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新能源利用技术王一平教授天津大学化工学院2013.6.5第八章能源化工主要内容传统能源化工利用新能源发展能源化工一、传统能源化工从上世纪70年代后，随着我国石油化工的兴起，煤化工退居其次，发展缓慢。21世纪后至今，由于石油供应紧张，油价不断增高，石油化工受到挑战，煤化工产业重新受到关注并成为投资热点，一些大型煤炭液化、煤焦化、煤气化项目正在规划建设当中。2005年后，我国焦炭、电石和煤制化肥和甲醇产量居世界首位，成为煤化工产品生产大国。综合目前能源化工行业，可分为两大领域：石油化工，煤化工。能源化工石油化工煤化工产业1、石油化工原油中的主要元素是C（83%-87%）和H（11%-14%），还有S、N、O及其他微量元素(1～5%)，微量金属元素有V、Ni、Fe、Cu、As等。石油中的非碳氢原子称为杂原子。与国外原油相比，我国原油的含硫低、含氮量高。石油化工（Petrochemical）又称石油化学工业，指化学工业中以石油为原料生产化学品的领域，广义上也包括天然气化工。第二次世界大战后，石油化工高速发展，使大量化学品的生产从传统的以煤及农林产品为原料，转移到以石油及天然气为原料的基础上来。石油化工已成为化学工业中的基干工业，在国民经济中占有极重要的地位。石油化工原料主要为来自石油炼制过程产生的各种石油馏分和炼厂气，以及油田气、天然气等。石油馏分(主要是轻质油)通过烃类裂解、裂解气分离可制取乙烯、丙烯、丁二烯等烯烃和苯、甲苯、二甲苯等芳烃，芳烃亦可来自石油轻馏分的催化重整。石油轻馏分或天然气经蒸汽转化、重油经部分氧化可制取合成气，进而生产合成氨、甲醇等。石油化工范畴烯烃可生产各种醇、酮、醛、酸类及环氧化合物等。随着科学技术的发展，烯烃、芳烃经加工可生产包括合成树脂、合成橡胶、合成纤维等高分子产品及一系列精细化学品，如表面活性剂、染料等。石油化工生产，一般与石油炼制或天然气加工结合，相互提供原料、副产品或半成品，以提高经济效益。石油化工的作用（1）石油化工目前是能源的主要生产渠道石油炼制过程生产的汽油、煤油、柴油、重油以及天然气是当今世界的主要能源。（2）石油化工是材料工业的支柱之一金属、无机非金属材料和高分子合成材料，被称为三大材料。全世界石油化工提供的高分子合成材料目前产量约1.45亿吨，除合成材料外，石油化工还提供了绝大多数的有机化工原料。（3）石油化工促进了农业的发展石油化工提供的氮肥占化肥总量的80%，农用塑料薄膜加上农药的使用以及大量农业机械所需各类燃料，形成了石化工业支援农业的主力军。（4）各工业部门离不开石化产品现代交通工业的发展与燃料供应息息相关。金属加工、各类机械毫无例外需要多种润滑材料及其它配套材料。建材工业是石化产品的新领域，如塑料型材、门窗、铺地材料、涂料被称为化学建材。轻、纺工业是石化产品的传统用户，新材料、新工艺、新产品的开发与推广，都有石化产品的身影。当前，高速发展的电子工业以及诸多的高新技术产业，对石化产品，尤其是以石化产品为原料生产的精细化工产品提出了新要求。石油化工应用石油化工的下游产品合成材料（工业）能源农业合成材料合成树脂合成橡胶合成纤维制造塑料、制造合成纤维、涂料、胶粘剂、绝缘材料等的基础原料。制造飞机、军舰、汽车收割机、水利排灌机械、医疗器械等所必需的材料。丙纶、腈纶，维尼纶，锦纶，涤纶等。烯烃能源石油燃料-汽车用油，航空煤油，高速、中速、低速柴油，液化石油气，炉用燃料油和船舶用燃料油润滑油和润滑脂蜡、沥青和石油焦农业化肥农药，石化提供氮肥产量的80%。农用薄膜基本来自石化农机燃料-柴油2、煤化工煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质主要由碳（C，82%-93%）、氢（H，3.6%-5%）、氧（O，1.3%-10%）、氮（N，1%-2%）四种元素构成；煤中的无机物质，主要有硫（S）、磷（P）以及稀有元素等。世界上所有的元素均可在煤中找到。煤是黑色黄金。煤化工是以煤为原料，经过化学加工使其转化为气体，液体，固体燃料以及其它化学品的工业。煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工。煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范围。煤化工利用的生产中，炼焦是应用最早的工艺，并且至今仍然是煤化学工业的重要组成部分。煤气化用于生产各种燃料气，是干净的能源;煤气化生产的合成气是合成液体燃料等多种产品的原料。煤直接液化，即煤高压加氢液化，可以生产人造石油和化学产品。新一代煤化工技术是指以煤气化为龙头，以一碳化工技术为基础，合成、制取各种化工产品和燃料油的煤炭洁净利用技术，与电热等联产可以实现煤炭能源效率最高、有效组分最大程度转化、投资运行成本最低和全生命周期污染物排放最少的目标。煤化工应用煤化工二甲醚煤制油天然气焦化冶金用焦烯烃甲醇二甲醚代替制冷剂发泡剂燃料制药农业汽油添加剂降低尾气排放降低噪音无烟排放可代替氟利昂，对臭氧无损害用于成分合成煤制油洁净能源如：清洁柴油（煤的液化）天然气煤化天然气烯烃被称为石化工业之母减少对石油的依赖降低成本乙烯，丙烯合成橡胶，纤维合成树脂等甲醇制造甲醛、醋酸、氯甲烷甲氨、硫酸二甲酯等农药、医药的重要原料之一新型清洁燃料，加入汽油二、利用新能源发展能源化工能源与环境问题已成为世界发展的主题。石油和煤炭等化石能源逐渐枯竭，传统能源化工在转化能源与资源时产生严重污染。雾霾天气，温室效应，酸雨等环境问题的凸显。分布式供能系统的利用使得太阳能、风能等新能源的应用范围更加广泛。新能源，尤其是风力和太阳能发电的成本在不考虑质量的情况下已经很低。1、太阳能和风能利用发电使用存储转化超级电容蓄电池机械手段化工手段（能源化工）抽水蓄能压缩空气飞轮磁悬浮制氢并开展下游利用氯碱工业海水淡化、污水淡化2、关键技术多转子风力发电技术海水淡化技术电解制氢技术回转驱动系统风轮桅机舱塔架风轮拉索横梁3、海水淡化多效蒸发多级闪蒸反渗透法蒸汽压缩蒸馏（1）多效蒸发加热后的海水在多个串联的蒸发器中蒸发，前一个蒸发器蒸发出来的蒸汽作为下一蒸发器的热源，并冷凝成为淡水。低温多效蒸馏热利用率高，缺点是锅垢危害严重、设备费用较高。（2）多级闪蒸多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站联合建设，设备构造简单，费用较低，适合于大型和超大型淡化装置。缺点是盐水循环量大、运行费用高。（3）反渗透法通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重点转向反渗透法。受高压操作和半透膜性能的限制，单个淡化器产量不能太大和原水浓度不宜过高。原水利用率只有75-80%；对水的预处理要求高，膜需要定期清理，膜成本高。（4）蒸汽压缩蒸馏蒸汽压缩蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。除了开工之初需辅助热源产生蒸汽作为起动外，不需要外部热源，热利用率高。利用可再生能源为压缩机提供电力，可大大降低成本。4、电解制氢（1）传统制氢氢气广泛用于工业过程中，如石油、化工、冶金、医药、航天等，其中用量最大的石油化工工业；从化石能源为原料制氢是目前最主要的制氢方式，技术和工业化设备成熟，但是产生CO2等对大气层有害的气体。（2）电解水制氢电解水制氢是已经成熟的一种传统制氢方法，具有产品纯度高和操作简便的特点。制氢能耗为4.2-4.7kW·h/m3H2，电解效率一般只有75％-80％；尽管先进的PEM电解工艺的能耗可降为3.0kW·h/m3H2，但工业化的电解水制氢成本仍然很高。电解水成本组成在电解水制氢的生产费用构成中，原材料费用占81.9%，设备投资费用占14.1%，操作与管理费用占4.0%。电费占整个电解水制氢生产费用的82%。可再生能源电解水是制得廉价氢气的发展方向传统的天然气重整制氢，成本约为10$/GJ，随着化石燃料的日益枯竭，重整制氢成本会相应增大;电解槽和太阳能电池联合使用制氢，制氢成本为24-41$/GJ；电解槽和风力发电联合使用，制氢成本为11-20$/GJ,随着风力发电技术的发展,制氢成本会进一步下降。（3）重水提炼重水主要用作核反应堆的慢化剂和冷却剂，用量可达上百吨。重水分解产生的氘是热核燃料，是制氢弹的原料。重水还可做示踪物质。电解水的过程，由于电极电位的不同，是先电解轻水、后电解重水，据此可以获得重水。重水生产方法在天然水中，重水（DO2）的含量约占0.015％；重水可以通过电解、蒸馏或以化学方法从普通水中提炼出来；电解法操作简单、可使重水很快浓集，但耗电能太大。？（4）以电解H2及CO/CO2为原料的化工合成（a）合成氨氢气用量最大的用处是合成氨，世界上约60%的氢是用在合成氨上。(b)制甲烷OHCHHCO2423OHCHHCO242224通过甲烷化可以利用CO2，减少碳排放。(c)制甲醇粉煤纯氧加压气化技术制合成气生产甲醇，合成气中CO多而H2少(H2/CO=0.42，物质的量比)，每吨煤制甲醇放空CO2为1.53吨。若配入水电解制的H2，满足合成甲醇的H2:CO=2，基本做到CO2零排放。（d）一碳化工利用羰基合成反应可以从烯烃生产醛和进一步加氢生产醇（重要的增塑剂）。从合成气也可直接或间接合成液体燃料、烯烃和其他重要的含氧化合物（除了甲醇以外的其他醇、醋酸、醋酐、二甲醚、甲酸、甲酸甲酯等等,通过费托合成可以生成长链有机化合物）。Thankyou！新能源利用技术复习大纲1、中国能源利用与国际相比有何特点？2、什么是新能源？包含哪些类型？3、我国太阳能资源分布的特点是什么？4、太阳能主要的利用方式有哪些？5、平板太阳能集热器的集热原理是什么？6、平板太阳能集热器吸热体有哪些类型？什么样的管板结合方式有利于管板间的热传导？7、全玻璃真空管集热器的工作原理是什么？8、热管式真空管集热器的结构和工作原理是什么？9、什么是太阳热水系统？太阳热水系统运行方式有哪些？10、为什么真空管热水器要控制水温不要过高？11、常用的太阳能干燥系统有哪些？简述其原理和特点。12、太阳能干燥过程中，影响干燥速度的主要因素有哪些？13、物料干燥曲线的定义是什么？干燥曲线对进行太阳能干燥作业有什么作用？14、什么是太阳灶？其类型及工作原理是什么？使用太阳灶应注意什么？15、太阳电池的基本原理是什么？如何分类？16、什么是太阳电池组件的热斑效应？17、根据光伏电池I-V曲线，光伏电池的短路电流与哪些因素有关？开路电压与哪些因素有关？18、光伏电池的能源回收期与哪些因素有关？19、太阳能热发电的形式有哪些？简述其特点和工作原理20、独立光伏系统有哪些重要部分组成？各有什么功能？21、什么是被动式太阳房？分为哪几种？简述其原理和特点。22、什么是主动式太阳房？分为哪几种？简述其原理和特点。23、光催化反应的应用形式有哪些？24、影响风能大小的主要因素？风能可以转变为哪些其它形式的能源？25、风力发电是目前风能利用的重要方式，请分别简单绘制出一个垂直轴和水平轴风机，并指出二者的区别和优缺点。并在水平轴风机的叶片上标示出升力（L）和阻力（D）。26、为什么现在的水平轴风机大多采用3个叶片？27、生物质能的开发和利用方式有哪些？28、利用生物质能发电有哪些方式？简述其原理29、生物质气化的定义如何？基本工作原理是什么？30、生物质气化燃气中的焦油有哪些特点和危害？如何去除？31、潮汐发电的形式有哪些？简述其工作原理32、海水温差发电的原理如何？简述海洋