能源利用的历史进程课件.ppt

1、 能源的定义 能源是指能为人类提供热、光、动力等有用能量的物质或物质运动的统称。经济发展和社会进步，能源先行。社会越发展，生产力越高，人类对能源的依赖程度也越高，同时对能源的利用水平也越高。能源利用的广度和深度是衡量一个国家生产力水平的重要标志之一一、能源利用的历史进程一、能源利用的历史进程 能源，为人类文明发展作出重大贡献。人类历史上每次能源技术的重大突破都引发一次生产力的飞跃。人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类社会的发展历史就是一部不断向自然界索取能源的历史。1、柴薪时代、柴薪时代柴薪是人类第一代主体能源。人类学会用火之后，首先用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧煮食和取暖。火还给

2、人类以光亮，使人能在夜间活动。火还可以煅烧矿石、冶炼金属、制造工具。恩格斯在评价火的作用时说：“磨擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物分开。”2、煤炭时代、煤炭时代公元前500年我国古人就发现了“黑石头”（煤），用煤作燃料已有1000多年的历史。17世纪中叶，由于煤炭生产和使用技术日趋成熟，人类能源消费逐步由煤炭代替木炭。煤气灯的使用，蒸汽机的发明，使煤炭一跃成为第二代主体能源，并开创了18世纪的工业文明。以煤炭作燃料的蒸汽机，使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮机作

3、动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源电能。3、石油时代、石油时代公元前250年，中国人就首先发现石油是一种可燃的液体。自1782年瑞士人发明煤油灯到1853年全球普遍使用，石油所发挥的功能几乎全是照明。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发端。19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的内燃机。福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等将人类飞速推进到现代文明时代。石油以及天然气的开采与消费开始大幅度增加，并以每年2亿吨的速度持续增长。虽然经历了多次石油危机，石油价格高涨，但石油的消费量却不见有丝

4、毫减少的趋势。现已成为第三代主体能源。世界进入了“石油时代”。4、核能开发、核能开发在20世纪30年代，人们开始了从原子核获得能量的研究，40年代建成核反应堆，50年代建成核电站，以后核能开发技术日趋成熟。由于受石油危机的影响，核能利用在20世纪80年代发展最快，据统计，1980年至1985年世界核能消费量增长了90%，而前苏联竟然增长了121%。截至2007年12月, 全世界正在运行中的反应堆有439 座, 相比2002年的444座微量下降, 但发电能力稳步上升, 总发电量达到 37117GW, 全世界核电供应已经达到总供电量的16 %, 许多国家达到总供电量的1/ 3。5.天然气天然气的主

5、要成分是甲烷有少量的乙烷和丙烷。是一种优质能源。现已起到越来越重要的作用。另外，水能、风能、太阳能利用等也得到更多的重视。二、能源分类二、能源分类 能源家族成员种类繁多，而且新成员不断加入。只要能为人类利用以获得有用能量的各种来源都可以加入到能源家族中来。能源家族从不同的角度可以划分不同的成员，从其产生的方式以及是否可再利用的角度可分为一次能源和二次能源，可再生能源和不可再生能源；根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染能源和清洁型能源；根据使用的性质又可分为常规能源和新型能源。一次能源中有可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气资源。其中，煤、石油和天然气是当今世界一次能源的三大支柱，

6、构成了全球能源家族结构的基本框架。另外，一次能源小家族中也列入了像太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及核能。二次能源中包括电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光、沼气等。污染型能源包括煤炭、石油等，清洁型能源包括水力、电力、太阳能、风能和核能等。常规能源包括一次能源中的可再生水力资源和不可再生煤炭、石油、天然气等资源，新型能源包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能以及用于核能发电的核燃料等。按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：人类使用的时间大约还有：储量有限的化石燃料储量有限的化石燃料我国一次能源消费

7、总量从我国一次能源消费总量从19781978年的年的5.35.3亿亿吨标准煤，上升到吨标准煤，上升到20022002年的年的14.314.3亿吨标亿吨标煤。在煤。在20042004年年，我国石油消费量达，我国石油消费量达3 3亿吨，亿吨，其中其中进口进口1 1亿吨亿吨，估计到，估计到20202020年年，我国石，我国石油消费量要达油消费量要达4.54.5亿吨亿吨，其中，其中进口量要达进口量要达2.72.7亿吨亿吨，到，到20502050年年，我国石油消费量要，我国石油消费量要达达6 6亿吨，其中亿吨，其中进口量要达进口量要达4 4亿吨亿吨，相当，相当于目前美国的石油进口量。于目前美国的石油进口

8、量。大庆油田大庆油田从从19601960年至年至20022002年累计生产原油年累计生产原油1717多亿吨。多亿吨。2727年稳产在年稳产在50005000万吨万吨/ /年以上。年以上。 1997 1997年最高产量为年最高产量为56005600万吨万吨/ /年年 2002 2002年为年为50135013万吨万吨/ /年年 2003 2003年计划产量年计划产量48304830万吨万吨/ /年年 进入递减开采期。进入递减开采期。 化工报化工报2003-1-18-12003-1-18-1据美国石油业协会估计，在据美国石油业协会估计，在20502050年之年之前，世界经济的发展将越来越多地依前，

9、世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在赖煤炭。其后在22502250到到25002500年之间，年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。一些工业发达国家的天然气也将竭。一些工业发达国家的天然气也将在在20202020年被用完；而发展中国家在年被用完；而发展中国家在20602060年也将会发生天然气短缺。年也将会发生天然气短缺。 太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m1367kw/m2

10、 2。地球赤道的周长为。地球赤道的周长为40000km40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达从而可计算出，地球获得的能量可达1.72(101.72(101717)W)W。也就是说太阳每秒钟照射。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于到地球上的能量就相当于500500万吨煤。万吨煤。德国大学生研发的德国大学生研发的风力推动的自行车风力推动的自行车水能水能（一）对太阳能的间接利用（一）对太阳能的间接利用（1 1）通过光合作用的形式利用太阳能）通过光合作用的形式利用太阳能太阳能的间接利用太阳能的间接利用煤炭煤炭当代工业的粮食当代工业的粮食石油石油当代工业的血液当代工业的血液天然气天然

11、气最清洁的化学能源最清洁的化学能源可燃冰可燃冰未来的新能源未来的新能源生物质能生物质能前景广阔的绿色能源前景广阔的绿色能源（二）太阳辐射能的直接利用（二）太阳辐射能的直接利用与其他能源相比，太阳能具有独特的与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：优点：（1 1）它没有一般煤炭、石油等矿物）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作污染环境，被称作“干净能源干净能源”。（2 2）到处都可以得到太阳能，使用）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。方便、安全。（3 3）成本低廉，可以再生。）成本低廉，可以再生。主要的利用途径是光电转换，即

12、把太阳能直主要的利用途径是光电转换，即把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。达九成以上的可见光。 （1）对可见光的利用）对可见光的利用n 太阳能电池太阳能电池太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在生电子空穴对，在PNPN结上可以产生光电流、光电压结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合

13、适的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。最理想的太阳能电池材料。太阳能电池：太阳能电池：“神舟七号神舟七号”动力之源动力之源 主电源太阳能电池阵为左右两翼帆板组成，每翼分别为主电源太阳能电池阵为左右两翼帆板组成，每翼分别为4 4块太阳能电池板，整船共使用太阳能电池块太阳能电池板，整船共使用太阳能电池1169011690片片n 太阳能电池太阳能电池按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：n硅太阳能电池硅太阳能电池( (单晶硅、多晶硅、非晶硅）单晶硅、多晶硅、非晶硅） （光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）n以无机盐如砷化

14、镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池材料的电池 （镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）n功能高分子材料制备的大阳能电池功能高分子材料制备的大阳能电池 （处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）n染料敏化纳米晶体太阳能电池染料敏化纳米晶体太阳能电池 （正在研发）（正在研发）太阳能电池的发展方向太阳能电池的发展方向n材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和

15、剥离技术。使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发大规模生产技术的开发n跟踪与聚光跟踪与聚光n储电及并网发电结合储电及并网发电结合并网发电已占并网发电已占50%50%以建成多个兆瓦级的电站，以建成多个兆瓦级的电站，100MW100MW规模规模VSVS太阳能热发电站太阳能热发电站n与建筑物结合与建筑物结合架设太阳电池组件架设太阳电池组件n日本：日本：1994-20001994-2000年年 2 2万套屋顶光伏系统万套屋顶光伏系统185MW 185MW ；七万屋顶计划；七万屋顶计划 280M280Mn美国：美国：1997-20101997-2010年年 百万屋顶计划百万屋顶计划 3025MW

16、3025MW 发电成本发电成本6 6美分美分集成在建筑材料上集成在建筑材料上n曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃n 太阳能发电站太阳能发电站 太阳能光伏发电系统主要太阳能光伏发电系统主要由由太阳电池阵列、贮能蓄太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量电控制器及逆变器、测量设备设备等组成。等组成。 太阳能发电太阳能发电站一旦建成，不需要运行站一旦建成，不需要运行投资即能运用投资即能运用, ,但初期投资但初期投资较高。较高。 加利福尼亚一家太阳加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能能发电站中的太阳能反射装置反射装置（2 2）

17、对红外线的利用）对红外线的利用主要的利用途径是光热转换，即把太阳能主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。直接转变成热能。（3 3）对紫外线的利用）对紫外线的利用紫外线具有杀菌功效。波长为紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫外光的紫外光的光子所具有的能量约为的光子所具有的能量约为399kJ/mol，它比细，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347 kJ/mol）、）、C-N（305 kJ/mol）和和C-S（259 kJ/mol）键的键能大，因此紫外光的能量足以键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分使这些化学

18、键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。子，达到杀菌的目的。煤炭煤炭当代工业的粮食当代工业的粮食石油石油当代工业的血液当代工业的血液天然气天然气最清洁的化学能源最清洁的化学能源水水可循环使用的资源可循环使用的资源1 1、石油、石油 1.1.石油的成份石油的成份 原油的成份很复杂，主要是各种烷烃、环烷烃原油的成份很复杂，主要是各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物，大部分是液态和芳香烃组成的混合物，大部分是液态, ,但液态中溶但液态中溶有气态和固态物质有气态和固态物质,如水如水(H2O)、氯化钙、氯化钙(CaCl2)、氯、氯化镁化镁(MgCl2)等盐。等盐。 石油是古代动植物遗体经过长期

19、复杂的变化而形石油是古代动植物遗体经过长期复杂的变化而形成的一种粘稠性液体。未经加工处理的石油叫原油。成的一种粘稠性液体。未经加工处理的石油叫原油。 煤油照明煤油照明 汽油用于运输汽油用于运输 作燃料来发电作燃料来发电原油必须先经过脱水、脱盐等处理过程然后再进行原油必须先经过脱水、脱盐等处理过程然后再进行炼制。炼制。石油的炼制主要是通过分馏的方法把原油分成不同石油的炼制主要是通过分馏的方法把原油分成不同沸点范围的蒸馏产物，这些分馏的产物叫馏分。沸点范围的蒸馏产物，这些分馏的产物叫馏分。石油分馏可得汽油、煤油、柴油等轻质液体燃料，石油分馏可得汽油、煤油、柴油等轻质液体燃料，占石油总量的占石油总量

20、的25%左右。左右。分馏产品分馏产品 分子中含碳原子数分子中含碳原子数 沸点范围沸点范围 用途用途 溶剂油溶剂油 C5C6 30150 0C 油脂、橡胶、油漆生油脂、橡胶、油漆生产中作溶剂产中作溶剂 汽油汽油 C6C11 220 0C 以下以下 （80-200 0C）飞机、汽车等汽油机飞机、汽车等汽油机燃料燃料 航空煤油航空煤油 C10C15 150250 0C 喷气式飞机燃料喷气式飞机燃料 煤油煤油C11C16 180310 0C 拖拉机用燃料，工业拖拉机用燃料，工业洗涤剂洗涤剂 柴油柴油 C15C18 200360 0C 重型汽车、军舰、轮重型汽车、军舰、轮船、坦克、拖拉机等船、坦克、拖拉

21、机等各种高速柴油机燃料各种高速柴油机燃料 润滑油润滑油 C16C20 360 0C以上以上机械上的润滑剂、减机械上的润滑剂、减少机械磨损、防锈少机械磨损、防锈 凡士林凡士林 液态烃和固态烃混合液态烃和固态烃混合 润滑剂、防锈剂润滑剂、防锈剂 石蜡石蜡 C20C30 制蜡纸、绝缘材料制蜡纸、绝缘材料 沥青沥青 C30C40 铺路、建筑材料、防铺路、建筑材料、防腐涂剂腐涂剂 石焦油石焦油 主要成分主要成分 C 制电极、生产制电极、生产SiC 石油分馏产品及其用途石油分馏产品及其用途石油是烃的混合物，因此没有固定的沸点。含碳原子数越少的烃，沸点越低。因此，在给石油加热时，低沸点的烃先气化，经过冷凝液

22、化后分离出来。随着温度的升高，较高沸点的烃再气化，经过冷凝化后又分离出来。这样不断地加热汽化和冷凝液化，就可以把石油分成不同沸点范围产物。这种方法叫石油的分馏。分馏出来的各种成分叫做馏分。每一种馏分仍然是多种烃的混合物。分馏原理如何评价汽油的质量呢？汽油发动机在运转时要经过进气、压缩、点火和排气4个冲程。在汽缸中，汽油蒸气只有在点火燃烧时才能跟活塞的运动协调，若汽油质量不佳，在焰峰到达之前已发生自燃会造成压力骤增而形成冲击波，称为爆燃现象。142重整就是把馏分中的烃类分子重新重整就是把馏分中的烃类分子重新排列而构成新排列而构成新 的分子。的分子。 重整的结果是支链异构体增加，芳烃增加，而这些新

23、的化合物中碳原子数仍然是在汽油的组成范围之内，因此可以大大提高汽油的辛烷值。 原油中原油中C6C11的组分数量并不多的组分数量并不多, ,因此直接因此直接得到的汽油就不多得到的汽油就不多。为了提高汽油的产量为了提高汽油的产量, ,人们人们把一些非汽油组分的长链大分子烃类切断以求得把一些非汽油组分的长链大分子烃类切断以求得更多的更多的汽油的组分的烃类。这就是原油的二次加汽油的组分的烃类。这就是原油的二次加工。工。 分分馏塔输出的馏塔输出的长链大分子烃类通过裂化就可长链大分子烃类通过裂化就可产生裂化汽油。产生裂化汽油。 裂化汽油裂化汽油早期的裂化工艺是早期的裂化工艺是热裂化热裂化。即直接加热的方使

24、长链即直接加热的方使长链断裂断裂。选择性很差，产生许多低于汽油组分的小分选择性很差，产生许多低于汽油组分的小分子烃子烃, , 效率不高效率不高。 目前采用的裂化技术是目前采用的裂化技术是催化裂化催化裂化。即通过催化剂。即通过催化剂使使重油裂化，产品的选择性更好。目前商品汽油主要重油裂化，产品的选择性更好。目前商品汽油主要是裂化和重整产生的汽油。从原油中得到的其它燃是裂化和重整产生的汽油。从原油中得到的其它燃料油还有航空煤油、柴油、煤油、液化石油气、工料油还有航空煤油、柴油、煤油、液化石油气、工业燃料油业燃料油(重油重油) 。裂化裂化：在一定的条件下，将相对分子质量在一定的条件下，将相对分子质量

25、较大的沸点较高的烃断裂为相对分子质量较大的沸点较高的烃断裂为相对分子质量较小的沸点较低的烃的过程。较小的沸点较低的烃的过程。裂解：裂解：石油化工生产过程中以比裂化更高石油化工生产过程中以比裂化更高的温度（的温度（700-800有时甚至高达有时甚至高达1000以上），使石油分馏产物（包括石以上），使石油分馏产物（包括石油气）中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短油气）中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短链烃的加工过程，裂解是一种深度的裂化。链烃的加工过程，裂解是一种深度的裂化。 提高汽油辛烷值的方法提高汽油辛烷值的方法A 添加抗添加抗爆剂爆剂： 0.1%四乙基铅提高汽油辛烷值四乙基铅提高汽油辛烷值1417 。

26、B 调合组分：调合组分： 芳烃芳烃(甲苯、异丙苯甲苯、异丙苯) 、甲醇、甲基叔丁基醚、甲醇、甲基叔丁基醚(MTBE) 3%15%(添加后两种的为含氧汽油添加后两种的为含氧汽油) 。汽油和汽油性能的表征汽油和汽油性能的表征辛烷值辛烷值辛烷值是汽油抗爆性能的间接量度，辛烷值是汽油抗爆性能的间接量度，车用汽油标车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如90号号汽油表示该汽油的辛烷值不低于汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。调合剂调合剂分子式分子式调合辛烷值调合辛烷值甲醇甲醇乙醇乙醇异丙醇异丙醇叔丁醇叔丁醇MTBECH3OHCH3CH2OH(CH3)2CHOH

27、(CH3)3COH(CH3)3COCH3130120106108115含氧有机物的调合辛烷值含氧有机物的调合辛烷值2 2、煤、煤煤炭有实用价值的综合利用主要有煤的煤炭有实用价值的综合利用主要有煤的干馏、气化和液化。煤最主要的应用是干馏、气化和液化。煤最主要的应用是直接作为燃料。直接作为燃料。我国：煤的消耗中，我国：煤的消耗中，30发电、炼焦发电、炼焦；50工业锅炉、窑炉；工业锅炉、窑炉；20人民生活人民生活煤的干馏：煤的干馏：煤的气化：煤的气化：是把煤中的有机物转化为可燃性是把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程。如果将煤在高温时与水蒸气反气体的过程。如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制的水煤气，

28、这种气体的燃烧热比半应即可制的水煤气，这种气体的燃烧热比半水煤气高水煤气高1 1倍。倍。3 3、天然气、天然气 天然气是古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化天然气是古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生的气二氧化碳态碳氢化合物，主及变质裂解而产生的气二氧化碳态碳氢化合物，主要成分为甲烷（要成分为甲烷（CH4），还含有乙烷、丁烷、戊烷、），还含有乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、硫化氢等。二氧化碳、硫化氢等。 西气东输二号线4 4、水与可燃冰、水与可燃冰 p 甲烷与水在海底的低温和高压下形成的冰状甲烷与水在海底的低温和高压下形成的冰状化合物化合物, 可以燃烧可以燃烧.p存贮量大存贮量大, 可供人类使用可供人类使用1000年以上年以上.可燃冰可燃冰的学名叫天然气水合物天然气水合物。可燃冰可望成为21世纪替代煤、石油、天然气的新型能源矿产。它是一种由水分子和碳氢气体分子组成的结晶状固态简单化合物。其外形如冰雪状，通常呈白色。在天然气水合物中通常含有大量的甲烷或其他碳氢气体分子，极易燃烧燃烧后几乎不产任何残渣。157