《化工設(shè)備設(shè)計》教案和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

PAGEPAGE23《過程設(shè)備設(shè)計》教案7—塔設(shè)備課程名稱：過程設(shè)備設(shè)計專業(yè)：過程裝備與控制工程任課教師：賀華第7章塔設(shè)備§7-1概述主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、塔設(shè)備在過程工業(yè)中的應(yīng)用和作用2、塔設(shè)備的基本要求3、設(shè)備的分類和總體結(jié)構(gòu)4、塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀講授自學(xué)1教學(xué)目的和要求1、了解塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和基本要求2、掌握塔設(shè)備的分類和總體結(jié)構(gòu)教學(xué)重點和難點塔設(shè)備的分類和設(shè)計要求課外作業(yè)思考題一、塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備是石油、化工生產(chǎn)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備，在石油、化工、輕工等生產(chǎn)過程中，塔設(shè)備主要用于氣、液兩相直接接觸進行傳質(zhì)傳熱的過程，如精餾、吸收、萃取、解吸等，這些過程大多是在塔設(shè)備中進行的。塔設(shè)備可以為傳質(zhì)過程創(chuàng)造適宜的外界條件，除了維持一定的壓強、溫度、規(guī)定的氣、液流量等工藝條件外，還可以從結(jié)構(gòu)上保證氣、液有充分的接觸時間、接觸空間和接觸面積，以達到相際之間比較理想的傳質(zhì)和傳熱效果。塔設(shè)備的投資及重量在過程設(shè)備中所占的比例裝置名稱塔設(shè)備的投資比例塔設(shè)備重量的比例石油及石油化工（60萬噸、120萬噸/年催化裂化裝置）25.4%48.9%煉油及煤化工（30萬噸/年乙烯裝置）34.85%25.3%化纖（4.5萬噸/年丁二烯裝置）44.9%54%二、對塔設(shè)備的基本性能指標(biāo)要求三、塔設(shè)備的分類按壓力加壓塔、常壓塔、減壓塔按單元操作精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應(yīng)塔、干燥塔等﹡按支承方式框架塔、自支承式塔﹡按塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)板式塔、填料塔四、塔設(shè)備的發(fā)展及現(xiàn)狀·塔設(shè)備的形式繁多，規(guī)模范圍也很大·塔設(shè)備的大型化發(fā)展趨勢（1）強度、剛度及流體均布等方面的問題（2）全負荷運轉(zhuǎn)（3）大型塔設(shè)備的設(shè)計、制造、操作和維修塔設(shè)備的設(shè)計內(nèi)容：﹡結(jié)構(gòu)設(shè)計確定塔體結(jié)構(gòu)；塔盤結(jié)構(gòu)；溢流裝置；緊固件及支持件；進出口接管結(jié)構(gòu)；裙座及其它附件；﹡機械設(shè)計選擇材料；計算塔體壁厚裙座壁厚；計算地腳螺栓直徑及數(shù)量等；工藝設(shè)計計算理論塔板數(shù)；選擇塔板效率并確定實際塔板數(shù)；選取板間距并初步確定塔高；計算塔徑（或空塔氣速）；進行流體力學(xué)驗算；§7-2填料塔主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、填料2、液體分布裝置3、液體再分布裝置4、填料支承裝置講授自學(xué)2教學(xué)目的和要求1、了解工業(yè)用填料的主要類型、優(yōu)缺點及用途2、掌握主要的液體分布裝置和液體再分布裝置的結(jié)構(gòu)3、了解填料支承裝置的結(jié)構(gòu)及強度計算教學(xué)重點和難點液體分布裝置液體再分布裝置課外作業(yè)思考題填料塔是連續(xù)式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，氣液兩相間呈連續(xù)逆流接觸并進行傳質(zhì)和傳熱，氣液兩相組分的濃度沿塔高呈連續(xù)變化。板式塔中氣液兩相間逐層逆流接觸并進行傳質(zhì)和傳熱，氣液兩相組分的濃度沿塔高呈階梯式變化。在結(jié)構(gòu)上，填料塔主要優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，壓力降?。?）便于處理腐蝕性物料（填料一般由耐蝕材料制成）、易起泡沫的物料（氣體不是以發(fā)泡的形式通過液層，而且填料對氣泡有破碎作用）及真空操作（氣液阻力降?。┤秉c：（1）體極大、重量大（2）傳質(zhì)效率較低，操作穩(wěn)定性較差（3）不適于處理污濁液體、含塵氣體、含有固體顆粒及容易結(jié)垢的物料填料塔總體結(jié)構(gòu)（圖7-1）一、填料二、填料支承裝置基本要求：（1）具有足夠的強度和剛度（2）具有足夠的自由截面積（3）結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，能耐介質(zhì)腐蝕1、柵板（1）柵板的結(jié)構(gòu)注意：柵條的間距不能過小，否則會使柵板自由截面積過小，而且填料會堵塞柵條間的氣體通道，使氣體壓力降增大。（2）柵板的強度計算（了解）P=PP+PLNPP=9.8HLtγPN亂堆填料：PL=3.43HLtγL×10-4N絲網(wǎng)填料：PL=0.49HLtγL×10-4NM=PL/6N.m體噴射式支承板優(yōu)點：氣體和液體通過不同通道流動，可減小氣液流動的阻力（1）駝峰式氣體噴射式支承板（2）鐘罩型氣體噴射式支承板三、液體分布裝置基本要求：（1）結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維修方便（2）不需很大的液體壓頭即能均勻分散液體，液體通道不易堵塞（3）滿足噴淋點數(shù)的要求（一）噴灑型1、多孔直管式布液器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：液體分布均勻性較差；液體不清潔時，小孔容易堵塞；*2、多孔排管式布液器優(yōu)點：噴淋面積大且均勻缺點：操作彈性?。灰髩毫Ψ€(wěn)定；3、多孔環(huán)管式布液器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝方便缺點：噴淋面積小，不夠均勻；要求液體均勻，否則小孔容易堵塞4、篩孔盤式布液器氣體截面積小，阻力大，操作彈性小5、蓮蓬頭式布液器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，安裝、拆卸方便缺點：小孔易堵塞；霧沫夾帶嚴重；流量或壓力改變時，液體分布狀況會產(chǎn)生較大改變蓮蓬頭直徑：d=(0.2~0.3)DN噴灑半角：α≤40o小孔數(shù)目：n=1+n1+2n1+3n1+……..+mn1(n1為第一圈圓周上的孔數(shù))安裝高度：h=(0.5~1)DN（二）溢流型噴灑型液體分布裝置的局限性：（1）液體需要有一定的壓力才能噴灑。（2）孔眼容易堵塞。（3）當(dāng)塔徑較大時液體分布的均勻性較差。因此，對直徑較大的填料塔，多采用溢流型液體分布裝置。流盤式布液器2、溢流槽式布液器（三）沖擊型布液器1、反射板式布液器2、寶塔式布液器四、液體再分布裝置作用：防止壁流；防止“干錐”的出現(xiàn)；對液體進行重新分布；1、分配錐2、槽式液體再分布器3、多孔盤式液體再分布器4、斜板復(fù)合式液體再分布器§7-3板式塔主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、常用板式塔的類型2、塔盤的結(jié)構(gòu)3、裙座及除沫器講授自學(xué)2教學(xué)目的和要求1、了解板式塔的類型及總體結(jié)構(gòu)2、掌握塔盤的結(jié)構(gòu)3、了解裙座及除沫器的結(jié)構(gòu)教學(xué)重點和難點塔盤的結(jié)構(gòu)課外作業(yè)思考題一、總體結(jié)構(gòu)板式塔的優(yōu)點：效率高、處理量大、重量輕、便于維修板式塔的缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、阻力降較大二、板式塔類型（一）泡罩塔優(yōu)點：1、操作彈性大，在氣、液負荷波動較大時仍能保持較恒定的塔板效率。2、對物料適應(yīng)性強，塔板不易堵塞。缺點：1、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬耗量大，造價高，安裝和維修不方便。2、氣體壓力降大，霧沫夾帶較嚴重，因此限制了氣速的提高，生產(chǎn)能力不大。3、不好操作，液體或蒸汽流量很小時，會形成氣液接觸不良或蒸汽流動的脈動；反之會形成霧沫夾帶、液泛等。（二）浮閥塔優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)能力大。2、蒸汽以水平方向吹入液層，阻力小，氣液接觸時間長且接觸狀況良好，故霧沫夾帶少，塔板效率高。3、浮閥可根據(jù)氣量大小上下浮動，操作彈性大。4、浮閥結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，造價較低。缺點：在結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)能力、塔板效率等方面不及篩板塔，有待進一步的改進。（三）篩板塔優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，造價低。2、塔板效率較高，生產(chǎn)能力大。3、對物料的適應(yīng)性強，不易堵塞。缺點：1、操作彈性小，需保持較穩(wěn)定的氣、液流速。2、小孔徑篩板易堵塞，不適宜處理臟的、粘性大的和帶固體顆粒的料液。（四）穿流式柵板塔優(yōu)點：1、無溢流和降液裝置，結(jié)構(gòu)簡單，安裝和維修方便。2、塔板上的開孔有效面積大，開孔率大，故生產(chǎn)能力大。3、氣、液流動的壓力降小，適用于真空蒸餾。4、孔道不易堵塞，對物料的適應(yīng)性強。缺點：1、操作彈性小。2、塔板效率低。（五）斜噴型塔優(yōu)點：1、舌形塔是噴射型塔，氣體噴出的方向和液體流動的方向一致，可充分利用氣體動能促進氣液兩相間的接觸，提高傳質(zhì)效率。2、氣體不必通過較深的液層，壓力降小，霧沫夾帶小，可采用較大氣速，故生產(chǎn)能力高。3、結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維修方便。缺點：1、液體被氣體沖至塔壁落入降液管，帶有大量泡沫，氣相夾帶嚴重，塔板效率低。2、固定舌形塔操作彈性小，氣流量小時易漏液；浮動舌形塔浮舌易損壞。三、板式塔塔盤結(jié)構(gòu)(一)塔盤塔盤設(shè)計要求：（1）有一定的強度和剛度以承載和維持水平（2）塔盤和塔壁之間應(yīng)保證一定的密封性以避免氣液短路（3）便于制造、安裝和維修（4）制造成本低按氣液兩相流動方式分：溢流式（錯流式）：操作彈性大穿流式（逆流式）：生產(chǎn)能力大按塔徑大小分——整塊式：D≤700mm分塊式：D＞700mm任選：D=700~800mm補充：塔盤板及支撐梁的強度和剛度計算（1）塔盤板簡化為周邊簡支的矩形薄板，承受均布載荷（包括塔盤板的自重和塔盤板上物料的重量）強度計算最大彎曲應(yīng)力：；取σ=max｛σx，σy｝要求：σ≤[σ]操作時：[σ]=0.65檢修時：[σ]=0.95L/bαβγ1.00.04790.04790.04331.20.06260.05010.06161.50.08120.04990.08431.80.09480.04790.10172.00.10170.04640.11063.00.11890.04040.13364.00.12350.03840.14005.00.12460.03750.1416∞0.12500.03750.1422b、剛度計算要求：fmax≤[f]浮閥塔盤：DN≤2400mm時，[f]=3.2mmDN＞2400mm時，[f]=DN/720mm泡罩塔盤：DN≤1830mm時，[f]=1.6mmDN＞1830mm時，[f]=3.2mm（2）支承梁（二）降液管和受液盤1、降液管2、受液盤（三）溢流堰出口堰（1）保證塔盤上有一定厚度的液層（2）使液流均勻（3）增加溢流周邊長度，有利于氣液分離進口堰（1）保證降液管密封（2）減少水平方向的沖擊，使液流均勻流過塔盤§7-4塔設(shè)備的附件主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、除沫器2、裙座3、吊柱講授自學(xué)1教學(xué)目的和要求1、了解除沫器的結(jié)構(gòu)2、掌握裙座的結(jié)構(gòu)和裙座材料的選擇3、了解吊柱的結(jié)構(gòu)教學(xué)重點和難點裙座的結(jié)構(gòu)和裙座材料的選擇課外作業(yè)思考題一、除沫器作用：（1）分離塔頂出口氣體中夾帶的液滴，保證傳質(zhì)效率（2）減少有價值物料的損失（3）改善后續(xù)設(shè)備的操作條件絲網(wǎng)除沫器折板除沫器旋流板除沫器二、裙座裙座的總體結(jié)構(gòu)裙座材料（1）裙座與塔內(nèi)物料不直接接觸，也不承受塔內(nèi)的介質(zhì)壓力，所以不受壓力容器用鋼的限制，允許采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，如Q235-A、Q235-AF等制造。當(dāng)裙座溫度≤-20℃時，應(yīng)選擇16Mn，且具有一定的沖擊韌性。（2）當(dāng)塔底封頭材料為合金鋼時，座圈上部應(yīng)設(shè)短節(jié)，短節(jié)材料和底封頭相同，以避免不同材料焊接對底封頭產(chǎn)生不利影響。短節(jié)長度：操作溫度t＜0℃或t＞350℃時，短節(jié)長度取為保溫層厚度的四倍，且不小于500mm。操作溫度t=0~350℃時，短節(jié)長度取為250~300mm。三、吊柱吊柱的作用吊柱的結(jié)構(gòu)吊柱的選用§7-5塔設(shè)備的強度計算主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、塔設(shè)備的自振周期2、塔的受載分析3、筒體的強度計算及校核4、裙座的強度計算及校核講授3教學(xué)目的和要求1、掌握筒體的強度計算及校核方法2、了解裙座的強度計算及校核方教學(xué)重點和難點1、塔設(shè)備工作時所受的各種載荷分析和計算2、筒體的強度計算及校核方法課外作業(yè)思考題；綜合練習(xí)題；一、塔設(shè)備的自振周期塔設(shè)備的振動屬多質(zhì)點體系的振動，具有多個自由度，可出現(xiàn)多種振型，由于塔設(shè)備的剛度較大，通常只考慮第一振型。1、等截面塔的自振周期2、變截面塔的自振周期此公式只能計算第一振型的自振周期，第二振型自振周期可根據(jù)T2=T1/6計算塔任意段的水平位移和塔頂位移的關(guān)系：二、塔的載荷分析（一）質(zhì)量載荷設(shè)備操作時的質(zhì)量：m0=+m02+m03+m04+m05+ma+me設(shè)備水壓試驗時的最大質(zhì)量：mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me設(shè)備停工檢修時的最小質(zhì)量：mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma其中：m01—設(shè)備殼體（包括裙座）質(zhì)量m02—設(shè)備內(nèi)件質(zhì)量m03—設(shè)備保溫材料質(zhì)量m04—設(shè)備上平臺、扶梯質(zhì)量m05—設(shè)備內(nèi)物料質(zhì)量ma—設(shè)備上人孔、接管、法蘭等附件質(zhì)量mw—設(shè)備內(nèi)充水質(zhì)量me—偏心質(zhì)量0.2m02是考慮停工檢修時殼體上的內(nèi)件質(zhì)量，如塔盤支持圈、降液管等質(zhì)量載荷使塔的各個截面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力不同截面、不同工作狀況（操作或非操作）的載荷不同質(zhì)量（二）偏心載荷ME=9.8me.eMe偏心質(zhì)量e偏心距（三）風(fēng)載荷水平風(fēng)力的計算計算風(fēng)速V0↓基本風(fēng)壓q0=ρV02/2↓各段風(fēng)壓qi=fiq0↓水平風(fēng)力Pi=K1K2ifiq0liDei2、風(fēng)彎矩的計算（四）地震載荷構(gòu)造地震塔設(shè)備在地震載荷作用下，產(chǎn)生三個方向的運動：水平方向的振動；垂直方向的振動；扭轉(zhuǎn)，其中水平方向的振動危害最大。地震時使塔設(shè)備相對于地面運動的慣性力稱為地震力，在一般計算中只考慮水平地震力對塔設(shè)備的作用。震級——表示地震時釋放能量的大小地震烈度——表示地震的破壞程度1、單質(zhì)點彈性體系水平地震力的計算F=CZαMpgCZ結(jié)構(gòu)系數(shù)，鋼制圓筒形設(shè)備CZ=0.5α地震影響系數(shù)（圖7-76）Mp集中于單質(zhì)點的質(zhì)量2、多質(zhì)點彈性體系水平地震力的計算Fjk=CZαηjkmkgηjkj振型k質(zhì)點的振型系數(shù)Yk=Ya(hi/H)3/2等截面塔：3、地震彎矩的計算對于等截面塔：ME10-0=35/16CZα1mgH2當(dāng)H/D>15或塔設(shè)備的高度大于等于20m時，需考慮高振型的影響，采用簡化計算方法：MEI-I=1.25ME1I-I最大彎矩：水壓試驗時：三、筒體的強度及穩(wěn)定性校核（一）各種載荷引起的軸向應(yīng)力1、設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力：2、質(zhì)量載荷引起的軸向應(yīng)力：3、最大彎距引起的軸向應(yīng)力：（二）最大組合應(yīng)力的計算及校核（1）最大組合拉應(yīng)力σLmax=σ1-σ2+σ3<K[σ]tφ（2）最大組合壓應(yīng)力σYmax=σ1+σ2+σ3<[σ]cr四、裙座的強度及穩(wěn)定性校核1、裙座圈的計算——應(yīng)力校核基礎(chǔ)環(huán)的計算——厚度計算地腳螺栓的計算——直徑計算裙座圈與筒體焊縫的計算——應(yīng)力校核§7-6塔設(shè)備的振動主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時數(shù)1、風(fēng)誘導(dǎo)振動的原因2、風(fēng)誘導(dǎo)振動頻率和臨界風(fēng)速的計算3、塔設(shè)備的防振措施講授自學(xué)1教學(xué)目的和要求1、掌握風(fēng)誘導(dǎo)振動的原因2、了解風(fēng)誘導(dǎo)振動頻率和臨界風(fēng)速的計算3、了解塔設(shè)備的防振措施教學(xué)重點和難點塔盤的結(jié)構(gòu)課外作業(yè)思考題一、風(fēng)的誘導(dǎo)振動卡曼渦街（1）卡曼渦街的形成原因：風(fēng)繞流圓柱體↓迎風(fēng)側(cè)（加速降壓），背風(fēng)側(cè)（減速升壓）↓邊界層流體質(zhì)點受粘性摩擦力作用↓背風(fēng)側(cè)邊界層增厚↓流體主流繞流形成漩渦↓卡曼渦街（2）形成卡曼渦街的條件亞臨界區(qū)；超臨界區(qū)；2、升力FL=CLρv2A/23、風(fēng)誘導(dǎo)振動頻率Sr=fvD/v300≤Re≤2×105時：Sr=0.2Re＞3.5×106時：Sr=0.27若Sr=0.2臨界風(fēng)速—塔共振時的風(fēng)速vcn=5fcnD=5D/Tcn塔第一振型臨界風(fēng)速：vc1=5fc1D=5D/Tc1當(dāng)v＜vc1時，塔不會發(fā)生共振當(dāng)v≥vc1時，塔將發(fā)生共振，需進行共振時的強度計算二、塔設(shè)備的防振防振措施：（1）增大塔的自振頻率（2）采用擾流裝置（3）增加塔的阻尼

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社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會經(jīng)濟發(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發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達3,4.5和6億噸,其中進口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進口量相當(dāng)于目前美國的石油進口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異?；剂显斐蓢乐丨h(huán)境污染和氣候異常化石燃料的使用引起的環(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴厲措施,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,估計到2025年,將位居第一.在本世紀初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟南和石家莊.4.21世紀世界能源發(fā)展趨勢世紀世界能源發(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.目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報告指出,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世紀形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀轉(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(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認為,在20世紀上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀下半葉,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量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀上半葉受到重視.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)將得到強化新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(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,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進一步得到重視核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計,在20世紀末,全世界運行的核電站有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個國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國準備在今后幾年內(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),因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀能得到應(yīng)用,在21世紀末,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.(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4.5億噸標(biāo)準煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳?(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.(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氣,實現(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)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟的收集半徑在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)濟效益,這是生物質(zhì)能至今未能實現(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)點太陽能的優(yōu)點(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,相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準煤的能量.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800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在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幾百兆瓦,但由于價格高,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,沒有達到實用化的階段,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)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(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.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進氫能源的發(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,進入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀將是氫能世紀.布什舉著使用氫燃料的照相機我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視,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)濟合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議.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,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.并要組織人員進行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進氫能時代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價清潔的制氫技術(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,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,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)化還有較遠的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術(shù)主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān),因此浪費了許多氫.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,只是由于儲運技術(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.因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫: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)境污染日趨嚴重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀十大高新科技之首,燃料電池已被認為是21世紀極具應(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,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,燃料電池何時才能商品化是一個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)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(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,如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大.(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)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.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)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內(nèi)燃機成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,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.(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.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:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點: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力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(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:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機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:可移動的小型電子儀器設(shè)備動力源優(yōu)點: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: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80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(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:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強.能量轉(zhuǎn)換率最高,可達80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.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電動車樣車.電動車樣車.已出現(xiàn)許多電動車樣車我國計劃,年奧運會期間,我國計劃,到2008年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛燃料電池公交到2010年世博會期間,20輛燃料電池公交年世博會期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動輛燃料電池出租車輛電動汽車以及