化学与社会生活(能源)

吕 琳,（能源）,化学与社会,人类文明发端于火的利用,煤炭的使用不仅延长了燃烧时间，而且为金属的冶炼、蒸汽机的使用奠定基础。,石油化工使人类进入了现代社会,未来的社会是核能社会,能源是人类文明进步的先决条件，它的开发和利用是衡量一种社会形态、一个时代、一个国家经济发展、科技水平与民众生活质量的重要标志。,随着现代科学技术的高速发展和世界人口的快速增长，对能源的需求量越来越大，对能源质量的需求也越来越高，作为当今能源的主体的石油、天然气、煤，都是不能再生的化石燃料，用去一点就会少一点。据科学家们估计，现在的化石燃料只能再维持几十年时间；另一方面，世界新的技术革命带动着许多新兴工业蓬勃兴起，新的生产体系必然要求改变能源系统，要求采用可再生的、分散的、多样化的能源。因此，充分利用常规能源、开发新能源是解决世界能源危机的重要途径，是当今世界各国共同追求之一，新能源必将成为世界新的产业革命的动力，成为未来世界能源系统的基础，成为未来世界能源舞台上的主角。,毫无疑问，化学在充分利用现有资源和开发新能源方面发挥着不可替代的作用。首先，通过化学手段能够更好地利用化石燃料。 其次，化学在开发新能源方面也发挥着重要作用，通过化学等方法开发的核能、氢能、太阳能等是极具前途的清洁能源。,能源概述 各种能源简介,主要内容,能源是指能为人类提供所需能量的自然资源，是指一切能量比较集中的含能体（如煤炭、天然气等）和能量过程（如风、潮汐）,一、能源概述,1、何谓能源？,目前人类所能够使用的能源形式,1、按来源分 来自地球以外 辐射能、化石资源、生物质能、 (太阳能) 风能、海洋能 来自地球内部 地热能和核能 地球与月球、太阳等天体间有规律运动形成的能 潮汐能,2、按能源形成条件分： 一次能源 自然界中未经转换可直接使用的能源 如：原煤、石油、天然气、流水、日光、草木 二次能源 经过加工或转换后获得的能源 如：汽油、煤油、柴油、电力、氢能、沼气,2、能源分类,3、按能源可否反复利用分： 可再生能源 水力、风、草木燃料、海洋能 非再生能源 化石燃料（煤、石油、天然气）,4、按能源利用状况分： 常规能源 是指已被广泛利用的能源（柴草、煤 炭、石油、水力等） 新能源 是指利用先进技术所获得的能源或指采用先进的技术开发利用传统的能源（太阳能、核能、氢能、生物质能、海洋能、地热能、煤气、水煤浆）,能源的分类,5、世界能源委员会将能源分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能等类型。其中，前三种又称化石燃料或化石能源。,加热大气,加热海洋,光电转换,光热转换,风能,古生物固定的太阳能,人工利用太阳能,光合作用,煤炭,石油,天然气,生物质能,太阳能的利用方式图,在目前人类所使用的能源中，绝大部分都来自太阳能，太阳能的利用方式多种多样。,能源的分类,1、 化学能向电能转化 2 、 太阳能转化为热能、电能所需的蓄热材料、光电材料 3、 核能转化为电能： 核燃料的提纯、富集化学处理过程 核废料的萃取分离 反应堆结构材料、元件、包壳材料的防护 水的纯化 4、化石燃料的充分利用 5、生物质能利用效率的提高,3、能源转换中的化学,裂变能,太阳能热利用技术,大规模电力系统,高效燃烧技术,核能的利用,20世纪能源科学技术成就,聚变能,放射能,大容量风力发电技术,能源软科学,21世纪能源科学技术发展方向,燃料电池,核聚变能,氢能,太阳能发电利用,生物质能的高效和清洁利用技术,分散能源系统技术,能源软科学,二、化石燃料,当代工业的粮食煤炭 当代工业的血液石油 最清洁的化石燃料天然气,煤炭,大约在5000年前，人类曾把煤炭作为装饰品。 煤炭是世界上储存量最丰富的化石燃料之一。 世界上煤的总储存量约为13万亿吨。我国探明的煤炭可采储存量为7300多亿吨，居世界第一，占世界总储量的45.7%。我国也是世界第一产煤和用煤大国。,你知道吗？,煤是由古生的植物随着地壳变动被埋入地下，经过数亿年的地热高温、高压和细菌作用逐渐演化形成的可燃性固体矿物。 从本质上说煤炭中所含的化学能是植物通过光合作用从太阳光转化而来的。,煤的形成,采 煤,世界煤炭的储备和分布,中国煤炭的储备和分布,根据煤化程度的不同将煤大致分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤，其含碳量逐渐升高，燃烧热值也之间递增。我国原煤产量以烟煤为主。,煤的种类,泥炭,褐煤,烟煤,无烟煤,四种煤的形成过程,煤是一种具有高碳氢比的复杂混合物，其主要成分是碳和氢，还有少量的氧、氮、硫等。,分子式：C125H97O9NS 成分：C 84.3% H 5.1% O 7.5% N 1.5% S 1.6% 水分、挥发物、无机物灰分,煤中的氢并非都可以燃烧，和C、S、P结合的氢可以燃烧,煤的组成与结构,煤的现代结构模型,基本结构单元：由数十个五元环和六元环组成的稠环化合物 煤粒的核心部分：“沥青类”或“树脂类”高分子化合物,煤的化学加工与转化,1、煤炭直接作为燃料存在的问题：环境污染、燃烧率低 2、加工的目的： 除去所含S、N和无机物解决环境污染问题 降低分子量提高氢含量提高使用价值 3、加工与转化的方式 煤的干馏 煤的气化 煤的液化 水煤浆,煤的气化,门捷列夫的畅想,1、水煤气 将空气通过装有灼热的焦炭的塔柱，会发生放热反应： C（s）+O2（g）=CO2（g） H=-393.5kJ·mol-1 放出的大量热量可使焦炭的温度上升到约1500。切断空气，将水蒸气通过灼热的焦炭，发生下列反应： C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2 H=-131.3kJ·mol-1,2、合成气 将纯氧气和水蒸气在加压下通过灼烧的煤，可使煤中的苯酚等挥发出来，并生成一种气态混合物燃料，其体积分数为：40%H2、15%CO、15%CH4、30%CO2。,煤的液化,以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。主要有两种方式： 直接液化：将煤炭先磨成煤粉，然后与溶剂（煤焦油）、催化剂混合为浆状物，在温度为673-773K，压力为（100300）×（100 1000）Pa下加氢直接生产重质液体燃料。一般二、三吨煤粉可得一吨液化油。 间接液化：将煤粉先气化成CO和H2，然后用高压催化合成液体燃料。,是把煤在隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，随着温度升高，煤中的有机物质逐渐开始分解，得到气态的炉煤气、液态的煤焦油和固态的焦炭。煤焦油中有很多苯、甲苯、二甲苯、酚类、萘等，是宝贵的化工原料。,煤的干馏,煤干馏的主要产物和用途,所谓一碳化学是指以分子中只含一个碳原子的化合物（如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等）为原料，用化工的方法制造产品的化学体系的总称。 广义的一碳化学，不仅包括上述四种化合物，还包括如甲醛、甲酸、氢氰酸、甲胺、二氟二氯甲烷等的制造及其衍生物的合成。但当今世界上，通常一碳化学的范畴，主要是指一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇四种物质所涉及的有关内容。另外，由于甲烷属于天然气化学；二氧化碳虽然是一种取之不尽，用之不竭的气体，但人们对它的研究还不够，化工上的应用并不多；同时甲烷、二氧化碳及甲醇都可由一氧化碳制造，故狭义的一碳化学就是指一氧化碳化学，或称合成气（COH2）化学。,拓展视野一碳化学,何谓一碳化学？,近几年来，利用合成气能够生产的化工产品不下 3040种，我国正在开发的也有2030种。关于利用合成气合成燃料的动向，主要是合成甲醇，再由甲醇生产汽油。同时甲醇也是一种廉价的化工原料。 对一碳化学的研究有催化法和放射线法。放射线的特点是可以在常温常压下进行，但需依赖于电子加速器的进步。目前研究一碳化学多用催化法，并且一些产品已投产。,石油,我国对石油的开发利用有着悠久的历史。早在2000多年前，我们的祖先就在现陕西的延安一带发现了石油，并将其称为石漆、石液、石脂水、石脑油、猛火油等。到宋代，著名的科学家宋应星在天工开物一书中提出了“石油”一词，并一直沿用至今。 在古代，石油主要用于点灯照明，也用于制造药物，有时还用它作“武器”。相传在北周宣政元年（公元前578年），北周军队在河西走廊西部的禄福县，曾用燃烧的“石脂水”作武器打败了入侵的突厥军队。 自从1883年发明了汽油发动机和 1893年发明了柴油机以来，石油的身价倍增，并获得了“工业血液”的美称。,你知道吗？,石油的形成,石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。,水中生物的遗骸下沉而埋没于地下,因地热或地压等作用变成石油,石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中,从地下采出来的石油，没有经过加工提炼成各种产品以前通称为原油。,原油是一种粘稠状的液体,管道原油,原油最直观的物理性质就是丰富多彩的颜色，由浅到深有白色、淡黄色、褐色、黑绿色以至黑色。,石油的成分与结构,石油是多种碳氢化合物的混合物，主要是烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃，以及少量的有机硫化物、有机氮化物、水分和矿物质等。 根据石油中所含碳氢化合物的种类不同，可将石油分为四大类： 石蜡基石油 环烷基石油 中间基石油 芳香基石油,世界石油资源分布极不平衡： 中东地区拥有全球63.3%的石油储量 欧洲和中亚占9.2% 非洲地区石油储量占全球的8.9% 拉丁美洲和中美洲占8.9% 北美地区占5.5% 东南亚和大洋洲占4.2%,石油资源的分布,我国石油分布,海上油井,克拉玛依油田,大庆油田,石油的加工,原油是由多种碳氢化合物组成的，直接利用的途径很少。将石油加工成不同的产品，则能充分发挥其效能。 把预处理后的原油送到炼油厂进行分馏加工，能够生产出汽油、煤油、柴油、润滑油及沥青等具有不同用途的产品，这是石油“大家庭”的第一次“分家”。,另外，人们还想方设法把一些不尽人意的分子转变成燃烧情况良好的分子，例如，用催化裂解的方法把大分子裂解成小分子，用催化重整的方法改变分子结构等。这样做的目的在于得到效果更佳的燃料。 石油不仅是重要的燃料资源，还是一种宝贵的化工原料，石油化工就是以它为母体发展起来的。石油化学工业以石脑油等石油产品为原料，首先经裂解转化为乙烯、丙烯、丁烯等，然后进一步精加工成为聚烯烃及一些重要的精细化工原料。 我国石油化学工业推向了一个新水平，并跨入了世界先进行列。,石油分馏以及产品示意图,车用汽油,汽油在发动机中正常燃烧时，火焰的传播速度约为30-70m·s-1。但当混合气已燃烧2/3-3/4时，未燃烧的混合气中产生了高度密集的过氧化物，它的分解使混合气中出现了许多燃烧中心，燃烧速率猛增，产生强大的压力脉冲，火焰的传播速率可达800-1000m·s-1。这种情况下汽缸内产生清脆的金属敲声，这种燃烧就是爆燃。 汽油的抗爆性与组成汽油的烃类有关。正构烷烃随碳原子数增多抗爆性降低，异构烷烃随支链的增多抗爆性升高，环烷烃抗爆性居中，而芳香烃及其衍生物抗爆性较高。 为了提高汽油的抗爆性，常向汽油中添加抗爆剂。四乙基破坏生成的过氧化物，但会生成硬质的PbO颗粒，它会沉积在燃烧室，因而要同时加入一定量的导出剂溴乙烷（或二溴乙烷），使PbO 转化为PbBr2。目前，很多国家已禁止使用含铅汽油，现在的抗爆剂多采用甲基叔丁基醚。,不同的标号指的是此标号汽油辛烷值的大小，汽油的标号越高，辛脘值含量越高，越不容易发生爆燃。应根据发动机的压缩比选用汽油，压缩比高的车辆应该选用高标号汽油，从而保证在发动机不发生爆燃的情况下动力输出最佳、成本最低。 压缩比是指发动机气缸的总容积与燃烧室容积之比。压缩比是发动机的一个非常重要的结构参数，压缩比高，动力性好、热效率高，车辆加速性、最高车速等会相应提高。 通常，压缩比在7.58.0应选用90号车用汽油；压缩比在8.08.5应选用90号93号车用汽油；压缩比在8.59.5应选用93号95号车用汽油；压缩比在9.510应选用95号97号车用汽油。车主应严格按发动机不同的压缩比，选用相应标号的车用汽油，才