第6讲化学与能娠 1.能娠与社会进步 能源、材料和信息被喻为人类社会发展的三大支柱,而能源又是材料和 信息的生产、运输的动力和基础。人类的文明始于火,通过燃烧把化学与能 源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学过程中所伴随的能量变化,创造 了五光十色的现代物质文明。社会进步的历史表明,每一次能源技术的创新 和突破都给生产力的发展和社会进步带来重大而深远的变革 1.1能源的分类 能源( energy source)是指提供能量的自然资源。能源品种繁多,按其来 源可以分为三大类:一是来自地球以外的太阳能,除太阳的辐射能之外,煤 炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能;第二类来自地球本身 如地热能,原子核能(核燃料铀、钍等存在于地球自然界);第三类则是由月 球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量,如潮汐能。其中,在自然界现 成存在,可直接获得而无须改变其形态和性质的能源又称为一次能源 primary energv),如煤炭、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能等。由 次能源经过加工或转化成另一种形态的能源产品,如电力、汽油、柴油、煤 气等又称为二次能源 (secondary energy)。能源的分类如表1所示 表1能源的分类 别 常规能源 新型能源 可再生水能 太阳能(发电、供热等):海洋能(温 次能演生物质能(柴草、植物秸杆等)差、波力、动力、湖汐等):风能(动 力、发电等):地热(热能、发电等) 能 非再生煤炭、石油、油页岩、沥青砂、核聚变能量 源 能源天然气、核裂变燃料 次能源煤炭制品(煤气、焦碳、水煤浆)、石油制品(汽油、煤油、柴油和液 化气)、电力、氢能、沼气、激光、等离子体和发酵酒精等
第 6 讲 化学与能源 1. 能源与社会进步 能源、材料和信息被喻为人类社会发展的三大支柱，而能源又是材料和 信息的生产、运输的动力和基础。人类的文明始于火，通过燃烧把化学与能 源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学过程中所伴随的能量变化，创造 了五光十色的现代物质文明。社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新 和突破都给生产力的发展和社会进步带来重大而深远的变革。 1.1 能源的分类 能源（energy source）是指提供能量的自然资源。能源品种繁多，按其来 源可以分为三大类：一是来自地球以外的太阳能，除太阳的辐射能之外，煤 炭、石油、天然气、水能、风能等都间接来自太阳能；第二类来自地球本身， 如地热能，原子核能（核燃料铀、钍等存在于地球自然界）；第三类则是由月 球、太阳等天体对地球的引力而产生的能量，如潮汐能。其中，在自然界现 成存在，可直接获得而无须改变其形态和性质的能源又称为一次能源(primary energy)，如煤炭、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能等。由一 次能源经过加工或转化成另一种形态的能源产品，如电力、汽油、柴油、煤 气等又称为二次能源(secondary energy)。能源的分类如表 1 所示。 表 1 能源的分类 类 别 常规能源 新型能源 可再生 能源 水能 生物质能（柴草、植物秸杆等） 太阳能（发电、供热等）；海洋能（温 差、波力、动力、潮汐等）；风能（动 力、发电等）；地热（热能、发电等） 一 次 能 源 非再生 能源 煤炭、石油、油页岩、沥青砂、 天然气、核裂变燃料 核聚变能量 二次能源 煤炭制品（煤气、焦碳、水煤浆）、石油制品（汽油、煤油、柴油和液 化气）、电力、氢能、沼气、激光、等离子体和发酵酒精等
第8章现代化学的研究进展 根据消费后能否造成环境污染,又可将能源区分为污染型能源和洁净型 能源。如煤炭、石油等是污染型能源,而水力能、风能、氢能和太阳能等是 洁净型能源。 12能源与社会进步 地球从太阳的辐射中获取光和热,这种光和热经植物的光合作用又被转 化为生物质( biomass的化学能。埋藏在地下的动植物残骸经过漫长的地质作用 转化为煤炭、石油和天然气等化石能源。江河湖海中的水,经日晒蒸发再凝 聚降落在高山丘陵之间形成水力能;空气经太阳光能加热,因密度差而形成 风能。所以可以说太阳能是地球上主要能源的总来源 从火的发现到18世纪产业革命之间,树枝、杂草、秸杆等生物质燃料一 直是人类使用的主要能源,这称为柴草时期。 18世纪中叶,煤炭开始大规模开采。1769年詹姆士·瓦特( James,wat, 1736-1819)发明蒸汽机,煤炭作为蒸汽机的动力之源,完成了第一次产业革命, 使煤炭成为人类的主要能源,这称为煤炭时期。 20世纪初,在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然 气。石油的大量开采和炼油工艺的提高,使石油很快成为能源消费的主流 这称为石油时期 常规能源(如煤炭、石油和天然气)的燃烧将化学能转换为热能和光能, 同时生成二氧化碳、水和其它无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素,在 燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃 料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度,因此化石 能源面临着被消耗殆尽的危险。 随着化石能源的枯竭,太阳能、物体运动能、原子能、氢能等新型能源 将取代煤炭、石油和天然气而成为人类的主要能源,这是将要到来的新能源 时期
·354· 第 8 章 现代化学的研究进展 根据消费后能否造成环境污染，又可将能源区分为污染型能源和洁净型 能源。如煤炭、石油等是污染型能源，而水力能、风能、氢能和太阳能等是 洁净型能源。 1.2 能源与社会进步 地球从太阳的辐射中获取光和热，这种光和热经植物的光合作用又被转 化为生物质(biomass)的化学能。埋藏在地下的动植物残骸经过漫长的地质作用 转化为煤炭、石油和天然气等化石能源。江河湖海中的水，经日晒蒸发再凝 聚降落在高山丘陵之间形成水力能；空气经太阳光能加热，因密度差而形成 风能。所以可以说太阳能是地球上主要能源的总来源。 从火的发现到 18 世纪产业革命之间，树枝、杂草、秸杆等生物质燃料一 直是人类使用的主要能源，这称为柴草时期。 18 世纪中叶，煤炭开始大规模开采。1769 年詹姆士·瓦特(James,Watt， 1736-1819)发明蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力之源，完成了第一次产业革命， 使煤炭成为人类的主要能源，这称为煤炭时期。 20 世纪初，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然 气。石油的大量开采和炼油工艺的提高，使石油很快成为能源消费的主流， 这称为石油时期。 常规能源（如煤炭、石油和天然气）的燃烧将化学能转换为热能和光能， 同时生成二氧化碳、水和其它无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在 燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃 料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度，因此化石 能源面临着被消耗殆尽的危险。 随着化石能源的枯竭，太阳能、物体运动能、原子能、氢能等新型能源 将取代煤炭、石油和天然气而成为人类的主要能源，这是将要到来的新能源 时期
第6讲能源化学 355 2.化石熾料( fossil fuel) 2.1煤炭coal (1)煤炭的组成与结构 煤炭是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约102t,中国约占 11%,仅次于俄罗斯和美国,处于第三位。煤炭既是重要的能源,也是重要的 化工原料。 煤炭是一类具有高碳氢比的有机交联聚合物与无机矿物所构成的复杂混 合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不相同的结构单元组成。结构单 元的核心是缩合程度不同的稠环芳香烃,及一些脂环烃和杂环化合物。结构 单元之间由氧桥及亚甲基桥联接,它们还带有侧链烃基、甲氧基等基团。大 分子在三维空间交联成网络状结构,一些小分子以氢键或范德华力与其相连。 无机矿物被有机大分子所填充和包埋,形成复杂的天然“杂化”材料。 组成煤的主要元素有碳、氢、氧、氮和硫,它们占煤炭有机组成的99%以 上。按其变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。不同 变质程度煤的元素组成和发热量范围如表2所示。 表2煤的元囊组成和发热量 发热量 煤种 H/% MJkg") 约5053-6527-341-35 8~10 50~70 16~27 微量 7085 2~15 0.7~2.2 21~29 无烟煤 1~31-40.31.5 21~25 煤的无机组成主要包括水分和矿物质(粘土、石英、硫化物、碳酸盐等)。 它们在燃烧过程中,转化为灰分和粉尘引起环境恶化,并因分解吸热而降低 煤炭发热量。 煤在我国能源消费结构中位居榜首(约占70%),煤的年消费量在10亿
第 6 讲 能源化学 ·355· 2. 化石燃料(fossil fuel) 2.1 煤炭 coal （1）煤炭的组成与结构 煤炭是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约 1012 t，中国约占 11%，仅次于俄罗斯和美国，处于第三位。煤炭既是重要的能源，也是重要的 化工原料。 煤炭是一类具有高碳氢比的有机交联聚合物与无机矿物所构成的复杂混 合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不相同的结构单元组成。结构单 元的核心是缩合程度不同的稠环芳香烃，及一些脂环烃和杂环化合物。结构 单元之间由氧桥及亚甲基桥联接，它们还带有侧链烃基、甲氧基等基团。大 分子在三维空间交联成网络状结构，一些小分子以氢键或范德华力与其相连。 无机矿物被有机大分子所填充和包埋，形成复杂的天然“杂化”材料。 组成煤的主要元素有碳、氢、氧、氮和硫, 它们占煤炭有机组成的 99%以 上。按其变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。不同 变质程度煤的元素组成和发热量范围如表 2 所示。 表 2 煤的元素组成和发热量 煤种 C /% H /% O /% N /% S /% (总硫) 发热量 / （MJ•kg-1） 泥炭 约 50 5.3∼6.5 27∼34 1∼3.5 8∼10 褐煤 50∼70 5∼6 16∼27 1∼2.5 10∼17 烟煤 70∼85 4∼5 2∼15 0.7∼2.2 21∼29 无烟煤 85∼95 1∼3 1∼4 0.3∼1.5 微量 ∼10% 21∼25 煤的无机组成主要包括水分和矿物质(粘土、石英、硫化物、碳酸盐等)。 它们在燃烧过程中，转化为灰分和粉尘引起环境恶化，并因分解吸热而降低 煤炭发热量。 煤在我国能源消费结构中位居榜首（约占 70%），煤的年消费量在 10 亿
第8章现代化学的研究进展 吨以上,其中30%用于发电和炼焦,50%用于各种工业锅炉、窑炉,20%用于 人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的,其中C、H、S及N分别变成 CO2、H2O、SO2及NO,这样热利用效率并不高,如煤球热效率只有20%~30%; 蜂窝煤高一点,可达50%,而碎煤则不到20%。至于工业锅炉用煤的热效率 不仅与炉型结构有关,而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。 煤开采后应该就地进行筛分、破碎,洗选除去一些无用的杂质。随着机 械化采煤的发展,煤粉的比例提高,所以还应将煤粉在加压加温条件下成型 (球、棒、砖等),然后供应用户,以减少运输量,提高热效率 直接烧煤对环境污染相当严重,二氧化硫(SO2),氮的氧化物(NO3)等 是造成酸雨的罪魁,大量CO2的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰 和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题,合理利用和综 合利用煤资源的办法不断出现和不断推广,其中最令人关心的一是如何使煤 转化为清洁的能源,即煤的洁净。二是如何提取分离煤中所含宝贵的化工原 (2)洁净煤技术 洁净煤技术( cleaning coal technology)是旨在减少污染和提高效率的煤 炭加工、转换和污染控制新技术的总称。包括了煤炭使用过程各环节的净化 和污染防治技术,是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。分为四个技术 领域,14个技术方面: 煤炭加工领域——选煤、型煤和水煤浆技术; 燃煤与发电领域——循环流化床燃煤发电技术、增压硫化床发电技术 整体煤气化联合循环发电技术; 煤转化领域——气化与焦化、液化和燃料电池技术; 污染排放控制及废弃物处理领域——煤层气开发利用、烟气净化、粉煤 灰利用、煤矸石及矿井水资源化处理、中小锅炉改造或减排放技术。 22石油和天然气 petroleum& natural gas 石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉,自20世纪50年代开始
·356· 第 8 章 现代化学的研究进展 吨以上，其中 30%用于发电和炼焦，50%用于各种工业锅炉、窑炉，20%用于 人民生活。就是说煤的大部分是直接燃烧掉的，其中 C、H、S 及 N 分别变成 CO2、H2O、SO2 及 NOx，这样热利用效率并不高，如煤球热效率只有 20%~30%； 蜂窝煤高一点，可达 50%，而碎煤则不到 20%。至于工业锅炉用煤的热效率 不仅与炉型结构有关，而且与煤的质量、形状、颗粒大小都有关系。 煤开采后应该就地进行筛分、破碎，洗选除去一些无用的杂质。随着机 械化采煤的发展，煤粉的比例提高，所以还应将煤粉在加压加温条件下成型 （球、棒、砖等），然后供应用户，以减少运输量，提高热效率。 直接烧煤对环境污染相当严重，二氧化硫（SO2），氮的氧化物（NOx）等 是造成酸雨的罪魁，大量 CO2 的产生是全球气温变暖的祸首。此外还有煤灰 和煤渣等固体垃圾的处理与利用问题等。为了解决这些问题，合理利用和综 合利用煤资源的办法不断出现和不断推广，其中最令人关心的一是如何使煤 转化为清洁的能源，即煤的洁净。二是如何提取分离煤中所含宝贵的化工原 料。 （2）洁净煤技术 洁净煤技术（cleaning coal technology）是旨在减少污染和提高效率的煤 炭加工、转换和污染控制新技术的总称。包括了煤炭使用过程各环节的净化 和污染防治技术，是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。分为四个技术 领域，14 个技术方面： 煤炭加工领域——选煤、型煤和水煤浆技术； 燃煤与发电领域——循环流化床燃煤发电技术、增压硫化床发电技术、 整体煤气化联合循环发电技术； 煤转化领域——气化与焦化、液化和燃料电池技术； 污染排放控制及废弃物处理领域——煤层气开发利用、烟气净化、粉煤 灰利用、煤矸石及矿井水资源化处理、中小锅炉改造或减排放技术。 2.2 石油和天然气 petroleum & natural gas 石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉，自 20 世纪 50 年代开始
第6讲能源化学 在世界能源消费结构中,石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石 油是国家现代化建设的战略物资,许多国际争端往往与石油资源有关。现代 生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。 石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体,经千百万年的漫 长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之 为原油,原油及其加工所得的液体产品总称为石油。 石油是碳氢化合物的混合物,含有1~50个左右碳原子的化合物,按质量 计,其碳和氢分别占84%87%和12%14%,主要成分为直链烷烃、支链烷烃 环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外,石油中还含有少量由C、 H、O、N和S组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大,大约在0%7% 之间,主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式 存在。氮含量远低于硫,约为0%08%,以杂环系统的衍生物形式存在,如 噻唑类、喹啉类等。此外,石油中还含有其它的微量元素 石油的成分十分复杂,在炼油厂,原油经过蒸馏和分馏,得到不同沸点 范围的油品,包括石油气,轻油(溶剂油、汽油、煤油和柴油等)及重油(润 滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等)。将重油经过催化裂化、热裂化或加氢 裂化等方法,可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂(铂系和钯系贵金属) 存在下,环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃(称之为重 整)。轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮,可提高油品质量 原油经过一系列炼制和精制,获得了各种半成品和组分,然后再按照用 途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为两类 燃料〔如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等)和化工原料等。 天然气是蕴藏在地层中的可燃性碳氢化合物气体,其成因和形成历史与 石油相同,二者可能伴生,但一般埋藏部位较深。据国际经验,每吨石油大 概伴有1000m3的天然气,所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天 然气归并在一起。天然气主要成分是甲烷,但也含有相对分子质量较大的烷 烃,如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等,碳原子数超过5的组分在地下高温环境 中,以气态开采出来,但在标准态下是液体。天然气中各组分的含量常随相 对分子质量的增大而下降,其中还含有SO2、H2S及微量稀有气体
第 6 讲 能源化学 ·357· 在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石 油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代 生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。 石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体，经千百万年的漫 长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之 为原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油。 石油是碳氢化合物的混合物，含有 1~50 个左右碳原子的化合物，按质量 计，其碳和氢分别占 84%~87%和 12%~14%，主要成分为直链烷烃、支链烷烃、 环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外，石油中还含有少量由 C、 H、O、N 和 S 组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大，大约在 0%~7% 之间，主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式 存在。氮含量远低于硫，约为 0%~0.8%，以杂环系统的衍生物形式存在，如 噻唑类、喹啉类等。此外，石油中还含有其它的微量元素。 石油的成分十分复杂，在炼油厂，原油经过蒸馏和分馏，得到不同沸点 范围的油品，包括石油气，轻油（溶剂油、汽油、煤油和柴油等）及重油（润 滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等）。将重油经过催化裂化、热裂化或加氢 裂化等方法，可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂（铂系和钯系贵金属） 存在下，环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃（称之为重 整）。轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮，可提高油品质量。 原油经过一系列炼制和精制，获得了各种半成品和组分，然后再按照用 途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为两类： 燃料（如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等）和化工原料等。 天然气是蕴藏在地层中的可燃性碳氢化合物气体，其成因和形成历史与 石油相同，二者可能伴生，但一般埋藏部位较深。据国际经验，每吨石油大 概伴有 1000m3 的天然气，所以能源工作机构及能源结构统计往往把石油和天 然气归并在一起。天然气主要成分是甲烷，但也含有相对分子质量较大的烷 烃，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，碳原子数超过 5 的组分在地下高温环境 中，以气态开采出来，但在标准态下是液体。天然气中各组分的含量常随相 对分子质量的增大而下降，其中还含有 SO2、H2S 及微量稀有气体