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化工与新能源材料及应用2011.09目录化工与生物质能资源清洁转化及应用化工与洁净煤技术生产及应用化工与风力发电开发及应用化工与氢能和燃料电池及应用化工与“绿色二次电池”及应用石油与天然气能源的可持续发展化工与新能源材料化工与太阳能利用及应用•1.1研究背景1.化工能源与新材料石油50年煤炭200年能源危机环境污染•1.2能源的定义与分类能源:比较集中的含能体或能量过程,可以直接或经转化提供人类所需的光、热、动力等任何形式能量的载能体资源。按能源形成的条件:一次能源:以现成形式存在于自然界中的能源称为一次能源。二次能源:经过人类加工生产出来的能源称为二次能源。新能源:指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源。新能源氢能生物质能风能核能太阳能地热能海洋能纳米新能源一次能源二次能源新能源分类•氢能:氢燃烧释放的能量。氢作为能源有以下几大优点:(1)氢是宇宙中最丰富的元素,覆盖地球表明四分之三的海洋水中就含有氢。(2)氢在燃烧时不放出污染物,是理想的绿色能源。(3)氢的质量最轻,是元素周期表中最轻的元素,与其它物质相比,氢的燃烧热值高。生物质能:是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。生物质能既可直接利用,也可转化成氢气、乙醇、沼气等含能物质间接使用。风能是太阳辐射能的一种转化形式,是太阳辐射引起的空气流动动能。风能的大小与风速的三次方及风通过的面积和空气的密度成正比。风能密度是指每秒通过每平方米面积的风所具有的动能。•核能:由原子核的链式反应所产生的能量,包括应用于原子电站的核裂变和核聚变•太阳能:是各种可再生能源中最重要的基本能源。•利用最有效的途径是太阳能的化学转化和储存,以及通过“光电效应”原理,把太阳能转变为电能。•地热能:能够经济地为人类所开发和利用的蕴藏在地球内部的热资源。•地球本身是一座巨大的天然储热库。地壳、地幔、地核都蕴藏着不同量的热能。•地热发电不需要燃料、锅炉、运输设备等,是一种比煤、核能等发电便宜得多的能源利用方式。我国用于发电的地热资源主要集中在西藏、云南的横断山脉一线。第一座地热电站是西藏羊八井电站始建于1976年,已稳定运行了30多年。海洋能是指蕴藏在海洋中的可再生能源,主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能等。广义的海洋能还包括海洋上空的风能、太阳能及海洋生物质能等。优点:蕴藏丰富、分布广、清洁无污染缺点:能量密度低、地域性强,开发困难,存在局限性。纳米技术和纳米材料的出现为新能源实现本质上的飞跃提供了条件。从本质看,纳米新能源很大程度上是二次新能源,它主要是利用纳米材料和纳米技术为能量的储存和转化提供了非常便利的条件。原因:1纳米粒子表面能高而储存大量的能量;2纳米粒子表面活性大而吸附大量的其他含能物质;3纳米粒子作为催化剂对原有能源释放形式和释放过程进行一定改变和加速,使被催化的原有含能材料的能量释放更完全、更充分,从而达到提高能量的目的。2.化工与生物质能资源清洁转化及应用•2.1生物质能•生物质能就是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能形式存储在生物质中的能量。•在当今世界能源消费结构中,仅次于煤炭、石油和天然气,被称为“第四能源”。2.2生物能的特点2.2.1优点1.提供低硫燃料.2.提供廉价能源.3.将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如,垃圾燃料).4与其他非传统能源相比,技术难题较少.5燃烧容易、污染少、灰分低。2.2.2缺点1.小规模利用;2.植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物;3.单位土地面积的有机物能量偏低;4.缺乏适合栽种植物的土地;5.有机物的水分偏多(50%~90%),热值和热效率低,体积大不容易运输。2.3生物能分为两类-传统的和现代的2.3.1现代生物质木质废弃物(工业性的);甘蔗渣(工业性的);城市废物4生物燃料(包括沼气和能源型作物)。2.3.2传统生物质家庭使用的薪柴和木炭;稻草,也包括稻壳;其他的植物性废弃物;动物粪便。2.4、生物质能的种类(1)木材和森林工业废弃物(树枝、树叶、树根等);(2)农业废弃物(秸杆、果核、玉米芯等);(3)水生植物(藻类等)(4)油料植物(棉籽、麻籽、油桐等)(5)城市与工业有机废弃物(垃圾和食品、屠宰、制酒、制纸工业的排泄物等)(6)人畜粪便。•2.5生物质能的利用技术•2.5.1直接燃烧:炉灶燃烧、锅炉燃烧和成型燃料燃烧,炉灶燃烧热效率低于15%;锅炉燃烧热效率高,热电联产可达90%;成型燃料燃烧是把生物质固化成型后用于传统的燃烧设备,电耗较高。2.5.2生物化学转换分为厌氧发酵和生物酶技术两类。(1)厌氧发酵主要将工业废液和人畜粪便等非固体生物质如植物的秸杆、枝叶、杂草等分解为沼气。(2)生物酶技术是把生物质含糖类、淀粉(C6H10O5)n较多的农作物(如玉米、高粱)为原料生化转化成乙醇。燃料乙醇是用于做发动机燃料的乙醇,与普通食用酒精相比含水率低,不大于0.5%,纯度要求也较低。燃料乙醇的优点可作为新的燃料,减少对石油的消耗。燃料乙醇作为可再生能源,可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,可减少对石油的依赖,保障本国能源的安全可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,而不用更换发动机。汽油中加入燃料乙醇可大大提高汽油的辛烷值,有效地提高汽油的抗爆性。作为汽油添加剂,可减少汽油消耗量,增加燃烧的含氧量,使汽油更充分燃烧。乙醇是可再生能源,若采用甜高粱、小麦、玉米、稻谷壳、薯类、甘蔗、糖蜜等生物质发酵生产乙醇,其燃烧所排放的CO2和作为原料的生物源生长所消耗的CO2在数量上基本持平,这对减少大气污染及抑制温室效应意义重大。燃料乙醇的缺点乙醇汽油的保质期只有一个月。过了保质期的乙醇汽油容易出现的分层现象,在油罐油箱中容易变浑浊,打不着火。乙醇汽油对环境要求非常高,非常怕水,保质期短,因此销售乙醇汽油要比普通汽油在调配、储存、运输、销售各环节要严格得多。2.5.3热化学转化:热解干馏、热解气化和热解液化热解干馏将木质生物质转化为炭、燃气和多种化学品,缺点是利用率低,与原料适应性不强;热解气化可将生物质转化为可燃气体,既可用作生活煤气,也可用作制氢或合成气的原料,还可通过锅炉或内燃机等转化为热能或电能;热解液化是在中温闪速加热条件下使生物质迅速热解、然后对热解产物迅速冷凝获得一种称为生物油的初级液体燃料,提质后可替代柴油汽油用于内燃机。2.6生物质能的转换方式现代生物质能技术为我国工业、农业提供了极大的发展空间,利用现代技术可以将生物质能转化为固态、液态和气态的生物质燃料,显著改善能源利用与工作环境。2.6.1固态生物质燃料(1)直接燃烧的生物质,利用薪柴、秸秆和畜粪等有机物质为燃料,通过对传统炉灶结构和燃烧方式进行改进,可以提高热效率。(2)压缩成型燃料,生物质压缩致密成型技术是在一定温度和压力作用下,将各类生物质压制成密度较大的棒状、块状或颗粒状等成型饲料或成型燃料的技术。(3)生物质与煤混合燃烧的燃料,主要用来发电。2.6.2液态生物质燃料液态生物质燃料是指利用生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油等,用以替代由石油资源制取的汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向之一。燃料乙醇技术:主要采用生物发酵法。发酵法的原料主要是玉米、谷物等糖类或淀粉类粮食作物和废树木、农作物秸秆等纤维素类原料。生物柴油:是燃料乙醇外的另一种液体生物质燃料,它是以油料作物(如麻风树、黄连木等植物)、野生油料作物等植物油脂,以及动物油脂、废餐饮油等为原料油通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料。生物柴油可以替代部分石油等化石资源,具有温室气体排放量少、排放物易于生物降解等特点。生物柴油的3种制作方法:化学碱法、超临界方法和酶法。化学法的特点是工艺简单,但对原料有选择,不适合用于酸值特别高的废油脂;超临界的方法是发展方向,因为不需要催化剂,但设备要求高,适合于大规模装置;酶法是一种清洁的生产工艺,对原料没有选择性,设备简单,能耗低,而且环境友好,但是成本较高。2.6.3气态生物质燃料生物质气化是通过化学方法将固体生物质能转化为气体燃料;气态生物质燃料包括沼气、生物质气化制气等。2.7生物质发电生物质发电的三种形式:气化发电、直燃发电、热电联供技术。秸秆燃烧发电,热效率可达90%;生物质能净转化效率40%2.8我国生物技术的现状在生物燃料的规模化生产方面,巴西、美国、德国和中国处于世界的领先位置。与国外相比,我国生物质能技术存在较大差距:(1)厌氧消化产气率低(2)系统运行和管理自动化水平不高(3)与厌氧消化和综合利用配套的技术和设备还不成熟(4)厌氧消化技术产业化发展缓慢,不便于大规模市场推进(5)秸秆气化热值低,在稳定运行、焦油清除、气体净化等技术上需要提高(6)缺乏秸秆直接燃烧供热技术研究和设备开发,不便于多途径能源利用(7)生物质发电技术和装置方面有较大差距。3.化工与洁净煤技术生产及应用3.1洁净煤技术的含义洁净煤技术(CleanCoalTechnology,CCT)是指煤炭从开发到利用的全过程中,旨在减少污染物排放与提高利用效率的生产、加工、转化、燃烧及污染控制等新技术体系。在我国,一次商品能源以煤炭为主。煤炭提供了75%的工业燃料、76%的发电能源、80%的民用商品能源和60%的化工原料。我国传统的煤炭开发和利用技术极大的污染了环境,诱发温室效应、酸雨,引起疾病、农业减产甚至带来严重的经济、社会问题。3.2洁净煤包含的内容包括:洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术和燃煤污染排放治理技术等。中国煤炭开采和利用的特点决定,中国洁净煤技术领域与国外洁净煤技术领域重点在燃烧发电技术上有所不同。涵盖从煤炭开采到利用全过程,是煤炭开发和利用中旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。3.3煤化工煤化工是为摆脱原油依赖,即就石油化工要取得的各类烷烃、烯烃、芳烃,以及进一步的多种有机原料、合成原料、高分子聚合材料单体而言,都可以通过煤化工获得。如柴油、汽油、航空没有、液化石油气、乙烯原料、替代燃料(甲醇、二甲醚)等。煤化工的四个重要方向:煤基多联产;煤的直接液化;煤制化学品;费托合成。3.4中国洁净煤技术发展概况领域:煤炭加工、煤炭高效洁净燃烧、煤炭转化、污染排放控制与废弃物处理。技术:煤炭选洗、型煤、水煤浆;循环流化床发电技术、增压流化床发电技术、整体煤气化联合循环发电技术;煤炭气化、煤炭液化、燃料电池;烟气净化、电厂粉煤灰综合利用、每层甲烷的开发利用、煤矸石和煤泥水的综合利用、工业锅炉和窑炉。烟气除尘技术烟气脱硫脱硝技术其它污染控制新技术洁净煤技术煤炭加工煤炭转化先进发电技术烟气净化技术等煤炭洗选型煤水煤浆煤炭气化煤炭液化高效超临界发电常压循环流化床加压流化床联合循环整体煤气化联合循环3.4.1选煤选煤是提高商品煤质量的主要手段,煤炭经选洗后可提高燃烧效率,减少污染物排放。选煤是合理利用煤炭,保护环境的最经济有效的技术,是煤炭深加工的前提,每选煤1亿吨,约可减少100万吨的SO2的排放量。动力配煤是将不同品质的煤取长补短,经过破碎、筛选按比例配合,并辅以一定的添加剂以适应用户对煤质的要求。3.4.2型煤型煤发展趋势为:设备大型化,开发新黏合剂(改质石油沥青、高分子聚合物、工业废弃物、无机物等)与高压成型设备。国内概况:我国民用型煤配以先进的炉具,热效率比效煤高已被,一般可节煤20%~30%,煤尘和SO2减少40~60%。民用型煤处于国际领先水平,年产量约5000万吨,大中城市普及60%,以蜂窝煤、煤球为主。工业型煤分为花费造气型煤和锅炉燃料型煤。3.4.3水煤浆水煤浆是由煤、水和化学添加剂按一定的要求配制成的混合物,具有较好的流动性和稳定性,易于储存,可雾化燃烧,是一种燃烧效率较高和低污染的廉价的洁净燃料,可缓解石油短缺的能源安全问题3.4.4循环流化床(CFBC)CFBC锅炉煤种适应广,燃烧效率高,脱硫率可达98%,NOx、CO低排放,是重要的洁净燃烧技术。循环流化床燃烧脱硫技术3.4.5增压流化床(PFBC)3
本文标题:《化工与新能源材料与应用》课件
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