第六章能源化学.ppt

第六章第六章 能源化学能源化学专题一专题一煤、石油、天然气煤、石油、天然气能源组成能源组成化石能源：化石能源：煤、石油、天然气煤、石油、天然气自然能源：自然能源：水、太阳、风、海洋水、太阳、风、海洋核能核能环境环境二氧化碳二氧化碳生态生态辐射辐射酸雨酸雨温室效应温室效应臭氧层破坏臭氧层破坏61煤煤qq煤的种类及化学组成qq煤的分析qq煤的使用性质煤的形成与种类煤的种类及化学组成煤的种类及化学组成煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤。植物质的堆积阶段菌解作用阶段碳化作用阶段煤的种类煤的种类特点特点泥煤泥煤质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分熔点很低熔点很低褐煤褐煤密度较大，含碳量较高，氢、氧含量较少，密度较大，含碳量较高，氢、氧含量较少，挥发性相对低些。粘结性弱，极易氧化和自燃，挥发性相对低些。粘结性弱，极易氧化和自燃，吸水性较强，在空气中易风化和破碎吸水性较强，在空气中易风化和破碎 烟煤烟煤挥发分少，密度较大，吸水性小，含碳量增挥发分少，密度较大，吸水性小，含碳量增加，氢和氧的含量较低。烟煤是工业上的主要燃加，氢和氧的含量较低。烟煤是工业上的主要燃料，也是化学工业的重要原料。烟煤的最大特点料，也是化学工业的重要原料。烟煤的最大特点是具有粘结性，因此是炼焦的主要原料是具有粘结性，因此是炼焦的主要原料 无烟煤无烟煤密度大，含碳量高，挥发分极少，组织密实、密度大，含碳量高，挥发分极少，组织密实、坚硬、吸水性小。缺点是可燃性差，不易着火，坚硬、吸水性小。缺点是可燃性差，不易着火，但发热量大，灰分少，含硫低但发热量大，灰分少，含硫低 煤的使用性质煤的使用性质煤的发热量（热值）：1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热即发热量，单位kJ/kg。发热量可以用氧弹式量热计直接测定，也可以根据元素分析值近似计算：煤的使用性质煤的使用性质煤的发热量（热值）：煤煤低热值低热值()()泥煤泥煤838010500838010500褐煤褐煤10500167001050016700烟烟煤煤长焰煤长焰煤20900251002090025100贫煤贫煤25100293002510029300无烟煤无烟煤20900251002090025100 煤的气化煤的气化煤与空气、氢气、氧气、蒸汽及二氧化碳中的一种或几种的混合物的化学反应得出的气态产物，即煤气，这一过程称为煤的气化过程。62液态燃料液态燃料qq液态燃料的化学组成qq液态燃料的理化性质qq各种液态燃油这里讨论的液态燃料为天然石油产品生产的液态燃料及其有关特性。液态燃料的化学组成液态燃料的化学组成烷烃烯烃环烷烃芳香烃石油产品主要由以下四类碳氢化合物组成：液态燃料的化学组成液态燃料的化学组成烷烃分子通式：C n H 2n+2（饱和烃）液体燃油中的烷烃：C 3 C 15分子结构（庚烷）：液态燃料的化学组成液态燃料的化学组成烯烃分子通式：C n H 2n（不饱和烃）分子结构（丙烯）：液态燃料的化学组成液态燃料的化学组成环烷烃分子通式：C n H 2n（饱和烃）分子结构（环丙烷）：液态燃料的化学组成液态燃料的化学组成芳香烃单环芳香烃分子式：C n H 2n-6（不饱和烃）分子结构（苯）：种类种类特性特性烷烃烷烃具有较高的氢具有较高的氢/碳比，密度较低，重量热值高，热安定性好。燃碳比，密度较低，重量热值高，热安定性好。燃烧时没有冒烟及烧时没有冒烟及积炭积炭。烯烃烯烃其化学稳定性和热安定性比烷烃差。在高温和催化作用下，容易其化学稳定性和热安定性比烷烃差。在高温和催化作用下，容易转化成芳香族碳氢化合物。一般原油中含烯烃并不多，烯烃通常转化成芳香族碳氢化合物。一般原油中含烯烃并不多，烯烃通常是由裂解过程产生的。直接分馏法得出的石油产品中含烯烃不多，是由裂解过程产生的。直接分馏法得出的石油产品中含烯烃不多，在裂解法得出的油中，烯烃可以多到在裂解法得出的油中，烯烃可以多到25%25%。环烷烃环烷烃是饱和的，分子结构中碳原子形成环状结构（而不是链状结构）。是饱和的，分子结构中碳原子形成环状结构（而不是链状结构）。在分馏油中环烷烃的量和烷烃差不多。在化学稳定性、重量热值在分馏油中环烷烃的量和烷烃差不多。在化学稳定性、重量热值和冒烟积碳的倾向性几方面和烷烃很相似。和冒烟积碳的倾向性几方面和烷烃很相似。芳香烃芳香烃是环状结构，含有一个或多个碳原子的环状结构，虽然在结构上是环状结构，含有一个或多个碳原子的环状结构，虽然在结构上与环烷烃有点类似，但它含氢量少，因而其重量热值比环烷烃低与环烷烃有点类似，但它含氢量少，因而其重量热值比环烷烃低得多。芳香烃的主要缺点是得多。芳香烃的主要缺点是冒烟积碳冒烟积碳的倾向很高，吸湿性高，所的倾向很高，吸湿性高，所以当燃油处于低温时容易导致冰结晶的沉积。芳香烃对橡胶制品以当燃油处于低温时容易导致冰结晶的沉积。芳香烃对橡胶制品有很强的溶解能力。有很强的溶解能力。液态燃料的理化性质液态燃料的理化性质热值油品油品低热值（）低热值（）航空汽油航空汽油4310043100航空煤油航空煤油4290042900柴油柴油4250042500重油重油39800419003980041900直馏流程图蒸馏塔冷凝器石油气直馏汽油加热炉（常压）油泵原油煤油轻柴油重柴油常压重油直馏法：常压下直接对石油加热（300325）分馏，石油中各馏分按其沸点高低先后馏出，最先馏出是汽油（沸点40180），然后依次为重汽油（沸点120230）、煤油（150300）、柴油（200350），剩下沸点高的重质油则从分馏塔塔底排出，称为常压重油。减压蒸馏塔加热炉（减压）油泵常压重油各种蜡油重柴油重油减压蒸馏流程图减压蒸馏法：高沸点的常压重油加热到400C以上可以继续分馏出各种重油来。根据气压下降、沸点下降的原理，一般采用减压蒸馏的办法，在0.01MPa以下时，重油中烃的沸点可降低200 C，这样原来沸点约700 以下的各种烃都可分馏出来。63气态燃料气态燃料天然气组成：碳氢化合物、硫化氢、氮气及二氧化碳等。种类：气田煤气、油田煤气（伴生气）热值：天然气名称名称气体组分气体组分 Kg/NmKg/Nm3 3QQkJkJ/Nm/Nm3 3CHCH4 4C C2 2HH6 6C C3 3HH8 8C C4 4HH1010C C5 5HH1212C C6 6HH1414HH2 2HH2 2S SCOCO2 2NN2 2气田气田煤气煤气90906.56.5-0.50.53.03.00.60.60.640.64377003770097.297.20.70.70.20.2-0.10.10.10.11.01.00.70.7油田油田煤气煤气88.5988.596.066.062.022.021.541.54-0.060.060.070.07-0.20.21.461.460.81660.81663930039300人造煤气炼铁炉的副产品，在冶炼过程中主要生成CO，其体积百分含量约为20%30%。气体中含有大量惰性气体N2，其体积百分含量占60%左右，含尘也很高，使用前要净化，发热量较低 高炉煤气：人造煤气在煤气发生炉中人工造气，煤在空气不足的条件下燃烧，气化生成CO，CO和N2的体积百分含量与高炉煤气接近，H2约占10%，其发热量比高炉煤气高些发生炉煤气：在煤气发生炉中若用水蒸汽与炽热的煤反应，则可产生水煤气。人造煤气炼焦炉的副产品，炼焦过程用少量空气使煤受热析出挥发分，主要气体成分为CO（50%60%）和CH4(20%)，含N2很少。其发热量较高（），称为中热值煤气。炼焦煤气：陆地植物每年经光合作用固定的二氧化碳为200亿亿-300亿吨亿吨。化石能源燃烧产生二氧化碳370亿吨亿吨，加上生命呼吸、生物体腐败及火灾等产生的二氧化碳，就严重地超过了绿色植物光合作用吸收转化二氧化碳的量，破坏了自然界的二氧化碳循环平衡，造成臭氧层破坏。全球变暖全球变暖世界能源需求世界能源需求n n世界一次能源消费，世界一次能源消费，世界一次能源消费，世界一次能源消费，80%80%由化石能源提供由化石能源提供由化石能源提供由化石能源提供n n煤炭、石油、天然气储采比分别为：煤炭、石油、天然气储采比分别为：煤炭、石油、天然气储采比分别为：煤炭、石油、天然气储采比分别为：230230、4040、6060年年年年能源枯竭能源枯竭煤炭煤炭 煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是重煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是重要的战略资源。它广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产要的战略资源。它广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域。及居民生活领域。目前，煤炭在世界一次能源消费中所占比重为目前，煤炭在世界一次能源消费中所占比重为26.5%，低于石油所占比重低于石油所占比重37.3%，高于天然气所占比重，高于天然气所占比重23.9%。在未来在未来100年内，年内，煤炭不可避免地仍将是一种主要能源煤炭不可避免地仍将是一种主要能源。据美国能源部预测，到据美国能源部预测，到2025年，煤炭在世界一次能源消费结年，煤炭在世界一次能源消费结构中所占比重略有下降，但是在亚洲发展中国家和地区煤炭构中所占比重略有下降，但是在亚洲发展中国家和地区煤炭仍将占主导地位。仍将占主导地位。各国煤炭储量各国煤炭储量瑞士银行：全球石油储量报告瑞士银行：全球石油储量报告 各国天然气储量各国天然气储量石油、天然气和能源：石油、天然气和能源：传言和事实传言和事实关于石油和天然气工业传言的说法1.1.全球的石油和天然气即将用尽。全球的石油和天然气即将用尽。2.2.再过几年就可以很容易地找到价格便宜的可再生能源来再过几年就可以很容易地找到价格便宜的可再生能源来取代石油和天然气。取代石油和天然气。传言#1：全球的石油和天然气即将用尽。事实#1：石油和天然气在未来很长一段时间内仍将是主要的能量来源。非传统油气资源会越来越重要。全球对化石燃料的需求会继续增长来源：美国能源情报署，来源：美国能源情报署，来源：美国能源情报署，来源：美国能源情报署，2008 2008 世界能源展望世界能源展望世界能源展望世界能源展望从现在起到从现在起到从现在起到从现在起到 2030 2030 年，世界的能源需求会上涨年，世界的能源需求会上涨年，世界的能源需求会上涨年，世界的能源需求会上涨 45%45%年平均增长率年平均增长率年平均增长率年平均增长率为为为为 1.6%1.6%其中煤炭占总增长需求的三分之一还多其中煤炭占总增长需求的三分之一还多其中煤炭占总增长需求的三分之一还多其中煤炭占总增长需求的三分之一还多化石燃料继续为全球提供约80%的能源来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊 (2008)(2008)历史历史预测预测预计发展中国家会推动需求增长来源：美国能源情报署，来源：美国能源情报署，来源：美国能源情报署，来源：美国能源情报署，2008 2008 国际能源展望国际能源展望国际能源展望国际能源展望历史历史预测预测来源：英国石油公司，世界能源统计评论来源：英国石油公司，世界能源统计评论来源：英国石油公司，世界能源统计评论来源：英国石油公司，世界能源统计评论 20082008 2007 年底石油探明储量年底石油探明储量十亿桶十亿桶传统的液态产品来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊来源：美国能源情报署，世界能源预测增刊 (2008)(2008)大多数石油和天然气将不会再来自新的油气田石油和天然气的主要来源石油和天然气的主要来源 19601960年前年前5060%5060%来自新油气田来自新油气田 19901990年前年前2025%2025%来自新油气田来自新油气田 如今如今1215%1215%来自新油气田来自新油气田 未来未来 710%710%来自新油气田来自新油气田新探明的油气田虽然很重要，但却不会对未来的石油供应新探明的油气田虽然很重要，但却不会对未来的石油供应产生重大影响。按照保守的产生重大影响。按照保守的 5%5%递减率和递减率和 2.5%2.5%需求增长需求增长率计算，明年我们的石油日产量必须增加率计算，明年我们的石油日产量必须增加 6250,0006250,000桶，桶，而且在今后几年增量会越来越大而且在今后几年增量会越来越大。已开发油田的重要性 迄今为止，我们已经从现有油田中生迄今为止，我们已经从现有油田中生产了大约产了大约 11万亿桶石油万亿桶石油 石油采收率石油采收率在世界范围内平均为在世界范围内平均为 15%15%到到 18%18%如果把这些现有油田的采收率提高到如果把这些现有油田的采收率提高到 35%35%，就可以向全球库存中额外增加，就可以向全球库存中额外增加 11万亿桶可采储量万亿桶可采储量 天然气也是同样天然气也是同样非传统资源原油油页岩油页岩油页岩油页岩 壳牌公司对此进行了大规模投资，并且很壳牌公司对此进行了大规模投资，并且很快就会在怀俄明州南部启动一个试验性项目（就地快就会在怀俄明州南部启动一个试验性项目（就地开采法）开采法）含油砂含油砂含油砂含油砂 如果加拿大把这些资源计入储量，那么他如果加拿大把这些资源计入储量，那么他们在石油数量上将仅次于沙特阿拉伯们在石油数量上将仅次于沙特阿拉伯重油重油重油重油 如果委内瑞拉把这些资源计入储量，那么他如果委内瑞拉把这些资源计入储量，那么他们在石油数量上将仅次于沙特阿拉伯们在石油数量上将仅次于沙特阿拉伯非传统资源天然气煤层气煤层气煤层气煤层气 当前美国当前美国 13%13%的天然气来源于此的天然气来源于此页岩气页岩气页岩气页岩气 最近的最近的 SPESPE研讨会估计每平方英里的储量可达研讨会估计每平方英里的储量可达 40012004001200亿立方英尺亿立方英尺致密气藏和超致密气藏致密气藏和超致密气藏致密气藏和超致密气藏致密气藏和超致密气藏 0.010.01m mD(0.00001D(0.00001毫达西毫达西)过去过去 1515年中，在美国发现的最大天然气矿是位于怀俄明州年中，在美国发现的最大天然气矿是位于怀俄明州的的 JonahJonah矿，估计其储量有矿，估计其储量有 815815万亿立方英尺，该气田是万亿立方英尺，该气田是超致密气藏超致密气藏 该气田井距为该气田井距为 1010英亩，每次压裂费用英亩，每次压裂费用 1212百万美元百万美元天然气水化物天然气水化物天然气水化物天然气水化物 全球储量预计为已探明传统天然气储量的全球储量预计为已探明传统天然气储量的 7070到到 130130倍倍能源供应总结 在今后的在今后的 25 25 年中，石油和天然气需求将大幅增长，年中，石油和天然气需求将大幅增长，主要出现在发展中国家主要出现在发展中国家 这要求我们扩大所有经济型能源的开发：煤炭、这要求我们扩大所有经济型能源的开发：煤炭、核能、核能、生物质能生物质能、其它可再生能源以及非传统的石、其它可再生能源以及非传统的石油和天然气。每种资源都面临着严峻的挑战油和天然气。每种资源都面临着严峻的挑战.石油和天然气供应：石油和天然气供应：大多数传统石油和天然气都分布在偏远且有可能大多数传统石油和天然气都分布在偏远且有可能出现动荡的地区出现动荡的地区 新增油气供应的主体来自于开发费用昂贵的老油气新增油气供应的主体来自于开发费用昂贵的老油气田和非传统油气资源田和非传统油气资源不稳定性和全球石油和天然气储量美国美国美国美国开采限制、开采限制、开采限制、开采限制、碳排放限制、飓风碳排放限制、飓风碳排放限制、飓风碳排放限制、飓风拉丁美洲拉丁美洲资源民族主义资源民族主义尼日利亚尼日利亚社会动荡社会动荡伊拉克伊拉克 蓄意破坏蓄意破坏欧洲欧洲天然气天然气供应供应俄罗斯俄罗斯重新收归国有控制重新收归国有控制里海里海里海里海脆弱的运输线脆弱的运输线脆弱的运输线脆弱的运输线伊朗伊朗核威胁核威胁亚洲亚洲能源补贴能源补贴马六甲海峡马六甲海峡海盗猖獗海盗猖獗来源：全国石油委员会，来源：全国石油委员会，来源：全国石油委员会，来源：全国石油委员会，2008 2008 全球石油和天然气研究全球石油和天然气研究全球石油和天然气研究全球石油和天然气研究“石器时代并不是因为缺少石头而终结的，而石油时代远在石油用尽前就会消失。”SheikhZakiYamani来源：来源：来源：来源：“石油时代的终结石油时代的终结石油时代的终结石油时代的终结”经济学家，经济学家，经济学家，经济学家，2003 2003 年年年年 10 10 月月月月 25 25 日。日。日。日。传言#2：再过几年就可以很容易地找到价格便宜的可再生能源来取代石油和天然气。事实#2：在未来几年内，所有可再生能源的生产、运输以及使用都面临巨大的挑战。未来能源选择目前：石油和天然气煤炭核能水力电能风能其它开发中：光电地热能潮汐生物质能太阳热其它20502050现在现在现在现在NateLewisNateLewis：加州理工学院：加州理工学院：加州理工学院：加州理工学院太阳能生产太阳能生产每天有每天有每天有每天有 165,000 165,000 兆瓦的阳光照射到地面上兆瓦的阳光照射到地面上兆瓦的阳光照射到地面上兆瓦的阳光照射到地面上地热能潜景地热能生产过程监测监测监测监测地震和地震和地震和地震和 EM EM热交换热交换热交换热交换钻孔钻孔钻孔钻孔生产生产生产生产发电发电发电发电地热能地热能地热能地热能注入注入注入注入核能核能核能核能天然气天然气天然气天然气液体燃料液体燃料液体燃料液体燃料煤炭煤炭煤炭煤炭可再生能源（不包括液体生物燃料）可再生能源（不包括液体生物燃料）可再生能源（不包括液体生物燃料）可再生能源（不包括液体生物燃料）非化石能源的使用增长迅速，非化石能源的使用增长迅速，但在但在 2030 年前，化石燃料仍提供年前，化石燃料仍提供总能源使用量的大约总能源使用量的大约 80%液体生物燃料液体生物燃料液体生物燃料液体生物燃料百万的四次方英制热单位百万的四次方英制热单位百万的四次方英制热单位百万的四次方英制热单位来源：美国能源情报署来源：美国能源情报署来源：美国能源情报署来源：美国能源情报署 2009 2009 年度能源展望引用案例介绍年度能源展望引用案例介绍年度能源展望引用案例介绍年度能源展望引用案例介绍历史历史预测预测全球能源结构目前86%=化石燃料（石油、天然气、煤）14%=核能及所有其它来源到2030年80%=化石燃料（石油、天然气、煤）20%=核能及所有其它来源 来源：美国能源情报署来源：美国能源情报署来源：美国能源情报署来源：美国能源情报署今天的石油和天然气公司也是今天的能源公司。英国石油公司是世界上最大的英国石油公司是世界上最大的光电太阳能电池光电太阳能电池生产商之一。生产商之一。雪佛龙是世界上最大的雪佛龙是世界上最大的地热能地热能开发商。开发商。石油和天然气工业是石油和天然气工业是氢氢的最大生产商，也是最大用户。的最大生产商，也是最大用户。埃克森埃克森 美孚、英国石油公司、雪佛龙、壳牌和康菲石油美孚、英国石油公司、雪佛龙、壳牌和康菲石油公司都在积极参与政府公司都在积极参与政府/工业工业氢燃料和汽车氢燃料和汽车项目合伙经营项目合伙经营（如（如美国能源部自由车辆和燃料联盟美国能源部自由车辆和燃料联盟及加利福尼亚州及加利福尼亚州燃料燃料电池电池合作联盟）。合作联盟）。壳牌是全球壳牌是全球风能风能行业中的佼佼者。行业中的佼佼者。全球能源政策n n能源供应的能源供应的能源供应的能源供应的安全性安全性安全性安全性：预计石油和天然气的进口方将在更大：预计石油和天然气的进口方将在更大：预计石油和天然气的进口方将在更大：预计石油和天然气的进口方将在更大程度上依赖于此类形式的能源进口。特别是对石油需求量程度上依赖于此类形式的能源进口。特别是对石油需求量程度上依赖于此类形式的能源进口。特别是对石油需求量程度上依赖于此类形式的能源进口。特别是对石油需求量的不断增加，致使人们进一步严重关注的不断增加，致使人们进一步严重关注的不断增加，致使人们进一步严重关注的不断增加，致使人们进一步严重关注储蓄量的增加能否储蓄量的增加能否储蓄量的增加能否储蓄量的增加能否与不断增大的生产量保持同步与不断增大的生产量保持同步与不断增大的生产量保持同步与不断增大的生产量保持同步。挑战：挑战：挑战：挑战：如何确保能够继续获得可负担得起的能源如何确保能够继续获得可负担得起的能源如何确保能够继续获得可负担得起的能源如何确保能够继续获得可负担得起的能源；n n以能源促进发展：发展中国家中将近以能源促进发展：发展中国家中将近以能源促进发展：发展中国家中将近以能源促进发展：发展中国家中将近1616亿亿亿亿民众（占世民众（占世民众（占世民众（占世界总人口的约四分之一）无法获得住家用电，另有界总人口的约四分之一）无法获得住家用电，另有界总人口的约四分之一）无法获得住家用电，另有界总人口的约四分之一）无法获得住家用电，另有8 8亿亿亿亿民众则需依赖传统的生物量能源来从事烹饪和取暖。民众则需依赖传统的生物量能源来从事烹饪和取暖。民众则需依赖传统的生物量能源来从事烹饪和取暖。民众则需依赖传统的生物量能源来从事烹饪和取暖。n n 气候变化：能源部门是造成全球温室气体排放的主要气候变化：能源部门是造成全球温室气体排放的主要气候变化：能源部门是造成全球温室气体排放的主要气候变化：能源部门是造成全球温室气体排放的主要部门。为实现部门。为实现部门。为实现部门。为实现京都议定书京都议定书京都议定书京都议定书所订立的各项目标、以所订立的各项目标、以所订立的各项目标、以所订立的各项目标、以及为实现今后将针对气候变化问题订立的任何协定的及为实现今后将针对气候变化问题订立的任何协定的及为实现今后将针对气候变化问题订立的任何协定的及为实现今后将针对气候变化问题订立的任何协定的目标，亟需大幅减少能源的生产和使用中的碳密集程目标，亟需大幅减少能源的生产和使用中的碳密集程目标，亟需大幅减少能源的生产和使用中的碳密集程目标，亟需大幅减少能源的生产和使用中的碳密集程度。度。度。度。解决方案？清洁和可再生能源！清洁和可再生能源！奥巴马提出：奥巴马提出：谁掌握谁掌握清洁和可再生能源清洁和可再生能源，谁将主导，谁将主导21世纪世纪 谁在谁在新能源领域新能源领域拔得头筹，谁将成为拔得头筹，谁将成为后石油后石油经济时代经济时代的佼佼者。的佼佼者。奥巴马政府提出的巨额经济刺激计划是一套奥巴马政府提出的巨额经济刺激计划是一套以优先发展以优先发展清洁能源清洁能源、应对气候变化为内容、应对气候变化为内容的的绿色能源绿色能源战略计划，把发展战略计划，把发展新能源新能源作为增作为增加就业岗位、摆脱经济衰退和抢占未来发展加就业岗位、摆脱经济衰退和抢占未来发展先机的战略产业。先机的战略产业。奥巴马提出，在未来奥巴马提出，在未来3年内可再生能源产年内可再生能源产量增加量增加1倍，倍，2013年占发电比例提高到年占发电比例提高到10%，2025年增至年增至25%。奥巴马的新能源政策或许会如同上世纪奥巴马的新能源政策或许会如同上世纪90年代克林顿的年代克林顿的信息高速公路计划信息高速公路计划一样，将一样，将彻底改变此后彻底改变此后10-20年世界发展的面貌，对年世界发展的面貌，对人类社会进步产生深远的影响。人类社会进步产生深远的影响。专题二专题二电力来源电力来源传统发电方式传统发电方式-火力发电火力发电全国全国SO2,NOx,CO2排放的排放的46%，50%，48%全国电力来源的全国电力来源的82%使用5000大卡/千克以上的煤 单机容量300MW以上的机组，发电耗煤量为260克煤/度电。单机容量几十MW的小机组，耗煤量超过320克煤/度电 全国煤炭消耗的全国煤炭消耗的50%全国电力来源的全国电力来源的15%传统发电方式传统发电方式-水力发电水力发电我国水能分布和利用n n四川水能资源占全国25%，水电开发蕴藏量1亿多千瓦，目前仅开发了10%；n n西部可开发水能资源约2.743亿千瓦，占全国的72%。目前开发程度还不到8%，低于全国平均水电开发程度（19%），更低于世界水能资源的平均开发程度（22%）。环境效益、社会效益和经济效益 n n原始林 n n珍稀和濒危生物物种 n n自然景观资源 n n地质环境和生态环境 n n河流生态系统 n n地质灾害 核核 能能我国第一颗原子弹我国第一颗氢弹核能的来源核能的来源 n n“核能”来源于将核子(质子和中子)保持在原子核中的一种非常强的作用力核力。n n核力和人们熟知的电磁力以及万有引力完全不同，它是一种非常强大的短程作用力。n n当中子和质子形成原子核时，会放出能量，这种能量称为该原子核的结合能。n n结合能的大小可以通过爱因斯坦的质能关系式求得：E=mc2 式中 E结合能，J；m质量亏损，kg；c光速，m/s；n n不同原子核俘获中子后得到的结合能不同。n n当质量数小于当质量数小于60或大于或大于60的的原子核由于某原子核由于某种原因向质量种原因向质量数等于数等于60这个这个方向变换时，方向变换时，比结合能增大。比结合能增大。也就是说，在也就是说，在这样的变换中这样的变换中必定伴随着能必定伴随着能量的释放。量的释放。两种释放能量的途径两种释放能量的途径两种释放能量的途径两种释放能量的途径n n根据这一原理，核能的实际利用有两种方法：一是目前已达到实用阶段的重核裂变方法，这就是核裂变反应堆的原理；二是目前还处于研究试验阶段的轻核聚变方法，这就是核聚变反应的原理。核裂变反应核裂变反应核裂变反应核裂变反应核裂变反应核裂变反应核聚变反应核聚变反应核燃料核燃料n n核裂变的核燃料n n核聚变的核燃料核裂变的燃料核裂变的燃料n n核裂变的核燃料主要是铀。天然铀通常由3种同位素构成：铀-238，约占铀总量的99.3%；铀-235，占铀的总量不到0.7；还有极少量的铀-234。n n与一般的矿物燃料相比，核燃料有两个突出的不同特点：（1）生产过程复杂，要经过采矿、加工、提炼、转化、浓缩、燃料元件制造等多道工序才能制成可供反应堆使用的核燃料；（2）还要进行“后处理”。临时贮藏临时贮藏回收回收废物处理废物处理最终储存最终储存产生能量产生能量采矿采矿转化转化浓缩浓缩核燃料制核燃料制作作核燃料的循环核燃料的循环核燃料的循环核燃料的循环n n铀的浓缩方法：（1）气体扩散法；（2）激光分离法。核聚变的核燃料核聚变的核燃料n n最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，最容易实现核裂变反应的是原子核中最轻的核，例如氢、氘、氚、锂等。例如氢、氘、氚、锂等。n n其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的其中最容易实现的热核反应是氘和氚聚合成氦的反应。反应。n n作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，作为核燃料之一的氘，地球上的储量特别丰富，每升海水中即含氘每升海水中即含氘0.034 g0.034 g，地球上有，地球上有151015101414亿吨亿吨海水，故海水中的氘含量即达海水，故海水中的氘含量即达450450亿吨，因此几乎亿吨，因此几乎是取之不尽的。是取之不尽的。世界核能利用的现状世界核能利用的现状 全国电力来源的全国电力来源的1.6%世界核电分布世界核电分布世界各国核电发电比例图世界各国核电发电比例图危险性n n19791979年年年年3 3月月月月2828日美国三哩岛核电站事故日美国三哩岛核电站事故日美国三哩岛核电站事故日美国三哩岛核电站事故n n19861986年年年年4 4月月月月2626日前苏联切尔诺贝利核爆炸日前苏联切尔诺贝利核爆炸日前苏联切尔诺贝利核爆炸日前苏联切尔诺贝利核爆炸 至少有至少有至少有至少有6 6名消防队员命丧急性放射疾病，名消防队员命丧急性放射疾病，名消防队员命丧急性放射疾病，名消防队员命丧急性放射疾病，6 6个月后，个月后，个月后，个月后，2828人人人人因为受到核辐射死去。因为受到核辐射死去。因为受到核辐射死去。因为受到核辐射死去。2020多年来，死亡和被辐射的人数，多年来，死亡和被辐射的人数，多年来，死亡和被辐射的人数，多年来，死亡和被辐射的人数，至今没有统一说法。至今没有统一说法。至今没有统一说法。至今没有统一说法。n n2011 2011 年年年年 3 3 月月月月 11 11 日福岛第一核电厂事故日福岛第一核电厂事故日福岛第一核电厂事故日福岛第一核电厂事故 至少有至少有至少有至少有6 6个员工吸收到超过个员工吸收到超过个员工吸收到超过个员工吸收到超过“终身摄入限度终身摄入限度终身摄入限度终身摄入限度”的辐射剂的辐射剂的辐射剂的辐射剂量；量；量；量；300300个员工吸收到大量辐射剂量；个员工吸收到大量辐射剂量；个员工吸收到大量辐射剂量；个员工吸收到大量辐射剂量；在核电厂附近居住的民众，因累积辐射曝露量而在未来在核电厂附近居住的民众，因累积辐射曝露量而在未来在核电厂附近居住的民众，因累积辐射曝露量而在未来在核电厂附近居住的民众，因累积辐射曝露量而在未来患癌症死亡的人数估计大约在患癌症死亡的人数估计大约在患癌症死亡的人数估计大约在患癌症死亡的人数估计大约在100100至至至至10001000人之间。人之间。人之间。人之间。n n美国三里岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故引起公众对核的恐惧。在过去10年中，核电变成了一个倍受争议的话题，它已从世界发展最快的能源沦为发展最慢的能源。核电站的安全性核电站的安全性核电与核弹核电与核弹n n在在核核电电迅迅猛猛发发展展的的今今天天，公公众众最最关关心心的的仍仍是是核核电电的的安安全全问问题题。首首先先公公众众提提出出的的第第一一个个问问题题是是：核核电电站站的的反反应应堆堆发发生生事事故故时时会会不不会会像像核核武武器器一一样样爆爆炸？回答是否定的。炸？回答是否定的。n n核弹是由高浓度（90%）的裂变物质（几乎是纯235U或纯239Pu）和复杂精密的引爆系统组成的，当引爆装置点火起爆后，弹内的裂变物质被爆炸力迅猛地压紧到一起，大大超过了临界体积，巨大核能在瞬间释放出来，于是产生破坏力极强的、毁灭性的核爆炸。n n核电反应堆的结构和特性与核弹完全不同，既没有高浓度的裂变物质，又没有复杂精密的引爆系统，不具备核爆炸所必须的条件，当然不会产生像核弹那样的核爆炸。核电反应堆通常采用天然铀或低浓度（约3%）裂变物质作燃料，再加上一套安全可靠的控制系统从而能使核能缓慢地有控制地释放出来。核电站放射性影响核电站放射性影响n n核电站的放射性也是公众最担心的问题。其实人们生活在大自然与现代文明之中，每时每刻都在不知不觉地受到来源于天然放射性的本底和各种人工放射性辐射影响。各种液体的放射性水准各种液体的放射性水准各种液体的放射性水准各种液体的放射性水准 核电站排出的水核电站排出的水核电站排出的水核电站排出的水1 11010微微居里微微居里微微居里微微居里L L家用水家用水家用水家用水2020河水河水河水河水1010100100啤酒啤酒啤酒啤酒130130海水海水海水海水350350威士忌酒威士忌酒威士忌酒威士忌酒12001200牛奶牛奶牛奶牛奶14001400核核电电站站排排放放物物会会使使人人的的一一生生寿寿命命缩缩短短24s24s。这这与与因因抽烟缩短寿命抽烟缩短寿命7 71010年相比，可以说微乎其微。年相比，可以说微乎其微。减寿因素减寿因素减寿因素减寿因素 平均缩短寿命平均缩短寿命平均缩短寿命平均缩短寿命 体重超过正常的体重超过正常的体重超过正常的体重超过正常的25%25%3.63.6年年年年 男性比女性短寿男性比女性短寿男性比女性短寿男性比女性短寿 3.03.0年年年年 抽烟每天抽烟每天抽烟每天抽烟每天1 1盒盒盒盒 7.07.0年年年年 每天每天每天每天2 2盒盒盒盒 10.010.0年年年年 居住在城市居住在城市居住在城市居住在城市 5.05.0年年年年 19701970年核电站辐射年核电站辐射年核电站辐射年核电站辐射 小于小于小于小于1 1分钟分钟分钟分钟 20002000年核电站发电量年核电站发电量年核电站发电量年核电站发电量小于小于小于小于3030分钟分钟分钟分钟 防止放射性泄漏的屏障防止放射性泄漏的屏障n n为了防止放射性裂变物质泄漏，核安全规程对核电站设置了如下7道屏障：陶瓷燃料芯块、燃料元件包壳、压力容器和管道、混凝土屏蔽、圆顶的安全壳构筑物、隔离区、低人口区。n n有了以上7道屏障，加上核工业和核技术的进步，今后是不再可能发生前苏联切尔诺贝利电站那样的事故的。核核核核电电电电站站站站的的的的多多多多层层层层安安安安全全全全保保保保护护护护成本n n拆除费拆除费 用用n n核废料的处理核废料的处理 n n铀的来源铀的来源德国已经决定德国已经决定2022年前关闭现有的所有核电站年前关闭现有的所有核电站 瑞士瑞士2034年前关闭所有核电站年前关闭所有核电站 奥巴马政府在奥巴马政府在2012年的财政预算中计划批准年的财政预算中计划批准360亿美元贷款担保用来兴建核电站。亿美元贷款担保用来兴建核电站。法国将继续为发展核电投入资金法国将继续为发展核电投入资金 英国政府将在英国政府将在2025年前建设年前建设10个新一代核电站个新一代核电站各国政策2020年核电占年核电占5%，2030年核电占年核电占10%2050年核电达年核电达4亿亿-5亿千瓦亿千瓦 2010年前的我国所掌握的天然铀资源，年前的我国所掌握的天然铀资源，不超过不超过15.4万吨，占世界储量的份额是万吨，占世界储量的份额是2.8%中国铀资源极缺中国铀资源极缺 应限制核电多造核战舰应限制核电多造核战舰何祚庥何祚庥 中国科学院院士中国科学院院士 中国科学院理论物理研究所研究员中国科学院理论物理研究所研究员清洁发电方式清洁发电方式清洁能源风电n n风能安全、清洁。风能安全、清洁。n n相对于核电具有安全、没有原材料压力的相对于核电具有安全、没有原材料压力的优势。优势。n n相对于太阳能发电（光伏）具有成本优势相对于太阳能发电（光伏）具有成本优势以及可大规模并网发电的优势。以及可大规模并网发电的优势。风电资源n n全球可利用的风能资源为全球可利用的风能资源为200亿千瓦，约是亿千瓦，约是可利用水力资源的可利用水力资源的10倍。倍。n n如果利用如果利用1%的风能能量，可产生世界现有的风能能量，可产生世界现有发电总量发电总量8%9%的电量。的电量。n n我国可利用风能资源约为我国可利用风能资源约为16亿千瓦，其中有亿千瓦，其中有很好利用价值的约为很好利用价值的约为2.53亿千瓦。亿千瓦。风电缺点n n风电不稳定：少时太少，多时太多风电不稳定：少时太少，多时太多风电不稳定：少时太少，多时太多风电不稳定：少时太少，多时太多 15001500千瓦风机的启动风速是每秒千瓦风机的启动风速是每秒千瓦风机的启动风速是每秒千瓦风机的启动风速是每秒3 3米，风速到米，风速到米，风速到米，风速到12.512.5米米米米/秒的时候就满发电量了，到秒的时候就满发电量了，到秒的时候就满发电量了，到秒的时候就满发电量了，到2525米米米米/秒的时候就要秒的时候就要秒的时候就要秒的时候就要停机停机停机停机 n n风电价格高：购置设备投入大。风电价格高：购置设备投入大。风电价格高：购置设备投入大。风电价格高：购置设备投入大。建建建建1 1千瓦的发电设备，煤电要投资千瓦的发电设备，煤电要投资千瓦的发电设备，煤电要投资千瓦的发电设备，煤电要投资40004000至至至至50005000元人元人元人元人民币，而风电要投入超过民币，而风电要投入超过民币，而风电要投入超过民币，而风电要投入超过50005000元人民币。元人民币。元人民币。元人民币。n n解决方案：解决方案：解决方案：解决方案：智能电网智能电网智能电网智能电网+储电备用储电备用储电备用储电备用 太阳能发电n n优点：优点：无枯竭危险