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能源利用的历史进程

2020-04-06 01:25能源百科 人已围观

简介天地豪情(三部)能源的定义 能源是指能为人类提供热、光、动 力等有用能量的物质或物质运动的统 称。经济发展和社会进步,能源先行。 社会越发展,生产力越高,人类对能 源的依赖程度也越高,...

  能源的定义 能源是指能为人类提供热、光、动 力等有用能量的物质或物质运动的统 称。经济发展和社会进步,能源先行。 社会越发展,生产力越高,人类对能 源的依赖程度也越高,同时对能源的 利用水平也越高。能源利用的广度和 深度是衡量一个国家生产力水平的重 要标志之一 一、能源利用的历史进程 能源,为人类文明发展作出重大贡献。人类历 史上每次能源技术的重大突破都引发一次生产力的 飞跃。人类文明的每一步,都和能源的利用息息相 关。人类社会的发展历史就是一部不断向自然界索 取能源的历史。 1、柴薪时代 柴薪是人类第一代主体能源。人类学会用火之后 ,首先用树枝、杂草等作为燃料,用于燃烧煮食和 取暖。火还给人类以光亮,使人能在夜间活动。火 还可以煅烧矿石、冶炼金属、制造工具。恩格斯在 评价火的作用时说:“磨擦生火第一次使人支配了 一种自然力,从而最终把人同动物分开。” 2、煤炭时代 公元前500年我国古人就发现了“黑石头”(煤),用 煤作燃料已有1000多年的历史。17世纪中叶,由于煤炭 生产和使用技术日趋成熟,人类能源消费逐步由煤炭代 替木炭。煤气灯的使用,蒸汽机的发明,使煤炭一跃成 为第二代主体能源,并开创了18世纪的工业文明。以煤 炭作燃料的蒸汽机,使纺织、冶金、采矿、机械加工等 工业获得迅速发展。同时,天地豪情(三部)蒸汽机车、轮船的出现,使 交通运输业得到巨大进步。19世纪以来,电磁感应现象 的发现,使得由蒸汽轮机作动力的发电机开始出现,煤 炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能 源―电能。 3、石油时代 公元前250年,中国人就首先发现石油是一种可 燃的液体。自1782年瑞士人发明煤油灯到1853年 全球普遍使用,石油所发挥的功能几乎全是照明 。1854年,美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一 口油井,石油工业由此发端。19世纪末,人们发 明了以汽油和柴油为燃料的内燃机。福特研制成 功了第一辆汽车。此后,汽车、飞机、柴油机轮 船、内燃机车、石油发电等将人类飞速推进到现 代文明时代。石油以及天然气的开采与消费开始 大幅度增加,并以每年2亿吨的速度持续增长。虽 然经历了多次石油危机,石油价格高涨,但石油 的消费量却不见有丝毫减少的趋势。现已成为第 三代主体能源。世界进入了“石油时代”。 4、核能开发 在20世纪30年代,人们开始了从原子核获得能 量的研究,40年代建成核反应堆,50年代建成 核电站,以后核能开发技术日趋成熟。由于受 石油危机的影响,核能利用在20世纪80年代发 展最快,据统计,1980年至1985年世界核能消 费量增长了90%,而前苏联竟然增长了121%。 截至2007年12月, 全世界正在运行中的反应堆有 439 座, 相比2002年的444座微量下降, 但发电能 力稳步上升, 总发电量达到 37117GW, 全世界核 电供应已经达到总供电量的16 %, 许多国家达到 总供电量的1/ 3。 5.天然气 天然气的主要成分是甲烷有少量的 乙烷和丙烷。是一种优质能源。现已 起到越来越重要的作用。 另外,水能、风能、太阳能利用等 也得到更多的重视。。 二、能源分类 能源家族成员种类繁多,而且新成员不 断加入。只要能为人类利用以获得有用能 量的各种来源都可以加入到能源家族中来 。能源家族从不同的角度可以划分不同的 成员,从其产生的方式以及是否可再利用 的角度可分为一次能源和二次能源,可再 生能源和不可再生能源;根据能源消耗后 是否造成环境污染可分为污染能源和清洁 型能源;根据使用的性质又可分为常规能 源和新型能源。 一次能源中有可再生的水力资源和不可再生的煤炭、 石油、天然气资源。其中,煤、石油和天然气是当今世 界一次能源的三大支柱,构成了全球能源家族结构的基 本框架。另外,一次能源小家族中也列入了像太阳能、 风能、地热能、海洋能、生物能以及核能。二次能源中 包括电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光、 沼气等。 污染型能源包括煤炭、石油等,清洁型能源包括水 力、电力、太阳能、风能和核能等。 常规能源包括一次能源中的可再生水力资源和不可 再生煤炭、石油、天然气等资源,新型能源包括太阳能 、风能、地热能、海洋能、生物能以及用于核能发电的 核燃料等。 按照全世界对化石燃料的消耗速度计算,这些能源可供 人类使用的时间大约还有: 储量有限的化石燃料 我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿 吨标准煤,上升到2002年的14.3亿吨标 煤。在2004年,我国石油消费量达3亿吨, 其中进口1亿吨,估计到2020年,我国石 油消费量要达4.5亿吨,其中进口量要达 2.7亿吨,到2050年,我国石油消费量要 达6亿吨,其中进口量要达4亿吨,相当 于目前美国的石油进口量。 大庆油田 从1960年至2002年累计生产原油17多亿吨。 27年稳产在5000万吨/年以上。 1997年最高产量为5600万吨/年 2002年为5013万吨/年 2003年计划产量4830万吨/年 进入递减开采期。 ——化工报2003-1-18-1 据美国石油业协会估计,在2050年之 前,世界经济的发展将越来越多地依 赖煤炭。其后在2250到2500年之间, 煤炭也将消耗殆尽,矿物燃料供应枯 竭。一些工业发达国家的天然气也将 在2020年被用完;而发展中国家在 2060年也将会发生天然气短缺。 ? 太阳能即太阳辐射能,它是太阳内部连续不断 的核聚变反应过程产生的能量。 地球轨道上的平均太阳辐射强度为 1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km, 从而可计算出,地球获得的能量可达 1.72(1017)W。也就是说太阳每秒钟照射 到地球上的能量就相当于500万吨煤。 水能 德国大学生研发的 风力推动的自行车 (一)对太阳能的间接利用 (1)通过光合作用的形式利用太阳能 太阳能的间接利用 煤炭——当代工业的粮食 石油——当代工业的血液 天然气——最清洁的化学能源 可燃冰——未来的新能源 生物质能——前景广阔的绿色能源 (二)太阳辐射能的直接利用 与其他能源相比,太阳能具有独特的 优点: (1)它没有一般煤炭、石油等矿物 燃料产生的有害气体和废渣,因而不 污染环境,被称作“干净能源”。 (2)到处都可以得到太阳能,使用 方便、安全。 (3)成本低廉,可以再生。 (1)对可见光的利用 主要的利用途径是光电转换,即把太阳能直 接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用 的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转 换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高 达九成以上的可见光。 ? 太阳能电池 太阳能电池主要以半导体材料为基础,利用光照产 生电子空穴对,在PN结上可以产生光电流、光电压 的现象(光伏效应),实现光电转换。硅是最合适 最理想的太阳能电池材料。 太阳能电池:“神舟七号”动力之源 主电源太阳能电池阵为左右两翼帆板组成,每翼分别为 4块太阳能电池板,整船共使用太阳能电池11690片 ? 太阳能电池 按照所用材料的不同: ? 硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅) (光电转化效率高,成本高,制备工艺复杂!) ? 以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为 材料的电池 (镉:剧毒。铟、硒:稀有元素) ? 功能高分子材料制备的大阳能电池 (处于研发初期、转化效率低、使用寿命短) ? 染料敏化纳米晶体太阳能电池 (正在研发) 太阳能电池的发展方向 ? ? ? ? 材料与器件结构的研究与开发 ? 各种太阳能电池材料研究 ? 杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响 ? 使用薄膜技术和剥离技术。 ? 大规模生产技术的开发 跟踪与聚光 储电及并网发电结合 ? 并网发电已占50% ? 以建成多个兆瓦级的电站,~100MW规模VS太阳能热发电站 与建筑物结合 ? 架设太阳电池组件 ? ? 日本:1994-2000年 2万套屋顶光伏系统185MW ;七万屋顶计划 280M 美国:1997-2010年 百万屋顶计划 3025MW 发电成本6美分 曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃 ? 集成在建筑材料上 ? ? 太阳能发电站 太阳能光伏发电系统主要 由太阳电池阵列、贮能蓄 电池、防反充二极管、充 电控制器及逆变器、测量 设备等组成。 太阳能发电 站一旦建成,不需要运行 投资即能运用,但初期投资 较高。 加利福尼亚一家太阳 能发电站中的太阳能 反射装置 (2)对红外线的利用 主要的利用途径是光热转换,即把太阳能 直接转变成热能。 (3)对紫外线的利用 紫外线nm的紫外光 的光子所具有的能量约为399kJ/mol,它比细 菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C(347 kJ/mol)、C-N(305 kJ/mol)和C-S(259 kJ/mol)键的键能大,因此紫外光的能量足以 使这些化学键断裂,从而破坏细菌的蛋白质分 子,达到杀菌的目的。 煤炭——当代工业的粮食 石油——当代工业的血液 天然气——最清洁的化学能源 水——可循环使用的资源 1、石油 石油是古代动植物遗体经过长期复杂的变化而形 成的一种粘稠性液体。未经加工处理的石油叫原油。 煤油照明 汽油用于运输 作燃料来发电 1.石油的成份 原油的成份很复杂,主要是各种烷烃、环烷烃 和芳香烃组成的混合物,大部分是液态,但液态中溶 有气态和固态物质 ,如水 (H2 O) 、氯化钙 (CaCl 2 )、氯 化镁(MgCl2)等盐。 原油必须先经过脱水、脱盐等处理过程然后再进行 炼制。 石油的炼制主要是通过分馏的方法把原油分成不同 沸点范围的蒸馏产物,这些分馏的产物叫馏分。 石油分馏可得汽油、煤油、柴油等轻质液体燃料, 占石油总量的25%左右。 石油分馏产品及其用途 分馏产品 溶剂油 汽油 航空煤油 煤油 柴油 分子中含碳原子数 C5—C6 C6—C11 C10—C15 C11—C16 C15—C18 沸点范围 30—150 0C 220 0C 以下 (80-200 0C) 150—250 0C 180—310 0C 200—360 0C 用途 油脂、橡胶、油漆生 产中作溶剂 飞机、汽车等汽油机 燃料 喷气式飞机燃料 拖拉机用燃料,工业 洗涤剂 重型汽车、军舰、轮 船、坦克、拖拉机等 各种高速柴油机燃料 机械上的润滑剂、减 少机械磨损、防锈 润滑剂、防锈剂 制蜡纸、绝缘材料 铺路、建筑材料、防 腐涂剂 制电极、生产SiC 润滑油 凡士林 石蜡 沥青 石焦油 C16—C20 液态烃和固态烃混合 C20—C30 C30—C40 主要成分 C 360 0C以上 分馏原理 石油是烃的混合物,因此没有固定的沸点。含 碳原子数越少的烃,沸点越低。因此,在给石 油加热时,低沸点的烃先气化,经过冷凝液化 后分离出来。随着温度的升高,较高沸点的烃 再气化,经过冷凝化后又分离出来。这样不断 地加热汽化和冷凝液化,就可以把石油分成不 同沸点范围产物。这种方法叫石油的分馏。分 馏出来的各种成分叫做馏分。每一种馏分仍然 是多种烃的混合物。 如何评价汽油的质量呢? 汽油发动机在运转时要经过进气、压缩、 点火和排气4个冲程。在汽缸中,汽油 蒸气只有在点火燃烧时才能跟活塞的运 动协调,若汽油质量不佳,在焰峰到达 之前已发生自燃会造成压力骤增而形成 冲击波,称为爆燃现象。142 重整就是把馏分中的烃类分子重新 排列而构成新 的分子。 重整的结果是支链异构体增加,芳烃增加, 而这些新的化合物中碳原子数仍然是在汽油的 组成范围之内,因此可以大大提高汽油的辛烷 值。 裂化汽油 原油中C6―C11的组分数量并不多,因此直接 得到的汽油就不多。为了提高汽油的产量,人们 把一些非汽油组分的长链大分子烃类切断以求得 更多的汽油的组分的烃类。这就是原油的二次加 工。 分馏塔输出的长链大分子烃类通过裂化就可 产生裂化汽油。 早期的裂化工艺是热裂化。即直接加热的方使长链 断裂。选择性很差,产生许多低于汽油组分的小分 子烃, 效率不高。 目前采用的裂化技术是催化裂化。即通过催化剂使 重油裂化,产品的选择性更好。目前商品汽油主要 是裂化和重整产生的汽油。从原油中得到的其它燃 料油还有航空煤油、柴油、煤油、液化石油气、工 业燃料油(重油) 。 裂化:在一定的条件下,将相对分子质量 较大的沸点较高的烃断裂为相对分子质量 较小的沸点较低的烃的过程。 裂解:石油化工生产过程中以比裂化更高 的温度(700℃-800℃有时甚至高达 1000℃以上),使石油分馏产物(包括石 油气)中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短 链烃的加工过程,裂解是一种深度的裂化。 汽油和汽油性能的表征——辛烷值 辛烷值是汽油抗爆性能的间接量度,车用汽油标 号就是按照汽油的辛烷值大小划分的,例如90号 汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。 提高汽油辛烷值的方法 A 添加抗爆剂: 0.1%四乙基铅提高汽油辛烷值14―17 。 B 调合组分: 芳烃(甲苯、异丙苯) 、甲醇、甲基叔丁基醚 (MTBE) 3%―15%(添加后两种的为含氧汽油) 。 含氧有机物的调合辛烷值 调合剂 甲醇 乙醇 异丙醇 叔丁醇 MTBE 分子式 CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CHOH (CH3)3COH (CH3)3COCH3 调合辛烷值 130 120 106 108 115 2、煤 煤炭的结构 煤炭有实用价值的综合利用主要有煤的 干馏、气化和液化。煤最主要的应用是 直接作为燃料。 我国:煤的消耗中,30%发电、炼焦;50% 工业锅炉、窑炉;20%人民生活 煤的干馏: 煤的气化:是把煤中的有机物转化为可燃性 气体的过程。如果将煤在高温时与水蒸气反 应即可制的水煤气,这种气体的燃烧热比半 水煤气高1倍。 煤炭液化——人造石油 煤炭液化是指以煤炭为原料,通过化学加工过程, 生产油品和石油化工产品。 煤炭直接液化: 煤炭 煤粉 油煤浆 加氢裂化 液体油品 煤炭间接液化: 煤炭、氧气、水蒸气 H2和CO的混合气体 3、天然气 天然气是古生物遗骸长期沉积地下,经慢慢转化 及变质裂解而产生的气二氧化碳态碳氢化合物,主 要成分为甲烷( CH4),还含有乙烷、丁烷、戊烷、 二氧化碳、硫化氢等。 西气东输二号线、水与可燃冰 ? 甲烷与水在海底的低温和高压下形成的冰状 化合物, 可以燃烧. ?存贮量大, 可供人类使用1000年以上. 可燃冰的学名叫天然气水合物。 可燃冰可望成为21世纪替代煤、 石油、天然气的新型能源矿产。它 是一种由水分子和碳氢气体分子组 成的结晶状固态简单化合物。其外 形如冰雪状,通常呈白色。在天然 气水合物中通常含有大量的甲烷或 其他碳氢气体分子,极易燃烧.燃 烧后几乎不产任何残渣。 157

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