綠色化學(xué)第八章能源工業(yè)的綠色化

1、第八章 能源工業(yè)的綠色化教教學(xué)目的：掌握生物質(zhì)能的研究與開(kāi)發(fā)；可再生能源與可持續(xù)發(fā)展；理解化石燃料清潔利用技術(shù)；清潔能源的開(kāi)發(fā)利用。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：生物質(zhì)能的研究與開(kāi)發(fā)；可再生能源與可持續(xù)發(fā)展；教學(xué)環(huán)境：講授教學(xué)參考資料：見(jiàn)本教案第二頁(yè)教學(xué)過(guò)程第一節(jié) 化石燃料清潔利用技術(shù)8.1.1 能源消耗對(duì)環(huán)境的影響化石燃料（主要包括石油、天然氣、煤等）是目前世界上使用的主要能源，其開(kāi)采、加工、運(yùn)輸和燃燒耗用對(duì)環(huán)境都有較大的影響，主要表現(xiàn)如下：1. 環(huán)境污染化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物主要包括CO、CO2、SO2、H2S、NOX、CH3SH等，另外還包括飛灰、各種微量金屬元素、放射性微粒、重金屬Hg、Cd、Pb

2、、Zn等?；剂先紵ㄖ饕獮槊禾咳紵┲兴a(chǎn)生的SO2和NO2則是產(chǎn)生酸雨的主要原因。酸雨會(huì)以不同的方式影響人類健康和破壞生態(tài)系統(tǒng)，危害性極大，已成為全球面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一。2. 溫室效應(yīng)大氣中除了氮?dú)夂脱鯕?，還存在著一些微量氣體，其中一些微量氣體如水汽、CO2等對(duì)太陽(yáng)短波輻射是透明的，而對(duì)長(zhǎng)波輻射有很強(qiáng)的吸收能力，它們可以吸收地表發(fā)出的長(zhǎng)波輻射，使一部分地面輻射的熱量保留在大氣層中，具有像溫室一樣的保溫效果，被稱為溫室效應(yīng)。由于CO2在大氣中的含量比其他溫室氣體量大，因此成為目前最主要的溫室氣體。溫室效應(yīng)造成的氣溫升高將會(huì)引起和加劇傳染病流行，心臟病、高血壓和與熱有關(guān)的疾病發(fā)病率和死亡

3、率也隨著夏季高溫天數(shù)的增加而加劇。CO2量的增加還將造成全球大氣環(huán)流調(diào)整和氣候帶向極地?cái)U(kuò)展。包括我國(guó)北方在內(nèi)的中緯度地區(qū)降水將減少，加上升溫使蒸發(fā)加大，因此氣候?qū)②吀珊祷?8.1.2 煤炭的潔凈燃燒與高效利用技術(shù)煤炭是世界上最豐富的化石燃料資源，占世界化石燃料儲(chǔ)量的92%，是除石油以外的世界第二大需求能源。煤的碳含量高，氫含量少（只有5%）。此外，還含有少量的氮、硫、氧等元素以及無(wú)機(jī)礦物質(zhì)。煤燃燒后排放的粉塵，SO2、NOx、CO、CxHy、CO2等氣體對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染和破壞。 20世紀(jì)80年代中期，潔凈煤技術(shù)在美國(guó)興起，潔凈煤技術(shù)是指在煤炭開(kāi)采、加工轉(zhuǎn)化、燃燒和污染控制等方面減少污

4、染和提高利用效率新技術(shù)的總稱。潔凈煤燃燒技術(shù)是國(guó)際上目前最先進(jìn)的燃燒技術(shù)，該技術(shù)能夠較好的解決環(huán)保問(wèn)題和節(jié)能問(wèn)題，發(fā)展和推廣這一新技術(shù)，使之作為我國(guó)促進(jìn)以煤為主的能源生產(chǎn)體系向資源節(jié)約和環(huán)境無(wú)害的可持續(xù)模式轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵戰(zhàn)略措施之一，它是改變我國(guó)目前能源結(jié)構(gòu)的主要措施，已受到國(guó)家的高度重視。第二節(jié) 生物質(zhì)能源的研究與開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能是綠色植物通過(guò)葉綠素將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。生物質(zhì)能包括自然界可用作能源用途的各種植物、人畜排泄物以及城鄉(xiāng)有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化成的能源，如沼氣、生物柴油、林業(yè)加工廢棄物、農(nóng)作物秸稈、有機(jī)垃圾和其他野生植物等，它的能量始源于太陽(yáng)能，是一種環(huán)境友好型、可再生的“綠

5、色能源”。生物質(zhì)能具有可再生、低污染、分布廣泛和易燃燒灰分低等優(yōu)點(diǎn)，但亦有分布較為分散、能量密度、熱值及熱效率低等不足。8.2.1 國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀1. 國(guó)外生物質(zhì)能利用概況日本的新陽(yáng)光計(jì)劃、印度的綠色能源工程、美國(guó)的能源農(nóng)場(chǎng)和巴西的酒精能源計(jì)劃等。在德國(guó)，生物質(zhì)被用來(lái)和煤混合使用于發(fā)電、產(chǎn)氣等。英國(guó)建立了要在十年之內(nèi)國(guó)家電力需求的10%來(lái)自生物質(zhì)的目標(biāo)。歐盟在1998年白皮書上提出，到2010年生物質(zhì)能利用，占能源消耗總量的12%，是1998年的5.6%的2倍還多。法國(guó)建立了要在2年之內(nèi)將生物質(zhì)燃料的產(chǎn)量提高3倍的目標(biāo)，使能源作物種植面積達(dá)到100萬(wàn)公頃，并最終成為歐洲生物質(zhì)燃料生產(chǎn)的

6、第一大國(guó)。有科學(xué)家預(yù)言，至2050年，生物質(zhì)能源將提供世界60%的電力和40%的液體燃料（植物石油、酒精），使全球CO2的排放量大幅度減少，生物質(zhì)能有可能成為未來(lái)可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)中的主要能源。2. 我國(guó)生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀生物質(zhì)能在我國(guó)是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四位能源資源，占全部能源消耗總量的20%。我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源利用極為重視，已連續(xù)在4個(gè)五年計(jì)劃將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，開(kāi)展了生物質(zhì)能利用新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，取得了較大的進(jìn)展。生物質(zhì)氣化方面，近年來(lái)國(guó)內(nèi)科研單位取得了明顯進(jìn)展。 8.2.2 生物質(zhì)能利用技術(shù)1. 生物質(zhì)熱解綜合技術(shù)生物質(zhì)熱解綜合技術(shù)是生物質(zhì)在反應(yīng)

7、器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化劑條件下，高溫分解為生物炭、生物油和可燃?xì)獾臒峄瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程。生物質(zhì)熱解后，其能量的80%90%轉(zhuǎn)化為較高品位的燃料。 農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的固體和液體燃料燃燒時(shí)不冒黑煙，廢氣中含硫量低，燃燒殘余物很少，減少了對(duì)環(huán)境的污染。分選后的城市垃圾和廢水處理生成的污泥經(jīng)熱解后，體積大為縮小，臭味、化學(xué)污染和病原菌被除去，在消除公害的同時(shí)，獲得了能源。熱解所用原料和工藝不同，所得生物炭、生物油和燃料氣3種產(chǎn)品的比率及其熱值也有差異。2. 生物質(zhì)氣化技術(shù)3. 生物質(zhì)液化技術(shù)生物質(zhì)液化技術(shù)是指通過(guò)化學(xué)方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體產(chǎn)品的過(guò)程。液化技術(shù)主要有直接液化和間接液化

8、兩類。直接液化是把生物質(zhì)放在高壓設(shè)備中，添加適宜的催化劑，在一定的工藝條件下反應(yīng)，制成液化油，作為汽車用燃料或進(jìn)一步分離加工成化工產(chǎn)品。間接液化就是把生物質(zhì)氣化成氣體后，再進(jìn)一步進(jìn)行催化合成反應(yīng)制成液體產(chǎn)品。這類技術(shù)是生物質(zhì)的研究熱點(diǎn)之一。生物質(zhì)中的氧含量高，有利于合成氣（CO+H2）的生成，其中的N、S含量和等離子體氣化氣體中幾乎無(wú)CO2、CH4等雜質(zhì)存在，極大地降低了氣體精制費(fèi)用，為制取合成氣提供了有利條件。 4. 生物化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)生物質(zhì)制取燃料酒精：純酒精或汽油和酒精的混合物都可作一次性燃料。制液體酒精的原料可分為三大類：一是含糖類，如甘蔗；二是含纖維素類，如農(nóng)作物秸稈、穎殼，木材和其加

9、工剩余物等；三是含淀粉類，如甘薯、玉米、小麥等。根據(jù)生物質(zhì)所含成分的不同，其液化方法也不同，但其技術(shù)都已很成熟。8.2.3 生物柴油1. 什么是生物柴油生物柴油是指以大豆、棉籽和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實(shí)、工程微藻等油料水生植物以及動(dòng)物油脂、廢餐飲油等為原料與甲醇進(jìn)行酯交換制成的脂肪酸甲酯，它是一種潔凈、可再生的生物燃料，一種優(yōu)質(zhì)的石油柴油代用品。柴油分子是由15個(gè)左右的碳鏈組成的，植物油分子則一般由1418個(gè)碳鏈組成，與柴油分子中碳數(shù)相近，因此取名生物柴油。2. 生物柴油的特性與常規(guī)柴油相比，生物柴油具有下述優(yōu)良的特性。 （1）具有優(yōu)良的環(huán)保特性。（2）具有較好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)

10、啟動(dòng)性能。（3）具有較好的潤(rùn)滑性能。使噴油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和連桿的磨損率低，使用壽命長(zhǎng)。（4）具有較好的安全性能。由于閃點(diǎn)高，生物柴油不屬于危險(xiǎn)品。因此，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用方面的安全性又是顯而易見(jiàn)的。 （5）具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的使用壽命加長(zhǎng)。 （6）具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲(chǔ)量不同，其通過(guò)農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)家的努力，可供應(yīng)量不會(huì)枯竭。 （7）無(wú)須改動(dòng)柴油機(jī)，可直接添加使用，同時(shí)無(wú)需另添設(shè)加油設(shè)備、儲(chǔ)存設(shè)備及人員的特殊技術(shù)訓(xùn)練。 （8）生物柴油以一定比例與石化柴油調(diào)和使用，可以降低油耗、提高動(dòng)力性，并降低尾氣污染。

11、 3. 生物柴油的生產(chǎn)方法（1）化學(xué)法生產(chǎn) （2）生物酶合成法 （3）“工程微藻”法 4. 生物柴油標(biāo)準(zhǔn)5. 生物柴油的應(yīng)用現(xiàn)狀歐盟是全世界生物柴油發(fā)展最快的地區(qū)，2004年生產(chǎn)能力達(dá)225萬(wàn)噸，規(guī)劃2010年產(chǎn)量達(dá)到8001000萬(wàn)噸，占柴油市場(chǎng)份額的5.75，2020年這一比例將達(dá)到20。美國(guó)、加拿大、日本、韓國(guó)等國(guó)家也紛紛加大生物柴油的發(fā)展力度。（1）美國(guó)（2）歐洲（3）加拿大（4）我國(guó)6. 前景展望 8.2.4 燃料乙醇1. 什么是燃料乙醇2. 燃料乙醇的性能指標(biāo)3. 燃料乙醇的特點(diǎn)4. 燃料乙醇的生產(chǎn)工藝技術(shù)5. 燃料乙醇生產(chǎn)現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域1）世界燃料乙醇發(fā)展趨勢(shì)2）我國(guó)燃料乙醇生產(chǎn)

12、現(xiàn)狀及展望3）燃料乙醇的應(yīng)用領(lǐng)域（1）車用燃料（2）燃料電池的燃料（3）成為以乙烯為原料的石化工業(yè)的基礎(chǔ)原料8.2.5 生物質(zhì)能發(fā)電1.生物能發(fā)電技術(shù)2. 生物質(zhì)能發(fā)電必須考慮的條件（1）穩(wěn)定供應(yīng)。為消除生物質(zhì)的季節(jié)依賴性，可采用多種燃料相互補(bǔ)充的措施。（2）低環(huán)境污染。從環(huán)境的角度看，希望減小二氧化碳的排放量，希望減小氮氧化物、硫化物的排放。（3）高效率。希望發(fā)電出力與投入燃料能量之比（發(fā)電效率）越大越好。在使用鍋爐、汽輪機(jī)等以蒸汽為動(dòng)力的發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電效率可以分解為鍋爐效率（有效蒸汽熱出力與投入燃料之比）與蒸汽循環(huán)效率（發(fā)電出力與有效蒸汽熱出力之比）兩項(xiàng)。8.2.6 生物質(zhì)制氫1. 各種

13、制氫技術(shù)的特點(diǎn)2. 生物質(zhì)制氫技術(shù)3. 我國(guó)生物質(zhì)制氫技術(shù)工藝存在的問(wèn)題8.3 清潔能源的開(kāi)發(fā)利用8.3.1 太陽(yáng)能太陽(yáng)能是指太陽(yáng)所負(fù)載的能量，它一般以陽(yáng)光照射到地面的輻射總量（包括太陽(yáng)的直接輻射和天空散射輻射的總和）進(jìn)行計(jì)量，是一種取之不盡、對(duì)環(huán)境無(wú)污染的可再生能源。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要包括三種技術(shù)：一種是利用光熱轉(zhuǎn)換把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，利用熱能發(fā)電；另一種是利用光電轉(zhuǎn)換直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，即光伏電池發(fā)電（PV）技術(shù)；還有一種是通過(guò)太陽(yáng)能化學(xué)能轉(zhuǎn)換，將水分解成氫和氧，利用氫能來(lái)發(fā)電。1. 光熱發(fā)電技術(shù)聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電（以下稱太陽(yáng)能熱發(fā)電），即利用聚光集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過(guò)熱力

14、循環(huán)持續(xù)發(fā)電的技術(shù)。2. 光伏電池發(fā)電技術(shù)由太陽(yáng)光的光量子與材料相互作用而產(chǎn)生電勢(shì)，從而把光的能量轉(zhuǎn)換成電能，此種進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的光電元件稱為太陽(yáng)電池（Solar Cell），也可稱之為光伏電池。3. 光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能光電化學(xué)過(guò)程是光作用下的電化學(xué)過(guò)程，即分子、離子及固體等因吸收光使電子處于激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生的電荷傳遞過(guò)程。光電化學(xué)反應(yīng)是在具有不同類型（電子和離子）電導(dǎo)的兩個(gè)導(dǎo)電物相的界面上進(jìn)行的。正如電化學(xué)反應(yīng)一樣，光電化學(xué)反應(yīng)體系也伴隨著電流的流動(dòng)。它通常研究在電化學(xué)體系中涉及光能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的各種過(guò)程，其中最常見(jiàn)的為通過(guò)光電化學(xué)反應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)（或電）能并伴隨有在光照下的電化學(xué)電池中出現(xiàn)

15、光電流的過(guò)程，以及其逆過(guò)程即化學(xué)（或電）能轉(zhuǎn)換為光能（例如電致化學(xué)發(fā)光過(guò)程）。 8.3.2 風(fēng)能8.3.3 地?zé)?.3.4 海洋能8.4 可再生能源與可持續(xù)發(fā)展8.4.1可再生能源能源具有三個(gè)基本的特征，即利用的相互替代性，傳遞與轉(zhuǎn)化性，品質(zhì)的差異性。而可再生能源的特征，則可從如下幾個(gè)方面反映：（1）豐富性：指可再生能源在來(lái)源與數(shù)量方面是無(wú)窮無(wú)盡的，永遠(yuǎn)不會(huì)枯竭。（2）清潔性：指可再生能源在生產(chǎn)制造及使用過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生如常規(guī)能源的各種污染物。（3）地方性：指可再生能源是地方能源，既可就地利用，又受制于地區(qū)的自然環(huán)境特點(diǎn)。（4）經(jīng)濟(jì)性：指可再生能源應(yīng)用盡管其早期在建設(shè)、運(yùn)行成本方面高于常規(guī)能源，但在環(huán)境控制、環(huán)境保護(hù)成本等方面低于常規(guī)能源。8.4.2可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的兩大基本主題是：人與自然、人與人。它的三個(gè)最明顯的內(nèi)涵是:發(fā)展度、協(xié)調(diào)度、持續(xù)度?？沙掷m(xù)發(fā)展一方面成為全球或國(guó)家的戰(zhàn)略目標(biāo)選擇，另一方面又成為診斷區(qū)域開(kāi)發(fā)及其是否健康運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略至少應(yīng)考慮兩方面的內(nèi)容，一是如何確保經(jīng)濟(jì)合理的持續(xù)的能源供應(yīng)和高效使用能源，二是解決和能源過(guò)程有關(guān)的環(huán)境問(wèn)題。1. 堅(jiān)持節(jié)能戰(zhàn)略，走可持續(xù)發(fā)展之路2. 加快發(fā)展天然氣，力求實(shí)現(xiàn)能