氢能与燃料电池技术课件 制氢技术；从化石燃料到氢燃料.pdf

5.制氢技术HSUNELECTROLYSIS2HQt 2%-。2H制氢技术Standard EiecoohwModel flow diagram o(ibe wolerphtung m4ut ihennociieinical cycle ttted for the exergy aaaiy*tk.电解水制氢化石燃料制氢生物质制氢热化学制氢光化学制氢光生物制氢5.1从煤和碳氢化合物制氢煤和碳氢化合物是工业制氢的主要来源，制氢反应可以简要概 括为“气化反应”过程原材料1.煤炭2.重油3.轻质油4.甲烷5.生物质夕“化石燃料制氢的物理化学基础气化反应根据其特性，可以细分为以下四类:1.与氧气的反应（燃烧）C+1/2 02 C0 AH=-111 kJ mol-1(5.1)CO+1/202 C02 AH=-283 kJ mol-1(5.2)H2+1/202 0H2。AH=-242 kJ mor1(5.3)Cn Hm+(n+m/4)O2=n CO2+m/2H2O(5.4)HC 0 H甲烷燃烧：.CH4+2O2=CC)2+2H2。AH=-802 kJ mol1/5.4a)碳氢化合物不完全燃烧：CnHm+(n/2+m/4)O2nCO+m/2H2O(5.5)反应帽可以从式(5.2)和式(5.4冲的焙变计算得出苕R*HHH诉示:PlasticCO+1/2O2 C02 AH=-283 kJ mor1(5.2)Cn Hm+(n+m/4)O2 0n C02+m/2H2O(5.4)小 D o!Ae.e.，0 0您即 9 通合母 命 0 2CO2+3H2O2.C3H8(g)+5O2(g)o 3CO2(g)+4H2O(1)H=-2219.9kJ/molC3 H8=3C+4H2 AH=?kJ mol1512煤制氧技术煤的气化：C+H20=C0+H2(syngas)AH=+131 kJ mol-1CO+H2O CO2+H2 AH=-41 kJmor1气化炉内引入的空气或氧气量精 确控制，比例较小，燃料可以完 全燃烧。部分氧化过程提供 热量。出放电 H1煤料1(5)储口(5.7)四割|年-H k bi,煤气化炉HSRM CH3OH+H2O=C02+3H2 AHsrm,298.15=50 kJ/molPOX CH3OH+1/2O2=CO2+2H2 AHpox,298.i5=92 kJ/molDE CH3OH=CO+2H2AHde,298J5=91 kJ/molOX CH3OH+3/2O2=CO2+2H2O AHx,298.15=676 kJ/mol(5J3)(5-14)(5J5)(5.16)5.1.3天然气重整制氢市场上大部分氢气由天然气重整制备CH4+H2O 0cO+3H2 AH=+206 kJ mol1 8a)原则上任何碳氢化合物都可以与水蒸汽反应重整转化为氢气和一氧化碳。天然气水蒸气重 整制氢系统原料天然气脱硫；原料天然气蒸汽重整转化、中温变换;蒸汽流程；锅炉水流程燃料气流程助燃空气、烟气流程H天然气重整制氢工艺流程压缩原料天然气119.2C119.2 C原料天然气压缩后去转化炉内景段强热，然后进行脱磕2TEE-100119.2 C27.35 C119.2 C压缩机出口缓冲擢119.2 C工艺流程脱硫钻铝加氢反应器脱硫后天然气“脱硫过程的反应式釜5方夕一方釜夕U 工艺流程转化脱硫后天然气-+/-s4-烝汽=混合管床层430H 转化炉中的主要反应：CH4+H2O-CO+3H2AH=+206kJ/mol中温变换炉中的主要反应:co+h2o-co2+h2AH=-41.20kJ/mol总反应 CH4+2H2O-4H2+CO2工艺流程锅炉水锅炉水流程1烝汽废翻炉 中变炉WU 工艺流程锅炉水锅炉水流程未吟却气相去变压吸附单元瞅硫后天然气中一 宜“9,皿 一.口十,锅炉给水预热器外输蒸汽-w-w-w-ws#w 一系列换热器4睨近水来自界区中变气分离器工艺冷凝液设备转化炉转化炉辐射段/烧嘴/转化管/炉体对流段/混合气预热器/天然气预热器/空预器二段/烟气废锅/空预器一段-11._._ _.一.一U 设备转化炉空气预热器二段烟气 废锅天然气预热器混合气预热器H天然气水蒸气重整制氢系统天然气制氢技术种类除天然气水蒸气重整之外，天然气制氢还包括:天然气部分氧化制氢天然气自热重整制氢天然气催化裂解CH4 OC+2H2 AH=+75 kJ mol1(5.12a)超细c粉一一食品添加剂等5.1.4生物质制氧生物质的自热重整（气化）反应C6H9。4+5.5 H20+1.25 02=10H2+6C02碳氢化合物的气化反应原理也可以应用于生物质和有机废弃物的处理和 回收，甚至可应用于所有含碳废弃物。straw生物质旋风分离器5 Steam水蒸气焦炭灰m biomass burner&W35.2电解水制氢水是地球上的重要资源，可以通过电解的 方式产生氢气和氧气。碱性电解槽成熟的电解制氢技术固体聚合物电解槽（SPE）开发中的电解制氢技术=SOECU 521电解水制氢的基本原理Fig.5.3 Principle of an electrolysis cell.H2OH2+0.5O2在标准条件下（298.15 K；,AGr的值为+237.19 kJmol1开路电压E0:E0=0 nF一+cathode anode。%o P 9 0 p o。?o hydrogen oxygen odiaphragmn:每摩尔水分解所转移的电子数,F:法拉第常数（96485Cmol-九在标准条件下，开路电压E0应为L23V。AHr=AGr+TASr这样，通过电和热的结合就能提供反应所需的总能量。在高温下进行电解水，可以减少所耗电能。H电解槽的总电压电解槽工作时的总电压取决于由电池内的电流和欧姆电阻引起 的电压降、阳极和阴极过电位。Ecell=E.+iR+E-h+Eovan邛嬴:阴极过电位 E：:阳极过电位 沂：欧姆电压降电解制氧的效率电解制氢的效率通常定义为每单位时间产生的氢 u热值与所需能量 输入（包括电能和电解时吸入的热量）的比值。,中电能输入需要 按照火电转换效率换算成热能。商用电解槽的总制氢效率:碱性电解槽的总制M率SPE电解槽的约350/0,SOEC最高，可以达到55。/0。能源需求与供给电解效率:电解槽工作时，理论电解电压与实际电解电压之比。回(T,P)法拉第效率:根据流过电池的电流所产生的气体和理论上产生的氢气的比例。法拉第效率通常达到90%以上.H2夕N.N碱性电解水制氢技亲碱性电解水制氢是一项成熟且应用广泛的技术电解槽组成:雷尼镇聚飒 替代 石棉-40%氢氧化钾溶液H2碱性电解水制氢工作原理图4OHO2+2H2O+44e+4&O=2H+4OH,单极性电解槽：电解槽并联，开放式L双极性电解槽：一个电极同时作为阴极和阳极，堆叠起来减小欧姆损失H：O2HzO 二 啊+4e-Irradiation目前，只有少数制造商提供单极性电解槽;大多数工业电解槽都采用双极性连接2H0000300 9 30.00000000 o o o oSas。2 2 11 vweEN)。】一U Els o,00%oooooooooo 0987654321录AUUBOQ山 electrolysis only。includ.peripherals00 100 200 300 400Hydrogen production capacity NmVhrFig.5.4 Investment costs for alkaline electrolysers(calculated from requests for quotes from different suppliers in the year 2002).0%500 0 100 200 300 400Hydrogen production capacity Nm3/hrFig.5.5 Efficiencies of alkaline electrolysers for different plant sizes.500单位产能的投资额高度依赖于电解槽的尺寸大小;各种生产规模的电解效率基本相同。523固体聚合物电解槽碱性溶液/酸性溶液，固态电解质彩/，减小腐蚀 I优点，恒定电解质浓度 1能够同时使用电解质作为隔膜,彩 可能使用的电解质材料是离子交换膜.（SPE,1967,GE美国通用电气公司）U 固态聚合物电解质与碱性电解液相比：原材料价格更高气体质量更高Pt/Ir催化剂压力更大密封性更好SPE电解槽系统的生产能力较低。应用领域:即时供氢及航空航天据报道，效率从85%提高到93%,因此预计进一步改善的潜力很大。H524固体氧化物电解池sees三种电解水制氢技术的简要对比电解水制氢碱性电解固体聚合物电解(SPE)固体氧化物电解(SOEC)3种不同类型电解水制氢系统总制氢效率比较制氢系统类型电解效率(%)总制氢效率(%)碱性8051 6225SPE 807479 35SO EC8509(卜 1(X)55u5.2.5利用可再生能源的电解水制氢一从小型到大型世界上只有3%的氢是通过电解水生产的。氢气主要用作化工原料，很少用作能源载体。利用太阳能、风能、水能等可再生能源提供能量的构想为电解水制氢 提供了一个新的思路。太阳能发电站水力发电站利用可再生能源的电解水制氢1.用于自给供电的小型电解槽系统2.禺网区域的大型可再生能源发电厂:.自给供电的小型电解槽系统属于小众市场，除此之外，制氢技术在 远离电网的偏远地区仍可发挥重要作用。I 二:TSogndjordSTAWMGtR挪威松娜峡湾风力发电厂利用可再生能源的电解水制氢 Annual capital costs o Costs for Maintenance and chemicals Costs for electricity Fig.5.6 Annual costs for hydrogen from renewable energies.三种可再生能源:太阳能、陆上和海上风为发电费用占比可再生能源发电成本陆上风力发电 海上风力发电 太阳能发电价格（欧元/千瓦时）4.18.012.5H 2 5.2.6总结与展望1.原理和工艺成熟，瓶颈在于成本控制（电价、催化剂成本）。2.目前，大多数商用电解槽都是碱性电解槽。3.碱性电解槽的电解效率在51%至62%之间，SPE的电解效率在74%至79%之间,SOEC的电解效率最高，在90%至100%之间。SPE和S0EC是未来高效电解水制氢 可能采用的技术。4.目前，全世界只有很小比例（3%）的氢气通过电解水产生。5.产生的氢主要用作化工原料，很少作为能量载体。5.2.6总结与展望风力发电厂太阳能发电厂如果未来氢气在储能方面能够发挥重要作用，利用可再生能源电解水制 氢将会成为能源供应的一个重要方式。课后作业1.请用流程图描述天然气水蒸汽重整的原理和过程。2.请用流程图描述碱性电解水制氢的原理和过程。3.请查阅资料，从技术和经济等方面综合比较天然气水蒸汽重整 制氢和电解水制氢的优劣势。U 53水的热化学反应在超过4300K的温度下，水可以被纯粹的热能分解，难以在工程上实 现。水的直接分解只能通过多级热化学过程来实现。热化学制氢是一个由一组相互关联的化学反应组成的系统。该系统 输入水和能量，然后输出氢气和氧气，而参与氢气生产的其他化合 物则不会被消耗。H氢气(67J)100 J400,C900cH2SO4废热100C1（碘）循环h2so4SO2+H25.3.1工作原理最基本的过程包括两个步骤：H2 0+2X=2XH+1/2 022XH=2X+H2这是一个二级循环根据中间化合物x的性质和作用，可以将其分为几种不同反应 变体。学者们已经研究了很多种可能的反应变体。这些变体依 然处于实验室验证阶段。u工作原理氧化物系统3MeO+H2O f Me3O4+H2Me3O4 3MeO+1/2O2目前，对ZnO/Zn和CeO2/Ce2C)3进行的 研究最多。反应促进效率已经超过了20%。工作原理卤化物系统3MeX2+4H2O-Me3O4+6HX+H2Me3O4+8HX-3MeX2+4H2O+X2MeO+X2 f MeX2+1/2O2MeX2+H2O-MeO+2HX在这一类系统中，最著名的是东京大学的UT-3循环过程。它的热效率预计在35%到40%之间。该循环不需要使用贵金属-它使用的材料便宜 且容易获得。热效率=产生%的高热值/（循环中的吸热-循环中的放热）u工作原理碘系统SO2+I2+H2O f 2HI+H2SO4H2SO4 f H2O+1/2O2 最著名和研究最广泛的循环是碘一硫循环,它的理论效率可达52%。2HI-H2+l2U工作原理混合系统CH4(g)+H2O(g)-CO(g)+3H2CO(g)+2H2(g)-CH3OH(g)CH3OH(g)-CH4(g)+1/2O2(g)混合系统制氢是一个包含电解反应的化学反 应循环。该系统在高温高压下循环。它的效 率可达33%-40%。U 5.3.2热化学制氢技术前，碘一硫循环（最著名和研究最广泛的循环）本生反应：S02+I2+2H20=2HI+H2S04(T=20-120硫酸分解：H2SO4=H2O+SO2+1/202(T=800-900I碘化氢分解：2HI=H2+l2(T=400-550)放热净反应：H2O=H2+1/2O2H.这种方法的优势：该循环的化学过程经过验证，可以连续进行。闭路循环。只需向内添加水，而其他材料可循环利用，无废水废气。理论效率可达52%,并且它的循环效率与温度有很大关系。一般而言，效率与温度成正相关。成本相对较低。H碘化氢分解催化剂碘化氢分解反应是一个缓慢的动态平衡限制反应。少量催化剂是提高反 应效率所必须的。贵金属Pt催化剂可以成为这个反应的高效催化剂，但它在高温时倾向于 发生团聚。Pd催化剂在这个反应中有高活性和稳定性。可使用碳纳米管 和Pd的组合。碳纳米管/把催化剂的制备:适量的PdCk1 ml 0.001 mol/L的 NaBH4加入2ml 1mol/L的NaOH 和 1ml 1 mol/L N2H4100ml含有碳纳米 管的去离子水在80下剧烈 搅拌3小时毋在碳纳米管上 的负载量分别为 15355wt%在11(TC下干燥4 小时 Pd(3%)CNT Pd(5%)/CNT Pd(1%)/CNTa即3懈洞3S.5 o2 25-0-400 450 500 550温度(Gc)破纳米管(CNJ)负载Pd催化下的碘化氢转化 533优势与劣势I/高能量效率 大约50%2/温和的反应条件 反应温度V10003/氢气和氧气由不同反应模块产生不需要附加其他额外的独立设备4/利用核能、太阳能等长期战略能源 易于找到合适的热源、533优势与劣嬖1/新的热源等待开发2/反应过程难以控制3/工程材料问题5.3.4环境与经济问题环境碘-硫系统的热由太 阳能或核反应堆提供，装置的净反应是水的分 解反应。反应中的所有其他物 质都可循环利用，它可 以在不排放温室气体的 情况下生产氢气。经济技术依然不成熟，而且氢气生产成本很 高。总而言之，该技术 距离商业化依然有距 离。5.4光化学制氢光+电 化学系光泵浦激光器敏化太阳电池荧光光致变色其它形式的能5.4.1工作原理衬底体（阳极）i.通过半导体从光源中吸收 光粒子H.电子-空穴对的分离与运输Ui.表面反应，发生水分解的 氧化还原反应水分解反应为上坡反应，其所需的吉布斯自由能最小为237kJ mol-154Z新进展一光电化学电池研究方向：合成两种或两种以上的复合材料通过新设计改善性能（表面，体积,界面等）0 25.4.3新进展一界面材料独特且可调节的光学、化学和催化性能价格低廉氧化稳定性极高电子-空穴分离效率差 电子扩散长度短 光吸收系数低电子扩散长度长 电化学活性表面积高 电荷分离效率高 光捕获性能强H25.4.4新进展-电极材料赤铁矿（a-Fe2O3）具有丰富的资源，低生物毒性，坚固性以及理想的n型带位置研究方向：改善赤铁矿表面反应的热力学和动力学性能（助催化剂负载和表面钝化层沉积）增强光吸收以及加速赤铁矿中的电荷传输（半导体中掺杂以及纳米结构）影响界面态和电子转移（背接触）U 545优势与劣势太阳能是最丰富、最清洁的可再生能源。到达地球的太阳能 约 100 000TW1%土地10%效率的光电化学电池(PEC)到达陆地的太阳能 约 36 000TW每年产生相当于 36TW的电鼻作为能源载体，氢气是清洁且可再生的。优势-成本 PEC水分解需要的原料更简单，更加节省空间结构，组件（电 线、电极、电抗器等）更少，成本低，具有商业可行性。PV电解槽系统PEC电池成本$8/kg$3/kgPEC电池有可能以美国能源部（DOE）设定的$2-4/kg的目标价格生产H2。、优势-潜力目前，政府对可再生能源的积极态度也极大地促进了PEC水分 解制氢方向的研发。毫无疑问，这个研究方向对建立以丰富 的太阳能为基础的可持续社会至关重要。利用地球上蕴藏丰富的半导体和第四周期过渡金属助催化剂的 低成本PEC串联电池最有可能实现未来可持续社会所需的可再 生能源供给。缺点-效率预计PEC产生氢气的太阳能-氢气（STH）效率超过10%,具有长期稳定性（超过1000h）,从而使氨气工业化生产成为可能（可与天然气的蒸汽重整 制氢相比）。但到目前为止，现有的光电极显示出低的太阳能转换能力和 效率。光电极数偏压光电流效率（ABPE）电极3%双光电极(92+2H2氧气会抑制氢化酶的活性2.间接光解水法：第一步：光离解水释放氧气，储存有机物第二步：氢化酶利用光能，通过消耗储存的 有机物来获得心,同时产生co?光子利用率方面;直接法大于间接法,光生物制氢技术原理一一反应路径1.氢化酶催化水的直接光解2H 2。=2H2(g)+O2S)4H 9=512 kJ4e8个光子2.固氮酶催化水的直接光解2H2O(Z)=2H2(g)+O2(g);ArH=572V4e8个光子+8三磷酸腺昔（ATP）=16个光子U 光生物制氢技术原理反应路径3.氢化酶催化水的间接光解第一步：CO.+%。=CH.O+Q;rHe=211.5V 第二步:CH2O+H2O=CO2+2H2rH3=361.0 V4e12个光子u 光生物制氢技术原理一一反应路径4.固氮酶催化水的间接光解第一步：CO2+H2O=CH2。+O2;=211.5 V第二步：CH2O+H2O=CO2+24；A=361.OkJ4e12个光子+8个三磷酸腺昔（ATP）=20个光子利用蓝藻和绿藻进行生物光解水可制氢的莱茵衣藻(Ch Iamydomonas rei nhardt i i)莱茵衣藻光解水制氢流程:h2o t光系统n（psn）光系统ipsi）-铁氧还蛋白一氧化酉“氢气。2U利用蓝藻进行生物光解水间接光解水制氢法由蓝藻从水中生成氢的一般反应可以用以下方式表示：124O+6CO2+光照.。6”12。6+6。2C6Hl2O6+12H2。+光照-12吗+6c。2U有机化合物发酵产氢暗氢发酵在有氧环境中,微生物消耗氧气，产物为水。但是在缺氧环境中,其他物质（例如质子）被还原为分子氢（心）。有机化合物发酵产氢利用发酵和光合细菌的杂交系统：阶段一：暗发酵（厌氧菌）C6H12O6+2H 20 f 2CH 3coOH+2CO 2+4H2 阶段二：光发酵（光合细菌）2cHicOOH+4HQ.8m+4CO?D 乙 乙 乙H2有机化合物发酵产氢利用生物电化学辅助生物反应器的混合系统有机化合物发酵产氢利用生物电化学辅助生物反应器的混合系统土杆菌、休氏杆菌或罗多夫酵母铁还原菌总反应：c6Hl2。6+2H 2。f 4H 2+2CO 2+2CH 3coOH阳极反应：CH3COOH+2H2O f 2CO 2+8e-+8H+阴极反应：8H+8e-4凡注意:并非所有的太阳能波长都能被光合系统利用!例如：微藻能吸收的光合有效辐射范围为颂口皿n。而紫色细菌能利用的波长范围则在450-900nm0H 2实验实例在实验室规模的多相光生物反应器中模拟光透射、蓝藻 生长动力学和流体动力学制氢。BA:平板光生物反应器B：三维仿真模型各类制氢技术优劣对比表2.各类生物质制氢技术的优缺点方法优点缺点直接生物光解法1.可直接在光照条件下分解 水制氢；2.与树木和作物相比，太阳 能转化率可提高10倍1.需要高强度光照2.氧气的存在不利于整个系统3.较低的光化学效率间接生物光解法1.蓝藻可通过分解水制备氢 气/2若固氮能力1.需要移除氢化酶以阻止氢气的 分解；2.气底混合物中约有30%的氧气 存在光发酵法1.这些细菌可以利用较宽波 段的光能；2.可使用不同的有机废料1.氧气对固氮酶有抑制作用；2.光转换效率非常低，仅有 1%5%暗发酵法1.可以不需要光照，24h产 生氢气；2.可以使用各种碳 源作为底物；3.可以产生有 价值的副产品，如丁酸、乳 酸和乙酸；4.厌氧过程，所 以无氧气限制问题1.氧气是一个非常强烈的氢化酶 抑制剂；2.相对较低的氢气收率 3.产品中的气体混合物含有需要 被去除的二氧化碳；4.随着产量 的增加，发酵在热力学上变得 不利|-|2夕夕产光生物制氢技术发展的限制因素0 a.产氢量很低，达不到满意的产量要求b,固氮酶和氢化酶对于氧气的存在十分敏感c.存在回收氢气的现象d.没有理想的生物反应器M光生物制氢技术研究方向a.优质产氢藻株的筛选与基因工程改造/制得具有高产氢率以及良好的氧抗性的基因工木金藻类:b.高效培养和产氢光生物反应器的构建光生物反应器有自屏蔽现象。1对光生物反应器进行设计、优化和构建 c.制氢系统工业化和经济性可行性评价 11光生物制氢技术展望与应用前景间接光水解制氢途径优势：(1)分离制氢和制氧两个过程。(2)可以在开放式的培养池中固定二氧化碳和释放氧气，在体积较小的密闭光生物反应器中产氢，降低设备造价和操作费用(3)产氢效率高且下游处理工艺简单大规模工业化光生物制氢发展方向(1)高产氢藻株的筛选与构建。(2)微藻室外大规模高密度培养。(3)可逆产氢酶诱导及高表达。(4)光照下持续稳定产氢。3.从化石燃 料到氢燃料13化石燃料煤 黑色黄金石油现代工业的血液天然气最重要的三种化石燃料煤、石油、天然气现代工业社会的基础3.1.1两个世纪的发展1712年，Thomas Newcomen（托马斯纽科门）发明蒸汽机十八世纪晚期，煤驱动的蒸汽机问世。几十年之后，高压移动式蒸汽机被广 泛应用并迅速改变了人类的运输习惯H2两次能源转换蒸汽机的使用极大地推动第一次工业革命的进程，更为重要的是它推动了 煤大规模的开采和利用。煤炭在一次能源消耗中所占的比重由1860年的 24%一跃上升至1920年的60%,自此世界进入了“煤炭时代”。19世纪70年代，电力工业快速的发展起来，伴随着电力逐渐取代了蒸汽机,煤在世界能源消费结构中的所占的比例也迅速回落，至1965年被石油所取 代，随后进入“石油时代”。直至今日，石油和天然气的消耗在世界能 源消费结构中仍然占据着不可动摇的地位。U 312化石燃料的优厘及应用*高能量密度液态碳氢化合物：13.1 kwh/kg石油:42.7 MJ/kg天然气:37 MJ/m3煤：25 MJ/kg优异的燃烧特性可燃性，火焰传播性,碳化能力热效应，烟雾,:处理、存储和运输方便优势低成本和普适性u化石燃料的应用交通运输产生热能发电工业应用化工工业的原材料原油的加工过程H 腐料利溶剂11化学原料 润滑剂 石蜡丽,个 牝 _._1._9 个U天然气的优势及其应用优点所有的化石燃料中 含碳量最低；燃烧过程最清洁缺点难以储存和运输.史讨H2煤5 0 5 03 3 2 2(I工6 一m 30上-e三E pue Ap 7?n)n-e 6.Em156 4 200.。-e。0)一JI-e-9u-UJ pue Ap jo u。三 soduj。-euowOBLL不同能量值，种类繁多地球上含量最多的化石资源价格相对较低较低能量值含有某些有毒组分煤灰的处理Peat Lignite(and wood)0-/V_/ySubbituminous Bituminous Anthracite空气缺乏Type of Coal煤焦炭“高炉”H煤的优势及其应用 Power generation others全球超过60%的煤炭生产用于发电o丰富的易开采煤炭储量，保证了煤炭仍 将是最重要的能源之一。缺点:所有化石能源中含 碳量最高较低的能量值更多的CO2排放3.1.3化石燃料的形成与组成第二阶段：成岩作用（褐煤）变质作用（烟煤和无烟煤）H煤的形成及必需条件生物质的分解 煤的形成煤形成必需三个条件:第一，植物条件；第二，气候条件；第三，地质条件。煤煤的组成饱和烧有机以及无机的含 氮、含氧组分痕量的金属,如钾、钠、钢、镁硫CHS 1%4%OV0.5%NV0.5%Na K V Ni,石油和天然气的形成在地球形成的早期，后来生成石油的有机物便以甲烷和其他碳氢化合物的 形式参与了地球的组成，后来在地球内部热力和压力的促使下，他们从深 部释放出来，在某种有利的环境下进一步合成了石油。至于石油中含有的有机质，无机成因说的主张 者们认为，那是原生石油在运移过程中受到了 有机物的污染，从而造成了石油成分的复杂化。FL石油根据油源的不同，石油的性状从黄色、流动液体到黑色、粘稠的半固体全世界共发现约9000种不同的石油，他们的密度从0.7 kg/L到1.0 kg/L不等。油源环境海相油陆相油机成度 有质熟低成熟油成熟油高成熟油密 度轻质原油(1)天然气的制备及组成来源煤床、石油井深海中的甲烷水合物天然气生物质厌氧发酵成分甲烷高碳烧类燃料 氮氧化合物 碳氧化合物 硫化氢U可燃冰甲烷水合物中1 mol CH4 5.75 mol H2O1 L 可燃冰 一 168 L CH4(gas)可燃冰甲烷水合物内含甲烷分子的晶体结构的冰r加热两种方法提取CH4减压（能耗小）U 3.1.4全球的储量及产量常规资源非常规资源探明储量控制储量（可采储量）预测储量在规模化的增产措施或特殊的回收工 艺技术的辅助下，不能以具有经济性 的流量生产或者不具有经济性产量的 石油和天然气的存储。在当前市场条件下可以经 济地开采的油（气）储量。储量和未来产量的预估哈伯特(Hubbert)曲线R/P比曲线拟合方法的最新结果表 明，与石油储量和未来产量 的所有估算存在大量的不确 定性。_/官方统计依赖于探明储量与 产量(R/P)的比值。在 过去四十年中，这一比例变 化很小。I _/U石油的储量和产截止到2018年底，全球的石油探明储量估计 约为2.44X1011吨，其中有近二分之一的储 量位于中东。2018年，全球年产油量达到4.47X109 吨。欧佩克国家仅生产了41.4%。Organ i zat i on Of Petro Ieum Export i ng Countr i es石油产量分布(OPEC)石油输出国组织简称“欧佩克”R/P=2.44X1011/4.47X109=54.5年H非常规石油资源提取和加工更加的 昂贵和困难。焦油砂深水石油 页岩油7重油技术革新常规石油资源天然气的储量和产量俄罗斯伊朗卡塔尔士鹰曼斯坦美国截止到2018年底，全球的天然气 储量约为1.97X1()14立方米。2018年全球的天然气产量达到3.87X1()12立方米。R/P=51H在特定地区，已经可以经济生产非常规天然气资源煤层气天然气砂岩甲烷水合物/可燃冰.远达不到商业化应用的要求U甲烷水合物甲烷水合物中的气体浓度与高度 压缩气体的气体浓度相当。一些学者认为，水合物中的能量 相当于其他所有化石燃料的两倍。晶体结构H甲烷水合物主要分布在北极永久冻 土地下和深海底部。而文面后从甲烷水合物晶体中提取甲烷成本 很高，而且技术上具有挑战性。I日本宣布首次成功分离可燃冰煤的储量和产量截至2018年底，全球煤炭的储量为1.05义吸吨,年。所以，世界煤炭储量还可以保证几代人描。“结论虽然储量有限，但在可预见的未来，预计不会 出现化石燃料短缺的情况。315环境影响产生大量的工业废物（高酸性,重金属）H2石油和天然气的生产、石油和天然气生产过程中最重要的环境问题来自加工水,钻井泥浆和化学品的储存，处理和排放。即使直接的环境影响得到妥善管理，石油和天然气开发之 后的其他活动（包括土地清理、人类对原始地区的殖民化 以及入侵物种的引入）也可能会对环境产生影响，而这些 活动是不受其控制的。U石油的泄露会对环境产生严重的影响。Ecosystem sensitivity生态系统敏感性H 2化石能源燃烧对环境的影响jg 1.各种呼吸道&心血管疾病颗粒物 2.致癌物,3.全球变暖（温室效应）u雾霾及其危害雾霾是由于大气中存在过量悬浮颗 粒而造成的一种空气污染状态。PM是Part i cu I ate matter的缩写,指的是颗粒物质，PM2.5指的是粒径 小于2.5nm的固体颗粒物质。1、影响身体健康 引起呼吸系统疾病 导致心脑血管疾病 增加传染病的风险2、影响心理健康3、影响交通安全4、影响生态环境减少污染的策略技术层面政策层面开发引擎和燃烧器技术4改善燃料处理和储存设施 L优化燃料质量r排放限值产品规格限制（硫，芳香族化合物）I燃油车禁令通过优化燃料和发动机来实现空气污染物排放的大幅减少O 现在可以在工业界中观察到几乎所有受管制排放物水平的下降。H减少空气污染由于燃料脱硫水平的上升，二氧化硫排放量急剧下降。自20世纪70年代初以来，汽车通过安装尾气催化剂大大降低了的NOx,CO和VOC排放。、与此同时，全世界的二氧化碳排放量正在迅速增加。C02的排放及温室效应伴随着空气中污染物的降低，二氧 化碳的的排放量却快速的增加了。人类的活动，主要是化石燃料的燃 烧，正在更改着自然大气的反应，而这也是导致全球变暖的主要原因。波长.nm地球的大气吸收长波辐射保持地表温度这样 的特性就像一个温室一样，这也就是温室效 应这个名字的由来。温室效应的危害1、地球上的病虫害增加；2、海平面上升；3、气候反常，海洋风暴增多；4、土地干旱，沙漠化面积增大;5、动物们失去栖息地。3.1.6未来的趋势经济的发展和人口的增长燃料燃烧增加全球变暖能源供应的剧烈变化终有一天会发生。但是，在短期内，化石燃料仍然是最重要的能源来源。CC)2的隔离高的CO2排放二氧化碳的隔离地下洞穴废弃的油气田储集岩I深海目前，二氧化碳地下储存已经商业化证明。然而，这种方法对大气减排的潜力仍存在很大的不确定性。化石能源的清洁使用技术令通过整体换能效率的提升，改进的发电系统有望进一 步降低C（）2的排放令煤是所有化石燃料中二氧化碳密集程度最高的一种，因此它具有巨大的改进潜力。现代技术可以通过提高 转换效率，使燃煤发电厂能够提供至少相同的电量，同时减少二氧化碳排放。，令这不仅可以减少二氧化碳的排放，还可以使焦油、苯 酚、苯、微粒和其他的排放也相应减少。降低化石能源中的碳含量天然气和液化石油气技术更低的碳含量 LPG缺点：需要1.开发单独的燃料分配2.昂贵的车辆改装3.车辆加油基础设施的建设U天然气液化技术天然气合成气90+%)|氨一液态燃燃料优势1.显著减少了污染物的排放2.方便运输不含硫、不含芳族化合物煤加氢液化煤 加氢气化煤 合成原油替代天然气高价值化学品液体燃料这项技术的发展取决于未来的环境政策是否会鼓励使用煤来 生产运输燃料。生物质燃料和化石燃料短中期时间范围内生物质燃料混合传统燃料C生物乙醇 生物柴油I沼气增加了燃料供应的多样性减少排放H氢和燃料电池在更遥远的未来，氢和燃料电池技术有望 为能源供应安全和环境保护做出贡献。目前大多数氢气是通过烽的蒸汽重整制 备的。但是，从长远来看，只有可再生能源产生的氢才能真正实现可持续发展。-课后作业1.化石燃料的优缺点？2.对于化石燃料带来的问题，我们应该怎么应对？3.化石燃料的燃烧对我们的社会造成了哪些影响？我们为 什么要选择氢燃料？“3.2碳循环和生物质能源总初级生产力，英文gross primary product i on,简称GPP,指每年通过植物的光合作用转化的碳的总量。净初级生产力，英文Net primary product i on,简称NPP,指 绿色植物在单位时间内所积累的有机物质的总量，是植物总初级 生产力（GPP）减去植物的自养呼吸所消耗的，之后剩余的那一部分。3.2碳循环和生物质能源3.2.1碳循环碳最多的是储存在什么地方?居第二位和第Main components of the natural carbon cycle322生物质作为能源生物质是人类使用的最古老的燃料。全球仍 然有大约10%的一次能源属于通常所说的“传统生物质”能源。USES优势C作为燃料的传统使用方式 可持续能源系统中的资源1.太阳能的存储形式2.易于转化为热、电和其他二次能源3.适用的气候条件比较宽泛但是，如果快速地提高生物质的使用率，那么这个碳中性就会 出现偏移。生物质种植园的建立以及随之而来的土地利用变化可能导致正 在转变的土地中的碳储量发生更大的变化。U生物质残渣废料的产能潜力生物质残余和废弃物所产生的能量不可能满足所有的能量需求。很多生物质产能潜力的研究报道，潜力的预测具有很大的分散性，因为它们 包括有关可持续性限制的困难假设r能源作物的土地供应可持续性制约因素 4+6.25O2=6CO2+4.5H2Og 2668Autothermal reforming(gasification)/shift reactionC6H9O4+5.5H2Ofl+1.25O2=1OH2+6CO2 OMethanationC6H9O4+1.75H2Ofl=3.125CH4+2.875CO2 83HydrogasificationC6H9O4+11.5H2=6cH4+4H20g 636Methanation甲烷化:C6H9O4+1.75H2Ofl=3.125CH4+2.875CO2-83 kJ/mo1这个反应在400C的高温下，在超临界水中进行。或者是，分两个阶段进行，先将生物质气化为合成气，然后在T400C的情况下，进行催化甲烷化。氢化：是放热反应，并且要在8007000的温度下进行。加氢气化将生物质中所有的 碳转化为甲烷，不排放二氧化碳。由于反应消耗氢，所以气体产物的能量值高 于生物质的能量值。HydrogasificationC6H9O4+IL5H2=6CH4+4H2Oa-636 kJ/mol由生物质产氢的强有力替代品是生物质制备彳沼r外U 3.2.4生物质产氢或作为可再生碳源biogas沼气Autothermal reforming(gasification)/shift reaction C6H9O4+5.5H20H+1.2502=10H2+6CO2通过对构成生物质的碳化合物进行蒸汽重整，由生物质制氢的成本会远远低于可再生电通过电询H从长远来看，生物质将来注定要发挥如今石油所发挥的基本功能。当化石燃料耗尽，或者是由于环境原因，化石燃料被限制使用的 时候：|贸=,U课后作业 1.生物质是如何制氢的？它又是如何作为可再生的碳源的？2.生物质作为能源使用的最大障碍是什么？