能源与化学-能源的概念与分类

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,能源与化学,9.1,能源概述,1.,能源的分类,2.,世界能源结构与消费,3.,中国能源现状及趋势,4.,能源开发利用趋势,限制并有计划的开采石油和天然气,发展原子能,加速开发利用新能源,节流,表,9-1,能源分类,表,9-2,世界能源消费量和构成,标准煤,1kg,发热量为,29260kj,的煤,例：某原煤的发热量为,20920kj/kg,，则,1kg,这种原煤相当于标准煤：,20920/29260=0.7150kg,表,9-3,中国的能源现状和构成,9.2,煤、石油和天然气,1.,煤的种类及主要成分,煤的化学组成,C,：,主要可燃成分，,C(s)+O,2,(g)=CO,2,(g),r,H,m,(,298.15k,)=,-393.5,kjmol,-1,H,：,主要可燃元素,有效氢,与,C S P,结合，可燃烧,化合氢,与,O,结合，不能燃烧,O,S,N,等：有害成分,2.,煤的有效洁净利用,洁净煤技术 （,Clean Coal Technology,简称,CCT,）,中国洁净煤技术主要技术领域：,煤炭利用前净化技术,煤炭洁净燃烧,煤炭的转化技术,污染控制与废气、废物管理,（,1,）煤的气化,H,2,O(g),O,2,气化剂,高 温,H,2,CO CH,4,C,1)C+O,2,=CO,2,6)CO+H,2,O=CO,2,+H,2,2)C+1/2 O,2,=CO 7)C+2H,2,=CH,4,3)C+CO,2,=2CO 8)CO+3H,2,=,CH,4,+H,2,O,4)C+H,2,O=CO,+H,2,9)CO+2H,2,=,CH,4,5)C+2H,2,O=CO,2,+2H,2,10)CO,2,+4H,2,=,CH,4,+2H,2,O,（,2,）煤的液化,煤与石油的区别：,煤：,H:C=0.40.8,石油：,H:C=1.51.8,煤分子量石油分子量,10,倍,直接液化法,间接液化法,煤间接液化工厂,3.,石油和天然气,石油的主要组成元素为,C H O N S,8387%1014%0.0525%0.020.25%0.058,和煤相比（,1,）石油含氢量高，含氧量低。,（,2,）石油中的碳氢化合物以直链烃为主,煤中的碳氢化合物以芳烃为主,各种石油产品：,9.3,核能,1.,原子核的组成和结合能,例：,235,92,U A=235 Z=92 n=235-92=143,238,92,U A=238 Z=92 n=238-92=146,235,92,U,和,238,92,U,是两种不同的核素，且互为同位素,原子核 质子（,p,）质子和中子总称为核子,中子（,n,）,核素（质子数和中子数都相同的一类元素）：,A,Z,X X,元素符号,Z,质子数，即原子序数,A,核子总数，称为质量数,质量数（,A,）,=,质子数（,Z,）,+,中子数（,n,）,同位数,质子数相同而中子数不同的核素互为同位数,核引力,原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力,原子核的结合能,若干个核子结合成原子核时所释放的能量,结合能的计算：质量亏损 ,m=,（中子质量,+,质子质量）,-,核的质量,E=mc,2,c,（光速）,=310,8,ms,-1,E=mc,2,例：计算,1mol,质子和,1mol,中子结合成,1mol,氘核（,2,1,H,）时可释放出多少能量（结合能）,解：,1mol,质子,m=1.00728g,1mol,中子,m=1.00867g,1mol,2,1,H m=2.01355g,m=(1.00728g+1.00867g)2.01355g=0.00240g,=2.410,-6,kg,E=mc,2,=2.410,-6,kg(310,8,ms,-1,),2,=2.1610,8,kj,各原子核的每克结合能是不同的,通常 核子数（质量数）小的原子核，每克结合能小,核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大,核子数（质量数）大于,200,的原子核，每克结合能变小,核反应,使原子核转变成新原子核的过程,核裂变,让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度,的新原子核的过程,核聚变,让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大,的新原子核的过程,2.,核裂变,核裂变：是用中子（,1,0,n,）轰击较重原子核使之分裂成较轻,原子核的反应。,U-235,裂变链式反应：,1gU-235,可放出,810,7,kj,的能量,1g,煤完全燃烧放出的热量为：,30kj,1gU-235,产生的能量相当于,2.710,6,g,煤燃烧产生的能量,核裂变的核燃料：,U-235 U-233 Pu-239,例：,144,56,Ba+,89,56,Kr+3,1,0,n,235,92,U+,1,0,n,140,54,Xe+,94,38,Sr+2,1,0,n,133,51,Sb+,99,41,Nb+4,1,0,n,核燃料,U-235,、,Pu-239,中子吸收剂（控制棒）：,B Cd Hf,控制,n=1,中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子,反应堆：,压水堆,沸水堆,重水堆,石墨冷气堆,轻水堆,核反应堆,核电站运行的两大问题：安全问题,核废料的处理问题,例：,2,1,H +,2,1,H,4,2,He,1g,氘聚变时放出的能量为：,5.810,8,kj,3.,核聚变,核聚变：,由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。,中国环流一号,核聚变的优点：,核聚变产物,氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的废料,核聚变原料,氘、氚，资源丰富，可从海水中提取,1kg,海水中含有,0.03g,氘，地球上的海水约有,10,18,吨，聚变原料十分丰富。,实现核聚变的两个关键问题：,反应温度足够高：,10,9,人为控制核聚变反应的速度,受控核聚变,9.4,新能源的开发、利用,1.,氢能,以氢作为燃料而释放出的能量,氢能的特点：,（,1,）,氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出,10,倍,（,2,）,氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油发热值的,3,倍。,（,3,）氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。,（,4,）,制氢的原料,水，资源极为丰富。,燃烧产物,水，对环境无污染。,（,5,）,氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。,（,6,）,氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。,（,1,）氢的制取,H,2,(g)+1/2 O,2,(g),h,催化剂,H,2,O,（,l,）,氢的制取方法：,水煤气法：在高温下用,C,做还原剂，与水反应,C+H,2,O=CO+H,2,电解法：,2H,2,O(l)=2H,2,(g)+O,2,(g),热化学分解法,太阳能制氢：,H,2,O=H,2,+1/2 O,2,反应中键能的变化为：,断开,H,2,O,分子中,2mol O-H,键需吸收,930kj,的能量,生成,1mol H-H,键放出,463kj,的能量,生成,0.5mol O=O,键放出,249kj,的能量,分解,1mol,的,H,2,O,需提供的能量为：,930kj-436kj-249kj=245kj,（,2,）氢的储存,氢的密度,=0.071 gcm,-1,不利于储存，,如：,15MPa,压力下，,40dm,3,的钢瓶只能装,0.5kg,的,H,2,。,若是将氢液化，,t=-253,，需耗费很高的能量,。,(200300kPa),微 热,LaNi,5,H,6,LaNi,5,+3 H,2,储氢合金：,镁系储氢合金,MgH,2,Mg,2,Ni,稀土系储氢合金,LaNi,5,MmNiMn(,混合稀土,),钛系储氢合金,TiH,2,TiMn,1.5,例：镧镍合金,LaNi,5,的吸氢反应：,2.,太阳能、风能,太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为：,4,1,1,H,4,2,He+2,-1,0,e,-,该反应释放出的核能约为：,2.3910,9,kjmol,-1,。,太阳能利用方法：,1,）光,热转换,2,）光,电转换,3.,生物质能,中国第一座垃圾发电站：,深圳垃圾发电站,1,）经过发酵或高温热分解制备甲醇、乙醇等液体燃料。,2,）在密闭容器内经高温干馏生成一氧化碳、氢气、甲烷等气体燃料。,3,）在厌氧条件下生成沼气（,CH,4,）。,