气是当今人类利用得最为普遍,最为广泛的能源,因而也是与我们目前生活、生产关系最为密切,影响最大的能源。 1. 煤 煤、石油和天然气都是由植物和低等生物残骸在地下经长期的堆积、埋藏,在高温、高压、缺氧的条件下,经过复杂的物理化学变化而形成的。它们以矿藏的形式存在于地壳中,通常称为矿物燃料或化石燃料。 在这些矿物燃料中,煤的贮量丰富,其开采始于13世纪,18世纪中叶随着蒸汽机的发明和推广应用,煤逐渐成为世界的主要能源。据估测,世界上煤的总贮量约为136093亿吨,已探明贮量为10391亿吨。
煤是发热量很高的一种固体燃料,它的主要成分是碳,还有一定量的氢和少量的氯、氮、硫和磷等。煤是发热量很高的一种固体燃料,它的主要成分是碳,还有一定量的氢和少量的氯、氮、硫和磷等。 煤是由有机物和无机物组成的一种混合物,以有机物为主。无机物有Ca、Al、Mg、Fe的硫酸盐、碳酸盐;Al、Cu、Mg、Na、K的硅酸盐、硫化物、氧化物等,燃烧后则构成煤的灰分。碳是煤中主要的可燃成分元素,煤的炭化程度愈高,其含碳量也越多,其发热值也愈高,发热值是评价煤炭优劣的重要指标。通常把1kg煤完全燃烧后放出的总热量,称为煤的发热值。无烟煤的发热值约为3.0×104。 地球上石油和天然气的贮量有限,按目前的开采速率几十年之后即将枯竭,而煤的贮量还可供几百年使用,因而煤在今后仍将是重要的能源。但是,煤作为一次能源有其固有的缺点,主要是其发热值比石油、天然气低得多,利用效率低;通常的采煤方法,开采率仅为60%左右,更降低了煤的有效利用价值;煤的运输也远比石油、天然气困难。
2. 煤的清洁利用 洁净煤技术已经列入“中国21世纪议程”,主要研究从煤的开采到利用的所有技术领域的清洁生产与污染控制。应用方面研究主要包括: ●制备水煤气 H2O(g)+C(S)=CO(g)+H2(g) △rHmθ=131.3kJ.mol-1 ●合成天然气 CO(g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g) △rHmθ=-250.1kJ.mol-1 ●煤转变为液态燃料 ●制作成水煤浆燃料
3. 石油和天然气 石油是一种优良的液体燃料(发热值约在4.8×104),也是重要的化工原料。我国有较丰富的石油和天然气资源,是世界第六大产油国。 石油是含多种碳氢化合物的混合物,包括烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃。利用各组分沸点的不同,可通过分馏、精馏将不同的组分分组分离提纯。其中的低沸点成分,即为含碳原子数很少的烃类,如乙烯、丙烯、丁烯、低碳烷等都是极有价值的基本化工原料,可用于制造合成纤维、合成橡胶及塑料、树脂等许多方面。因此若把石油直接作为燃料烧掉是十分可惜的。通常是通过炼蜡、沥青等供不同的应用。但是天然石油中含有的低碳成分并不多,远不能满足实际需要,因此人们研究开发石油的催化裂化技术,即在适当催化剂的作用下,使石油中含较多碳原子的长链分子发生碳-碳键的断裂,裂解为含碳原子数较少的短链分子,使其成为适合化学工业需要的基本原料。
对石油的深加工,不仅使石油的利用价值提高了成千上万倍,而且也大大提高了石油作为能源的有效利用率。经过催化裂解,可使原油中轻质油产率高达80%以上,降低汽油燃烧时的爆震程度。加氢催化裂解还可使高凝固点的汽油转化为低凝固点的航空汽油。对石油的深加工,不仅使石油的利用价值提高了成千上万倍,而且也大大提高了石油作为能源的有效利用率。经过催化裂解,可使原油中轻质油产率高达80%以上,降低汽油燃烧时的爆震程度。加氢催化裂解还可使高凝固点的汽油转化为低凝固点的航空汽油。 天然气是一种优质气体燃料和重要的化工原料。天然气的主要成分是甲烷,还有少量的乙烷和其他碳氢化合物。常温加压下可以转化为液体,得到液化天然气。 天然气是清洁的燃料,燃烧产物CO2和H2O都是无毒物质,并且发热值也很高,管道输送也很方便。我国最早开发使用天然气的是四川盆地。近年来,北京、天津的居民正在逐渐使用管道天然气,这种方式颇受欢迎。
§6.3 核能 一、原子核的组成和结合能 二、核裂变 三、核聚变
§6.3新能源 1. 能源开发与可持续发展 2. 氢能 是一种理想的最有前途的二次能源,特点是热值高(为煤的6倍左右);原料是水,资源用之不尽;无污染。 △rHm=-286kJ.mol-1 最理想的制取氢气的方法是用太阳能分解水,核心是寻找适合紫外光分解水的催化剂,21世纪可能会有重大突破。 目前用过渡金属化合物储氢,寻找更有效的储氢方法是氢能成功利用的重要课题。
3.太阳能 太阳能是指太阳辐射能,是地球上最根本、最丰富的能源。煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的,风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为5×1021kJ,相当于目前全世界能源消耗的1.3万倍。我国960万平方公里土地上获得的太阳能,相当于12000亿吨标准煤燃烧时发出的总能量。可见,太阳能是非常巨大的。 太阳能利用的难题是能量密度较低,太阳能的收集与转换是关键课题。
目前利用方式有三种: 光转变为热能(通过集热器进行光热转换);光转变为电能(通过太阳能电池进行光电转换);光转变为化学能(光解制氢与氧)。 此外,核能、地热能、生物能、潮汐能、风能等也是目前清洁的新能源开发研究领域。 4. 新能源开发的重点与热点 氢能、太阳能、核能、生物质能是目前重点开发的新能源。 太阳能光解制氢及高性能储氢合金的研究是目前的焦点与热点。