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第5章:能源與環(huán)境課件制作:白思勝授課人:白思勝第1講、能源1、能量及其轉(zhuǎn)換2、能源的分類(lèi)與利用歷史3、常規(guī)能源4、新能源1、能量及其轉(zhuǎn)換⑴各種各樣的能“能量”作為一個(gè)確切的科學(xué)概念被正確認(rèn)識(shí)是從19世紀(jì)開(kāi)始的。能夠向人們提供能量的自然資源稱(chēng)為能源。能源是現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱之一。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有多種形式,表現(xiàn)各異,但可互相轉(zhuǎn)換,表明這些運(yùn)動(dòng)有共性,也有內(nèi)在的統(tǒng)一的量度,即能量。能量簡(jiǎn)稱(chēng)“能”,它是描述物質(zhì)(或系統(tǒng))運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)物量,是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種量度。宏觀(guān)物體運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能,分子運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能,電荷的運(yùn)動(dòng)具有電能,原子核內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)具有原子能等。能量的單位有焦耳(J)、爾格(erg)、千瓦小時(shí)(kWh度)、電子伏特(eV)等。它們之間的換算關(guān)系是:1erg=10-7J;1kWh=3.6×106J;1eV=1.6×10-19J。常見(jiàn)的能量形式有機(jī)械能、內(nèi)能、電能、化學(xué)能、原子能、光能等。機(jī)械能:是宏觀(guān)物體所表現(xiàn)出的動(dòng)能與勢(shì)能的總和,勢(shì)能分為重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能。決定動(dòng)能的是質(zhì)量與速度,決定重力勢(shì)能的是高度和質(zhì)量,決定彈性勢(shì)能的是彈性系數(shù)與形變量。內(nèi)能:是物體內(nèi)部微觀(guān)粒子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能的總和。任何物體都具有內(nèi)能,內(nèi)能的大小與物體的質(zhì)量、溫度、狀態(tài)等有關(guān),通過(guò)做功或熱傳遞能改變物體的內(nèi)能。電能:泛指與電相聯(lián)系的能量,嚴(yán)格地應(yīng)稱(chēng)為電場(chǎng)能。電能被廣泛地用于生產(chǎn)與生活的各個(gè)方面。化學(xué)能:是一種很隱蔽的能量,它不能直接用來(lái)做功,只有在發(fā)生化學(xué)變化的時(shí)候才釋放出來(lái),變成熱能或者其他形式的能量。像石油和煤的燃燒,炸藥爆炸以及人吃的食物在體內(nèi)發(fā)生化學(xué)變化時(shí)候所放出的能量,都屬于化學(xué)能。原子能:又稱(chēng)“核能”,是原子核發(fā)生變化時(shí)釋放的能量。原子核可視為由質(zhì)子和中子組成,質(zhì)子和中子之間存在著強(qiáng)大的核力。在質(zhì)子和中子形成原子核的過(guò)程中,核力把質(zhì)子和中子“粘”成了原子核,原子核的質(zhì)量在減少,這一質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰績(jī)?chǔ)存在原子核內(nèi),稱(chēng)為核能,也叫做原子能。如果原子核的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,儲(chǔ)存在原子核內(nèi)的核能就會(huì)以各種方式釋放出來(lái)。光能:是以可見(jiàn)輻射的形式轉(zhuǎn)換而來(lái)或轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)輻射形式的能量。利用水位差產(chǎn)生的河水沖擊力推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),能使發(fā)電機(jī)發(fā)電,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能;電流通過(guò)電熱器能夠發(fā)熱,使電能轉(zhuǎn)換為熱能;電燈泡可使電能轉(zhuǎn)換為光能和熱能;各種內(nèi)燃機(jī),利用汽油或柴油在汽缸中燃燒的過(guò)程,將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,熱能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,推動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,一種形式的能增加了多少,必有另一種形式的能減少多少,能的總量保持不變。自然界一切過(guò)程都服從能量守恒和轉(zhuǎn)換定律。物體要對(duì)外界做功,就必須消耗本身的能量或從別處得到能量的補(bǔ)充,因此一個(gè)物體的能量越大,它對(duì)外界就有可能作更多的功。⑵植物光合作用中的能量轉(zhuǎn)換光合作用是指光合生物吸收太陽(yáng)能,并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)化合物中化學(xué)能的過(guò)程。綠色植物和藍(lán)藻的光合作用稱(chēng)為放氧光合作用,它們吸收二氧化碳和水,通過(guò)氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生有機(jī)物,同時(shí)放出氧氣。

6C02+12H20=C6H1206+602+6H20紫硫細(xì)菌和氫細(xì)菌的光合作用稱(chēng)為非放氧光合作用。紫硫細(xì)菌的光合作用以二氧化碳和硫化氫為原料,氫細(xì)菌的光合作用以二氧化碳和氫為原料,它們的光合作用中并不產(chǎn)生氧氣。

C02+2H2S=(CH20)+H20+2S氫細(xì)菌光合作用的反應(yīng)式是:

C02+2H2=(CH20)+H20葉綠體存在于葉肉細(xì)胞中,是綠色植物所特有的細(xì)胞器,也是植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。葉綠體外面有兩層膜包被,葉綠體內(nèi)分布著幾十個(gè)綠色的圓柱狀結(jié)構(gòu),稱(chēng)為基粒,每個(gè)基粒是由許多扁囊狀的類(lèi)囊體重疊而成的片層結(jié)構(gòu)。每個(gè)類(lèi)囊體由雙層薄膜構(gòu)成,葉綠素等光合色素分布在類(lèi)囊體的薄膜上,光能就在基粒中被光合色素所捕獲。基粒與基粒之間有較大的類(lèi)囊體貫串。整個(gè)葉綠體內(nèi)充滿(mǎn)液態(tài)的基質(zhì),基質(zhì)里含有光合作用所需的酶。光合作用包括兩個(gè)前后相繼、緊密結(jié)合的過(guò)程,即光反應(yīng)和暗反應(yīng)。光合作用可劃分為三個(gè)過(guò)程:第一個(gè)過(guò)程是光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換;第二個(gè)過(guò)程是光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能;第三個(gè)過(guò)程是活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能。①光反應(yīng)光反應(yīng)發(fā)生在類(lèi)囊體膜上,將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的化學(xué)能,并放出氧氣。光反應(yīng)的具體過(guò)程是:葉綠素吸收光能,被激發(fā)出一個(gè)高能電子,電子由傳遞物質(zhì)傳遞,原來(lái)的低能葉綠素轉(zhuǎn)化成活化的葉綠素,高能電子在傳遞過(guò)程中,一部分能量使ADP(二磷酸腺苷)和磷酸結(jié)合形成高能量的ATP(三磷酸腺苷),其余能量繼續(xù)傳遞?;罨娜~綠素具有極強(qiáng)的奪回電子的能力,它從周?chē)乃肿又袏Z回電子促使水分解,水分解成氧(02)、電子(e)和氫離子(H+)三種狀態(tài)。02被釋放出來(lái),e被活化葉綠素奪去,

H+和傳遞中的高能電子最終與NADP(氧化型輔酶Ⅱ)結(jié)合,形成NADPH(還原型輔酶Ⅱ)。光反應(yīng)的結(jié)果是:葉綠素吸收光能,水被光解,產(chǎn)生氧氣,光能經(jīng)過(guò)復(fù)雜的換能作用,成為貯存在A(yíng)TP和NADPH中的活躍化學(xué)能,供暗反應(yīng)需要。②暗反應(yīng)暗反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的基質(zhì)中。由于反應(yīng)不需要光,所以稱(chēng)作暗反應(yīng)。具體的過(guò)程是:Ⅰ、二氧化碳的固定:大氣中的二氧化碳通過(guò)葉的氣孔,進(jìn)入葉肉細(xì)胞的葉綠體基質(zhì)中,由于二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)不活潑,不能直接被還原,必須首先與一個(gè)五碳化合物結(jié)合,生成兩分子磷酸甘油酸。(C3H7O7P)這個(gè)結(jié)合過(guò)程稱(chēng)為二氧化碳的固定。Ⅱ、二氧化碳的還原:通過(guò)磷酸化和脫氫兩步反應(yīng),磷酸甘油酸被還原為磷酸甘油醛C3H7O6P,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為二氧化碳的還原。完成二氧化碳還原,需要?dú)潆x子和能量,它們是由光合作用產(chǎn)生的NADPH和ATP提供的。

Ⅲ、產(chǎn)糖和再生:三碳化合物中的一小部分,經(jīng)過(guò)一系列變化,形成六碳糖(如葡萄糖),再由六碳糖轉(zhuǎn)化為蔗糖和淀粉,完成了生成有機(jī)物的過(guò)程。同時(shí),還有大部分的三碳化合物,經(jīng)過(guò)一系列變化,重新生成五碳化合物,以便再次去固定二氧化碳,進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),以保證光合作用周而復(fù)始、源源不斷地進(jìn)行。暗反應(yīng)的結(jié)果是:二氧化碳通過(guò)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物,貯存在A(yíng)TP和NADPH中的活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)換為貯存在有機(jī)物中的穩(wěn)定化學(xué)能,同時(shí)生成了水。⑶原電池反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)換組成原電池有三個(gè)不可缺少的條件:①電極:由兩塊活潑性能不同的金屬作為原電池的電極?;顫姷慕饘偈请姵氐呢?fù)極,不活潑金屬(或非金屬導(dǎo)體)是電池的正極。②電解質(zhì)溶液:選擇酸、堿、鹽溶液。③導(dǎo)線(xiàn):用以連接兩極,使浸入電解質(zhì)溶液的兩極形成閉合回路,組成原電池。當(dāng)把鋅板和銅板平行放入盛有稀硫酸的燒杯里,用連有電流計(jì)的導(dǎo)線(xiàn)連接兩極時(shí),可以觀(guān)察到三個(gè)重要的現(xiàn)象:鋅片溶解,銅片上有氫氣逸出,導(dǎo)線(xiàn)中有電流通過(guò)。鋅電極發(fā)生氧化反應(yīng):Zn-2e=Zn2+

銅電極發(fā)生還原反應(yīng):2H++2e=H2由于在鋅、銅兩個(gè)電極上不斷發(fā)生的氧化還原反應(yīng),使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。鋅片是給出電子的一極,是電池的負(fù)極,銅片是電子流入的一極,是電池的正極。電流的方向同電子流的方向相反,從正極銅流向負(fù)極鋅。人們應(yīng)用原電池的原理制作了多種電池。并成為日常生活中收音機(jī)、錄音機(jī)、照相機(jī)、計(jì)算器、電子表、玩具、助聽(tīng)器等常用電器的電源。原電池一般按負(fù)極活性物質(zhì)(如鋅、鎘、鎂、鋰等)和正極活性物質(zhì)(如錳、汞、二氧化硫、氟化碳等)分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。干電池是一種一次性電池。因?yàn)檫@種化學(xué)電源裝置其電解質(zhì)是一種不能流動(dòng)的糊狀物,所以叫做干電池。日常使用的干電池是一種鋅錳電池,也叫碳鋅電池。它的負(fù)極為鋅做的圓筒。正極是一根碳棒,它的周?chē)欢趸i、碳粉和氯化銨水的混合劑所包圍,總稱(chēng)為“碳包”。碳包和鋅筒之間充填著氯化銨、氯化鋅的水溶液和淀粉等組成的糊狀物,稱(chēng)為電糊。電池口上用瀝青、松香等配成的封口劑封牢。鋅錳干電池在使用時(shí)的電極反應(yīng)為:碳極:2NH4++2e=2NH3+H2H2+2Mn02=2MnO(OH)鋅極:Zn-2e=Zn2+

總反應(yīng):Zn+2Mn02+2NH4+=2MnO(OH)+2NH3+Zn2+

從反應(yīng)式看出,加Mn02是因?yàn)樘紭O上NH4+離子獲得電子產(chǎn)生H2,妨礙碳棒與NH4+的接觸,使電池的內(nèi)阻增大,即產(chǎn)生“極化作用”。添加MnO2就能與H2反應(yīng)生成MnO(OH)。這樣就能消除電極上氫氣的集積現(xiàn)象,使電池暢通。所以MnO2起到消除極化的作用,叫做去極劑。鋅錳干電池的電動(dòng)勢(shì)為1.5V。因產(chǎn)生的NH3氣被石墨吸附,引起電動(dòng)勢(shì)下降較快。如果用高導(dǎo)電的糊狀KOH代替NH4

Cl,正極材第一節(jié)能量及其轉(zhuǎn)換料改用鋼筒,MnO2層緊靠鋼筒,就構(gòu)成堿性鋅錳干電池,由于電池反應(yīng)沒(méi)有氣體產(chǎn)生,內(nèi)電阻較低,電動(dòng)勢(shì)為1.5V,比較穩(wěn)定。⑷火力發(fā)電與水力發(fā)電發(fā)電機(jī)是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械設(shè)備,由水輪機(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)通常由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、機(jī)座及軸承等部件構(gòu)成。由軸承及端蓋將發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來(lái),使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn),做切割磁力線(xiàn)的運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),通過(guò)接線(xiàn)端子引出,接在回路中,便產(chǎn)生了電流。在所有發(fā)電方式中,火力發(fā)電是歷史最久、也是最重要的一種?;鹆Πl(fā)電是利用煤、石油、天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能,通過(guò)發(fā)電動(dòng)力裝置(包括電廠(chǎng)鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)及其輔助裝置)。轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式。最早的火力發(fā)電是1875年在巴黎北火車(chē)站的火電廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)的?;鹆Πl(fā)電按其用途分為單純供電和既發(fā)電又供熱兩種;可分為汽輪機(jī)發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電;按所用燃料分,主要有燃煤發(fā)電、燃油發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電。汽輪機(jī)發(fā)電又稱(chēng)蒸汽發(fā)電,它利用水在鍋爐中加熱產(chǎn)生蒸汽,用蒸汽沖動(dòng)汽輪機(jī),再由汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種發(fā)電方式在火力發(fā)電中居主要地位,占世界火力發(fā)電總裝機(jī)的95%以上。汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)主要由燃燒系統(tǒng)(以鍋爐為核心)、汽水系統(tǒng)(由各類(lèi)泵、給水加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成)、電氣系統(tǒng)(以汽輪發(fā)電機(jī)、主變壓器等為主)、控制系統(tǒng)等組成。前二者產(chǎn)生高溫高壓蒸汽,電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由內(nèi)能、機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)變,控制系統(tǒng)保證各系統(tǒng)安全、合理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?;鹆Πl(fā)電的重要問(wèn)題是提高熱效率,大型供熱電廠(chǎng)的熱能利用率只能達(dá)到60%~70%。為提高綜合經(jīng)濟(jì)效益,火力發(fā)電應(yīng)盡量靠近燃料基地進(jìn)行,在大城市和工業(yè)區(qū)則應(yīng)實(shí)施熱電聯(lián)供。火力發(fā)電大量燃煤、燃油,造成環(huán)境污染,成為日益引人關(guān)注的問(wèn)題。此外,由于地球上化石燃料的短缺,人類(lèi)正盡力開(kāi)發(fā)核能發(fā)電、核聚變發(fā)電以及高效率的太陽(yáng)能發(fā)電等,以求最終解決人類(lèi)社會(huì)面臨的能源問(wèn)題。水力發(fā)電是利用江、河、水庫(kù)的勢(shì)能也就是水位的落差來(lái)做功,推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。水力發(fā)電依其開(kāi)發(fā)功能及運(yùn)轉(zhuǎn)形式可分為慣常水力發(fā)電與抽蓄水力發(fā)電兩種。慣常水力發(fā)電即利用天然河流、湖泊等水源發(fā)電。抽蓄水力發(fā)電即利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)多余的電力,將低處下水庫(kù)的水抽到高處上存蓄,待電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)放水發(fā)電,尾水收集于下水庫(kù)。水力發(fā)電廠(chǎng)的構(gòu)成主要有水源、攔水建筑物體、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)變壓器、高壓斷路器、配電裝置等組成。從上游水庫(kù)引來(lái)的水,被導(dǎo)入彎曲形通道,水流使水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī),把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。流出轉(zhuǎn)輪的水經(jīng)尾水管排向下游。2、能源的分類(lèi)與利用歷史能源分為兩大類(lèi):一次能源和二次能源。一次能源是指自然界中現(xiàn)成存在的能源。一次能源按其能否循環(huán)使用和不斷得到補(bǔ)充還可以分為可再生能源和不可再生能源??稍偕茉从刑?yáng)能、水能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能等,不可再生能源有煤、石油、天然氣等。二次能源是指一次能源經(jīng)過(guò)加工而轉(zhuǎn)換成另一種形式的能(不管轉(zhuǎn)換幾次),如煤氣、焦炭、汽油、電、蒸汽、酒精、人工沼氣等。在一次能源中,依據(jù)其利用情況可分為常規(guī)能源和新能源。當(dāng)前廣泛使用的一次能源稱(chēng)為常規(guī)能源;目前尚未被大規(guī)模利用,正在研究推廣的稱(chēng)為新能源。常規(guī)能源和新能源的分類(lèi)是相對(duì)的。今天的常規(guī)能源過(guò)去曾經(jīng)是新能源,而今天的新能源可成為今后的常規(guī)能源。目前的常規(guī)能源主要包括煤炭、石油、天然氣和水力資源;新能源主要包括太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能、核能等。能源物質(zhì)所提供的能量,從本質(zhì)上來(lái)看,不外乎是化學(xué)能、機(jī)械能源及其利用能、內(nèi)能、原子能和光能等形式。3.常規(guī)能源⑴煤的形成與利用煤是古代植物遺體堆積在湖泊、海灣、淺海等地方,經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)化而成的一種具有可燃性能的沉積巖。煤的化學(xué)成分主要為c、H、0、N、s等元素。在顯微鏡下可以發(fā)現(xiàn).煤中有植物細(xì)胞組成的孢子、花粉等,在煤層中還可以發(fā)現(xiàn)植物化石,所有這些都可以證明煤由植物遺體堆積而成。由植物變?yōu)槊旱倪^(guò)程可以分為三個(gè)階段:

①菌解階段——泥炭化階段當(dāng)植物堆積在水下被泥沙覆蓋起來(lái)的時(shí)候,便逐漸與氧氣隔絕,由厭氧細(xì)菌參與作用,促使有機(jī)質(zhì)分解生成泥炭。通過(guò)這種作用,植物遺體中氫、氧成分逐漸減少,而碳的成分逐漸增加。泥炭質(zhì)地疏松、褐色、無(wú)光澤、比重小,可看出有機(jī)質(zhì)的殘?bào)w,用火柴燒可以引燃,煙濃灰多。②煤化作用階段——褐煤階段當(dāng)泥炭被沉積物覆蓋形成頂板后,便成了完全封閉的環(huán)境,細(xì)菌作用逐漸停止,泥炭開(kāi)始?jí)嚎s、脫水而膠結(jié),碳的含量進(jìn)一步增加,過(guò)渡成為褐煤,這稱(chēng)為煤化作用。褐煤顏色為褐色或近于黑色,光澤暗淡,基本上不見(jiàn)有機(jī)物殘?bào)w,質(zhì)地較泥炭致密,用火柴可以引燃,有煙。③變質(zhì)階段即煙煤及無(wú)煙煤階段褐煤是在低溫和低壓下形成的。如果褐煤埋藏在地下較深位置時(shí),就會(huì)受到高溫高壓的作用,使褐煤的化學(xué)成分發(fā)生變化,主要是水分和揮發(fā)成分減少,含碳量相對(duì)增加;在物理性質(zhì)上也發(fā)生改變,主要是密度、比重、光澤和硬度增加,而成為煙煤。這種作用是煤的變質(zhì)作用。煙煤顏色為黑色,有光澤,致密狀,用蠟燭可以引燃,火焰明亮,有煙。煙煤進(jìn)一步變質(zhì),成為無(wú)煙煤。無(wú)煙煤顏色為黑色,質(zhì)地堅(jiān)硬,有光澤,用蠟燭不能引燃,燃燒無(wú)煙。在整個(gè)地質(zhì)年代中,全球范圍內(nèi)有三個(gè)大的成煤期:古生代的石炭紀(jì)和二疊紀(jì),成煤植物主要是孢子植物。主要煤種為煙煤和無(wú)煙煤。中生代的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì),成煤植物主要是裸子植物。主要煤種為褐煤和煙煤。新生代的第三紀(jì),成煤植物主要是被子植物。主要煤種為褐煤,其次為泥炭,也有部分年輕煙煤。煤含碳最多,除此之外還含有少量的H、N、S、O等元素以及無(wú)機(jī)礦物質(zhì)。煤可以分為無(wú)煙煤、煙煤、褐煤和泥煤等,其含碳量不同,發(fā)熱量也不同,一般含碳量高的,發(fā)熱量也高。直接燃燒煤,能量利用率低,煤中寶貴的化工原料被白白燒掉,燃燒時(shí)又生成了有害氣體和煙塵,嚴(yán)重污染環(huán)境,所以不是合理的使用方法。合理利用煤的途徑很多,比較成熟的有煤的干餾、氣化和液化技術(shù)。Ⅰ、煤的干餾將煤隔絕空氣加強(qiáng)熱使其分解的過(guò)程,叫做煤的干餾。將煤粉放在隔絕空氣的煉焦?fàn)t中加熱,煤分解得到焦炭、煤焦油、焦?fàn)t氣、粗氨水和粗苯等。這些產(chǎn)物可用于生產(chǎn)化肥、塑料、合成橡膠、合成纖維、炸藥、染料、醫(yī)藥等Ⅱ、煤的氣化煤的氣化是把煤中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過(guò)程。氣化過(guò)程在氣化爐中進(jìn)行。這是一個(gè)吸熱反應(yīng),所需熱量一般由同時(shí)進(jìn)行的碳的燃燒反應(yīng)來(lái)提供。

C(s)+O2(g)=CO2(g)+熱碳燃燒時(shí)既可以使用空氣,也可以使用氧氣,但得到的煤氣的成分、熱值及用途都不同,分別叫做低熱值氣和中熱值氣。中熱值氣在適當(dāng)催化劑的作用下,又可以轉(zhuǎn)變成高熱值氣。Ⅲ、煤的液化(煤造油)煤的液化是把煤轉(zhuǎn)化成液體燃料的過(guò)程。把煤與適當(dāng)?shù)娜軇┗旌虾螅诟邷馗邏合?有時(shí)還使用催化劑),使煤與氫氣作用生成液體燃料,這是把煤直接液化的一種方法。煤還可以進(jìn)行間接液化,就是先把煤氣化成一氧化碳和氫氣,然后再經(jīng)過(guò)催化合成,得到液體燃料。例如,煤氣化后得到的一氧化碳和氫氣,可以用來(lái)合成甲醇。甲醇可以直接用作液體燃料。將甲醇摻到汽油中可以代替一部分汽油,作為內(nèi)燃機(jī)的燃料。甲醇還可以進(jìn)一步加工成高級(jí)汽油。

⑵石油的利用大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為,石油是古代生物遺骸,堆積在湖里、海里,或是陸地上,經(jīng)高溫、高壓的作用,由復(fù)雜的生物及化學(xué)作用轉(zhuǎn)化而成的。石油在地層中一點(diǎn)一滴地生成,并浮游于地層中。油點(diǎn)緩慢地沿著地層或斷層向上移動(dòng),直到受不透油的封閉地層阻擋而停留下來(lái)。當(dāng)此封閉地層內(nèi)的油點(diǎn)越聚越多,便形成了油田。石油有露天開(kāi)采和鉆井開(kāi)采兩種方法。海底下的油礦需要使用石油平臺(tái)來(lái)開(kāi)采。一般來(lái)說(shuō),一剛剛開(kāi)采的油田的油壓足夠高,可以自己噴射到地面,隨著石油被開(kāi)采,其油壓不斷降低,后來(lái)就需要使用泵來(lái)抽油。通過(guò)向油井內(nèi)壓水或天然氣可以提高可以開(kāi)采的油量。由碳和氫化合形成的烴類(lèi)構(gòu)成石油的主要組成部分,約占95%~99%。直接利用石油的途徑很少,只能用作燃料來(lái)燒鍋爐。這樣使用石油,是很大的浪費(fèi)。將石油加工成不同的產(chǎn)品,則能物盡其用,可以充分發(fā)揮其效能。從油田里開(kāi)采出來(lái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工處理的石油叫原油。原油成分復(fù)雜,還含有水和氯化鈣、氯化鎂等鹽類(lèi)。含水多,在煉制時(shí)要浪費(fèi)燃料,含鹽多會(huì)腐蝕設(shè)備。所以,原油必須先經(jīng)過(guò)脫水、脫鹽等處理過(guò)程,才能進(jìn)行煉制。石油煉制的方法主要有分餾、裂解和重整。①石油的分餾:經(jīng)過(guò)脫水、脫鹽的石油沒(méi)有固定的沸點(diǎn),它是不同沸點(diǎn)的、大大小小的烴的混合物。烴的沸點(diǎn)隨碳數(shù)增加而增高,把石油加熱后,就能按沸點(diǎn)高低不同把各類(lèi)烴依次分離出來(lái)。在通常情況下,石油被加熱到350℃左右送入常壓塔,其中沸點(diǎn)較低的烴,即被汽化上升,經(jīng)過(guò)一層一層的塔盤(pán)直達(dá)塔頂。由于塔體的溫度由下而上是逐漸降低的,所以,當(dāng)石油蒸汽自下而上經(jīng)過(guò)塔盤(pán)時(shí),不同的烴就按各自沸點(diǎn)的高低分別在不同溫度的塔盤(pán)里凝結(jié)成液體。這樣得到的是輕質(zhì)的石油產(chǎn)品,如汽油、煤油、輕柴油等。留在常壓塔底的是重油,它們都是一些沸點(diǎn)很高的烴類(lèi)。通過(guò)減壓加熱爐和減壓分餾塔,重油也得到分餾,我們可以得到重柴油和各種潤(rùn)滑油。分餾出來(lái)的各種成分叫做餾分。每一種餾分仍然是多種烴的混合物。從我國(guó)的石油組分來(lái)說(shuō),直餾產(chǎn)品一般可獲得25%~40%的輕質(zhì)油品和20%~30%的潤(rùn)滑油,剩下的渣油,雖然可供鍋爐、電站等當(dāng)燃料,但顯然沒(méi)有合理充分地利用寶貴的石油資源。為了從石油中獲取更多的輕質(zhì)油,也為了提高油品質(zhì)量、增加產(chǎn)品的品種,人們通過(guò)裂化和重整來(lái)達(dá)到這一目的。②裂化:裂化就是在一定條件下,把分子量大、沸點(diǎn)高的烴斷裂為分子量小、沸點(diǎn)低的烴的過(guò)程。裂化有熱裂化和催化裂化。重油、石蠟等較大的烴分子,在500℃左右和一定的壓強(qiáng)下,被裂化而轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿恿枯^小的烴。例如:C16H34=C8H18+C8H16這樣就生成了分子量比較小、沸點(diǎn)比較低的、類(lèi)似汽油的飽和烴和不飽和烴的液態(tài)混合物。有些裂化產(chǎn)物還會(huì)繼續(xù)分解,生成飽和的和不飽和的氣態(tài)烴。例如:

C8H18=C4H10+C4H8

C4H10=CH4+C3H6

C4Hlo=C2H4+C2H6在生產(chǎn)實(shí)踐中,由于熱裂化所產(chǎn)生的汽油質(zhì)量還不夠高,并且在熱裂化過(guò)程里如果溫度過(guò)高,還常會(huì)發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象,影響生產(chǎn)的進(jìn)行。為了克服這些缺點(diǎn),常使用催化劑。在催化作用下進(jìn)行的裂化,叫做催化裂化。經(jīng)過(guò)催化裂化可以得到質(zhì)量比較高的汽油,因此,熱裂化已有被催化裂化所取代的趨勢(shì)。

催化裂化就是把原料油(常用的是重質(zhì)餾分油)在催化劑的作用下,進(jìn)行裂解反應(yīng)。跟熱裂化比較,催化裂化的溫度和壓力要低些,但對(duì)原料的要求高些。如果原料中含重金屬如鎳、鐵、銅、釩等就會(huì)影響催化劑的催化效率,使其選擇性顯著降低,因而會(huì)降低汽油產(chǎn)率,增加氣體和焦炭的產(chǎn)率,所以對(duì)于催化裂化原料油的重金屬含量要有一定限制。裂解是石油化工生產(chǎn)過(guò)程中,以比裂化更高的溫度(700℃一800℃,有時(shí)甚至高達(dá)1000℃以上),使石油分餾產(chǎn)物(包括石油氣)中的長(zhǎng)鏈烴斷裂成乙烯、丙烯等短鏈烴的加工過(guò)程??梢?jiàn),裂解是一種更深度的裂化。石油裂解的化學(xué)過(guò)程比較復(fù)雜,生成的裂解氣是成分復(fù)雜的混合氣體,除主要產(chǎn)品乙烯外,還有丙烯、異丁烯及甲烷、乙烷、丁烷、炔烴、硫化氫和碳的氧化物等。裂解氣經(jīng)凈化和分離,就可以得到所需純度的乙烯、丙烯等基本有機(jī)化工原料。目前,石油裂解已成為生產(chǎn)乙烯的主要方法。③重整直餾汽油含直鏈烷烴多,性能不能滿(mǎn)足開(kāi)飛機(jī)、汽車(chē)的要求,人們就采用“重整”的辦法來(lái)解決。汽油在催化劑的作用下,發(fā)生脫氫環(huán)化和芳構(gòu)化等作用,生成芳香烴等化合物的過(guò)程稱(chēng)為重整。例如,汽油中的己烷經(jīng)重整后轉(zhuǎn)化為苯。重整汽油可用作汽油的調(diào)和組分,增強(qiáng)汽油的抗震性。而且,從重整油的芳香烴中還可獲取苯、甲苯及二甲苯等重要化工原料。拓展認(rèn)知:城市中許多家庭中燒水、煮飯用的罐裝“煤氣”,實(shí)際上是液化石油氣。它是石油化工生產(chǎn)的一種副產(chǎn)品,主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等,此外,還有少量硫化氫。液化石油氣是通過(guò)降溫和加壓壓縮到耐壓鋼瓶中的,鋼瓶中的壓強(qiáng)約是大氣壓強(qiáng)的7倍~8倍。所以,瓶中貯存的液化石油氣的量很大,可以使用較長(zhǎng)的時(shí)間。⑶天然氣的利用天然氣是儲(chǔ)存于地下多孔巖石或石油中的可燃?xì)怏w,它的成因與石油的成因相似。天然氣一般與石油共存,因?yàn)橛欣谑痛嬖诘牡貙?,一般也有利于天然氣的存在。由于天然氣比石油輕,所以常位于石油的上部。我國(guó)四川等省也有單獨(dú)成礦的天然氣礦藏。如果按其形成,天然氣可分為油田氣、煤層氣、生物氣和水合物氣四種。油田氣是石油烴類(lèi)天然氣,煤層氣是成煤過(guò)程中有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的甲烷氣,生物氣是有機(jī)質(zhì)在70℃以下被厭氧微生物分解產(chǎn)生的甲烷氣,水合物氣是在低溫高壓下,甲烷等氣體分子滲入水分子晶隙中締合的氣體。天然氣可當(dāng)作燃料產(chǎn)生熱能,也是石油化學(xué)制品的原料。根據(jù)專(zhuān)家估計(jì),可從天然氣和石油制成數(shù)十萬(wàn)種不同的化學(xué)品,因此,把天然氣當(dāng)作燃料使用之前,可先將部分的化合物取出,作為工業(yè)生產(chǎn)的原料,如此才可充分發(fā)揮天然氣的用途。作為燃料,天然氣具有不少優(yōu)點(diǎn):一是運(yùn)輸方便。天然氣用管道輸送較為容易,經(jīng)液化后還可用油輪運(yùn)輸。把礦區(qū)出產(chǎn)的天然氣冷凍至零下162℃,使其凝結(jié)成為一種無(wú)色無(wú)臭的液體,即為液化天然氣,其體積縮減為氣態(tài)時(shí)的1/600左右,便于儲(chǔ)存及運(yùn)輸。二是比較安全高效。天然氣的主要成分是甲烷,它不含一氧化碳,無(wú)色無(wú)味無(wú)毒、熱值高、燃燒穩(wěn)定。天然氣比空氣輕,一旦泄漏,立即會(huì)向上擴(kuò)散,不易積聚形成爆炸性氣體,安全性較高。壓縮天然氣是天然氣加壓并以氣態(tài)儲(chǔ)存在容器中,它與管道天然氣的成分相同,可作為車(chē)輛燃料利用。

三是造成的空氣污染較小。天然氣燃燒均勻、清潔、有害成分少,幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì),相對(duì)于煤和石油來(lái)講對(duì)環(huán)境的污染較小。天然氣是目前世界上首推的無(wú)公害能源,它燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳少,對(duì)保護(hù)環(huán)境有很大好處,其熱值相當(dāng)于煤氣的2.3倍。所以,目前發(fā)達(dá)國(guó)家大部分正在逐步淘汰人工煤氣,改用天然氣。水能利用的主要方式是發(fā)電,在第一節(jié)中已有介紹,這里不再贅述。由于常規(guī)能源中,大多是不可再生能源,按目前世界能源消費(fèi)量計(jì)算,石油、天然氣將在短短幾十年內(nèi)開(kāi)采完,就是儲(chǔ)量較豐富的煤炭,在石油、天然氣資源枯竭后,也僅能維持一二百年之久。能源短缺是人類(lèi)必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。另外,常規(guī)能源中的化石燃料的大量使用,對(duì)環(huán)境造成危害,如酸雨、全球氣候變暖等。因此,新能源的開(kāi)發(fā)和利用,已成為世界各國(guó)關(guān)注的重大問(wèn)題。知識(shí)卡片海底地層深處的天然氣被包進(jìn)水分子中,在海底的低溫與壓力下形成“可燃冰”。這是因?yàn)樘烊粴庥袀€(gè)特殊性能,它和水可以在溫度2℃一5℃下結(jié)晶,這個(gè)結(jié)晶就是“可燃冰”。“可燃冰”外表上看像冰霜,從微觀(guān)上看其分子結(jié)構(gòu)就像一個(gè)一個(gè)“籠子”,由若干水分子組成一個(gè)籠子,每個(gè)籠子里“關(guān)”一個(gè)氣體分子。由于在常溫常壓下會(huì)分解咸水與甲烷,因此“可燃冰”可看成是高度壓縮的固態(tài)天然氣。目前,可燃冰主要分布在東、西太平洋和大西洋西部邊緣,是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉础?/p>

世界上已探明的石油可開(kāi)采量?jī)H可供人類(lèi)三四十年之用,天然氣僅可供四五十年,煤炭也僅可供200余年,作為核電站燃料的鈾資源也將在短短幾十年內(nèi)告磬。而較為理想的可重復(fù)使用的再生資源—水力,在工業(yè)國(guó)家通過(guò)傳統(tǒng)工藝已開(kāi)發(fā)了3/4以上,潛力有限。如果不能及時(shí)找到新的更為理想的能源來(lái)接替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的話(huà),那么對(duì)于人類(lèi)社會(huì)而言將是滅頂之災(zāi)。②生物質(zhì)能利用新技術(shù)生物質(zhì)能源是地球上最大量、清潔、廣譜的能源。近年來(lái),我國(guó)政府采取“因地制宜,多能互補(bǔ),綜合利用,講求效益”的政策,大力推行生物質(zhì)能新技術(shù),以提高其利用率。我國(guó)林業(yè)部門(mén)正在實(shí)施的大規(guī)模營(yíng)造柴薪林的計(jì)劃以及在農(nóng)村大力推廣省柴節(jié)煤灶,推行沼氣池的做法已取得明顯效果。用秸桿喂牲畜、牲畜的糞便和農(nóng)作物廢料等用來(lái)漚沼氣、產(chǎn)生沼氣后的渣子再作為肥料用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的沼氣池做法,綜合利用,一舉數(shù)得,前景十分可觀(guān)。我國(guó)還在開(kāi)發(fā)利用秸稈等生物質(zhì)生產(chǎn)清潔液體燃料的技術(shù),如利用植物纖維和淀粉生產(chǎn)酒精,酒精摻入汽油可代替汽油作燃料,現(xiàn)已推廣應(yīng)用于民用。

4.新能源新能源主要是指目前尚未被人們大規(guī)模開(kāi)發(fā)和廣泛利用的能源。一般來(lái)說(shuō),新能源是在新技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)利用的可再生能源和清潔能源,是未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的能源基礎(chǔ)。它包括太陽(yáng)能、地?zé)崮?、核聚變能、海洋能和氫能幾大?lèi)。⑴太陽(yáng)能太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)、取之不盡的理想能源,但又存在密度低、不連續(xù)、不穩(wěn)定等缺點(diǎn),所以太陽(yáng)能大規(guī)模利用的關(guān)鍵在于解決太陽(yáng)能的聚集和儲(chǔ)存以及提高太陽(yáng)能向其他能量形式的轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題。①采用聚光裝置,經(jīng)光—熱轉(zhuǎn)換獲得熱能工作原理是:用許多反射鏡將陽(yáng)光集中到一個(gè)集熱裝置上,通過(guò)熱交換器,使管道系統(tǒng)內(nèi)的水沸騰變成高溫高壓蒸汽,推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)電(圖3)。世界上最大的聚光器有九層樓高,中心溫度高達(dá)4000C。目前已推廣使用的有太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)能干燥器(圖2)。②通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置,經(jīng)光—電轉(zhuǎn)換獲得電能目前的地面太陽(yáng)能發(fā)電站還處在實(shí)驗(yàn)階段,高空的衛(wèi)星太陽(yáng)能電站還只是一種設(shè)想,只有太陽(yáng)能電池已進(jìn)入實(shí)用化。研制成功的太陽(yáng)能電池有100多種,主要是硅電池和砷化鎵電池等。太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%,已廣泛用于航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星等航天器上。用太陽(yáng)能電池作動(dòng)力的太陽(yáng)能汽車(chē)、太陽(yáng)能飛機(jī)、太陽(yáng)能電子產(chǎn)品以及太陽(yáng)能建筑等都已問(wèn)世。③經(jīng)過(guò)植物葉綠素的光合作用,利用光—化學(xué)轉(zhuǎn)化得到化學(xué)能如果這一轉(zhuǎn)換能夠被人控制,就可以實(shí)現(xiàn)人造葉綠體發(fā)電。⑵地?zé)崮艿責(zé)崮苁侵冈诘厍騼?nèi)部蘊(yùn)藏著的巨大的熱能,它主要來(lái)源于地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量,主要有水熱型、地壓型、干熱巖型和巖漿型四大類(lèi)。水熱資源即蘊(yùn)藏在地層淺表的熱水或蒸汽,其溫度從90到200~300度不等;地壓資源是封閉在地表以下2~3公里的深部沉積巖中含有甲烷的高鹽分高壓熱水;干熱巖資源是指位于地表層下幾公里深處的溫度為15℃~65℃。沒(méi)有水或蒸汽的熱巖石;巖漿型資源是指溫度高達(dá)650~1200℃的融狀或半融狀石巖漿,它埋藏最深。

據(jù)估計(jì),在地球上的所有能源中,地?zé)崮軆H次于太陽(yáng)輻射能,處于第二位。平常,地?zé)崮芤詼厝?、火山爆發(fā)、地?zé)岬刃问缴⒁莩鰜?lái),僅每年的散逸量就達(dá)到目前世界能源總消費(fèi)量的2倍。

目前地?zé)崮艿睦弥饕堑責(zé)岚l(fā)電,或直接利用地?zé)崴?。?0世紀(jì)60年代迄今,已有40多個(gè)國(guó)家建立了不同規(guī)格的地?zé)岚l(fā)電站,裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)上千萬(wàn)千瓦,其中

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