PAGEPAGE50能源化學第一章能源簡介能源的分類能源利用史能源的作用能源儲量及消費中國能源的發展能源化學能源與材料能源與環境能源發展趨勢第一節能源的分類1能（量）：能量是物質運動的一種度量，是物體做功的能力。對應于物質的不同的運動形態，能量也有不同的形式。各種運動形態是可以相互轉化的，所以各種形式的能量之間也能夠相互轉換。能量是物質的屬性，任何物質都具有能量，能本身不是物質，而是指物質的一種狀況或狀態。（2）能的形式：機械能（動能、勢能）、熱能、化學能、電能、光能、核能（3）能量的性質：狀態性；可加性；傳遞性；轉換性；做功性；貶值性。2能源國際上，衡量一個國家現代化的程度=1\*GB3①能源的人均占有量；=2\*GB3②能源構成；=3\*GB3③能源使用率；=4\*GB3④能源對環境的影響。（1）什么是能源？能源和能量既有聯系又有區別，能量來自能源，但能量本身是量度物質運動形式和量度物體做功的物理量，包括機械能、熱能、電能、電磁能、化學能、原子能等。能源是可從其獲得熱、光和動力之類能量的資源。《科學技術百科全書》能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風的術語，人類用適當的轉換手段便可讓它為自己提供所需的能量。《大英百科全書》能源是可以直接或經轉換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源。《能源百科全書》（2）能源的形式：石油、天然氣、煤、生物質能、太陽能、風力能、地熱能、水力能、核能、丙烷（3）能源的分類=1\*GB3①能源按其形成方式分為：一次能源：直接從自然界取得的以自然形態存在的能源。如：煤炭、石油、天然氣、風能、水能、太陽能、地熱能、核能、生物質能、化學能等。二次能源：由一次能源經過加工或轉換得到的能源。如：焦炭、汽油、重油、煤氣、熱能、機械能、電能等。二次能源是聯系一次能源和能源用戶的中間紐帶。一次能源地球上的一次能源來源于三個方面：地球以外天體中的太陽輻射能（包括直接的太陽輻射能外，還包括間接來自太陽能能源，如化石能源、生物能、水能、風能、海洋能等）。地球本身蘊藏的能量資源，諸如地熱能、火山能、地震能以及核燃料（鈾、釷、钚）等。地球和其他天體相互作用而產生的能量。如天體運動中，太陽和月亮對地球表面的水有吸引力作用而產生的潮汐能。這三類能源中，太陽輻射能是最主要的，也是人類利用最多的。能源結構一次能源第一類能源（來自地球以外）太陽輻射能煤、石油、油頁巖、天然氣、草木燃料、沼氣和其它由于光和作用而固定下來的太陽能。風、流水、海流、波浪、海洋熱能、直接太陽能宇宙射線、流星和其它星際物質帶進地球大氣的能量第二類能源（來自地球內部）地球熱能地震，火山活動，地下熱水和地熱蒸氣，（包括溫泉和沸泉），熱巖層原子能鈾，釷，硼，氘第三類能源（來自地球和其它天體的相互作用）潮汐能二次能源電能，氫能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火藥等。=2\*GB3②一次能源按其是否能夠再生的性質分為：可再生能源：可再生能源是指使用后仍能更新或是再生的能源；如：太陽能、水能、風能、地熱能、潮汐能、海洋能、生物質能等。取之不盡，用之不竭不可再生能源：不可再生能源是有限的能源，開采消耗后，短期內無法恢復的能源；如煤炭、石油、天然氣、核燃料等。可再生能源的主要類型和特點：可再生，無污染或污染小，地區分布廣，適合就地開發利用。=3\*GB3③能源按其使用性質不同可分為：含能體能源：指能夠提供能量的物質能源，即儲存起來的能源，其特點是可以保存且可運輸，如草木燃料、礦物燃料、核燃料、高位水庫中的水等。過程性能源：指能夠提供能量的物質運動形式，它不能直接儲存，存在于“過程”之中，如太陽能、風能、水能、潮汐能、電能等。=4\*GB3④能源按其使用的成熟程度和技術狀況可分為：常規能源：技術上比較成熟，已被人類廣泛利用，在生產和生活中起著重要作用的一次能源。如煤炭、石油、天然氣、水能、核裂變能等。新能源：一般是指在新技術基礎上加以開發利用的可再生能源。如太陽能、生物質能、氫能、地熱能、核聚變能等。=5\*GB3⑤能源按其形態方式分為：化石能源、（礦物能源）如煤炭、石油、天然氣。非化石能源（替代性能源）如太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等。=6\*GB3⑥能源按其性質可分為：燃料能源礦物燃料（煤、石油、天然氣等）生物燃料（柴草、木材、沼氣、有機廢棄物等）化工燃料（丙烷、甲醇、酒精、廢舊塑料制品等）核燃料（鈾、釷、钚、氘等）非燃料能源多數具有機械能，如風能、水能、潮汐能、波浪能等，有的含有熱能，如地熱能和太陽能等。=7\*GB3⑦根據能源是否流通分為：商品能源：指經過流通環節大量消費的能源，主要有煤炭、石油、天然氣、電力等。非商品能源：指不經流通環節而自產自用的能源，如農戶自產自用的薪秸稈，牧民自用的牲畜糞便，風能、太陽能等。（在農村地區開發的為生產和生活使用的能源又叫做農村能源）=8\*GB3⑧根據能源消耗后是否造成環境污染可分為：清潔能源（綠色能源）：利用現代技術開發的干凈、無污染的新能源。如太陽能、氫能、風能、潮汐能等。“綠色能源”有兩層含義：利用現代技術開發干凈、無污染的新能源，如太陽能、氫能、風能、潮汐能等；化害為利，將發展能源同改善環境緊密結合，充分利用先進的設備與控制技術來利用城市垃圾、淤泥等廢物中所蘊藏的能源，以充分提高這些能源在使用中的利用率。非清潔能源：包括煤炭、石油等。=9\*GB3⑨按能源載體同地球構成關系劃分地殼能源：地殼能源是指在地球演變過程中，經過漫長的地質年代逐漸自然形成的載能物體，如煤炭、石油、天然氣、油頁巖等。它們的形成與地殼運動、海水進退、氣候變化、生物興衰等息息相關。地殼外能源：地殼外能源是指除地殼能源以外的能源，它的形成不是地殼物質，如太陽能、風能等。（4）分布式能源：分布式能源是一種建在用戶端的能源供應方式，既可獨立運行，也可并網運行。分布式能源是相對于傳統的集中供電方式而言，是指將冷熱電系統以小規模、小容量（數千瓦至50兆瓦）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立地輸出冷、熱、電能的系統。3能源的評價儲量能量密度儲能的可能性與供能的連續性能源的地理分布開發費用和利用能源的設備費用運輸費用與損耗能源的可再生性能源的品位對環境的影響4有關能源的國際組織國際能源機構（國際能源署、國際能源組織）InternationalEnergyAgency,IEA世界能源理事會（世界能源委員會）WorldEnergyCouncil,WEC國際原子能機構InternationalAtomicEnergyAgency,IAEA世界石油大會（世界石油理事會）WorldPetroleumCongress,WPC石油輸出國組織OrganizationofthePetroleumExportingCountries簡稱歐佩克（OPEC）或油組政府間氣候變化專業委員會IntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC經濟合作與發展組織OrganizationforEconomicCooperationandDevelopment,OECD5能源計量單位能源計量單位可以有3種表示方法能量單位：用熱功單位來表示，如焦耳（J）、卡（cal）、千瓦小時（kWh）；英國熱能單位（BTU）當量單位：用能源的當量值表示，常見的如煤當量和油當量。能源的實物量單位：用能源的實物量來表示，如煤用噸（t），石油用（桶），天然氣用立方米（m3）。6溫度表示方法：華氏溫度、攝氏溫度、開爾文溫度第二節能源利用史人類對于能源的開發利用大致經歷了四個歷史時期：古代柴草時期；新石器時代晚期的煤炭時期；19世紀中葉的石油時期；始于20世紀中葉的新能源時期。世界能源結構發生的第一次轉變：薪柴煤炭（英國產業革命）世界能源結構發生的第二次轉變：煤炭石油和天然氣（管線焊接技術）世界能源結構發生的第三次轉變：石油和天然氣可再生能源（1973年第一次石油危機）第三節能源的作用能源：是人類生存和發展的重要物質基礎；是人類從事各種經濟活動的原動力；是人類社會經濟發展水平的重要標志。第四節能源儲量及消費1能源儲量：世界能源消費結構變化（%）2能源消費能源強度：亦稱能源消費強度，常用單位產值能耗或單位產品能耗表示。單位產值能耗：是指一個國家或地區、部門或行業單位產值一定時間內消耗的能源量，通常以噸（或公斤）油當量（或煤當量）／美元來表示。一個國家或地區的能源強度，通常以單位國內生產總值耗能量來表示。單位產品能耗：是以實物量為單位的能源消費量與對應的產品量之比。能源強度反映經濟對能源的依賴程度，受一系列因素的影響，包括經濟結構、經濟體制、工藝水平、生產規模、技術水平、能源結構、人口等。世界能源消費現狀及特點1.受經濟發展和人口增長的影響，世界一次能源消費量不斷增加2.世界能源消費呈現不同的增長模式，發達國家增長速率明顯低于發展中國家3.世界能源消費結構趨向優質化，但地區差異仍然很大4.世界能源資源仍比較豐富，但能源貿易及運輸壓力增大第五節中國能源的發展中國能源發展回顧：1949年新中國成立時，全國一次能源的生產總量只有2400萬噸標準煤。中國能源生產總量及其構成中國能源消費結構中國的能源特點：“以煤為主，多能互補”1996年，中國成為全球第二大一次能源消費國，同時也是全球第二大能源生產者。中國的能源發展現狀：能源資源總量豐富：煤炭儲量約占世界總儲量的12.6%，居第3位。水力資源占世界總量的30%，居第1位，原油占2.4%，天然氣僅占1.2%。人均能源資源擁有量較低、分布不均：人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半，石油僅為1/l0。人均能源消費量低、單位產值能耗高（即能源消費強度，是指單位GDP所投入的能源量。）能源資源開發難度大，能源利用效率低能源安全面臨威脅1993年開始成為石油凈進口國，2008年石油進口依存度（凈進口量與消費量之比）接近52%。能源消費以煤為主，環境壓力加大，新能源與可再生能源有待大力發展中國能源發展戰略：堅持節約優先、立足國內、多元發展、依靠科技、保護環境、加強國際互利合作，努力構筑穩定、經濟、清潔、安全的能源供應體系，以能源的可持續發展支持經濟社會的可持續發展。第六節能源化學1能量轉化化學反應中的能量變化通常主要表現為熱量的變化：放出熱量或吸收熱量。如果反應放出的能量大于吸收的能量，則此反應為放熱反應。如燃燒反應、中和反應、化合反應、金屬和酸的反應；如果反應放出的能量小于吸收的能量，則此反應為吸熱反應。如分解反應、以C、H2、CO為還原劑的反應、銨鹽與固體堿的反應。在化學反應中，拆散化學鍵需要吸收能量，形成新的化學鍵放出能量。熱功當量：1cal=4.1840J熱力學第一定律：能量可以從一種形式轉化為另一種形式．在轉化過程中能量既不會消失也不會增加。熱力學第二定律：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化。－克勞修斯（Clausius）不可能從單一熱源取出熱使之完全變為功，而不發生其它的變化。－開爾文（Kelvin）能量質量的貶值性：熱力學第二定律認為，能量的流動總是從集中到分散，從能量高向能量低的方向傳遞，在傳遞過程中總會有一部分能量成為熱能釋放出去。使用能量的過程中能量質量下降是能量的基本屬性。能量的兩個重要特性：能量數量的守恒性；能量質量的貶值性能量利用就是利用能量的質量，按質用能－盡可能使高質量的能盡其用和做到合理用能2能量儲存能量儲存的主要指標儲能密度儲存過程的能量損耗儲存裝置的經濟性儲能和取能的速率壽命（重復使用的次數）對環境的影響能量儲存方式：按儲存的能的形式可分為電化學能（如傳統鉛酸電池、液流電池、燃料電池）電能（如超級電容器（supercapacitor））動能（如飛輪（flywheel））勢能（如壓縮空氣儲能系統（CAES）、抽水蓄能（pumpedhydro））化學能（如氫儲能系統（Hydrogen-based））熱能及熱化學能磁能（如超導磁能儲存（SMES））按儲能體的形式可分為：固定式和移動式按儲能時間可分為：短期和長期第七節能源與材料材料是發展能源的物質基礎。解決能源危機的關鍵是能源材料的突破方法有：提高燃燒效率，以減少資源消耗；開發新能源，積極利用再生能源；開發新材料、新工藝，最大限度地實現節能。這3個方面都與材料有著密切的關系。第八節能源與環境能源生產與使用對環境的影響1.開采過程對環境的影響2.運送過程對環境的影響3.加工過程對環境的影響4.利用過程中的污染第九節能源發展趨勢=1\*GB3①多元化；=2\*GB3②清潔化；=3\*GB3③高效化；=4\*GB3④全球化；=5\*GB3⑤市場化

第二章煤炭煤炭是能源和其他資源的重要支柱煤的形成煤的開采與運輸煤的結構煤的元素組成煤的綜合利用煤的燃燒煤炭液化煤的氣化第一節煤炭是能源和其他資源的重要支柱煤：煤是由高等植物經生物化學、物理化學和地球化學作用轉變成的固體有機可燃礦物。煤炭資源儲藏最豐富的國家為：美國、俄羅斯、中國、印度、澳大利亞、南非。6個國家的煤炭儲藏量之和占全世界煤炭儲藏量的80%以上。煤炭是中國工業的主要能源，中國能源資源的基本特點是富煤、貧油、少氣。煤炭是中國的第一能源，在一次性能源的構成中煤炭占70%左右。煤炭能源中的主要化學問題是以解決效率、污染和能源形式的轉化為核心目的。煤炭的利用方式直接燃燒氣化、熱解、液化（將煤炭轉化為潔凈氣體、液體、固體燃料）第二節煤的形成1煤的形成過程高等植物：植物-泥炭-褐煤-煙煤-無煙煤。煤化序列為：植物泥炭（腐泥）褐煤煙煤無煙煤。低等植物：植物-腐泥-腐泥煤煤的轉變過程泥炭化作用：當高等植物遺體在沼澤中堆積，在有水存在和微生物參與下，經過分解、化合等復雜的生物化學變化，形成泥炭（泥煤）。成巖作用：由泥炭變成褐煤的過程變質作用：由于地殼的運動，褐煤層上部頂板逐漸加厚，受地壓、地溫增高的影響，經過復雜的物理化學作用，促使煤質變化，由褐煤變成煙煤、無煙煤。成巖和變質是煤化作用的兩個階段。2煤的種類根據成煤植物種類的不同，煤主要可分為兩大類，即腐殖煤和腐泥煤。根據煤化度的不同，腐殖煤可分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤。種類含碳量（%）熱量（kJ/g）用途泥煤50~608,400~12,500替代柴薪褐煤60~7512,500~20,900一般燃料次煙煤75~8520,900~23,000替代煙煤煙煤85~9023,000~29,300煉制煤焦工業燃料無煙煤90~9529,300~33,500最佳燃料腐泥煤：煤的一類，由低級植物和浮游動物形成的煤。在煤化過程中由腐泥轉變而成。還保持著本身結構的低級植物和浮游動物的殘留物，如藻煤、燭煤、油頁巖等。是制造人造液體燃料和潤滑油的寶貴原料。第三節煤的開采與運輸煤礦開采方法露天開采（剝離法開采）礦井開采我國采煤以礦井開采為主，如山西、山東、徐州及東北地區大多數采用這一開采方式，也有露天開采，如內蒙古霍林河煤礦就是我國最大的露天礦區。煤炭運輸方式：①水運、②鐵路、③公路、④管道輸煤我國第一條輸煤管道：盂（縣）－濰（坊）－青（島）管道全長713公里。世界第一條輸煤管道在美國，全長439公里。第四節煤的結構煤的化學結構是指在煤的有機分子中，原子相互聯結的次序和方式。又稱煤的分子結構，簡稱煤結構。第五節煤的元素組成化學成分：以碳為主體，并含有氫、氧及少量之硫、氮、無機礦物質等。碳：碳是煤中有機質的主要組成元素。C含量隨煤化程度增高而增大。褐煤含C量70%；無煙煤含C＞92%，氧含量則從20%左右降到2%左右，氫含量由8%左右降到4%左右。氫：氫含量與煤的煤化度也密切相關，隨著煤化度增高，氫含量逐漸下降。氧：氧是煤中第二個重要的組成元素。煤中有機氧含量隨煤化度增高而明顯減少。泥炭中無水無灰基氧含量Odaf，高達27%-34%，褐煤中Odaf為15%-30%，到煙煤階段為2%-15%，無煙煤為1%-3%。氮：煤中的氮含量較少，一般約為0.5%3.0%。氮是煤中惟一的完全以有機狀態存在的元素。煤中氮含量隨煤化度的加深而趨向減少，但規律性到高變質煙煤階段以后才比較明顯。硫：煤中的硫通常以有機硫和無機硫的狀態存在。煤中的硫按可燃性可分為：可燃硫和不可燃硫（或稱固定硫）第六節煤的綜合利用煤的轉化利用途徑：氣化：將煤變成水煤氣或發生爐煤氣，然后作燃料或化工原料。液化：將煤變成芳烴、烷烴、脂肪烴等油品。焦化：焦化是煉焦。同時得到焦油、煤氣。或稱部分液化和部分氣化。煤的干餾：將煤隔絕空氣加熱使其分解的過程將煤進行氣化和液化：解決燃煤污染、提高燃煤熱效率、提取有關物質和化工原料。煤氣化第七節煤的燃燒煤燃燒涉及的物理化學過程：C+O2CO2；C+?O2CO潔凈煤技術包括煤炭使用各環節的凈化和防治污染的技術：潔凈煤技術：煤炭的潔凈生產技術煤炭的潔凈加工技術煤炭的高效潔凈轉化技術煤的高效潔凈燃燒與發電技術燃煤污染排放治理技術具體是指從煤炭開采到利用的全過程中提高利用效率的生產、加工、轉化、燃燒、減少污染物排放及控制污染等新技術體系。煤炭燃燒前的處理和凈化技術：洗選處理；型煤加工；水煤漿技術=1\*GB3①洗選處理：洗選處理是除去或減少原煤中所含的灰分、矸石、硫等雜質，并按不同煤種、灰分、熱值和粒度分成不同品種等級，以滿足不同用戶需要。=2\*GB3②型煤加工：型煤加工是采用特定的機械加工工藝將粉煤和低品位煤制成具有一定形狀、尺寸、強度和一定理化性能的煤制品。高硫煤成型時加入適量固硫劑（生石灰），可減少二氧化硫的排放。2SO2+O2+2CaO2CaSO4SO3+CaOCaSO4=3\*GB3③水煤漿（CoalWaterSlurry,CWS）技術國際上稱為：煤水混合物（CoalWaterMixture,CWM）或煤水燃料（CoalWaterFuel,CWF）制備：CWS一般由65%-70%的煤粉（250-300m）、30%-35%的水及0.5-1.0%的分散劑和燃燒中的凈化裝置：先進的燃燒器；流化床燃燒器燃燒后凈化：煙氣脫硫濕式：濕法一般是在爐內用石灰水淋洗煙塵，二氧化硫變成亞硫酸鈣漿狀物。干式：干法是用漿狀脫硫劑（石灰石）噴霧，與煙氣中的二氧化硫反應，生成亞硫酸鈣，水分被蒸發，干燥顆粒用集塵器收集。脫硫效率達90%煤油混燒技術第八節煤炭液化煤的液化分直接液化和間接液化兩種。直接液化：煤在高溫高壓下加氫催化裂化，轉變成油料產品。間接液化：先使煤轉化為一氧化碳和氫氣，然后在高溫、高壓及催化劑的作用下生成液態烴、甲醇等有機物。煤的直接液化煤的直接液化工藝主要有：Exxon供氫溶劑（EDS）法；氫-煤法；煤-油共煉。煤加氫液化反應：將煤在高溫高壓下與氫反應，使其降解和加氫，從而轉化為液體油類（如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工藝稱為加氫液化。從煤結構概念出發，認為固體煤加氫轉化為液體，就是煤結構中某些鍵斷開，并同時加氫，生成液體產物和少量氣態烴。煤加氫液化的基本化學反應：熱解反應；供氫反應；脫雜原子反應。直接液化大致有氫化法和溶劑精制法。氫化法：將煤粉和煤液化過程中產生的油跟氫氣混合，在高溫條件下經催化進行加氫解聚反應。溶劑精制法間接液化的氣化-液化法：將煤氣化為H2、CO和CH4，再用催化劑將氣態物質轉化為液態。nCO+2nH2→CnH2n+nH2OnCO+(2n+1)H2→CnH2n+2＋nH2O煤的間接液化：間接液化主要分兩種生產工藝：費托（Fischer-Tropsch）工藝，將原料氣直接合成油；由原料氣合成甲醇，再由甲醇轉化成汽油。費-托合成：以合成氣為原料在催化劑（主要是鐵系）和適當反應條件下合成以石蠟烴為主的液體燃料的工藝過程。nCO+2nH2─→[－CH2－]n+nH2O一碳化學（碳一化學）：以含一個碳原子的化合物－甲烷（CH4）、合成氣（CO和H2）、CO2、CH3OH、HCHO等為初始反應物，反應合成一系列重要的化工原料和燃料的化學。其核心是選擇催化化學轉化、小分子的活化和定向轉化。CO、CO2是從煤的氣化得到的、而CH4是天然氣的主要成分。因此一碳化工實際上就是一種新一代的煤化工和天然氣化工。第九節煤的氣化煤炭氣化是一種熱化學過程，通常是在空氣、蒸汽或氧等作氣化介質的情況下，在煤氣發生爐中將煤加熱到足夠的溫度，與煤發生化學反應，生成一氧化碳、氫和甲烷等可燃的混合氣體即煤氣。煤氣化過程：=1\*GB3①煤的熱解過程；=2\*GB3②半焦的氣化過程。煤氣化目的是將煤轉化成可燃氣體。煤氣的主要組成為：CO,H2,CO2,CH4,H2O。灰分形成廢渣排出1煤炭氣化的意義及歷史（1）煤炭氣化的意義煤炭直接燃燒的熱利用效率一般為15%-18%。通過煤炭氣化過程將煤變成可燃燒的煤氣后，熱利用效率可達55%-60%。煤氣較煤具有運輸和使用方便、減輕環境污染等優點。煤氣化的好處是可在燃燒前脫除氣態硫和氮組分。粗煤氣中的硫化氫可在氣體冷卻后通過化學吸收或物理吸附脫除。2煤氣分類及用途根據煤氣組成不同可分為：發生爐煤氣和水煤氣、合成氣和還原氣、城市煤氣和焦爐煤氣、富氣和合成天然氣。水煤氣和發生爐煤氣交替吹空氣和水蒸氣到發生爐內產生的煤氣稱水煤氣。同時吹空氣和水蒸氣到發生爐內產生的煤氣稱發生爐煤氣。合成氣與還原氣合成氣是根據不同用途控制煤氣化過程產生的，主要用作不同化工產品的加工。如合成氨的合成氣對H2/N2要求很高，合成甲醇用氣CO含量較高等等。還原氣是指煉鐵過程中產生的可燃性氣體，要求其中水蒸氣和二氧化碳含量較少，較多時應將其除去。城市煤氣：城市煤氣要求含氫氣和甲烷較多，硫含量少，以提高熱值和減少城市空氣污染。煤炭氣化原理從能量轉化角度來講，煤氣化技術是把煤的化學能轉換成易于利用的氣體的化學能的過程。包括以煤（半焦或焦炭）為原料，以氧（包括空氣、富氧、純氧）、水蒸氣、二氧化碳或氫氣為氣化介質，使煤經過最低限度的氧化過程，將煤中所含的碳、氫等物質轉化成一氧化碳、氫、甲烷等有效成分的一個多相反應的化學過程。煤炭氣化技術地面煤氣化技術=1\*GB3①煤的高溫干餾；=2\*GB3②煤的發生爐氣化；=3\*GB3③煤的水煤氣化；=4\*GB3④煤的加氫氣化。地下煤氣化（UCG)技術地面煤氣化技術煤的高溫干餾：煤的高溫干餾是將煤在隔絕空氣的條件下加熱到600-800C，主要反應為煤中有機物的熱分解，生成焦炭和主要含甲烷、揮發性物質的焦爐煤氣。這種煤氣的熱值為18.8MJ/m煤的發生爐氣化：將空氣通入高溫煤層，在發生爐中發生一系列的氧化還原反應氧化層中煤炭的氧化反應：C(s)+?O2(g)CO(g)+110.54kJ/mol用空氣作氧化劑所得的煤氣叫空氣煤氣，它的大致成分（體積分數）為：CO2約16%-18%，CO1%-2%，H21%-2%，N271%-78%。由于H2和CO含量很低，熱值不高，約為4.18MJ/m3，可作燃料。煤的水煤氣化：將水蒸氣通入高溫煤層的煤氣發生爐使之煤氣化，氣體叫水煤氣。主要的反應是水蒸氣與熾熱的炭層（700-800CC(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)水煤氣的大致組成（體積分數）4）煤的加氫氣化：將煤先轉換成煤氣，然后將煤氣變成富含甲烷的干凈煤氣。水煤氣化產生的CO和H2在400CO(g)+3H2(g)CH4(g)+2H2O(g)煤加氫氣化所得煤氣的熱值很高，可達36MJ/m2。地面煤氣化技術形式有固定床、流化床與氣流床地下煤氣化：煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱化學作用產生可燃性氣體的過程。煤的氣化新技術：煤的熱核氣化技術整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）燃煤磁流體（magnetshydrodynamics，MHD）發電技術IntegratedGasificationCombinedCycle：IGCC發電技術的原理是以煤氣化的方法生產燃料氣，凈化除去煤氣中99%以上的硫化氫和接近100%的粉塵，將固體燃料轉化成燃氣輪機能燃用的清潔氣體燃料，驅動燃氣輪機發電，并利用余氣燒鍋爐生產出蒸汽來驅動汽輪機發電。燃煤磁流體（magnetshydrodynamics，MHD）發電技術：磁流體發電是一種將熱能直接轉換成電能的新型的發電方式，其基本原理和傳統的發電機一樣基于法拉第電磁感應定律，即導體切割磁力線產生感應電勢，所不同的是磁流體發電機中導電流體（氣體或液體）取代了普通發電機中的金屬流體。煤的干餾：把煤隔絕空氣加熱至較高溫度而發生的一系列物理變化和化學反應的復雜過程，稱為煤的干餾（熱分解）。煤在隔絕空氣下加熱時，煤中有機質隨溫度的提高而發生一系列變化，形成氣態（煤氣），液態（焦油）和固態（半焦或焦炭）產物。

第三章石油1、石油的重要性2、石油的成因和聚集3、石油的開采4、石油的組成5、石油的煉制6、石油化工—國民經濟的支柱7、工業的血液——流動的烏金8、我國的石油發展第一節石油的重要性石油：石油（包括油氣瀝青）是指在地殼巖石空隙（孔、洞、縫）中天然生成的，以液態烴為主的可燃有機礦產。一般認為1859年Drake在美國賓夕法尼亞州所鉆油井，是近代油氣勘探（或工業）的開始。石油的重要性：=1\*GB3①石油是優質動力燃料的原料=2\*GB3②石油是提煉優質潤滑油的原料=3\*GB3③石油是主要的化工原料1917年首次用煉廠氣中的丙烯合成異丙醇，公認為第一個石油化學產品，標志石油化工誕生。=4\*GB3④石油及其產品構成了現代生活方式和社會文明的基礎=5\*GB3⑤石油安全關系國家安全第二節石油的成因和聚集石油的形成石油地質學界普遍承認，石油和天然氣的生源物是生物，特別是低等的動物和植物。海相成油：生源物的來源主要是在海洋中生活的生物。陸相成油：生源物的來源主要是非海相生物，即生活于湖沼的生物。焦點與學派：（1）油氣的無機成因學說（2）油氣有機成因學說油氣的運移和聚集油氣運移：生油巖中的油氣在外力作用下運移到砂質巖（儲集層）中集中的過程。油氣從生成到形成礦藏一般要經過兩次大的運移才能完成：初次運移：從生油層向儲集層里的運移。二次運移：在儲集層內的運移。儲油構造：集中儲存油氣的地方。儲油構造由3部分組成：儲油層：有油氣居住的空間。蓋層：覆蓋在儲油層之上的不滲透層。圈閉：儲集層中油、氣物質自身勢最小而其動能為零的地方。（封堵的條件）石油資源專家認為，一個油氣田的六大要素就是生（油層）、儲（油層）、蓋（油層）、運（移）、圈（閉）、保（存）。第三節石油的開采1石油勘探：=1\*GB3①地表觀測、=2\*GB3②地質勘探、=3\*GB3③地球化學勘探、=4\*GB3④地球物理勘探地球物理勘探法主要方法：重力勘探（或重力法）、磁力勘探（或磁力法）、震波勘探（或震波法）其它方法：電測勘探（或電測法）、放射性勘探（或放射性法）、井測勘探（或井測法）2鉆井鉆井方式人工掘井：1521年之前人力沖擊鉆：1521～1835年機械頓鉆鉆井（沖鉆）：1859～1901年旋轉鉆井：1901年我國陸上油田目前最深探井是準噶爾盆地腹部的莫深1井，設計井深7380米世界上最深的石油勘探井井深為9583米（1974年美國）。3采油世界油田開發史按技術大致可以分為3個階段：直接采油（一次采油）注水驅油（二次采油）提高采收率技術（三次采油）4石油儲運石油的儲藏和海上運輸始終是國際上最為關注的焦點問題。用管道輸送石油是一種方便而又經濟的方法。1934年，世界上第一條油管將伊拉克的北部油田和黎巴嫩的黎波里港連通。輸油管道的鋪設使原油和成品油的輸送成本大幅度降低。鐵路上使用的油槽車也是長距離運輸石油的常用設備。第四節石油的組成1石油的元素組成主要元素：碳（C）、氫（H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）。C占84%~87%，H占11%~14%微量元素：如Fe、Mg、V、Ni等30多種，其中V、Ni為主。碳、氫占絕對優勢，總量達9599%，主要以烴類形式存在，是組成石油的主體。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在，與微量元素的總含量一般14%。石油中的硫含量：海相石油高硫（一般大于1%），陸相石油低硫（一般小于1%）釩和鎳含量與比值：海相石油V、Ni含量高，且V/Ni大于1；陸相石油V、Ni含量較低，且V/Ni小于12石油的化合物組成烴類化合物烷烴飽和烴環烷烴芳烴不飽和烴烯烴非烴類化合物含N、含S、含O化合物（1）石油的烴類組成烷烴：又稱脂肪烴、石蠟烴，具有碳鏈結構，CnH2n+2，按有無支鏈分為正構烷烴與異構烷烴。正構烷烴（CnH2n+2）異構烷烴（CnH2n+2）石油中的異構烷烴以≤C10的為主，C11-25較少，且以類異戊間二烯型烷烴最重要。石油中的類異戊間二烯型烷烴一般認為是由葉綠素的側鏈直醇演化而來，為生物標志化合物。環烷烴（具有碳環結構）CnH2n：單環、雙環、三環及多環烷烴，石油中多為五員環或六員環環戊烷、環己烷及其同系物。環烷烴分子中的碳原子連成環狀，性質與烷烴相似，但稍活潑。芳香烴（含苯環結構的不飽和烴）單環芳香烴：苯、甲苯、二甲苯多環芳香烴：聯苯、三聯苯、三苯甲烷稠環芳香烴：萘、蒽、菲芳烴較烷烴性質活潑，可與一些物質發生化學反應。烯烴：雙鍵結構烯烴的化學性質很活潑，可與多種物質發生反應烯烴分子結構式中碳原子間有雙鍵，碳原子化合價沒有和氫原子完全結合，這就有能力和其他元素的原子相結合。如乙稀、丙稀、環戊稀、環己稀（2）石油的非烴類組成石油中含硫、氮、氧的化合物都是非烴類化合物，它們的含量雖然不高，但對煉制過程和成品油的質量影響很大。=1\*GB3①含硫化合物；=2\*GB3②含氮化合物；=3\*GB3③含氧化合物存在形式：環烷酸、脂肪酸、酚、醛、酮等。環烷酸占石油酸的90%，易形成各種鹽類，其中堿金屬的環烷酸鹽易溶于水、可作為找油標志。（3）生物標志化合物來源于生物體，基本保持類原始組分的碳骨架，記載了原始生油母質特殊分子結構信息的有機化合物。又稱“分子化石”、“指紋化合物”或“地球化學化石”。主要有：正構烷烴、類異戊間二烯烷烴、萜類和甾類以及卟啉化合物。3石油的組分組成油質：是石油的重要組成部分，可溶于石油醚而不被硅膠所吸附。膠質：可溶于石油醚，苯、三氯甲烷等有機溶劑而不被硅膠所吸附。瀝青質：不溶于石油醚和酒精而溶于苯、三氯甲烷的瀝青部分。碳質：不溶于有機溶劑的非烴化合物。4石油分類根據油源環境分為：海相石油、陸相石油根據有機質成熟度分：（未熟）低熟油、成熟油、高熟油海相石油與陸相石油的基本區別：海相石油：以芳香-中間型、石蠟-環烷型為主。V/Ni>1。飽和烴占2570%，芳烴占2560%；高硫（>1%）、低蠟（<5%）。陸相石油：以石蠟型為主，部分為石蠟-環烷型。V/Ni<1。飽和烴占6090%，芳烴占1020%；高蠟（>5%）、低硫（<1%）。5石油的物理性質=1\*GB3①顏色：石油的顏色變化很大，無色、淡黃色、黃褐色、淡紅色、深褐色、黑綠色、黑色。石油的顏色與芳烴+非烴的含量有關，芳烴+非烴含量越高，顏色越深。=2\*GB3②相對密度：相對密度有三種：：1個atm下，20C單位體積原油與4C（無量綱）一般“”：0.75~1.0之間，其中：<0.9稱為輕質石油；0.9-0.93稱為中質石油；>0.93稱為重質石油。影響因素：主要取決于化學組成，膠質、瀝青質含量↑↑；石油組分的分子量↑↑；溶解氣數量↑↓API度：石油工業中常用美制密度（API）表示，API與or呈反比關系。一般原油API介于25~46之間。波美密度：符號Symbol：Bé,sometimesB法國科學家波美所創制，波美比重計=3\*GB3③粘度：石油流動時分子間相對運動的內摩擦力所產生的阻力。粘度越大，愈難流動。影響因素：石油的粘度取決于石油的化學組成、所處的溫度和壓力。膠質、瀝青質↑，粘度↑；飽和烴含量↑，粘度↓；化學組成：溶解氣含量↑，粘度↓；溫度↑，粘度↓；壓力↑，粘度↑。溫度對粘度的影響較壓力大，因此在地層中容易流動。=4\*GB3④溶解性：石油可溶解于多種有機溶劑，如：苯、三氯甲烷（氯仿）、二硫化碳、四氯化碳、乙醚等等。難溶于水，但隨水中二氧化碳和烴氣的含量增加，溶解度明顯增加，有利于初次運移。=5\*GB3⑤凝固點：將液體石油冷卻到失去流動性時的溫度。石油沒有明確的凝固點，當溫度降低時，常出現固態與液態之間的過渡狀態。=6\*GB3⑥導電性：石油基本上是電絕緣體。石油導電性極差，具高電阻率。可視為無限大，非導體。=7\*GB3⑦熒光性：石油在紫外光的照射下，產生熒光的特性。無論其本身還是溶于有機溶劑中。熒光-低能量可見光冷發光現象原因：由多環芳香烴和非烴發光，飽和烴不發光。發光顏色：含芳烴多的輕質油—天藍色；含膠質多的石油—淡黃色；含瀝青質多的石油—褐色。發光強度：與石油中的不飽和烴濃度有關。在低濃度范圍下，發光強度與石油類物質的濃度成正比；但濃度超過某一臨界值以后，發光強度反而降低，這叫做濃度消光。應用：鉆井現場常用熒光燈鑒定巖樣中的含油情況。=8\*GB3⑧旋光性：當偏振光通過石油時，石油能使其振動面旋轉一個角度（0.幾-幾度），石油的這種特性稱旋光性。旋轉偏振光振動面的特性。分右旋和左旋。大多石油旋光性為右旋。旋轉角小于幾度。石油的旋光性與結構不對稱的生物標志化合物有關，因此，石油的旋光性是石油有機成因的證據。第五節石油的煉制石油煉制過程：脫鹽/脫水：應用電化學分離或加熱沉降方法脫除原油所含水、鹽和固體雜質，主要目的是防止鹽類（鈉、鈣、鎂的氯化物）離解產生氯化氫而腐蝕設備和鹽垢在管式爐爐管內沉積。原油蒸餾丙烷脫瀝青溶劑萃取和脫蠟混合1石油的蒸餾蒸餾是利用物理方法將原油中的各種碳氫化合物分開。原油加熱到一定溫度，油中的碳氫化合物變成不同的氣體，每種氣體有不同的凝結點，在不同溫度下凝結成為液體。蒸餾包括常壓蒸餾和減壓蒸餾，屬于物理變化。常壓蒸餾：在接近常壓下蒸餾出汽油、煤油（或噴氣燃料）、柴油等的直餾餾分，塔底殘余為常壓渣油（即重油）。減壓蒸餾：使常壓渣油在8kPa左右的絕對壓力下蒸餾出重質餾分油作為潤滑油料、裂化原料或裂解原料，塔底殘余為減壓渣油。1atm（標準大氣壓）＝101.325kPa（千帕）工業上的石油分餾：石油餾分組成與化合物組成關系隨餾分沸點增加，化合物分子量增大，化合物中C數增加；隨餾分沸點增加，石蠟烴和芳香烴含量明顯減少，膠質含量明顯增加。2重油的裂化裂化是將重油等大分子烴類分裂成汽油、柴油等小分子烴類的一種煉制方法。重油裂化是制取高質量汽油的主要途徑。重油裂化的常用方式：熱裂化催化裂化加氫裂化熱裂化：是通過加熱的方法把大分子烴類轉化成小分子烴的過程。催化裂化：是在硅酸鋁和合成沸石等催化劑作用下使重油裂化成小分子烴，可以有選擇性多生成一些汽油組分的產品，反應產物是C4C加氫催化裂化：是在370430℃的高溫、1015MPa可把原料中的硫和氮的化合物轉化成硫化氫和氨，從而通過水洗除去。可使不飽和烴及一些大分子烴發生裂化和異構化，從而獲得各種高質量的油品。如高辛烷值汽油、低冰點噴氣機燃料、低凝固點柴油、低溫性能良好的潤滑油等。產品的收率接近100%。反應需要在高壓下操作，條件比較苛刻，設備投資高，技術操作要求嚴格。石油煉制加工：一次加工；二次加工；三次加工。一次加工和二次加工可用于生產燃料油品。二次加工可提高輕質油的收率，提高油品質量，增加石油產品的品種，提高煉油廠的經濟效益。三次加工（石油化學工業）則是用前兩次加工所得的石油產品或半成品來生產化工產品，通過分子的異構化、芳構化、聚合等反應制取基本有機化工原料。第六節石油化工—國民經濟的支柱石油化學工業簡稱石油化工，是指以石油和天然氣為原料生產石油產品和石油化工產品的加工工業。石油產品：液體燃料：液化石油氣（LPG），車用汽油，航空燃料，車用柴油，燃料重油等。潤滑油：發動機油，齒輪油，液壓油，氣輪機油，壓縮機油，金屬加工用油等。固體產品：瀝青，石油焦，石蠟等。其他類產品第七節工業的血液—流動的烏金石油經過煉制后,絕大部分變成了汽油、煤油、柴油、燃料油、潤滑油等油品。這些油品如同血液一樣源源不斷地輸入工業的脈管，大大加快了現代文明社會的生活節奏。1汽油的使用牌號和優質汽油的制備汽油的質量標準涉及到許多方面，其中最重要的是蒸發性、抗爆性和安定性。蒸發性：評價汽油蒸發性的指標是餾分組成和蒸氣壓。抗爆性：汽油的抗爆性是指汽油發動機在汽缸中燃燒時抵抗爆炸的能力。可用辛烷值度量，汽油的辛烷值越高其抗爆性越好。安定性：汽油的安定性是指汽油在常溫和液相條件下抵抗氧化的能力。安定性不好的汽油在儲存和運輸過程中容易發生氧化和聚合反應，生成酸性物質和膠狀物，致使油的顏色變深，辛烷值降低。汽油的辛烷值：規定具有很高抗爆性的異辛烷的辛烷值為100，最容易產生爆震的正庚烷的辛烷值為0。汽油改性：提高辛烷值制取高質量的汽油是汽油改性的主要目標。兩種基本改性方法：在汽油中加入添加劑；通過石油餾分的化學轉化來改變汽油的烴類組成，以獲得高辛烷值的汽油。汽油質量升級一般要經過3個階段：一是標號升級，二是無鉛化，三是組分優化。2航空煤油噴氣式飛機對噴氣燃料的要求：良好的燃燒性能良好的熱安定性較低的結晶點良好的霧化和蒸發性3柴油柴油十六烷值評定柴油抗爆性的指標：自燃點為205℃自燃點高達529℃的-甲基萘是抗爆性很差的柴油機標準燃料，它的十六烷值定為04燃料油和潤滑油燃料油：燃料油來源主要是減壓渣油和裂化殘油兩種。潤滑油：潤滑油通常是從常壓塔底流出的重油經過減壓蒸餾制取。第八節我國的石油發展

第四章天然氣清潔的燃料天然氣的開采天然氣化工煤層氣的利用天然氣適用技術中國的天然氣市場展望天然氣水合物-21世紀的新能源第一節清潔的燃料1天然氣的概念廣義的天然氣：自然界中一切天然生成的氣體（包括大氣、巖石中的氣體、海洋中的氣體、地幔氣、宇宙氣等）。狹義的天然氣：在地質條件下生成、運移并聚集在地下巖層中、以烴類為主的氣體。在地殼巖石空隙（孔、洞、縫）中天然生成的，以氣態烴為主的可燃有機礦產。多數有機成因，也有無機成因的。2天然氣的化學組成天然氣的元素組成：C、H、O、S、N及微量元素組成，其中C占65%80%，H占12%20%天然氣的化合物組成：烴類—CH4為主；非烴類—CO2、N2、H2S多數氣藏以烴類為主氣藏和油氣藏中天然氣，無論是氣藏類型，還是氣體中化合物組成，都是以烴類氣體為主。烴類組成甲烷（輕烴氣）：是烴類氣體主要化合物。重烴氣（乙烷及其以重）：次要。其中以乙烷和丙烷為主。有時有少量的環烷烴和芳香烴。在多數情況下，氣體中烴類化合物含量與其分子量成反比關系。根據烴類天然氣中輕烴氣和重烴氣含量，常將其分兩類：干氣：CH4>95%，C2+<5%，貧氣。濕氣：CH4<95%，C2+>5%，富氣。典型濕、干氣烴類組成天然氣組成（體積%）資料來源CH4C2H6C3H8C4H10＞C5H12非烴典型濕氣典型干氣84.696.06.42.05.30.62.60.31.11.1Heron（1964）一般純天燃氣的可燃成分以甲烷為主，還含有少量的二氧化碳、硫化氫、氮和微量的氦、氖、氬等氣體。氣藏氣中常見的非烴氣有：N2、CO2、H2S、H2、CO、Hg蒸氣，有時還含有少量有機硫、氧、氮化合物。非烴類組成：非烴氣的含量一般小于10%，但亦有少量非烴氣的含量超過10%，極少數是以非烴氣為主的氣藏，如N2氣藏，CO2氣藏、H2S氣藏。另外，還有痕量到微量的稀有氣體，如：氦、氖、氪、氬、氙、氡等惰性氣體，它們在沉積圈中含量較低，不能單獨形成氣藏。3天然氣的基本物理性質天然氣一般為無色，可有汽油味或硫化氫味，可燃，由于其化學性質組成變化大，致使物理性質變化甚大。分子大小：石油、天然氣的各種化合物分子長度天然氣化合物的分子的長度和有效直徑比石油化合物分子的長度和有效直徑一般要小，有利于運移。表觀分子量Mg：天然氣中各種化合物平均分子量，按下式計算：式中，Yi、Mi分別是第i種化合物的摩爾分數和分子量。密度和相對密度密度（g）：在地表一般0.70.75kg/m3；在地下可達150250kg/m3，凝析氣可達225450kg/m3。相對密度（rg）：在標準狀況下，單位體積天然氣與同體積空氣的質量之比。一般在0.561.0之間。相對密度一般隨重烴、非烴氣體含量的增加而增大。溶解性：天然氣溶解度：單位體積的溶劑溶解天然氣的體積。在相同條件下，易溶于石油，難溶于水。CH4—0.3m3/m3油，0.033m3/m在水中溶解度：各種化合物的溶解度是不同的，與溫度和水中其他溶質濃度含量有關（T、P、含鹽度、氣體組分）。當水中溶解有二氧化碳時，烴類氣體溶解度會增加。在石油中溶解度：在相同條件下，烴類天然氣在石油中溶解度（或溶解系數）大大高于在水中溶解度（溶解系數）。油中的溶解度—壓力、天然氣組成、石油性質有關，一方面較重烴氣溶解度較大，另一方面輕餾分較重餾分有更大的溶解天然氣能力。粘度（）：指氣體內部相對運動時，氣體分子內摩擦力所產生的阻力。影響因素：在較低壓力下（小于30大氣壓），隨分子量增加而減小，隨溫度和壓力增高而增大；在高溫高壓下：與液態烴變化一致。蒸氣壓力：飽和蒸氣壓力：氣體液化時所需施加的壓力。影響因素：隨溫度升高而增大；同溫度下，烴分子量越小，其蒸汽壓力越大。吸附作用：天然氣被巖石吸附的現象。單位質量巖石吸附天然氣量大小與巖石類型和天然氣化合物類型以及壓力溫度等有關。常溫下巖石對氣態烴吸附值熱值天然氣中烴類的熱值（據美國天然氣工程手冊，1959）烴類熱值（發熱量）kJ/m3(凈值)kJ/kg(凈值)kJ/m3(全值)kJ/kg(全值)甲烷乙烷丙烷丁烷34037.8060937.2587915.42115863.0447541.9645162.1044054.1743368.1537811.4866618.4495537.50125876.3552812.9649371.2047873.3347116.444天然氣的產狀存在相態：游離相、溶解相、吸附相、固態氣水化物分布特征：聚集型、分散型聚集型天然氣：以游離狀態聚集在一起的天然氣。氣藏氣、氣頂氣、凝析氣分散型天然氣：溶解氣（油溶氣、水溶氣）、煤層氣、固態氣水合物（可燃冰）聚集型天然氣①氣藏氣：基本上不與石油伴生，單獨聚集成純氣藏。CH4含量常>95%、重烴氣（C2+）少；可為烴氣（干氣），也可為非烴氣。②氣頂氣：指與石油共存于油氣藏中，呈游離態存在的天然氣。CH4為主，C2+高＞5%濕氣，成因、分布均與石油有關。③凝析氣：當地下溫度、壓力超過臨界條件時，液態烴逆蒸發而形成的氣體，稱為凝析氣。采至地面過程中，隨溫度壓力的降低又逆凝結為輕質油。即凝析油。凝析氣屬于濕氣，形成的凝析氣藏多分布在30004000米凝析油占到一定比例的氣藏叫凝析氣藏。分散型天然氣④煤層氣（礦井瓦斯）煤層中所含的呈吸附或游離狀態的天然氣（瓦斯）；氣體成分以CH4為主，含N2、CO2、H2S。⑤溶解氣：地層條件下，溶于石油或地下水的天然氣。油溶氣：油藏中溶解的天然氣。濕氣，C2+高，可達40%。水溶氣：溶于水中的天然氣。（CH4,N2,C2+氣,CO2少）高壓水溶氣：常出現于異常高壓帶以下的熱水中，含氣量較高；低壓水溶氣：含氣量較低，一般不單獨采取。=6\*GB3⑥固態氣水合物高壓低溫條件下，CH4等氣體分子被封閉凍結在水分子擴大晶格中，形成的固體物。形成條件：氣和水足夠富集低溫：低于27C。若T>27C：就以氣態烴高壓。在冰點附近需十幾atm；在27C附近需能形成固態水合物的烴類氣體：甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷。能形成固態水合物的地區：極地、凍土帶、深海沉積物分布區。與石油產出的關系=1\*GB3①伴生氣位置上伴生氣：氣頂氣、油溶氣和油藏周圍（上、中、下方）的氣。成因上伴生氣：成油過程中形成的各種天然氣。=2\*GB3②非伴生氣位置上非伴生氣：與油藏分布沒有關系。例如：某些氣藏氣。成因上非伴生氣：煤系有機質或未成熟的有機質形成的天然氣。5天然氣的儲運管道壓縮天然氣（CNG）液化天然氣（LNG）天然氣水合物（NGH）目前，世界天然氣產量的75%依賴管線輸送，25%靠LNG運輸。液化天然氣（LNG）：氣田開采出來的天然氣經脫水、脫酸性氣體和脫重烴類，然后壓縮、冷卻，在-163度下液化成LNG。其主要成分為甲烷，用專用船或油罐車運輸，使用時重新氣化。液化天然氣（LNG）的特點：LNG在大氣壓下，液化溫度為-163°LNG無色、無味、無毒且無腐蝕性；LNG的體積約為同量氣態天然氣體積的1/600；LNG的重量僅為同體積水的45%左右；LNG的體積能量密度為汽油的72%；LNG是一種清潔燃料，排放可以達到歐4標準。液化天然氣（LNG）具有高熱值、低比重、超低溫三大特點，是一種清潔、高效、廉價、理想的綠色新能源。第二節天然氣的開采全球天然氣儲藏量的50%以上集中在俄羅斯、伊朗和卡塔爾等中東地區國家。1天然氣勘探天然氣勘探方式與石油勘探相似，尋找油藏與油層試鉆的技術基本上可用于勘探天然氣，對天然氣勘探評價的內容與方法也基本與石油相同。2采氣：把天然氣從地層采出的全部工藝過程簡稱采氣工藝。采氣工藝與自噴采油法基本相似，都是在探明的油氣田上鉆井，并誘導氣流，使氣體靠自身能量（源于地層壓力）由井內自噴至井口。排液采氣—柱塞排液采氣：柱塞排液采氣工藝是一種利用投放在井筒油管內的柱塞的上下運動來排除和防止井筒積液的間歇氣舉排液采氣工藝。3我國天然氣開采利用情況1821年開發的四川富順縣自流井氣田是世界上最早的天然氣田。第三節天然氣化工石油是多鏈碳烷烴，在加工時是將高碳烷烴裂解成低碳烷烴和烯烴。天然氣是以甲烷為主，其化學加工是將1個碳的甲烷轉化成2個或3個碳及以上烷烴和烯烴。石油加工是拆房子，而天然氣化工是建房子。天然氣在作為化工原料時主要是用于生產合成氨和甲醇。天然氣化學轉化主要有兩個途徑：直接化學轉化：如氧化偶聯、選擇性氧化等可制成烯烴、甲醇等化工產品。間接化學轉化：用天然氣先制造合成氣（一氧化碳和氫氣），再由合成氣出發經過不同的化學過程制取液態烴、合成氨、甲醇等化學品。天然氣轉化合成甲醇，合成甲醇的制備原理：用天然氣作原料合成甲醇的主要反應CO+2H2CH3OHH=–102.5kJ/molCO2+3H2CH3OH+H2OH=–49.5kJ/mol由熱力學原理知，增加壓力、降低溫度對合成甲醇有利。第一反應最重要，原料配比H2/CO比值很重要。天然氣制合成氨天然氣制甲醇天然氣制合成油天然氣制二甲醚天然氣經甲醇制烯烴天然氣氧化偶聯制烯烴天然氣制芳烴第四節煤層氣的利用煤層氣（CBM）：煤層氣是在煤礦層及其鄰近巖層中與煤伴生的以分子吸附狀態賦存于煤基質表面上的一種可燃氣體，其主要成分（常占90%以上）是甲烷（CH4），俗稱“瓦斯”。一方面，俗稱瓦斯的煤層氣是造成煤礦瓦斯爆炸、煤巖體突出的災害性氣體和引起全球氣候變暖的強烈溫室性氣體；另一方面，它也是一種潔凈的新能源。在熱值上，煤層氣與常規天然氣相當，發熱量在8000大卡/m3以上，每1000m3第五節天然氣適用技術天然氣發電天然氣燃料電池天然氣汽車天然氣空調第六節中國的天然氣市場展望我國天然氣資源分布：總的格局：西多東少、北多南少我國天然氣市場七大“動脈”中國進口的第一船液化天然氣：2006年05月26日首艘裝載著6萬噸液化天然氣的NORTHWESTSEAEAGLE抵深圳大鵬接收站碼頭。第七節天然氣水合物—21世紀的新能源1天然氣水合物：籠形包合物、可燃冰、氣冰、固體瓦斯、固體天然氣天然氣水合物是由天然氣與水在高壓低溫條件下結晶形成的固態籠狀化合物。純凈的天然氣水合物呈白色，形似冰雪，可以像固體酒精一樣直接被點燃。1立方米天然氣水合物可釋放出164立方米甲烷氣體，是一種能量密度高、分布廣的能源礦產。2天然氣水合物的存在及生成環境地球上大約有27%的陸地是可以形成天然氣水合物的潛在地區。海洋大陸架是天然氣水合物形成的最佳場所，海洋總面積的90%具有形成氣水合物的溫壓條件。已發現的天然氣水合物主要存在于北極地區的永久凍土區和世界范圍內的海底、陸坡、陸基及海溝中。3天然氣水合物的物理性質顏色：天然氣水合物多呈白色、淡黃色、琥珀色、暗褐色等。存在狀態：軸狀、層狀、小針狀結晶體或分散狀。存在方式：①占據大的巖石粒間孔隙；②以球粒狀散布于細粒巖石中；③以固體形式填充在裂縫中；④大塊固態水合物伴隨少量沉積物。密度：0.912g/cm3，小于冰的密度0.916g/cm3。4天然氣水合物的結晶結構水合物的籠形包合物結構，1936年前蘇聯科學院院士尼基丁提出，天然氣水合物的結晶格架主要由水分子所構成，在不同的低溫高壓條件下水分子結晶形成不同類型的多面籠形結構。水合物的分子式表示為：MnH2O，M表示甲烷等氣體，n為水分子數。天然氣水合物結構類型：3種，即I型、II型和H型。I型：I型氣水合物為立方晶體結構，僅能容納甲烷（C1）、乙烷這兩種小分子的烴以及N2、CO2、H2S等非烴分子。II型：II型氣水合物為菱型晶體結構，除包容甲烷、乙烷等小分子外，較大的“籠子”（水合物晶體中水分子間的空穴）還可容納丙烷（C3）及異丁烷（i-C4）等烴類。H型：H型氣水合物為六方晶體結構，除能容納n型結構水合物所能容納的烴類分子外，其大的“籠子”其至可以容納直徑超過異丁烷（i-C4）的分子，如異戊烷（i-C5）和其他直徑在0.750.86納米之間的分子.氣水化合物分子中，氣體分子是較小的分子（異丁烷和丙烷及其以小），水分子數與氣體化合物分子數是變化的，較小的氣體分子與較少的水分子結合。但是，更大的分子（丁烷以上）則不能與水分子結合。5天然氣水合物的研究歷史2007年5月1日，我國在南海北部成功鉆獲天然氣水合物實物樣品“可燃冰”，從而成為繼美國、日本、印度之后第4個成功鉆獲“可燃冰”的國家。6天然氣水合物的形成條件天然氣水合物的形成有3個基本條件，缺一不可。地底要有氣源；溫度不能太高；壓力要足夠大。0C時，7水合物中的烴類氣體天然氣各成分水合物的臨界生成溫度成分CH4C2H6C3H8i-C4H10n-C4H10CO2H2S水合物臨界生成溫度/°C47.014.55.52.51.010.029.08天然氣水合物生成的抑制法降低壓力保持一定溫度減少天然氣水含量天然氣水合物抑制劑醇：與水完全互溶，將天然氣水合物控制在結晶析出階段。表面活性劑：通過吸附，將天然氣水合物控制在結晶的長大階段。聚合物：天然氣水合物結晶可與聚合物鏈節結合，將天然氣水合物控制在聚并、沉積階段。加入天然氣氣流中以阻止在低溫時形成烴類水合物的一種化學藥劑。可防止管道設備阻塞。常用的有甲醇、乙二醇、二甘醇及三甘醇等。9天然氣水合物的勘探和開采天然氣水合物勘探方法：地震勘探方法；地球物理測井法；鉆井取芯天然氣水合物的開采方法主要有3類：熱激發法：主要是將蒸氣、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入水合物地層。化學試劑法：某些化學試劑，諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學試劑可以改變水合物形成的相平衡條件，降低水合物穩定溫度。當將上述化學試劑從井孔泵入后，就會引起水合物的分解。減壓法：通過降低壓力而引起天然氣水合物穩定的相平衡曲線的移動，從而達到促使水合物分解的目的。天然氣水合物開發的最大技術難點：保證井底穩定，使甲烷氣不泄漏、不引發溫室效應。10天然氣水合物與百慕大三角之迷百慕大三角這個神秘的漩渦地帶是因為有天然氣水合物從海底釋放造成的，那里的海面總是有不斷噴涌而出的甲烷氣泡。

第五章太陽能太陽能簡介太陽能的光熱利用太陽能的光電利用太陽能電池太陽能光化學利用太陽能空間電站太陽能的儲存與輸送太陽能在我國的應用第一節太陽能簡介1太陽與太陽輻射太陽能是太陽內部連續不斷的氫核聚變反應過程產生的能量。2太陽能利用的特點儲量的無限性存在的普遍性利用的清潔性利用的經濟性從利用角度來看，太陽能有兩個主要缺點：能流密度低；其強度受各種因素（季節、地點、氣候等）的影響而不能維持常量。3中國的太陽能資源4太陽能利用所涉及的技術問題太陽能利用涉及具有共性的技術主要有四項：太陽能采集、太陽能轉換、太陽能貯存、太陽能傳輸5太陽能的利用途徑：太陽能的光熱利用、太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。太陽能轉變為熱能和電能：太陽能熱利用；太陽能光發電。第二節太陽能的光熱利用太陽能的光熱利用就是利用太陽集熱器將太陽光輻射轉化成流體中的熱能，并將加熱流體輸送出去利用。太陽能的光熱利用主要有以下方面：太陽能熱水系統太陽能熱發電太陽能空調制冷太陽房太陽灶太陽能干燥1太陽能集熱器吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱工質的裝置。按采光方式，太陽能集熱器可分為：=1\*GB3①非聚光型集熱器；=2\*GB3②聚光型集熱器非聚光型集熱器：平板集熱器、真空管集熱器聚光型集熱器：拋物面槽式集熱器、拋物面碟式集熱器、集中接收系統2太陽能熱水系統太陽能熱水系統主要元件：集熱器、儲存裝置、循環管路。按流體流動方式分：太陽能熱水系統分為：循環式、直流式、悶曬式。按形成水循環的動力不同分：自然循環式、強制循環式。3太陽能熱發電太陽能熱發電是利用聚光集熱器把太陽能聚集起來，將水加熱，使產生的蒸汽去驅動汽輪發電機組。將太陽能轉換成熱能再轉換成電能進行發電。發電方式：光—熱—電轉換方式太陽能熱發電站的組成：集熱系統、輸熱系統、儲熱系統、熱交換系統、汽輪發電機太陽能熱發電的形式：槽式太陽能熱發電、塔式太陽能熱發電、碟式太陽能熱發電。4太陽能制冷與空調技術太陽能制冷原理直接以熱能為驅動能源：主要有吸收式制冷、吸附式制冷和噴射式制冷等。以太陽能產生的機械能為驅動能源：主要有壓縮式制冷、光電式制冷和熱電制冷等。5太陽房被動式太陽能系統：利用建筑構件本身吸收太陽能，而不用設備。主動式太陽能系統：需要附加的太陽能集熱器、熱能儲存裝置、熱交換器及能量供給裝置。6其他太陽能熱利用技術：太陽灶；太陽能干燥第三節太陽能的光電利用—太陽能電池1太陽能電池簡介1954年，美國貝爾電話公司研制成的硅電池，效率太低：4%，幾個月后6%；2太陽能電池發電原理：基于光伏效應由太陽光與材料相互作用而產生電勢。3太陽能電池=1\*GB3①硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、非晶硅薄膜太陽能電池單晶硅太陽能電池由線鋸切割單晶硅錠制備硅片，規模生產時的光電轉換效率為：1520%。單晶硅成本價格高。單晶硅片的制備要經過如下過程：石英砂冶金級硅提純和精煉沉積多晶硅錠單晶硅硅片切割。多晶硅太陽能電池多晶硅是以熔融的硅鑄造固化制成，制程簡單，成本較單晶硅低。工業規模生產的光電轉換效率15%。非晶硅太陽能電池非晶硅材料的光吸收效率是單晶硅的40倍。非晶硅太陽電池主要應用于功率輸出較小的各種消費性電子產品上，如手表、計算器等。光電轉換效率6%=2\*GB3②多元化合物薄膜太陽能電池砷化鎵太陽能電池：GaAs化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強，對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。砷化鎵（GaAs）III-V化合物電池的轉換效率較晶體硅電池高，可達25%30%；航天用太陽能電池一般在18%19.5%。銅銦硒太陽能電池：銅銦硒薄膜電池適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。CIS（CuInSe2）轉換效率高，制作復雜，生產困難，生產過程中存在劇毒氣體硒化氫。CIS原型電池轉換效率高達13%，實驗室最高轉換效率是18.4%。碲化鎘太陽能電池：商品CdTe電池模板的光電轉換效率為7%，與非晶硅（a-Si）電池轉換效率相近。可以低制造成本生產高效模板，光電轉換效率最高可達16.5%。有機太陽能電池：以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。納米晶太陽能電池：納米TiO2晶體化學能太陽能電池是新近發展的，優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/51/10。太陽能電池技術比較種類材料太陽能單電池效率太陽能電池模塊效率優點缺點硅系太陽能電池單晶硅15~24%13~20%效率最高技術成熟工藝繁瑣成本高多晶硅10~20%10~15%無效率衰退問題成本遠低于單晶硅效率低于單晶硅非晶硅8~13%5~10%成本較低轉化效率較高穩定性不高多元化合物薄膜太陽能電池砷化鎵19~32%23~30%效率較高成本較單晶硅低易于規模生產原材料鎘有毒碲化鎘10~15%7~10%銅銦硒10~12%8~10%價格低廉、性能良好、工藝簡單原材料來源比較有限納米晶化學太陽能電池8~11%~8%成本低廉、工藝簡單、性能穩定聚合物多層修飾電極型太陽能電池3~5.9%易制作、材料廣泛、成本低壽命短4光伏電池新技術5太陽能光伏電池的發展趨勢第一代光伏電池：基于硅晶體的光伏電池技術成熟典型光電轉換效率：1015%壽命>20yrsachieved電池價格的40%是硅的價格第二代光伏電池：基于薄膜技術：在襯底上沉積光伏電池活性物質第三代光伏電池：非硅系第四代光伏電池：第四代光伏電池將從生物衍生。第四節太陽能光化學利用利用光化學反應可以將太陽能轉換為化學能。主要有3種方法：光合作用；光化學作用-光解水制氫；光電轉換-電解水制氫1光合作用葉綠素吸收光能通過一系列的化學反應將二氧化碳和水轉化成碳水化合物、同時把光能轉化為化學能（ATP、NADPH）的過程。光合作用包括兩個主要步驟：=1\*GB3①光反應：光能→化學能。光反應發生在類囊體膜上，是將光能轉化為化學能的過程。=2\*GB3②暗發應：暗反應發生在葉綠體的基質中，是植物固定二氧化碳生產葡萄糖的過程。光合產物－淀粉是在基質中形成和貯存起來的。2光化學作用—光解水制氫水解反應方程式為：H=-285.85kJ/mol。光催化分解水制氫以半導體為催化劑的光電化學分解水制氫以金屬配合物模擬光合作用的光解水制氫=1\*GB3①半導體催化光解水制氫TiO2光催化分解水反應陰極：2H++2e-H2陽極：（TiO2）2e-+2P（空穴）H2O+2P+2H++?O2總反應：=2\*GB3②配合物模擬光合作用的光解水制氫模擬光合作用的吸光、電荷轉移、儲能和氧化還原反應等。3光電轉換—電解水制氫利用太陽能轉化成電能用于制氫目前主要有兩種方式：太陽能電池轉換的電能電解水制氫將半導體電極直接注入水中電解制氫第五節太陽能空間電站研制一種太陽能動力衛星，并把它發送到距地面3.5萬多公里的高空，且與地球同步的軌道上（在這一軌道上，衛星繞地球飛行一圈的時間，正好與地球自轉一周的時間相同），這樣就可以用它把太陽能直接引到地球上。第六節太陽能的儲存與輸送除太陽能電池外，使用比較普遍的儲存太陽能的方法是，先將太陽能變成熱能，然后再將熱能儲存在密封、隔熱的水池中，以供需要時使用。

第六章氫能氫能的特點氫的制取氫的存儲與運輸氫的利用第一節氫能的特點氫只是能量的一種儲存形式，是能源載體，不是能源。氫同位素有：1H氕（氫），原子核內有1個質子，無中子，（99.98%）；2H氘（重氫）（D），質量數為2，原子核中有一個質子和一個中子，（0.02%）；3H氚（超重氫）（T），原子核由一個質子和兩個中子組成，質量數為3，（0.1ppm）。存在：自然界中主要以化合態形式存在，其中以水和碳氫化合物為主。常溫常壓下為氣態，在超低溫高壓下又可成為液態。氫氣在通常狀況下為無色、無氣味的氣體，在標準狀態下，氫氣的密度為0.0899g/l，是最輕的氣體（密度最小）；分子晶體，熔沸點很低；在-252.7C時，可成為無色液體，101Kpa，相圖：相圖是表示物質所處的平衡狀態（固態、液態、氣態）與溫度和壓力的關系圖。氫的相圖參數氫沸點[K]20.3熔點[K]14.01三相點：溫度[K]壓力[kPa]13.87.2臨界點：溫度[K]壓力[MPa]密度[kg/m3]33.251.29731.41千帕(kPa)=0.0098大氣壓(atm)氫同位素沸點和三相點：種類沸點（K）三相點（K）氫氣（H2）20.3813.95氘氣（D2）23.6718.73氚氣（T2）25.0420.26特點氫比較重量熱值（LHV）（MJ/kg）120汽油44.5，天然氣50體積熱值（STP）（MJ/m3）10.7天然氣39體積熱值（液態）（MJ/litre）8.24天然氣30.96沸點（°C）-252.7天然氣-162除核燃料外，氫的發熱值高，是汽油發熱值的3倍，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。氫的燃燒性能：氫燃燒性能好，點燃快，與空氣混合時，可燃范圍寬，著火能低，燃燒速度快。氫氣在空氣中的可燃極限是4-75%（體積比）。氫氣在空氣中的爆炸極限是18.2-58.9%（體積比）。輻射熱低，著火能低。燃料性能性能氫H2甲烷CH4甲醇CH3OH汽油沸點(°C)-253-16265widerange25°CGasGasLiquidLiquid重量熱值 LHV(MJ/kg) HHV(MJ/kg)1201424853202342-4444-46體積熱值 LHV(MJ/Nm3) HHV(MJ/Nm3)1113353915,70018,100~32,000~33,000可燃極限(vol%inair)4-755.3-156-36.51.4-7.6爆炸極限(vol%inair)18.2-58.95.7-146.7-361.4-3分子擴散系數(cm2/sec)inair0.610.160.130.05空氣中自燃溫度(°C)571632470220液體密度(g/liter)77425792720-780第二節氫的制取氫的制取是將甲烷等化合物通過蒸汽重整分離出其中的氫，或者將水中的氫通過電解或熱化學分解出來。1實驗室中制備氫氣實驗室中制備氫氣主要包括金屬（金屬氫化物）與水/酸的反應：2氫氣的工業生產方法1）水煤氣法制氫以煤為原料制氫的方法主要有煤的焦化和氣化。煤的焦化是在隔絕空氣的條件下于9001000過熱水蒸氣在高于1000將水煤氣和水蒸氣一起通過裝填有氧化鐵鈷催化劑的變換爐（400600C），可將CO轉換成H2和CO2）天然氣制氫天然氣或裂解石油氣制氫甲烷蒸汽重整（天然氣重整）：?H=+205.8kJ/mol變換反應：?H=-41.2kJ/mol大規模的甲烷制氫裝置已商業化，效率高達80-85%。小規模的甲烷蒸汽重整還未商業化，效率為50-60%。甲烷部分氧化/自熱重整甲烷部分氧化生產合成氣CO和H2混合物：CH4+?O2CO+2H2ΔH=-36kJ/mol上述反應與甲烷完全氧化反應相競爭：CH4+2O2CO2