安徽理工大學(xué)《化工原理》課程實施教學(xué)大綱PAGEPAGE1《化工原理》實施教學(xué)大綱前言《化工原理》課程是研究化工生產(chǎn)過程中常用物理單元操作理論及典型設(shè)備的課程。是化工類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，在化工行業(yè)素有“萬金油”之美稱。通過學(xué)習(xí)本課程可使學(xué)生對相關(guān)化工單元操作的有關(guān)基本理論及典型設(shè)備有較為全面的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念。為保證本課程的教學(xué)，現(xiàn)根據(jù)工科化工類專業(yè)的特點及培養(yǎng)目標，本著理論夠用為度、強化實踐技能培養(yǎng)的原則，特制定本教學(xué)大綱，望各位任課老師參照執(zhí)行。一、本課程的性質(zhì)與任務(wù)本課程是化工類專業(yè)繼高等數(shù)學(xué)、物理化學(xué)、工程力學(xué)、化工制圖等課程的后續(xù)課程，是化工類專業(yè)的一門極為重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程?？善鸬交A(chǔ)課程與專業(yè)課程間的橋梁作用，也就是我們通常所說的“平臺課程”。本課程是研究化工單元操作的課程；是直接服務(wù)于化工生產(chǎn)第一線的課程。該課程強調(diào)工程觀念、經(jīng)濟觀念、定量運算化工過程及設(shè)備的工藝尺寸；強調(diào)實際技能的訓(xùn)練，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合、提高分析問題、解決問題的能力。培養(yǎng)學(xué)生對單元操作設(shè)備的操作與調(diào)控能力、標準設(shè)備的選型設(shè)計能力、生產(chǎn)運營管理能力、系統(tǒng)優(yōu)化及新產(chǎn)品開發(fā)能力。由于單元操作是在特定的機器或設(shè)備內(nèi)進行的，且設(shè)備在技術(shù)上的先進程度，對這些單元操作能否有效進行的影響極大。研究相關(guān)單元操作的基本原理和規(guī)律，熟悉實現(xiàn)這些操作的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、操作方法、主要性能和有關(guān)技術(shù)問題，并掌握一定的運算能力、選型及設(shè)計能力，以便于學(xué)生在工程實踐中能運用這些知識去分析和解決實際問題，使各項操作在最優(yōu)化條件下進行，并創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益，這是我們學(xué)習(xí)本課程的目的與任務(wù)。二、教學(xué)基本要求通過本課程的教學(xué)，學(xué)生應(yīng)達到下列基本要求：1、熟悉常見單元操作設(shè)備的構(gòu)造、工作原理；2、掌握常見單元操作設(shè)備的操作、安裝及調(diào)試方法；3、具備常見單元操作的工藝計算能力；4、了解、掌握常見單元操作設(shè)備的選型設(shè)計方法；5、了解、掌握過程強化及節(jié)能的基本原理和基本方法；6、具備單元操作流程的規(guī)劃、管理能力；7、具備綜合所學(xué)知識進行單元操作系統(tǒng)技改的能力。三、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置原則為體現(xiàn)工科學(xué)校的教學(xué)特點，強化對學(xué)生的應(yīng)用技能培養(yǎng)，實施目標教學(xué)，使學(xué)生畢業(yè)后能迅速適應(yīng)工作崗位的要求，在教學(xué)內(nèi)容安排上一是要充分貫徹“三實精神”（即實踐、實際、實用），本著理論夠用為度的原則，力求深入淺出，加大應(yīng)用知識比重；二是要力求從我國的國情出發(fā)，著重介紹當(dāng)前化工生產(chǎn)過程中常用單元操作設(shè)備，并注意新知識點的契入，介紹國內(nèi)外單元操作的先進技術(shù)及設(shè)備。四、教學(xué)內(nèi)容（160學(xué)時）緒論（講授4學(xué)時）本課程的起源與發(fā)展；本課程的性質(zhì)與任務(wù)；基本概念（1）穩(wěn)定系統(tǒng)與不穩(wěn)定系統(tǒng)（系統(tǒng)分類、穩(wěn)定系統(tǒng)的特性—連續(xù)性、質(zhì)量守恒、能量守恒）（2）過程平衡與過程速率（3）經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式（實驗關(guān)聯(lián)方法、對數(shù)坐標系、特征數(shù)與因次）第一章流體力學(xué)（24學(xué)時）流體的基本物性（講授4學(xué)時）1、流體的密度、質(zhì)量體積與比重（定義、換算關(guān)系、計算方法）2、流體的靜壓強（定義、特性、計量與測量方法）3、流量與流速（體積流量與質(zhì)量流量、體積流速與質(zhì)量流速、換算關(guān)系）4、流體的粘度（牛頓粘性定律、粘度及粘度計算）第二節(jié)流體靜力學(xué)（講授4學(xué)時）1、流體靜力學(xué)基本方程式（靜力學(xué)方程的推導(dǎo)、討論）2、靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用（1）系統(tǒng)壓強差或表壓強的測量—液柱壓差計（液柱壓差計的特點與適用范圍、正U形管壓差計、倒U形管壓差計、雙液柱微差計、單管壓差計及斜管壓差計）（2）液位的測量（近程測量、遠程測量）（3）液封高度的計算（液封的作用與分類、液封計算）第三節(jié)柏努利方程式及其應(yīng)用（講授4學(xué)時）1、穩(wěn)定流動系統(tǒng)中的能量類型2、柏努利方程及其討論（方程式的推導(dǎo)、討論）3、柏努利方程的應(yīng)用（1）計算截面與基準面的選擇原則（2）應(yīng)用示例（高位槽供液系統(tǒng)及計算、確定流體輸送設(shè)備的有效功率、確定送液系統(tǒng)的氣體壓強、系統(tǒng)流量的測量）第四節(jié)管流過程（講授2學(xué)時）1、流體阻力的表現(xiàn)及形成原因2、流體的流動型態(tài)及判定（流動型態(tài)劃分、雷諾數(shù)與流動型態(tài)判定）3、流動邊界層概念（定義、形成與發(fā)展、分離）第五節(jié)管網(wǎng)基礎(chǔ)（講授2學(xué)時）1、管網(wǎng)的分類2、管網(wǎng)的基本構(gòu)成（管材、管件與閥門）3、流速與管規(guī)格選擇4、管網(wǎng)運行第六節(jié)管流系統(tǒng)的阻力損失計算（講授4學(xué)時）1、直管阻力損失計算（計算通式的推導(dǎo)、摩擦因數(shù)及其確定）2、局部阻力損失計算（當(dāng)量長度法、阻力系數(shù)法）3、系統(tǒng)阻力損失計算第七節(jié)管路計算（講授2學(xué)時）1、簡單管路計算（解決問題的類型、試差法、系統(tǒng)流量估算、配管計算）2、復(fù)雜管路計算原則（并聯(lián)管路、分支管路）第八節(jié)流量測量（講授2學(xué)時）1、測速管（構(gòu)造與裝配、測量基本原理）2、孔板流量計（構(gòu)造與裝配、測量基本原理、選用與校核）3、文氏流量計（構(gòu)造與裝配、測量原理）4、轉(zhuǎn)子流量計（構(gòu)造與裝配、測量原理、校核方法）第二章流體輸送（14學(xué)時）第一節(jié)離心泵（講授8學(xué)時）1、離心泵的構(gòu)造與工作原理（1）離心泵的主要構(gòu)造與工作原理（泵體、葉輪、工作原理）（2）離心泵的配套構(gòu)造（軸封裝置、平衡裝置）2、離心泵的性能（1）離心泵的主要性能（2）離心泵的特性曲線（特性曲線及其討論、應(yīng)用）3、離心泵的吸上高度（1）離心泵的吸上高度（2）極限吸上高度與氣蝕現(xiàn)象（3）離心泵吸上高度的確定方法（允許氣蝕余量法）4、離心泵的型號與選用5、離心泵的操作與調(diào)節(jié)（1）離心泵的操作步驟（2）離心泵的工作點及調(diào)節(jié)（工作點的確定、調(diào)節(jié)方法）（3）離心泵的串、并聯(lián)操作（串聯(lián)、并聯(lián)、組合操作選擇）第二節(jié)其它生產(chǎn)用泵（講授2學(xué)時）1、往復(fù)泵（1）往復(fù)泵的構(gòu)造與工作原理（主要構(gòu)造、工作原理、空氣室）（2）往復(fù)泵的性能（3）正位移系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方法（4）比例泵（構(gòu)造、工作原理）2、旋液泵（構(gòu)造、工作原理、性能）3、軸流泵（構(gòu)造、工作原理、性能）4、混流泵（構(gòu)造、工作原理、性能、型號與選用）5、各類生產(chǎn)用泵的性能比較第三節(jié)氣體輸送設(shè)備（講授4學(xué)時）1、離心式通風(fēng)機、鼓風(fēng)機、壓縮機（構(gòu)造、性能及選用）2、蘿次鼓風(fēng)機（構(gòu)造與工作原理、性能及選用）3、液環(huán)壓縮機（構(gòu)造、工作原理及選用）4、往復(fù)式壓縮機（構(gòu)造、工作原理、分類、配套設(shè)置、性能、多級壓縮及流程）5、氣體輸送設(shè)備的性能比較第三章非均相系統(tǒng)的分離（16學(xué)時）第一節(jié)重力沉降（講授4學(xué)時）1、自由沉降與自由沉降速度（1）自由沉降（2）自由沉降速度（3）阻力系數(shù)2、重力沉降設(shè)備及計算（1）基本要求（分離效率、生產(chǎn)能力、停留時間）（2）降塵室（降塵氣道、淺層沉淀原理、多層隔板式降塵室）（3）沉淀池（平流式、輻射流式、斜板式沉淀池）第二節(jié)離心沉降（講授4學(xué)時）1、離心沉降與離心沉降速度（1）離心沉降（2）離心沉降速度與分離因數(shù)2、離心沉降設(shè)備及計算（1）旋風(fēng)分離器（構(gòu)造與操作原理、分離性能、型號與選用）（2）旋流澄清器（構(gòu)造、操作原理、分離性能及適用范圍）（3）離心機（構(gòu)造、分類、操作原理、性能及適用范圍）過濾（講授6學(xué)時）1、基本概念（過濾的定義、基本原理、分類及相關(guān)名詞術(shù)語）2、過濾速率與過濾速率方程3、恒壓過濾（恒壓過濾方程、恒壓過濾計算）4、過濾設(shè)備（1）袋濾器（構(gòu)造、工作原理及流程）（2）轉(zhuǎn)鼓真空過濾機（構(gòu)造、工作原理及流程、工藝計算）（3）快濾池（構(gòu)造、工作原理及流程）第四節(jié)其它氣體凈化設(shè)備（講授2學(xué)時）1、慣性分離（構(gòu)造、工作原理及流程）2、電除塵器（構(gòu)造、工作原理及流程）3、文氏除塵器（構(gòu)造、工作原理及流程）4、泡沫除塵器（構(gòu)造、工作原理及流程）5、洗氣塔（構(gòu)造、工作原理及流程）6、非均相物系分離方案的選擇第四章傳熱（26學(xué)時）第一節(jié)概述（講授2學(xué)時）1、傳熱學(xué)研究解決的問題2、傳熱的基本方式3、工業(yè)換熱設(shè)備的類型4、傳熱名詞第二節(jié)傳熱基本方程式（講授1學(xué)時）1、傳熱速率2、傳熱推動力3、傳熱壁面積4、傳熱基本方程式第三節(jié)傳熱速率與熱負荷（講授3學(xué)時）1、熱負荷的定義2、熱負荷與傳熱速率間的關(guān)系3、熱負荷計算方法（1）焓差法（2）顯熱法（3）潛熱法（4）二步法第四節(jié)傳熱平均溫度差（講授2學(xué)時）1、恒溫傳熱2、變溫傳熱（1）傳熱壁兩側(cè)流體的相對運動（2）并、逆流過程的平均溫度差計算（3）錯、折流過程的平均溫度差計算第四節(jié)一維穩(wěn)定熱傳導(dǎo)（講授4學(xué)時）1、傳導(dǎo)的定義、基本原理及分類2、傅立葉定律3、傅立葉定律的應(yīng)用（1）平壁導(dǎo)熱計算（2）空心圓柱體導(dǎo)熱計算（3）空心球體導(dǎo)熱計算第五節(jié)對流傳熱（講授4學(xué)時）1、間壁式換熱機理2、牛頓冷卻定律3、對流傳熱系數(shù)及其影響因素4、無相變傳熱過程的對流傳熱膜系數(shù)計算。第六節(jié)傳熱系數(shù)與傳熱壁面積（講授2學(xué)時）1、傳熱系數(shù)K計算公式的推導(dǎo)2、K計算公式的簡化及傳熱面積計算第七節(jié)傳熱計算示例（講授2學(xué)時）第八節(jié)換熱器（講授6學(xué)時）1、換熱器簡介（1）夾套式（2）蛇管式（3）套管式（4）列管式（5）螺旋板式（6）波紋板式（7）板翅式2、換熱器的性能比較3、非標準列管式換熱器的工藝設(shè)計方法4、標準列管式換熱器的選型設(shè)計方法第五章蒸發(fā)（10學(xué)時）第一節(jié)概述（講授2學(xué)時）1、蒸發(fā)的定義、基本原理及分類2、蒸發(fā)專用名詞3、典型蒸發(fā)流程簡介第二節(jié)單效蒸發(fā)（講授6學(xué)時）1、單效蒸發(fā)器的物料衡算與熱量衡算2、單效蒸發(fā)器的沸點升高與Δtm計算3、管內(nèi)沸騰過程的α計算4、單效蒸發(fā)器的傳熱面積計算5、單效蒸發(fā)器的選型設(shè)計第三節(jié)多效蒸發(fā)（講授2學(xué)時）1、多效蒸發(fā)流程2、蒸發(fā)系統(tǒng)的熱效率與節(jié)能第六章蒸餾與精餾技術(shù)（24學(xué)時）第一節(jié)概述（講授4學(xué)時）1、基本概念（定義、基本原理及分類）2、二元溶液的氣液相平衡（1）溶液的分類（2）理想溶液的氣液相平衡（3）非理想溶液的氣液相平衡3、蒸餾方式（簡單蒸餾、平衡蒸餾、精餾原理及流程）第二節(jié)二元板式連續(xù)精餾塔的物料衡算（講授4學(xué)時）1、恒摩爾流假設(shè)2、全塔物料衡算—產(chǎn)品流量的確定3、精餾段的物料衡算與精餾段操作線方程4、提餾段的物料衡算與提餾段操作線方程5、加料板的物料衡算—兩段氣液相流量的確定6、精、提餾段操作線的交點軌跡方程7、操作線的畫法第三節(jié)二元板式連續(xù)精餾塔的塔板數(shù)（講授4學(xué)時）1、理論塔板數(shù)（1）理論塔板的概念（2）理論塔板數(shù)的確定（逐板計算法、圖解法）2、實際塔板數(shù)（1）板效率（單板效率、塔效率）（2）實際塔板數(shù)的確定第四節(jié)操作回流比（講授2學(xué)時）1、操作回流比對精餾操作的影響2、全回流與最少理論塔板數(shù)3、最小回流比及其確定4、適宜操作回流比的確定5、進料狀態(tài)對精餾操作的影響第五節(jié)特殊精餾（講授2學(xué)時）1、水蒸汽精餾（基本原理、流程）2、恒沸精餾（基本原理、典型流程）3、萃取精餾（基本原理、典型流程）第六節(jié)多元精餾（講授2學(xué)時）1、多元精餾的特點2、多元精餾系統(tǒng)的氣液相平衡3、多元精餾系統(tǒng)的簡化計算方法第七節(jié)板式塔（講授6學(xué)時）1、板式塔簡介（1）板式塔的主要構(gòu)造（2）塔板結(jié)構(gòu)與性能（3）溢流方式（4）板式塔的非正常操作現(xiàn)象（5）板式塔的總體設(shè)計要求2、浮閥塔的工藝設(shè)計（1）初估塔徑（2）溢流裝置設(shè)計（3）浮閥數(shù)與塔板布置（4）性能校核—負荷性能圖（5）操作彈性及調(diào)整第七章氣體吸收（16學(xué)時）第一節(jié)概述（講授2學(xué)時）1、基本概念（吸收的定義、基本原理、分類、流程）2、填料類型與特性（類型、特性、裝填方式）3、吸收系統(tǒng)的氣液相平衡（1）溶解度曲線（溶解度曲線及討論、亨利定律與亨利系數(shù)）（2）吸收推動力及過程判定第二節(jié)吸收機理與吸收速率方程（講授2學(xué)時）1、擴散方式2、雙膜理論模型3、吸收速率與吸收速率方程第三節(jié)吸收系數(shù)（講授2學(xué)時）1、吸收總系數(shù)與分系數(shù)間的關(guān)系（界面濃度的確定、總系數(shù)與分系數(shù)間的定量關(guān)系、膜控制過程）2、吸收分系數(shù)（分系數(shù)間的換算關(guān)系、分系數(shù)經(jīng)驗公式及適用范圍）第四節(jié)單組分填料吸收塔的工藝設(shè)計（講授8學(xué)時）1、溶劑的選擇與用量確定（1）溶劑的選擇原則（2）填料吸收塔的物料衡算（吸收能力計算、吸收操作線方程）（3）操作液氣比的影響及其確定（4）溶劑用量與出口濃度的確定2、填料塔塔徑的確定（1）填料的選用原則（2）操作空塔氣速的確定－埃克特通用關(guān)聯(lián)圖（3）塔徑的確定與校核（包括壓力降與潤濕率校核）3、填料層高度的計算（1）填料層高度計算通式的推導(dǎo)（2）傳質(zhì)單元的概念（3）對數(shù)平均推動力法（4）解吸因子法（5）圖解積分法4、附件設(shè)計（液體分布器、再分布器、捕沫器、填料支承）第五節(jié)其它吸收與解吸（講授2學(xué)時）1、高濃度氣體吸收（特點、簡化計算方法）2、多組分吸收（特點、計算方法簡介）3、化學(xué)吸收（特點、控制因素）4、解吸與解吸流程（原理、流程、工藝計算方法）第八章其它分離技術(shù)（14學(xué)時）第一節(jié)萃取分離技術(shù)（講授4學(xué)時）1、基本概念（定義、基本原理與流程、相關(guān)名詞術(shù)語）2、萃取平衡——三角相圖的應(yīng)用（1）三元溶液組成的圖示（2）萃取系統(tǒng)的杠桿規(guī)則（3）萃取系統(tǒng)的溶解度曲線（4）萃取計算3、工業(yè)萃取設(shè)備（1）混合澄清器（2）萃取塔（噴灑塔、填料萃取塔、篩板萃取塔、脈沖篩板塔、往復(fù)篩板塔、轉(zhuǎn)盤萃取塔）（3）離心萃取器4、超臨界氣體萃?。?）超臨界氣體萃取基礎(chǔ)（2）典型流程及應(yīng)用第二節(jié)膜分離技術(shù)（講授6學(xué)時）1、膜分離概念與分類2、膜分離設(shè)備類型3、膜分離指標參數(shù)及影響4、膜分離過程簡介（1）電滲析（原理、典型流程及應(yīng)用）（2）反滲透（原理、典型流程及應(yīng)用）（3）微濾（原理、典型流程及應(yīng)用）（4）超濾（原理、典型流程及應(yīng)用）（5）納濾（原理、典型流程及應(yīng)用）（6）氣體膜分離（原理、典型流程及應(yīng)用）（7）液膜分離（原理、典型流程及應(yīng)用）第三節(jié)吸附分離技術(shù)（講授2學(xué)時）1、基本概念（吸附原理、吸附劑）2、吸附平衡與吸附速率3、吸附設(shè)備（固定床、移動床、變壓吸附）4、吸附分離技術(shù)的應(yīng)用第四節(jié)離子交換技術(shù)（講授2學(xué)時）1、離子交換劑2、離子交換平衡3、離子交換設(shè)備4、離子交換技術(shù)的應(yīng)用第九章固體干燥（12學(xué)時）第一節(jié)概述（講授4學(xué)時）1、去濕與干燥的分類2、干燥機理與流程3、濕空氣的性質(zhì)4、濕度圖及其應(yīng)用第二節(jié)空氣干燥器的物料衡算（講授2學(xué)時）1、空氣干燥器的物料衡算方程2、干燥產(chǎn)品流量的確定3、水分蒸發(fā)量4、干空氣的消耗量及風(fēng)機工作流量第三節(jié)空氣干燥器的熱量衡算（講授2學(xué)時）1、空氣干燥器的熱量衡算方程2、空氣干燥器的熱效率3、空氣出口狀態(tài)的確定第四節(jié)恒定干燥條件下的干燥時間計算（講授2學(xué)時）1、物料水分的性質(zhì)2、恒定干燥條件下的干燥速率曲線3、恒定干燥條件下的干燥時間計算第五節(jié)空氣干燥器簡介（講授2學(xué)時）1、盤架式干燥器2、帶式干燥器3、滾筒干燥器4、氣流干燥器5、轉(zhuǎn)筒干燥器（轉(zhuǎn)窯）6、沸騰床干燥器7、噴霧干燥器8、升華干燥五、學(xué)時分配表教學(xué)內(nèi)容學(xué)時數(shù)緒論4第一章流體力學(xué)24第二章流體輸送14第三章非均相系統(tǒng)的分離16第四章傳熱26第五章蒸發(fā)10第六章蒸餾與精餾技術(shù)24第七章氣體吸收16第八章其它分離技術(shù)14第九章固體干燥12合計160六、幾點說明1、本大綱是根據(jù)我校的辦學(xué)條件并結(jié)合工科化工類專業(yè)的專業(yè)特色制定的。2、本課程的工程性、實踐性和相關(guān)知識的綜合性較強，教學(xué)方法應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，重視學(xué)生智力的開發(fā)和能力的培養(yǎng)并貫串整個教學(xué)過程始終。3、在教學(xué)過程初期應(yīng)安排學(xué)生到有關(guān)廠家進行認識實習(xí)并根據(jù)教學(xué)要求配套開設(shè)相關(guān)實驗課程；在課程結(jié)束前，應(yīng)安排1～2周的課程設(shè)計，以加強實踐能力培養(yǎng)，使理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機地結(jié)合起來。4、教師在進行課程教學(xué)的同時，要引導(dǎo)學(xué)生自覺學(xué)習(xí)選學(xué)教學(xué)內(nèi)容。

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展而不停地進行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中一個具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的重要標志,能源問題對社會經(jīng)濟發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計,世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴峻,據(jù)2002年統(tǒng)計,中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費總量從1978年的5.3億噸標準煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計,我國在2004,2020和2050年的石油消費量達3,4.5和6億噸,其中進口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進口量相當(dāng)于目前美國的石油進口量,這不但會制約我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料造成嚴重環(huán)境污染和氣候異?；剂系氖褂靡鸬沫h(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計到2025年,將位居第一.在本世紀初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個環(huán)境污染最嚴重的城市中,七個在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟南和石家莊.4.21世紀世界能源發(fā)展趨勢世紀世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費.目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個國家能源利用情況的綜合性指標,也是一個國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標志.許多研究報告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測,20世紀形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報告認為,在20世紀上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強化新化石能源的開發(fā)將得到強化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計,世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進一步得到重視核能的利用將進一步得到重視據(jù)國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計,在20世紀末,全世界運行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強勁的增加趨勢,我國準備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因為在海水中大約有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀能得到應(yīng)用,在21世紀末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點.(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達4.5億噸標準煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)模化利用可有效緩解世界能源供需矛盾.(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點.(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃氣,實現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟效益,這是生物質(zhì)能至今未能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)模化利用是迫切需要解決的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點太陽能的優(yōu)點(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時,相當(dāng)于74萬噸標準煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達幾百兆瓦,但由于價格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達到實用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點氫能的優(yōu)點(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會.2003年在華盛頓召開15個國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.冰島計劃用40年時間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進入氫能時代已成為近年來的熱門話題,21世紀將是氫能世紀.布什舉著使用氫燃料的照相機我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟的中美雙邊會議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價格氫的制備,儲存和運輸中的價格問題,是影響走進氫能時代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價格,必須形成氫的制備,儲存和運輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點,從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠的距離.(3)氫的儲運問題(3)氫的儲運問題氫的儲運技術(shù)主要解決儲運的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運技術(shù)不過關(guān),因此浪費了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲運技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標立方米以上.因此解決氫的儲運問題也是走進氫能時代的一個很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲運還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點,但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時代周刊》把燃料電池列為21世紀十大高新科技之首,燃料電池已被認為是21世紀極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點,而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時才能商品化是一個與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計,如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機要占的面積要有半個加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費大于氫燃料的研究經(jīng)費.美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費每月390億美元.(7)氫燃料電池價格昂貴.目前內(nèi)燃機成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點.(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點.2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高缺點:對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu)點:穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點:用貴金屬作催化劑,價格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點:比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點:對CO敏感,價格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設(shè)備動力源優(yōu)點:比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時,商業(yè)上要4萬小時.(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點:不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強.能量轉(zhuǎn)換率最高,可達80%以上.問題:高溫下,密封困難,放大困難.價格高.5.PEMFC發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀(1)世界各國對世界各國對PEMFC的重視世界各國對的重視近十年來,近十年來,PEMFC技術(shù)的研究開發(fā)受到技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,許多國家的政府和跨國大公司的極大重視,已出現(xiàn)許多PEMFC電動車樣車.電動車樣車.已出現(xiàn)許多電動車樣車我國計劃,年奧運會期間,我國計劃,到2008年奧運會期間,將有我年奧運會期間國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,國生產(chǎn)的燃料電池電動車會小批量,示范性地行駛在街頭.性地行駛在街頭.年世博會期間,輛燃料電池公交到2010年世博會期間,20輛燃料電池公交年世博會期間輛燃料電池出租車,車,300輛燃料電池出租車,1000輛電動輛燃料電池出租車輛電動汽車以及一批燃料電池場地車和郵政車都將投入運行,屆時,上海將建成5座加氫將投