21世紀(jì)天然氣化工發(fā)展和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

第1頁共6頁21世紀(jì)，天然氣化工摘要：筆者通過闡述了天然氣的分布情況、利用結(jié)構(gòu)和在化工領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢。特別地介紹了國內(nèi)外當(dāng)代天然氣化工技術(shù)進(jìn)展。以便與以后的天然氣化工的研究方向。指出了天然氣化工發(fā)展的越來越受到人們的關(guān)注。關(guān)鍵字：天然氣、21世紀(jì)、化工、化工利用、化學(xué)加工、應(yīng)用。前言天然氣組成以氣態(tài)低分子烴為主(主要成分是甲烷，同時(shí)也含有非烴氣體)。相對密度0.65。比空氣輕。具有無色、無味(天然氣公司皆遵照政府規(guī)定添加臭劑。例如四氫噻吩)、無毒、可燃的特性。天然氣的爆炸極限為5％～15％。天然氣燃燒后生成二氧化碳和水。產(chǎn)生的溫室氣體是煤炭燃燒的1／2。石油的2／3。由于天然氣熱值高，燃燒產(chǎn)物對環(huán)境污染少。是未來世界普遍采用的清潔能源。世界能源結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生變化。為此，各國政府也通過立法程序來傳達(dá)這種趨勢，發(fā)展天然氣工業(yè)已經(jīng)成為世界各國改善環(huán)境和維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。世界天然氣化工從2O世紀(jì)2O年代至今一直保持穩(wěn)定發(fā)展，近2O多年發(fā)展速度加快，2O世紀(jì)7O年代世界約5％左右的天然氣資源用作化工原料，2O世紀(jì)8O年代上升到約10％。近年由于天然氣產(chǎn)量大幅增加。此比例重新回落至5％左右(不包括我國)，中東、東歐、拉丁美洲、東南亞等地區(qū)均在8％～l1％范圍目前世界石油資源日趨緊缺。油價(jià)不斷刷新高位價(jià)格記錄．而天然氣的儲(chǔ)量和產(chǎn)量增長均超過石油。為此天然氣化工利用受到許多國家和地區(qū)的重視。2.天然氣發(fā)展現(xiàn)狀2.121世紀(jì)世界能源現(xiàn)狀世界上蘊(yùn)藏著相當(dāng)豐富的天然氣資源，常規(guī)資源總量327.4×1012，非常規(guī)資源總量849×1012，總計(jì)約1176.4×1012。截至2001年初，已探明儲(chǔ)量149.48×1012，待探明儲(chǔ)量152.6×1012，估計(jì)到2030年探明儲(chǔ)量可達(dá)404×1012。天然氣資源盡管以極高的消費(fèi)速度增長，世界范圍內(nèi)的天然氣供應(yīng)仍可保證100多年。因此，在未來20～30年里，世界范圍內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化。專家預(yù)測到本世紀(jì)中葉，世界能源結(jié)構(gòu)中天然氣將從目前的25%增加到40%，而石油將由現(xiàn)在的34%下降到20%，煤炭基本保持在27%左右。抓住機(jī)遇，推動(dòng)天然氣化工及綜合利用，是關(guān)系到解決未來能源的化工原料交替的戰(zhàn)略任務(wù)，也是造福子孫后代的重大決策。2.2我國天然氣的發(fā)展?fàn)顩r我國是天然氣資源比較豐富的國家，地質(zhì)資源總量約為38×1012～39×1012，位居世界第十位，其中陸上為30×1012，海上為9×1012m3。已探明儲(chǔ)量約1.9×1012m3，僅占資源總量的5%左右，列世界第16位，天然氣資源勘探潛力很大。近年來，我國天然氣勘探取得重大突破，陸上已在川渝、陜甘寧、新疆和青海形成四大氣區(qū)；海上氣田以渤海、南海西部地區(qū)和東海西湖凹陷作為重點(diǎn)勘探和增加產(chǎn)量的地區(qū)。2001年我國天然氣產(chǎn)量294×108。預(yù)計(jì)2005年和2010年我國的天然氣產(chǎn)量分別將達(dá)到630×108和860×108，增長速度較快。隨著國家對經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展問題的日益重視，政府逐步開始制定和頒布鼓勵(lì)天然氣工業(yè)發(fā)展的政策，不僅把天然氣工業(yè)作為能源基礎(chǔ)建設(shè)列為國家投資重點(diǎn)和鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，還明確鼓勵(lì)外商到中國進(jìn)行天然氣勘探開發(fā)、管道、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施等領(lǐng)域的合資合作，并且將出臺(tái)一系列鼓勵(lì)天然氣開發(fā)利用的政策法規(guī)，包括融資政策、價(jià)格政策和稅收政策等。3.天然氣化工以天然氣為原料生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品的工業(yè)，是燃料化工的組成部分。由于天然氣與石油同屬埋藏地下的烴類資源，有時(shí)且為共生礦藏，其加工工藝及產(chǎn)品相互有密切的關(guān)系，故也可將天然氣化工歸屬于石油化工。天然氣化工一般包括天然氣的凈化分離、化學(xué)加工（所含甲烷、乙烷、丙烷等烷烴的加工利用）。3.1天然氣的凈化分離凈化分離包括從地下采出的天然氣，在氣井現(xiàn)場，經(jīng)脫水、脫砂與分離凝析油后，根據(jù)氣體組成情況進(jìn)行進(jìn)一步的凈化分離加工。富含硫化物的天然氣，必須經(jīng)過脫硫處理，以達(dá)到輸送要求，副產(chǎn)品的硫磺作為硫資源，用以生產(chǎn)硫酸、二硫化碳等一系列硫化物；脫硫后，天然氣經(jīng)過深冷分離），可得到液化天然氣；若天然氣富含稀有氣體氦，可同時(shí)得到氦氣；若天然氣是富含乙烷以上烷烴的濕氣,則可同時(shí)得到天然氣凝析液,后者常采用精餾的方法，以回收乙烷、丙烷、丁烷，并且還有一部分凝析油。3.2化學(xué)加工包括在高溫下進(jìn)行的天然氣熱裂解，主要生產(chǎn)乙炔和炭黑；天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化或天然氣的部分氧化，可制得合成氣；天然氣經(jīng)過氯化、硫化、硝化、氨化氧化、氧化可制得甲烷的各種衍生物；濕性天然氣中的乙烷、丙烷、丁烷和天然氣凝析液等，經(jīng)蒸汽裂解或熱裂解可生產(chǎn)乙烯、丙烯和丁二烯；丁烷脫氫或氧化可生產(chǎn)丁二烯或醋酸、甲基乙基酮、順丁烯二酸酐等。4天然氣的利用天然氣化工比較發(fā)達(dá)的國家有美國、蘇聯(lián)、加拿大等。美國發(fā)展天然氣化工最早，產(chǎn)品品種和產(chǎn)量目前仍居首位。消耗于化學(xué)工業(yè)的天然氣，占該國化工行業(yè)所消耗原料和燃料總量的一半以上。20世紀(jì)70年代中期蘇聯(lián)調(diào)整了化學(xué)工業(yè)政策，加速發(fā)展天然氣化工生產(chǎn)。在西伯利亞天然氣產(chǎn)區(qū)新建生產(chǎn)裝置，大規(guī)模應(yīng)用于合成氨、甲醇和乙烯、二硫化碳。目前，其天然氣化工產(chǎn)品產(chǎn)量僅次于美國。加拿大有豐富的天然氣資源，用于合成氨、尿素、甲醇和乙烯的生產(chǎn)。主要產(chǎn)品方向1980年世界主要國家的天然氣化工產(chǎn)品產(chǎn)量超過150Mt。年產(chǎn)10Mt以上的產(chǎn)品有合成氨、尿素、甲醇、甲醛和乙烯。在世界合成氨產(chǎn)量中，約80％以天然氣為原料。中國天然氣化工始于20世紀(jì)60年代初，現(xiàn)已初具規(guī)模，主要分布于四川、黑龍江、遼寧、山東、臺(tái)灣省等地。中國天然氣主要用于生產(chǎn)氮肥，其次是生產(chǎn)甲醇、甲醛、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷、氫氰酸和炭黑以及提取氦氣。70年代以來，已興建多座天然氣和油田伴生氣為原料的大型合成氨廠，以及一批中、小型合成氨廠，使全國合成氨生產(chǎn)原料結(jié)構(gòu)中，天然氣所占的比例約達(dá)到30％；同時(shí)還興建了天然氣制乙炔工廠，以制造維尼綸和醋酸乙烯酯，乙炔尾氣用于生產(chǎn)甲醇。采用天然氣熱氯化法生產(chǎn)二氯甲烷以供感光材料工業(yè)作溶劑。目前，中國的天然氣一次化學(xué)加工產(chǎn)品總產(chǎn)量約為70年代初期的14倍。前景隨著世界對能源需要的增長，北海、中東、北非、南美和蘇聯(lián)的天然氣和石油伴生氣資源正在加速開發(fā)利用，世界天然氣產(chǎn)量穩(wěn)定增長，為天然氣化工蓬勃發(fā)展提供充足的原料和能源。4當(dāng)代天然氣化工的技術(shù)進(jìn)展4.1甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯(OCM)自從1982年美國UCC公司發(fā)表了甲烷可直接氧化偶聯(lián)制得乙烯的第一篇報(bào)告以來，世界上40多個(gè)國家的實(shí)驗(yàn)室對2000種催化劑進(jìn)行篩選，使用了除周期表中零族以外的全部元素，其中以堿金屬、堿土金屬和稀有金屬氧化物的催化活性較好。目前甲烷轉(zhuǎn)化率20%～40%，C2+選擇性50%～80%，C2+烴收率在14%～25%之間。由于反應(yīng)屬于表面引發(fā)氣相自由基與氣固相反應(yīng)相結(jié)合的機(jī)理，而且乙烷的氧化脫氫能力又大于甲烷，因而甲烷轉(zhuǎn)化率與C2+選擇性之和難超過100%，即C2+收率不易突破25%，因此其經(jīng)濟(jì)效益還不能與石油制乙烯相比。此外在工程開發(fā)上，高溫強(qiáng)放熱反應(yīng)使反應(yīng)器設(shè)計(jì)困難，目前常用的反應(yīng)器為薄層式兩段反應(yīng)器。普遍認(rèn)為單靠改進(jìn)催化劑來突破C2+25%的收率很困難，只有在整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的情況下，尋求最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案，特別是一次通過不循環(huán)，直接利用稀乙烯的方案。產(chǎn)品氣中乙烯、乙烷的分離復(fù)雜，無論是深冷分離法、膨脹機(jī)法、絡(luò)合分離法、中冷油吸收法和吸附分離法，都有投資和成本偏大的問題。4.2甲烷直接合成芳烴甲烷無氧條件下催化脫氫芳構(gòu)化(DHAM)制芳烴，是近年甲烷優(yōu)化利用的新方法之一。迄今報(bào)道催化劑多以HZSM-5分子篩為載體負(fù)載過渡金屬(Pd，Pt，Re，Mo等)氧化物，其中以改性Mo/HZSM-5最佳。在常壓、800℃以上進(jìn)行反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到20%左右，但高溫下Mo易流失。國內(nèi)廈門大學(xué)提出W-Zn-H2SO4/HZSM-5催化劑，穩(wěn)定性有所提高，CH4轉(zhuǎn)化率可達(dá)23%以上，苯選擇性97%，未觀察到W的流失，且3h結(jié)炭量僅0.02%，明顯優(yōu)于迄今國內(nèi)外的報(bào)告。4.3甲烷直接部分氧化制甲醛/甲醇在壓力4.9～9.8MPa、溫度320～400℃、空速15000～25000h-1下甲烷直接氧化，其轉(zhuǎn)化率可達(dá)10%，選擇性可達(dá)60%～90%，收率可達(dá)4%。俄羅斯在均相氧化的基礎(chǔ)上，開發(fā)了CPO工藝，在邊遠(yuǎn)天然氣氣田使用。國內(nèi)利用膜分離技術(shù)進(jìn)行研究，也進(jìn)行了多相催化劑的研究。4.4用等離子技術(shù)加工甲烷由于甲烷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為了獲取各種化合物，采用等離子技術(shù)是一種方法。早期用等離子體制乙炔和炭黑，近年來研究用非平衡等離子體使甲烷氧化制甲醛，CH4/O2比1.4左右，7×10-1mmHg真空下，甲烷轉(zhuǎn)化率可達(dá)30%，甲醛選擇性達(dá)80%，甲酸+甲醛總選擇性>97%。利用輝光放電等離子體法從甲烷制取類金剛石膜，采用頻率為13.56MHz的射頻電源，平行板電極，在功率為80～120W、電壓為100～300V、真空度1～10Pa下，炭沉積速率達(dá)50～10.0nm/min。用冷等離子體使甲烷脫氫偶聯(lián)制C2烴，轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到18%，生成C2烴（乙烷、乙炔、乙烯）選擇性大于60%。4.4甲烷直接轉(zhuǎn)化制甲醇美國加利福尼亞州的長塔利蒂卡新技術(shù)公司和丹麥技術(shù)大學(xué)都報(bào)告了甲烷有選擇性地氧化甲醇的高效催化劑，這樣的催化劑被美國著名權(quán)威刊物《Chemical&EngineeringNews》在1993年列為世界上催化劑研究的十大挑戰(zhàn)難題。與現(xiàn)有的甲醇生產(chǎn)方法相比，直接法具有明顯的優(yōu)勢：(1)反應(yīng)條件更溫和，壓力2～4MPa，溫度<200℃；(2)原料天然氣不需脫硫，單程轉(zhuǎn)化率>98%，原料氣消耗低(720～750m3/t)；(3)建廠投資降低約30%。4.5其他處于探索階段的技術(shù)包括甲烷無氧催化轉(zhuǎn)化制高級(jí)烷烴、甲烷直接合成萘、甲烷羰基化、甲烷直接轉(zhuǎn)化制乙醇、甲烷低溫氧化制甲酸、甲烷催化分解制碳纖維等。5.結(jié)束語總之，現(xiàn)在越來越多的人意識(shí)到天然氣化工的重要性，油氣并舉甚至以天然氣為主的思想正逐漸被人們所接受。開發(fā)利用天然氣是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。我國天然氣資源比較豐富，具備較好的資源基礎(chǔ)，潛力巨大，前景廣闊。在天然氣化工發(fā)展的初期，國家應(yīng)綜合平衡天然氣的供氣量、供氣價(jià)格，使天然氣用戶能保本微利，以促進(jìn)天然氣化工企業(yè)的良性發(fā)展。參考文獻(xiàn)【1】劉小鴻，等．渤中3—2邊際小汕氣田開發(fā)策略研究2010，30（1）。【2】余黎明。中國天然氣化工產(chǎn)業(yè)資源利用的前景分析。中商情報(bào)網(wǎng)。【3】王春風(fēng)。天然氣利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。管理觀察。2010，6【4】周正明。碳一化學(xué)和天然氣化工發(fā)展趨勢和最新進(jìn)展。西南化工研究設(shè)計(jì)院(成都610225)。

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不停地進(jìn)行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲(chǔ)量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲(chǔ)量和使用量統(tǒng)計(jì),世界上煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計(jì),中國煤,石油和天然氣的儲(chǔ)采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時(shí)間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費(fèi)總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計(jì),我國在2004,2020和2050年的石油消費(fèi)量達(dá)3,4.5和6億噸,其中進(jìn)口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國的石油進(jìn)口量,這不但會(huì)制約我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂显斐蓢?yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會(huì)造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機(jī)構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計(jì)到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個(gè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個(gè)在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟(jì)南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費(fèi).目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個(gè)國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個(gè)國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報(bào)告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測,20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(huì)(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報(bào)告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲(chǔ)量較少,而煤炭儲(chǔ)量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計(jì),世界甲烷水合物的儲(chǔ)量可能超過石油,天然氣和煤炭儲(chǔ)量的總和.因此,甲烷水合物作為儲(chǔ)量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì)末,全世界運(yùn)行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個(gè)國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢,我國準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因?yàn)樵诤Ｋ写蠹s有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點(diǎn).(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達(dá)4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾.(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個(gè)沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn).(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃?xì)?實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點(diǎn)主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟(jì)的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟(jì)效益,這是生物質(zhì)能至今未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實(shí)現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點(diǎn)太陽能的優(yōu)點(diǎn)(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進(jìn)行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時(shí),相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個(gè)住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計(jì)劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達(dá)幾百兆瓦,但由于價(jià)格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達(dá)到實(shí)用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點(diǎn)氫能的優(yōu)點(diǎn)(1)氫是自然界儲(chǔ)量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會(huì).2003年在華盛頓召開15個(gè)國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.冰島計(jì)劃用40年時(shí)間將冰島建成"氫社會(huì)".布什將投資120億美元來促進(jìn)氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進(jìn)入氫能時(shí)代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機(jī)我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會(huì)議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的中美雙邊會(huì)議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會(huì),主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進(jìn)行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價(jià)格氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的價(jià)格問題,是影響走進(jìn)氫能時(shí)代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價(jià)格,必須形成氫的制備,儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價(jià)格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲(chǔ)存,碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn),從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進(jìn)展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離.(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問題(3)氫的儲(chǔ)運(yùn)問題氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要解決儲(chǔ)運(yùn)的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不過關(guān),因此浪費(fèi)了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲(chǔ)運(yùn)問題也是走進(jìn)氫能時(shí)代的一個(gè)很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲(chǔ)運(yùn)還有很大問題.(a)高壓儲(chǔ)氫:儲(chǔ)氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲(chǔ)氫:很不方便,儲(chǔ)氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲(chǔ)氫:這是目前的研究熱點(diǎn),但儲(chǔ)氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲(chǔ)氫在3%,但儲(chǔ)放不可逆.熱門一時(shí)的納米碳管儲(chǔ)氫也已沒有了希望,最終的儲(chǔ)氫量也只有1%左右.(e)化合物儲(chǔ)氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進(jìn)氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時(shí)代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點(diǎn),而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時(shí)才能商品化是一個(gè)與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會(huì)改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達(dá)15%.泄漏的氫會(huì)在大氣形成水霧,它會(huì)象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會(huì)產(chǎn)生很大的不安全性,手機(jī)等的火花就會(huì)使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計(jì),如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達(dá)到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機(jī)要占的面積要有半個(gè)加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個(gè)微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費(fèi)大于氫燃料的研究經(jīng)費(fèi).美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費(fèi)每月390億美元.(7)氫燃料電池價(jià)格昂貴.目前內(nèi)燃機(jī)成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計(jì)大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費(fèi)大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點(diǎn).(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進(jìn)氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點(diǎn).2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高缺點(diǎn):對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點(diǎn):用貴金屬作催化劑,價(jià)格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點(diǎn):對CO敏感,價(jià)格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機(jī)50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動(dòng)的小型電子儀器設(shè)備動(dòng)力源優(yōu)點(diǎn):比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會(huì)透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達(dá)80%.問題:高溫下,電解液會(huì)腐蝕電極材料.壽命2萬小時(shí),商業(yè)上要4萬小時(shí).(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強(qiáng).能量轉(zhuǎn)換率最高,可達(dá)80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價(jià)格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動(dòng)車樣車.電動(dòng)車樣車.已出現(xiàn)許多電動(dòng)車樣車我國計(jì)劃,年奧運(yùn)會(huì)期間,我國計(jì)劃,到2008年奧運(yùn)會(huì)期間,將有我年奧運(yùn)會(huì)期間國生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會(huì)期間,輛燃料電池公交到2010年世博會(huì)期間,20輛燃料電池公交年世博會(huì)期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動(dòng)輛燃料電池出租車輛電動(dòng)汽車以及一批燃料電池場地車和郵政車都將投入運(yùn)行,屆時(shí),上海將建成5座加氫將投入運(yùn)行,屆時(shí),上海將建成座加氫站來滿足這些車輛對氫燃料的需求對氫燃料的需求.站來滿足這些車輛對氫燃料的需求.(2)PEMFC商業(yè)化的問題商業(yè)化的問題(a)價(jià)格問題價(jià)格問題美國能源部認(rèn)為,汽車用PEMFC的最終的價(jià)格達(dá)到$50-100/kW時(shí),才能有競爭能力,因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)的價(jià)格為$50/kW左右,而現(xiàn)在PEMFC的價(jià)格在$800/kW左右.在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)上,即使PEMFC