化学与常规能源
主讲：王瑞琪
7/20/2022 1化学与常规能源
主要内容
柴薪(生物质能)——第一代主体能
源
• 煤——最主要的固体燃料
• 石油和天然气
• 化学电池
• 能源利用的化学本质
7/20/2022 2化学与常规能源
什么是能源？
能源是提供能量的自然资源。
能量是一切运动的源泉。没有能量就没有生命运
动，生命运动的停止意味着生命的死亡；没有能
量就没有化学反应，所有形式的生命都不能维持。
能源是宇宙的推动力，是系统作功能力的量化特
性，能源可以是动能、位能、热能。能源的 形式
有很多(例如热力、电力等)，而且一种能源形式
可以转化成另一种形式。
7/20/2022 3化学与常规能源
能源结构： 石油仍居主导地位，占能源消
费总量的％，煤炭次之，占％，天然气
发展较快，已占％，有三足鼎立之势。而水
电与核能则相对势微，分别仅占％和％。
7/20/2022 4化学与常规能源
目前，我国能源利用效率为33%，比发达国
家低10个百分点；单位产值能耗是世界平均水
平的2倍多，比美国、欧盟、日本、印度分别高
倍、倍、倍和43%；我国8个行业（石
化、电力、钢铁、有色、建材、化工、轻工、
纺织）主要产品单位能耗平均比国际先进水平
高40%；燃煤工业锅炉平均运行效率比国际先进
水平低15-20%；机动车百公里油耗比欧洲高25%
，比日本高20%。
能源利用效率
7/20/2022 5化学与常规能源
能源的分类
能源按其来源不同可以分类四类：
1.太阳能：除太阳辐射能以外，还包括煤、石油、天然气等
化石燃料，以及生物质能、水能、风能、海洋能等间接来
自太阳能的能源。
2.地热能：如地下热水、地下蒸气、干热岩体。
3.核裂变资源和核聚变资源：如铀、钍等核裂变和氘、氚、
锂等核聚变资源。
4.月球、太阳等星体对地球的引力为主产生的能源：如以月
球引力为主产生的潮汐能。
7/20/2022 6化学与常规能源
按能源工作者的分类
1. 一次能源：可从自然界取得而不改变其基本形态的
能源。
常规能源：已被人们广泛应用的能源，如水能、煤、石油、
核裂变材料等
新 能 源：采用新的先进的科学技术而被广泛应用的能源，
如太阳能、风能、核聚变材料
2. 二次能源：由一次能源加工或转换而转变了形态的
能源称为二次能源。
煤制品
石油制品
电能、沼气、蒸汽等。
能源的分类
7/20/2022 7化学与常规能源
一次能源
二次能源
再生能源
非再生能源
太阳能、水力、风力、生
物质能、波浪能、潮汐能、
海洋温差能、地热
原煤、原油、天然气、油
页岩、核能
电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、
重油、液化石油气、酒精、沼气、
氢气和焦炭
能源的分类
7/20/2022 8化学与常规能源
直接利用太阳能直接利用太阳能
光合作用
空气、地表吸热
煤炭
食物中的化学能
空气变热形成风
水蒸气形成雨雪
7/20/2022 9化学与常规能源
Ⅰ.柴薪(生物质能)
——第一代主体能源
柴薪是人类第一代主体能源
柴薪也可称为生物质能,它是光合作用的产物,是
太阳能的间接利用
植物的叶绿体通过光合作用，利用太阳的
能量，将CO2和H2O合成为有机物并放出O2,在燃烧
时，这些有机物又与氧气发生化学反应变为CO2
和H2O,同时释放出能量。
7/20/2022 10化学与常规能源
水 + 二氧化碳 -----> 有机体 + 氧
植物
太阳能
生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能
量形式，一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源
于植物的光合作用，在各种可再生能源中，生物质是独特的，
它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源。
生物质资源数量庞大，形式繁多，其中包括柴薪，农林
作物，尤其是为了生产能源而种植的能源作物，农业和林业
残剩物，食品加工和林产品加工的下脚料，城市固体废弃物，
生活污水和水生植物等等（中国生物质资源主要是农业废弃
物及农林产品加工业废弃物、薪柴、人畜粪便、城镇生活垃
圾等四个方面）。
7/20/2022 11化学与常规能源
生物能具备下列优点：
* 提供低硫燃料；
* 提供廉价能源(於某些条件下)；
* 将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；
* 与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。
其缺点有:
*小规模利用；
*植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；
*单位土地面的有机物能量偏低；
*缺乏适合栽种植物的土地；
*有机物的水分偏多(50%～95%)。
生物能的优缺点
7/20/2022 12化学与常规能源
据统计：
世界每年约产出×1011吨干生物量，
利用量仅为×108吨，不足总量的1%
；
生物质向人类提供了世界能源消费总量
的15%,仅次于石油、煤碳和天然气（生
物能是第四大能源）；
我国利用的生物质能约为×108吨标
准煤，占农村能源消费的70%左右。
7/20/2022 13化学与常规能源
传统能源使用的新方式
柴薪的传统使用方法是直接燃烧，其热利用率很
低，为15%左右，即使用新式节柴灶，也最多能
提高到25%左右，而且直接燃烧还会造成环境污
染。
总体思路：将固态的柴薪通过化学反应转化为可
燃性液态或气态化合物，即将生物能转化为化学
能，然后再燃烧放热。
气态燃料：沼气
液态燃料：甲醇、乙醇
7/20/2022 14化学与常规能源
一、气体燃料—沼气
生物质在厌氧条件下可生成沼气,其主要成份是甲烷
(CH4),甲烷燃烧热值高,而且干净,因此被称为清洁燃料。
另外，生成沼气的残渣、残液是优质的速效肥料。
沼气的原料可以是有机垃圾，既处理了生活垃圾的一部
分又清洁了环境，所以建设大型沼气池可同时处理城市
垃圾，还可以用于发电。
到2000年底，我国共建成了1000座工业废水和畜禽粪
便沼气工程形成了每年约6亿立方米沼气生产能力。我
国农村有500多万小型沼气池作为家用能源。
7/20/2022 15化学与常规能源
二、液体燃料
生物质经过发酵或高温热分解等方法可制造甲
醇、乙醇等干净的液态燃料。许多欧美国家已
经普及使用了乙醇或含乙醇的汽油做汽车燃料。
欧洲已有多家由木屑生产甲醇的工厂。
除利用农牧业的废料，科学家们成功地培植了
一些速生树木等高产作物以获取生物能源。
巴西：香胶树（又称石油树）每株每年产50KG左
右与石油成份相近的胶质。
美国：黄鼠草，每公顷年产6000kg石油；
巨型海藻，提炼类似柴油的燃料油。
7/20/2022 16化学与常规能源
生物能的开发和利用具有巨大的潜力
直接燃烧生物质来产生热能、蒸汽或电能。
利用能源作物生产液体燃料。目前具有发展潜力的能源作
物，包括：快速成长作物树木、糖与淀粉作物（供制造乙醇）
、含有碳氧化的合作物、草本作物、水生植物。
生产木炭和炭。
生物质（热解）气化后用于电力生产，如集成式生物质气
化器和喷气式蒸汽燃气轮机（BIG/STIG）联合发电装置。
对农业废弃物、粪便、污水或城市固体废物等进行厌氧消
化，以生产沼气和避免用错误的方法处置这些物质，以免引
起环境危害。
7/20/2022 17化学与常规能源
根据生物质能的作用和我国的现状，目前重点
发 展的项目如下：
（1）近期优先发展项目
· 生物质气化供气
· 生物质气化发电
· 大型沼气工程
· 生物质直接燃烧供热
（2）中长期化发展项目
· 生物质高度气化发电项目（BIG/CC）
· 生物质制氢等优质燃气
·� 生物质热解液化制油
7/20/2022 18化学与常规能源
Ⅱ.煤——最主要的固体燃料
概述
• 煤是我国的主要能源
• 煤的来源及形成
• 煤的化学组成
煤的利用方式
直接燃烧
综合利用
煤的气化
煤的干馏
煤的液化
7/20/2022 19化学与常规能源
煤是我国的主要能源
中国最早使用煤，700多年前，马可波罗看到中国
人烧煤，这是他第一次见识到一种可以燃烧的“黑
石头”
最早大规模使用煤的是英国：英国森林资源有限，
而英国又是产业革命的发源地，随着蒸汽机的发明
和推广，煤逐渐成为能源主角。
世界能源消费：20世纪70年代石油超过了煤。
发展中国家仍以煤为主要能源。
中国的能源消费构成：
煤所占比例为：1960年94%；1970年81%;1990年76%；2000
年68%
7/20/2022 20化学与常规能源
煤的来源（形成）
煤、石油和天然气是上亿年前的植物或动物变来
的，故被称为“化石能源”。它的主要演变过程
为：
约3亿年前的古生代——泥煤形成
随着地壳下降，下有地热，上有土石压力——褐
煤形成
地壳继续下降，较深的地方，压力继续增大，地
热温度可达20000C左右，形成烟煤，最后变成无
烟煤。
煤因此被称为化石能源
7/20/2022 21化学与常规能源
煤的化学组成
因产地而异。目前公认的平均组成含C、H、O、
N、S分别为%，%，%，%，%，
可折成原子比来表示：
C135H96O9NS
此外还含有其他的金属和非金属元素。
7/20/2022 22化学与常规能源
7/20/2022 23化学与常规能源
7/20/2022 24化学与常规能源
煤的利用方式
——直接燃烧
我国是一个燃煤大国。年消费量在10亿
吨以上。其中30%用于火力发电，炼焦；50%
用于各种工业锅炉、窑炉；20%的用于生活。
可见，绝大部分是直接烧掉。
直接燃烧的弊端：
1. 热效率低；
2. 化学利用率低；
3. 严重污染环境。
7/20/2022 25化学与常规能源
7/20/2022 26化学与常规能源
煤的综合利用
——煤的干馏（煤的焦化）
即隔绝空气加热，使煤分解生成：焦炉气（气体），煤焦
油（液体），焦炭（固体）
煤隔绝空气：控制干馏的温度可以得到不同的产品。
焦炉气中除可燃气体CO，H2，CH4外，还有乙烯、苯、
氨等。
煤焦油可提炼苯、酚、萘、蒽、菲等环状化合物，它
们是医药、农药、炸药、染料行业的重要原料，此外
还可分离出吡啶 、喹啉、机油、沥青等400多种化合
物；
焦炭的主要用途是炼铁，还可制成电石，电极等
7/20/2022 27化学与常规能源
煤的综合利用
——煤的气化
让煤在氧气不足的情况下，进行部分氧化，使煤中
的有机物部分分转化。
气化的主要目的有二个：产生气体燃料，便于管道
输送（车间、实验室、厨房）
气化的过程涉及10个左右的基本化学反应，根据不
同需要作不同的条件控制，产物的成分和比例不同。
7/20/2022 28化学与常规能源
煤的综合利用
——煤的液化(在研究过程中)
煤与石油有着相似的“成长经历”，有着
近似的“基因”，有可能通过一定化学反
应，将煤转化为石油。煤炭液化油可称为
人造石油。
煤的液化可分为直接和间接液化
7/20/2022 29化学与常规能源
直接液化：吨煤可以液化为一吨油，但不能直接用于
汽油。加H2，重整后可用于汽油，但成本加大
间接液化：5-6吨煤可以液化为1吨油，品位较纯，符合
环保要求
7/20/2022 30化学与常规能源
一碳化学
随着煤的气化和液化技术的重大突破，以煤为
原料的C1化学可望在今后形成一个新体系。
C1化学：以分子中含一个碳原子的化合物（如：
CH3OH、CO、CH4等）为原料来合成化工产品的
化学体系。
C1化学的发展对煤矿资源丰富的我国十分重要。
7/20/2022 31化学与常规能源
Ⅲ.石油和天燃气
石油的由来与分布
石油的组成与利用
石油的伴生物——天然气
7/20/2022 32化学与常规能源
石油的由来
石油在世界能源消耗结构中雄居首位，同时
是化工生产最主要的原料来源——被称为“
工业的血液”。
关于石油的成因，现在较为一致的观点：石
油是远古时代海洋或湖泊中动植遗体，在地
下经过漫长的复杂变化而形成的棕黑色黏稠
液态混合物。
7/20/2022 33化学与常规能源
石油的分布
未经处理的石油叫原油。目前查明储量最大的产油带
有两个，这两个都曾是海槽，因此有“海相成油”学
说。
• 长科迪勒地带：北起阿拉斯加和加拿大，经美国西海岸，
到南美委内瑞拉、阿根挺
• 特提斯地带：从地中海起经中东到印尼
我国已经开发的大小油田有160多个：大庆、胜利、
中原、华北、大港等。
我国还有大量的油气资源（大陆架）
7/20/2022 34化学与常规能源
石油的组成与利用
石油是极其庞杂的混合物，其中绝大多数是碳氢
化合物。（C元素与H元素的化合物→烃）
200年前，人类开始用蒸馏方法提炼石油
最先出来的沸点最低：汽油
其次是煤油
剩在锅里的是重油：柴油、润滑油、凡士林、石蜡、沥
青
7/20/2022 35化学与常规能源
石油的组成与利用
最初，人们利用煤油照明，汽油和重油是副
产品。
19世纪80年代：汽油发动机问世，汽油的产
量超过煤油。
柴油机的发明、内燃机的普及使工业对石油
的需求量直线上升。至此，石油方成为工业
的血液。
7/20/2022 36化学与常规能源
7/20/2022 37化学与常规能源
7/20/2022 38化学与常规能源
7/20/2022 39化学与常规能源
石油的组成与利用
当今社会，随着汽车的普及，汽油用量远大于煤
油。能否将煤油变成汽油呢？怎样提高汽油的性
能和品质呢？
热裂法（催化裂解法制汽油）
催化重整法
加氢精制
7/20/2022 40化学与常规能源
煤油变汽油——热裂法
经测定，汽油的主要成分是7~8个C原子的
烷烃，而煤油为含10~15个C原子的烷烃。
在加热加压条件下，通过催化剂，大分子
分裂为小分子，煤油变成汽油。
经催化裂化，从重油中能获得更多乙烯、
丙烯、丁烯等化工原料，也能获得较多较
好的汽油。
7/20/2022 41化学与常规能源
提高汽油性能——催化重整法
提高汽油的辛烷值（汽油性能的表征）
辛烷值：汽油中异辛烷（2,2,4-三甲基戊烷）
的含量，用以衡量汽油抗震性的高低。人们把抗
震性最差的正庚烷的辛烷值定为0（自燃点：
2230C），抗震性较好的异辛烷的辛烷值定为100
（自燃点：4180C） 。
7/20/2022 42化学与常规能源
辛烷值常用来衡量汽油的抗震程度，把抗震性较好的
异辛烷(2，2，4一三甲基戊烷)的辛烷值定为l00，爆震性
极强的正庚烷的辛烷值定为零，把汽油的抗震性和这两种
烃的不同比例的混合物进行比较，就可以得到该汽油的相
对辛烷值。目前，我国使用的车用汽油标号就是按照汽油
的辛烷值大小划分的，例如90号汽油表示该汽油的辛烷值
不低于90。
为了提高汽油的辛烷值，过去广泛使用的一种方法是
在汽油中添加少量抗震剂—四乙基铅（汽油精 ）；现在为
了提高汽油的辛烷值，一般采用甲基叔丁基醚[CH
3
—O—
C(CH
3
)
3
，又名MTBE ]作为高辛烷值组分。
汽油和汽油的标号
7/20/2022 43化学与常规能源
这是石油工业中另外一个重要过程。在一定的温度
压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构
的“重新调整”，转化为带支链的烷烃异构体，这
就能有效地提高汽油的辛烷值，同时还可得到一部
分芳香烃，这是原油中含量很少而只靠从煤焦油中
提取不能满足生产需要的化工原料，可以说是一举
两得。现用催化剂是贵金属铂（Pt）、铱（Ir）和
铼（Re）等，它们的价格比黄金贵得多，化学家们
巧妙地选用便宜的多孔性氧化铝或氧化硅为载体，
在表面上浸渍％的贵金属，汽油在催化剂表面只
要20～30s就能完成重整反应。
提高油品质量——催化重整法
7/20/2022 44化学与常规能源
提高油品质量——加氢精制法
蒸馏和裂解所得的汽油、煤油、柴油中都混有少量含N或
含S的杂环有机物，在燃烧过程中会生成NO
x
及SO
2
等酸性氧
化物污染空气，当环保问题日益受关注时，对油品中N，S
含量的限制也就更加严格。
现行的办法是用催化剂在一定温度和压力下使H
2
和这些杂
环有机物起反应生成NH
3
或H
2
S而分离，留在油品中的只是
碳氢化合物。
自70年代末开始，石油化工科学研究院针对我国油品特点，
开展了大量基础研究工作，开发出多种加氢催化剂，基本
满足了国内炼油工业的需要，并有出口。这类催化剂以
Al
2
O
3
为载体，活性组分有钴－钼（Co－Mo）、镍－钼（Ni
－Mo）、镍－钨（Ni－W）等体系。
7/20/2022 45化学与常规能源
天然气（与石油伴生）
天然气可分为两种：
• 干天然气（含甲烷80-90%），难液化，常用于
燃料。我国天然气多为干天然气
• 湿天然气，加压降温时易液化，常作裂解气原
料，制取乙烯。
我国是最早利用天然气的国家。比西方早1300年。
在晋朝初年开始利用，宋朝时已经大规模用于熬制
井盐。
陆上资源主要集中在四川盆地、陕甘宁地区、塔里
木盆地和青海，海上资源集中在南海和东海。此外，
在渤海、华北等地区还有部分资源可利用。
7/20/2022 46化学与常规能源
化学电池是一种将化学能直接转换为电能的装置，分为原电
池和蓄电池。
原电池 原电池通常由正极、负极、电解液以及容器和隔膜
等组成，它可表示为：负极/电解液/正极 。
Ⅳ.化学电池
原电池示意图
7/20/2022 47化学与常规能源
干电池
1800年伏打首先制成了伏打电池。1836年英国化
学家发明了古典原电池。1865年法国化学家勒克朗斯
发明了第—个干电池，现代的干电池不过是其改进。
7/20/2022 48化学与常规能源
锌锰干电池结构图
7/20/2022 49化学与常规能源
(2) 碱性干电池 用氢氧化钾代替氯化锌和氯化铵作
电解质，在这种电池里，电解质为碱溶液，有良好的导
电性能，比糊状的氯化铵溶液导电速度快得多；锌皮改
为锌粉，反应的面积要比锌皮大得多，因此可做到连续
大容量放电；外壳另有做成封闭型的铁皮，以防电解液
渗漏。
7/20/2022 50化学与常规能源
银锌钮扣电池
钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池体
积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工
作电压是伏，广泛应用于对体积和重量有严格要
求的场合，但价格昂贵。
7/20/2022 51化学与常规能源
蓄电池
蓄电池也称二次电池，是指放电后能充电复原继续使用的
化学电池。
(1) 铅蓄电池 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板
(正极)浸入30％（密度为— g/cm3）的硫酸水溶液所
组成。铅蓄电池充电后电压可达伏；放电后电压下降，
当电压降至伏时(这时溶液密度为 g/cm3 ) 不能再
使用，必须充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启
动电源，用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、汽车、
拖拉机、坦克的照明光源。
7/20/2022 52化学与常规能源
铅蓄电池 的电极反应
7/20/2022 53化学与常规能源
碱式镍镉蓄电池
7/20/2022 54化学与常规能源
银锌电池
7/20/2022 55化学与常规能源
发展中的新型电池
1、氢镍电池
氢镍电池是新型的蓄电池，其正极为氧化镍，负极为氢电
极（其内部气体压力可达4MP）。它的工作状态可划分为3
种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。
氢镍电池的电极反应及对应的标准电位
7/20/2022 56化学与常规能源
氢镍电池的电极反应及对应的标准电位
氢镍电池的的突出优点是循环寿命长，1977年起在地球
同步轨道条件下寿命超过10年。此外，它承受过充电和过放
电的能力很强。但其成本较高，电池放电速度较大，以及有
爆炸的可能性。尽管如此，氢镍电池的前景十分乐观，最终
将在航天领域内全面取代镉镍电池。
7/20/2022 57化学与常规能源
2、锂电池
锂是自然界电池最轻的金属元素，同时它又具有最低的电负性
（）。所以选择适当的正极与之匹配，可以获得较高
的电动势，具有最高的比能量，所谓比能量，即单位重量电极
物质所能放出的能量。
由于锂遇水会发生剧烈反应，所以应选用非水电解质溶液。日
本三洋公司首先推出Li/MnO
2
电池。其电极反应如下：
反应结束Li+进入MnO
2
晶格中。
7/20/2022 58化学与常规能源
锂电池的优异性能是：比能量高，使用温度
范围广，放电电压平坦。以固体电解质制成
的锂电池，体积小，无电解液渗漏，电压随
放电时间下降缓慢，电池寿命长，特别适用
于心脏起搏器的电源。主要缺点是：但在短
路或某些重负荷下，有发生爆炸的可能性。
7/20/2022 59化学与常规能源
3、燃料电池
所谓燃料电池，是通过电
化学过程将反应物（燃料）中
的化学能直接转化成电能的电
池装置。
燃料电池的基本组成是电
极、电解质、燃料和氧化剂。
工作时，燃料和氧化剂不间断
地分别输送到电池的两个电极
上，确保电池连续稳定工作。
氢-氧燃料电池的工作原理
7/20/2022 60化学与常规能源
氢-氧燃料电池的反应过程
燃料电池适用于航空事业，一则燃料电池有很高的比能
量，可降低向太空的发射费用。二则燃料电池的产物是水，
经处理后可供宇航员饮用，更可减少携带重量。
7/20/2022 61化学与常规能源
Ⅴ. 能源利用的化学本质
能源利用过程是能量的转化过程
如煤燃烧放热使蒸汽温度升高的过程就是化学能转化为热
能的过程；
高温蒸汽推动发电机发电的过程是内能转化为电能的过程；
电能通过电动机可转化为机械能；电能通过白炽灯泡或荧
光灯管可转化为光能；电能通过电解槽可转化为化学能等
等。
柴草、煤炭、石油和天然气等常用能源所提供的能量都是随
化学变化而产生的，多种新能源的利用也与化学变化有关。
7/20/2022 62化学与常规能源
能源利用的化学本质
——绝大多数能源利用的第一步是化学能的释放
化学能转化的实质是化学键的改组
化学变化的实质是原子的重新排列组合，化学变化
过程是旧化学键断裂和新化学键形成的过程。
7/20/2022 63化学与常规能源
