化学和与人类生活(柳一鸣)第三章化学和与能源第一节概述第二节常规能源.pdf
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1、化学与能源化学与能源第一节概述第二节常规能源第三节新能源 第四节未来能源的发展能第一节概述能源简史二.世界能源现状三.我国能源现状第一节概述学与能源能源与人类社会能源是人类赖以生存的基础,特别是 在全球经济高速发展的今天,国际能源安 全已上升到了国家的高度。在人类享受能 源带来的经济发展、科技进步等利益时,也无法避免地遇到能源安全、资源争夺以 及过度使用能源造成的环境污染等问题,这严重地威胁着人类的生存与发展。因此,能源问题已成为全人类共同关心的热点问 题。年第一节概述:学.:鼠 能源的定义关于能源的定义,目前约有20种之多。大英百科全书“能源是一个包括着所 有燃料、流水、阳光和风的术语,人类
2、用适当 的转换手段便可让它为自己提供所需的能量”能源百科全书“能源是可以直接或经 转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式 能量的载能体资源。”可见,能源是一种呈多 种形式的,且可以相互转换的能量的源泉。.第一节概述学与能源能源的分类能源品种繁多,可从不同角度对其进行分类。表31能源的分类依据类别定义来源地球外部大体的能源 地球自身蕴藏的能量 地球和其他天体相互作用产生的能量利用常规能源状况新能源能源一次能源转换二次能源性质再生不可再生已被利用多年,目前还在大规模利用的能源现今才开始被人类利用,或过去已有利用,现在又有新的利用方式的能源自然界直接取得的天然能源将一次能源加工转换成另一种形式的能
3、源使用后仍可再生或更新的能源开采消耗后短期无法恢复的能淞主要能源 太阳能 地热能、核能 潮汐能、波浪能 屎、石油、天然气、水能、风能 核能、地热、海洋 临、太阳能等 煤、石油、水能 汽油、焦炭、蒸汽、电力、燃气 水能、生物能、太 阳能、风能等 原、石油、天然气7BJTgJ,/1:6八 L 二/I 一、八户与忆JL子阮第一节概述 一.能源简史 一:根据各个历史阶段所使用的主要能源,可以 分为柴草时期、煤炭时期、石油时期和新能源时i-L 1Izyj。1柴草时期18世纪初叶,即资本主义发展的初期以前为柴草时期。这时人类是以树枝、杂草等当燃料,用于熟食和取暖,而生产活动主要靠人力、畜力以及一些简单的水
4、力和风力机械作动力。这段漫 长的时期,人类社会的生产和生活处于很低的水、微照理_L子阮仙子乜JL宁阮田2.煤炭时期与:能 源从18世纪下半叶产业革命导致了工业大发 展,逐步扩大的煤炭利用促进了煤炭工业的大发展,使煤炭代替了薪柴成为生产生活的主要 燃料;燃煤蒸汽机成为生产的主要动力;煤炭转换成电力进入社会各个领域,成为生产和生 活的重要能源之一,电力的应用从根本上改变了人类社会的面貌。3.石油时期能 源:二19世纪中叶,石油资源的发现,开拓了能源 利用的新时代。石油和天然气以热值高、输送方 便、清洁和廉价等优点,逐步在工业发达国家中 替代了煤炭。随后,世界石油和天然气的消费量 超过了煤炭成为世界
5、能源供应的主力。1973年出 现的石油危机,促使人类对能源的开发利用开始 向比较丰富的煤炭、核能以及太阳能和其它再生 能源改变,以更好地解决人类下一世纪的能源需Q艰 4.新能源时期学与能源从20世纪中后期起,由于人类无节制地使 用化石燃料对现代的社会质量和全球的持续发 展造成了严重的影响,这促使人们对绿色、环 保、高效和稳定的新能源的探索。新能源和可 再生能源发展不可避免地应运而生。可再生能 源体系中的太阳能、风能、水能等都可以转化 为电能,但其具有非连续性供应的弱点,如日 有昼夜和阴晴之别,风有大小、有无之时,水 有枯、丰的季节变化等,且不能储存和运输。所以必须寻求一种适应这些能源的载能体,
6、即既可储存又可运输,并像汽油一样便于用户 使用的载能体。现已公认氢能系统可以最好地满足这类要求,根据最简单的水和氢之间的良性循环提出的氢能与太阳能结合成太阳能一氢能体系是最理想的可再生能源体系,可实现人 类能源问题的根本解决。学与-能一源二世界能源现状能源资源的储存目前,化石能源仍是世界的主要能源,在世 界一次能源供应中约占84%,其中,石油占40%、煤炭占21%、天然气占23%。非化石能源和可再 生能源虽然增长很快,但仍保持较低的比例。能源消费结构与 能 源能源的生产和消费oogoogoooooooooooooo 103009590858075706560 111脂官门ImAf,理聪器200
7、7年世界煤炭、石油、天然气探明可采储量 分别为847 4.88亿吨、1684.02亿吨、17 7.36X1012 立方米。若按现在的开采规模,煤炭、石油、天然 气分别可以开采298年、42年、66年。煤炭、石油、天然气在全球分布极不均匀。但全球能源生产和消 费大体保持平衡状态。匕.1.,.Ji.自19世纪70年代的产业革命以来,化石燃料的 消费量急剧增长。初期主要是以煤炭为主,进入20 世纪以后,特别是第二次世界大战以来,石油和天 然气的生产与消费持续上升。两次石油危机后,石 油、煤炭所占比例缓慢下降,天然气的比例上升。同时,核能、风能、水力、地热等其它形式的新能 源逐渐被开发和利用,形成了目
8、前以化石燃料为主 和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。世界各国能源结构特点学与能源煤炭资源丰富的发展中国家,在能源消费中往 往以煤为主,煤炭消费比重较大,其中南非为 7 7.8%,中国7 2.9%,波兰68.1%,印度56.8%,澳 大利亚44.5%,美国24.9%。发达国家石油在消费 结构中所占比重均在35%以上,其中美国39.7%,日本51.1%,德国40.6%,法国37.9,意大利58.4%,澳大利亚36.6%o学:能:;:源三三天然气资源丰富的国家,天然气在消费结构 中所占比例均在35%以上,其中俄罗斯55.6%,伊 朗43.8%,沙特41.2%,英国35.1%。化石能源缺乏 的国
9、家根据自身特点发展核电及水电,其中日本 核能在能源消费结构中所占比例为16.8%,法国核 能占40.1%,韩国核能占13.8%,乌克兰核能占 13.8%,加拿大水力占13.0%,巴西水力占19.8%。英国35.4%,加拿大37.9%o三.我国能源现状学与(能能源资源状况和特点源目前,我国已经成为世界第二大能源生产国,从能源资源的总体看,其特点可概括为:总量较丰,人均较低,分布不均,开发较难。具体说来:1998 2002 2010我国能源消耗比例我国能源结构叵L总量比较丰富学:;:;:;:;:;:;:;:;:;:;:;:二:二:;:;:;:;:二:二:二:;:;:;:;:;:;:;:;:;:;:
10、二:二:二:;:二:二:一卜.育良.,.:,.,.一窥;I:;:;:;:;:;:化石能源和可再生能源资源较为丰富。其中,煤炭占主导地位。2006年,煤炭保有资源量10345 亿吨,剩余探明可采储量约占世界的13%,列世界 第三位。油页岩、煤层气等非常规化石能源储量 潜力比较大。水力资源理论蕴藏量折合年发电量 为6.19万亿千瓦时,经济可开发年发电量约1.7 6 万亿千瓦时,相当于世界水力资源量的12%,列世I J I r、tJnt At/I I f/c)h7我国能源结构痼2.人均拥有量较低学与(能源:煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均 水平的50%,石油、天然气人均资源量仅相当世界 平均水
11、平的1/15左右。耕地资源不足世界人均水 平的30%,生物质能源开发受到制约。表34我国能源储备情况3_能源 类型有量 保储采量 可储国际 排位占世界总 量(%)我国人均 占有量世界人均 占有量与世界比 例(%)采限可年煤炭1 万亿吨1886 亿 吨39.3L45吨1350 吨10100石油102 亿吨22.20 亿 吨111.82.6247.810-20天然气47.23 万亿4.35 万 亿nf141.31552 mJ25866 mJ610-20水电5.41 亿千瓦4.02 亿 千瓦110.8309瓦620瓦50旗3.赋存分布不均煤炭资源主要赋存在华北、西北地区(我国煤 炭资源保有量的76%
12、分布在山西、内蒙古、陕西、新疆等北部地区),水力资源主要分布在西南地区(80%的水能资源分布在四川、云南、西藏等西南 部地区),石油、天然气资源主要赋存在东、中、西部地区和海域,陆地风能主要集中在东北、华北 北部、西北等“三北”地区。而2/3以上的能源需 求集中在中东部地区,资源赋存与能源消费地域存 在明显差别。二爰叁明整整整整一注注/注4.开发难度较大学 与 能 源与世界能源资源开发条件相比,中国煤炭 资源地质开采条件较差,大部分储量需要井 工开采,极少量可供露天开采。石油天然气 资源地质条件复杂,埋藏深,勘探开发技术 要求较高。未开发的水力资源多集中在西南 部的高山深谷,远离负荷中心,开发
13、难度和 成本较大。非常规能源资源勘探程度低,经 济性较差。二三从总体上说来,我国能源资源具有资源约束(总量比重小,约为世界的10%,人均水平低,约 为世界的10%,优质资源匮乏)和效力约束(能源 利用技术落后,能源利用率低,总能源效率为世 界的32%,低于平均水平10个百分点)的特点。另 外,虽然我们目前人均消费量低,但我国具有十 四亿人口,总量需求大,并且随着工业化和城镇 化建设的推进,人民生活水平的提高,对能源的 需求会越来越大。学与能源我国能源工业的发展改革开放以来,中国经济快速增长,社会事业 全面进步,人民生活水平持续提高,能源需求不 断增加,能源工业快速发展。在开源和节约并举、节约优
14、先的方针指导下,能源工业一方面降低消 耗,一方面增加生产,基本满足了国民经济又好 又快发展的需要,取得了举世瞩目的成绩。突出 1-工 rn,衣叽力:.供给能力明显提高.J J 2006年,一次能源生产总量22.1亿吨标准煤(世 界第二位)。其中原煤产量23.7亿吨(第一)。原 油产量1.85亿吨(第六)。电力发展迅速,全国发 电装机容量突破6亿千瓦,发电量达到2.87万亿千瓦 时(第二)。可再生能源发展迅速。水电装机容量 达到1.3亿千瓦(第一);太阳能热水器集热面积 9500万平方米(占一半以上);核发电装机近685万 千瓦;年产沼气约100亿立方米,已拥有户用沼气池 2200多万口。已经初
15、步形成了煤炭为主体、电力为 中心、石油天然气和可再生能源全面发展的能源供 应格局,基本建立了较为完善的能源供应体系。侬2.能源节约效果显著学与能源1980-2006年,中国能源消费以年均5.6%的增长支撑了国民经济年均9.8%的增 长。按2005年不变价格,万元国内生产总 值能源消耗年均节能率为3.9%o特别是近年来,扭转了单位国内生产总值能源消耗 上升的势头。2006年,万元国内生产总值 能耗实现2003年以来的首次下降。能源综 合效率为33%,比1980年提高了8个百分点,单位产品能耗也明显下降,与国际先进水 平的差距不断缩小。照3.环境保护取得积极进展:与三 能 源:二中国政府高度重视环
16、境保护,加强 环境保护已经成为基本国策,社会各 界的环保意识普遍提高。中国政府通 过综合运用法律、经济等手段全面加 强环境保护,已经取得了积极进展。能源消费结构有所优化,优质清洁能 源比重有所上升,能源效率得到提 广|口O OT 与此同时,能源科技水平也得以迅速提高,为能源工业发展提供了重要支撑。能源发展的市场环 境也正在逐步完善,各项改革稳步推进,立法步伐 明显加快。但我国能源在加快发展过程中,也存在 一些突出问题。如资源约束比较明显,能源效率偏 低,能源结构不够合理,环境压力加大、市场体系 不够完善、安全应急体系不够健全等。但我国政府 清醒地认识到,目前能源发展中存在的问题是发展 中的问题
17、,前进中的问题,我国有信心、有能力解 决好这些问题。能第二节常规能源一、煤、石油三、天然气当今世界上最重要的常规能源煤、石油、天然气,是化石燃料(又叫矿物燃 料),是能源的主力。化石燃料是埋藏在 地下的动植物经过几百万年才形成的,埋 藏于底下的动植物尸体通过光合作用贮存 了太阳的能量,燃烧时又以能量的形式释TtA/LL4 Vpl/JX I I I o19世纪以后,随着蒸汽机的普遍使用,煤炭成为世界的主要能源。和和天然气迅速兴起,然是世界的普遍趋势。石油危机相继发生后,自20世纪中期以来,石油 石油和天然气取代煤碳虽 但是,在70年代两次世界 煤炭又可能作为代替石油的重要能源,重居世界能源的主要
18、地位,因而近年国际能源界把煤炭称为“通向世界未来的桥木 O与 .世界上的煤炭资源主要分布在北半球,以 亚洲和北美洲最为丰富,分别占全球地质储量 的58%和30%,欧洲仅占8%。2007年已探明的煤 炭可开采储量在全球位于前十位的国家见表3-5,其储量总和占世界的91.4%。能源.表36世界前十位煤炭储藏国煤炭储量 单位:亿吨,I;匕回;+旧次忆:+;总计 占世武比,储采比/年美国1122.611304 602427.2128.6234俄联邦490.881079.221570.1018.5500.中国622.00523.001145.0013.545澳大利亚371.00395.00766.009
19、.0194.印度522.4042.58564.986.7118:南非.乌克兰480.00153.51185.22480 00338.735.74.0178444哈限克斯坦281.7031.30313.003.7332波兰60.1214.9075.020.951德国1.5265.5667.080.833写;I:;=;:;=:;;:;:;2005年世界煤炭消费增长是过去10年平均增 长的两倍,煤炭再次超过天然气成为需求增长最 快的能源。据世界煤炭协会预测,到2030年全球 煤炭产量将提高到70多亿t(动力煤约达到52亿t,焦煤约6亿t,褐煤约12亿t);此间动力煤、褐煤 和钢铁生产用焦煤将分别以每
20、年1.5%、1%和0.9%的速度增长。与I:;:煤炭产量和消费量最大的地区为亚太地区,分 别占全球总量的59%和59.7%。2007年世界前六大煤 炭生产国所占世界份额分别为中国41.1%、美国 18.7%、澳大利亚6.9%、印度5.8%、南非4.8%、俄 联邦4.7%,其他18.0%;前六大煤炭消费国煤炭消 费量所占世界份额分别为中国41.3%、美国18.1%、印度6.5%、日本3.9%、南非3.1%、俄联邦3.0%,其 他 24.1%。.,.r 4.一.*.肯匕.源;有人曾说,煤炭可开采190年以上,也有人估计煤炭储量可维持500年。但是,煤矿露 天开采要占用大片土地,而且破坏土地资源和
21、周围环境,煤炭的燃烧产生氮氧化物、二氧化 碳等,造成大气污染。尽管燃煤的热值低于油:气,运输不便,造成污染,但煤炭具有蕴藏量 巨大、价格低廉的优点,因而煤炭在能源结构 中具有与油的竞争的能力。5 第一节煤煤的组成、结构和性质 煤又名煤炭,它是由古代植物在地下隔绝空 气的条件下,经过长期的一系列复杂的化学和生 物变化,形成的一种由有机物和无机物所组成的 复杂的混合物。煤没有单一的分子结构,其式量 在3001000之间,由大量的碳原子环状结构组 成,其主要成分是碳,还含有氢、氧、氮及硫、磷等48种元素(表3-6),故有黑色的金子之称。能:.I:三源三七三三三mm三不三m三三三m三三二mm三三表3J
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