第三章：化學與能源化學與能源第一節(jié)概述第二節(jié)常規(guī)能源第三節(jié)新能源第四節(jié)未來能源的發(fā)展第一節(jié)概述一.能源簡史三.我國能源現狀二.世界能源現狀

能源是人類賴以生存的基礎，特別是在全球經濟高速發(fā)展的今天，國際能源安全已上升到了國家的高度。在人類享受能源帶來的經濟發(fā)展、科技進步等利益時，也無法避免地遇到能源安全、資源爭奪以及過度使用能源造成的環(huán)境污染等問題，這嚴重地威脅著人類的生存與發(fā)展。因此，能源問題已成為全人類共同關心的熱點問題。能源與人類社會第一節(jié)概述《大英百科全書》——“能源是一個包括著所有燃料、流水、陽光和風的術語，人類用適當的轉換手段便可讓它為自己提供所需的能量”；《能源百科全書》——“能源是可以直接或經轉換提供人類所需的光、熱、動力等任一形式能量的載能體資源?！笨梢?，能源是一種呈多種形式的，且可以相互轉換的能量的源泉。能源的定義關于能源的定義，目前約有20種之多。第一節(jié)概述

能源品種繁多，可從不同角度對其進行分類。能源的分類第一節(jié)概述

根據各個歷史階段所使用的主要能源，可以分為柴草時期、煤炭時期、石油時期和新能源時期。

1.柴草時期18世紀初葉，即資本主義發(fā)展的初期以前為柴草時期。這時人類是以樹枝、雜草等當燃料，用于熟食和取暖，而生產活動主要靠人力、畜力以及一些簡單的水力和風力機械作動力。這段漫長的時期，人類社會的生產和生活處于很低的水平。一.能源簡史第一節(jié)概述2.煤炭時期

從18世紀下半葉產業(yè)革命導致了工業(yè)大發(fā)展，逐步擴大的煤炭利用促進了煤炭工業(yè)的大發(fā)展，使煤炭代替了薪柴成為生產生活的主要燃料；燃煤蒸汽機成為生產的主要動力；煤炭轉換成電力進入社會各個領域，成為生產和生活的重要能源之一，電力的應用從根本上改變了人類社會的面貌。19世紀中葉，石油資源的發(fā)現，開拓了能源利用的新時代。石油和天然氣以熱值高、輸送方便、清潔和廉價等優(yōu)點，逐步在工業(yè)發(fā)達國家中替代了煤炭。隨后，世界石油和天然氣的消費量超過了煤炭成為世界能源供應的主力。1973年出現的石油危機，促使人類對能源的開發(fā)利用開始向比較豐富的煤炭、核能以及太陽能和其它再生能源改變，以更好地解決人類下一世紀的能源需要。3.石油時期

4.新能源時期

從20世紀中后期起，由于

人類無節(jié)制地使用化石燃料對現代的社會質量和全球的持續(xù)發(fā)展造成了嚴重的影響，這促使人們對綠色、環(huán)保、高效和穩(wěn)定的新能源的探索。新能源和可再生能源發(fā)展不可避免地應運而生?？稍偕茉大w系中的太陽能、風能、水能等都可以轉化為電能，但其具有非連續(xù)性供應的弱點，如日有晝夜和陰晴之別，風有大小、有無之時，水有枯、豐的季節(jié)變化等，且不能儲存和運輸。

所以必須尋求一種適應這些能源的載能體，即既可儲存又可運輸，并像汽油一樣便于用戶使用的載能體?，F已公認氫能系統(tǒng)可以最好地滿足這類要求，根據最簡單的水和氫之間的良性循環(huán)提出的氫能與太陽能結合成太陽能一氫能體系是最理想的可再生能源體系，可實現人類能源問題的根本解決。目前，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供應中約占84%，其中，石油占40%、煤炭占21%、天然氣占23%。非化石能源和可再生能源雖然增長很快，但仍保持較低的比例。二世界能源現狀

能源資源的儲存能源消費結構

2007年世界煤炭、石油、天然氣探明可采儲量分別為8474.88億噸、1684.02億噸、177.36×1012立方米。若按現在的開采規(guī)模，煤炭、石油、天然氣分別可以開采298年、42年、66年。煤炭、石油、天然氣在全球分布極不均勻。但全球能源生產和消費大體保持平衡狀態(tài)。

能源的生產和消費世界能源生產和消費

自19世紀70年代的產業(yè)革命以來，化石燃料的消費量急劇增長。初期主要是以煤炭為主，進入20世紀以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來，石油和天然氣的生產與消費持續(xù)上升。兩次石油危機后，石油、煤炭所占比例緩慢下降，天然氣的比例上升。同時，核能、風能、水力、地熱等其它形式的新能源逐漸被開發(fā)和利用，形成了目前以化石燃料為主和可再生能源、新能源并存的能源結構格局。

煤炭資源豐富的發(fā)展中國家，在能源消費中往往以煤為主，煤炭消費比重較大，其中南非為77.8%，中國72.9%，波蘭68.1%，印度56.8%，澳大利亞44.5%，美國24.9%。發(fā)達國家石油在消費結構中所占比重均在35%以上，其中美國39.7%，日本51.1%，德國40.6%，法國37.9，意大利58.4%，澳大利亞36.6%。

世界各國能源結構特點

天然氣資源豐富的國家，天然氣在消費結構中所占比例均在35%以上，其中俄羅斯55.6%，伊朗43.8%，沙特41.2%，英國35.1%。化石能源缺乏的國家根據自身特點發(fā)展核電及水電，其中日本核能在能源消費結構中所占比例為16.8%，法國核能占40.1%，韓國核能占13.8%，烏克蘭核能占13.8%，加拿大水力占13.0%，巴西水力占19.8%。英國35.4%，加拿大37.9%。

目前，我國已經成為世界第二大能源生產國，從能源資源的總體看，其特點可概括為：總量較豐，人均較低，分布不均，開發(fā)較難。具體說來：三.我國能源現狀能源資源狀況和特點我國能源消耗比例我國能源結構

化石能源和可再生能源資源較為豐富。其中，煤炭占主導地位。2006年，煤炭保有資源量10345億噸，剩余探明可采儲量約占世界的13%，列世界第三位。油頁巖、煤層氣等非常規(guī)化石能源儲量潛力比較大。水力資源理論蘊藏量折合年發(fā)電量為6.19萬億千瓦時，經濟可開發(fā)年發(fā)電量約1.76萬億千瓦時，相當于世界水力資源量的12%，列世界首位。1.總量比較豐富我國能源消耗比例

我國能源結構

煤炭和水力資源人均擁有量相當于世界平均水平的50%，石油、天然氣人均資源量僅相當世界平均水平的1/15左右。耕地資源不足世界人均水平的30%，生物質能源開發(fā)受到制約。2.人均擁有量較低

煤炭資源主要賦存在華北、西北地區(qū)（我國煤炭資源保有量的76%分布在山西、內蒙古、陜西、新疆等北部地區(qū)），水力資源主要分布在西南地區(qū)（80%的水能資源分布在四川、云南、西藏等西南部地區(qū)），石油、天然氣資源主要賦存在東、中、西部地區(qū)和海域，陸地風能主要集中在東北、華北北部、西北等“三北”地區(qū)。而2/3以上的能源需求集中在中東部地區(qū)，資源賦存與能源消費地域存在明顯差別。

3.賦存分布不均

與世界能源資源開發(fā)條件相比，中國煤炭資源地質開采條件較差，大部分儲量需要井工開采，極少量可供露天開采。石油天然氣資源地質條件復雜，埋藏深，勘探開發(fā)技術要求較高。未開發(fā)的水力資源多集中在西南部的高山深谷，遠離負荷中心，開發(fā)難度和成本較大。非常規(guī)能源資源勘探程度低，經濟性較差。

4.開發(fā)難度較大

從總體上說來，我國能源資源具有資源約束（總量比重小，約為世界的10%，人均水平低，約為世界的10%，優(yōu)質資源匱乏）和效力約束（能源利用技術落后，能源利用率低，總能源效率為世界的32%，低于平均水平10個百分點）的特點。另外，雖然我們目前人均消費量低，但我國具有十四億人口，總量需求大，并且隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設的推進，人民生活水平的提高，對能源的需求會越來越大。

改革開放以來，中國經濟快速增長，社會事業(yè)全面進步，人民生活水平持續(xù)提高，能源需求不斷增加，能源工業(yè)快速發(fā)展。在開源和節(jié)約并舉、節(jié)約優(yōu)先的方針指導下，能源工業(yè)一方面降低消耗，一方面增加生產，基本滿足了國民經濟又好又快發(fā)展的需要，取得了舉世矚目的成績。突出表現為：我國能源工業(yè)的發(fā)展2006年，一次能源生產總量22.1億噸標準煤（世界第二位）。其中原煤產量23.7億噸（第一）。原油產量1.85億噸（第六）。電力發(fā)展迅速，全國發(fā)電裝機容量突破6億千瓦，發(fā)電量達到2.87萬億千瓦時（第二）?？稍偕茉窗l(fā)展迅速。水電裝機容量達到1.3億千瓦（第一）；太陽能熱水器集熱面積9500萬平方米（占一半以上）；核發(fā)電裝機近685萬千瓦；年產沼氣約100億立方米，已擁有戶用沼氣池2200多萬口。已經初步形成了煤炭為主體、電力為中心、石油天然氣和可再生能源全面發(fā)展的能源供應格局，基本建立了較為完善的能源供應體系。

1.供給能力明顯提高

1980-2006年，中國能源消費以年均5.6%的增長支撐了國民經濟年均9.8%的增長。按2005年不變價格，萬元國內生產總值能源消耗年均節(jié)能率為3.9%。特別是近年來，扭轉了單位國內生產總值能源消耗上升的勢頭。2006年，萬元國內生產總值能耗實現2003年以來的首次下降。能源綜合效率為33%，比1980年提高了8個百分點，單位產品能耗也明顯下降，與國際先進水平的差距不斷縮小。

2.能源節(jié)約效果顯著

中國政府高度重視環(huán)境保護，加強環(huán)境保護已經成為基本國策，社會各界的環(huán)保意識普遍提高。中國政府通過綜合運用法律、經濟等手段全面加強環(huán)境保護，已經取得了積極進展。能源消費結構有所優(yōu)化，優(yōu)質清潔能源比重有所上升，能源效率得到提高。。3.環(huán)境保護取得積極進展

與此同時，能源科技水平也得以迅速提高，為能源工業(yè)發(fā)展提供了重要支撐。能源發(fā)展的市場環(huán)境也正在逐步完善，各項改革穩(wěn)步推進，立法步伐明顯加快。但我國能源在加快發(fā)展過程中，也存在一些突出問題。如資源約束比較明顯，能源效率偏低，能源結構不夠合理，環(huán)境壓力加大、市場體系不夠完善、安全應急體系不夠健全等。但我國政府清醒地認識到，目前能源發(fā)展中存在的問題是發(fā)展中的問題，前進中的問題，我國有信心、有能力解決好這些問題。

第二節(jié)常規(guī)能源一、煤三、天然氣二、石油

當今世界上最重要的常規(guī)能源——煤、石油、天然氣，是化石燃料（又叫礦物燃料），是能源的主力。化石燃料是埋藏在地下的動植物經過幾百萬年才形成的，埋藏于底下的動植物尸體通過光合作用貯存了太陽的能量，燃燒時又以能量的形式釋放出來。19世紀以后，隨著蒸汽機的普遍使用，煤炭成為世界的主要能源。自20世紀中期以來，石油和和天然氣迅速興起，石油和天然氣取代煤碳雖然是世界的普遍趨勢。但是，在70年代兩次世界石油危機相繼發(fā)生后，煤炭又可能作為代替石油的重要能源，重居世界能源的主要地位，因而近年國際能源界把煤炭稱為“通向世界未來的橋梁”。

一.煤

世界上的煤炭資源主要分布在北半球，以亞洲和北美洲最為豐富，分別占全球地質儲量的58%和30%，歐洲僅占8%。2007年已探明的煤炭可開采儲量在全球位于前十位的國家見表3-5，其儲量總和占世界的91.4%。

2005年世界煤炭消費增長是過去10年平均增長的兩倍，煤炭再次超過天然氣成為需求增長最快的能源。據世界煤炭協(xié)會預測，到2030年全球煤炭產量將提高到70多億t（動力煤約達到52億t，焦煤約6億t，褐煤約12億t）；此間動力煤、褐煤和鋼鐵生產用焦煤將分別以每年1.5%、1%和0.9%的速度增長。

煤炭產量和消費量最大的地區(qū)為亞太地區(qū)，分別占全球總量的59%和59.7%。2007年世界前六大煤炭生產國所占世界份額分別為中國41.1%、美國18.7%、澳大利亞6.9%、印度5.8%、南非4.8%、俄聯(lián)邦4.7%，其他18.0%；前六大煤炭消費國煤炭消費量所占世界份額分別為中國41.3%、美國18.1%、印度6.5%、日本3.9%、南非3.1%、俄聯(lián)邦3.0%，其他24.1%。

有人曾說，煤炭可開采190年以上，也有人估計煤炭儲量可維持500年。但是，煤礦露天開采要占用大片土地，而且破壞土地資源和周圍環(huán)境，煤炭的燃燒產生氮氧化物、二氧化碳等，造成大氣污染。盡管燃煤的熱值低于油氣，運輸不便，造成污染，但煤炭具有蘊藏量巨大、價格低廉的優(yōu)點，因而煤炭在能源結構中具有與油的競爭的能力。煤又名煤炭，它是由古代植物在地下隔絕空氣的條件下，經過長期的一系列復雜的化學和生物變化，形成的一種由有機物和無機物所組成的復雜的混合物。煤沒有單一的分子結構，其式量在300—1000之間，由大量的碳原子環(huán)狀結構組成，其主要成分是碳，還含有氫、氧、氮及硫、磷等48種元素（表3-6），故有黑色的金子之稱。煤的組成、結構和性質第一節(jié)煤

煤分子是由若干個基本結構單元組成的高分子聚合物，基本結構單元的主體部分由若干個芳環(huán)及個別脂環(huán)或雜環(huán)縮合而成，其邊緣部分主要是烷烴側鏈和各種官能團（煤化程度越高或含C量越高，側鏈平均C原子數越少，一般小于3），基本單元之間由各種橋鍵（如-O-O-、-S-、-CH2-等）相互聯(lián)結形成三維空間。第一節(jié)煤不同類型煤的基礎結構

煤中的礦物質是除水以外的所有無機物的總稱，包括各種硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、金屬硫化物礦物（含硅、鋁、鐵、鈣和鎂）等。煤中的礦物質在燃燒時經高溫灼燒，多半變成各種金屬和非金屬氧化物，其中以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO為主，這些氧化物占煤灰粉的95%以上。煤炭無論作何種用途，其中的灰粉都是有害的。煤中的硫對煉焦、氣化、燃燒等也是十分有害的。

煤炭除了作為一次能源被直接使用外，還可用于制造二次能源和化工原料等，已有實用價值的主要有煤的氣化、液化和干餾。

煤作為燃料有兩個主要缺點：其一是臟，難以處理；其二是因含硫引起污染。故此，人們就想通過將煤加工氣化，使其轉變成干凈而又方便運輸的燃料。

煤的綜合利用

在氧氣不足的情況下，把煤中的有機物部分氧化為可燃體氣體的過程。煤與有限的空氣和水蒸氣反應，得到一種氣態(tài)混合物，稱為半煤氣。

1.煤的氣化

由于半煤氣中含有大量（50%左右），熱值較低（用于合成氨），它的熱含量只有甲烷的1/6。但如果將煤在高溫時與水蒸氣反應即可制得水煤氣，則得到不含氮的一氧化碳和氫的混合物，叫做合成氣或煤氣，這種氣體因不含氮其燃燒熱比半煤氣高1倍。煤的液化又叫“人造石油”，是一個將煤轉化成液體燃料的過程。煤和石油都是由C、H、O等元素組成的有機物，但煤的平均分子量比石油高，另一方面煤的氫碳原子比，即H/C低。2.煤的液化

為使煤液化，需要加氫。煤的深度加氫是在較高溫度和很高的壓強下進行，煤先發(fā)生熱解反應生成自由基碎片（帶有一些不飽和鍵），然后加氫，使化學鍵飽和而穩(wěn)定下來，形成低相對分子質量的液體產物及少量氣態(tài)產物；同時煤中氧、硫等雜原子與氫反應生成H2O、H2S等被除去，進一步提高液體燃料的質量。

在煤的直接液化過程中，煤分子只發(fā)生部分解聚和裂解，而基本結構單元大多保存了下來。在元素組成上，氫元素含量增高，而氧、氮、硫等元素含量降低。煤還可以進行間接液化，就是先把煤氣化成一氧化碳和氫氣，然后再經催化合成得到液體燃料。1983年美國田納西州伊特曼公司建成由煤制醋酐的工廠，工藝路線是經合成氣（CO+H2）凈化，回收硫，然后合成甲醇、醋酸甲酯和醋酐，并用醋酐乙?；椒ㄉa醋酸纖維。這些產品是生產照相底片、纖維素塑料、香煙濾嘴、人造絲及涂料的原料。潔凈煤技術是指從煤炭開發(fā)到利用的全過程中旨在減少污染排放與提高利用效率的加工、燃燒、轉化及污染控制等新技術，包括直接燒煤潔凈技術和煤轉化為潔凈燃料技術。3.潔凈煤技術將煤置于隔絕空氣密閉的煉焦爐中加熱分解生成氣態(tài)的焦爐氣、液態(tài)的煤焦油和固態(tài)的焦炭。煤分餾（干餾）得到產物可用于生產化肥、塑料、合成橡膠、合成纖維、炸藥、染料、醫(yī)藥等。4.煤的焦化（干餾）

據統(tǒng)計，從1000萬噸煤中可提取32億立方米煤氣、770萬噸焦炭、10萬噸粗氨水、4000噸粗酚、18000噸萘、70萬噸防腐油和18萬噸瀝青。據資料統(tǒng)計，每噸煤平均含0.1克黃金、5-10克白銀和許多稀有金屬元素；連燃燒的灰燼中也往往含一些貴重金屬，如鈾、釩、鉬、鉻、鎵和鍺等。我國是世界上煤儲量最豐富的國家之一，我國產量已多年居世界第一。3.煤炭地下氣化

在地下將處于自然狀態(tài)的煤炭通過有控制地燃燒就地轉化為可燃氣體，然后抽送到地面經凈化使用。這一技術一個多世紀來一直處于實驗階段，難以廣泛進入工業(yè)應用階段。這種方法集建井、采煤和氣化于一身，具有安全、高效、污染少、減少地面塌陷、有利于環(huán)保等特點。中國第一個煤炭地下氣化工業(yè)示范基地在河北省唐山市劉莊煤礦建成，地下氣化爐已連續(xù)正常運行并成功連續(xù)穩(wěn)定供氣。第一節(jié)煤煤層氣通常被稱為煤礦瓦斯，主要成分為甲烷，易燃易爆。從人類開發(fā)利用煤炭開始，煤層氣曾導致了無數起礦毀人亡的慘劇。然而科學家們發(fā)現，這種可怕的氣體卻有著寶貴的利用價值：1000m3的發(fā)熱量就相當于1噸石油的發(fā)熱量，而且潔凈無污染、無油煙，堪稱新世紀的“綠色能源”。

4.煤層氣開發(fā)利用世界煤層氣資源分布石油有“工業(yè)的血液”的美譽，也叫原油，是從地下深處開采出來的黃色至黑色的可燃性粘稠液體，常常與天然氣共同存在，因此，常常并稱為油氣。人類自1973年以來共向地球索取了800億噸石油，占當時探明儲量的85%。到2009年，新發(fā)現的油田幾乎使儲量翻了兩番多。世界石油資源主要分布在中東、拉丁美洲、北美洲、西歐、非洲、東南亞和中國。現在，產油的國家和地區(qū)已有150多個，發(fā)現的油氣田已有四萬多個。二.石油

中東的沙特阿拉伯、伊朗、科威特、伊拉克和阿拉伯聯(lián)合酋長國是世界最大的石油產地和輸出地區(qū)。截至2003年1月1日，全球石油估算探明儲量為1661.48億噸；天然氣估算探明儲量為155.78萬億立方米。世界上石油儲量超過10億噸和天然氣儲量超過1萬億立方米的特大油、氣田共42個，沙特阿拉伯和俄羅斯分列世界石油、天然氣儲量之首。中國2001年底石油估算探明儲量約33億噸，居世界第11位。石油是由遠古代動、植物遺體在地殼內部高溫、高壓條件下，經過復雜的化學變化而形成的各種烷烴、環(huán)烷烴和芳烴的混合物。其特點為：碳氫化合物以直鏈為主（煤以芳香烴為主）、含氫量高含氧量低。石油所含的基本元素是碳和氫，同時含少量硫、氧、氮等元素。1.石油的組成、結構、性質及分類

組成石油的有機化合物分為由碳、氫元素構成的烴類化合物和含有硫、氮、氧等元素的非烴類化合物兩大類。組成石油中的烴類主要是烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。石油中的硫、氮、氧元素以非烴類化合物形式存在，這些元素的含量雖僅有1-4%，但非烴化合物的含量卻很高。2.石油的煉制石油中所含化合物種類繁多，必須經多步煉制才能使用，主要工序有分餾、裂化、重整和精制。原油不但組分復雜，而且還含有水和氯化鈣、氯化鎂等鹽類。在煉制時，含水多要浪費燃料，含鹽多會腐蝕設備，因而原油必須先經過脫水、脫鹽等處理過程才能進行煉制。習慣上將石油煉制過程很不嚴格地分為一次加工、二次加工、三次加工三類過程。

又叫做油母頁巖，是一種高礦物質的腐泥煤，也是一種低熱值固態(tài)化石燃料，色淺灰至深褐，含有機質和礦物質。油頁巖產油率低于6%的屬貧礦，高于10%的屬富礦。世界已探明的產油率在4%以上的油頁巖儲量超過已探明的石油儲量。油頁巖主要是由藻類等低等浮游生物經腐化作用和煤化作用而生成，是復雜的高分子有機化合物，富含脂肪烴結構，而較少芳烴結構。3.油頁巖

目前，天然氣是消費增長最快的礦物燃料。天然氣現在占全球商業(yè)能源的23%，其生產在過去的20年里增長了約70%。雖然全球天然氣儲量估計正在快速地增長，但已發(fā)現的天然氣儲量仍比石油少。三.天然氣世界各地天然氣儲量

天然氣資源主要集中在3個國家：俄羅斯為27%，伊朗為15%，卡塔爾為13%。他們擁有全世界一半以上的天然氣儲量。俄羅斯2008年的探明儲量約為43.30萬億立方米，大約是美國儲量的6倍多。全球80%的天然氣儲量集中在20多個國家，而石油主要集中在十幾個國家。

中東石油產量占世界總產量的30%，而其天然氣產量則僅占全世界的l0%。20世紀90年代末天然氣需求以每年3%的速度增長。預計2020年天然氣需求的年增長速度為2%，而石油為1.3%。天然氣在能源結構中的需求增長勢頭強勁。

世界天然氣產量增長較快，2006年產量為28343.04×108m3，增幅4.08%；歐佩克天然氣產量近兩年持續(xù)高速增長，年增長幅度為4.67%，產量為4615.10×108m3。2006年產量名列前茅的國家有俄羅斯、美國、加拿大、阿爾及利亞等。

世界石油天然氣消費預測增長也較快。國際能源署預測2007～2030年，世界天然氣工業(yè)平均每年需要l500億美元用于基礎設施建設，大部分資金流向北美地區(qū)，該地區(qū)的需求不斷增長，建設成本居高不下。全球天然氣的產量與消費量中國天然氣的產量與消費量1.天然氣的定義與組成

廣義的天然氣是指埋藏于地層中自然形成的氣體的總稱。但通常所稱的天然氣只是指貯藏于地層較深部的可燃性氣體（即氣態(tài)化石燃料），而與石油共生的天燃氣常稱為油田伴生氣。天然氣主要成分是甲烷，但還有少量的乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷和戌烷以及微量的重碳化合物和非烴類氣體。

液化天然氣(liquefiednaturalgas簡稱LN