第06章未来能源和燃料工业用催化技术与应用课件

第六章 未来能源和燃料工业用催化技术 能能源源是是社社会会经经济济和和人人民民生生活活的的物物质质基基础础，对对于于社社会会的的经经济发展和人民生活水平提高极为重要。济发展和人民生活水平提高极为重要。世世界界进进入入工工业业化化时时代代以以来来，能能源源消消耗耗的的主主要要构构成成为为煤煤炭炭、石石油油和和天天然然气气，都都属属于于化化石石能能源源，是是不不可可再再生生能能源源，是是不不洁洁净净能能源源，尤尤其其是是煤煤炭炭，燃燃烧烧会会产产生生大大量量的的烟烟尘尘、SOx、COx和和NOx，造造成成大大气气污污染染，破破坏坏臭臭氧氧层层，引引起起一一系系列列大大气气坏坏境境问题，更重要的是危害人的身体健康。问题，更重要的是危害人的身体健康。我我国国是是世世界界上上的的能能源源消消耗耗大大国国，其其消消耗耗量量仅仅次次于于美美国国，居世界第二。我国的能源结构是富煤少气缺油。居世界第二。我国的能源结构是富煤少气缺油。2024/7/111能源、能源载体和转换路线 能能源源工工业业的的建建设设和和发发展展应应该该减减少少和和逐逐步步消消除除对对石石油油及及化化石石能能源源的的依依赖赖，增增加加应应用用可可持持续续发发展展供供给给、环环境境友友好好且且可可再再生的能源，如生物质能、风能、太阳能等。生的能源，如生物质能、风能、太阳能等。变变更更了了能能源源则则需需要要能能源源的的载载体体及及有有利利于于电电站站和和交交通通车车辆辆的的能能源源运运输输。石石油油加加工工产产品品具具有有较较高高的的能能量量密密度度，较较难难取取代代。天天然然气气含含氢氢较较多多，在在化化石石能能源源中中较较之之煤煤和和石石油油对对环环境境造造成成得得影影响响要要小小很很多多，属属于于较较清清洁洁能能源源。但但资资源源产产地地距距离离用用户户较较远远，需长距离管网输送，投资大，还要转换成液态燃料利用。需长距离管网输送，投资大，还要转换成液态燃料利用。2024/7/112能源转换 能能源源转转换换是是为为了了提提高高能能源源效效率率，降降低低乃乃至至消消除除对对环环境境的的冲击。变更能源路线，催化技术将具有重要的作用。冲击。变更能源路线，催化技术将具有重要的作用。多种能源都可以转换成热能，但效率是最低的。多种能源都可以转换成热能，但效率是最低的。对对于于电电站站和和燃燃料料电电池池动动力力装装置置，均均可可输输出出电电能能，能能效效较较高。高。热热电电站站通通过过气气体体透透平平的的转转换换，燃燃料料电电池池通通过过电电催催化化转转换换，对能源有一定限制。对能源有一定限制。机机动动车车用用能能源源通通过过内内燃燃机机或或燃燃料料电电池池转转换换，要要促促进进内内燃燃机的效率。机的效率。能能源源路路线线的的转转换换要要从从能能源源的的效效率率、环环境境冲冲击击和和技技术术经经济济等多方面综合平衡分析。等多方面综合平衡分析。2024/7/113环境对能源开发的制约 发发展展循循环环经经济济要要求求经经济济活活动动按按自自然然生生态态系系统统的的模模式式组组成成资资源源产产品品资资源源再再生生的的物物质质循循环环流流动动过过程程。根根据据环环保保的的制制约约和和经经济济可可持持续续发发展展的的要要求求，能能源源的的发发展展必必然然要要用用清清洁洁能能源源和和可再生能源替代煤炭、石油和天然气这些化石能源。可再生能源替代煤炭、石油和天然气这些化石能源。2024/7/114资源对能源开发的制约 根根据据美美国国能能源源机机构构预预测测，全全球球已已确确知知的的石石油油储储量量可可供供使使用用42年年左左右右，天天然然气气约约67年年，煤煤炭炭约约200年年。从从资资源源的的角角度度看看，仅仅依依靠靠以以石石油油为为主主的的化化石石资资源源存存在在生生态态上上“断断炊炊”的的风风险险。所以能源的变更迫在眉睫。所以能源的变更迫在眉睫。2024/7/115发展清洁能源 所所谓谓清清洁洁能能源源是是指指不不污污染染环环境境的的能能源源，也也是是指指可可再再生生的的能能源源，包包括括太太阳阳能能、风风能能、生生物物质质能能、地地热热能能以以及及潮潮汐汐能能等等。这这些些能能源源消消耗耗之之后后可可以以恢恢复复补补充充，不不产产生生生生态态环环境境的的污污染染物物，被认为是未来理想能源的基础。被认为是未来理想能源的基础。未未来来能能源源工工业业发发展展的的事事态态还还要要看看经经济济成成本本、环环境境和和科科技技创新这三方面的共同促进。创新这三方面的共同促进。清清洁洁能能源源从从广广义义和和现现实实可可行行的的角角度度来来说说，低低污污染染的的天天然然气气、利利用用洁洁净净技技术术处处理理过过的的洁洁净净煤煤都都属属于于此此类类。特特别别是是在在我我国国，以以煤煤炭炭为为主主的的能能源源结结构构将将会会长长期期存存在在，大大力力发发展展天天然然气气能源和洁净煤技术具有重要意义。能源和洁净煤技术具有重要意义。2024/7/116经洁净技术处理的清洁能源 石石油油加加工工的的汽汽油油和和柴柴油油是是绝绝好好的的交交通通用用液液体体燃燃料料，由由于于环环保保的的要要求求需需要要净净化化处处理理，世世界界上上许许多多国国家家在在炼炼油油工工业业加加快快了了油品升级换代和生产清洁燃料工艺的研究开发。油品升级换代和生产清洁燃料工艺的研究开发。第第一一步步是是采采用用配配方方汽汽油油，它它首首先先是是无无铅铅的的。为为了了满满足足环环保保要要求求对对配配方方汽汽油油中中的的芳芳烃烃、烯烯烃烃、氧氧化化物物含含量量、相相对对蒸蒸汽汽压压、硫硫化化物物允允许许量量等等都都有有严严格格而而明明确确的的规规定定。这这给给传传统统的的炼炼油油工工艺艺带带来来重重大大影影响响，对对所所需需的的催催化化剂剂性性能能及及其其操操作作条条件件提提出了新的要求。出了新的要求。天天然然气气合合成成石石油油或或液液体体燃燃料料为为生生产产清清洁洁汽汽油油柴柴油油提提供供了了良良好好的的前前景景。这这种种合合成成油油品品不不含含硫硫、氮氮、重重金金属属杂杂质质和和芳芳烃烃，属属于于清清洁洁燃燃料料，完完全全符符合合现现代代发发动动机机的的严严格格要要求求。其其技技术术路路线线是是先先将将天天然然气气转转化化成成合合成成气气，再再经经F FT T合合成成变变成成油油品品或或经经改进的中间馏出物合成路线变成油品。改进的中间馏出物合成路线变成油品。2024/7/117天然气能源 天天然然气气资资源源比比石石油油丰丰富富，分分布布广广。作作为为能能源源使使用用，价价格格低，燃烧排放污染物少，是较为现实的能源选择。低，燃烧排放污染物少，是较为现实的能源选择。压压缩缩天天然然气气（CNG）作作为为汽汽车车燃燃料料很很好好，比比较较环环保保。与与燃燃油油车车相相比比尾尾气气排排放放NOx下下降降约约40，CO2下下降降约约25，CO下下降降约约80，碳碳氢氢化化合合物物下下降降9。1m3天天然然气气约约相相当当于于1.1L汽汽油油。使使用用天天然然气气比比汽汽油油费费用用节节省省40，维维修修保保养养费费节节省省50。CNG汽汽车车的的安安全全性性能能较较传传统统的的燃燃油油车车要要好好，因因为为天天然然气气比比空空气气轻轻，如如泄泄漏漏能能很很快快扩扩散散，天天然然气气比比汽汽油油燃燃点点高高110，爆爆炸炸极极限限比比汽汽油油高高4倍倍多多。一一个个钢钢瓶瓶的的气气量量一一般般为为1016m3，不不会会在在空空气气中中大大量量聚聚集集，引引起起火火灾灾。其其主主要要缺缺点点是是：需需要要笨笨重重的的燃燃料料箱箱；修修建建公公共共燃燃料料站站的的代代价价高高昂昂；行行程程短于汽油车。短于汽油车。2024/7/118天然气能源 液液化化天天然然气气（LNG）是是与与CNG本本质质上上相相同同的的能能源源，所所不不同同的的是是CNG采采用用加加压压办办法法使使其其体体积积缩缩小小来来储储存存输输送送，LNG则则采用冷却液化的方法使其变为液体进行储存输送。采用冷却液化的方法使其变为液体进行储存输送。目目前前世世界界上上最最大大的的出出口口基基地地是是印印尼尼，每每年年出出口口2000万万吨吨，中中东东的的卡卡塔塔尔尔拥拥有有世世界界最最大大的的天天然然气气田田，储储量量高高达达6.79万万亿亿m3。我我国国的的天天然然气气能能源源工工业业起起步步较较晚晚，到到20世世纪纪末末只只占占一一次次能源消耗的能源消耗的23，2010年天然气能源达年天然气能源达78。2024/7/119天然气转化 天天然然气气转转化化的的第第一一步步是是制制成成合合成成气气，再再通通过过催催化化技技术术转转化化成成甲甲醇醇或或二二甲甲醚醚，还还可可以以进进一一步步制制成成汽汽油油、柴柴油油等等液液体体燃燃料料。国国际际上上天天然然气气甲甲醇醇装装置置的的规规模模20世世纪纪末末为为90100万万吨吨年年，进进入入21世世纪纪趋趋向向更更加加超超大大型型化化。我我国国天天然然气气甲甲醇醇装置最大为装置最大为10万吨年，能耗高，与国际水平相差较大。万吨年，能耗高，与国际水平相差较大。2024/7/1110甲醇汽车 在在环环保保指指标标方方面面，甲甲醇醇汽汽车车明明显显优优于于汽汽油油车车，CO排排放放量量降降低低90，烃烃类类排排放放量量降降低低70左左右右。但但在在甲甲醇醇燃燃料料品品质质、燃燃料料电电喷喷系系统统的的专专用用配配件件、甲甲醇醇汽汽车车非非常常规规排排放放物物的的治治理理方方面尚需进一步完善。面尚需进一步完善。2024/7/1111二甲基醚车用燃料 二二甲甲基基醚醚可可作作为为甲甲醇醇燃燃料料的的间间接接利利用用，这这是是目目前前世世界界上上普普遍遍看看好好的的超超洁洁净净车车用用燃燃料料，各各国国都都在在大大力力发发展展它它的的生生产产和和使使用技术，具有以下优点：用技术，具有以下优点：可以由天然气和煤制取，具有广泛的可获得性。可以由天然气和煤制取，具有广泛的可获得性。超超清清洁洁。目目前前我我国国汽汽车车尾尾气气排排放放基基本本实实施施欧欧标标准准，DME多多项项排排放放指指标标远远低低于于欧欧标标准准，被被誉誉为为“21世世纪纪的的绿绿色色燃料燃料”。具具有有良良好好的的替替代代性性。作作为为民民用用燃燃料料，DME与与LPG在在物物理理性性质质上上极极为为相相似似，完完全全可可利利用用现现有有的的LPG运运输输分分配配与与储储存存设设备备；作作为为车车用用燃燃料料，可可以以替替代代柴柴油油。而而在在我我国国成成品品油油中中，LPG和和柴柴油油的的缺缺口口最最大大，因因此此DME对对于于我我国国资资源源利利用用和和环环境境保保护护的的协调发展具有重要意义。协调发展具有重要意义。DME的的传传统统生生产产技技术术是是两两步步法法，即即由由合合成成气气合合成成甲甲醇醇，再再脱脱水水制制得得DME，其其成成本本高高于于甲甲醇醇。先先进进的的一一步步法法是是由由合合成成气气直接转化生成直接转化生成DME，可大大降低成本。，可大大降低成本。2024/7/1112氢能与氢经济 传传统统的的电电力力生生产产采采用用热热化化学学方方法法，将将化化石石燃燃料料高高温温燃燃烧烧获获得热能，再经热机转换为电能，效率低且污染严重。得热能，再经热机转换为电能，效率低且污染严重。有有两两种种解解决决办办法法：一一是是不不使使用用化化石石燃燃料料，即即使使用用不不含含碳碳的的燃燃料料，如如氢氢；二二是是改改高高温温燃燃烧烧为为低低温温燃燃烧烧，如如燃燃料料电电池池，特特别别是是低低温温燃燃料料电电池池（离离子子交交换换膜膜式式燃燃料料电电池池），氢氢是是最最佳佳燃燃料。料。氢氢燃燃烧烧时时变变成成H2O，不不污污染染环环境境，热热效效率率高高；在在电电化化学学燃燃烧烧时时热热效效率率更更高高。氢氢的的储储存存运运输输性性能能好好，用用途途多多样样化化，既既可可产产电电又又可可产产热热，还还可可直直接接得得到到动动力力，被被认认为为是是21世世纪纪理理想想的的能能源源。氢氢能能与与多多类类能能源源的的转转换换性性能能好好，被被称称为为“能能源源货货币币”。氢氢可可作作为为多多种种能能源源的的储储存存介介质质，用用于于储储能能，使使能能源源得得到到充充分利用。分利用。2024/7/1113氢的生产 通过天然气水蒸气重整是获得大量廉价氢的主要途径。通过天然气水蒸气重整是获得大量廉价氢的主要途径。重重整整气气要要求求氢氢含含量量高高，对对CO的的限限制制非非常常严严格格。因因为为燃燃料料电电池池电电极极多多是是铂铂，很很容容易易受受CO毒毒化化，失失去去催催化化活活性性，一一般般要要求求H2含含量量达达90以以上上，CO含含量量不不超超过过2，故故重重整整反反应系统的设计和控制要特别注意此点。应系统的设计和控制要特别注意此点。日日本本学学者者研研究究成成功功了了离离子子膜膜式式电电解解水水制制氢氢，效效率率高高达达95以以上上，使使电电制制氢氢效效率率大大大大提提高高，使使多多种种电电能能均均可可制制成成氢氢贮贮存存或或直直接接使使用用。大大量量生生物物质质均均可可制制氢氢，工工农农业业副副产产品品也也可可制制氢，尤其是生物质制氢特别适合于发展中国家。氢，尤其是生物质制氢特别适合于发展中国家。2024/7/1114贮氢、输氢 贮贮氢氢、输输氢氢是是发发展展氢氢能能技技术术的的关关键键之之一一，早早期期的的高高压压贮贮氢氢或或液液化化贮贮氢氢都都是是危危险险且且成成本本高高的的方方法法。新新近近国国际际上上发发展展了了贮贮氢氢材材料料，如如高高容容量量的的金金属属氢氢化化物物、纳纳米米级级石石墨墨纤纤维维、特特种种活活性性炭炭、有有机机氢氢化化物物贮贮氢氢等等，目目前前均均有有一一定定进进展展，使使低成本、高效、安全贮氢成为可能。低成本、高效、安全贮氢成为可能。2024/7/1115金属氢化物贮氢 氢氢原原子子贮贮存存在在金金属属晶晶格格间间隙隙，以以氢氢化化物物形形态态存存在在，极极具具安安全全性性与与经经济济性性。在在冷冷却却或或加加压压时时吸吸入入氢氢气气，与与金金属属形形成成氢氢化化物物，此此过过程程为为放放热热反反应应；当当加加热热或或减减压压时时氢氢化化物物分分解解成成金金属属和和氢氢气气，此此过过程程为为吸吸热热反反应应，此此类类金金属属和和氢氢化化物物都都是是可可再再充充气式的。气式的。目目前前开开发发的的制制氢氢材材料料分分为为三三类类：钛钛系系（Ti-FeTi-Fe、Ti-Ti-MnMn）、镁系（如镁系（如Mg-NiMg-Ni）、稀土金属系（如）、稀土金属系（如La-NiLa-Ni）等。）等。金金属属氢氢化化物物贮贮氢氢有有三三种种方方式式：一一是是以以氢氢气气贮贮存存，易易于于输输送送和和使使用用；二二是是以以电电化化学学能能贮贮存存，利利用用阴阴极极金金属属的的电电化化学学作作用用使使其其成成为为金金属属氢氢化化物物，逆逆过过程程即即进进行行放放电电；三三是是以以热热能能形形式式贮贮存存，太太阳阳能能或或其其他他热热能能均均能能供供氢氢化化物物分分解解所所需需的的焓焓值值，释释放出的氢可用作压缩气体。放出的氢可用作压缩气体。2024/7/1116氢经济 许许多多国国家家将将氢氢能能的的利利用用提提上上议议事事日日程程，优优先先在在财财政政上上给给与与高额支持，竞争极为激烈。我国政府非常重视氢能的发展。高额支持，竞争极为激烈。我国政府非常重视氢能的发展。20世纪世纪60年代我国就开展了太阳光分解水的研究。年代我国就开展了太阳光分解水的研究。70年年代代开开展展了了贮贮氢氢材材料料的的研研究究，目目前前我我国国金金属属氢氢化化物物制制氢氢材材 料料 已已 形形 成成 一一 个个 产产 业业，可可 年年 产产 制制 氢氢 材材 料料 200300t及及3050MWh的的金金属属氢氢化化物物镍镍氢氢电电池池。最最近近几几年年又又制制成成金金属属氢氢化物镍氢电池式电动汽车。化物镍氢电池式电动汽车。我我国国科科学学家家研研制制开开发发的的煤煤气气化化技技术术已已使使氢氢的的成成本本降降至至0.30.5元元m3。尽尽管管如如此此，我我国国在在氢氢能能的的研研究究和和应应用用方方面面相相比比于于发发达达国国家仍有家仍有35年的差距。年的差距。2024/7/1117燃料电池 燃燃料料电电池池（FC）是是一一种种能能源源转转换换系系统统，是是将将燃燃料料的的化化学学能能连连续续不不断断的的直直接接转转换换成成电电能能的的电电化化学学装装置置，又又称称为为电电化化学学发发电电器器。它它是是19世世纪纪中中期期由由英英国国的的R.Grove发发明明的的，但但一一直直未未得得到到实实际际应应用用，直直到到20世世纪纪60年年代代FC技技术术才才得得以以开开发发，最最近二三十年得到快速发展。近二三十年得到快速发展。FC作作为为新新型型能能源源，作作为为除除火火力力、水水力力、核核能能发发电电以以外外的的第四种发电方式为全世界重视。第四种发电方式为全世界重视。2024/7/1118燃料电池的工作原理 燃燃料料极极为为负负极极，由由对对燃燃料料的的氧氧化化过过程程有有电电催催化化作作用用的的材材料料组组成成，如如贵贵金金属属、石石墨墨等等，具具有有多多孔孔结结构构，以以增增加加电电极极的的比比表表面面积积。该该电电极极表表面面发发生生燃燃料料的的氧氧化化反反应应，生生成成正正离离子子，进入电池内回路，并释放出电子进入外电路。进入电池内回路，并释放出电子进入外电路。氧氧化化剂剂极极为为正正极极，由由对对氧氧化化剂剂的的还还原原过过程程有有电电催催化化作作用用的的材材料料组组成成，如如Pt、Al、石石墨墨等等，具具有有多多孔孔结结构构。该该极极表表面面氧氧化化剂剂接接受受电电子子，发发生生还还原原反反应应，生生成成负负离离子子，从从电电池池内内回回路路流流向向阳阳极极，与与燃燃料料正正离离子子反反应应，生生成成化化合合物物。电电解解质质为为离离子导体，连接正负极，构成电池内回路。子导体，连接正负极，构成电池内回路。燃燃料料有有直直接接型型，如如氢氢、肼肼；有有间间接接型型，如如甲甲醇醇、乙乙醇醇等等。氧化剂有氧气、空气、过氧化氢等。氧化剂有氧气、空气、过氧化氢等。2024/7/1119电极反应 FCFC中中的的负负极极反反应应或或是是H H2 2直直接接氧氧化化，或或是是甲甲醇醇氧氧化化。间间接接氧氧化化是是通通过过一一个个重重整整步步骤骤发发生生的的。正正极极反反应应总总是是氧氧还还原原。在在绝绝大大多多数数情情况况下下，氧氧来来自自于于空空气气。对对该该反反应应已已进进行行过过众众多多研研究究，但但O O2 2还原的完整机理仍未充分了解。还原的完整机理仍未充分了解。若若以以天天然然气气、丙丙烷烷或或醇醇作作燃燃料料时时需需要要重重整整，经经净净化化后后可可能能有有污污染染杂杂质质，如如COCO等等，它它们们会会毒毒害害催催化化剂剂，为为此此需需加加入入催催化促进剂，最好的是化促进剂，最好的是Pt-Pt-RuRu合金负载于碳上。合金负载于碳上。2024/7/1120燃料电池的类型 FC常常按按电电池池所所用用的的电电解解质质区区分分，唯唯一一的的例例外外是是直直接接甲甲醇醇燃燃料料电电池池（DMFC），甲甲醇醇在在FC中中直直接接电电化化学学氧氧化化。另另一一种种分分类类是是根根据据电电池池的的操操作作温温度度区区分分，有有低低温温FC和和高高温温FC。低低温温FC包包括括碱碱性性燃燃料料电电池池（AFC）、质质子子交交换换膜膜燃燃料料电电池池（PEMFC）和和磷磷酸酸FC（PAFC）；高高温温FC有有熔熔融融碳碳酸酸盐盐燃燃料料电电池池（MCFC）和和固固体体氧氧化化物物燃燃料料电电池池（SOFC）。）。2024/7/1121燃料电池的应用前景 用用于于电电力力生生产产 大大型型火火力力发发电电站站能能效效低低于于40，采采用用汽汽轮轮机机组组合合循循环环能能效效可可达达44，进进一一步步改改善善也也只只有有55。兆兆瓦瓦级级FC电站可大大提高电站能效，降低环保成本。电站可大大提高电站能效，降低环保成本。电电池池汽汽车车动动力力 基基本本要要求求是是：行行驶驶功功率率1520kW，加加速速或或爬爬坡坡时时5060kW，可可持持续续行行驶驶400km，能能在在室室温温下下迅迅速速启启动动，价格不高于价格不高于100美元美元kW，工作寿命，工作寿命5年。年。特特种种用用途途 空空间间开开发发利利用用是是FC应应用用最最早早、最最成成功功的的领领域域，航航天天飞飞行行器器均均采采用用AFC，天天空空实实验验室室、宇宇宙宙空空间间站站采采用用FC都都取取得得了了成成功功。军军用用潜潜艇艇的的动动力力装装置置、水水下下深深潜潜器器、无无缆机器人等都已成功应用。缆机器人等都已成功应用。2024/7/1122煤的新作用 20世世纪纪70年年代代末末的的两两次次能能源源危危机机中中，西西方方国国家家通通过过煤煤的的气气化化和和甲甲烷烷化化生生产产代代用用天天然然气气（SNG）应应对对局局面面，为为煤煤的的清清洁洁加加工工开开发发了了一一些些成成功功的的催催化化工工艺艺，用用于于煤煤脱脱硫硫净净化化处处理理。在在油油价价持持续续攀攀升升居居高高不不下下而而资资源源匮匮乏乏的的今今天天，再再将将SNG推推向向大大型型化化是是无无出出路路的的。除除南南非非那那样样的的特特殊殊环环境境，煤煤直直接接转转换换为为液液体体燃燃料料也也不不可可取取。但但煤煤是是比比气气、油油储储量量多多的的能能源源，故故未未来来能源的出路和战略，要估计煤的新作用。能源的出路和战略，要估计煤的新作用。2024/7/1123中国的煤基醇、醚燃料路线 根根据据中中国国的的国国情情，未未来来的的能能源源战战略略是是满满足足环环保保的的要要求求，在煤炭清洁转化的基础上，大力发展煤基燃料。在煤炭清洁转化的基础上，大力发展煤基燃料。第第一一步步 以以脱脱硫硫、脱脱氮氮的的煤煤气气化化为为核核心心，将将动动力力循循环环和和化化工工循环相耦合，发展发电和化学品（甲醇二甲醚）联产技术。循环相耦合，发展发电和化学品（甲醇二甲醚）联产技术。第第二二步步 用用煤煤制制取取的的CH3OH/DME取取代代汽汽油油、柴柴油油，发发展展清清洁洁价价廉廉的的交交通通用用燃燃料料。DME是是目目前前世世界界上上普普遍遍看看好好的的未未来来超超清清洁洁燃燃料料，具具有有较较高高的的十十六六烷烷值值，非非常常适适用用于于压压燃燃式式发发动动机，可以取代柴油作为车用燃料。机，可以取代柴油作为车用燃料。第第三三步步 由由CH3OH/DME经经重重整整制制富富氢氢（醇醇、醚醚氢氢），发发展展 PEMFC。总总之之，从从清清洁洁煤煤出出发发，发发展展集集成成组组合合技技术术，采采用用多多途途径径的代用能源路线，是中国未来煤基能源的发展思路。的代用能源路线，是中国未来煤基能源的发展思路。2024/7/1124美国“Vision 21”化石能源计划 美美国国能能源源部部于于2002年年出出台台了了以以煤煤为为基基础础的的零零排排放放化化石石能能源源计计划划。该该计计划划由由政政府府牵牵头头，组组成成“政政府府企企业业研研究究院院”协协同同运运作作的的联联合合机机制制，采采用用创创新新技技术术和和多多种种能能源源的的混混合合路路线线，包包括括化化石石能能源源、核核能能和和可可再再生生能能源源，但但未未来来能能源源的的主主体体仍仍是是煤煤炭炭。该该计计划划的的集集成成技技术术包包括括：煤煤的的气气化化和和FC提提供供发发电电，同同时时副副产产车车用用燃燃料料和和化化工工原原料料；特特别别强强调调未未来来能能源源生生产产中化学和化学工程学的关键作用。中化学和化学工程学的关键作用。“Vision 21”特特别别强强调调CO2的的管管理理，因因为为会会影影响响全全球球的的大大气环境变化。气环境变化。“Vision 21”工工程程组组织织包包括括60多多个个企企业业和和大大学学，得得到到美美国国DOE的的财财政政支支持持。整整个个工工程程2005年年起起步步，2010年年完完成成组组件件装置设计，装置设计，2015年完成商业性装置工厂设计。年完成商业性装置工厂设计。2024/7/1125丹麦丹麦Topsoc的强制合成与的强制合成与IGCC组合能源方案组合能源方案 该该方方案案是是煤煤基基型型能能源源开开发发计计划划，可可以以作作为为欧欧洲洲模模式式。IGCC代代表表联联合合循循环环的的动动力力装装置置，是是荷荷兰兰Shell公公司司的的煤煤气气化化技技术术，发发电电效效率率较较传传统统的的要要高高，达达43。在在IGCC装装置置中中，H2和和甲甲醇醇（DME和和F-T柴柴油油）可可以以通通过过强强制制合合成成廉廉价价的的生生产产，作作为为IGCC的副产物。的副产物。此此方方案案中中，煤煤和和其其他他重重化化石石燃燃料料（油油砂砂、石石油油焦焦）在在未未来来能能源源供供应应中中仍仍占占重重要要地地位位，而而合合成成燃燃料料可可以以通通过过合合成成单单元元廉廉价获得。价获得。2024/7/1126生物质能 生生物物质质能能是是自自然然能能的的一一种种，是是地地面面或或海海面面在在太太阳阳能能的的蓄蓄积积过过程程中中通通过过光光合合作作用用生生成成的的。生生物物能能是是由由植植物物体体形形成成的的，通通过过 H2O和和CO2合成糖类或淀粉，以维持其各项生命活动。合成糖类或淀粉，以维持其各项生命活动。动动物物依依靠靠自自身身无无法法由由无无机机物物合合成成有有机机物物，只只能能通通过过摄摄入入植植物物产产生生的的能能量量维维持持生生命命活活动动。动动物物的的粪粪便便和和尸尸体体所所包包含含的的有有机机物物经经微微生生物物氧氧化化分分解解，再再还还原原为为CO2、H2O、CH4、NH3。这这样样，植植物物、动动物物、微微生生物物三三者者，通通过过无无机机物物和和有有机机物物的的形形态变化形成物质和能量循环。态变化形成物质和能量循环。2024/7/1127生物质能的利用 生生物物质质能能主主要要蓄蓄积积在在森森林林中中。生生物物质质能能具具有有再再生生性性、清清洁洁性性，而而且且取取之之不不尽尽。西西欧欧和和北北美美等等国国对对生生物物质质能能的的研研究究开开发发居居世世界界前前列列。芬芬兰兰是是大大规规模模应应用用生生物物质质燃燃料料的的工工业业化化国国家家，其其生生物物质质能能占占总总能能源源份份额额的的30以以上上。加加拿拿大大的的生生物物质质再再生生燃燃料料研研究究开开发发也也举举世世瞩瞩目目，其其国国内内森森林林多多，主主要要采采用用木木柴柴直直接接热热转转化化技技术术生生产产合合成成气气和和甲甲醇醇。发发展展中中国国家家，如如印印度度和和巴巴西西，也也都都大大力力开开展展生生物物质质能能的的应应用用，印印度度发发展展沼沼气气利利用用，巴西大力开展甘蔗乙醇燃料。巴西大力开展甘蔗乙醇燃料。2024/7/1128生物质能利用途径能源植物能源植物 普普通通植植物物以以碳碳水水化化合合物物为为主主要要成成分分，但但也也存存在在含含烃烃类类（碳碳氢氢化化合合物物）的的植植物物。这这种种烃烃与与石石油油的的成成分分相相同同，将将植植物物的的树树汁汁干干馏馏即即得得到到石石油油替替代代品品，因因而而称称为为能能源源植植物物。目目前前较较为为关关注注的的只只有有青青珊珊瑚瑚草草等等几几种种。干干馏馏过过程程需需消消耗耗大大量量热热能能，构成实用化瓶颈。构成实用化瓶颈。2024/7/1129生物质能利用途径 木柴和木炭的直接燃烧木柴和木炭的直接燃烧 这这些些燃燃料料在在历历史史上上曾曾作作为为人人类类的的主主要要能能源源。随随着着化化石石燃燃料的发展，其用量大为减少。料的发展，其用量大为减少。2024/7/1130生物质能利用途径 生物质经发酵转化成酒精燃料生物质经发酵转化成酒精燃料 目目前前世世界界上上生生产产甘甘蔗蔗能能源源酒酒精精产产量量最最高高的的国国家家是是巴巴西西，其其酒酒精精年年产产量量在在130亿亿升升左左右右。巴巴西西开开发发的的汽汽车车用用酒酒精精燃燃料料分分为为含含水水（6）和和不不含含水水（0.5）乙乙醇醇两两种种，前前者者直直接接作作为为燃燃料料，后后者者按按25比比例例添添加加到到汽汽油油中中制制成成混混合合燃燃料料，普普通通汽汽车车不不用用改改装装即即可可使使用用。巴巴西西是是世世界界上上唯唯一一不不供供应应纯纯汽汽油油的的国家，也是世界上采用酒精汽车燃料最为成功的国家。国家，也是世界上采用酒精汽车燃料最为成功的国家。我我国国于于2005年年2月月28日日正正式式制制定定可可再再生生能能源源法法，将将可可再再生生能能源源（包包括括生生物物质质能能）的的开开发发利利用用列列为为能能源源发发展展的的优优先领域。先领域。2024/7/1131生物质能利用途径 生物质经厌氧发酵转化成沼气生物质经厌氧发酵转化成沼气 生生物物质质体体内内的的碳碳水水化化合合物物、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等有有机机物物，处处于于泥泥水水、池池沼沼、湖湖底底等等地地，在在与与大大气气和和氧氧气气隔隔绝绝的的条条件件下下，经经过过厌厌氧氧型型微微生生物物的的发发酵酵作作用用，分分解解转转化化成成CO2、H2O、NH3、CH4、H2等等，其其中中主主要要是是甲甲烷烷，这这种种混混合合气气体体称称为为沼沼气气。纯纯甲甲烷烷的的热热值值很很高高，是是一一种种优优质质燃燃料料。厌厌氧氧发发酵酵技技术术既既可可用用于于治治污污，也也可可用用于于产产能能，故故倍倍受受关关注注。厌厌氧氧发发酵酵处处理理城城市市垃垃圾圾是很有希望、很有价值的课题，许多国家列为重点研究项目。是很有希望、很有价值的课题，许多国家列为重点研究项目。2024/7/1132生物质能利用途径 生物质催化气化发展高密度、高热焓能源生物质催化气化发展高密度、高热焓能源 生生物物质质能能源源虽虽然然有有许许多多优优点点，但但是是借借助助前前述述几几种种方方法法得得到到的的能能量量强强度度低低、热热焓焓低低，特特别别是是与与石石油油能能源源相相比比较较很很突突出，为此，我国学者提出了生物质催化气化转化的新思路。出，为此，我国学者提出了生物质催化气化转化的新思路。生生物物质质气气化化转转化化经经历历三三类类连连串串反反应应工工程程，即即裂裂解解、变变换换和和调调变变工工程程。裂裂解解是是将将生生物物质质转转化化为为气气态态物物、水水溶溶性性有有机机物物、焦焦和和炭炭等等。采采用用催催化化剂剂可可强强化化转转化化的的速速度度和和深深度度，提提高高目目的的产产物物的的收收率率；变变换换是是将将焦焦和和炭炭经经水水蒸蒸气气转转化化为为气气态态物物和和水水溶溶性性有有机机物物；调调变变是是将将上上述述两两类类反反应应产产物物经经变变换换和和缩合等过程，以改善燃料气的组成和品质。缩合等过程，以改善燃料气的组成和品质。2024/7/1133作业1.1.什么是清洁能源？请写出三种以上清洁能源。什么是清洁能源？请写出三种以上清洁能源。2.2.除汽油、柴油以外，哪些物质还可作为车用燃料？除汽油、柴油以外，哪些物质还可作为车用燃料？3.3.采采用用什什么么方方法法可可以以获获得得大大量量廉廉价价的的氢氢气气？氢氢气气如如何何贮存？金属氢化物是如何贮氢的？贮存？金属氢化物是如何贮氢的？4.4.燃料电池有哪些种类？简述燃料电池的工作原理。燃料电池有哪些种类？简述燃料电池的工作原理。5.5.什什么么是是生生物物质质能能？简简述述你你所所知知的的生生物物质质能能的的利利用用途途径。径。2024/7/1134