《化工原理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)大綱和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

《化工原理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)大綱ExperimentsofPrincipleofChemicalEngineering課程編碼：22803206，22803207課程類型:專業(yè)基礎(chǔ)課程課程學(xué)時(shí)：16+16課程學(xué)分:0.5+0.5編寫人:袁光輝審定人:王浩東、袁光輝一、課程性質(zhì)與任務(wù)化工原理實(shí)驗(yàn)課是化工原理課程的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，其基本任務(wù)是鞏固和加深對(duì)化工原理課程中基本理論知識(shí)的理解，通過實(shí)驗(yàn)操作和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，使學(xué)生掌握一定的基本實(shí)驗(yàn)技能；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)定，分析，整理，培養(yǎng)學(xué)生編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，使學(xué)生初步掌握處理工程問題的實(shí)驗(yàn)方法，理論聯(lián)系實(shí)際。實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)有以下幾個(gè)方面：1、通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)化工原理基本概念的認(rèn)識(shí)，驗(yàn)證有關(guān)的化工單元操作的理論，熟悉并掌握化工中典型設(shè)備的操作，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。2、使學(xué)生熟悉化工數(shù)據(jù)的基本測(cè)試技術(shù)，包括操作參數(shù)（例：流量、溫度、壓強(qiáng)等）和設(shè)備特性參數(shù)（例：阻力系數(shù)、傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)、塔效率）特性曲線的測(cè)試方法。3、培養(yǎng)學(xué)生查閱手冊(cè)、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。二、學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)類型必開/選開備注+01液體流量測(cè)定與流量計(jì)校驗(yàn)4設(shè)計(jì)性必開+02部分回流時(shí)精餾柱分離能力的測(cè)定4綜合性必開+03鼓泡塔氣體吸收系數(shù)的測(cè)定（一）、（二）4驗(yàn)證性必開兩種方法選一+04多釜串聯(lián)反應(yīng)器停留時(shí)間分布曲線的測(cè)定4驗(yàn)證性必開22803206+05流化床反應(yīng)器流動(dòng)特性試驗(yàn)4驗(yàn)證性必開+01離心泵性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)4驗(yàn)證性選開可與實(shí)驗(yàn)一互選+02流體傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)4綜合性必開+03雷諾實(shí)驗(yàn)4驗(yàn)證性選開可與實(shí)驗(yàn)一、六互選+04填料塔吸收實(shí)驗(yàn)4驗(yàn)證性選開可與實(shí)驗(yàn)三互選三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體內(nèi)容實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一：液體流量測(cè)定與流量計(jì)校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)自制的孔板流量計(jì)和文丘里流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定；同時(shí)測(cè)定孔流系數(shù)和雷諾數(shù)之間的關(guān)系；并比較兩種流量計(jì)的阻力損失。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：液體流量測(cè)定與流量計(jì)校驗(yàn)，掌握誤差分析方法，學(xué)會(huì)用坐標(biāo)紙繪圖。主要儀器：循環(huán)水槽1個(gè)水泵1臺(tái)孔板流量計(jì)d0=6.8mm;d1=17mm1個(gè)文丘里流量計(jì)d0=6.8mm;d1=17mm1個(gè)U形壓差計(jì)300mm4支量筒1支燒杯溫度計(jì)0—60℃1支秒表1只透明直尺1對(duì)。預(yù)習(xí)要求：掌握流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，并能進(jìn)行應(yīng)用。注意事項(xiàng)：注意操作安全、用電安全，離心泵等操作在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目二：部分回流時(shí)精餾柱分離能力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模翰捎谜椤谆h(huán)己烷理想二元混合液為對(duì)象，分別測(cè)定全回流和部分回流的理論板數(shù)，求出在某一回流比下填料精餾柱的利用系數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：填料精餾柱的利用系數(shù)的測(cè)定。主要儀器：蒸餾柱1個(gè)罩式電熱套1個(gè)光電壓控制器：swxk-010電子交流穩(wěn)壓器：614-C3調(diào)壓變壓器：IKVATDBC-1轉(zhuǎn)子流量計(jì)：LZB-10交流電流表：44LI-A半導(dǎo)體溫度計(jì)：7151-4高位穩(wěn)壓水槽1個(gè)阿貝折射儀：WZS1超級(jí)恒溫水槽：CS501秒表1個(gè)量筒10mm錐形瓶25ml滴管預(yù)習(xí)要求：掌握填料塔的相關(guān)計(jì)算注意事項(xiàng)：注意操作安全、用電安全，阿貝折射儀等操作在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目三：鼓泡塔氣體吸收系數(shù)的測(cè)定（一）、（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模撼醪搅私鈱?duì)于無固定相界面的板式塔設(shè)備的一般實(shí)驗(yàn)研究方法，并從中加深對(duì)吸收機(jī)理的理解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：鼓泡塔氣體吸收系數(shù)的測(cè)定。主要儀器：空氣壓縮機(jī)1個(gè)CO2高壓鋼瓶1臺(tái)酸式滴定管1個(gè)鼓泡塔實(shí)驗(yàn)裝置1套溫度計(jì)0—60℃1支透明直尺1對(duì)預(yù)習(xí)要求：掌握吸收過程模型，掌握相平衡計(jì)算注意事項(xiàng)：注意操作安全、用電安全，空氣壓縮機(jī)、CO2高壓鋼瓶等操作注意操作安全，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目四：多釜串聯(lián)反應(yīng)器停留時(shí)間分布曲線的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)連續(xù)流動(dòng)體系多釜串聯(lián)的物料停留時(shí)間分布測(cè)定，掌握用脈沖法測(cè)定停留時(shí)間分布曲線的方法，了解不同類型反應(yīng)器停留時(shí)間分布曲線的特征。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：多釜串聯(lián)反應(yīng)器停留時(shí)間分布曲線的測(cè)定。主要儀器：高位穩(wěn)壓水槽1個(gè)多釜串聯(lián)攪拌反應(yīng)裝置1套秒表1只預(yù)習(xí)要求：掌握多釜串聯(lián)反應(yīng)器物料停留時(shí)間計(jì)算注意事項(xiàng)：注意操作安全、用水、用電安全。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目五：流化床反應(yīng)器流動(dòng)特性試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂钥諝鉃橹髁黧w，對(duì)流化床的流動(dòng)特性和流動(dòng)模型進(jìn)行初步的測(cè)定，主要是觀察固定床轉(zhuǎn)化為流化床的過程及氣固系統(tǒng)流化現(xiàn)象，測(cè)定該過程中氣體流速和床層壓降的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：流化床反應(yīng)器流動(dòng)。主要儀器：流化床流動(dòng)特性演示實(shí)驗(yàn)裝置1套氣體壓縮機(jī)1臺(tái)透明直尺1對(duì)預(yù)習(xí)要求：掌握流態(tài)化現(xiàn)象原理注意事項(xiàng)：注意操作安全、用水、用電安全,氣體壓縮機(jī)等操作注意操作安全，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目六：離心泵性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂运疄橹髁黧w，對(duì)離心泵進(jìn)行性能測(cè)定，并核對(duì)其主要性能曲線。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)定離心泵在恒定轉(zhuǎn)速下的性能，繪制出該泵在恒定轉(zhuǎn)速下的揚(yáng)程—流量（H-Q）曲線；軸功率—流量（N-Q）曲線及泵效率—流量（η-Q）曲線。主要儀器：不銹鋼離心泵；不銹鋼水槽含渦流流量計(jì)功率傳感器壓力傳感器閥門及管件秒表1只透明直尺1對(duì)燒杯、量筒若干預(yù)習(xí)要求：掌握離心泵工作原理注意事項(xiàng)：注意操作安全、用水、用電安全,離心泵等操作注意操作安全，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目七：流體傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫黧w流經(jīng)換熱器時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓力損失，它包括流體在流道中的損失和流體進(jìn)出口處的局部損失。通過測(cè)量管程流體的進(jìn)口壓力、出口壓力便可以得到，本實(shí)驗(yàn)即是測(cè)定流體流經(jīng)換熱器的壓力損失和流體傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：掌握換熱器的流量、溫度及換熱器的阻力損失的測(cè)定原理；掌握總傳熱系數(shù)K，空氣對(duì)管壁的給熱系數(shù)的測(cè)定原理、測(cè)定方法并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制Nu—Re曲線。主要儀器：轉(zhuǎn)子流量計(jì)溫度控制系統(tǒng)氣泵不銹鋼蒸汽發(fā)生器套管換熱器不銹鋼管路預(yù)習(xí)要求：掌握流體傳熱機(jī)理，傳熱及傳熱系數(shù)的計(jì)算注意事項(xiàng)：注意操作安全、用水、用電安全,氣泵等操作注意操作安全，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目八：雷諾實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪字Z準(zhǔn)數(shù)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)定流體流經(jīng)管道時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，并驗(yàn)證與雷諾準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系。主要儀器：操作平臺(tái)不銹鋼管路不銹鋼高位水槽轉(zhuǎn)子流量計(jì)不銹鋼離心泵示蹤劑加入系統(tǒng)預(yù)習(xí)要求：掌握流體流動(dòng)機(jī)理，雷諾準(zhǔn)數(shù)的意義及計(jì)算注意事項(xiàng)：注意操作安全、用水、用電安全,離心泵等操作注意操作安全，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目九：填料塔吸收實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^本實(shí)驗(yàn)了解填料吸收塔結(jié)構(gòu)、流程和操作，了解風(fēng)機(jī)的流量調(diào)節(jié)方法；了解填料塔的水力學(xué)性能及其對(duì)傳質(zhì)性能的影響；掌握：Kya的測(cè)定原理、測(cè)定方法和數(shù)據(jù)處理方法；理解氣膜控制過程的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)定測(cè)定干濕填料塔阻力降，測(cè)定一定水流量下的阻力降及液泛氣速，測(cè)定一定操作條件下的吸收系數(shù)及空塔氣速對(duì)吸收系數(shù)的影響。主要儀器：儀表控制臺(tái)及操作平臺(tái)溫度測(cè)量系統(tǒng)U型管壓差計(jì)不銹鋼水箱不銹鋼離心泵在線分析系統(tǒng)預(yù)習(xí)要求：掌握填料吸收塔結(jié)構(gòu)、流程和操作，吸收的機(jī)理，氣膜控制過程的特點(diǎn)注意事項(xiàng)：注意操作安全、用水、用電安全,離心泵等操作注意操作安全，在教師指導(dǎo)下進(jìn)行。四、實(shí)驗(yàn)考核方式(一)實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙，根據(jù)要求，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下及時(shí)而認(rèn)真地寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告?；ぴ韺?shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般采用以下格式：（1）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）、實(shí)驗(yàn)原理（3）實(shí)驗(yàn)裝置（4）實(shí)驗(yàn)過程（5）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理、分析（二）實(shí)驗(yàn)課的考核方式和成績(jī)?cè)u(píng)定辦法。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際操作效果及實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定成績(jī)，學(xué)期末評(píng)定實(shí)驗(yàn)課程綜合成績(jī)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占實(shí)驗(yàn)課程的總成績(jī)的50%，考勤成績(jī)占實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)20%，平時(shí)學(xué)生的實(shí)際操作及記錄占實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)30%。五、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和主要參考資料實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書：安康學(xué)院化學(xué)化工系.《化工原理實(shí)驗(yàn)講義》。馮暉,居沈貴,夏毅.《化工原理實(shí)驗(yàn)》，東南大學(xué)出版社，2003。教學(xué)參考書目：1.叢德滋，《化工原理實(shí)驗(yàn)》，華東理工大學(xué)出版社，19992.管國(guó)鋒,趙汝溥.《化工原理》(第二版)，化學(xué)工業(yè)出版社，20033.華東理工大學(xué)化工原理教研室實(shí)驗(yàn)室.化工原理實(shí)驗(yàn).華東理工大學(xué)出版社，1994

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(guó)家國(guó)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(guó)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(guó)的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計(jì),中國(guó)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(zhǎng)河中,只有很短的一段時(shí)間能使用化石能源.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng),對(duì)能源的需求也持續(xù)攀升.我國(guó)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(guó)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(guó)的石油進(jìn)口量,這不但會(huì)制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對(duì)國(guó)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(guó)發(fā)出警告,如再不對(duì)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(guó)的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國(guó)CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國(guó)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(guó)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(guó).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(shì)世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(shì)(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(guó)家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個(gè)國(guó)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(guó)在能源利用方面的效率很低,我國(guó)的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國(guó)家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國(guó)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(cè),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(guó)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(yáng)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?jī)?chǔ)量相對(duì)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?jī)?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(guó)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(guó)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(guó)家,近年來,由于擔(dān)心核電站運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對(duì)環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對(duì)世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國(guó)家已有下降趨勢(shì),但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢(shì),我國(guó)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(duì)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(yáng)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(zhǎng)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(guó)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)?；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(guó)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(zhǎng)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(duì)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(yáng)能的利用1.太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)(1)太陽(yáng)能來源豐富太陽(yáng)能來源豐富太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能利用的潛力很大.(2)太陽(yáng)能的使用沒有污染問題太陽(yáng)能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽(yáng)能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽(yáng)能可多途徑利用太陽(yáng)能可多途徑利用(a)太陽(yáng)能的熱利用.如太陽(yáng)能熱水器,太陽(yáng)灶,太陽(yáng)能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽(yáng)能發(fā)電.如太陽(yáng)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(yáng)能利用的概況太陽(yáng)能利用的概況近年來,太陽(yáng)能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽(yáng)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(yáng)能電池,美國(guó)和歐盟計(jì)劃在2010年前安裝100萬套太陽(yáng)能電池.特別是把太陽(yáng)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(yáng)能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國(guó),太陽(yáng)能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽(yáng)能利用的問題太陽(yáng)能利用的問題開發(fā)太陽(yáng)能利用的主要問題是如何提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對(duì)我國(guó)特別重要,目前我國(guó)生產(chǎn)太陽(yáng)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(guó)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(duì)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(guó)家和地區(qū)參加的"國(guó)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(guó)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(guó)對(duì)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(guó)家參加的"國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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(yáng)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(guó)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(guó)對(duì)燃料電池的研究十分重視.美國(guó)《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(duì)氫能的意見4.反對(duì)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(guó)家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國(guó)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(yáng)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(guó)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(guó)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(guó)推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國(guó)用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)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(yáng)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(yáng)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(duì)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng),應(yīng)用范圍廣缺點(diǎn):對(duì)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(yáng)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(duì)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(yáng)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(zhǎng).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(yáng)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(zhǎng).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(guó)對(duì)世界各國(guó)對(duì)PEMFC的重視世界各國(guó)對(duì)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(guó)家的政府和跨國(guó)大公司的極大重視,許多國(guó)家的政府和跨國(guó)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(guó)計(jì)劃,年奧運(yùn)會(huì)期間,我國(guó)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(guó)生產(chǎn)的燃料電池電動(dòng)車會(huì)小批量,國(guó)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(chǎng)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(duì)氫燃料的需求對(duì)氫燃料的需求.站來滿足這些車輛對(duì)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)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的產(chǎn)量為每年50萬臺(tái),其價(jià)格也要在$300/kW.PEMFC價(jià)格高的主要是由于高的電池殼體的加工費(fèi)和離子交換膜膜價(jià)格高而引起的.另外運(yùn)行成本也遠(yuǎn)高于燃油汽車.(b)燃料問題