化学与能源1

目录 摘要………………………………… 关键词……………………………………… 一、化学与能源的关系………………………… 二、世界能源现状………………………………………… 三、我国能源现状…………………………………… 四、未来能源倾向…………………………………………… 五、化学在能源方面的运用…………………………… 1.煤的合理利用…………………………………… 2.太阳能的化学转化和储存……………………………… 3.生物质能的转换及应用…………………………………… 4.氢能的开发及应用………………………………………… 六、总结和展望………………………………………… 化学与能源 化学在能源中运用 【摘要】: 现代化社会是建筑在巨大的能源消耗上的。所以大力开发和合理利用能源,特别是大力开发新能源,乃人类未来之所系,在世界新技术革命浪潮的冲击下,大规模耗能型工业体系终将成为过去,代之以节能型和新能源型生产体系。然而要实现这样一个巨大转变,作为化学工作者肩负着重大的责任,因为化学能是我们经常利用的一种能量形式,因此本文将在世界及我国的能源状况进行分析的基础上,阐述化学在我国能源发展中的重要性,另外本文将重点介绍化学在能源中运用,重点介绍化学煤、太阳能、生物质能,以及氢能等方面的运用。 【关键词】:化学能源运用 一、化学与能源的关系 能源工业在很大程度上依赖于化学过程,能源消费的90%以上依靠化学技术。怎样控制低品位燃料的化学反应,使我们既能保护环境又能使能源的成本合理是化学面临的一大难题。化石能源的转化及综合利用至关重要。可再生新能源的开发离不开以化学为核心的技术的发展。 二、世界能源现状 一方面全球能源生产与能源消费保持持续增长,能源结构也发生着从化石能源向清洁能源的转变,尽管这种变化量依然很小。按照国际统计口径,目前全球能源最新数据的统计节点是2011年,当年全球终端能源消费量达到了8918Mtoe(百万吨油当量),相比1973年第一次石油危机时,增长了90.8%。对应地,当年的一次能源生产总量达到了13113Mtoe,在1973年的基础上增长了114.7%。受经济发展和人口增长的影响,世界一次能源消费量不断增加。世界经济规模的不断增大,世界能源消费量持续增长,世界能源消费呈现不同的增长模式,发达国家增长速率明显低于发展中国家,能源消费结构趋向优质化,但地区差异仍然很大,虽然经历了两次石油危机,但世界石油消费量却没有丝毫减少的趋势。此后,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、地热等其他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。世界能源资源虽然仍比较丰富,但能源贸易运输压力增大。 三、我国能源现状 新中国建立以来,中国能源工业在许多领域已接近或赶上世界先进水平,这是值得我们自豪的地方,但是同时我们也应该对中国的资源情况进行客观详实的分析。中国地大物博、资源丰富,自然资源总量排世界第七位,能源资源总量约4万亿吨 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 煤,居世界第三位。煤炭保有储量为10024.9亿吨,精查可采储量 893亿吨;石油的资源量为930亿吨,天然气的资源量为38万亿立方米,现已探明的石油和天然气储量只占资源量的约20%和约3%;水力的可开发装机容量为3.78亿千瓦,居世界首位;新能源与可再生能源资源丰富,风能资源量约为16亿千瓦,可开发利用的风能资源约2.53亿千瓦,地热资源的远景储量为1353.5亿吨标准煤,探明储量为31.6亿吨标准煤,太阳能、生物质能、海洋能等储量更是属于世界领先地位。但因我国人口众多,能源资源相对匮乏。我国人口占世界总人口21%,已探明的煤炭储量占世界储量的11%、原油占2.4%、天然气仅占1.2%。人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半,石油仅为十分之一。我国1997年一次能源生产量为13.34亿吨标准煤,人均能源消费量仅为1.165吨标准煤,人均电量为893kWh,不足世界人均能源消费水平2.4吨标准煤的一半,居世界第89位。北美人均能源消费量超过10吨标准煤,欧洲及独联体人均能源消费量为5吨标准煤。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,我国年人均能源消费量将逐年增加,到2050年将达到2.38吨标准煤左右,相当于目前世界平均值,远低于发达国家目前的水平。人均能源资源相对不足,是中国经济、社会可持续发展的一个限制因素,这也是发展新能源与可再生能源,开辟新的能源供应渠道的一个重要原因。 四、未来能源倾向。 由于目前占主导地位的能源大多属于不可再生能源,再加上其使用后对环境的污染比较严重,故未来能源倾向可能会向着可再生能源,发展太阳能利用、地热发电、大功率风力发电、潮汐发电、生物质能发电技术。发展核能技术,对先进压水堆、空间核电源、高性能燃料组件等方面发展。另外波能、可燃冰、煤成气、微生物等也有可能成为人类广泛应用的新能源。也就是大体趋势是向着可持续、可再生、清洁能源等方面发展。 五、化学在能源方面的运用 能源是国民经济发展的基础,是人们日常生活不可缺少的条件,随着生产的发展,社会的进步,人们所消耗的能量也愈益增多,可以说人均的能量消耗量是衡量现代化国家人民生活水平的主要标准之一,也可以说现代化社会是建筑在巨大的能源消耗上的。所以大力开发和合理利用能源,特别是大力开发新能源,乃人类未来之所系,在世界新技术革命浪潮的冲击下,大规模耗能型工业体系终将成为过去, 代之以节能型和新能源型生产体系。然而要实现这样一个巨大转变,作为化学工作者肩负着重大的责任,因为化学能是我们经常利用的一种能量形式, 目前人类主要使用化石燃料(煤、石油、天然气等)做能源, 就是利用其化学能;化学能与其它能量形式间的转换必然涉及化学反应。通过化学反应制造需要的,化学物质又必然伴随着化学能与其它能量形式的转换。许多生产部门通过应用新型化学 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 达到降低能耗的目的。煤的气化、液化已成为煤炭合理利用的发展方向, 而煤的气化和液化是化学过程。生物质能只有通过气化或液化这些化学的或生物化学的过程转化成气体或液体燃料后才能高效而方便地使用。太阳能制氢是一个复杂的光化学问题。利用化学反应的热效应, 不仅能回收余热和贮存热能, 而且还能输送热能等。总之, 能源的开发、转换、贮存、输送和合理使用都涉及大量的化学化工间题, 耍靠化学工作者去研究完成。能源化学的研究和应用将对生产的发展产生直接的经济效益,对提高人们生活水平起着重要作用, 特别是在目前能源短缺的情况下, 降低能耗提高能源利用率的研 究更为重要。 1.煤的合理利用 将煤转换成清洁能源的各种方法中, 煤的液化是经济的。因为将煤转化成液体比进行气化时化学变化要少, 同时能量转换效率要高。煤可以各种方法加氢使之液化, 加氢还有从煤中脱硫、脱氮的作用。煤加氢液化的主要化学过程是:(1)首先是煤热解生成自由基,这些自由基在有足够的氢存在时便能得到饱和而稳定下来, 没有氢供应就要重新缩合;(2)供氢反应, 一般都用溶剂作介质, 具有供氢能力的溶剂主要是部分氢化的缩合芳环, 如四氢蔡、四氢哇琳、9,10一二氢菲等, 供氢溶剂给出氢后又能从气相吸收氢, 如此反复起了传递氢的作用。(3)脱杂原子反应, 煤的主要组成是C和H, 还含有一定量的O、S、Na等杂原子, 这些杂原子在加氢条件下会先后与氢反应生成H2O、H2S、NH3等小分子化合物。按化学加工方法的不同, 煤的液化方法可分为直接液化和问接液化直接液化法是煤经高压加氢直接转化为液体产品;间接液化法是先将煤气化得到合成气(CO+H2), 再在高温高压和催化剂的条件下合成石油烃。虽然直接液化法尚处在开发阶段, 工艺还不够成熟, 氢的供应价格也比较高, 但是, 是有发展前途的采用催化剂加氢液化可以降低氢的耗量、降低反应温度,可以提高产品质量。利用水煤气变换反应产生氢气来代替是个好方法, 而且有很好的反应活性。 2.太阳能的化学转化和储存 随着近代科学技术的发展,人类对能量的需求也越来越大,而矿物燃料的开采已有日趋涸竭之势,因此对新能源的开发成为众所关注的重要课题占地球上总能量的99%以上的太阳能,取之不尽,用之不竭,又无污染,一直是人们梦寐以求的理想能源,是未来人类利用能量的最大源泉但是,太阳能的利用一直存在着两大难题,一是能量密度低, 二是受季节、气候、时间、纬度等自然条件的限制。因此,为了有效地利用太阳能,就要求设计高效的集光装置, 提高能量密度和解决能量的贮存问题, 其中太阳能的化学转换和贮存是发展的方向。太阳能的化学转换和贮存大致分为三种类型, 即光热转换、光电转换、光化学转换。主要介绍一下光电转化:迅速发展的太阳能电池是利用光一电转换效应将太阳能直接转换为电能的装置。目前,太阳能电池种类较多,主要是单品硅电池、硫化福电池、砷化稼电池、磷化锢电池、非晶硅电池等。有机太阳能电池是正在进行研究的一种新型电池, 目前尚未进入实用化阶段, 但由于它的制作工艺简单、成本低廉,因此是一种颇有希望的电池, 近来以酞菁、部花菁和聚乙炔三种材料的太阳能电池研究较多, 发展较快。太阳能电池在我国已成功地用作抽水泵、电牧拦和航道浮标灯的电源, 在人造地球卫星上用作工作电源等。在国外太阳能游览车、太阳能飞机都已试验成功。但是目前太阳能电池效率还很低, 成本还较高 这是今后化学工作者研究和改进的重要课题。 3.生物质能的转换及应用 由光合作用产生的植物生物质是把太阳能转化为化学能,并以有机物的形式贮存于植物体内,这一部分能量叫生物质能。在当今世界能源结构中,生物能起着举足轻重的作用。据估计世界能耗的七分之一来自植物生物质,特别在发展中国 家,生物能占的比重更大,在我国占四分之一以上。因此,生物质资源的开发利用, 关系到广大农村的能源、肥料、卫生及农业生态平衡, 也与城市的能源供应、“三废”治理、环境保护息息相关, 是一项具有重大经济和社会意义的工作。 生物质大多是一种固体燃料,通过直接燃烧可将生物质的化学能转化为热能供给人类利用。然而这种直接燃烧由于燃烧技术和设备不完善, 特别是在条件不具备的农村地区使用, 直接燃烧的利用效率很低, 只有10-15 % ;很多过程还无法使用它,因此, 生物质能只有通过气化或液化这些化学的或生物化学的过程转化成气体或液体燃料后才能高效而方便地使用。主要的气化和液化过程有:(一)生物质(包括农付产品的下脚料或废弃物、有机废液、人畜粪便等)通过好氧分解, 即在生酸菌的作用下, 把较复杂的大分子有机物变成较简单的小分子物质,进而在甲烷菌的作用下经厌氧分解, 将生物质分解为甲烷(俗称沼气),是目前普遍采用的一种生物质能转换技术;(二)淀粉、纤维素等多糖类物质在一定条件下水解变成单糖和二糖, 再经发酵转化为乙醇(酒精)。 4.氢能的开发及应用 氢能的开发由来已久,早在上世纪六七十年代就取得了较大发展。氢的制取是一个复杂的过程,它涉及化学、生物、物理方面的知识。目前,制取氢的主要方法有以下几种:一是从含烃的化石燃料中制取氢,这是过去以及现在采用最多的方法。它是以煤、石油或天然气等化石燃料作原料来制取氢气。用蒸汽和煤作原料来制取氢气的基本反应过程为:C+H2O CO+H2,用蒸汽和天然气作原料的制氢化学反应为:CH2 + H2O<==>CO + 3H2 上述反应均为吸热反应,反应过程中所需的热量可以从煤或天然气的部分燃烧中获得,也可利用外部热源。自从天然气大规模开采后,传统制氢的工业中有96%都是以天然气为原料[2]。煤和天然气是当今世界最主要的能源,自身已被开采待尽,加上在以其做为原料制取氢的过程中会产生大量污染环境的有害气体和有害物质,这显然不是人们的初衷。所一,这一方法无法使人们摆脱对常规能源的依赖和对自然环境的破坏。二是电解水制氢这种方法是基于如下的氢氧可逆反应:2H2O <==>2H2+O2 分解水所需要的能量是由外加电能提供的。但是这种方法耗能较高,为了提高制氢效率,电解通常在高压下进行,采用的压力多为3.0—5.0MPa。目前电解效率为50%--70%。由于电解水的效率不高且需要消耗大量的电能,自然也要产生大量有害气体和有害物质, 所以用这种方法在目前来看也不是一个十分可行的方法,虽然它原料丰富,但还是摆脱不了对常规的化石能源的依赖。三是生物化学制氢20世纪初就发现某些微生物能够产生氢。可以产生氢的有多种细菌,蓝藻、绿藻等藻类。生物化学制氢的途径是产氢菌作用于生物质而产生氢,也可以以生物活性酶为催化剂,利用含氢有机物和水将生物能和太阳能转化为高能量密度的氢气[5]。微生物发酵法具有下述优点:可在黑暗条件下连续发酵运转、设备紧凑、发酵机质来源广泛、容易实现工业化控制。生物制氢的最大缺点是能量转化率低。但是,生物制氢有利于环境保护,而且与传统制氢工业相比,生物制氢技术的优越体现在:所使用的原料极为广泛且成本低廉,包括一切植物、微生物材料,工业有机物和水;在生物酶的作用下,反应条件为温和的常温常压,操作费用十分低廉;产氢所转化的能量来自生物质能和太阳能,完全脱离了常规的化石燃料;反应产物为二氧化碳,氢气和氧气,二氧化碳经过处理仍是有用的化工产品,可实现零排放的绿色无污染环保工程。由此可 见,发展生物制氢技术符合国家对环保和能源发展的中、长期政策,前景光明,预期将来会有重大突破。四是化学制氢,化学制氢:化学制氢有两种方法,一种是直接将水分解成氢与氧,必须在3000℃以上。如将此分解反应经多种化学反应的配合而构成一化学循环,反应温度就只需控制在1000℃左右,在循环中所用的化学物质可循环使用,总循环为输入水,产出氢与氧。目前已进行试验研究的有十几种循环方法。另一种是在等离子体的作用下,将煤、石油、天然气与水蒸气反应制得氢和一氧化碳的工艺技术。它具有氢气产率高,成本低,能耗少,设备简单等优点 六、总结和展望 新能源又称非常规能源.是指传统能源之外的各种能源形式.指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等. 能源工业在很大程度上依赖于化学过程,能源消费的90%以上依靠化学技术.怎样控制低品位燃料的化学反应,使我们既能保护环境又能使能源的成本合理是化学面临的一大难题.化石能源的转化及综合利用至关重要.可再生新能源的开发离不开以化学为核心的技术的发展。故让化学与实际生活接轨,显得尤其重要。