化工能源科技创新的动力.ppt

化学化工导论,阐述化学与化工学科的现状与发展趋势，介绍无机化学、有机化学、高分子化学、化学工程、工业催化、生物化工等学科的特点及其应用前景特邀专家学者向广大新生展现化学与化工科学的魅力，坚定其学习的化学化工的信念。展望化学化工在新能源、新材料、生物医药、环境保护和信息技术中的应用前景。,专家简介,化学化工能源科技创新的源泉,主讲马紫峰,能源是人类文明的重要基石,能源支撑着所有工业化国家，也是发展中国家发展的必要条件,绪论,能量与能源构成客观世界的三大基础是物质、能量和信息科学史观世界是物质构成的；能量是物质的属性，是一切物质运动的动力；信息是客观事物和主观认识相结合的产物。,能量的六种基本形式机械能化学能热能核能电能辐射能,,,,,,,,能源的分类,定义凡是能经过直接或者间接转化过程而获得某种能量的自然资源统称为能源,一次能源（能源资源）煤、石油、天然气、水能、核能、太阳能、风能、地热能、生物质二次能源（能源产品）煤气、汽油、柴油、电力、焦碳、蒸汽、沼气、氢气、醇醚类、,世界能源资源基本构成,化石燃料煤、石油和天然气,核能,可持续能源水能、太阳能、生物质能、地热、风能,,89,8,3,化石燃料燃烧占世界总能源用量的80。全世界范围内因化石燃料使用产生的温室气体排放量高达200亿吨,,,煤炭,煤是可以燃烧的含有机质的岩石，是古代植物深埋地下，在一定的温度和压力条件下，经历漫长的时代和复杂的化学变化而形成。煤的化学组成主要是碳、氢、氧、氮等几种元素。此外，还可能含有硫、磷、砷、氯、汞、氟等有害成分以及锗、镓、铀、钒等有用元素。煤可以分为烟煤、无烟煤等,山西平朔露天煤矿,秦皇岛,煤炭发电与煤化工,煤炭发电是主要能源利用方式，该过程涉及大量的化工技术，如流化燃烧、吸收脱N和脱S、过滤除尘、热交换、冷却煤化工过程制备各类二次能源产品（如甲醇、煤气、氢气和二甲醚等）,石油,石油是产于岩石中以碳氢化合物为主要成份的油状粘稠液体。未经提炼的天然石油称为原油，其中含碳8487，含氢1214，剩下的12为硫、氧、氮、磷、钒等元素。,石油化工原理,上海石化金山基地,把流体输送（管道）与输送机械、热交换、精馏、吸收化工单元操作技术的组合，结合催化反应作用（催化裂化、催化重整）将石油炼制生产出各种燃料（汽油、柴油和煤油）去驱动汽车、飞机等交通工具，并生产出大量的化工产品,,“十五”期间，我国石油和化学工业总体水平的提高超过了历史上任何一个时期。已经形成具有20多个行业、能生产四万多种产品、门类比较齐全、品种大体配套的工业体系。其中，10多种主要石油和化工产品的产量居世界前列。,我国石油和化学工业现状,石油和化学工业发展迅速，经济总量大幅增加,,156.36,十五期间年均递增20.60；利润增长235.95，年均递增27.45,2004-2005年石油和部分石油加工品产量,石油和化学工业发展迅速，经济总量大幅增加,化学工业在上海的地位,2004年，在上海六大支柱产业中，石油化工产业工业总产值列第三位，近次于电子信息和汽车制造；工业销售产值列第二位，利润列第四位，税金总额列第二。,2006年，仅次于电子信息，成为第二大产业,化学工业在上海的地位,,,能源资源利用过程是现代化学与化学工程学科发展的主要推动力,从煤汽化转化制作水煤气，到氨的工业化合成，奠定了无机化工基础,发展了化学热力学,化学动力学和催化科学理论石油炼制工艺的不断发展，推动了化学热力学、单元操作和催化反应工程理论的发展天然气资源的开发利用，丰富了化学工程与技术学科理论体系,从化石燃料获得汽油、柴油、煤油、甲醇、酒精类是国民经济发展不可或缺的基础燃料,炼油工业促进了化工学科发展,1928年，多孔白土催化剂应用于重油裂化过程crackingtechnology，生产了高辛烷值燃料higheroctanefuel，使二战期间盟军战斗机获得更优质的燃料20世纪60年代，美国Mobile公司将原先用于分离过程的沸石分子筛作为新催化材料应用于催化裂化技术，炼油工业产生新的飞跃。采用稀土促进的沸石分子筛裂化催化剂后，炼油装置的生产能力和汽、柴油产量大幅度提高。在美国只经过短短的四五年时间就取代了传统的硅铝催化剂，被誉为“炼油工业的技术革命”1967年，发展了双金属重整催化剂（Pt-Re,Pt-Ir，提高了汽油品质催化反应也催生了“化学反应工程”学科,化学工程与技术（工艺）ChemicalEngineeringandTechnology化学工程化学工艺生物化工应用化学工业催化,化石燃料的应用与挑战,,化石燃料,,化工利用,,能源利用,,,,,,,合成氨,乙烯、丙烯,苯、甲苯,甲醇、乙醇、二甲醚,,,,,交通,发电,,,,,,,挑战资源不可再生、需求激增、供应减少,石油的大量使用证实了化石燃料在能源贡献中地位世界上每年消耗油量超过250亿桶，其中2/3用于交通，而美国就要消耗60亿桶，用于交通的需求超过95,化石燃料的大规模应用后果,化石资源可耗竭性受到普遍重视环境污染问题日渐突出（SOX、NOX、CO2及可吸入颗粒物温室效应，地球气候变化石油供应紧张（OPEC的石油供应能力、提高石油产量所需要投资无法保证，中东地区利益分配与地区冲突没有解决良方）,解铃还须系铃人,从化学工程到环境工程,GasificationCO2Scrubbing25increaseinCOE,PulverizedCoalCO2Scrubbing66increaseinCOE,PulverizedCoalO2Combustion80increaseinCOE,AdvancedPowerPlantsO2Combustion34increaseinCOE,AdvancedPowerPlantsCO2Scrubbing30increaseinCOE,HybridPlantPCwithCES45increaseinCOE,燃煤电厂CO2捕集技术对电价影响,环境因素对经济的影响,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Coal,Petroleumcoke,Biomass,Waste,etc.,AirSep,CompressedAir,Oxygen,Air,Air,Steam,,Steam,CombustionTurbine,Combustor,FuelCells,Hydrogen,SteamTurbine,HRSG,GasificationPlantwithCO2Sequestration,CO2Scrubbers,CO2Sequestration,,,,,,Hydrogen,***CO2SequestrationModule***,***FuelCellModule***,Generator,,CO2,PeranceSummaryNetPower404kWeNetHHVEff.37CO2Removed90COEIncrease25,,,Ash,,GaseousConstituents,,,Gasifier,,Solids,Generator,,Generator,,,,能源需求推动化工科技进步的动力,每年花在化石燃料上的资金巨大（美国2500亿美圆），而与化石燃料利用有关的资本资产，包括电厂、以油为燃料的机动车、工厂以及商住区域的供热设施更一个天文数字（美国超过20000亿美圆）,对于不发达国家的能源前景，由于他们更急切地提升生活水平，对于能源的需求比发达国家的需求更大，因为不发达国家的人口是发达国家的3倍。,不发达国家能源年增长速率8,发达国家为3,天然气,天然气是一种蕴藏在地层内的天然气体燃料。它的成因和石油相似，但它分布的范围要比石油广得多。即使在较低温度条件下，地层中的有机物也能在细菌的作用下形成天然气。有的天然气蕴藏在不含石油的岩层里；有的和石油贮存在一起。钻探石油时发生的井喷，就是由于地层中的天然气在高压下向外喷发的缘故。,水能,全世界水量最充沛的河流有15条，其中亚洲9条，南美洲3条，北美洲2条，非洲1条。非洲的刚果河水量只有亚马孙河的1／5，但水力发电潜力却大大超过亚马孙河。在刚果河下游至入海口的200千米河段，水的落差超过300米，年发电量可达5060亿千瓦时。亚洲的尼泊尔深居高山水源区，虽然河流上游水量不大，但由于落差大，在许多地方可选建发电为1亿千瓦的水电站。我国水力资源理论蕴藏量很大，年发电量可达数万亿千瓦时，主要集中在西部地区，约占全国77.7以上，其中又以西南地区最丰富，约占67.8％，其次是中南和西北地区。现在，我国正在集中力量建设大型水力发电基地，每个水电基地兴建若干座大型水力发电站，形成水电站群。,长江三峡水利枢纽工程,长江三峡水利枢纽工程已于1994年12月开工，2004年已完成一期工程，截流蓄水并发电，年发电量可达847亿千瓦时。长江三峡水利枢纽工程是一座具有防洪、发电、航运、养殖、供水等巨大综合效益的特大工程。工程完成后，将能控制荆江地区百年一遇的特大洪水；葛洲坝水利枢纽工程已经完成，改善宜昌至重庆的航运条件；为长江中下游地区的城镇供水和农田灌溉用水提供保证,核能,原子核反应中释放出来的能量，叫做核能。它是20世纪50年代开始利用的能源，它靠核燃料（铀、钍等）在反应堆中“燃烧”而产生的热能，其能量巨大。核电站利用核反应堆工作时释放出来的热能使水汽化以推动汽轮发电机工作。核电站比火电站有许多优点核燃料能量密集、燃烧效率高，如一座100万千瓦的火电站，年耗煤约300万吨；而同等规模的核电站，一年只消耗30吨核燃料；核能不产生“温室效应”，火电站大量烧煤，环境污染严重核电站只要设计管理得好，既安全又清洁。核反应堆工作时不需氧气助燃，核电站可建在高山、地下、海底，甚至宇宙空间。我国现有秦山核电站和大亚湾核电站。,风能,风能是一种取之不尽、用之不竭的巨大自然能源。据估计，全世界可利用的风能资源约有10亿千瓦，比陆地水能资源多10倍。光陆地上的风能就相当于目前全世界火力发电量的一半。利用风能，不会产生任何污染物质，有利于生态平衡和环境保护。而且，利用风能投资少，见效快，价格低廉。新疆达坂城风力发电站,地热能,地球是一个巨大的热水库，地层中蕴藏着极为丰富的热水资源。据科学家推算，在整个地壳中，地下热水的总量大约有7亿立方千米，约相当于地球上全部海水总量约13.7亿立方千米的一半，地热流体温度在20650℃，极端的可达900℃以上。我国青藏高原地热资源丰富。在冈底斯山脉以南到喜马拉雅山脉以北的广大地区，是著名的地热带，现已发现100多处地热田和地热显示区。位于西藏拉萨市西北90千米的羊八井地热田是我国第一个进行勘探和开发的中、高温湿蒸汽田。这里有丰富多彩的地热显示，喷泉、热泉、沸泉、温泉、间歇泉、热水湖，以及喷气孔和冒气地面等，水热活动强烈，规模宏大，有的高温沸泉的温度可达920C，号称“地热博物馆”。世界著名的地热有夏威夷地热、新西兰地热、冰岛地热等,,地热能利用,地热发电羊八井地热试验电站利用井口喷出的地下湿热蒸汽，推动汽轮发电机进行发电。1977年我国在羊八井建成一台1000千瓦的地热蒸汽试验电站；1983年又有两台3000千瓦的发电机组投入运行；目前羊八井地热电站的装机容量已达2.5万千瓦，年发电量占拉萨电网的40％以上。地热供暖京津地区的地热供暖和热水供应；1928年，冰岛首都建立世界上第一个地热供应系统。地热务农灌溉、养殖、大棚等地热医疗温泉理疗，如日本温泉、中国长白山天池、广东从化温泉等,海洋能,海洋能包括潮汐能、波浪能、温差能和盐差能四种类型潮汐能是以位能形态出现的海洋能。潮水一涨一落，合起来叫做“潮汐”。潮汐像是大海的呼吸，特别遵守时间，每隔12小时25分一次，循环往复，永不休止。据科学家估计，整个地球上潮汐能约10亿多千瓦，如果充分利用起来，比全世界发电总量还要多。1966年,法国在圣马洛湾附近的朗斯河口，建成了一座总容量达24万千瓦的潮汐发电站，每年可发电5.5亿千瓦时。1985年，我国在浙江省温岭县乐清湾江厦港建成江厦潮汐试验电站。在这里兴修了一条长670米的拦海大坝，潮水通过闸门进入水轮发电机。昼夜不息的涨落潮，推动发电机产生电流,装机容量为3000千瓦。,生物质能,生物质（Biomass是指由光合作用而产生的有机体。光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质中。地球上生物质资源数量庞大，种类繁多。通常可以分为农作物类、林作物类、水生藻类、光合成微生物类、废弃物类,生物质的能源利用途径直接燃烧薪柴燃烧，农村地区还在使用生物转换微生物发酵制醇类、沼气和氢气等燃料化工转化溶剂萃取法（生物柴油、植物油）、高温气化法、热分解法,薪柴在能源中的比例（）非洲60亚洲20拉美20西欧0.7世界10,太阳能,,,,直接照明、加热、烘干,,光伏发电、热水器、干燥器等,,,,,,,,,1光伏发电2电能储存利用,太阳能集热、蓄热,太阳能空调、暖通,太阳能光解制氢----FC,生物能,,能源系统集成优化,,,,,,,,,,,,太阳能光热利用,,光解制氢,氢燃料发动机,氢能与燃料电池,,,太阳能热水器、太阳能空调,,,,光热利用,,,光伏发电,存在问题效率低、成本高、间歇性,,燃料电池氢能利用的主要途径,氢的阳极氧化2H2-4e-→4H氧的阴极还原O24H4e-→2H20,马紫峰教授,电化学能源储存与转换体系,铅酸电池放电原理,锂离子电池充放电原理示意图,电池，指的是借助于电极氧化还原反应将物质的化学能直接转变为电能的装置,马紫峰教授,热能的储存,典型的水作工质的太阳能采暖系统,显热储存通过蓄热材料（水、岩石）温度升高达到蓄热目的潜热储存利用蓄热材料发生相变而储热。相变潜热大,,,热储存装置,微波中继站、边防哨所、偏远地区、离岛上供电2002年起，为了推动西部大开发战略，国家实施“西部光明工程”计划投资18亿元，在西部无电乡建立一批光伏电站“光明工程”为电池工业创造新的市场需求，同时对蓄电池的循环寿命与价格提出更高的技术要求,太阳能-蓄电池集成供电方式,太阳能-再生燃料电池能源系统Solar-RFCPowerSystem,SolarPoweredHAADesignsinUSUK,HAADesignforACTDProgramLM-NESSinOct2002,StratSatConceptUK-ATGinOct2001,Powerdesignc-SiSCRFC,Powerdesigna-SiSC,Na-Ni-Clbattery,andDieselE/G.,FlowDiagram-1kWRFCTestbed,FCstack,Waterin,O2out,H2out,Solarsimulated,Loadssimulated,H2in,O2in,Waterout,化工技术研发要适应几个变化,适应可持续发展的要求发展绿色化工技术，推动清洁生产工艺，保护生态环境，确保资源利用、生态平衡和人类社会可持续发展，实现“零”排放适应不断加快的全球化进程在新的市场机遇中，人员、技术、资金、信息和产品将更多地跨越国际间的界限，技术进步将对经济竞争力和未来产业开发发挥更大作用依靠技术进步获得高水平的生产率和资金回报率适应用户不断增长的需求21世纪是新能源、电子信息、生物技术、新材料和先进制造技术的时代，化工技术将为这些新兴产业提供技术支撑与保障开拓二次资源的利用,能源化工的基本范畴,能源化工的基本范畴能源是人类赖以生存和发展的基本要素。能源化工涉及能源资源的化工转化、高效储存转换与利用过程及绿色转化与利用过程的基本科学问题化工转化过程包括煤化工、石油化工和天然气化工等传统能源化工过程，重点研究化石资源转化为清洁燃料的化工技术。同时，也包含可再生能源资源的化工转化问题高效储存转换与利用过程包括能源转换与利用基本热力学、电化学能量储存与转换、太阳能的转换与利用等基础问题绿色转化与利用过程包括能源的清洁生产与清洁利用两个方面。,