《材料化学》第6讲 化学与能源

第6讲化学与能娠 1.能娠与社会进步 能源、材料和信息被喻为人类社会发展的三大支柱,而能源又是材料和 信息的生产、运输的动力和基础。人类的文明始于火,通过燃烧把化学与能 源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学过程中所伴随的能量变化,创造 了五光十色的现代物质文明。社会进步的历史表明,每一次能源技术的创新 和突破都给生产力的发展和社会进步带来重大而深远的变革 1.1能源的分类 能源( energy source)是指提供能量的自然资源。能源品种繁多,按其来 源可以分为三大类:一是来自地球以外的太阳能,除太阳的辐射能之外,煤 炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能;第二类来自地球本身 如地热能,原子核能(核燃料铀、钍等存在于地球自然界);第三类则是由月 球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量,如潮汐能。其中,在自然界现 成存在,可直接获得而无须改变其形态和性质的能源又称为一次能源 primary energv),如煤炭、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能等。由 次能源经过加工或转化成另一种形态的能源产品,如电力、汽油、柴油、煤 气等又称为二次能源 (secondary energy)。能源的分类如表1所示 表1能源的分类 别 常规能源 新型能源 可再生水能 太阳能(发电、供热等):海洋能(温 次能演生物质能(柴草、植物秸杆等)差、波力、动力、湖汐等):风能(动 力、发电等):地热(热能、发电等) 能 非再生煤炭、石油、油页岩、沥青砂、核聚变能量 源 能源天然气、核裂变燃料 次能源煤炭制品(煤气、焦碳、水煤浆)、石油制品(汽油、煤油、柴油和液 化气)、电力、氢能、沼气、激光、等离子体和发酵酒精等

第 6 讲 化学与能源 1. 能源与社会进步 能源、材料和信息被喻为人类社会发展的三大支柱，而能源又是材料和 信息的生产、运输的动力和基础。人类的文明始于火，通过燃烧把化学与能 源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学过程中所伴随的能量变化，创造 了五光十色的现代物质文明。社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新 和突破都给生产力的发展和社会进步带来重大而深远的变革。 1.1 能源的分类 能源（energy source）是指提供能量的自然资源。能源品种繁多，按其来 源可以分为三大类：一是来自地球以外的太阳能，除太阳的辐射能之外，煤 炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能；第二类来自地球本身， 如地热能，原子核能（核燃料铀、钍等存在于地球自然界）；第三类则是由月 球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量，如潮汐能。其中，在自然界现 成存在，可直接获得而无须改变其形态和性质的能源又称为一次能源(primary energy)，如煤炭、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能等。由一 次能源经过加工或转化成另一种形态的能源产品，如电力、汽油、柴油、煤 气等又称为二次能源(secondary energy)。能源的分类如表 1 所示。 表 1 能源的分类 类 别 常规能源 新型能源 可再生 能源 水能 生物质能（柴草、植物秸杆等） 太阳能（发电、供热等）；海洋能（温 差、波力、动力、潮汐等）；风能（动 力、发电等）；地热（热能、发电等） 一 次 能 源 非再生 能源 煤炭、石油、油页岩、沥青砂、 天然气、核裂变燃料 核聚变能量 二次能源 煤炭制品（煤气、焦碳、水煤浆）、石油制品（汽油、煤油、柴油和液 化气）、电力、氢能、沼气、激光、等离子体和发酵酒精等

第8章现代化学的研究进展 根据消费后能否造成环境污染,又可将能源区分为污染型能源和洁净型 能源。如煤炭、石油等是污染型能源,而水力能、风能、氢能和太阳能等是 洁净型能源。 12能源与社会进步 地球从太阳的辐射中获取光和热,这种光和热经植物的光合作用又被转 化为生物质( biomass的化学能。埋藏在地下的动植物残骸经过漫长的地质作用 转化为煤炭、石油和天然气等化石能源。江河湖海中的水,经日晒蒸发再凝 聚降落在高山丘陵之间形成水力能;空气经太阳光能加热,因密度差而形成 风能。所以可以说太阳能是地球上主要能源的总来源 从火的发现到18世纪产业革命之间,树枝、杂草、秸杆等生物质燃料一 直是人类使用的主要能源,这称为柴草时期。 18世纪中叶,煤炭开始大规模开采。1769年詹姆士·瓦特( James,wat, 1736-1819)发明蒸汽机,煤炭作为蒸汽机的动力之源,完成了第一次产业革命, 使煤炭成为人类的主要能源,这称为煤炭时期。 20世纪初,在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然 气。石油的大量开采和炼油工艺的提高,使石油很快成为能源消费的主流 这称为石油时期 常规能源(如煤炭、石油和天然气)的燃烧将化学能转换为热能和光能, 同时生成二氧化碳、水和其它无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素,在 燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃 料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度,因此化石 能源面临着被消耗殆尽的危险。 随着化石能源的枯竭,太阳能、物体运动能、原子能、氢能等新型能源 将取代煤炭、石油和天然气而成为人类的主要能源,这是将要到来的新能源 时期

·354· 第 8 章 现代化学的研究进展 根据消费后能否造成环境污染，又可将能源区分为污染型能源和洁净型 能源。如煤炭、石油等是污染型能源，而水力能、风能、氢能和太阳能等是 洁净型能源。 1.2 能源与社会进步 地球从太阳的辐射中获取光和热，这种光和热经植物的光合作用又被转 化为生物质(biomass)的化学能。埋藏在地下的动植物残骸经过漫长的地质作用 转化为煤炭、石油和天然气等化石能源。江河湖海中的水，经日晒蒸发再凝 聚降落在高山丘陵之间形成水力能；空气经太阳光能加热，因密度差而形成 风能。所以可以说太阳能是地球上主要能源的总来源。 从火的发现到 18 世纪产业革命之间，树枝、杂草、秸杆等生物质燃料一 直是人类使用的主要能源，这称为柴草时期。 18 世纪中叶，煤炭开始大规模开采。1769 年詹姆士·瓦特(James,Watt， 1736-1819)发明蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力之源，完成了第一次产业革命， 使煤炭成为人类的主要能源，这称为煤炭时期。 20 世纪初，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然 气。石油的大量开采和炼油工艺的提高，使石油很快成为能源消费的主流， 这称为石油时期。 常规能源（如煤炭、石油和天然气）的燃烧将化学能转换为热能和光能， 同时生成二氧化碳、水和其它无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在 燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃 料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度，因此化石 能源面临着被消耗殆尽的危险。 随着化石能源的枯竭，太阳能、物体运动能、原子能、氢能等新型能源 将取代煤炭、石油和天然气而成为人类的主要能源，这是将要到来的新能源 时期

第6讲能源化学 355 2.化石熾料( fossil fuel) 2.1煤炭coal (1)煤炭的组成与结构 煤炭是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约102t,中国约占 11%,仅次于俄罗斯和美国,处于第三位。煤炭既是重要的能源,也是重要的 化工原料。 煤炭是一类具有高碳氢比的有机交联聚合物与无机矿物所构成的复杂混 合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不相同的结构单元组成。结构单 元的核心是缩合程度不同的稠环芳香烃,及一些脂环烃和杂环化合物。结构 单元之间由氧桥及亚甲基桥联接,它们还带有侧链烃基、甲氧基等基团。大 分子在三维空间交联成网络状结构,一些小分子以氢键或范德华力与其相连。 无机矿物被有机大分子所填充和包埋,形成复杂的天然“杂化”材料。 组成煤的主要元素有碳、氢、氧、氮和硫,它们占煤炭有机组成的99%以 上。按其变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。不同 变质程度煤的元素组成和发热量范围如表2所示。 表2煤的元囊组成和发热量 发热量 煤种 H/% MJkg") 约5053-6527-341-35 8~10 50~70 16~27 微量 7085 2~15 0.7~2.2 21~29 无烟煤 1~31-40.31.5 21~25 煤的无机组成主要包括水分和矿物质(粘土、石英、硫化物、碳酸盐等)。 它们在燃烧过程中,转化为灰分和粉尘引起环境恶化,并因分解吸热而降低 煤炭发热量。 煤在我国能源消费结构中位居榜首(约占70%),煤的年消费量在10亿

第 6 讲 能源化学 ·355· 2. 化石燃料(fossil fuel) 2.1 煤炭 coal （1）煤炭的组成与结构 煤炭是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约 1012 t，中国约占 11%，仅次于俄罗斯和美国，处于第三位。煤炭既是重要的能源，也是重要的 化工原料。 煤炭是一类具有高碳氢比的有机交联聚合物与无机矿物所构成的复杂混 合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不相同的结构单元组成。结构单 元的核心是缩合程度不同的稠环芳香烃，及一些脂环烃和杂环化合物。结构 单元之间由氧桥及亚甲基桥联接，它们还带有侧链烃基、甲氧基等基团。大 分子在三维空间交联成网络状结构，一些小分子以氢键或范德华力与其相连。 无机矿物被有机大分子所填充和包埋，形成复杂的天然“杂化”材料。 组成煤的主要元素有碳、氢、氧、氮和硫, 它们占煤炭有机组成的 99%以 上。按其变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。不同 变质程度煤的元素组成和发热量范围如表 2 所示。 表 2 煤的元素组成和发热量 煤种 C /% H /% O /% N /% S /% (总硫) 发热量 / （MJ•kg-1） 泥炭 约 50 5.3∼6.5 27∼34 1∼3.5 8∼10 褐煤 50∼70 5∼6 16∼27 1∼2.5 10∼17 烟煤 70∼85 4∼5 2∼15 0.7∼2.2 21∼29 无烟煤 85∼95 1∼3 1∼4 0.3∼1.5 微量 ∼10% 21∼25 煤的无机组成主要包括水分和矿物质(粘土、石英、硫化物、碳酸盐等)。 它们在燃烧过程中，转化为灰分和粉尘引起环境恶化，并因分解吸热而降低 煤炭发热量。 煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占 70%），煤的年消费量在 10 亿

第8章现代化学的研究进展 吨以上,其中30%用于发电和炼焦,50%用于各种工业锅炉、窑炉,20%用于 人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的,其中C、H、S及N分别变成 CO2、H2O、SO2及NO,这样热利用效率并不高,如煤球热效率只有20%~30%; 蜂窝煤高一点,可达50%,而碎煤则不到20%。至于工业锅炉用煤的热效率 不仅与炉型结构有关,而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。 煤开采后应该就地进行筛分、破碎,洗选除去一些无用的杂质。随着机 械化采煤的发展,煤粉的比例提高,所以还应将煤粉在加压加温条件下成型 (球、棒、砖等),然后供应用户,以减少运输量,提高热效率 直接烧煤对环境污染相当严重,二氧化硫(SO2),氮的氧化物(NO3)等 是造成酸雨的罪魁,大量CO2的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰 和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题,合理利用和综 合利用煤资源的办法不断出现和不断推广,其中最令人关心的一是如何使煤 转化为清洁的能源,即煤的洁净。二是如何提取分离煤中所含宝贵的化工原 (2)洁净煤技术 洁净煤技术( cleaning coal technology)是旨在减少污染和提高效率的煤 炭加工、转换和污染控制新技术的总称。包括了煤炭使用过程各环节的净化 和污染防治技术,是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。分为四个技术 领域,14个技术方面: 煤炭加工领域——选煤、型煤和水煤浆技术; 燃煤与发电领域——循环流化床燃煤发电技术、增压硫化床发电技术 整体煤气化联合循环发电技术; 煤转化领域——气化与焦化、液化和燃料电池技术; 污染排放控制及废弃物处理领域——煤层气开发利用、烟气净化、粉煤 灰利用、煤矸石及矿井水资源化处理、中小锅炉改造或减排放技术。 22石油和天然气 petroleum& natural gas 石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉,自20世纪50年代开始

·356· 第 8 章 现代化学的研究进展 吨以上，其中 30%用于发电和炼焦，50%用于各种工业锅炉、窑炉，20%用于 人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的，其中 C、H、S 及 N 分别变成 CO2、H2O、SO2 及 NOx，这样热利用效率并不高，如煤球热效率只有 20%~30%； 蜂窝煤高一点，可达 50%，而碎煤则不到 20%。至于工业锅炉用煤的热效率 不仅与炉型结构有关，而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。 煤开采后应该就地进行筛分、破碎，洗选除去一些无用的杂质。随着机 械化采煤的发展，煤粉的比例提高，所以还应将煤粉在加压加温条件下成型 （球、棒、砖等），然后供应用户，以减少运输量，提高热效率。 直接烧煤对环境污染相当严重，二氧化硫（SO2），氮的氧化物（NOx）等 是造成酸雨的罪魁，大量 CO2 的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰 和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题，合理利用和综 合利用煤资源的办法不断出现和不断推广，其中最令人关心的一是如何使煤 转化为清洁的能源，即煤的洁净。二是如何提取分离煤中所含宝贵的化工原 料。 （2）洁净煤技术 洁净煤技术（cleaning coal technology）是旨在减少污染和提高效率的煤 炭加工、转换和污染控制新技术的总称。包括了煤炭使用过程各环节的净化 和污染防治技术，是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。分为四个技术 领域，14 个技术方面： 煤炭加工领域——选煤、型煤和水煤浆技术； 燃煤与发电领域——循环流化床燃煤发电技术、增压硫化床发电技术、 整体煤气化联合循环发电技术； 煤转化领域——气化与焦化、液化和燃料电池技术； 污染排放控制及废弃物处理领域——煤层气开发利用、烟气净化、粉煤 灰利用、煤矸石及矿井水资源化处理、中小锅炉改造或减排放技术。 2.2 石油和天然气 petroleum & natural gas 石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉，自 20 世纪 50 年代开始

第6讲能源化学 在世界能源消费结构中,石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石 油是国家现代化建设的战略物资,许多国际争端往往与石油资源有关。现代 生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。 石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体,经千百万年的漫 长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之 为原油,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1~50个左右碳原子的化合物,按质量 计,其碳和氢分别占84%87%和12%14%,主要成分为直链烷烃、支链烷烃 环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外,石油中还含有少量由C、 H、O、N和S组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大,大约在0%7% 之间,主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式 存在。氮含量远低于硫,约为0%08%,以杂环系统的衍生物形式存在,如 噻唑类、喹啉类等。此外,石油中还含有其它的微量元素 石油的成分十分复杂,在炼油厂,原油经过蒸馏和分馏,得到不同沸点 范围的油品,包括石油气,轻油(溶剂油、汽油、煤油和柴油等)及重油(润 滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等)。将重油经过催化裂化、热裂化或加氢 裂化等方法,可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂(铂系和钯系贵金属) 存在下,环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃(称之为重 整)。轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮,可提高油品质量 原油经过一系列炼制和精制,获得了各种半成品和组分,然后再按照用 途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为两类 燃料〔如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等)和化工原料等。 天然气是蕴藏在地层中的可燃性碳氢化合物气体,其成因和形成历史与 石油相同,二者可能伴生,但一般埋藏部位较深。据国际经验,每吨石油大 概伴有1000m3的天然气,所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天 然气归并在一起。天然气主要成分是甲烷,但也含有相对分子质量较大的烷 烃,如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等,碳原子数超过5的组分在地下高温环境 中,以气态开采出来,但在标准态下是液体。天然气中各组分的含量常随相 对分子质量的增大而下降,其中还含有SO2、H2S及微量稀有气体

第 6 讲 能源化学 ·357· 在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石 油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代 生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。 石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体，经千百万年的漫 长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之 为原油，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 1~50 个左右碳原子的化合物，按质量 计，其碳和氢分别占 84%~87%和 12%~14%，主要成分为直链烷烃、支链烷烃、 环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外，石油中还含有少量由 C、 H、O、N 和 S 组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大，大约在 0%~7% 之间，主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式 存在。氮含量远低于硫，约为 0%~0.8%，以杂环系统的衍生物形式存在，如 噻唑类、喹啉类等。此外，石油中还含有其它的微量元素。 石油的成分十分复杂，在炼油厂，原油经过蒸馏和分馏，得到不同沸点 范围的油品，包括石油气，轻油（溶剂油、汽油、煤油和柴油等）及重油（润 滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等）。将重油经过催化裂化、热裂化或加氢 裂化等方法，可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂（铂系和钯系贵金属） 存在下，环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃（称之为重 整）。轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮，可提高油品质量。 原油经过一系列炼制和精制，获得了各种半成品和组分，然后再按照用 途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为两类： 燃料（如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等）和化工原料等。 天然气是蕴藏在地层中的可燃性碳氢化合物气体，其成因和形成历史与 石油相同，二者可能伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大 概伴有 1000m3 的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天 然气归并在一起。天然气主要成分是甲烷，但也含有相对分子质量较大的烷 烃，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，碳原子数超过 5 的组分在地下高温环境 中，以气态开采出来，但在标准态下是液体。天然气中各组分的含量常随相 对分子质量的增大而下降，其中还含有 SO2、H2S 及微量稀有气体

358· 第8章现代化学的研究进展 天然气是最“清洁”的燃料,燃烧产物CO2和H2O,都是无毒物质,并 且热值也很高(56kJ·g1),管道输送也很方便。我国最早开发使用天然气的是 四川盆地,20世纪末和本世纪初,在陕、甘、宁地区的长庆油田和新疆的塔 里木盆地发现了特大型气田,目前正在开发建设中。目前,长庆油田的天然 气已经输送至北京、西安等地,塔里木盆地的天然气将“西气东输”至上海。 除北京、天津、西安等城市的部分居民己经使用管道天然气外,“西气东输” 经过的地区也将逐步使用管道天然气 石油和天然气作为燃料在燃烧过程中也会产生SO2和NO3等有害气体 汽车尾气是氮氧化物的主要来源,对大气造成污染。石油和天然气脱硫、脱 氮一直是石油化学工业的重要研究内容。 23可燃冰 combustible ice 可燃冰是天然气的一种存在形式,是天然气的水合物。它是一种白色固 体物质,外形像冰雪,有极强的燃烧力,可作为上等能源。天然气水合物由 水分子和燃气分子,主要是甲烷分子组成,此外还有少量的硫化氢、二氧化 碳、氮和其它烃类气体。在低温(-10℃~10℃)和高压(10MPa以上)条件 下,甲烷气体和水分子能够合成类冰固态物质,具有极强的储载气体的能力。 这种天然水合物的气体储载量可达其自身体积的100-200倍,1m3的固态水合 物包容有约180m3的甲烷气体。这意味着水合物的能量密度是煤和黑色页岩 的10倍,是传统天然气的2~5倍。在海洋中,约有90%的区域都具备天然气 水合物生成的温度和压力条件。目前公认全球的“可燃冰”总能量是所有煤、 石油、天然气总和的2~3倍 天然气水合物是近20年来才被人们发现的,由于其能量高、分布广、埋 藏规模大等特点,正崭露头角,有可能成为本世纪的重要能源。全球天然气 水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料含碳总量的2倍,世界上绝 大部分的天然气水合物分布在海洋里,储存在海底之下500m-1000m的水深 范围以内。海洋里天然气水合物的资源量约为18×103m3,是陆地资源量的 100倍

·358· 第 8 章 现代化学的研究进展 天然气是最“清洁”的燃料，燃烧产物 CO2 和 H2O，都是无毒物质，并 且热值也很高（56kJ•g-1），管道输送也很方便。我国最早开发使用天然气的是 四川盆地，20 世纪末和本世纪初，在陕、甘、宁地区的长庆油田和新疆的塔 里木盆地发现了特大型气田，目前正在开发建设中。目前，长庆油田的天然 气已经输送至北京、西安等地，塔里木盆地的天然气将“西气东输”至上海。 除北京、天津、西安等城市的部分居民已经使用管道天然气外，“西气东输” 经过的地区也将逐步使用管道天然气。 石油和天然气作为燃料在燃烧过程中也会产生 SO2 和 NOx 等有害气体， 汽车尾气是氮氧化物的主要来源，对大气造成污染。石油和天然气脱硫、脱 氮一直是石油化学工业的重要研究内容。 2.3 可燃冰 combustible ice 可燃冰是天然气的一种存在形式，是天然气的水合物。它是一种白色固 体物质，外形像冰雪，有极强的燃烧力，可作为上等能源。天然气水合物由 水分子和燃气分子，主要是甲烷分子组成，此外还有少量的硫化氢、二氧化 碳、氮和其它烃类气体。在低温（－10℃~10℃）和高压（10MPa 以上）条件 下，甲烷气体和水分子能够合成类冰固态物质，具有极强的储载气体的能力。 这种天然水合物的气体储载量可达其自身体积的 100~200 倍，1m3 的固态水合 物包容有约 180m3 的甲烷气体。这意味着水合物的能量密度是煤和黑色页岩 的 10 倍，是传统天然气的 2~5 倍。在海洋中，约有 90%的区域都具备天然气 水合物生成的温度和压力条件。目前公认全球的“可燃冰”总能量是所有煤、 石油、天然气总和的 2~3 倍。 天然气水合物是近 20 年来才被人们发现的，由于其能量高、分布广、埋 藏规模大等特点，正崭露头角，有可能成为本世纪的重要能源。全球天然气 水合物中的含碳总量大约是地球上全部化石燃料含碳总量的 2 倍，世界上绝 大部分的天然气水合物分布在海洋里，储存在海底之下 500m~1000m 的水深 范围以内。海洋里天然气水合物的资源量约为 1.8×108 m 3 ，是陆地资源量的 100 倍

第6讲能源化学 前国际上已经形成了一个天然气水合物研究的热潮。美国、加拿大 德国、英国、欧共体、日本等发达国家和组织从能源战略角度考虑,纷纷制 订了长远发展规划,深入开展了海底天然气水合物物理性质、勘探技术、开 发工艺、经济评价、环境影响等方面的研究工作,取得了多方面的成果。 据预测,我国2010年石油需求量约2.5亿t,而我国石油工业在进入20 世纪90年代后,老油区稳产难度增大,新油区生产不到位,故石油资源形势 严峻,出现了可采储量入不敷出,增产幅度不大的形势。我国已由石油输出 国转变为进口国,到2010年我国的石油缺口将达近1亿t。随着国民经济的 持续快速稳定发展,我国能源需求与供应的紧张矛盾将长期存在,同时我国 能源储量的人均占有量也远低于世界人均占有量。因此,从保障21世纪经济 可持续发展的战略能源角度出发,把天然气水合物资源的研究、勘探和开发 纳入我国的能源发展和保障计划是十分必要和紧迫的 3.化爭电娠( chemical mains) 化学电源即化学电池,是一种将化学能转变为电能的装置,通称电池, 主要分为一次电池(干电池)、二次电池(蓄电池)和燃料电池。这里重点介 绍燃料电池。 早在1839年,英国人格罗夫(W. Grove)首先用铂黑为电极催化剂 制成了氢氧燃料电池,并把多只电池串联起来为电源,点亮了伦敦讲演厅的 照明灯。过了100多年,直到20世纪60年代,燃料电池才在美国太空总署 (NASA)的阿波罗太空飞行计划中首次得到实质性应用。当时美国通用电气公 司为阿波罗太空飞船设计了称之为 Gemini的燃料电池动力系统,它采用海绵 状的薄膜聚合物作为电池的电解液。尽管这种燃料电池具有非常理想的比功 率,但价格十分昂貴,所以在较长时间内未能得到广泛应用。 当代,美国、日本和欧洲都在拟定开发燃料电池的计划。国际燃料电池 公司在纽约已建成一个功率为48兆瓦的燃料电池电力站,它用磷酸为电解 质,用天然气或石脑油为燃料,用高温水蒸气与燃料反应生成氢和一氧化碳 的反应气后进入电池。日本在1990年前已经投资了170亿日元,用于燃料电

第 6 讲 能源化学 ·359· 目前国际上已经形成了一个天然气水合物研究的热潮。美国、加拿大、 德国、英国、欧共体、日本等发达国家和组织从能源战略角度考虑，纷纷制 订了长远发展规划，深入开展了海底天然气水合物物理性质、勘探技术、开 发工艺、经济评价、环境影响等方面的研究工作，取得了多方面的成果。 据预测，我国 2010 年石油需求量约 2.5 亿 t，而我国石油工业在进入 20 世纪 90 年代后，老油区稳产难度增大，新油区生产不到位，故石油资源形势 严峻，出现了可采储量入不敷出，增产幅度不大的形势。我国已由石油输出 国转变为进口国，到 2010 年我国的石油缺口将达近 1 亿 t。随着国民经济的 持续快速稳定发展，我国能源需求与供应的紧张矛盾将长期存在，同时我国 能源储量的人均占有量也远低于世界人均占有量。因此，从保障 21 世纪经济 可持续发展的战略能源角度出发，把天然气水合物资源的研究、勘探和开发 纳入我国的能源发展和保障计划是十分必要和紧迫的。 3．化学电源（chemical mains） 化学电源即化学电池，是一种将化学能转变为电能的装置，通称电池， 主要分为一次电池（干电池）、二次电池（蓄电池）和燃料电池。这里重点介 绍燃料电池。 早在 1839 年，英国人格罗夫（W．Grove）首先用铂黑为电极催化剂 制成了氢氧燃料电池，并把多只电池串联起来为电源，点亮了伦敦讲演厅的 照明灯。过了 100 多年，直到 20 世纪 60 年代，燃料电池才在美国太空总署 (NASA)的阿波罗太空飞行计划中首次得到实质性应用。当时美国通用电气公 司为阿波罗太空飞船设计了称之为 Gemini 的燃料电池动力系统，它采用海绵 状的薄膜聚合物作为电池的电解液。尽管这种燃料电池具有非常理想的比功 率，但价格十分昂貴，所以在较长时间内未能得到广泛应用。 当代，美国、日本和欧洲都在拟定开发燃料电池的计划。国际燃料电池 公司在纽约已建成一个功率为 4.8 兆瓦的燃料电池电力站，它用磷酸为电解 质，用天然气或石脑油为燃料，用高温水蒸气与燃料反应生成氢和一氧化碳 的反应气后进入电池。日本在 1990 年前已经投资了 170 亿日元，用于燃料电

第8章现代化学的研究进展 池电力站的研究开发。 现有燃料电池除碱性氢氧燃料电池、磷酸型燃料电池外,还有高温固体 氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、醇类燃料电池等,在电力站开发、 航天飞船、军用、驱动电力车等众多方面有很好的发展前景,我国政府已经 宣布到2008年奥运会时,将在北京和上海的公交车上全面采用燃料电池作为 动力系统。 无论是哪种电池,在设计时必须满足许多条件,主要有:①能量转换的 速率大,以保证较大的电流:②电池活性物质的化学能不通过外电路的自放 电要小:③较高的电动势:④电池容量大;⑤能在较宽的温度范围内正常工 作。此外,材料还要价廉、安全、无毒等。 燃料电池比其它电池能更好地满足上述条件,而表现出其突出的优点, 无论与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比,还是与以往的一次 次电池的化学电源相比,燃料电池都具有无可比拟的特点和优势。在研究和 较各种电力生产方法之后,科学家预言燃料电池将成为下个世纪世界上获 得电力的重要途径。因为燃料通过电池的方法来产生电力有许多优点 能量转化效率高火力发电受热机卡诺循环效率的制约,转换效率最高 只有35%左右,能源浪费严重:其它物理电池,如温差电池的效率为10%, 太阳能电池的效率为20%。但燃料在燃料电池中,可连续和直接地把化学反 应中产生的化学能转换成电能,它的能量转化在理论上可达100%,在实际中 最高可达80%。 环境友好火力发电产生大量的烟雾、尘埃及有害气体而污染环境。而 燃料电池排泄物一般仅为水和二氧化碳,它作为大、中型发电装置使用时, 与火力发电相比,突出的优点是减少大气污染(见表3)。 表3燃料电池与火力发电的大气污染情况比较(单位:kg10Wh)) 污染成分天然气火力发电重油火力发电煤火力发电燃料电池(试验型) 2.5~230 4550 8200 3200 63~10 烃类 20~1270 135~5000 14-~102 0~90 45~320 65~680 0~0.014

·360· 第 8 章 现代化学的研究进展 池电力站的研究开发。 现有燃料电池除碱性氢氧燃料电池、磷酸型燃料电池外，还有高温固体 氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、醇类燃料电池等，在电力站开发、 航天飞船、军用、驱动电力车等众多方面有很好的发展前景，我国政府已经 宣布到 2008 年奥运会时，将在北京和上海的公交车上全面采用燃料电池作为 动力系统。 无论是哪种电池，在设计时必须满足许多条件，主要有：①能量转换的 速率大，以保证较大的电流；②电池活性物质的化学能不通过外电路的自放 电要小；③较高的电动势；④电池容量大；⑤能在较宽的温度范围内正常工 作。此外，材料还要价廉、安全、无毒等。 燃料电池比其它电池能更好地满足上述条件，而表现出其突出的优点。 无论与传统的火力发电、水力发电或核能发电相比，还是与以往的一次、二 次电池的化学电源相比，燃料电池都具有无可比拟的特点和优势。在研究和 比较各种电力生产方法之后, 科学家预言燃料电池将成为下个世纪世界上获 得电力的重要途径。因为燃料通过电池的方法来产生电力有许多优点： 能量转化效率高 火力发电受热机卡诺循环效率的制约，转换效率最高 只有 35%左右，能源浪费严重；其它物理电池，如温差电池的效率为 10%， 太阳能电池的效率为 20%。但燃料在燃料电池中，可连续和直接地把化学反 应中产生的化学能转换成电能，它的能量转化在理论上可达 100%，在实际中 最高可达 80 %。 环境友好 火力发电产生大量的烟雾、尘埃及有害气体而污染环境。而 燃料电池排泄物一般仅为水和二氧化碳，它作为大、中型发电装置使用时， 与火力发电相比，突出的优点是减少大气污染（见表 3）。 表 3 燃料电池与火力发电的大气污染情况比较（单位：kg•10-6(kWh)-1） 污染成分 天然气火力发电 重油火力发电 煤火力发电 燃料电池（试验型） SO2 NOX 烃类 尘末 2.5~230 1800 20~1270 0~90 4550 3200 135~5000 45~320 8200 3200 30~104 365~680 0~0.12 63~107 14~102 0~0.014

第6讲能源化学 361 另外,燃料电池不需传送机构,没有磨损和噪音。这使它特别适合于军 事目的。 高度的可靠性燃料电池具有常规电池的积木特性,即可由若干个电池 串联、并联的组合方式向外供电。所以,燃料电池既适宜于集中发电,也可 以做成各种规格的分散电源和可移动电源。它的可靠性还在于,即使处于额 定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受而效率变化不大,当 负载有变动时,它也能快速作出响应。 比重量或比功率高同样重量的各种发电装置,燃料电池的发电功率更 适应能力强燃料电池可以使用多种多样的初级燃料,包括火力发电厂 不宜使用的低质燃料。既可用于固定地点的发电站,也可用作汽车、潜艇等 交通工具的动力源 4新能娠 新能源( new energy)指以新技术为基础,系统开发利用的能源,包括核能 氢能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等。其中最引人注目的是 太阳能的利用。下面对各种新能源做一简单介绍。 41核能 nuclear energy) 核能也称为原子能( atomic energy)。原子能的可能释放模式为:原子核 的衰变、原子核的裂变和原子核的聚变。 原子能的研究成果,不幸首先用于战争,危害人类自身。但二次大战结 束后,科技人员很快致力于原子能的和平利用。1954年前苏联建成世界上第 座核电站,功率为5000kW。至今世界上已有30多个国家400多座核电站 在运行之中,世界能源结构中核能的比例正在逐渐增加

第 6 讲 能源化学 ·361· 另外，燃料电池不需传送机构，没有磨损和噪音。这使它特别适合于军 事目的。 高度的可靠性 燃料电池具有常规电池的积木特性，即可由若干个电池 串联、并联的组合方式向外供电。所以，燃料电池既适宜于集中发电，也可 以做成各种规格的分散电源和可移动电源。它的可靠性还在于，即使处于额 定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受而效率变化不大，当 负载有变动时，它也能快速作出响应。 比重量或比功率高 同样重量的各种发电装置，燃料电池的发电功率更 大。 适应能力强 燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，包括火力发电厂 不宜使用的低质燃料。既可用于固定地点的发电站，也可用作汽车、潜艇等 交通工具的动力源。 4 新能源 新能源(new energy)指以新技术为基础，系统开发利用的能源，包括核能、 氢能、太阳能、生物质能、风能、地热能、海洋能等。其中最引人注目的是 太阳能的利用。下面对各种新能源做一简单介绍。 4.1 核能(nuclear energy) 核能也称为原子能（atomic energy）。原子能的可能释放模式为：原子核 的衰变、原子核的裂变和原子核的聚变。 原子能的研究成果，不幸首先用于战争，危害人类自身。但二次大战结 束后，科技人员很快致力于原子能的和平利用。1954 年前苏联建成世界上第 一座核电站，功率为 5000kW。至今世界上已有 30 多个国家 400 多座核电站 在运行之中，世界能源结构中核能的比例正在逐渐增加

第8章现代化学的研究进展 利用中子激发所引起的核裂变,是人类迄今为止大量释放原子能的主要形 式。如果1kg的U-235原子核全 部裂变,它放出的能量就相当于 2500t优质煤完全燃烧时放出的 裂变碎片 化学能。U-235核裂变时,同时突 放出中子,如果这些中子再引起 其它U-235核裂变,就可使裂变 ◆● 反应不断地进行下去,这种反应 就是我们在54节中所讲的链式 反应,如图1所示。 图1中子诱发U235裂变形成链式反应 如果人们设法控制在链式 反应中中子的增长速度,使其维持在某一数值,链式反应就会连续地缓慢地 放出能量,这就是核反应堆或核电站的工作原理。核电站的中心是核燃料和 控制棒组成的反应堆,其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒,它是 用能吸收中子的材料制成的,如硼(B)、镉(Cd、铪(Hf)等是合适的材料。 利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度。U-235裂变时所释放的能 量可将循环水加热至300℃,高温水蒸气推动发电机发电。由此可见核电是 种清洁的能源,它没有废气和煤灰,建设投资虽高,但运行时就没有运送煤 炭、石油这样繁重的运输工作,因此还是经济的。所以发展核电是解决当前 电力缺口的一种重要选择。但有两个问题总是令人担忧,一是保证安全运行 二是核废料的处理。 世界上曾接二连三地出现过反应堆或核电站“失控”事故。1979年3月 日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站,因反应堆冷却系统失灵,使堆心部分 过热,致使部分放射性物质逸入大气。但事故得到及时处理,没有引起爆炸, 对人伤害不很严重,只是核电站受到一定程度的破坏。1986年4月26日在前 苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站,因人为差错和违章操作发生猛 烈爆炸,反应堆内放射性物质大量外泄,造成大面积的环境污染,人畜伤亡 惨重。目前,我国已经运行的核电站有浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站 它们均采用世界上流行的压水堆技术。近年来我国正致力于600MW压水堆核

·362· 第 8 章 现代化学的研究进展 图 1 中子诱发 U-235 裂变形成链式反应 利用中子激发所引起的核裂变，是人类迄今为止大量释放原子能的主要形 式。如果 1kg 的 U-235 原子核全 部裂变，它放出的能量就相当于 2500 t 优质煤完全燃烧时放出的 化学能。U-235 核裂变时，同时 放出中子，如果这些中子再引起 其它 U-235 核裂变，就可使裂变 反应不断地进行下去，这种反应 就是我们在 5.4 节中所讲的链式 反应，如图 1 所示。 如果人们设法控制在链式 反应中中子的增长速度，使其维持在某一数值，链式反应就会连续地缓慢地 放出能量，这就是核反应堆或核电站的工作原理。核电站的中心是核燃料和 控制棒组成的反应堆，其关键设计是在核燃料中插入一定量的控制棒，它是 用能吸收中子的材料制成的，如硼（B）、镉（Cd）、铪（Hf）等是合适的材料。 利用它们吸收中子的特性控制链式反应进行的程度。U-235 裂变时所释放的能 量可将循环水加热至 300℃，高温水蒸气推动发电机发电。由此可见核电是一 种清洁的能源，它没有废气和煤灰，建设投资虽高，但运行时就没有运送煤 炭、石油这样繁重的运输工作，因此还是经济的。所以发展核电是解决当前 电力缺口的一种重要选择。但有两个问题总是令人担忧，一是保证安全运行， 二是核废料的处理。 世界上曾接二连三地出现过反应堆或核电站“失控”事故。1979 年 3 月 28 日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站，因反应堆冷却系统失灵，使堆心部分 过热，致使部分放射性物质逸入大气。但事故得到及时处理，没有引起爆炸， 对人伤害不很严重，只是核电站受到一定程度的破坏。1986 年 4 月 26 日在前 苏联乌克兰基辅市北部的切尔诺贝利核电站，因人为差错和违章操作发生猛 烈爆炸，反应堆内放射性物质大量外泄，造成大面积的环境污染，人畜伤亡 惨重。目前，我国已经运行的核电站有浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站， 它们均采用世界上流行的压水堆技术。近年来我国正致力于 600MW 压水堆核