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第7章化学与能源
能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明始于火的使用,燃烧现象是人类最早的化学实践之一,燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化,创造了五光十色的物质文明。
而现代社会的生产和生活更离不开能源。能源既是工农业生产中必需的物质基础,也是人类赖以生存的物质条件之一。随着社会的发展,能源供需之间将会出现越来越尖锐的矛盾。因此,如何节约能源,研究和发展利用新能源,就引起了世界范围内极大的关注。
能源概述
能源的分类比较复杂,通常根据其形成条件、生产周期、使用性能和利用技术状况进行分类。如表5-1所示。
表7-1 能源的分类
此外,自然界中有些能源如太阳能、水能、风能、生物质能等,它们都可以循环再生,所以又称为可再生能源。还有一些能源,如煤、石油、天然气、核燃料等它们是不可再生的,称为不可再生能源。
本世纪初,石油在能源消费结构中才刚开始起步,到70年代,已成为主要能源。然而近二十年来,石油在能源消费结构中的比例逐年下降,世界能源消费结构变化情况见表5-2。
从表中数据可以看到,世界能源消耗增长速率是相当快的,而各种能源在消费中所占比例也有明显变化:煤的比例下降,石油和天然气、水电和核电都呈增长趋势(因天然气与石油共生,经常把两者合起来统计),目前实际上是多种能源互补的局面。
我国的煤炭资源比较丰富,石油资源则比较贫乏。表5-3列举了我国的能源消费量和构成。
煤、石油和天然气
煤、石油和天然气是当今人类利用得最为普遍,最为广泛的能源,因而也是与我们目前生活、生产关系最为密切,影响最大的能源。
煤
煤、石油和天然气都是由植物和低等生物残骸在地下经长期的堆积、埋藏,在高温、高压、缺氧的条件下,经过复杂的物理化学变化而形成的。它们以矿藏的形式存在于地壳中,通常称为矿物燃料或化石燃料。在这些矿物燃料中,煤的贮量丰富,其开采始于13世纪,18世纪中叶随着蒸汽机的发明和推广应用,煤逐渐成为世界的主要能源。据估测,世界上煤的总贮量约为136093亿吨,已探明贮量为10391亿吨。
由于煤形成的年代与地质构造不同,其炭化程度不同。据此可将煤分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤四大类。泥煤呈棕褐色,炭化程度最低,质地疏松,吸水性强,含碳量低于70%,工业价值不大,只可用作锅炉燃料及气化原料。褐煤呈褐色或黑褐色,含碳量在70%~78%之间,挥发分较高,在空气中易风化破碎,易自燃,一般不宜作长途运输或长期贮存。烟煤为黑色,含碳量在78%~85%之间,适宜于炼焦,是冶金工业、化学工业和燃气工业的重要原料,也是工业和生活中最重要的燃料。无烟煤呈灰墨色,有金属光泽、致密、坚硬,挥发分少,吸水性小,含灰分和硫分都比较少,含碳量通常在85%以上,是所有煤中炭化程度最高的,其发热值也是各种煤中最高的,属于质量品位最好的一种煤。
煤是发热量很高的一种固体燃料,它的主要成分是碳,还有一定量的氢和少量的氯、氮、硫和磷等。
煤是由有机物和无机物组成的一种混合物,以有机物为主。无机物有Ca、Al、Mg、Fe的硫酸盐、碳酸盐;Al、Cu、Mg、Na、K的硅酸盐、硫化物、氧化物等,燃烧后则构成煤的灰分。碳是煤中主要的可燃成分元素,煤的炭化程度愈高,其含碳量也越多,其发热值也愈高,发热值是评价煤炭优劣的重要指标。通常把1kg煤完全燃烧后放出的总热量,称为煤的发热值。×104。
地球上石油和天然气的贮量有限,按目前的开采速率几十年之后即将枯竭,而煤的贮量还可供几百年使用,因而煤在今后仍将是重要的能源。但是,煤作为一次能源有其固有的缺点,主要是其发热值比石油、天然气低得多,利用效率低;通常的采煤方法,开采率仅为60%左右,更降低了煤的有效利用价值;煤的运输也远比石油、天然气困难。
此外,煤在燃烧过程中,生成的SO2、SO3、NOx污染环境,是引起酸雨的主要原因。因此,合理利用和综合利用煤资源,使煤转化为优质气体或液体燃料,提高煤的有效利用率是一个十分有意义的课题。我国是产煤大国,也是耗煤大国,煤的综合利用技术对我国更具有重要的战略意义。
煤的气化是用水蒸气、氧气或空气作为气化剂在高温下与煤作用,生成H2、CO和CH4等可燃的混合物气体(即煤气)的过程。
煤气的第一个重要用途是用作燃料,广泛应用于钢铁、冶金、化工部门及商业、服务业和家庭燃气。不仅输送和使用十分方便,而且比直接烧煤的热效率提高一倍多,并大大降低了对环境的污染。煤气的第二个重要用途是作为化工原料,用来生产氨、甲醇,或作为煤液化的原料。
煤气的第二个重要用途是作为化工原料,用来生产氨、甲醇,或作为煤液化的原料。第三个重要用途是用于煤气化联合循环发电,即把制得的煤气经净化后,通到燃烧器里燃烧,推