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1、第三章：化学与能源,化学与能源,第一节 概述,第二节 常规能源,第三节 新能源,第四节 未来能源的发展,第一节 概 述,一.能源简史,三.我国能源现状,二.世界能源现状,能源是人类赖以生存的基础，特别是在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度。在人类享受能源带来的经济发展、科技进步等利益时，也无法避免地遇到能源安全、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题，这严重地威胁着人类的生存与发展。因此，能源问题已成为全人类共同关心的热点问题。,能源与人类社会,第一节 概述,大英百科全书“能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能
2、量”；能源百科全书“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。”可见，能源是一种呈多种形式的，且可以相互转换的能量的源泉。,能源的定义,关于能源的定义，目前约有20种之多。,第一节 概述,能源品种繁多，可从不同角度对其进行分类。,能源的分类,第一节 概述,根据各个历史阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期、石油时期和新能源时期。1.柴草时期 18世纪初叶，即资本主义发展的初期以前为柴草时期。这时人类是以树枝、杂草等当燃料，用于熟食和取暖，而生产活动主要靠人力、畜力以及一些简单的水力和风力机械作动力。这段漫长的时期，人类社会的生产和生活处于很低的水平。
3、,一.能源简史,第一节 概述,2.煤炭时期,从18世纪下半叶产业革命导致了工业大发展，逐步扩大的煤炭利用促进了煤炭工业的大发展，使煤炭代替了薪柴成为生产生活的主要燃料；燃煤蒸汽机成为生产的主要动力；煤炭转换成电力进入社会各个领域，成为生产和生活的重要能源之一，电力的应用从根本上改变了人类社会的面貌。,19世纪中叶，石油资源的发现，开拓了能源利用的新时代。石油和天然气以热值高、输送方便、清洁和廉价等优点，逐步在工业发达国家中替代了煤炭。随后，世界石油和天然气的消费量超过了煤炭成为世界能源供应的主力。1973年出现的石油危机，促使人类对能源的开发利用开始向比较丰富的煤炭、核能以及太阳能和其它再生能
4、源改变，以更好地解决人类下一世纪的能源需要。,3.石油时期,4.新能源时期,从20世纪中后期起，由于 人类无节制地使用化石燃料对现代的社会质量和全球的持续发展造成了严重的影响，这促使人们对绿色、环保、高效和稳定的新能源的探索。新能源和可再生能源发展不可避免地应运而生。可再生能源体系中的太阳能、风能、水能等都可以转化为电能，但其具有非连续性供应的弱点，如日有昼夜和阴晴之别，风有大小、有无之时，水有枯、丰的季节变化等，且不能储存和运输。,所以必须寻求一种适应这些能源的载能体，即既可储存又可运输，并像汽油一样便于用户使用的载能体。现已公认氢能系统可以最好地满足这类要求，根据最简单的水和氢之间的良性循
5、环提出的氢能与太阳能结合成太阳能一氢能体系是最理想的可再生能源体系，可实现人类能源问题的根本解决。,目前，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占84%，其中，石油占40%、煤炭占21%、天然气占23%。非化石能源和可再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例。,二 世界能源现状,能源资源的储存,能源消费结构,2007年世界煤炭、石油、天然气探明可采储量分别为8474.88亿吨、1684.02亿吨、177.361012立方米。若按现在的开采规模，煤炭、石油、天然气分别可以开采298年、42年、66年。煤炭、石油、天然气在全球分布极不均匀。但全球能源生产和消费大体保持平衡状态。,能源的
6、生产和消费,世界能源生产和消费,自19世纪70年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。初期主要是以煤炭为主，进入20世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的生产与消费持续上升。两次石油危机后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气的比例上升。同时，核能、风能、水力、地热等其它形式的新能源逐渐被开发和利用，形成了目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。,煤炭资源丰富的发展中国家，在能源消费中往往以煤为主，煤炭消费比重较大，其中南非为77.8%，中国72.9%，波兰68.1%，印度56.8%，澳大利亚44.5%，美国24.9%。发达国家石油在消费结构中所占比重均在35
7、%以上，其中美国39.7%，日本51.1%，德国40.6%，法国37.9，意大利58.4%，澳大利亚36.6%。,世界各国能源结构特点,天然气资源丰富的国家，天然气在消费结构中所占比例均在35%以上，其中俄罗斯55.6%，伊朗43.8%，沙特41.2%，英国35.1%。化石能源缺乏的国家根据自身特点发展核电及水电，其中日本核能在能源消费结构中所占比例为16.8%，法国核能占40.1%，韩国核能占13.8%，乌克兰核能占13.8%，加拿大水力占13.0%，巴西水力占19.8%。英国35.4%，加拿大37.9%。,目前，我国已经成为世界第二大能源生产国，从能源资源的总体看，其特点可概括为：总量较丰
8、，人均较低，分布不均，开发较难。具体说来：,三.我国能源现状,能源资源状况和特点,我国能源消耗比例 我国能源结构,化石能源和可再生能源资源较为丰富。其中，煤炭占主导地位。2006年，煤炭保有资源量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13%，列世界第三位。油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力比较大。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6.19万亿千瓦时，经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12%，列世界首位。,1.总量比较丰富,我国能源消耗比例,我国能源结构,煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅相当世界平均水平的1/15左右。
9、耕地资源不足世界人均水平的30%，生物质能源开发受到制约。,2.人均拥有量较低,煤炭资源主要赋存在华北、西北地区（我国煤炭资源保有量的76%分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等北部地区），水力资源主要分布在西南地区（80%的水能资源分布在四川、云南、西藏等西南部地区），石油、天然气资源主要赋存在东、中、西部地区和海域，陆地风能主要集中在东北、华北北部、西北等“三北”地区。而2/3以上的能源需求集中在中东部地区，资源赋存与能源消费地域存在明显差别。,3.赋存分布不均,与世界能源资源开发条件相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏
10、深，勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差。,4.开发难度较大,从总体上说来，我国能源资源具有资源约束（总量比重小，约为世界的10%，人均水平低，约为世界的10%，优质资源匮乏）和效力约束（能源利用技术落后，能源利用率低，总能源效率为世界的32%，低于平均水平10个百分点）的特点。另外，虽然我们目前人均消费量低，但我国具有十四亿人口，总量需求大，并且随着工业化和城镇化建设的推进，人民生活水平的提高，对能源的需求会越来越大。,改革开放以来，中国经济快速增长，社会事业全面进步，人民生活水平持续提高，能源
11、需求不断增加，能源工业快速发展。在开源和节约并举、节约优先的方针指导下，能源工业一方面降低消耗，一方面增加生产，基本满足了国民经济又好又快发展的需要，取得了举世瞩目的成绩。突出表现为：,我国能源工业的发展,2006年，一次能源生产总量22.1亿吨标准煤（世界第二位）。其中原煤产量23.7亿吨（第一）。原油产量1.85亿吨（第六）。电力发展迅速，全国发电装机容量突破6亿千瓦，发电量达到2.87万亿千瓦时（第二）。可再生能源发展迅速。水电装机容量达到1.3亿千瓦（第一）；太阳能热水器集热面积9500万平方米（占一半以上）；核发电装机近685万千瓦；年产沼气约100亿立方米，已拥有户用沼气池2200
12、多万口。已经初步形成了煤炭为主体、电力为中心、石油天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局，基本建立了较为完善的能源供应体系。,1.供给能力明显提高,1980-2006年，中国能源消费以年均5.6%的增长支撑了国民经济年均9.8%的增长。按2005年不变价格，万元国内生产总值能源消耗年均节能率为3.9%。特别是近年来，扭转了单位国内生产总值能源消耗上升的势头。2006年，万元国内生产总值能耗实现2003年以来的首次下降。能源综合效率为33%，比1980年提高了8个百分点，单位产品能耗也明显下降，与国际先进水平的差距不断缩小。,2.能源节约效果显著,中国政府高度重视环境保护，加强环境保护已经成为
13、基本国策，社会各界的环保意识普遍提高。中国政府通过综合运用法律、经济等手段全面加强环境保护，已经取得了积极进展。能源消费结构有所优化，优质清洁能源比重有所上升，能源效率得到提高。,3.环境保护取得积极进展,与此同时，能源科技水平也得以迅速提高，为能源工业发展提供了重要支撑。能源发展的市场环境也正在逐步完善，各项改革稳步推进，立法步伐明显加快。但我国能源在加快发展过程中，也存在一些突出问题。如资源约束比较明显，能源效率偏低，能源结构不够合理，环境压力加大、市场体系不够完善、安全应急体系不够健全等。但我国政府清醒地认识到，目前能源发展中存在的问题是发展中的问题，前进中的问题，我国有信心、有能力解决
14、好这些问题。,第二节 常规能源,一、煤,三、天然气,二、石油,当今世界上最重要的常规能源煤、石油、天然气，是化石燃料（又叫矿物燃料），是能源的主力。化石燃料是埋藏在地下的动植物经过几百万年才形成的，埋藏于底下的动植物尸体通过光合作用贮存了太阳的能量，燃烧时又以能量的形式释放出来。,19世纪以后，随着蒸汽机的普遍使用，煤炭成为世界的主要能源。自20世纪中期以来，石油和和天然气迅速兴起，石油和天然气取代煤碳虽然是世界的普遍趋势。但是，在70年代两次世界石油危机相继发生后，煤炭又可能作为代替石油的重要能源，重居世界能源的主要地位，因而近年国际能源界把煤炭称为“通向世界未来的桥梁”。,一.煤,世界上的
15、煤炭资源主要分布在北半球，以亚洲和北美洲最为丰富，分别占全球地质储量的58%和30%，欧洲仅占8%。2007年已探明的煤炭可开采储量在全球位于前十位的国家见表3-5，其储量总和占世界的91.4%。,2005年世界煤炭消费增长是过去10年平均增长的两倍，煤炭再次超过天然气成为需求增长最快的能源。据世界煤炭协会预测，到2030年全球煤炭产量将提高到70多亿t（动力煤约达到52亿t，焦煤约6亿t，褐煤约12亿t）；此间动力煤、褐煤和钢铁生产用焦煤将分别以每年1.5%、1%和0.9%的速度增长。,煤炭产量和消费量最大的地区为亚太地区，分别占全球总量的59%和59.7%。2007年世界前六大煤炭生产国所
16、占世界份额分别为中国41.1%、美国18.7%、澳大利亚6.9%、印度5.8%、南非4.8%、俄联邦4.7%，其他18.0%；前六大煤炭消费国煤炭消费量所占世界份额分别为中国41.3%、美国18.1%、印度6.5%、日本3.9%、南非3.1%、俄联邦3.0%，其他24.1%。,有人曾说，煤炭可开采190年以上，也有人估计煤炭储量可维持500年。但是，煤矿露天开采要占用大片土地，而且破坏土地资源和周围环境，煤炭的燃烧产生氮氧化物、二氧化碳等，造成大气污染。尽管燃煤的热值低于油气，运输不便，造成污染，但煤炭具有蕴藏量巨大、价格低廉的优点，因而煤炭在能源结构中具有与油的竞争的能力。,煤又名煤炭，它是
17、由古代植物在地下隔绝空气的条件下，经过长期的一系列复杂的化学和生物变化，形成的一种由有机物和无机物所组成的复杂的混合物。煤没有单一的分子结构，其式量在3001000之间，由大量的碳原子环状结构组成，其主要成分是碳，还含有氢、氧、氮及硫、磷等48种元素（表3-6），故有黑色的金子之称。,煤的组成、结构和性质,第一节 煤,煤分子是由若干个基本结构单元组成的高分子聚合物，基本结构单元的主体部分由若干个芳环及个别脂环或杂环缩合而成，其边缘部分主要是烷烃侧链和各种官能团（煤化程度越高或含C量越高，侧链平均C原子数越少，一般小于3），基本单元之间由各种桥键（如-O-O-、-S-、-CH2-等）相互联结形成
18、三维空间。,第一节 煤,不同类型煤的基础结构,煤中的矿物质是除水以外的所有无机物的总称，包括各种硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、金属硫化物矿物（含硅、铝、铁、钙和镁）等。煤中的矿物质在燃烧时经高温灼烧，多半变成各种金属和非金属氧化物，其中以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO为主，这些氧化物占煤灰粉的95%以上。煤炭无论作何种用途，其中的灰粉都是有害的。煤中的硫对炼焦、气化、燃烧等也是十分有害的。,煤炭除了作为一次能源被直接使用外，还可用于制造二次能源和化工原料等，已有实用价值的主要有煤的气化、液化和干馏。煤作为燃料有两个主要缺点：其一是脏，难以处理；其二是因含硫引起污染。故此，人们就想通
19、过将煤加工气化，使其转变成干净而又方便运输的燃料。,煤的综合利用,在氧气不足的情况下，把煤中的有机物部分氧化为可燃体气体的过程。煤与有限的空气和水蒸气反应，得到一种气态混合物，称为半煤气。,1.煤的气化,由于半煤气中含有大量（50%左右），热值较低（用于合成氨），它的热含量只有甲烷的1/6。但如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制得水煤气，则得到不含氮的一氧化碳和氢的混合物，叫做合成气或煤气，这种气体因不含氮其燃烧热比半煤气高1倍。,煤的液化又叫“人造石油”，是一个将煤转化成液体燃料的过程。煤和石油都是由C、H、O等元素组成的有机物，但煤的平均分子量比石油高，另一方面煤的氢碳原子比，即H/C低。,
20、2.煤的液化,为使煤液化，需要加氢。煤的深度加氢是在较高温度和很高的压强下进行，煤先发生热解反应生成自由基碎片（带有一些不饱和键），然后加氢，使化学键饱和而稳定下来，形成低相对分子质量的液体产物及少量气态产物；同时煤中氧、硫等杂原子与氢反应生成H2O、H2S等被除去，进一步提高液体燃料的质量。,在煤的直接液化过程中，煤分子只发生部分解聚和裂解，而基本结构单元大多保存了下来。在元素组成上，氢元素含量增高，而氧、氮、硫等元素含量降低。煤还可以进行间接液化，就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经催化合成得到液体燃料。1983年美国田纳西州伊特曼公司建成由煤制醋酐的工厂，工艺路线是经合成气（CO+H
21、2）净化，回收硫，然后合成甲醇、醋酸甲酯和醋酐，并用醋酐乙酰化方法生产醋酸纤维。这些产品是生产照相底片、纤维素塑料、香烟滤嘴、人造丝及涂料的原料。,洁净煤技术是指从煤炭开发到利用的全过程中旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术，包括直接烧煤洁净技术和煤转化为洁净燃料技术。,3.洁净煤技术,将煤置于隔绝空气密闭的炼焦炉中加热分解生成气态的焦炉气、液态的煤焦油和固态的焦炭。煤分馏（干馏）得到产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。,4.煤的焦化（干馏）,据统计，从1000万吨煤中可提取32亿立方米煤气、770万吨焦炭、10万吨粗氨水、4000吨
22、粗酚、18000吨萘、70万吨防腐油和18万吨沥青。据资料统计，每吨煤平均含0.1克黄金、5-10克白银和许多稀有金属元素；连燃烧的灰烬中也往往含一些贵重金属，如铀、钒、钼、铬、镓和锗等。我国是世界上煤储量最丰富的国家之一，我国产量已多年居世界第一。,3.煤炭地下气化,在地下将处于自然状态的煤炭通过有控制地燃烧就地转化为可燃气体，然后抽送到地面经净化使用。这一技术一个多世纪来一直处于实验阶段，难以广泛进入工业应用阶段。这种方法集建井、采煤和气化于一身，具有安全、高效、污染少、减少地面塌陷、有利于环保等特点。中国第一个煤炭地下气化工业示范基地在河北省唐山市刘庄煤矿建成，地下气化炉已连续正常运行并
23、成功连续稳定供气。,第一节 煤,煤层气通常被称为煤矿瓦斯，主要成分为甲烷，易燃易爆。从人类开发利用煤炭开始，煤层气曾导致了无数起矿毁人亡的惨剧。然而科学家们发现，这种可怕的气体却有着宝贵的利用价值：1000m3的发热量就相当于1吨石油的发热量，而且洁净无污染、无油烟，堪称新世纪的“绿色能源”。,4.煤层气开发利用,世界煤层气资源分布,石油有“工业的血液”的美誉，也叫原油，是从地下深处开采出来的黄色至黑色的可燃性粘稠液体，常常与天然气共同存在，因此，常常并称为油气。人类自1973年以来共向地球索取了800亿吨石油，占当时探明储量的85%。到2009年，新发现的油田几乎使储量翻了两番多。世界石油资
24、源主要分布在中东、拉丁美洲、北美洲、西欧、非洲、东南亚和中国。现在，产油的国家和地区已有150多个，发现的油气田已有四万多个。,二.石 油,中东的沙特阿拉伯、伊朗、科威特、伊拉克和阿拉伯联合酋长国是世界最大的石油产地和输出地区。截至2003年1月1日，全球石油估算探明储量为1661.48亿吨；天然气估算探明储量为155.78万亿立方米。世界上石油储量超过10亿吨和天然气储量超过1万亿立方米的特大油、气田共42个，沙特阿拉伯和俄罗斯分列世界石油、天然气储量之首。中国2001年底石油估算探明储量约33亿吨，居世界第11位。,石油是由远古代动、植物遗体在地壳内部高温、高压条件下，经过复杂的化学变化而
25、形成的各种烷烃、环烷烃和芳烃的混合物。其特点为：碳氢化合物以直链为主（煤以芳香烃为主）、含氢量高含氧量低。石油所含的基本元素是碳和氢，同时含少量硫、氧、氮等元素。,1.石油的组成、结构、性质及分类,组成石油的有机化合物分为由碳、氢元素构成的烃类化合物和含有硫、氮、氧等元素的非烃类化合物两大类。组成石油中的烃类主要是烷烃、环烷烃和芳香烃。石油中的硫、氮、氧元素以非烃类化合物形式存在，这些元素的含量虽仅有1-4%，但非烃化合物的含量却很高。,2.石油的炼制,石油中所含化合物种类繁多，必须经多步炼制才能使用，主要工序有分馏、裂化、重整和精制。,原油不但组分复杂，而且还含有水和氯化钙、氯化镁等盐类。在
26、炼制时，含水多要浪费燃料，含盐多会腐蚀设备，因而原油必须先经过脱水、脱盐等处理过程才能进行炼制。习惯上将石油炼制过程很不严格地分为一次加工、二次加工、三次加工三类过程。,又叫做油母页岩，是一种高矿物质的腐泥煤，也是一种低热值固态化石燃料，色浅灰至深褐，含有机质和矿物质。油页岩产油率低于6%的属贫矿，高于10%的属富矿。世界已探明的产油率在4%以上的油页岩储量超过已探明的石油储量。油页岩主要是由藻类等低等浮游生物经腐化作用和煤化作用而生成，是复杂的高分子有机化合物，富含脂肪烃结构，而较少芳烃结构。,3.油页岩,目前，天然气是消费增长最快的矿物燃料。天然气现在占全球商业能源的23%，其生产在过去的
27、20年里增长了约70%。虽然全球天然气储量估计正在快速地增长，但已发现的天然气储量仍比石油少。,三.天然气,世界各地天然气储量,天然气资源主要集中在3个国家：俄罗斯为27%，伊朗为15%，卡塔尔为13%。他们拥有全世界一半以上的天然气储量。俄罗斯2008年的探明储量约为43.30万亿立方米，大约是美国储量的6倍多。全球80%的天然气储量集中在20多个国家，而石油主要集中在十几个国家。,中东石油产量占世界总产量的30%，而其天然气产量则仅占全世界的l0%。20世纪90年代末天然气需求以每年3%的速度增长。预计2020年天然气需求的年增长速度为2%，而石油为1.3%。天然气在能源结构中的需求增长势
28、头强劲。,世界天然气产量增长较快，2006年产量为28343.04108 m3，增幅4.08%；欧佩克天然气产量近两年持续高速增长，年增长幅度为4.67%，产量为4615.10108 m3。2006年产量名列前茅的国家有俄罗斯、美国、加拿大、阿尔及利亚等。,世界石油天然气消费预测增长也较快。国际能源署预测20072030年，世界天然气工业平均每年需要l 500亿美元用于基础设施建设，大部分资金流向北美地区，该地区的需求不断增长，建设成本居高不下。,全球天然气的产量与消费量,中国天然气的产量与消费量,1.天然气的定义与组成,广义的天然气是指埋藏于地层中自然形成的气体的总称。但通常所称的天然气只是
29、指贮藏于地层较深部的可燃性气体（即气态化石燃料），而与石油共生的天燃气常称为油田伴生气。天然气主要成分是甲烷，但还有少量的乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷和戌烷以及微量的重碳化合物和非烃类气体。,液化天然气(liquefied natural gas简称LNG)是天然气在大气压下，冷却至约-162时的液态产品，无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，其重量仅为同体积水的45%左右，热值为1.05109 J/t。,压缩天然气(Compressed Natural Gas简称CNG)是指天然气加压(超过3,600磅/平方英寸)并储存在容器中的气态产品，其组分与管道天然气相同。
30、它可作为车辆燃料利用。液化天然气可以用来制作压缩天然气，这种以压缩天然气为燃料的车辆叫做NGV（Natural Gas Vehicle）。,液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，简称LPG)经常容易与LNG混淆，其实它们有明显区别。实际上LPG是石油和天然气在适当的压力下形成的混合物并以常温液态的方式存在。LPG的主要组分是丙烷，还有少量的丁烷。LPG在适当的压力下以液态储存在储罐容器中，常被用作炊事燃料。在国外，LPG被用作轻型车辆燃料已有多年。,天然气加工是以天然气为原料生产化学产品的工业，是燃料化工的组成部分。由于天然气与石油同属埋藏地下的烃类资源，有时为共生矿藏，
31、其加工工艺及产品相互有密切的关系，所以也可将天然气化工归属于石油化工。天然气加工过程可分为净化分离和化学加工。,2.天然气的加工,净化分离：包括从地下采出的天然气，在气井现场经脱水、脱砂与分离凝析油后，根据气体组成情况进行进一步的净化分离加工。凝析油是地层中处于高压高温条件下的气藏开采到地面时由于压力和温度降低凝析出的液体产物。,化学加工：包括在高温下进行的天然气热裂解，即天燃气中低碳烷烃在高温下吸收大量能量而分解为低碳不饱和烃和氢，甚至完全分解为元素碳和氢的烃类裂解过程。天然气裂解过程比较复杂，主要反应有：,天然气裂解主要产物为乙炔和炭黑。天然气经蒸气转化或部分氧化可制得合成气（以氢气、一氧化碳为主要组分供化学合成用的一种原料气）。天然气蒸气转化的主要反应为：,这个反应是较强的吸热反应。此外，还有下列反应发生：,这两个反应都是放热反应。由于天然气中只含有很少的二氧化碳、氮气等废气，从保护环境出发，液化天然气被认为是良好的清洁能源之一。,
