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能源与化学能源的概念与分类本讲稿第一页，共二十二页表表9-1 9-1 能源分类能源分类本讲稿第二页，共二十二页 表表9-2 世界能源消费量和构成世界能源消费量和构成 标准煤标准煤1kg发热量为发热量为29260kj的煤的煤例：某原煤的发热量为例：某原煤的发热量为20920kj/kg，则，则1kg这种原这种原煤相当于标准煤：煤相当于标准煤：20920/29260=0.7150kg本讲稿第三页，共二十二页表表 9-3 中国的能源现状和构成中国的能源现状和构成本讲稿第四页，共二十二页9.2 煤、石油和天然气煤、石油和天然气1.煤的种类及主要成分煤的种类及主要成分 煤的化学组成煤的化学组成C：主要可燃成分，主要可燃成分，C(s)+O2(g)=CO2(g)rHm(298.15k298.15k)=)=-393.5-393.5 kjmol-1H：主要可燃元素主要可燃元素 有效氢有效氢与与C S P结合，可燃烧结合，可燃烧 化合氢化合氢与与O 结合，不能燃烧结合，不能燃烧O,S,N等：有害成分等：有害成分本讲稿第五页，共二十二页2.煤的有效洁净利用煤的有效洁净利用洁净煤技术洁净煤技术 （Clean Coal Technology 简称简称 CCT）中国洁净煤技术主要技术领域：中国洁净煤技术主要技术领域：煤炭利用前净化技术煤炭利用前净化技术 煤炭洁净燃烧煤炭洁净燃烧 煤炭的转化技术煤炭的转化技术 污染控制与废气、废物管理污染控制与废气、废物管理本讲稿第六页，共二十二页 （1）煤的气化煤的气化 H2O(g),O2 气化剂气化剂 高高 温温 H2 CO CH4C 1)C+O2=CO2 6)CO+H2O=CO2+H2 2)C+1/2 O2=CO 7)C+2H2=CH4 3)C+CO2=2CO 8)CO+3H2=CH4+H2O 4)C+H2O=CO+H2 9)CO+2H2=CH4 5)C+2H2O=CO2+2H2 10)CO2+4H2=CH4+2H2O本讲稿第七页，共二十二页（2）煤的液化）煤的液化煤与石油的区别：煤与石油的区别：煤：煤：H:C=0.40.8 石油：石油：H:C=1.51.8 煤分子量石油分子量煤分子量石油分子量10倍倍直接液化法直接液化法间接液化法间接液化法煤间接液化工厂煤间接液化工厂本讲稿第八页，共二十二页 3.石油和天然气石油和天然气石油的主要组成元素为石油的主要组成元素为 C H O N S 8387%1014%0.0525%0.020.25%0.058和煤相比（和煤相比（1）石油含氢量高，含氧量低。）石油含氢量高，含氧量低。（2）石油中的碳氢化合物以直链烃为主）石油中的碳氢化合物以直链烃为主 煤中的碳氢化合物以芳烃为主煤中的碳氢化合物以芳烃为主各种石油产品：各种石油产品：本讲稿第九页，共二十二页9.3 核能 1.原子核的组成和结合能例：例：23592U A=235 Z=92 n=235-92=143 23892U A=238 Z=92 n=238-92=146 23592U 和和23892U 是两种不同的核素，且互为同位素是两种不同的核素，且互为同位素原子核原子核 质子（质子（p）质子和中子总称为核子质子和中子总称为核子 中子（中子（n）核素（质子数和中子数都相同的一类元素）：核素（质子数和中子数都相同的一类元素）：AZX X元素符号元素符号 Z质子数，即原子序数质子数，即原子序数 A核子总数，称为质量数核子总数，称为质量数质量数（质量数（A）=质子数（质子数（Z）+中子数（中子数（n）同位数同位数质子数相同而中子数不同的核素互为同位数质子数相同而中子数不同的核素互为同位数本讲稿第十页，共二十二页 核引力核引力原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力原子核内部核子之间存在的一种很强的结合力原子核的结合能原子核的结合能若干个核子结合成原子核时所释放的能量若干个核子结合成原子核时所释放的能量 结合能的计算：结合能的计算：质量亏损质量亏损 m=（中子质量（中子质量+质子质量）质子质量）-核的质量核的质量 E=mc2 c（光速）（光速）=3108 ms-1 E=mc2 例：计算例：计算1mol质子和质子和1mol中子结合成中子结合成1mol氘核（氘核（21H）时可释放出多少能量（结合能）时可释放出多少能量（结合能）解：解：1mol质子质子 m=1.00728g 1mol中子中子 m=1.00867g 1mol 21H m=2.01355g m=(1.00728g+1.00867g)2.01355g=0.00240g =2.410-6kg E=mc2 =2.410-6kg(3108 ms-1)2 =2.16108kj本讲稿第十一页，共二十二页各原子核的每克结合能是不同的各原子核的每克结合能是不同的通常通常 核子数（质量数）小的原子核，每克结合能小核子数（质量数）小的原子核，每克结合能小 核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大核子数（质量数）中等程度的原子核，每克结合能最大 核子数（质量数）大于核子数（质量数）大于200的原子核，每克结合能变小的原子核，每克结合能变小核反应核反应使原子核转变成新原子核的过程使原子核转变成新原子核的过程核裂变核裂变让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度让核子数大的原子核分裂，生成核子数中等程度 的新原子核的过程的新原子核的过程核聚变核聚变让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大让核子数很小的原子核聚合，生成核子数较大 的新原子核的过程的新原子核的过程本讲稿第十二页，共二十二页2.核裂变核裂变：是用中子（核裂变：是用中子（10n）轰击较重原子核使之分裂成较轻）轰击较重原子核使之分裂成较轻 原子核的反应。原子核的反应。U-235裂变链式反应：裂变链式反应：1gU-235可放出可放出 8107kj的能量的能量1g煤完全燃烧放出的热量为：煤完全燃烧放出的热量为：30kj1gU-235产生的能量相当于产生的能量相当于2.7106g煤燃烧产生的能量煤燃烧产生的能量核裂变的核燃料：核裂变的核燃料：U-235 U-233 Pu-239例：例：14456Ba+8956Kr+3 10n 23592U+10n 14054Xe+9438Sr+2 10n 13351Sb+9941Nb+4 10n本讲稿第十三页，共二十二页 核燃料核燃料U-235、Pu-239 中子吸收剂（控制棒）：中子吸收剂（控制棒）：B Cd Hf 控制控制 n=1 中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子中子慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子反应堆：反应堆：压水堆压水堆沸水堆沸水堆重水堆重水堆石墨冷气堆石墨冷气堆轻水堆轻水堆核反应堆核反应堆本讲稿第十四页，共二十二页核电站运行的两大问题：核电站运行的两大问题：安全问题安全问题本讲稿第十五页，共二十二页核废料的处理问题核废料的处理问题本讲稿第十六页，共二十二页例：例：21H +21H 42He 1g氘聚变时放出的能量为：氘聚变时放出的能量为：5.810 8 kj3.核聚变 核聚变：核聚变：由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。由很轻的原子核在极高的温度下合并成一个较重的原子核的反应。中国环流一号核聚变的优点：核聚变的优点：l 核聚变产物核聚变产物氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的废料氦核，稳定，无放射性污染，无难于处理的废料l 核聚变原料核聚变原料氘、氚，资源丰富，可从海水中提取氘、氚，资源丰富，可从海水中提取1kg海水中含有海水中含有0.03g氘，地球上的海水约有氘，地球上的海水约有1018吨，聚变原料十分丰富。吨，聚变原料十分丰富。实现核聚变的两个关键问题：实现核聚变的两个关键问题：l反应温度足够高：反应温度足够高：109l人为控制核聚变反应的速度人为控制核聚变反应的速度受控核聚变受控核聚变本讲稿第十七页，共二十二页9.49.4 新能源的开发、利用新能源的开发、利用1.氢能氢能以氢作为燃料而释放出的能量以氢作为燃料而释放出的能量氢能的特点：氢能的特点：（1）氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出氢气的导热性好，比大多数气体的导热系数高出10倍倍（2）氢氢的的发发热热值值是是所所有有化化石石燃燃料料、化化工工燃燃料料和和生生物物燃燃料料中中最最高高的的，是是汽汽油油发热值的发热值的3倍。倍。（3 3）氢氢燃燃烧烧性性能能好好，点点燃燃快快，与与空空气气混混合合时时有有广广泛泛的的可可燃燃范范围围，而而且且燃燃点高，燃烧速度快点高，燃烧速度快 。（4 4）制氢的原料制氢的原料水，资源极为丰富。水，资源极为丰富。燃烧产物燃烧产物水，对环境无污染。水，对环境无污染。（5）氢氢能能利利用用形形式式多多，既既可可以以通通过过燃燃烧烧产产生生热热能能，在在热热力力发发动动机机中中产产生生机机械械功功，又又可可以以作作为为能能源源材材料料用用于于燃燃料料电电池池，或或转转换换成成固固态态氢氢用用作结构材料。作结构材料。（6）氢氢可可以以以以气气态态、液液态态或或固固态态的的金金属属氢氢化化物物出出现现，能能适适应应贮贮运运及及各种应用环境的不同要求。各种应用环境的不同要求。本讲稿第十八页，共二十二页（1）氢的制取）氢的制取H2(g)+1/2 O2(g)h 催化剂催化剂H2O（l）氢的制取方法：氢的制取方法：水煤气法：在高温下用水煤气法：在高温下用C做还原剂，与水反应做还原剂，与水反应 C+H2O=CO+H2电解法：电解法：2H2O(l)=2H2(g)+O2(g)热化学分解法热化学分解法 太阳能制氢：太阳能制氢：H2O=H2+1/2 O2 反应中键能的变化为：反应中键能的变化为：断开断开H2O分子中分子中2mol O-H 键需吸收键需吸收930kj的能量的能量 生成生成1mol H-H 键放出键放出463kj的能量的能量 生成生成0.5mol O=O 键放出键放出249kj的能量的能量 分解分解1mol的的H2O需提供的能量为：需提供的能量为：930kj-436kj-249kj=245kj本讲稿第十九页，共二十二页（2）氢的储存）氢的储存氢的密度氢的密度=0.071 gcm-1,不利于储存，不利于储存，如：如：15MPa压力下，压力下，40dm3的钢瓶只能装的钢瓶只能装0.5kg的的H2。若是将氢液化，若是将氢液化，t=-253，需耗费很高的能量，需耗费很高的能量。(200300kPa)微微 热热LaNi5H6LaNi5+3 H2储氢合金：储氢合金：镁系储氢合金镁系储氢合金 MgH2 Mg2Ni 稀土系储氢合金稀土系储氢合金 LaNi5 MmNiMn(混合稀土混合稀土)钛系储氢合金钛系储氢合金 TiH2 TiMn1.5例：例：镧镍合金镧镍合金LaNi5的吸氢反应：的吸氢反应：本讲稿第二十页，共二十二页2.太阳能、风能太阳能、风能太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为：太阳能的本质是核聚变能，其中最主要的核反应为：4 11H 42He+2-10e-该反应释放出的核能约为：该反应释放出的核能约为：2.39109kjmol-1。太阳能利用方法：太阳能利用方法：1）光）光热转换热转换2）光）光电转换电转换本讲稿第二十一页，共二十二页3.生物质能生物质能中国第一座垃圾发电站：中国第一座垃圾发电站：深圳垃圾发电站深圳垃圾发电站1）经过发酵或高温热分解制备甲醇、乙醇等液体燃料。）经过发酵或高温热分解制备甲醇、乙醇等液体燃料。2）在密闭容器内经高温干馏生成一氧化碳、氢气、甲烷等气体燃料。）在密闭容器内经高温干馏生成一氧化碳、氢气、甲烷等气体燃料。3）在厌氧条件下生成沼气（）在厌氧条件下生成沼气（CH4）。）。本讲稿第二十二页，共二十二页