化工能源与技术

化工能源与节能技术化学与材料工程系主要内容•第一章绪论•第二章能源及能源利用现状•第三章节能的热力学基础•第四章流体输送过程设备的节能•第五章传热过程的节能•第六章分离过程的节能•第七章制冷与热泵节能•第八章反应节能•第九章系统节能第二章能源及能源利用现状•2.1能量与能源•2.2能源分类•2.3能量转换过程及转换设备或系统•2.4传统能源技术进展•2.5可再生能源的开发•2.6蓄能和换能技术•★可再生能源开发利用情况2.1能量与能源•能量——宇宙间一切运动着的物体，都有能量的存在和转化，人类一切活动都与能量及其使用紧密相关。•所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能力”。反过来说，产生某种效果（变化）必然要伴随能量的消耗和转换。人类所认识的六种能量形式•机械能•热能•电能•辐射能•化学能•核能1.机械能•包括固体和流体的动能、势能、弹性能及表面张力能等。•动能和势能统称为宏观机械能——人类认识最早的能量。2.热能•构成物体的微观分子运动的动能表现为热能。它的宏观表现是温度的高低，反映了分子运动的强度。•地球上最大的热能资源应为地热能。3.电能•它和电子流动与积累有关，通常由电池中的化学能转化而来，或通过发电机由机械能转换得到。•反之，电能也可以通过电动机转化为机械能——电做功。•在自然界中，还有雷电等电能。4.辐射能•即物体以电磁波形式发射的能量。如太阳能，太阳是最大的辐射源。5.化学能•它是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。•按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能，称为化学能。•利用最普遍的化学能是燃烧碳和氢。6.核能它是蕴藏在原子核内部的物质结构能。核反应有两种：•核裂变反应23592U+10n→14456Ba+8956Kr+310n23592U+10n→14054Xe+9438Sr+210nΔH=8.2×1010J/g相当于煤的250万倍。原子弹工作原理：让裂变能量不断积累，最后在瞬间酿成重大的爆炸。核聚变反应•21H+31H→42HeΔH=5.8×1011J/g，相当煤的1000万倍。•优点：•A、聚变产物是稳定的氦核，无放射性污染，没有难处理的废料；•B、氘资源丰富，海水中氘：氢＝1.5×10－14。•核聚变发电困难：•A、聚变反应需要非常高温度（109℃如何“点火”？氢弹用一个小的原子弹作引爆装置，产生瞬间高温。考虑化学激光）•B、如何约束：用什么材料制造反应器？考虑耐火陶瓷。•探索21H+63Li→242He（温度低些的聚变反应，处于实验室初探阶段）2.2能源分类能源是指人类用来获取能量的自然资源1.按来源不同可把能源分为三类（1）来自地球以外天体的能量（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）；•（2）地球的本身蕴藏的能量资源（如地热能等）•（3）地球与其他天体相互作用而产生的能量（如潮汐能等）2.按形成条件不同，可把能源分为两类•（1）一次能源，指天然存在的、可直接利用的（如原煤、原油、天然气、水力、太阳能等）•（2）二次能源，在一次能源基础上加工而成的（如电力、汽油、煤气、沼气、氢气等）3.按能否反复利用，可把能源(一次)分为两类•（1）再生能源（如太阳能、风能、水力等）；•（2）非再生能源（煤炭、石油、天然气等）。4.按开发使用的程度不同，可把能源分为两类•常规能源，指已被广泛利用的能源；•新能源，指未被广泛利用、正在研究开发、有待推广的能源。（辩证地看）5.按能源本身的性质分•含能体能源（燃料能源），如石油、煤、天然气、地热、氢等，它们可以直接储存；•过程性能源（非燃料能源），它们无法直接储存，如风能、水能、海流、潮汐、波浪、火山爆发、雷电、电磁能和一般热能等。6.按对环境的污染分•清洁能源，即对环境无污染或污染很小的能源，如太阳能、水能、海洋能等；•非清洁能源，即对环境污染较大的能源，如煤、石油等。2-3能量转换过程及转换设备或系统能量的转换广义地说，能量转换应包含三项内容：•能量的形态转换，即通常所谓的能量转换；•能量的空间转换，即能量的传输；•能量的时间转换，即能量的储存。能量的转换能源能源形态转换过程转换机械或系统石油、煤炭、天然气等矿物燃料氢和酒精等二次能源化学能热能化学能热能机械能化学能热能机械能电能化学能电能热能化学能电能炉子、燃烧器各种热力发动机热机、发电机，磁流体发电，EGD发电（压电效应）热力发电，热电子发电燃料电池能源能源形态转换过程转换机械或系统水力、风力、潮汐、海流、波浪太阳能机械能机械能机械能机械能电能光能热能光能热能机械能电能光能热能电能光能电能光能化学能光能生物能电磁波电能水车、风车。水轮机——发电机，波力发电、风力发电、潮汐发电、海流发电热水器，采暖、制冷、光化学反应，太阳灶太阳热发动机太阳热发电热力发电，热电子发电光电池、光化学电池光化学反应（水分解）光合成能源能源形态转换过程转换机械或系统核能核分裂热能机械能电能核分裂热能核分裂热能电能核分裂电磁能电能核聚变热能机械能电能电能光（激光）热能电能热能聚变核发电，磁流体发电核能炼钢热力发电，热电子发电光电池核聚变发电1.热能的产生燃料燃烧核能转换太阳能转换地热电能转换燃烧设备燃烧器燃烧容器内燃烧气体燃料的燃烧外燃内燃油的燃烧层燃（层状燃烧）室燃（粉状燃烧）煤的燃烧燃烧方式燃烧设备锅炉工业炉窑化学能热能2.机械能的获取机械能化学能热机转换热机效率内燃机——往复运动热机燃气轮机——外燃式热机蒸汽轮机——将蒸汽热能转换为机械功的热机燃烧室发电机燃料空气废气电机转换异步电动机同步电动机交流电动机复励式并励式串励式直流电动机3.电能的生产电能辐射能化学能差磁流体发电、热电偶温机电转换电动机发电机热电转换磁流体发电热电偶温差发电热电子发电4.电化学电池燃料电池燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。用于电动自行车的金属储氢装置2.4传统能源技术进展传统能源主要是化石燃料，按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天然气和油砂。1.煤的转化•洁煤技术：有两条途径，即一是先进燃烧和污染处理，二是气化和液化煤，将煤转化为含一氧化碳和氢的“合成气”。•（1）煤炭液化——对固体煤炭经过化学加工，使它转化为烃类；或把煤气合成为烃类（或醇类），转为液态。•（2）煤炭气化——以煤炭作为原料，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。火力发电生产流程示意图火电厂外景加压气化法城市煤气生2.石油的精炼石油经过精制后可得到汽油、煤油、柴油和重油。目的1：是从复杂的原油中提取粘度较小的能充分燃烧的烃类。其中辛烷最好，因此汽油常根据辛烷值来标号。目的2：就是把不好的分子转变为好的分子。如长链烷烃容易引起汽缸爆震。精炼方法一般是先根据不同沸点把不同成分分离开，然后除硫再向高辛烷转变。3.天然气液化天然气是埋藏在地层深处的一种富含碳氢化合物的可燃气体。主要成分是甲烷，其次是乙烷、丙烷、丁烷和其他重质气态烃类。天然气是理想的气体燃料，但难以长途运输和妥善贮存。为解决这些问题，把气态天然气变成液态天然气。但液态天然气的制造成本高，而且不能直接用作燃料，还得使它蒸发变为气态，增加能耗。为了更经济合理，利用天然气作原料合成甲醇。甲醇性能稳定，象石油一样能直接当作燃料，使用时不污染环境，便于运输和贮存。天然气热裂解制乙炔炉能源系统能源系统指把全社会的能源利用看成一个系统，加以控制和平衡。包括热电联合系统，集中供热系统，综合用热系统，低温余热利用系统，总能系统等。如在市中心建立一些集中供热的工厂，像电厂供电、水厂供水那样，就可节省大量燃煤。如这些供热工厂与电厂联合组成热电厂，既生产电力又生产热水或蒸气，燃料利用率会更高。再进一步，可把城市垃圾加工成燃料，支持热电厂。发电厂涡轮热能发电2.5可再生能源的开发•在1995年颁布的《电力法》“总则”和明确提出，国家鼓励和支持利用可再生能源和清洁能源来发电。•1995年，国家计委、国家科委、国家经贸委又根据上述法律及方针、战略制定印发了《新能源和可再生能源发展纲要(1996—2010)》，通过计划组织安排落实。•1992年国务院批准的《中国环境发展十大对策》中明确提出，要“因地制宜地开发利用和推广大阳能、风能、地热能、生物质能等新能源”。•中国于1997年颁布了《节约能源法》，从1978年到2004年中国以年均增长4.8%的能源消费支撑了年均9.4%的经济发展速度，1990年至2004年中国每万元GDP能耗下降了45%，中国政府制定了《节能中长期发展规划》•中国全国人大常委会已通过了《可再生能源法》，为我国可再生能源发展提供法律保证。可再生能源的开发主要是太阳能的开发。太阳射向地球的总能量为8.0×1013kW。每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。目前太阳能利用转化率约为10％～12％。据此推算，到2020年全世界能源消费总量大约需要25万亿立升原油，如果用太阳能替代，只需要约97万平方公里的一块吸太阳能的“光板”就可实现。1.太阳能太阳能的转换和利用方式有光——热转换、光——电转换和光——化学转换等。光——热转换：接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生活的一些方面，是光一热转换即太阳能光热利用的基本方式。光——电转换；利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的光能直接转换成为电能，称为光一电转换，即太阳能光电利用。光——化学转换；光一化学转换目前尚处于研究开发阶段，这种转换技术包括半导体电极产生电面电解水产生包、利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等内容。太阳能加热器太阳能发电系统太阳能发电原理光-电转换光-电转换主要是利用太阳能电池转换。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作薄膜式太阳能电池为主流。平面单晶硅高效电池结构图按结晶状态分类：结晶系膜式：单结晶形和多结晶形。非结晶系膜式按材料可分类：硅薄膜形化合物半导体薄膜形有机薄膜形等。太阳能电池目前太阳能电池效率可达到20％太阳能电池原理掺入磷原子后，形成P型半导体磷原子硼原子空穴电子发展方向•太阳能建筑、太阳热水器要形成规模化生产；降低太阳能电池成本，提高光电转换效率；•大力推广应用小功率光伏电源系统；建立分散型和集中型联网光伏示范电站。•到2010年，太阳能利用总量达到467万t标准煤。太阳能发电图光伏发电图青海太阳能发电图住宅太阳能发电系统太阳能发电家用系统2千瓦美国加洲太阳发电2.地热能按目前钻井技术可钻到地下10公里的深度，估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。地热资源有两种：一种是地下蒸汽或地热水（温泉），这种电能已占总发电量的0.3％。另一种是地下干热岩体的热能。1904年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站，功率为550千瓦，开地热能利用之先河。其后，意大利的地热发电发展到50多万千瓦。到80年代末，全世界运行的地热电站，其发电功率每年已超过500万千瓦，1995年达到680万千瓦，年增16％。中国最著名的地热电站，是西藏的羊八井地热电站，装机容量2.5万千瓦。地热发电系统3.生物质能全世界每年通过光合作用固化的太阳能，陆地为1.917×1021J；海洋为9.21×1020J。相当于全世界年耗能量的10倍。一个360万平方公里的陆地表面，假定太阳能转化率为1％，从理论上讲，生产的生物质就足以解决全世界的能源需求了。森林能源的直接效益（生产木材）和间接效益的价值之比为1:9。薪炭林薪炭林一般二三年就可砍伐木质燃料不含硫，燃烧的剩余物是理想的肥料。开发森林能源有利于森林更新，提高营林水平，促进木材采运的现代化。发展森林能源，成本低，依靠现有的人力物力就可办到，不需要很高的技术；木材工业可以利用自身剩余物达到能源自给或部分自给