EnergyChemistry能源化學(xué)講義和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

PAGEPAGE50能源化學(xué)第一章能源簡(jiǎn)介能源的分類能源利用史能源的作用能源儲(chǔ)量及消費(fèi)中國(guó)能源的發(fā)展能源化學(xué)能源與材料能源與環(huán)境能源發(fā)展趨勢(shì)第一節(jié)能源的分類1能（量）：能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種度量，是物體做功的能力。對(duì)應(yīng)于物質(zhì)的不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，能量也有不同的形式。各種運(yùn)動(dòng)形態(tài)是可以相互轉(zhuǎn)化的，所以各種形式的能量之間也能夠相互轉(zhuǎn)換。能量是物質(zhì)的屬性，任何物質(zhì)都具有能量，能本身不是物質(zhì)，而是指物質(zhì)的一種狀況或狀態(tài)。（2）能的形式：機(jī)械能（動(dòng)能、勢(shì)能）、熱能、化學(xué)能、電能、光能、核能（3）能量的性質(zhì)：狀態(tài)性；可加性；傳遞性；轉(zhuǎn)換性；做功性；貶值性。2能源國(guó)際上，衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化的程度=1\*GB3①能源的人均占有量；=2\*GB3②能源構(gòu)成；=3\*GB3③能源使用率；=4\*GB3④能源對(duì)環(huán)境的影響。（1）什么是能源？能源和能量既有聯(lián)系又有區(qū)別，能量來(lái)自能源，但能量本身是量度物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式和量度物體做功的物理量，包括機(jī)械能、熱能、電能、電磁能、化學(xué)能、原子能等。能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類能量的資源?！犊茖W(xué)技術(shù)百科全書(shū)》能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量?！洞笥倏迫珪?shū)》能源是可以直接或經(jīng)轉(zhuǎn)換提供人類所需的光、熱、動(dòng)力等任一形式能量的載能體資源?！赌茉窗倏迫珪?shū)》（2）能源的形式：石油、天然氣、煤、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、風(fēng)力能、地?zé)崮堋⑺δ?、核能、丙烷?）能源的分類=1\*GB3①能源按其形成方式分為：一次能源：直接從自然界取得的以自然形態(tài)存在的能源。如：煤炭、石油、天然氣、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、核能、生物質(zhì)能、化學(xué)能等。二次能源：由一次能源經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換得到的能源。如：焦炭、汽油、重油、煤氣、熱能、機(jī)械能、電能等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源用戶的中間紐帶。一次能源地球上的一次能源來(lái)源于三個(gè)方面：地球以外天體中的太陽(yáng)輻射能（包括直接的太陽(yáng)輻射能外，還包括間接來(lái)自太陽(yáng)能能源，如化石能源、生物能、水能、風(fēng)能、海洋能等）。地球本身蘊(yùn)藏的能量資源，諸如地?zé)崮堋⒒鹕侥?、地震能以及核燃料（鈾、釷、钚）等。地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量。如天體運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)和月亮對(duì)地球表面的水有吸引力作用而產(chǎn)生的潮汐能。這三類能源中，太陽(yáng)輻射能是最主要的，也是人類利用最多的。能源結(jié)構(gòu)一次能源第一類能源（來(lái)自地球以外）太陽(yáng)輻射能煤、石油、油頁(yè)巖、天然氣、草木燃料、沼氣和其它由于光和作用而固定下來(lái)的太陽(yáng)能。風(fēng)、流水、海流、波浪、海洋熱能、直接太陽(yáng)能宇宙射線、流星和其它星際物質(zhì)帶進(jìn)地球大氣的能量第二類能源（來(lái)自地球內(nèi)部）地球熱能地震，火山活動(dòng)，地下熱水和地?zé)嵴魵?，（包括溫泉和沸泉），熱巖層原子能鈾，釷，硼，氘第三類能源（來(lái)自地球和其它天體的相互作用）潮汐能二次能源電能，氫能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火藥等。=2\*GB3②一次能源按其是否能夠再生的性質(zhì)分為：可再生能源：可再生能源是指使用后仍能更新或是再生的能源；如：太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、海洋能、生物質(zhì)能等。取之不盡，用之不竭不可再生能源：不可再生能源是有限的能源，開(kāi)采消耗后，短期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)的能源；如煤炭、石油、天然氣、核燃料等?？稍偕茉吹闹饕愋秃吞攸c(diǎn)：可再生，無(wú)污染或污染小，地區(qū)分布廣，適合就地開(kāi)發(fā)利用。=3\*GB3③能源按其使用性質(zhì)不同可分為：含能體能源：指能夠提供能量的物質(zhì)能源，即儲(chǔ)存起來(lái)的能源，其特點(diǎn)是可以保存且可運(yùn)輸，如草木燃料、礦物燃料、核燃料、高位水庫(kù)中的水等。過(guò)程性能源：指能夠提供能量的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式，它不能直接儲(chǔ)存，存在于“過(guò)程”之中，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能、電能等。=4\*GB3④能源按其使用的成熟程度和技術(shù)狀況可分為：常規(guī)能源：技術(shù)上比較成熟，已被人類廣泛利用，在生產(chǎn)和生活中起著重要作用的一次能源。如煤炭、石油、天然氣、水能、核裂變能等。新能源：一般是指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開(kāi)發(fā)利用的可再生能源。如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、氫能、地?zé)崮?、核聚變能等?5\*GB3⑤能源按其形態(tài)方式分為：化石能源、（礦物能源）如煤炭、石油、天然氣。非化石能源（替代性能源）如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等?6\*GB3⑥能源按其性質(zhì)可分為：燃料能源礦物燃料（煤、石油、天然氣等）生物燃料（柴草、木材、沼氣、有機(jī)廢棄物等）化工燃料（丙烷、甲醇、酒精、廢舊塑料制品等）核燃料（鈾、釷、钚、氘等）非燃料能源多數(shù)具有機(jī)械能，如風(fēng)能、水能、潮汐能、波浪能等，有的含有熱能，如地?zé)崮芎吞?yáng)能等。=7\*GB3⑦根據(jù)能源是否流通分為：商品能源：指經(jīng)過(guò)流通環(huán)節(jié)大量消費(fèi)的能源，主要有煤炭、石油、天然氣、電力等。非商品能源：指不經(jīng)流通環(huán)節(jié)而自產(chǎn)自用的能源，如農(nóng)戶自產(chǎn)自用的薪秸稈，牧民自用的牲畜糞便，風(fēng)能、太陽(yáng)能等。（在農(nóng)村地區(qū)開(kāi)發(fā)的為生產(chǎn)和生活使用的能源又叫做農(nóng)村能源）=8\*GB3⑧根據(jù)能源消耗后是否造成環(huán)境污染可分為：清潔能源（綠色能源）：利用現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)發(fā)的干凈、無(wú)污染的新能源。如太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、潮汐能等?！熬G色能源”有兩層含義：利用現(xiàn)代技術(shù)開(kāi)發(fā)干凈、無(wú)污染的新能源，如太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、潮汐能等；化害為利，將發(fā)展能源同改善環(huán)境緊密結(jié)合，充分利用先進(jìn)的設(shè)備與控制技術(shù)來(lái)利用城市垃圾、淤泥等廢物中所蘊(yùn)藏的能源，以充分提高這些能源在使用中的利用率。非清潔能源：包括煤炭、石油等。=9\*GB3⑨按能源載體同地球構(gòu)成關(guān)系劃分地殼能源：地殼能源是指在地球演變過(guò)程中，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代逐漸自然形成的載能物體，如煤炭、石油、天然氣、油頁(yè)巖等。它們的形成與地殼運(yùn)動(dòng)、海水進(jìn)退、氣候變化、生物興衰等息息相關(guān)。地殼外能源：地殼外能源是指除地殼能源以外的能源，它的形成不是地殼物質(zhì)，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等。（4）分布式能源：分布式能源是一種建在用戶端的能源供應(yīng)方式，既可獨(dú)立運(yùn)行，也可并網(wǎng)運(yùn)行。分布式能源是相對(duì)于傳統(tǒng)的集中供電方式而言，是指將冷熱電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量（數(shù)千瓦至50兆瓦）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。3能源的評(píng)價(jià)儲(chǔ)量能量密度儲(chǔ)能的可能性與供能的連續(xù)性能源的地理分布開(kāi)發(fā)費(fèi)用和利用能源的設(shè)備費(fèi)用運(yùn)輸費(fèi)用與損耗能源的可再生性能源的品位對(duì)環(huán)境的影響4有關(guān)能源的國(guó)際組織國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（國(guó)際能源署、國(guó)際能源組織）InternationalEnergyAgency,IEA世界能源理事會(huì)（世界能源委員會(huì)）WorldEnergyCouncil,WEC國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)InternationalAtomicEnergyAgency,IAEA世界石油大會(huì)（世界石油理事會(huì)）WorldPetroleumCongress,WPC石油輸出國(guó)組織OrganizationofthePetroleumExportingCountries簡(jiǎn)稱歐佩克（OPEC）或油組政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment,OECD5能源計(jì)量單位能源計(jì)量單位可以有3種表示方法能量單位：用熱功單位來(lái)表示，如焦耳（J）、卡（cal）、千瓦小時(shí)（kWh）；英國(guó)熱能單位（BTU）當(dāng)量單位：用能源的當(dāng)量值表示，常見(jiàn)的如煤當(dāng)量和油當(dāng)量。能源的實(shí)物量單位：用能源的實(shí)物量來(lái)表示，如煤用噸（t），石油用（桶），天然氣用立方米（m3）。6溫度表示方法：華氏溫度、攝氏溫度、開(kāi)爾文溫度第二節(jié)能源利用史人類對(duì)于能源的開(kāi)發(fā)利用大致經(jīng)歷了四個(gè)歷史時(shí)期：古代柴草時(shí)期；新石器時(shí)代晚期的煤炭時(shí)期；19世紀(jì)中葉的石油時(shí)期；始于20世紀(jì)中葉的新能源時(shí)期。世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生的第一次轉(zhuǎn)變：薪柴煤炭（英國(guó)產(chǎn)業(yè)革命）世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生的第二次轉(zhuǎn)變：煤炭石油和天然氣（管線焊接技術(shù)）世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生的第三次轉(zhuǎn)變：石油和天然氣可再生能源（1973年第一次石油危機(jī)）第三節(jié)能源的作用能源：是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)；是人類從事各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的原動(dòng)力；是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。第四節(jié)能源儲(chǔ)量及消費(fèi)1能源儲(chǔ)量：世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化（%）2能源消費(fèi)能源強(qiáng)度：亦稱能源消費(fèi)強(qiáng)度，常用單位產(chǎn)值能耗或單位產(chǎn)品能耗表示。單位產(chǎn)值能耗：是指一個(gè)國(guó)家或地區(qū)、部門或行業(yè)單位產(chǎn)值一定時(shí)間內(nèi)消耗的能源量，通常以噸（或公斤）油當(dāng)量（或煤當(dāng)量）／美元來(lái)表示。一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的能源強(qiáng)度，通常以單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值耗能量來(lái)表示。單位產(chǎn)品能耗：是以實(shí)物量為單位的能源消費(fèi)量與對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品量之比。能源強(qiáng)度反映經(jīng)濟(jì)對(duì)能源的依賴程度，受一系列因素的影響，包括經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)體制、工藝水平、生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)水平、能源結(jié)構(gòu)、人口等。世界能源消費(fèi)現(xiàn)狀及特點(diǎn)1.受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)的影響，世界一次能源消費(fèi)量不斷增加2.世界能源消費(fèi)呈現(xiàn)不同的增長(zhǎng)模式，發(fā)達(dá)國(guó)家增長(zhǎng)速率明顯低于發(fā)展中國(guó)家3.世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)趨向優(yōu)質(zhì)化，但地區(qū)差異仍然很大4.世界能源資源仍比較豐富，但能源貿(mào)易及運(yùn)輸壓力增大第五節(jié)中國(guó)能源的發(fā)展中國(guó)能源發(fā)展回顧：1949年新中國(guó)成立時(shí)，全國(guó)一次能源的生產(chǎn)總量只有2400萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。中國(guó)能源生產(chǎn)總量及其構(gòu)成中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中國(guó)的能源特點(diǎn)：“以煤為主，多能互補(bǔ)”1996年，中國(guó)成為全球第二大一次能源消費(fèi)國(guó)，同時(shí)也是全球第二大能源生產(chǎn)者。中國(guó)的能源發(fā)展現(xiàn)狀：能源資源總量豐富：煤炭?jī)?chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的12.6%，居第3位。水力資源占世界總量的30%，居第1位，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%。人均能源資源擁有量較低、分布不均：人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半，石油僅為1/l0。人均能源消費(fèi)量低、單位產(chǎn)值能耗高（即能源消費(fèi)強(qiáng)度，是指單位GDP所投入的能源量。）能源資源開(kāi)發(fā)難度大，能源利用效率低能源安全面臨威脅1993年開(kāi)始成為石油凈進(jìn)口國(guó)，2008年石油進(jìn)口依存度（凈進(jìn)口量與消費(fèi)量之比）接近52%。能源消費(fèi)以煤為主，環(huán)境壓力加大，新能源與可再生能源有待大力發(fā)展中國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略：堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、立足國(guó)內(nèi)、多元發(fā)展、依靠科技、保護(hù)環(huán)境、加強(qiáng)國(guó)際互利合作，努力構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔、安全的能源供應(yīng)體系，以能源的可持續(xù)發(fā)展支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。第六節(jié)能源化學(xué)1能量轉(zhuǎn)化化學(xué)反應(yīng)中的能量變化通常主要表現(xiàn)為熱量的變化：放出熱量或吸收熱量。如果反應(yīng)放出的能量大于吸收的能量，則此反應(yīng)為放熱反應(yīng)。如燃燒反應(yīng)、中和反應(yīng)、化合反應(yīng)、金屬和酸的反應(yīng)；如果反應(yīng)放出的能量小于吸收的能量，則此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。如分解反應(yīng)、以C、H2、CO為還原劑的反應(yīng)、銨鹽與固體堿的反應(yīng)。在化學(xué)反應(yīng)中，拆散化學(xué)鍵需要吸收能量，形成新的化學(xué)鍵放出能量。熱功當(dāng)量：1cal=4.1840J熱力學(xué)第一定律：能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式．在轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量既不會(huì)消失也不會(huì)增加。熱力學(xué)第二定律：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化。－克勞修斯（Clausius）不可能從單一熱源取出熱使之完全變?yōu)楣?，而不發(fā)生其它的變化。－開(kāi)爾文（Kelvin）能量質(zhì)量的貶值性：熱力學(xué)第二定律認(rèn)為，能量的流動(dòng)總是從集中到分散，從能量高向能量低的方向傳遞，在傳遞過(guò)程中總會(huì)有一部分能量成為熱能釋放出去。使用能量的過(guò)程中能量質(zhì)量下降是能量的基本屬性。能量的兩個(gè)重要特性：能量數(shù)量的守恒性；能量質(zhì)量的貶值性能量利用就是利用能量的質(zhì)量，按質(zhì)用能－盡可能使高質(zhì)量的能盡其用和做到合理用能2能量?jī)?chǔ)存能量?jī)?chǔ)存的主要指標(biāo)儲(chǔ)能密度儲(chǔ)存過(guò)程的能量損耗儲(chǔ)存裝置的經(jīng)濟(jì)性儲(chǔ)能和取能的速率壽命（重復(fù)使用的次數(shù)）對(duì)環(huán)境的影響能量?jī)?chǔ)存方式：按儲(chǔ)存的能的形式可分為電化學(xué)能（如傳統(tǒng)鉛酸電池、液流電池、燃料電池）電能（如超級(jí)電容器（supercapacitor））動(dòng)能（如飛輪（flywheel））勢(shì)能（如壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（CAES）、抽水蓄能（pumpedhydro））化學(xué)能（如氫儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hydrogen-based））熱能及熱化學(xué)能磁能（如超導(dǎo)磁能儲(chǔ)存（SMES））按儲(chǔ)能體的形式可分為：固定式和移動(dòng)式按儲(chǔ)能時(shí)間可分為：短期和長(zhǎng)期第七節(jié)能源與材料材料是發(fā)展能源的物質(zhì)基礎(chǔ)。解決能源危機(jī)的關(guān)鍵是能源材料的突破方法有：提高燃燒效率，以減少資源消耗；開(kāi)發(fā)新能源，積極利用再生能源；開(kāi)發(fā)新材料、新工藝，最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這3個(gè)方面都與材料有著密切的關(guān)系。第八節(jié)能源與環(huán)境能源生產(chǎn)與使用對(duì)環(huán)境的影響1.開(kāi)采過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響2.運(yùn)送過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響3.加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響4.利用過(guò)程中的污染第九節(jié)能源發(fā)展趨勢(shì)=1\*GB3①多元化；=2\*GB3②清潔化；=3\*GB3③高效化；=4\*GB3④全球化；=5\*GB3⑤市場(chǎng)化

第二章煤炭煤炭是能源和其他資源的重要支柱煤的形成煤的開(kāi)采與運(yùn)輸煤的結(jié)構(gòu)煤的元素組成煤的綜合利用煤的燃燒煤炭液化煤的氣化第一節(jié)煤炭是能源和其他資源的重要支柱煤：煤是由高等植物經(jīng)生物化學(xué)、物理化學(xué)和地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)變成的固體有機(jī)可燃礦物。煤炭資源儲(chǔ)藏最豐富的國(guó)家為：美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、印度、澳大利亞、南非。6個(gè)國(guó)家的煤炭?jī)?chǔ)藏量之和占全世界煤炭?jī)?chǔ)藏量的80%以上。煤炭是中國(guó)工業(yè)的主要能源，中國(guó)能源資源的基本特點(diǎn)是富煤、貧油、少氣。煤炭是中國(guó)的第一能源，在一次性能源的構(gòu)成中煤炭占70%左右。煤炭能源中的主要化學(xué)問(wèn)題是以解決效率、污染和能源形式的轉(zhuǎn)化為核心目的。煤炭的利用方式直接燃燒氣化、熱解、液化（將煤炭轉(zhuǎn)化為潔凈氣體、液體、固體燃料）第二節(jié)煤的形成1煤的形成過(guò)程高等植物：植物-泥炭-褐煤-煙煤-無(wú)煙煤。煤化序列為：植物泥炭（腐泥）褐煤煙煤無(wú)煙煤。低等植物：植物-腐泥-腐泥煤煤的轉(zhuǎn)變過(guò)程泥炭化作用：當(dāng)高等植物遺體在沼澤中堆積，在有水存在和微生物參與下，經(jīng)過(guò)分解、化合等復(fù)雜的生物化學(xué)變化，形成泥炭（泥煤）。成巖作用：由泥炭變成褐煤的過(guò)程變質(zhì)作用：由于地殼的運(yùn)動(dòng)，褐煤層上部頂板逐漸加厚，受地壓、地溫增高的影響，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)作用，促使煤質(zhì)變化，由褐煤變成煙煤、無(wú)煙煤。成巖和變質(zhì)是煤化作用的兩個(gè)階段。2煤的種類根據(jù)成煤植物種類的不同，煤主要可分為兩大類，即腐殖煤和腐泥煤。根據(jù)煤化度的不同，腐殖煤可分為泥炭、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。種類含碳量（%）熱量（kJ/g）用途泥煤50~608,400~12,500替代柴薪褐煤60~7512,500~20,900一般燃料次煙煤75~8520,900~23,000替代煙煤煙煤85~9023,000~29,300煉制煤焦工業(yè)燃料無(wú)煙煤90~9529,300~33,500最佳燃料腐泥煤：煤的一類，由低級(jí)植物和浮游動(dòng)物形成的煤。在煤化過(guò)程中由腐泥轉(zhuǎn)變而成。還保持著本身結(jié)構(gòu)的低級(jí)植物和浮游動(dòng)物的殘留物，如藻煤、燭煤、油頁(yè)巖等。是制造人造液體燃料和潤(rùn)滑油的寶貴原料。第三節(jié)煤的開(kāi)采與運(yùn)輸煤礦開(kāi)采方法露天開(kāi)采（剝離法開(kāi)采）礦井開(kāi)采我國(guó)采煤以礦井開(kāi)采為主，如山西、山東、徐州及東北地區(qū)大多數(shù)采用這一開(kāi)采方式，也有露天開(kāi)采，如內(nèi)蒙古霍林河煤礦就是我國(guó)最大的露天礦區(qū)。煤炭運(yùn)輸方式：①水運(yùn)、②鐵路、③公路、④管道輸煤我國(guó)第一條輸煤管道：盂（縣）－濰（坊）－青（島）管道全長(zhǎng)713公里。世界第一條輸煤管道在美國(guó)，全長(zhǎng)439公里。第四節(jié)煤的結(jié)構(gòu)煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)是指在煤的有機(jī)分子中，原子相互聯(lián)結(jié)的次序和方式。又稱煤的分子結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱煤結(jié)構(gòu)。第五節(jié)煤的元素組成化學(xué)成分：以碳為主體，并含有氫、氧及少量之硫、氮、無(wú)機(jī)礦物質(zhì)等。碳：碳是煤中有機(jī)質(zhì)的主要組成元素。C含量隨煤化程度增高而增大。褐煤含C量70%；無(wú)煙煤含C＞92%，氧含量則從20%左右降到2%左右，氫含量由8%左右降到4%左右。氫：氫含量與煤的煤化度也密切相關(guān)，隨著煤化度增高，氫含量逐漸下降。氧：氧是煤中第二個(gè)重要的組成元素。煤中有機(jī)氧含量隨煤化度增高而明顯減少。泥炭中無(wú)水無(wú)灰基氧含量Odaf，高達(dá)27%-34%，褐煤中Odaf為15%-30%，到煙煤階段為2%-15%，無(wú)煙煤為1%-3%。氮：煤中的氮含量較少，一般約為0.5%3.0%。氮是煤中惟一的完全以有機(jī)狀態(tài)存在的元素。煤中氮含量隨煤化度的加深而趨向減少，但規(guī)律性到高變質(zhì)煙煤階段以后才比較明顯。硫：煤中的硫通常以有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫的狀態(tài)存在。煤中的硫按可燃性可分為：可燃硫和不可燃硫（或稱固定硫）第六節(jié)煤的綜合利用煤的轉(zhuǎn)化利用途徑：氣化：將煤變成水煤氣或發(fā)生爐煤氣，然后作燃料或化工原料。液化：將煤變成芳烴、烷烴、脂肪烴等油品。焦化：焦化是煉焦。同時(shí)得到焦油、煤氣?；蚍Q部分液化和部分氣化。煤的干餾：將煤隔絕空氣加熱使其分解的過(guò)程將煤進(jìn)行氣化和液化：解決燃煤污染、提高燃煤熱效率、提取有關(guān)物質(zhì)和化工原料。煤氣化第七節(jié)煤的燃燒煤燃燒涉及的物理化學(xué)過(guò)程：C+O2CO2；C+?O2CO潔凈煤技術(shù)包括煤炭使用各環(huán)節(jié)的凈化和防治污染的技術(shù)：潔凈煤技術(shù)：煤炭的潔凈生產(chǎn)技術(shù)煤炭的潔凈加工技術(shù)煤炭的高效潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)煤的高效潔凈燃燒與發(fā)電技術(shù)燃煤污染排放治理技術(shù)具體是指從煤炭開(kāi)采到利用的全過(guò)程中提高利用效率的生產(chǎn)、加工、轉(zhuǎn)化、燃燒、減少污染物排放及控制污染等新技術(shù)體系。煤炭燃燒前的處理和凈化技術(shù)：洗選處理；型煤加工；水煤漿技術(shù)=1\*GB3①洗選處理：洗選處理是除去或減少原煤中所含的灰分、矸石、硫等雜質(zhì)，并按不同煤種、灰分、熱值和粒度分成不同品種等級(jí)，以滿足不同用戶需要。=2\*GB3②型煤加工：型煤加工是采用特定的機(jī)械加工工藝將粉煤和低品位煤制成具有一定形狀、尺寸、強(qiáng)度和一定理化性能的煤制品。高硫煤成型時(shí)加入適量固硫劑（生石灰），可減少二氧化硫的排放。2SO2+O2+2CaO2CaSO4SO3+CaOCaSO4=3\*GB3③水煤漿（CoalWaterSlurry,CWS）技術(shù)國(guó)際上稱為：煤水混合物（CoalWaterMixture,CWM）或煤水燃料（CoalWaterFuel,CWF）制備：CWS一般由65%-70%的煤粉（250-300m）、30%-35%的水及0.5-1.0%的分散劑和燃燒中的凈化裝置：先進(jìn)的燃燒器；流化床燃燒器燃燒后凈化：煙氣脫硫濕式：濕法一般是在爐內(nèi)用石灰水淋洗煙塵，二氧化硫變成亞硫酸鈣漿狀物。干式：干法是用漿狀脫硫劑（石灰石）噴霧，與煙氣中的二氧化硫反應(yīng)，生成亞硫酸鈣，水分被蒸發(fā)，干燥顆粒用集塵器收集。脫硫效率達(dá)90%煤油混燒技術(shù)第八節(jié)煤炭液化煤的液化分直接液化和間接液化兩種。直接液化：煤在高溫高壓下加氫催化裂化，轉(zhuǎn)變成油料產(chǎn)品。間接液化：先使煤轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣，然后在高溫、高壓及催化劑的作用下生成液態(tài)烴、甲醇等有機(jī)物。煤的直接液化煤的直接液化工藝主要有：Exxon供氫溶劑（EDS）法；氫-煤法；煤-油共煉。煤加氫液化反應(yīng)：將煤在高溫高壓下與氫反應(yīng)，使其降解和加氫，從而轉(zhuǎn)化為液體油類（如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工藝稱為加氫液化。從煤結(jié)構(gòu)概念出發(fā)，認(rèn)為固體煤加氫轉(zhuǎn)化為液體，就是煤結(jié)構(gòu)中某些鍵斷開(kāi)，并同時(shí)加氫，生成液體產(chǎn)物和少量氣態(tài)烴。煤加氫液化的基本化學(xué)反應(yīng)：熱解反應(yīng)；供氫反應(yīng)；脫雜原子反應(yīng)。直接液化大致有氫化法和溶劑精制法。氫化法：將煤粉和煤液化過(guò)程中產(chǎn)生的油跟氫氣混合，在高溫條件下經(jīng)催化進(jìn)行加氫解聚反應(yīng)。溶劑精制法間接液化的氣化-液化法：將煤氣化為H2、CO和CH4，再用催化劑將氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。nCO+2nH2→CnH2n+nH2OnCO+(2n+1)H2→CnH2n+2＋nH2O煤的間接液化：間接液化主要分兩種生產(chǎn)工藝：費(fèi)托（Fischer-Tropsch）工藝，將原料氣直接合成油；由原料氣合成甲醇，再由甲醇轉(zhuǎn)化成汽油。費(fèi)-托合成：以合成氣為原料在催化劑（主要是鐵系）和適當(dāng)反應(yīng)條件下合成以石蠟烴為主的液體燃料的工藝過(guò)程。nCO+2nH2─→[－CH2－]n+nH2O一碳化學(xué)（碳一化學(xué)）：以含一個(gè)碳原子的化合物－甲烷（CH4）、合成氣（CO和H2）、CO2、CH3OH、HCHO等為初始反應(yīng)物，反應(yīng)合成一系列重要的化工原料和燃料的化學(xué)。其核心是選擇催化化學(xué)轉(zhuǎn)化、小分子的活化和定向轉(zhuǎn)化。CO、CO2是從煤的氣化得到的、而CH4是天然氣的主要成分。因此一碳化工實(shí)際上就是一種新一代的煤化工和天然氣化工。第九節(jié)煤的氣化煤炭氣化是一種熱化學(xué)過(guò)程，通常是在空氣、蒸汽或氧等作氣化介質(zhì)的情況下，在煤氣發(fā)生爐中將煤加熱到足夠的溫度，與煤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一氧化碳、氫和甲烷等可燃的混合氣體即煤氣。煤氣化過(guò)程：=1\*GB3①煤的熱解過(guò)程；=2\*GB3②半焦的氣化過(guò)程。煤氣化目的是將煤轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w。煤氣的主要組成為：CO,H2,CO2,CH4,H2O?；曳中纬蓮U渣排出1煤炭氣化的意義及歷史（1）煤炭氣化的意義煤炭直接燃燒的熱利用效率一般為15%-18%。通過(guò)煤炭氣化過(guò)程將煤變成可燃燒的煤氣后，熱利用效率可達(dá)55%-60%。煤氣較煤具有運(yùn)輸和使用方便、減輕環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。煤氣化的好處是可在燃燒前脫除氣態(tài)硫和氮組分。粗煤氣中的硫化氫可在氣體冷卻后通過(guò)化學(xué)吸收或物理吸附脫除。2煤氣分類及用途根據(jù)煤氣組成不同可分為：發(fā)生爐煤氣和水煤氣、合成氣和還原氣、城市煤氣和焦?fàn)t煤氣、富氣和合成天然氣。水煤氣和發(fā)生爐煤氣交替吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱水煤氣。同時(shí)吹空氣和水蒸氣到發(fā)生爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣稱發(fā)生爐煤氣。合成氣與還原氣合成氣是根據(jù)不同用途控制煤氣化過(guò)程產(chǎn)生的，主要用作不同化工產(chǎn)品的加工。如合成氨的合成氣對(duì)H2/N2要求很高，合成甲醇用氣CO含量較高等等。還原氣是指煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的可燃性氣體，要求其中水蒸氣和二氧化碳含量較少，較多時(shí)應(yīng)將其除去。城市煤氣：城市煤氣要求含氫氣和甲烷較多，硫含量少，以提高熱值和減少城市空氣污染。煤炭氣化原理從能量轉(zhuǎn)化角度來(lái)講，煤氣化技術(shù)是把煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成易于利用的氣體的化學(xué)能的過(guò)程。包括以煤（半焦或焦炭）為原料，以氧（包括空氣、富氧、純氧）、水蒸氣、二氧化碳或氫氣為氣化介質(zhì)，使煤經(jīng)過(guò)最低限度的氧化過(guò)程，將煤中所含的碳、氫等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成一氧化碳、氫、甲烷等有效成分的一個(gè)多相反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程。煤炭氣化技術(shù)地面煤氣化技術(shù)=1\*GB3①煤的高溫干餾；=2\*GB3②煤的發(fā)生爐氣化；=3\*GB3③煤的水煤氣化；=4\*GB3④煤的加氫氣化。地下煤氣化（UCG)技術(shù)地面煤氣化技術(shù)煤的高溫干餾：煤的高溫干餾是將煤在隔絕空氣的條件下加熱到600-800C，主要反應(yīng)為煤中有機(jī)物的熱分解，生成焦炭和主要含甲烷、揮發(fā)性物質(zhì)的焦?fàn)t煤氣。這種煤氣的熱值為18.8MJ/m煤的發(fā)生爐氣化：將空氣通入高溫煤層，在發(fā)生爐中發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)氧化層中煤炭的氧化反應(yīng)：C(s)+?O2(g)CO(g)+110.54kJ/mol用空氣作氧化劑所得的煤氣叫空氣煤氣，它的大致成分（體積分?jǐn)?shù)）為：CO2約16%-18%，CO1%-2%，H21%-2%，N271%-78%。由于H2和CO含量很低，熱值不高，約為4.18MJ/m3，可作燃料。煤的水煤氣化：將水蒸氣通入高溫煤層的煤氣發(fā)生爐使之煤氣化，氣體叫水煤氣。主要的反應(yīng)是水蒸氣與熾熱的炭層（700-800CC(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)水煤氣的大致組成（體積分?jǐn)?shù)）4）煤的加氫氣化：將煤先轉(zhuǎn)換成煤氣，然后將煤氣變成富含甲烷的干凈煤氣。水煤氣化產(chǎn)生的CO和H2在400CO(g)+3H2(g)CH4(g)+2H2O(g)煤加氫氣化所得煤氣的熱值很高，可達(dá)36MJ/m2。地面煤氣化技術(shù)形式有固定床、流化床與氣流床地下煤氣化：煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱化學(xué)作用產(chǎn)生可燃性氣體的過(guò)程。煤的氣化新技術(shù)：煤的熱核氣化技術(shù)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（IGCC）燃煤磁流體（magnetshydrodynamics，MHD）發(fā)電技術(shù)IntegratedGasificationCombinedCycle：IGCC發(fā)電技術(shù)的原理是以煤氣化的方法生產(chǎn)燃料氣，凈化除去煤氣中99%以上的硫化氫和接近100%的粉塵，將固體燃料轉(zhuǎn)化成燃?xì)廨啓C(jī)能燃用的清潔氣體燃料，驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，并利用余氣燒鍋爐生產(chǎn)出蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。燃煤磁流體（magnetshydrodynamics，MHD）發(fā)電技術(shù)：磁流體發(fā)電是一種將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的新型的發(fā)電方式，其基本原理和傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)一樣基于法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，所不同的是磁流體發(fā)電機(jī)中導(dǎo)電流體（氣體或液體）取代了普通發(fā)電機(jī)中的金屬流體。煤的干餾：把煤隔絕空氣加熱至較高溫度而發(fā)生的一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，稱為煤的干餾（熱分解）。煤在隔絕空氣下加熱時(shí)，煤中有機(jī)質(zhì)隨溫度的提高而發(fā)生一系列變化，形成氣態(tài)（煤氣），液態(tài)（焦油）和固態(tài)（半焦或焦炭）產(chǎn)物。

第三章石油1、石油的重要性2、石油的成因和聚集3、石油的開(kāi)采4、石油的組成5、石油的煉制6、石油化工—國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱7、工業(yè)的血液——流動(dòng)的烏金8、我國(guó)的石油發(fā)展第一節(jié)石油的重要性石油：石油（包括油氣瀝青）是指在地殼巖石空隙（孔、洞、縫）中天然生成的，以液態(tài)烴為主的可燃有機(jī)礦產(chǎn)。一般認(rèn)為1859年Drake在美國(guó)賓夕法尼亞州所鉆油井，是近代油氣勘探（或工業(yè)）的開(kāi)始。石油的重要性：=1\*GB3①石油是優(yōu)質(zhì)動(dòng)力燃料的原料=2\*GB3②石油是提煉優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油的原料=3\*GB3③石油是主要的化工原料1917年首次用煉廠氣中的丙烯合成異丙醇，公認(rèn)為第一個(gè)石油化學(xué)產(chǎn)品，標(biāo)志石油化工誕生。=4\*GB3④石油及其產(chǎn)品構(gòu)成了現(xiàn)代生活方式和社會(huì)文明的基礎(chǔ)=5\*GB3⑤石油安全關(guān)系國(guó)家安全第二節(jié)石油的成因和聚集石油的形成石油地質(zhì)學(xué)界普遍承認(rèn)，石油和天然氣的生源物是生物，特別是低等的動(dòng)物和植物。海相成油：生源物的來(lái)源主要是在海洋中生活的生物。陸相成油：生源物的來(lái)源主要是非海相生物，即生活于湖沼的生物。焦點(diǎn)與學(xué)派：（1）油氣的無(wú)機(jī)成因?qū)W說(shuō)（2）油氣有機(jī)成因?qū)W說(shuō)油氣的運(yùn)移和聚集油氣運(yùn)移：生油巖中的油氣在外力作用下運(yùn)移到砂質(zhì)巖（儲(chǔ)集層）中集中的過(guò)程。油氣從生成到形成礦藏一般要經(jīng)過(guò)兩次大的運(yùn)移才能完成：初次運(yùn)移：從生油層向儲(chǔ)集層里的運(yùn)移。二次運(yùn)移：在儲(chǔ)集層內(nèi)的運(yùn)移。儲(chǔ)油構(gòu)造：集中儲(chǔ)存油氣的地方。儲(chǔ)油構(gòu)造由3部分組成：儲(chǔ)油層：有油氣居住的空間。蓋層：覆蓋在儲(chǔ)油層之上的不滲透層。圈閉：儲(chǔ)集層中油、氣物質(zhì)自身勢(shì)最小而其動(dòng)能為零的地方。（封堵的條件）石油資源專家認(rèn)為，一個(gè)油氣田的六大要素就是生（油層）、儲(chǔ)（油層）、蓋（油層）、運(yùn)（移）、圈（閉）、保（存）。第三節(jié)石油的開(kāi)采1石油勘探：=1\*GB3①地表觀測(cè)、=2\*GB3②地質(zhì)勘探、=3\*GB3③地球化學(xué)勘探、=4\*GB3④地球物理勘探地球物理勘探法主要方法：重力勘探（或重力法）、磁力勘探（或磁力法）、震波勘探（或震波法）其它方法：電測(cè)勘探（或電測(cè)法）、放射性勘探（或放射性法）、井測(cè)勘探（或井測(cè)法）2鉆井鉆井方式人工掘井：1521年之前人力沖擊鉆：1521～1835年機(jī)械頓鉆鉆井（沖鉆）：1859～1901年旋轉(zhuǎn)鉆井：1901年我國(guó)陸上油田目前最深探井是準(zhǔn)噶爾盆地腹部的莫深1井，設(shè)計(jì)井深7380米世界上最深的石油勘探井井深為9583米（1974年美國(guó)）。3采油世界油田開(kāi)發(fā)史按技術(shù)大致可以分為3個(gè)階段：直接采油（一次采油）注水驅(qū)油（二次采油）提高采收率技術(shù)（三次采油）4石油儲(chǔ)運(yùn)石油的儲(chǔ)藏和海上運(yùn)輸始終是國(guó)際上最為關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。用管道輸送石油是一種方便而又經(jīng)濟(jì)的方法。1934年，世界上第一條油管將伊拉克的北部油田和黎巴嫩的黎波里港連通。輸油管道的鋪設(shè)使原油和成品油的輸送成本大幅度降低。鐵路上使用的油槽車也是長(zhǎng)距離運(yùn)輸石油的常用設(shè)備。第四節(jié)石油的組成1石油的元素組成主要元素：碳（C）、氫（H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）。C占84%~87%，H占11%~14%微量元素：如Fe、Mg、V、Ni等30多種，其中V、Ni為主。碳、氫占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，總量達(dá)9599%，主要以烴類形式存在，是組成石油的主體。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在，與微量元素的總含量一般14%。石油中的硫含量：海相石油高硫（一般大于1%），陸相石油低硫（一般小于1%）釩和鎳含量與比值：海相石油V、Ni含量高，且V/Ni大于1；陸相石油V、Ni含量較低，且V/Ni小于12石油的化合物組成烴類化合物烷烴飽和烴環(huán)烷烴芳烴不飽和烴烯烴非烴類化合物含N、含S、含O化合物（1）石油的烴類組成烷烴：又稱脂肪烴、石蠟烴，具有碳鏈結(jié)構(gòu)，CnH2n+2，按有無(wú)支鏈分為正構(gòu)烷烴與異構(gòu)烷烴。正構(gòu)烷烴（CnH2n+2）異構(gòu)烷烴（CnH2n+2）石油中的異構(gòu)烷烴以≤C10的為主，C11-25較少，且以類異戊間二烯型烷烴最重要。石油中的類異戊間二烯型烷烴一般認(rèn)為是由葉綠素的側(cè)鏈直醇演化而來(lái)，為生物標(biāo)志化合物。環(huán)烷烴（具有碳環(huán)結(jié)構(gòu)）CnH2n：?jiǎn)苇h(huán)、雙環(huán)、三環(huán)及多環(huán)烷烴，石油中多為五員環(huán)或六員環(huán)環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其同系物。環(huán)烷烴分子中的碳原子連成環(huán)狀，性質(zhì)與烷烴相似，但稍活潑。芳香烴（含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的不飽和烴）單環(huán)芳香烴：苯、甲苯、二甲苯多環(huán)芳香烴：聯(lián)苯、三聯(lián)苯、三苯甲烷稠環(huán)芳香烴：萘、蒽、菲芳烴較烷烴性質(zhì)活潑，可與一些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。烯烴：雙鍵結(jié)構(gòu)烯烴的化學(xué)性質(zhì)很活潑，可與多種物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)烯烴分子結(jié)構(gòu)式中碳原子間有雙鍵，碳原子化合價(jià)沒(méi)有和氫原子完全結(jié)合，這就有能力和其他元素的原子相結(jié)合。如乙稀、丙稀、環(huán)戊稀、環(huán)己?。?）石油的非烴類組成石油中含硫、氮、氧的化合物都是非烴類化合物，它們的含量雖然不高，但對(duì)煉制過(guò)程和成品油的質(zhì)量影響很大。=1\*GB3①含硫化合物；=2\*GB3②含氮化合物；=3\*GB3③含氧化合物存在形式：環(huán)烷酸、脂肪酸、酚、醛、酮等。環(huán)烷酸占石油酸的90%，易形成各種鹽類，其中堿金屬的環(huán)烷酸鹽易溶于水、可作為找油標(biāo)志。（3）生物標(biāo)志化合物來(lái)源于生物體，基本保持類原始組分的碳骨架，記載了原始生油母質(zhì)特殊分子結(jié)構(gòu)信息的有機(jī)化合物。又稱“分子化石”、“指紋化合物”或“地球化學(xué)化石”。主要有：正構(gòu)烷烴、類異戊間二烯烷烴、萜類和甾類以及卟啉化合物。3石油的組分組成油質(zhì)：是石油的重要組成部分，可溶于石油醚而不被硅膠所吸附。膠質(zhì)：可溶于石油醚，苯、三氯甲烷等有機(jī)溶劑而不被硅膠所吸附。瀝青質(zhì)：不溶于石油醚和酒精而溶于苯、三氯甲烷的瀝青部分。碳質(zhì)：不溶于有機(jī)溶劑的非烴化合物。4石油分類根據(jù)油源環(huán)境分為：海相石油、陸相石油根據(jù)有機(jī)質(zhì)成熟度分：（未熟）低熟油、成熟油、高熟油海相石油與陸相石油的基本區(qū)別：海相石油：以芳香-中間型、石蠟-環(huán)烷型為主。V/Ni>1。飽和烴占2570%，芳烴占2560%；高硫（>1%）、低蠟（<5%）。陸相石油：以石蠟型為主，部分為石蠟-環(huán)烷型。V/Ni<1。飽和烴占6090%，芳烴占1020%；高蠟（>5%）、低硫（<1%）。5石油的物理性質(zhì)=1\*GB3①顏色：石油的顏色變化很大，無(wú)色、淡黃色、黃褐色、淡紅色、深褐色、黑綠色、黑色。石油的顏色與芳烴+非烴的含量有關(guān)，芳烴+非烴含量越高，顏色越深。=2\*GB3②相對(duì)密度：相對(duì)密度有三種：：1個(gè)atm下，20C單位體積原油與4C（無(wú)量綱）一般“”：0.75~1.0之間，其中：<0.9稱為輕質(zhì)石油；0.9-0.93稱為中質(zhì)石油；>0.93稱為重質(zhì)石油。影響因素：主要取決于化學(xué)組成，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量↑↑；石油組分的分子量↑↑；溶解氣數(shù)量↑↓API度：石油工業(yè)中常用美制密度（API）表示，API與or呈反比關(guān)系。一般原油API介于25~46之間。波美密度：符號(hào)Symbol：Bé,sometimesB法國(guó)科學(xué)家波美所創(chuàng)制，波美比重計(jì)=3\*GB3③粘度：石油流動(dòng)時(shí)分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力所產(chǎn)生的阻力。粘度越大，愈難流動(dòng)。影響因素：石油的粘度取決于石油的化學(xué)組成、所處的溫度和壓力。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)↑，粘度↑；飽和烴含量↑，粘度↓；化學(xué)組成：溶解氣含量↑，粘度↓；溫度↑，粘度↓；壓力↑，粘度↑。溫度對(duì)粘度的影響較壓力大，因此在地層中容易流動(dòng)。=4\*GB3④溶解性：石油可溶解于多種有機(jī)溶劑，如：苯、三氯甲烷（氯仿）、二硫化碳、四氯化碳、乙醚等等。難溶于水，但隨水中二氧化碳和烴氣的含量增加，溶解度明顯增加，有利于初次運(yùn)移。=5\*GB3⑤凝固點(diǎn)：將液體石油冷卻到失去流動(dòng)性時(shí)的溫度。石油沒(méi)有明確的凝固點(diǎn)，當(dāng)溫度降低時(shí)，常出現(xiàn)固態(tài)與液態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)。=6\*GB3⑥導(dǎo)電性：石油基本上是電絕緣體。石油導(dǎo)電性極差，具高電阻率?？梢暈闊o(wú)限大，非導(dǎo)體。=7\*GB3⑦熒光性：石油在紫外光的照射下，產(chǎn)生熒光的特性。無(wú)論其本身還是溶于有機(jī)溶劑中。熒光-低能量可見(jiàn)光冷發(fā)光現(xiàn)象原因：由多環(huán)芳香烴和非烴發(fā)光，飽和烴不發(fā)光。發(fā)光顏色：含芳烴多的輕質(zhì)油—天藍(lán)色；含膠質(zhì)多的石油—淡黃色；含瀝青質(zhì)多的石油—褐色。發(fā)光強(qiáng)度：與石油中的不飽和烴濃度有關(guān)。在低濃度范圍下，發(fā)光強(qiáng)度與石油類物質(zhì)的濃度成正比；但濃度超過(guò)某一臨界值以后，發(fā)光強(qiáng)度反而降低，這叫做濃度消光。應(yīng)用：鉆井現(xiàn)場(chǎng)常用熒光燈鑒定巖樣中的含油情況。=8\*GB3⑧旋光性：當(dāng)偏振光通過(guò)石油時(shí)，石油能使其振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度（0.幾-幾度），石油的這種特性稱旋光性。旋轉(zhuǎn)偏振光振動(dòng)面的特性。分右旋和左旋。大多石油旋光性為右旋。旋轉(zhuǎn)角小于幾度。石油的旋光性與結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的生物標(biāo)志化合物有關(guān)，因此，石油的旋光性是石油有機(jī)成因的證據(jù)。第五節(jié)石油的煉制石油煉制過(guò)程：脫鹽/脫水：應(yīng)用電化學(xué)分離或加熱沉降方法脫除原油所含水、鹽和固體雜質(zhì)，主要目的是防止鹽類（鈉、鈣、鎂的氯化物）離解產(chǎn)生氯化氫而腐蝕設(shè)備和鹽垢在管式爐爐管內(nèi)沉積。原油蒸餾丙烷脫瀝青溶劑萃取和脫蠟混合1石油的蒸餾蒸餾是利用物理方法將原油中的各種碳?xì)浠衔锓珠_(kāi)。原油加熱到一定溫度，油中的碳?xì)浠衔镒兂刹煌臍怏w，每種氣體有不同的凝結(jié)點(diǎn)，在不同溫度下凝結(jié)成為液體。蒸餾包括常壓蒸餾和減壓蒸餾，屬于物理變化。常壓蒸餾：在接近常壓下蒸餾出汽油、煤油（或噴氣燃料）、柴油等的直餾餾分，塔底殘余為常壓渣油（即重油）。減壓蒸餾：使常壓渣油在8kPa左右的絕對(duì)壓力下蒸餾出重質(zhì)餾分油作為潤(rùn)滑油料、裂化原料或裂解原料，塔底殘余為減壓渣油。1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）＝101.325kPa（千帕）工業(yè)上的石油分餾：石油餾分組成與化合物組成關(guān)系隨餾分沸點(diǎn)增加，化合物分子量增大，化合物中C數(shù)增加；隨餾分沸點(diǎn)增加，石蠟烴和芳香烴含量明顯減少，膠質(zhì)含量明顯增加。2重油的裂化裂化是將重油等大分子烴類分裂成汽油、柴油等小分子烴類的一種煉制方法。重油裂化是制取高質(zhì)量汽油的主要途徑。重油裂化的常用方式：熱裂化催化裂化加氫裂化熱裂化：是通過(guò)加熱的方法把大分子烴類轉(zhuǎn)化成小分子烴的過(guò)程。催化裂化：是在硅酸鋁和合成沸石等催化劑作用下使重油裂化成小分子烴，可以有選擇性多生成一些汽油組分的產(chǎn)品，反應(yīng)產(chǎn)物是C4C加氫催化裂化：是在370430℃的高溫、1015MPa可把原料中的硫和氮的化合物轉(zhuǎn)化成硫化氫和氨，從而通過(guò)水洗除去?？墒共伙柡蜔N及一些大分子烴發(fā)生裂化和異構(gòu)化，從而獲得各種高質(zhì)量的油品。如高辛烷值汽油、低冰點(diǎn)噴氣機(jī)燃料、低凝固點(diǎn)柴油、低溫性能良好的潤(rùn)滑油等。產(chǎn)品的收率接近100%。反應(yīng)需要在高壓下操作，條件比較苛刻，設(shè)備投資高，技術(shù)操作要求嚴(yán)格。石油煉制加工：一次加工；二次加工；三次加工。一次加工和二次加工可用于生產(chǎn)燃料油品。二次加工可提高輕質(zhì)油的收率，提高油品質(zhì)量，增加石油產(chǎn)品的品種，提高煉油廠的經(jīng)濟(jì)效益。三次加工（石油化學(xué)工業(yè)）則是用前兩次加工所得的石油產(chǎn)品或半成品來(lái)生產(chǎn)化工產(chǎn)品，通過(guò)分子的異構(gòu)化、芳構(gòu)化、聚合等反應(yīng)制取基本有機(jī)化工原料。第六節(jié)石油化工—國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱石油化學(xué)工業(yè)簡(jiǎn)稱石油化工，是指以石油和天然氣為原料生產(chǎn)石油產(chǎn)品和石油化工產(chǎn)品的加工工業(yè)。石油產(chǎn)品：液體燃料：液化石油氣（LPG），車用汽油，航空燃料，車用柴油，燃料重油等。潤(rùn)滑油：發(fā)動(dòng)機(jī)油，齒輪油，液壓油，氣輪機(jī)油，壓縮機(jī)油，金屬加工用油等。固體產(chǎn)品：瀝青，石油焦，石蠟等。其他類產(chǎn)品第七節(jié)工業(yè)的血液—流動(dòng)的烏金石油經(jīng)過(guò)煉制后,絕大部分變成了汽油、煤油、柴油、燃料油、潤(rùn)滑油等油品。這些油品如同血液一樣源源不斷地輸入工業(yè)的脈管，大大加快了現(xiàn)代文明社會(huì)的生活節(jié)奏。1汽油的使用牌號(hào)和優(yōu)質(zhì)汽油的制備汽油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)涉及到許多方面，其中最重要的是蒸發(fā)性、抗爆性和安定性。蒸發(fā)性：評(píng)價(jià)汽油蒸發(fā)性的指標(biāo)是餾分組成和蒸氣壓?？贡裕浩偷目贡允侵钙桶l(fā)動(dòng)機(jī)在汽缸中燃燒時(shí)抵抗爆炸的能力?？捎眯镣橹刀攘?，汽油的辛烷值越高其抗爆性越好。安定性：汽油的安定性是指汽油在常溫和液相條件下抵抗氧化的能力。安定性不好的汽油在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中容易發(fā)生氧化和聚合反應(yīng)，生成酸性物質(zhì)和膠狀物，致使油的顏色變深，辛烷值降低。汽油的辛烷值：規(guī)定具有很高抗爆性的異辛烷的辛烷值為100，最容易產(chǎn)生爆震的正庚烷的辛烷值為0。汽油改性：提高辛烷值制取高質(zhì)量的汽油是汽油改性的主要目標(biāo)。兩種基本改性方法：在汽油中加入添加劑；通過(guò)石油餾分的化學(xué)轉(zhuǎn)化來(lái)改變汽油的烴類組成，以獲得高辛烷值的汽油。汽油質(zhì)量升級(jí)一般要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：一是標(biāo)號(hào)升級(jí)，二是無(wú)鉛化，三是組分優(yōu)化。2航空煤油噴氣式飛機(jī)對(duì)噴氣燃料的要求：良好的燃燒性能良好的熱安定性較低的結(jié)晶點(diǎn)良好的霧化和蒸發(fā)性3柴油柴油十六烷值評(píng)定柴油抗爆性的指標(biāo)：自燃點(diǎn)為205℃自燃點(diǎn)高達(dá)529℃的-甲基萘是抗爆性很差的柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)燃料，它的十六烷值定為04燃料油和潤(rùn)滑油燃料油：燃料油來(lái)源主要是減壓渣油和裂化殘油兩種。潤(rùn)滑油：潤(rùn)滑油通常是從常壓塔底流出的重油經(jīng)過(guò)減壓蒸餾制取。第八節(jié)我國(guó)的石油發(fā)展

第四章天然氣清潔的燃料天然氣的開(kāi)采天然氣化工煤層氣的利用天然氣適用技術(shù)中國(guó)的天然氣市場(chǎng)展望天然氣水合物-21世紀(jì)的新能源第一節(jié)清潔的燃料1天然氣的概念廣義的天然氣：自然界中一切天然生成的氣體（包括大氣、巖石中的氣體、海洋中的氣體、地幔氣、宇宙氣等）。狹義的天然氣：在地質(zhì)條件下生成、運(yùn)移并聚集在地下巖層中、以烴類為主的氣體。在地殼巖石空隙（孔、洞、縫）中天然生成的，以氣態(tài)烴為主的可燃有機(jī)礦產(chǎn)。多數(shù)有機(jī)成因，也有無(wú)機(jī)成因的。2天然氣的化學(xué)組成天然氣的元素組成：C、H、O、S、N及微量元素組成，其中C占65%80%，H占12%20%天然氣的化合物組成：烴類—CH4為主；非烴類—CO2、N2、H2S多數(shù)氣藏以烴類為主氣藏和油氣藏中天然氣，無(wú)論是氣藏類型，還是氣體中化合物組成，都是以烴類氣體為主。烴類組成甲烷（輕烴氣）：是烴類氣體主要化合物。重?zé)N氣（乙烷及其以重）：次要。其中以乙烷和丙烷為主。有時(shí)有少量的環(huán)烷烴和芳香烴。在多數(shù)情況下，氣體中烴類化合物含量與其分子量成反比關(guān)系。根據(jù)烴類天然氣中輕烴氣和重?zé)N氣含量，常將其分兩類：干氣：CH4>95%，C2+<5%，貧氣。濕氣：CH4<95%，C2+>5%，富氣。典型濕、干氣烴類組成天然氣組成（體積%）資料來(lái)源CH4C2H6C3H8C4H10＞C5H12非烴典型濕氣典型干氣84.696.06.42.05.30.62.60.31.11.1Heron（1964）一般純天燃?xì)獾目扇汲煞忠约淄闉橹?，還含有少量的二氧化碳、硫化氫、氮和微量的氦、氖、氬等氣體。氣藏氣中常見(jiàn)的非烴氣有：N2、CO2、H2S、H2、CO、Hg蒸氣，有時(shí)還含有少量有機(jī)硫、氧、氮化合物。非烴類組成：非烴氣的含量一般小于10%，但亦有少量非烴氣的含量超過(guò)10%，極少數(shù)是以非烴氣為主的氣藏，如N2氣藏，CO2氣藏、H2S氣藏。另外，還有痕量到微量的稀有氣體，如：氦、氖、氪、氬、氙、氡等惰性氣體，它們?cè)诔练e圈中含量較低，不能單獨(dú)形成氣藏。3天然氣的基本物理性質(zhì)天然氣一般為無(wú)色，可有汽油味或硫化氫味，可燃，由于其化學(xué)性質(zhì)組成變化大，致使物理性質(zhì)變化甚大。分子大?。菏?、天然氣的各種化合物分子長(zhǎng)度天然氣化合物的分子的長(zhǎng)度和有效直徑比石油化合物分子的長(zhǎng)度和有效直徑一般要小，有利于運(yùn)移。表觀分子量Mg：天然氣中各種化合物平均分子量，按下式計(jì)算：式中，Yi、Mi分別是第i種化合物的摩爾分?jǐn)?shù)和分子量。密度和相對(duì)密度密度（g）：在地表一般0.70.75kg/m3；在地下可達(dá)150250kg/m3，凝析氣可達(dá)225450kg/m3。相對(duì)密度（rg）：在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，單位體積天然氣與同體積空氣的質(zhì)量之比。一般在0.561.0之間。相對(duì)密度一般隨重?zé)N、非烴氣體含量的增加而增大。溶解性：天然氣溶解度：?jiǎn)挝惑w積的溶劑溶解天然氣的體積。在相同條件下，易溶于石油，難溶于水。CH4—0.3m3/m3油，0.033m3/m在水中溶解度：各種化合物的溶解度是不同的，與溫度和水中其他溶質(zhì)濃度含量有關(guān)（T、P、含鹽度、氣體組分）。當(dāng)水中溶解有二氧化碳時(shí)，烴類氣體溶解度會(huì)增加。在石油中溶解度：在相同條件下，烴類天然氣在石油中溶解度（或溶解系數(shù)）大大高于在水中溶解度（溶解系數(shù)）。油中的溶解度—壓力、天然氣組成、石油性質(zhì)有關(guān)，一方面較重?zé)N氣溶解度較大，另一方面輕餾分較重餾分有更大的溶解天然氣能力。粘度（）：指氣體內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體分子內(nèi)摩擦力所產(chǎn)生的阻力。影響因素：在較低壓力下（小于30大氣壓），隨分子量增加而減小，隨溫度和壓力增高而增大；在高溫高壓下：與液態(tài)烴變化一致。蒸氣壓力：飽和蒸氣壓力：氣體液化時(shí)所需施加的壓力。影響因素：隨溫度升高而增大；同溫度下，烴分子量越小，其蒸汽壓力越大。吸附作用：天然氣被巖石吸附的現(xiàn)象。單位質(zhì)量巖石吸附天然氣量大小與巖石類型和天然氣化合物類型以及壓力溫度等有關(guān)。常溫下巖石對(duì)氣態(tài)烴吸附值熱值天然氣中烴類的熱值（據(jù)美國(guó)天然氣工程手冊(cè)，1959）烴類熱值（發(fā)熱量）kJ/m3(凈值)kJ/kg(凈值)kJ/m3(全值)kJ/kg(全值)甲烷乙烷丙烷丁烷34037.8060937.2587915.42115863.0447541.9645162.1044054.1743368.1537811.4866618.4495537.50125876.3552812.9649371.2047873.3347116.444天然氣的產(chǎn)狀存在相態(tài)：游離相、溶解相、吸附相、固態(tài)氣水化物分布特征：聚集型、分散型聚集型天然氣：以游離狀態(tài)聚集在一起的天然氣。氣藏氣、氣頂氣、凝析氣分散型天然氣：溶解氣（油溶氣、水溶氣）、煤層氣、固態(tài)氣水合物（可燃冰）聚集型天然氣①氣藏氣：基本上不與石油伴生，單獨(dú)聚集成純氣藏。CH4含量常>95%、重?zé)N氣（C2+）少；可為烴氣（干氣），也可為非烴氣。②氣頂氣：指與石油共存于油氣藏中，呈游離態(tài)存在的天然氣。CH4為主，C2+高＞5%濕氣，成因、分布均與石油有關(guān)。③凝析氣：當(dāng)?shù)叵聹囟?、壓力超過(guò)臨界條件時(shí)，液態(tài)烴逆蒸發(fā)而形成的氣體，稱為凝析氣。采至地面過(guò)程中，隨溫度壓力的降低又逆凝結(jié)為輕質(zhì)油。即凝析油。凝析氣屬于濕氣，形成的凝析氣藏多分布在30004000米凝析油占到一定比例的氣藏叫凝析氣藏。分散型天然氣④煤層氣（礦井瓦斯）煤層中所含的呈吸附或游離狀態(tài)的天然氣（瓦斯）；氣體成分以CH4為主，含N2、CO2、H2S。⑤溶解氣：地層條件下，溶于石油或地下水的天然氣。油溶氣：油藏中溶解的天然氣。濕氣，C2+高，可達(dá)40%。水溶氣：溶于水中的天然氣。（CH4,N2,C2+氣,CO2少）高壓水溶氣：常出現(xiàn)于異常高壓帶以下的熱水中，含氣量較高；低壓水溶氣：含氣量較低，一般不單獨(dú)采取。=6\*GB3⑥固態(tài)氣水合物高壓低溫條件下，CH4等氣體分子被封閉凍結(jié)在水分子擴(kuò)大晶格中，形成的固體物。形成條件：氣和水足夠富集低溫：低于27C。若T>27C：就以氣態(tài)烴高壓。在冰點(diǎn)附近需十幾atm；在27C附近需能形成固態(tài)水合物的烴類氣體：甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷。能形成固態(tài)水合物的地區(qū)：極地、凍土帶、深海沉積物分布區(qū)。與石油產(chǎn)出的關(guān)系=1\*GB3①伴生氣位置上伴生氣：氣頂氣、油溶氣和油藏周圍（上、中、下方）的氣。成因上伴生氣：成油過(guò)程中形成的各種天然氣。=2\*GB3②非伴生氣位置上非伴生氣：與油藏分布沒(méi)有關(guān)系。例如：某些氣藏氣。成因上非伴生氣：煤系有機(jī)質(zhì)或未成熟的有機(jī)質(zhì)形成的天然氣。5天然氣的儲(chǔ)運(yùn)管道壓縮天然氣（CNG）液化天然氣（LNG）天然氣水合物（NGH）目前，世界天然氣產(chǎn)量的75%依賴管線輸送，25%靠LNG運(yùn)輸。液化天然氣（LNG）：氣田開(kāi)采出來(lái)的天然氣經(jīng)脫水、脫酸性氣體和脫重?zé)N類，然后壓縮、冷卻，在-163度下液化成LNG。其主要成分為甲烷，用專用船或油罐車運(yùn)輸，使用時(shí)重新氣化。液化天然氣（LNG）的特點(diǎn)：LNG在大氣壓下，液化溫度為-163°LNG無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性；LNG的體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600；LNG的重量?jī)H為同體積水的45%左右；LNG的體積能量密度為汽油的72%；LNG是一種清潔燃料，排放可以達(dá)到歐4標(biāo)準(zhǔn)。液化天然氣（LNG）具有高熱值、低比重、超低溫三大特點(diǎn)，是一種清潔、高效、廉價(jià)、理想的綠色新能源。第二節(jié)天然氣的開(kāi)采全球天然氣儲(chǔ)藏量的50%以上集中在俄羅斯、伊朗和卡塔爾等中東地區(qū)國(guó)家。1天然氣勘探天然氣勘探方式與石油勘探相似，尋找油藏與油層試鉆的技術(shù)基本上可用于勘探天然氣，對(duì)天然氣勘探評(píng)價(jià)的內(nèi)容與方法也基本與石油相同。2采氣：把天然氣從地層采出的全部工藝過(guò)程簡(jiǎn)稱采氣工藝。采氣工藝與自噴采油法基本相似，都是在探明的油氣田上鉆井，并誘導(dǎo)氣流，使氣體靠自身能量（源于地層壓力）由井內(nèi)自噴至井口。排液采氣—柱塞排液采氣：柱塞排液采氣工藝是一種利用投放在井筒油管內(nèi)的柱塞的上下運(yùn)動(dòng)來(lái)排除和防止井筒積液的間歇?dú)馀e排液采氣工藝。3我國(guó)天然氣開(kāi)采利用情況1821年開(kāi)發(fā)的四川富順縣自流井氣田是世界上最早的天然氣田。第三節(jié)天然氣化工石油是多鏈碳烷烴，在加工時(shí)是將高碳烷烴裂解成低碳烷烴和烯烴。天然氣是以甲烷為主，其化學(xué)加工是將1個(gè)碳的甲烷轉(zhuǎn)化成2個(gè)或3個(gè)碳及以上烷烴和烯烴。石油加工是拆房子，而天然氣化工是建房子。天然氣在作為化工原料時(shí)主要是用于生產(chǎn)合成氨和甲醇。天然氣化學(xué)轉(zhuǎn)化主要有兩個(gè)途徑：直接化學(xué)轉(zhuǎn)化：如氧化偶聯(lián)、選擇性氧化等可制成烯烴、甲醇等化工產(chǎn)品。間接化學(xué)轉(zhuǎn)化：用天然氣先制造合成氣（一氧化碳和氫氣），再由合成氣出發(fā)經(jīng)過(guò)不同的化學(xué)過(guò)程制取液態(tài)烴、合成氨、甲醇等化學(xué)品。天然氣轉(zhuǎn)化合成甲醇，合成甲醇的制備原理：用天然氣作原料合成甲醇的主要反應(yīng)CO+2H2CH3OHH=–102.5kJ/molCO2+3H2CH3OH+H2OH=–49.5kJ/mol由熱力學(xué)原理知，增加壓力、降低溫度對(duì)合成甲醇有利。第一反應(yīng)最重要，原料配比H2/CO比值很重要。天然氣制合成氨天然氣制甲醇天然氣制合成油天然氣制二甲醚天然氣經(jīng)甲醇制烯烴天然氣氧化偶聯(lián)制烯烴天然氣制芳烴第四節(jié)煤層氣的利用煤層氣（CBM）：煤層氣是在煤礦層及其鄰近巖層中與煤伴生的以分子吸附狀態(tài)賦存于煤基質(zhì)表面上的一種可燃?xì)怏w，其主要成分（常占90%以上）是甲烷（CH4），俗稱“瓦斯”。一方面，俗稱瓦斯的煤層氣是造成煤礦瓦斯爆炸、煤巖體突出的災(zāi)害性氣體和引起全球氣候變暖的強(qiáng)烈溫室性氣體；另一方面，它也是一種潔凈的新能源。在熱值上，煤層氣與常規(guī)天然氣相當(dāng)，發(fā)熱量在8000大卡/m3以上，每1000m3第五節(jié)天然氣適用技術(shù)天然氣發(fā)電天然氣燃料電池天然氣汽車天然氣空調(diào)第六節(jié)中國(guó)的天然氣市場(chǎng)展望我國(guó)天然氣資源分布：總的格局：西多東少、北多南少我國(guó)天然氣市場(chǎng)七大“動(dòng)脈”中國(guó)進(jìn)口的第一船液化天然氣：2006年05月26日首艘裝載著6萬(wàn)噸液化天然氣的NORTHWESTSEAEAGLE抵深圳大鵬接收站碼頭。第七節(jié)天然氣水合物—21世紀(jì)的新能源1天然氣水合物：籠形包合物、可燃冰、氣冰、固體瓦斯、固體天然氣天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件下結(jié)晶形成的固態(tài)籠狀化合物。純凈的天然氣水合物呈白色，形似冰雪，可以像固體酒精一樣直接被點(diǎn)燃。1立方米天然氣水合物可釋放出164立方米甲烷氣體，是一種能量密度高、分布廣的能源礦產(chǎn)。2天然氣水合物的存在及生成環(huán)境地球上大約有27%的陸地是可以形成天然氣水合物的潛在地區(qū)。海洋大陸架是天然氣水合物形成的最佳場(chǎng)所，海洋總面積的90%具有形成氣水合物的溫壓條件。已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物主要存在于北極地區(qū)的永久凍土區(qū)和世界范圍內(nèi)的海底、陸坡、陸基及海溝中。3天然氣水合物的物理性質(zhì)顏色：天然氣水合物多呈白色、淡黃色、琥珀色、暗褐色等。存在狀態(tài)：軸狀、層狀、小針狀結(jié)晶體或分散狀。存在方式：①占據(jù)大的巖石粒間孔隙；②以球粒狀散布于細(xì)粒巖石中；③以固體形式填充在裂縫中；④大塊固態(tài)水合物伴隨少量沉積物。密度：0.912g/cm3，小于冰的密度0.916g/cm3。4天然氣水合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)水合物的籠形包合物結(jié)構(gòu)，1936年前蘇聯(lián)科學(xué)院院士尼基丁提出，天然氣水合物的結(jié)晶格架主要由水分子所構(gòu)成，在不同的低溫高壓條件下水分子結(jié)晶形成不同類型的多面籠形結(jié)構(gòu)。水合物的分子式表示為：MnH2O，M表示甲烷等氣體，n為水分子數(shù)。天然氣水合物結(jié)構(gòu)類型：3種，即I型、II型和H型。I型：I型氣水合物為立方晶體結(jié)構(gòu)，僅能容納甲烷（C1）、乙烷這兩種小分子的烴以及N2、CO2、H2S等非烴分子。II型：II型氣水合物為菱型晶體結(jié)構(gòu)，除包容甲烷、乙烷等小分子外，較大的“籠子”（水合物晶體中水分子間的空穴）還可容納丙烷（C3）及異丁烷（i-C4）等烴類。H型：H型氣水合物為六方晶體結(jié)構(gòu)，除能容納n型結(jié)構(gòu)水合物所能容納的烴類分子外，其大的“籠子”其至可以容納直徑超過(guò)異丁烷（i-C4）的分子，如異戊烷（i-C5）和其他直徑在0.750.86納米之間的分子.氣水化合物分子中，氣體分子是較小的分子（異丁烷和丙烷及其以?。?，水分子數(shù)與氣體化合物分子數(shù)是變化的，較小的氣體分子與較少的水分子結(jié)合。但是，更大的分子（丁烷以上）則不能與水分子結(jié)合。5天然氣水合物的研究歷史2007年5月1日，我國(guó)在南海北部成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品“可燃冰”，從而成為繼美國(guó)、日本、印度之后第4個(gè)成功鉆獲“可燃冰”的國(guó)家。6天然氣水合物的形成條件天然氣水合物的形成有3個(gè)基本條件，缺一不可。地底要有氣源；溫度不能太高；壓力要足夠大。0C時(shí)，7水合物中的烴類氣體天然氣各成分水合物的臨界生成溫度成分CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10CO2H2S水合物臨界生成溫度/°C47.014.55.52.51.010.029.08天然氣水合物生成的抑制法降低壓力保持一定溫度減少天然氣水含量天然氣水合物抑制劑醇：與水完全互溶，將天然氣水合物控制在結(jié)晶析出階段。表面活性劑：通過(guò)吸附，將天然氣水合物控制在結(jié)晶的長(zhǎng)大階段。聚合物：天然氣水合物結(jié)晶可與聚合物鏈節(jié)結(jié)合，將天然氣水合物控制在聚并、沉積階段。加入天然氣氣流中以阻止在低溫時(shí)形成烴類水合物的一種化學(xué)藥劑?？煞乐构艿涝O(shè)備阻塞。常用的有甲醇、乙二醇、二甘醇及三甘醇等。9天然氣水合物的勘探和開(kāi)采天然氣水合物勘探方法：地震勘探方法；地球物理測(cè)井法；鉆井取芯天然氣水合物的開(kāi)采方法主要有3類：熱激發(fā)法：主要是將蒸氣、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入水合物地層?；瘜W(xué)試劑法：某些化學(xué)試劑，諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學(xué)試劑可以改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩(wěn)定溫度。當(dāng)將上述化學(xué)試劑從井孔泵入后，就會(huì)引起水合物的分解。減壓法：通過(guò)降低壓力而引起天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線的移動(dòng)，從而達(dá)到促使水合物分解的目的。天然氣水合物開(kāi)發(fā)的最大技術(shù)難點(diǎn)：保證井底穩(wěn)定，使甲烷氣不泄漏、不引發(fā)溫室效應(yīng)。10天然氣水合物與百慕大三角之迷百慕大三角這個(gè)神秘的漩渦地帶是因?yàn)橛刑烊粴馑衔飶暮５揍尫旁斐傻模抢锏暮Ｃ婵偸怯胁粩鄧娪慷龅募淄闅馀荨?/p>

第五章太陽(yáng)能太陽(yáng)能簡(jiǎn)介太陽(yáng)能的光熱利用太陽(yáng)能的光電利用太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能光化學(xué)利用太陽(yáng)能空間電站太陽(yáng)能的儲(chǔ)存與輸送太陽(yáng)能在我國(guó)的應(yīng)用第一節(jié)太陽(yáng)能簡(jiǎn)介1太陽(yáng)與太陽(yáng)輻射太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的氫核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。2太陽(yáng)能利用的特點(diǎn)儲(chǔ)量的無(wú)限性存在的普遍性利用的清潔性利用的經(jīng)濟(jì)性從利用角度來(lái)看，太陽(yáng)能有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：能流密度低；其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響而不能維持常量。3中國(guó)的太陽(yáng)能資源4太陽(yáng)能利用所涉及的技術(shù)問(wèn)題太陽(yáng)能利用涉及具有共性的技術(shù)主要有四項(xiàng)：太陽(yáng)能采集、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、太陽(yáng)能貯存、太陽(yáng)能傳輸5太陽(yáng)能的利用途徑：太陽(yáng)能的光熱利用、太陽(yáng)能的光電利用和太陽(yáng)能的光化學(xué)利用等。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎碗娔埽禾?yáng)能熱利用；太陽(yáng)能光發(fā)電。第二節(jié)太陽(yáng)能的光熱利用太陽(yáng)能的光熱利用就是利用太陽(yáng)集熱器將太陽(yáng)光輻射轉(zhuǎn)化成流體中的熱能，并將加熱流體輸送出去利用。太陽(yáng)能的光熱利用主要有以下方面：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能空調(diào)制冷太陽(yáng)房太陽(yáng)灶太陽(yáng)能干燥1太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射并將產(chǎn)生的熱能傳遞到傳熱工質(zhì)的裝置。按采光方式，太陽(yáng)能集熱器可分為：=1\*GB3①非聚光型集熱器；=2\*GB3②聚光型集熱器非聚光型集熱器：平板集熱器、真空管集熱器聚光型集熱器：拋物面槽式集熱器、拋物面碟式集熱器、集中接收系統(tǒng)2太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要元件：集熱器、儲(chǔ)存裝置、循環(huán)管路。按流體流動(dòng)方式分：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)分為：循環(huán)式、直流式、悶曬式。按形成水循環(huán)的動(dòng)力不同分：自然循環(huán)式、強(qiáng)制循環(huán)式。3太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用聚光集熱器把太陽(yáng)能聚集起來(lái)，將水加熱，使產(chǎn)生的蒸汽去驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能再轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行發(fā)電。發(fā)電方式：光—熱—電轉(zhuǎn)換方式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的組成：集熱系統(tǒng)、輸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)太陽(yáng)能熱發(fā)電的形式：槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電、碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電。4太陽(yáng)能制冷與空調(diào)技術(shù)太陽(yáng)能制冷原理直接以熱能為驅(qū)動(dòng)能源：主要有吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷等。以太陽(yáng)能產(chǎn)生的機(jī)械能為驅(qū)動(dòng)能源：主要有壓縮式制冷、光電式制冷和熱電制冷等。5太陽(yáng)房被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)：利用建筑構(gòu)件本身吸收太陽(yáng)能，而不用設(shè)備。主動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)：需要附加的太陽(yáng)能集熱器、熱能儲(chǔ)存裝置、熱交換器及能量供給裝置。6其他太陽(yáng)能熱利用技術(shù)：太陽(yáng)灶；太陽(yáng)能干燥第三節(jié)太陽(yáng)能的光電利用—太陽(yáng)能電池1太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介1954年，美國(guó)貝爾電話公司研制成的硅電池，效率太低：4%，幾個(gè)月后6%；2太陽(yáng)能電池發(fā)電原理：基于光伏效應(yīng)由太陽(yáng)光與材料相互作用而產(chǎn)生電勢(shì)。3太陽(yáng)能電池=1\*GB3①硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池由線鋸切割單晶硅錠制備硅片，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率為：1520%。單晶硅成本價(jià)格高。單晶硅片的制備要經(jīng)過(guò)如下過(guò)程：石英砂冶金級(jí)硅提純和精煉沉積多晶硅錠單晶硅硅片切割。多晶硅太陽(yáng)能電池多晶硅是以熔融的硅鑄造固化制成，制程簡(jiǎn)單，成本較單晶硅低。工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的光電轉(zhuǎn)換效率15%。非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅材料的光吸收效率是單晶硅的40倍。非晶硅太陽(yáng)電池主要應(yīng)用于功率輸出較小的各種消費(fèi)性電子產(chǎn)品上，如手表、計(jì)算器等。光電轉(zhuǎn)換效率6%=2\*GB3②多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池砷化鎵太陽(yáng)能電池：GaAs化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉(zhuǎn)換效率較晶體硅電池高，可達(dá)25%30%；航天用太陽(yáng)能電池一般在18%19.5%。銅銦硒太陽(yáng)能電池：銅銦硒薄膜電池適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問(wèn)題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。CIS（CuInSe2）轉(zhuǎn)換效率高，制作復(fù)雜，生產(chǎn)困難，生產(chǎn)過(guò)程中存在劇毒氣體硒化氫。CIS原型電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)13%，實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率是18.4%。碲化鎘太陽(yáng)能電池：商品CdTe電池模板的光電轉(zhuǎn)換效率為7%，與非晶硅（a-Si）電池轉(zhuǎn)換效率相近?？梢缘椭圃斐杀旧a(chǎn)高效模板，光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)16.5%。有機(jī)太陽(yáng)能電池：以有機(jī)聚合物代替無(wú)機(jī)材料是剛剛開(kāi)始的一個(gè)太陽(yáng)能電池制造的研究方向。納米晶太陽(yáng)能電池：納米TiO2晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/51/10。太陽(yáng)能電池技術(shù)比較種類材料太陽(yáng)能單電池效率太陽(yáng)能電池模塊效率優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)硅系太陽(yáng)能電池單晶硅15~24%13~20%效率最高技術(shù)成熟工藝繁瑣成本高多晶硅10~20%10~15%無(wú)效率衰退問(wèn)題成本遠(yuǎn)低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅8~13%5~10%成本較低轉(zhuǎn)化效率較高穩(wěn)定性不高多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池砷化鎵19~32%23~30%效率較高成本較單晶硅低易于規(guī)模生產(chǎn)原材料鎘有毒碲化鎘10~15%7~10%銅銦硒10~12%8~10%價(jià)格低廉、性能良好、工藝簡(jiǎn)單原材料來(lái)源比較有限納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池8~11%~8%成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池3~5.9%易制作、材料廣泛、成本低壽命短4光伏電池新技術(shù)5太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)展趨勢(shì)第一代光伏電池：基于硅晶體的光伏電池技術(shù)成熟典型光電轉(zhuǎn)換效率：1015%壽命>20yrsachieved電池價(jià)格的40%是硅的價(jià)格第二代光伏電池：基于薄膜技術(shù)：在襯底上沉積光伏電池活性物質(zhì)第三代光伏電池：非硅系第四代光伏電池：第四代光伏電池將從生物衍生。第四節(jié)太陽(yáng)能光化學(xué)利用利用光化學(xué)反應(yīng)可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。主要有3種方法：光合作用；光化學(xué)作用-光解水制氫；光電轉(zhuǎn)換-電解水制氫1光合作用葉綠素吸收光能通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成碳水化合物、同時(shí)把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（ATP、NADPH）的過(guò)程。光合作用包括兩個(gè)主要步驟：=1\*GB3①光反應(yīng)：光能→化學(xué)能。光反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上，是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。=2\*GB3②暗發(fā)應(yīng)：暗反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的基質(zhì)中，是植物固定二氧化碳生產(chǎn)葡萄糖的過(guò)程。光合產(chǎn)物－淀粉是在基質(zhì)中形成和貯存起來(lái)的。2光化學(xué)作用—光解水制氫水解反應(yīng)方程式為：H=-285.85kJ/mol。光催化分解水制氫以半導(dǎo)體為催化劑的光電化學(xué)分解水制氫以金屬配合物模擬光合作用的光解水制氫=1\*GB3①半導(dǎo)體催化光解水制氫TiO2光催化分解水反應(yīng)陰極：2H++2e-H2陽(yáng)極：（TiO2）2e-+2P（空穴）H2O+2P+2H++?O2總反應(yīng)：=2\*GB3②配合物模擬光合作用的光解水制氫模擬光合作用的吸光、電荷轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)能和氧化還原反應(yīng)等。3光電轉(zhuǎn)換—電解水制氫利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能用于制氫目前主要有兩種方式：太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的電能電解水制氫將半導(dǎo)體電極直接注入水中電解制氫第五節(jié)太陽(yáng)能空間電站研制一種太陽(yáng)能動(dòng)力衛(wèi)星，并把它發(fā)送到距地面3.5萬(wàn)多公里的高空，且與地球同步的軌道上（在這一軌道上，衛(wèi)星繞地球飛行一圈的時(shí)間，正好與地球自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間相同），這樣就可以用它把太陽(yáng)能直接引到地球上。第六節(jié)太陽(yáng)能的儲(chǔ)存與輸送除太陽(yáng)能電池外，使用比較普遍的儲(chǔ)存太陽(yáng)能的方法是，先將太陽(yáng)能變成熱能，然后再將熱能儲(chǔ)存在密封、隔熱的水池中，以供需要時(shí)使用。

第六章氫能氫能的特點(diǎn)氫的制取氫的存儲(chǔ)與運(yùn)輸氫的利用第一節(jié)氫能的特點(diǎn)氫只是能量的一種儲(chǔ)存形式，是能源載體，不是能源。氫同位素有：1H氕（氫），原子核內(nèi)有1個(gè)質(zhì)子，無(wú)中子，（99.98%）；2H氘（重氫）（D），質(zhì)量數(shù)為2，原子核中有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，（0.02%）；3H氚（超重氫）（T），原子核由一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，質(zhì)量數(shù)為3，（0.1ppm）。存在：自然界中主要以化合態(tài)形式存在，其中以水和碳?xì)浠衔餅橹?。常溫常壓下為氣態(tài)，在超低溫高壓下又可成為液態(tài)。氫氣在通常狀況下為無(wú)色、無(wú)氣味的氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫氣的密度為0.0899g/l，是最輕的氣體（密度最小）；分子晶體，熔沸點(diǎn)很低；在-252.7C時(shí)，可成為無(wú)色液體，101Kpa，相圖：相圖是表示物質(zhì)所處的平衡狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）與溫度和壓力的關(guān)系圖。氫的相圖參數(shù)氫沸點(diǎn)[K]20.3熔點(diǎn)[K]14.01三相點(diǎn)：溫度[K]壓力[kPa]13.87.2臨界點(diǎn)：溫度[K]壓力[MPa]密度[kg/m3]33.251.29731.41千帕(kPa)=0.0098大氣壓(atm)氫同位素沸點(diǎn)和三相點(diǎn)：種類沸點(diǎn)（K）三相點(diǎn)（K）氫氣（H2）20.3813.95氘氣（D2）23.6718.73氚氣（T2）25.0420.26特點(diǎn)氫比較重量熱值（LHV）（MJ/kg）120汽油44.5，天然氣50體積熱值（STP）（MJ/m3）10.7天然氣39體積熱值（液態(tài)）（MJ/litre）8.24天然氣30.96沸點(diǎn)（°C）-252.7天然氣-162除核燃料外，氫的發(fā)熱值高，是汽油發(fā)熱值的3倍，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。氫的燃燒性能：氫燃燒性能好，點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)，可燃范圍寬，著火能低，燃燒速度快。氫氣在空氣中的可燃極限是4-75%（體積比）。氫氣在空氣中的爆炸極限是18.2-58.9%（體積比）。輻射熱低，著火能低。燃料性能性能氫H2甲烷CH4甲醇CH3OH汽油沸點(diǎn)(°C)-253-16265widerange25°CGasGasLiquidLiquid重量熱值 LHV(MJ/kg) HHV(MJ/kg)1201424853202342-4444-46體積熱值 LHV(MJ/Nm3) HHV(MJ/Nm3)1113353915,70018,100~32,000~33,000可燃極限(vol%inair)4-755.3-156-36.51.4-7.6爆炸極限(vol%inair)18.2-58.95.7-146.7-361.4-3分子擴(kuò)散系數(shù)(cm2/sec)inair0.610.160.130.05空氣中自燃溫度(°C)571632470220液體密度(g/liter)77425792720-780第二節(jié)氫的制取氫的制取是將甲烷等化合物通過(guò)蒸汽重整分離出其中的氫，或者將水中的氫通過(guò)電解或熱化學(xué)分解出來(lái)。1實(shí)驗(yàn)室中制備氫氣實(shí)驗(yàn)室中制備氫氣主要包括金屬（金屬氫化物）與水/酸的反應(yīng)：2氫氣的工業(yè)生產(chǎn)方法1）水煤氣法制氫以煤為原料制氫的方法主要有煤的焦化和氣化。煤的焦化是在隔絕空氣的條件下于9001000過(guò)熱水蒸氣在高于1000將水煤氣和水蒸氣一起通過(guò)裝填有氧化鐵鈷催化劑的變換爐（400600C），可將CO轉(zhuǎn)換成H2和CO2）天然氣制氫天然氣或裂解石油氣制氫甲烷蒸汽重整（天然氣重整）：?H=+205.8kJ/mol變換反應(yīng)：?H=-41.2kJ/mol大規(guī)模的甲烷制氫裝置已商業(yè)化，效率高達(dá)80-85%。小規(guī)模的甲烷蒸汽重整還未商業(yè)化，效率為50-60%。甲烷部分氧化/自熱重整甲烷部分氧化生產(chǎn)合成氣CO和H2混合物：CH4+?O2CO+2H2ΔH=-36kJ/mol上述反應(yīng)與甲烷完全氧化反應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)：CH4+2O2CO2