化学与能源.docx
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化学与能源
第三章化学与能源
教学目的与要求：
1.了解能源的分类及能源利用现状和发展趋势。
2.了解煤、石油和天然气的化学组成，掌握煤的清洁燃烧和化学转化技术，掌握石油的主要炼制过程。
3．握核裂变反应、核聚变反应的原理。
4．解太阳能、地热能、氢能及生物质能等新型清洁能源。
教学重点与难点
重点：
煤的清洁燃烧和化学转化技术、石油的主要炼制过程、核能
难点：
核裂变反应、核聚变反应的原理
能源是指可以为人类提供能量的自然资源，它是国民经济发展和人类生活所必需的重要物质基础。
目前能源、材料、信息被称为现代社会繁荣和发展的三大支柱，是人类文明进步的先决条件，国际上往往以①能源的人均占有量；②能源构成；③能源使用效率；④能源对环境的影响因素，来衡量一个国家现代化的程度。
化学在能源的开发和利用方面扮演者重要的角色，无论是煤的充分燃烧和洁净技术，还是核反应控制，无论是新型绿色化学电源的研制、生物能源的开发都离不开化学这一基础学科的参与。
因此，在20世纪末化学学科中一个新的分支——能源化学应运而生。
第一节全球能源结构和发展趋势
1．能源的分类
按照能的形式可将能源分为五大类：
太阳能，化学能，运动能，地热能，原子能
一次能源:
存在于自然界中的可直接利用其能量的能源。
二次能源:
不是自然界天然存在的，是人类利用一次能源经过加工转化而取得的能源。
可再生能源：
不会随着本身的能量转换或者人类的利用而日益减少的能源，它们具有天然的自我恢复能力。
不可再生能源：
越用越少，在短时期无法再生的一次能源。
2.全球能源结构和发展
世界能源发展
从历史上看，世界能源结构经历了三次大转变：
①18世纪60年代，英国的产业革命促使全世界的能源结构发生了第一次大的转变。
蒸汽机的推广、冶金工业的蓬勃发展以及铁路和航运的发达，无一不需要大量的煤炭，以1920年为例：
煤炭在当时世界商品能源中占87%。
②第二次世界能源结构大转变，发生在第二次世界大战之后，几乎所有工业化国家能源由煤转向石油和天然气。
与煤相比，石油、天然气热值高，加工、转化、运输、储存和使用方便，效率高，而且是理想的化工原料，另一方面，社会和政府部门的环境保护意识也推动这一转变。
是能源结构由单一的煤炭转向石油和天然气，标志着能源结构的进步。
20世纪在世界一次能源总消费结构中：
石油
天然气
煤炭
水电和核电
39．9%
23．6%
26．2%
10．1%
石油、天然气、煤炭均为非再生能源，据估计100多年后它们将消耗殆尽。
③20世纪末，世界能源结构开始了第三次大转变，从石油、天然气为主的能源系统向以核能、风能、太阳能等可再生能源为基础的可持续发展的能源系统转变。
3.我国能源消费现状及特点
（1）我国能源消费现状:
我国进入20世纪90年代以后，能源的生产量小于消费量，而能源消费总量增长的趋势更加明显，两者之间的差值有拉大的趋势。
我国目前是能源进口国。
在能源消费总量中，煤占70-80%，因此煤是我国的主要能源。
中国能源生产、消费总量及消费构成
（2）我国能源的特点：
①资源总量丰富，但人均不足;
②能源消费结构不合理;
③能源消费系数高，效率低;
④环境形势严峻;
⑤我国地域广阔，蕴藏着丰富的可再生资源，而这有利于多元化能源的开发利用。
我国能源产业结构的发展战略
以煤炭为基础，以电力为中心，积极开发石油、天然气，适当发展核电，因地制宜开发型能源和可再生能源，走优质、高效、低耗的能源可持续发展之路。
第二节化石燃料
化石燃料是指煤炭、石油、天然气等这些埋藏在地下不能再生的燃料资源。
化石燃料中按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天然气和油砂。
一．煤
煤炭是埋藏在地下的植物受地下和地热的作用，经过几千万年乃至几亿年的炭化过程，释放出水份、二氧化碳、甲烷等气体后，含氧量减少而形成的。
现代成煤理论认为煤化过程是：
植物→泥炭→褐煤→烟煤→无烟煤
它们的含碳量范围大致为：
无烟煤85%—95%，烟煤70%—85%，
褐煤50%—70%，泥炭约50%。
1.煤的主要成分：
煤是由无机物和有机物组成的混合物，其中以有机物为主。
组成的基本元素有C,H,O以及少量的N,S等。
2.煤的洁净燃烧
煤炭的洁净燃烧与硫在煤炭中的存在状态有着密切的关系，硫在煤炭中存在形式复杂，主要包括无机硫和有机硫，有时还包括微量的呈单体状态的元素硫。
有机硫以硫醇类（R-SH）、硫醚类（R-S-R′）、硫蒽类（R-S-S-R′）、硫醌类等结构的官能团存在于煤中；无机硫主要以硫化物的形式存在，还有少量的硫酸盐中的硫，无机含硫矿物以黄铁矿为主，硫酸盐以钙、铁、镁和钡的硫酸盐类形式出现。
黄铁矿是煤炭中硫的主要组成部分。
（1）限制高硫煤的开采和使用
目前我国高硫煤总产量越为9600万吨，仅为煤炭总产量的7%，但其燃烧排放的SO2却占燃煤SO2排放总量的20%左右。
限制高硫煤开采总体上不会影响我国能源生产和消费结构的平衡，又是减少SO2排放的有效措施。
（2）煤炭选洗加工
选煤是发展洁净煤的源头技术，常规的物理选煤可除去煤中的60％的灰分和约50％的黄铁矿硫。
煤炭经洗选可大大提高燃烧效率，大大减少污染物排放，入选1亿吨原煤一般可减少燃煤排放的SO2，100～150万吨，成本仅为洗涤烟气脱硫的十分之一。
但物理选煤只能脱无机硫，且会造成煤炭资源和水资源的浪费。
我国当前的煤炭入洗率较低，大约在20％左右，而美国为42％，英国为94．9％，法国为88．7％，日本为98．2％。
（3）脱硫燃烧
煤燃烧过程中进行脱硫处理，即在煤中掺烧固硫剂固硫，固硫物质随炉渣排出。
也就是在煤中掺入或向炉内喷射各种石灰石粉、白云石粉、生石灰、电石渣及富含金属氧化物的矿渣、炉渣等作为固硫剂，在燃烧中，由于固硫剂的作用，煤燃烧产生的SO2还没有逸出就与煤中含钙的固硫剂（如石灰石）发生化学反应，生成固相硫酸盐，随炉渣排出，从而减少SO2随烟气排入大气而污染环境。
（4）利用型煤
型煤被称为“固体清洁燃料”。
煤经过破碎后，加入固硫剂和粘合剂，压制成有一定强度和形状的块状型煤。
型煤是具有发展中国家特点的洁净煤技术，与烧散煤相比，可节煤20％～30％，减少黑烟排放80％～90％，颗粒物减少70％～90％，S02减少40％～60％。
3．煤的化学转化
煤的化学转化包括：
焦化、气化和液化
（1）煤的气化
是在氧气不足和高温条件下，使煤中的有机物部分氧化，生成H2,CO和CH4等可燃的混合物气体（即煤气）的过程。
煤的气化过程涉及10个基本化学反应：
其中H2，CO，CH4都是可燃气体，也是重要的化工原料。
例如化肥厂在合成氨时，需要原料H2，可利用反应④和③；供居民用燃料时最好的是CH4，以反应①最理想，反应④生成的水煤气（CO＋H2），虽然热值也很高，但CO毒性大，H2又易爆，所以不如CH4气安全。
煤气的组成（体积百分比）
名
称
气化剂
组成（％）
热值（kJ/M3）
主要
用途
H2
CO
CO2
N2
CH4
O2
空气
煤气
空气
2.6
10
14.7
72.0
0.5
0.2
3800－4600
燃料
混合
煤气
空气、
水蒸汽
13.5
27.5
5.5
52.8
0.5
0.2
5000－5200
燃料
水煤气
水蒸汽
48.4
38.5
6.0
6.4
0.5
0.2
10000－11300
燃料
半水
煤气
水蒸汽、
空气
40.0
30.7
8.0
14.6
0.5
0.2
8800－9600
合成氨原料气
（2）煤的焦化
也叫干馏。
是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。
随加热温度不同，产品的数量和质量都不同，有低温（500~600℃）、中温（750~800℃）和高温（1000~1100℃）干馏之分。
低温干馏所得焦炭的数量和质量都较差，但焦油产率较高，其中所含轻油部分，经过加氢可以制成汽油，所以在汽油不足的地方，可采用低温干馏。
中温法的主要产品是城市煤气，而高温法的主要产品则是焦炭。
?
焦炭主要用于冶金工业，其中又以炼铁为主，它在生铁成本中约占1／3－1／2，焦炭还可应用于化工生产，例如，以焦炭与水蒸汽和空气作用制成半水煤气，制造合成氨，还可与石灰石高温反应制取电石，少量焦炭以沥青配合制造碳精电极等。
?
焦油约占焦化产品的4％左右（低温干馏得6－12％）是黑色粘稠的油状流体，成分十分复杂，目前已验明的约500多种，其中有苯、酚、萘、蒽、菲等含芳香环的化合物和吡啶、喹啉、噻吩等含杂环的化合物，它们是医药、农药、染料、炸药、助剂、合成材料等工业的重要原料。
?
焦炉气约占焦化产品的20％，其中的H2、CH4、CO等可燃气体热值高，燃烧方便，多用作冶金工业燃料或城市煤气，与直接燃煤相比，环境效益极高。
H2、CH4、C2H4等还可用于合成氨、甲醇、塑料合成纤维等。
（3）煤的液化
煤液化目的是把固体煤炭转变成液体燃料，用作石油基燃料的替代品。
根据化学加工过程的不同路线，煤液化方法有直接液化和间接液化两种方法。
煤直接液化是把煤炭先磨成煤粉与溶剂配成油煤浆，通过催化加氢反应使煤中碳和其他组分直接转化为液体组分。
转化过程是在含有煤粉的液相系统中，在10.1-20.2兆帕（100-200大气压）和约450℃温度下进行。
直接液化的特点是热效率较高、液体产品收率也较高，但工艺条件复杂。
煤催化加氢液化，其主要任务是将煤中的H/C比调整至适当的数值，生产类似石油的燃料油。
煤间接液化的过程为：
先将煤气化，制成合成气，合成气经催化反应转化为液体产品。
例如用煤炭为原料制甲醇或混合醇就是典型煤间接液化过程。
间接液化的特点是各步骤工艺条件比较简单，但热效率较低。
煤炭液化油也叫人造石油。
煤和石油都是由C，H，O等元素组成的有机物，但煤的平均表现分子量大约是石油的10倍，煤的含氮量比石油低得多。
所以煤加热裂解，使大分子变小，然后在催化剂的作用下加氢（450--480℃，12MPa--30MPa）可以得到多种燃料油。
综上所述，同煤相比，煤经过化学转化后所得到的二次燃料，发热量更高，并且可以基本消除直接燃煤时SOx、NOx及颗粒物的污染。
同时还可以作为化工原料。
我国是世界上最大的耗煤国家，但70％的煤都是直接烧掉，既浪费资源，也污染环境。
积极开展煤的综合利用是十分重要的方针。
二、石油
石油是水中堆积的微生物残骸，在高压的作用下形成的碳氢化合物。
石油经过精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。
石油在地球上分布不均，中东占54%，北美占12%，南美占9%，几乎占了可确认埋藏量的3/4。
4油页岩是水藻化后形成的，含灰分过多，多半不能自燃。
油砂是含重质油4-20%的砂子。
油页岩和油砂在美洲大陆偏多。
1．石油的成分
未经处理的石油叫原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油，石油是碳氢化合物的混合物，含有一至五十个以上碳原子的化合物，（其碳和氢分别占84－87％和12－14％）其中含98%以上的烃类，主要成分为烷烃、环烷烃和芳香烃。
还含有少量的其它有机物和微量元素。
其主要组成元素是C和H。
石油中的固态烃类称为蜡。
石油的含H量比煤高，而含O量比煤低。
石油中的烃类以直链烃为主，而煤中则以环芳烃为主。
2.石油的炼制
石油中所含化合物种类繁多。
必须经过多步炼制，才能使用。
主要过程有分馏、裂化、催化重整、加氢精制等。
（1）分馏烃（碳氢化合物）的沸点随碳原子数增加而升高，在加热时，沸点低的烃类先气化，经过冷凝先分离出来；温度升高时，沸点较高的烃再气化再冷凝，借此可以把沸点不同的化合物进行分离，这种方法叫分馏，所得产品叫馏分。
分馏过程在一个高塔里进行，分馏塔里有精心设计的层层塔板，塔板间有一定的温差，以此得到不同的馏分。
分馏先在常压下进行，获得低沸点的馏分，然后在减压状况下获得高沸点的馏分。
每个馏分中还含有多种化合物，可以进一步再分馏。
下表列举石油分馏主要产品概况;
温度范围/?
C
分馏产品名称
烃分子中所含碳原子数
主要用途
气体
石油气
C1~C4
化工原料，气体燃料
轻
油
30~180
溶剂油
汽油
C5~C6
C6~C10
溶剂
汽车，飞机用液体燃料
180~280
煤油
C10~C16
液体燃料，溶剂
280~350
柴油
C17~C20
重型卡车，拖拉机，轮船用燃料，各种柴油机用燃料
重
油
350~500
润滑油
凡士林
C18~C30
蜡烛，肥皂
沥青
C30~C40
建筑业，铺路
>500
渣油
>C40
做电极，金属铸造燃料
石油气中的饱和烃中以丁烷（C4H10）为主，它的沸点为?
0.5℃，稍加压力即可液化储于高压钢瓶中。
当打开阀门减压时即可气化点燃使用，城市居民用石油液化气的主要成分就是丁烷。
在30~180℃沸点范围内可以收集C5~C6馏分，这是工业常用溶剂，这个馏分的产品也叫溶剂油。
在40~180℃沸点范围内可以收集C6~C10馏分，这是需要量很大的汽油馏分。
按各种烃的组成不同又可以分为航空汽油、车用汽油、溶剂汽油等。
提高蒸馏温度，依次可以获得煤油（C10~C16）和柴油（C17~C20）。
它们又分为许多品级，分别用于喷气飞机、重型卡车、拖拉机、轮船、坦克等。
蒸馏温度在350℃以下所得各馏分都属于轻油部分，在350?
C以上各馏分则属重油部分，碳原子数在18~40之间，其中有润滑油、凡士林、石蜡、沥青等，各有其用途。
（2）裂化在一定条件下，把相对分子质量大、沸点高的烃断裂为相对分子质量小、沸点低的烃的过程。
裂化有热裂化和催化裂化。
用上述加热蒸馏的办法所得轻油约占原油的l/3~1/4。
但社会需要大量的分子量小的各种烃类，采用催化裂化法，可以使碳原子数多的碳氢化合物裂化成各种小分子的烃类，如：
有些裂化产物还要继续分解：
C8H18C4H10+C4H8
辛烷丁烷丁烯
石油重质馏分经过催化裂化可得质量比较高的汽油。
若将石油分馏产品采用更高的温度（＞700℃）进行深度裂化，可使烃分子中的碳链断裂成各种气态烃（如乙烯、丙烯、丁二烯、甲烷、乙烷等）和少量液态烃，这种深度裂化称为裂解。
“裂化”和“裂解”虽属同一种反应，但在石油工业中具有不同的意义。
裂化是为了提高汽油的产量和质量，副产品是裂化气。
裂解是将裂化气进行分离得到各种低烯烃；成为合成纤维、合成塑料、合成橡胶的原料，副产品是液态烃。
裂解产物成分很复杂，从C1至C10都有，既有饱和烃又有不饱和烃，经分馏后分别使用。
裂解产物的种类和数量随催化剂和温度、压力等条件不同而异。
不同质量的原油对催化剂的选择和温度、压力的控制也不相同。
（3）催化重整（简称重整）是在催化剂和氢气存在下，将常压蒸馏所得的轻汽油转化成含芳烃较高的重整汽油的过程。
这是石油工业中一个重要过程。
即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。
一般：
若以80~180℃馏分为原料，产品为高辛烷值汽油；若以60~165℃馏分为原料油，产品主要是苯、甲苯、二甲苯等芳烃。
重整过程副产物氢气，可作为炼油厂加氢操作的氢源。
重整的反应条件是：
反应温度为490~525℃，反应压力为1~2兆帕。
重整的工艺过程可分为：
原料预处理和重整两部分。
催化剂一般为贵金属铂（Pt）、铱（Ir）和铼（Re）等，它们的价格比黄金贵得多。
（4）加氢精制在催化剂存在下于300~425℃,1.5兆帕压力下加氢，可除去含硫、氮、氧的化合物和金属杂质，改进油品的储存性能和腐蚀性、燃烧性，可用于各种油品。
所以加氢精制是提高油品质量的过程。
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。
综上所述，石油经过分馏、裂化、重整、精制等步骤，获得了各种燃料和化工产品。
有的可直接使用，有的还可以进行深加工。
3、天然气和C1化学
天然气主要是低分子量的烷烃混合物，以甲烷为主，还含有少量的乙烷.丙烷、丁烷、戊烷等。
碳原子数n≥5的组分在地下高温条件下以气态开采出来，但在标准状态下是液体。
丙烷和丁烷常态下为气体，但稍微加压即可液化。
液化后，作为液化天然气用油罐输送。
天然气中各组分通常随相对分子质量的增大而含量递减，其中还含N2、H2、SO2和H2S等，有时还有稀有气体氦、氩等。
和城市煤气相比，天然气不含有毒的CO，燃烧产物使CO2和H2O，其燃烧热值为：
56kJ/g，而煤为：
30kJ/g，石油为：
48kJ/g。
除了直接作为燃料以外，天然气还可以通过化学转化而成为重要的化工原料和其他形式的能源。
由于CH4中的C-H的离解能为435kJ/mol高于一般的C-H键的平均键能（414kJ/mol），因此如何对甲烷进行有效的化学转化，并且要和石油化工产品竞争，一直是化学家急于攻克的难题。
目前化学家提出了几种天然气转化的途径。
由于CH4和CO,CO2,CH3OH,HCHO,HCOOH等分子中均只含有一个碳原子，通过化学方法将它们转化为多元碳分子是化学家普遍感兴趣的问题，因此学术上把它们归成一类并称为C1化学，将单碳分子转化为多元碳分子的过程大多涉及催化过程，因此C1化学已成为催化研究的一个重要领域。
第三节核能（原子能）
核能也叫原子能，是指原子核发生变化时所释放出的能量。
由于原子核内核子之间的作用力远远大于原子内核与电子之间的作用力，故核能比化学能大的多。
例如1g镭（Ra）在衰变过程中释放的能量是1g镭和足量氯气（C12）起反应生成RaC12时所释放能量的50万倍。
1g铀一235（
）发生裂变时释放能量为8?
107kJ，1g氘（
）发生聚变时释放的能量是6?
108kJ。
而1g煤完全燃烧时释放的能量仅为30kJ。
一、核反应
可分为自发核反应和人工核反应两大类。
1、自发核反应，也称核衰变，是指不稳定原子核自发地放出辐射而变成另一种原子核的过程。
2．人工核反应
（1）核裂变反应是用高能量中子轰击重原子核受，使之分裂为质量相差不多的两种核素，同时又产生几个中子，释放大量能量的过程。
如：
（2）核聚变反应是指由两个或多个轻原子核聚合成较重原子核的过程，同时也将释放巨大的能量。
例如2个氘核（
）在高温下可聚合生成1个氦核（
）：
?
+
?
每克氘聚变时所释放的能量为5.8?
108kJ，大于每克U?
235裂变时所释放的能量（8.2?
107kJ）。
二、核电
如何将核反应时放出的大量能量转变为电能，这是和平利用核能的一大举措，而要将核能转变为电能，必须对核反应实行人工控制，使其按照人们的需要有序地进行。
目前已实现了对核裂变加以人工控制并发电。
而受控核聚变比受控核裂变要困难、复杂得多，因为它必须具备以下三个条件：
（1）足够高的点火温度；（1亿摄氏度）
（2）反应装置中的等离子密度要很高（1cm3要达到500万亿个）
（3）要能充分加以约束。
（要达到1秒钟）
与核裂变相比，核聚变发电的优点：
（1）聚变能比裂变能大好多倍
（2）不会产生核废料及放射性污染（因为聚变产物是稳定的氦核没有放射性污染产生，没有难于处理的废料）
（3）原料容易获得且资源丰富、成本低。
（聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为1.5?
10?
4：
1，地球上海水总量约为1018吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。
）
促使核电迅速反展的主要因素是：
（1）人类对能源的需求急剧增加，能源工业成为各国发展国民经济的先行行业。
（2）与燃煤、燃油的火电站相比，核电站虽然建站投资大，但核电成本比火电成本低1／3~1／2。
（3）核电站对环境的污染小，废气中所含放射性也比燃煤火电厂少得多。
事实上核电是清洁能源。
（4）核电站的运行安全可靠，当代核电站的安全技术与管理已达到相当完善可靠的程度。
（5）随着化石燃料资源的日趋枯竭，人们希望使之在非能源方面的其他独特用途和综合利用方面，充分发挥更大的作用。
核能利用的安全性问题：
（1）核废料处理
（2）要防止核泄漏
通常是由于燃料棒包皮破损，使放射性物质随冷却材料泄漏出来。
第四节化学电源
化学电源也称为化学电池，是指把化学能直接转化为电能的装置的统称。
化学电池主要有：
原电池、蓄电池和新型的燃料电池。
一、锌锰干电池
电池符号：
负极：
Zn+4NH4Cl（NH4）2ZnCl2+2NH4++2e
正极：
MnO2+2H2O+e?
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?
MnO（OH）+OH-
总电池反应：
Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn（NH3）2Cl2+2MnO（OH）
二、蓄电池
1.铅蓄电池
放电时两极反应：
负极：
Pb+SO42-?
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PbSO4+2e
正极：
PbO2+SO4-+4H++2e?
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PbSO4+2H2O
电池反应：
Pb+PbO2+2H2SO4?
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2PbSO4+2H2O
充电时两极反应：
Pb极：
PbSO4+2e?
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Pb+SO42-
PbO极：
PbSO4+2H2O?
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PbO2+SO4-+4H++2e
充电反应：
2PbSO4+2H2O?
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Pb+PbO2+2H2SO4
2.镍镉电池（碱性蓄电池）
放电时的电极反应：
负极：
Cd+2OH-?
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Cd（OH）2+2e
正极：
NiO（OH）+2H2O+2e?
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2Ni（OH）2+2OH-
总反应：
Cd+2NiO（OH）+2H2O?
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2Ni（OH）2+Cd（OH）2
三、燃料电池
利用催化剂的作用，以燃料（如H2,CH4,天然气）为负极，氧化剂（如O2,Cl2,空气）为正极，在电解质（如KOH溶液）中起氧化还原反应，使化学能连续、直接转变为电能的装置。
1839年英国人发明了世界上第一个燃料电池“气体伏打电池”即将铂黑阳极和阴极放入硫酸溶液中，直接将氢和氧转化为直流电。
1.特点与优势
（1）能连续提供电能；
（2）能量转化效率高；因为其能量转化过程没有任何机械和热的中间介质，故不受卡诺定理的限制，故效率可高达80-90%
（3）耗费燃料烧，污染小。
2.燃料电池的类型
根据电解质的不同可分为：
（1）固体聚合物燃料电池（PEFC
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