偶看新闻味道中山1:能源化学
来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/26 08:17:17
第一章 能源简介
1 能源的分类
2 能源利用史
3 能源的作用
4 能源储量及消费
5 中国能源的发展
6 能源化学
7 能源与材料
8 能源与环境
9 能源发展趋势
第一节 能源的分类
1 能（量）：能量是物质运动的一种度量，是物体做功的能力。
对应于物质的不同的运动形态，能量也有不同的形式。各种运动形态是可以相互转化的，所以各种形式的能量之间也能够相互转换。能量是物质的属性，任何物质都具有能量，能本身不是物质，而是指物质的一种状况或状态。
（2）能的形式：机械能（动能、势能）、热能、化学能、电能、光能、核能
（3）能量的性质：状态性；可加性；传递性；转换性；做功性；贬值性。
2 能源
国际上，衡量一个国家现代化的程度
①能源的人均占有量；②能源构成；③能源使用率；④能源对环境的影响。
（1）什么是能源？
能源和能量既有联系又有区别，能量来自能源，但能量本身是量度物质运动形式和量度物体做功的物理量，包括机械能、热能、电能、电磁能、化学能、原子能等。
能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。 《科学技术百科全书》
能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。 《大英百科全书》
能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。 《能源百科全书》
（2）能源的形式：石油、天然气、煤、生物质能、太阳能、风力能、地热能、水力能、核能、丙烷
（3）能源的分类
①能源按其形成方式分为：
Ø 一次能源：直接从自然界取得的以自然形态存在的能源。
如：煤炭、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、核能、生物质能、化学能等。
Ø 二次能源：由一次能源经过加工或转换得到的能源。
如：焦炭、汽油、重油、煤气、热能、机械能、电能等。
二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。
一次能源
地球上的一次能源来源于三个方面：
1) 地球以外天体中的太阳辐射能（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）。
2) 地球本身蕴藏的能量资源，诸如地热能、火山能、地震能以及核燃料（铀、钍、钚 ）等。
3) 地球和其他天体相互作用而产生的能量。如天体运动中，太阳和月亮对地球表面的水有吸引力作用而产生的潮汐能。
这三类能源中，太阳辐射能是最主要的，也是人类利用最多的。
能源结构
一次
能源
第一类能源
（来自地球以外）
太阳辐射能
煤、石油、油页岩、天然气、草木燃料、沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。
风、流水、海流、波浪、海洋热能、直接太阳能
宇宙射线、流星和其它星际物质带进地球大气的能量
第二类能源
（来自地球内部）
地球热能
地震，火山活动，地下热水和地热蒸气，（包括温泉和沸泉），热岩层
原子能
铀，钍，硼，氘
第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）
潮汐能
二次
能源
电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等。
②一次能源按其是否能够再生的性质分为：
Ø 可再生能源：可再生能源是指使用后仍能更新或是再生的能源；如：太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、海洋能、生物质能等。
取之不尽，用之不竭
Ø 不可再生能源：不可再生能源是有限的能源，开采消耗后，短期内无法恢复的能源；如煤炭、石油、天然气、核燃料等。
可再生能源的主要类型和特点：
可再生，无污染或污染小，地区分布广，适合就地开发利用。
③能源按其使用性质不同可分为：
Ø 含能体能源：指能够提供能量的物质能源，即储存起来的能源，其特点是可以保存且可运输，如草木燃料、矿物燃料、核燃料、高位水库中的水等。
Ø 过程性能源：指能够提供能量的物质运动形式，它不能直接储存，存在于“过程”之中，如太阳能、风能、水能、潮汐能、电能等。
④能源按其使用的成熟程度和技术状况可分为：
Ø 常规能源：技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的一次能源。如煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等。
Ø 新能源：一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源。如太阳能、生物质能、氢能、地热能、核聚变能等。
⑤能源按其形态方式分为：
Ø 化石能源、（矿物能源） 如煤炭、石油、天然气。
Ø 非化石能源（替代性能源） 如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。
⑥能源按其性质可分为：
Ø 燃料能源
² 矿物燃料（煤、石油、天然气等）
² 生物燃料（柴草、木材、沼气、有机废弃物等）
² 化工燃料（丙烷、甲醇、酒精、废旧塑料制品等）
² 核燃料（铀、钍、钚、氘等）
Ø 非燃料能源
² 多数具有机械能，如风能、水能、潮汐能、波浪能等，
² 有的含有热能，如地热能和太阳能等。
⑦根据能源是否流通分为：
Ø 商品能源：指经过流通环节大量消费的能源，主要有煤炭、石油、天然气、电力等。
Ø 非商品能源：指不经流通环节而自产自用的能源，如农户自产自用的薪秸秆，牧民自用的牲畜粪便，风能、太阳能等。（在农村地区开发的为生产和生活使用的能源又叫做农村能源）
⑧根据能源消耗后是否造成环境污染可分为：
Ø 清洁能源（绿色能源）：利用现代技术开发的干净、无污染的新能源。如太阳能、氢能、风能、潮汐能等。
“绿色能源”有两层含义：
² 利用现代技术开发干净、无污染的新能源，如太阳能、氢能、风能、潮汐能等；
² 化害为利，将发展能源同改善环境紧密结合，充分利用先进的设备与控制技术来利用城市垃圾、淤泥等废物中所蕴藏的能源，以充分提高这些能源在使用中的利用率。
Ø 非清洁能源：包括煤炭、石油等。
⑨按能源载体同地球构成关系划分
Ø 地壳能源：地壳能源是指在地球演变过程中，经过漫长的地质年代逐渐自然形成的载能物体，如煤炭、石油、天然气、油页岩等。它们的形成与地壳运动、海水进退、气候变化、生物兴衰等息息相关。
Ø 地壳外能源：地壳外能源是指除地壳能源以外的能源，它的形成不是地壳物质，如太阳能、风能等。
（4）分布式能源：分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，既可独立运行，也可并网运行。分布式能源是相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量（数千瓦至50兆瓦）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统。
3能源的评价
Ø 储量
Ø 能量密度
Ø 储能的可能性与供能的连续性
Ø 能源的地理分布
Ø 开发费用和利用能源的设备费用
Ø 运输费用与损耗
Ø 能源的可再生性
Ø 能源的品位
Ø 对环境的影响
4 有关能源的国际组织
l 国际能源机构（国际能源署、国际能源组织）International Energy Agency, IEA
l 世界能源理事会（世界能源委员会）World Energy Council, WEC
l 国际原子能机构International Atomic Energy Agency, IAEA
l 世界石油大会（世界石油理事会）World Petroleum Congress, WPC
l 石油输出国组织Organization of the Petroleum Exporting Countries简称欧佩克（OPEC）或油组
l 政府间气候变化专业委员会Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC
l 经济合作与发展组织Organization for Economic Cooperation and Development, OECD
5 能源计量单位
能源计量单位可以有3种表示方法
1) 能量单位：用热功单位来表示，如焦耳（J）、卡（cal）、千瓦小时（kWh）；英国热能单位（BTU）
2) 当量单位：用能源的当量值表示，常见的如煤当量和油当量。
3) 能源的实物量单位：用能源的实物量来表示，如煤用吨（t），石油用桶（bbl），天然气用立方米（m3）。
6 温度表示方法：华氏温度、摄氏温度、开尔文温度
第二节 能源利用史
人类对于能源的开发利用大致经历了四个历史时期：
1) 古代柴草时期；
2) 新石器时代晚期的煤炭时期；
3) 19世纪中叶的石油时期；
4) 始于20世纪中叶的新能源时期。
世界能源结构发生的第一次转变：薪柴 ® 煤炭 （英国产业革命）
世界能源结构发生的第二次转变：煤炭 ® 石油和天然气 （管线焊接技术）
世界能源结构发生的第三次转变：石油和天然气 ® 可再生能源 （1973年第一次石油危机）
第三节 能源的作用
能源：是人类生存和发展的重要物质基础；是人类从事各种经济活动的原动力；是人类社会经济发展水平的重要标志。
第四节 能源储量及消费
1 能源储量 ： 世界能源消费结构变化（%）
2 能源消费
能源强度：亦称能源消费强度，常用单位产值能耗或单位产品能耗表示。
单位产值能耗：是指一个国家或地区、部门或行业单位产值一定时间内消耗的能源量，通常以吨（或公斤）油当量（或煤当量）／美元来表示。
一个国家或地区的能源强度，通常以单位国内生产总值耗能量来表示。
单位产品能耗：是以实物量为单位的能源消费量与对应的产品量之比。
能源强度反映经济对能源的依赖程度，受一系列因素的影响，包括经济结构、经济体制、工艺水平、生产规模、技术水平、能源结构、人口等。
世界能源消费现状及特点
1. 受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加
2. 世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国家
3. 世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大
4. 世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大
第五节 中国能源的发展
中国能源发展回顾：1949年新中国成立时，全国一次能源的生产总量只有2400万吨标准煤。
中国能源生产总量及其构成 中国能源消费结构
中国的能源特点：“以煤为主，多能互补”
1996年，中国成为全球第二大一次能源消费国，同时也是全球第二大能源生产者。
中国的能源发展现状：
l 能源资源总量丰富：煤炭储量约占世界总储量的12.6%，居第3位。水力资源占世界总量的30%，居第1位，原油占2.4%，天然气仅占1.2%。
l 人均能源资源拥有量较低、分布不均：人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为1/l0。
l 人均能源消费量低、单位产值能耗高（即能源消费强度，是指单位GDP所投入的能源量。）
l 能源资源开发难度大，能源利用效率低
l 能源安全面临威胁
1993年开始成为石油净进口国，2008年石油进口依存度（净进口量与消费量之比）接近52%。
l 能源消费以煤为主，环境压力加大，新能源与可再生能源有待大力发展
中国能源发展战略：坚持节约优先、立足国内、多元发展、依靠科技、保护环境、加强国际互利合作，努力构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展。
第六节 能源化学
1 能量转化
化学反应中的能量变化通常主要表现为热量的变化：放出热量或吸收热量。
² 如果反应放出的能量大于吸收的能量，则此反应为放热反应。如燃烧反应、中和反应、化合反应、金属和酸的反应；
² 如果反应放出的能量小于吸收的能量，则此反应为吸热反应。如分解反应、以C、H2、CO为还原剂的反应、铵盐与固体碱的反应。
在化学反应中，拆散化学键需要吸收能量，形成新的化学键放出能量。
热功当量：1 cal = 4.1840 J
热力学第一定律：能量可以从一种形式转化为另一种形式．在转化过程中能量既不会消失也不会增加。
热力学第二定律：
不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。－克劳修斯（Clausius）
不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。－开尔文（Kelvin）
能量质量的贬值性：热力学第二定律认为，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递，在传递过程中总会有一部分能量成为热能释放出去。
使用能量的过程中能量质量下降是能量的基本属性。
能量的两个重要特性：能量数量的守恒性；能量质量的贬值性
能量利用就是利用能量的质量，按质用能－尽可能使高质量的能尽其用和做到合理用能
2 能量储存
能量储存的主要指标
² 储能密度
² 储存过程的能量损耗
² 储存装置的经济性
² 储能和取能的速率
² 寿命（重复使用的次数）
² 对环境的影响
能量储存方式：
按储存的能的形式可分为
Ø 电化学能 （如传统铅酸电池、液流电池、燃料电池）
Ø 电能 （如超级电容器（supercapacitor））
Ø 动能 （如飞轮（flywheel））
Ø 势能 （如压缩空气储能系统（CAES）、抽水蓄能（pumped hydro））
Ø 化学能 （如氢储能系统（Hydrogen-based））
Ø 热能及热化学能
Ø 磁能 （如超导磁能储存（SMES））
按储能体的形式可分为：固定式和移动式
按储能时间可分为：短期和长期
第七节 能源与材料
材料是发展能源的物质基础。解决能源危机的关键是能源材料的突破方法有：
1) 提高燃烧效率，以减少资源消耗；
2) 开发新能源，积极利用再生能源；
3) 开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能。
这3个方面都与材料有着密切的关系。
第八节 能源与环境
能源生产与使用对环境的影响
1. 开采过程对环境的影响
2. 运送过程对环境的影响
3. 加工过程对环境的影响
4. 利用过程中的污染
第九节 能源发展趋势
①多元化；②清洁化；③高效化；④全球化；⑤市场化
第二章 煤炭
1 煤炭简介
2 煤的形成
3 煤的开采与运输
4 煤的结构
5 煤的元素组成
6 煤的综合利用
7 煤的燃烧
8 煤炭液化
9 煤的气化
第一节 煤炭简介
煤：煤是由高等植物经生物化学、物理化学和地球化学作用转变成的固体有机可燃矿物。
煤炭资源储藏最丰富的国家为：美国、俄罗斯、中国、印度、澳大利亚、南非。6个国家的煤炭储藏量之和占全世界煤炭储藏量的80%以上。
煤炭是中国工业的主要能源，中国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气。煤炭是中国的第一能源，在一次性能源的构成中煤炭占70%左右。
煤炭能源中的主要化学问题是以解决效率、污染和能源形式的转化为核心目的。
煤炭的利用方式
1) 直接燃烧
2) 气化、热解、液化 （将煤炭转化为洁净气体、液体、固体燃料）
第二节 煤的形成
1 煤的形成过程
高等植物：植物-泥炭-褐煤-烟煤-无烟煤。煤化序列为：植物?泥炭（腐泥）?褐煤?烟煤?无烟煤。
低等植物：植物-腐泥-腐泥煤
煤的转变过程
1) 泥炭化作用：当高等植物遗体在沼泽中堆积，在有水存在和微生物参与下，经过分解、化合等复杂的生物化学变化，形成泥炭（泥煤）。
2) 成岩作用：由泥炭变成褐煤的过程
3) 变质作用：由于地壳的运动，褐煤层上部顶板逐渐加厚，受地压、地温增高的影响，经过复杂的物理化学作用，促使煤质变化，由褐煤变成烟煤、无烟煤。
成岩和变质是煤化作用的两个阶段。
2 煤的种类
根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为两大类，即腐殖煤和腐泥煤。
根据煤化度的不同，腐殖煤可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。
种类
含碳量（%）
热量（kJ/g）
用途
泥煤
50 ~ 60
8,400 ~ 12,500
替代柴薪
褐煤
60 ~ 75
12,500 ~ 20,900
一般燃料
次烟煤
75 ~ 85
20,900 ~ 23,000
替代烟煤
烟煤
85 ~ 90
23,000 ~ 29,300
炼制煤焦工业燃料
无烟煤
90 ~ 95
29,300 ~ 33,500
最佳燃料
腐泥煤：
煤的一类，由低级植物和浮游动物形成的煤。在煤化过程中由腐泥转变而成。还保持着本身结构的低级植物和浮游动物的残留物，如藻煤、烛煤、油页岩等。是制造人造液体燃料和润滑油的宝贵原料。
第三节 煤的开采与运输
煤矿开采方法
1) 露天开采（剥离法开采）
2) 矿井开采
我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。
煤炭运输方式：①水运、②铁路、③公路、④管道输煤
我国第一条输煤管道：盂（县）－潍（坊）－青（岛）管道全长713公里。世界第一条输煤管道在美国，全长439公里。
第四节 煤的结构
煤的化学结构是指在煤的有机分子中，原子相互联结的次序和方式。又称煤的分子结构，简称煤结构。
第五节 煤的元素组成
化学成分：以碳为主体，并含有氢、氧及少量之硫、氮、无机矿物质等。
碳：碳是煤中有机质的主要组成元素。C含量随煤化程度增高而增大。
褐煤含C量70%；无烟煤含C＞92%，氧含量则从20%左右降到2%左右，氢含量由8%左右降到4%左右。
氢：氢含量与煤的煤化度也密切相关，随着煤化度增高，氢含量逐渐下降。
氧：氧是煤中第二个重要的组成元素。
煤中有机氧含量随煤化度增高而明显减少。泥炭中无水无灰基氧含量Odaf，高达27%-34%，褐煤中Odaf为15%-30%，到烟煤阶段为2%-15%，无烟煤为1%-3%。
氮：煤中的氮含量较少，一般约为0.5% ~ 3.0%。
氮是煤中惟一的完全以有机状态存在的元素。
煤中氮含量随煤化度的加深而趋向减少，但规律性到高变质烟煤阶段以后才比较明显。
硫：煤中的硫通常以有机硫和无机硫的状态存在。
煤中的硫按可燃性可分为：可燃硫和不可燃硫（或称固定硫）
第六节 煤的综合利用
煤的转化利用途径：
² 气化：将煤变成水煤气或发生炉煤气，然后作燃料或化工原料。
² 液化：将煤变成芳烃、烷烃、脂肪烃等油品。
² 焦化：焦化是炼焦。同时得到焦油、煤气。或称部分液化和部分气化。
煤的干馏：将煤隔绝空气加热使其分解的过程
将煤进行气化和液化：解决燃煤污染、提高燃煤热效率、提取有关物质和化工原料。
煤气化
第七节 煤的燃烧
煤燃烧涉及的物理化学过程：C + O2 ® CO2； C + ½O2 ® CO
洁净煤技术包括煤炭使用各环节的净化和防治污染的技术：
洁净煤技术：
1) 煤炭的洁净生产技术
2) 煤炭的洁净加工技术
3) 煤炭的高效洁净转化技术
4) 煤的高效洁净燃烧与发电技术
5) 燃煤污染排放治理技术
具体是指从煤炭开采到利用的全过程中提高利用效率的生产、加工、转化、燃烧、减少污染物排放及控制污染等新技术体系。
煤炭燃烧前的处理和净化技术：洗选处理；型煤加工；水煤浆技术
①洗选处理： 洗选处理是利用煤炭与其他矿物质的不同的物理、物理化学性质，在选煤厂用机械的方法除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同质量、规格的产品，以满足不同用户需要。
②型煤加工： 型煤加工是采用特定的机械加工工艺将粉煤和低品位煤制成具有一定形状、尺寸、强度和一定理化性能的煤制品。高硫煤成型时加入适量固硫剂（生石灰），可减少二氧化硫的排放。
2SO2 + O2 + 2CaO ® 2CaSO4 SO3 + CaO ®? CaSO4
③水煤浆（Coal Water Slurry, CWS）技术
国际上称为：煤水混合物（Coal Water Mixture, CWM）或煤水燃料（Coal Water Fuel, CWF）
制备：CWS一般由65%-70%的煤粉（250-300mm）、30%-35%的水及0.5-1.0%的分散剂和0.02%-0.1%的稳定剂，经过一定的加工工艺而制得。
燃烧中的净化装置：先进的燃烧器；流化床燃烧器
燃烧后净化：烟气脱硫
1) 湿式：湿法一般是在炉内用石灰水淋洗烟尘，二氧化硫变成亚硫酸钙浆状物。
2) 干式：干法是用浆状脱硫剂（石灰石）喷雾，与烟气中的二氧化硫反应，生成亚硫酸钙，水分被蒸发，干燥颗粒用集尘器收集。脱硫效率达90%
煤油混烧技术
第八节 煤炭液化
煤的液化分直接液化和间接液化两种。
1) 直接液化：煤在高温高压下加氢催化裂化，转变成油料产品。
2) 间接液化：先使煤转化为一氧化碳和氢气，然后在高温、高压及催化剂的作用下生成液态烃、甲醇等有机物。
煤的直接液化
煤的直接液化工艺主要有：Exxon供氢溶剂（EDS）法；氢-煤法；煤-油共炼。
煤加氢液化反应：将煤在高温高压下与氢反应，使其降解和加氢，从而转化为液体油类（如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工艺称为加氢液化。
从煤结构概念出发，认为固体煤加氢转化为液体，就是煤结构中某些键断开，并同时加氢，生成液体产物和少量气态烃。
煤加氢液化的基本化学反应：热解反应；供氢反应；脱杂原子反应。
直接液化大致有氢化法和溶剂精制法。
1) 氢化法：将煤粉和煤液化过程中产生的油跟氢气混合，在高温条件下经催化进行加氢解聚反应。
2) 溶剂精制法
3) 间接液化的气化-液化法：将煤气化为H2、CO和CH4，再用催化剂将气态物质转化为液态。
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2＋nH2O
煤的间接液化：间接液化主要分两种生产工艺：
1) 费托（Fischer-Tropsch）工艺，将原料气直接合成油；
2) 由原料气合成甲醇，再由甲醇转化成汽油。
费-托合成：以合成气为原料在催化剂（主要是铁系） 和适当反应条件下合成以石蜡烃为主的液体燃料的工艺过程。nCO+2nH2─→[－CH2－]n+nH2O
一碳化学（碳一化学）：以含一个碳原子的化合物－甲烷（CH4）、合成气（CO和H2）、CO2、CH3OH、HCHO等为初始反应物，反应合成一系列重要的化工原料和燃料的化学。
其核心是选择催化化学转化、小分子的活化和定向转化。
CO、CO2是从煤的气化得到的、而CH4是天然气的主要成分。因此一碳化工实际上就是一种新一代的煤化工和天然气化工。
第九节 煤的气化
煤炭气化是一种热化学过程，通常是在空气、蒸汽或氧等作气化介质的情况下，在煤气发生炉中将煤加热到足够的温度，与煤发生化学反应，生成一氧化碳、氢和甲烷等可燃的混合气体即煤气。
煤气化过程：①煤的热解过程；②半焦的气化过程。
煤气化目的是将煤转化成可燃气体。
煤气的主要组成为：CO, H2, CO2, CH4, H2O。灰分形成废渣排出
1 煤炭气化的意义及历史
（1）煤炭气化的意义
煤炭直接燃烧的热利用效率一般为15%-18%。通过煤炭气化过程将煤变成可燃烧的煤气后，热利用效率可达55%-60%。煤气较煤具有运输和使用方便、减轻环境污染等优点。煤气化的好处是可在燃烧前脱除气态硫和氮组分。粗煤气中的硫化氢可在气体冷却后通过化学吸收或物理吸附脱除。
2 煤气分类及用途
根据煤气组成不同可分为：发生炉煤气和水煤气、合成气和还原气、城市煤气和焦炉煤气、富气和合成天然气。
水煤气和发生炉煤气
交替吹空气和水蒸气到发生炉内产生的煤气称水煤气。同时吹空气和水蒸气到发生炉内产生的煤气称发生炉煤气。
合成气与还原气
合成气是根据不同用途控制煤气化过程产生的，主要用作不同化工产品的加工。如合成氨的合成气对H2/N2要求很高，合成甲醇用气CO含量较高等等。
还原气是指炼铁过程中产生的可燃性气体，要求其中水蒸气和二氧化碳含量较少，较多时应将其除去。
城市煤气：城市煤气要求含氢气和甲烷较多，硫含量少，以提高热值和减少城市空气污染。
煤炭气化原理
从能量转化角度来讲，煤气化技术是把煤的化学能转换成易于利用的气体的化学能的过程。
包括以煤（半焦或焦炭）为原料，以氧（包括空气、富氧、纯氧）、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过最低限度的氧化过程，将煤中所含的碳、氢等物质转化成一氧化碳、氢、甲烷等有效成分的一个多相反应的化学过程。
煤炭气化技术
1) 地面煤气化技术
①煤的高温干馏；②煤的发生炉气化；③煤的水煤气化；④煤的加氢气化。
2) 地下煤气化（UCG)技术
地面煤气化技术
1) 煤的高温干馏：煤的高温干馏是将煤在隔绝空气的条件下加热到600-800°C，主要反应为煤中有机物的热分解，生成焦炭和主要含甲烷、挥发性物质的焦炉煤气。这种煤气的热值为18.8MJ/m3，主要用于城市气体燃料。
2) 煤的发生炉气化：将空气通入高温煤层，在发生炉中发生一系列的氧化还原反应
氧化层中煤炭的氧化反应：
C(s) + ½ O2(g) ® CO(g) + 110.54 kJ/mol
用空气作氧化剂所得的煤气叫空气煤气，它的大致成分（体积分数）为：CO2约16%-18%，CO1%-2%，H21%-2%，N271%-78%。由于H2和CO含量很低，热值不高，约为4.18MJ/m3，可作燃料。
3) 煤的水煤气化：将水蒸气通入高温煤层的煤气发生炉使之煤气化，气体叫水煤气。主要的反应是水蒸气与炽热的炭层（700-800°C以上）氧化还原反应
C(s) + H2O(g) ?®? CO(g) + H2 (g)
水煤气的大致组成（体积分数）
4）煤的加氢气化：将煤先转换成煤气，然后将煤气变成富含甲烷的干净煤气。
水煤气化产生的CO和H2在400°C高温和镍催化剂存在的条件下转化成甲烷，也称为甲烷化反应，其反应式可表示如下：
CO(g) + 3H2(g) ®? CH4(g) + 2H2O(g)
煤加氢气化所得煤气的热值很高，可达36MJ/m2。
地面煤气化技术形式有固定床、流化床与气流床
地下煤气化：煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃性气体的过程。
煤的气化新技术：
a) 煤的热核气化技术
b) 整体煤气化联合循环发电（IGCC）
c) 燃煤磁流体（magnets hydrodynamics，MHD）发电技术
Integrated Gasification Combined Cycle：
IGCC发电技术的原理是以煤气化的方法生产燃料气，净化除去煤气中99%以上的硫化氢和接近100%的粉尘，将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料，驱动燃气轮机发电，并利用余气烧锅炉生产出蒸汽来驱动汽轮机发电。
燃煤磁流体（magnets hydrodynamics，MHD）发电技术：
磁流体发电是一种将热能直接转换成电能的新型的发电方式，其基本原理和传统的发电机一样基于法拉第电磁感应定律，即导体切割磁力线产生感应电势，所不同的是磁流体发电机中导电流体（气体或液体）取代了普通发电机中的金属流体。
煤的干馏：把煤隔绝空气加热至较高温度而发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程，称为煤的干馏（热分解）。
煤在隔绝空气下加热时，煤中有机质随温度的提高而发生一系列变化，形成气态（煤气），液态（焦油）和固态（半焦或焦炭）产物。
第三章 石油
1、石油的重要性
2、石油的成因和聚集
3、石油的开采
4、石油的组成
5、石油的炼制
6、石油化工—国民经济的支柱
7、工业的血液——流动的乌金
8、我国的石油发展
第一节 石油的重要性
石油：石油（包括油气沥青）是指在地壳岩石空隙（孔、洞、缝）中天然生成的，以液态烃为主的可燃有机矿产。
一般认为1859年Drake在美国宾夕法尼亚州所钻油井，是近代油气勘探（或工业）的开始。
石油的重要性：
①石油是优质动力燃料的原料
②石油是提炼优质润滑油的原料
③石油是主要的化工原料
1917年首次用炼厂气中的丙烯合成异丙醇，公认为第一个石油化学产品，标志石油化工诞生。
④石油及其产品构成了现代生活方式和社会文明的基础
⑤石油安全关系国家安全
第二节 石油的成因和聚集
石油的形成
石油地质学界普遍承认，石油和天然气的生源物是生物，特别是低等的动物和植物。
海相成油：生源物的来源主要是在海洋中生活的生物。
陆相成油：生源物的来源主要是非海相生物，即生活于湖沼的生物。
焦点与学派：
（1）油气的无机成因学说 （2）油气有机成因学说
油气的运移和聚集
油气运移：生油岩中的油气在外力作用下运移到砂质岩（储集层）中集中的过程。
油气从生成到形成矿藏一般要经过两次大的运移才能完成：
初次运移：从生油层向储集层里的运移。
二次运移：在储集层内的运移。
储油构造：集中储存油气的地方。
储油构造由3部分组成：
储油层：有油气居住的空间。
盖层：覆盖在储油层之上的不渗透层。
圈闭：储集层中油、气物质自身势最小而其动能为零的地方。（封堵的条件）
石油资源专家认为，一个油气田的六大要素就是生（油层）、储（油层）、盖（油层）、运（移）、圈（闭）、保（存）。
第三节 石油的开采
1 石油勘探：①地表观测、②地质勘探、③地球化学勘探、④地球物理勘探
地球物理勘探法
主要方法：重力勘探（或重力法）、磁力勘探（或磁力法）、震波勘探（或震波法）
其它方法：电测勘探（或电测法）、放射性勘探（或放射性法）、井测勘探（或井测法）
2 钻井
钻井方式
1) 人工掘井：1521年之前
2) 人力冲击钻：1521～1835年
3) 机械顿钻钻井（冲钻）：1859～1901年
4) 旋转钻井：1901年
我国陆上油田目前最深探井是准噶尔盆地腹部的莫深1井，设计井深7380米（2006年）。
世界上最深的石油勘探井井深为9583米（1974年美国）。
3 采油
世界油田开发史按技术大致可以分为3个阶段：
l 直接采油（一次采油）
l 注水驱油（二次采油）
l 提高采收率技术（三次采油）
4 石油储运
石油的储藏和海上运输始终是国际上最为关注的焦点问题。
用管道输送石油是一种方便而又经济的方法。1934年，世界上第一条油管将伊拉克的北部油田和黎巴嫩的黎波里港连通。输油管道的铺设使原油和成品油的输送成本大幅度降低。
铁路上使用的油槽车也是长距离运输石油的常用设备。
第四节 石油的组成
1 石油的元素组成
主要元素：碳（C）、氢（H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）。C占84%~87%，H占11%~14%
微量元素：如Fe、Mg、V、Ni等30多种，其中V、Ni为主。
碳、氢占绝对优势，总量达95~99%，主要以烃类形式存在，是组成石油的主体。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在，与微量元素的总含量一般1~4%。
石油中的硫含量：海相石油高硫（一般大于1%），陆相石油低硫（一般小于1%）
钒和镍含量与比值：海相石油V、Ni含量高，且V/Ni大于1；陆相石油V、Ni含量较低，且V/Ni小于1
2 石油的化合物组成
烃类化合物
烷烃
饱和烃
环烷烃
芳烃
不饱和烃
烯烃
非烃类化合物
含N、含S、含O化合物
（1）石油的烃类组成
烷烃：又称脂肪烃、石蜡烃，具有碳链结构，CnH2n+2，按有无支链分为正构烷烃与异构烷烃。
正构烷烃（CnH2n+2） 异构烷烃（CnH2n+2）
石油中的异构烷烃以≤C10的为主，C11-25较少，且以类异戊间二烯型烷烃最重要。
石油中的类异戊间二烯型烷烃一般认为是由叶绿素的侧链¾直醇演化而来，为生物标志化合物。
环烷烃（具有碳环结构）
CnH2n：单环、双环、三环及多环烷烃，石油中多为五员环或六员环¾环戊烷、环己烷及其同系物。
环烷烃分子中的碳原子连成环状，性质与烷烃相似，但稍活泼。
芳香烃（含苯环结构的不饱和烃）
单环芳香烃：苯、甲苯、二甲苯
多环芳香烃：联苯、三联苯、三苯甲烷
稠环芳香烃：萘、蒽、菲
芳烃较烷烃性质活泼，可与一些物质发生化学反应。
烯烃：双键结构
烯烃的化学性质很活泼，可与多种物质发生反应
烯烃分子结构式中碳原子间有双键，碳原子化合价没有和氢原子完全结合，这就有能力和其他元素的原子相结合。如乙稀、丙稀、环戊稀、环己稀
（2）石油的非烃类组成
石油中含硫、氮、氧的化合物都是非烃类化合物，它们的含量虽然不高，但对炼制过程和成品油的质量影响很大。
①含硫化合物；②含氮化合物；③含氧化合物
存在形式：环烷酸、脂肪酸、酚、醛、酮等。
环烷酸占石油酸的90%，易形成各种盐类，其中碱金属的环烷酸盐易溶于水、可作为找油标志。
（3）生物标志化合物
来源于生物体，基本保持类原始组分的碳骨架，记载了原始生油母质特殊分子结构信息的有机化合物。又称“分子化石”、“指纹化合物”或“地球化学化石”。
主要有：正构烷烃、类异戊间二烯烷烃、萜类和甾类以及卟啉化合物。
3 石油的组分组成
油质：是石油的重要组成部分，可溶于石油醚而不被硅胶所吸附。
胶质：可溶于石油醚，苯、三氯甲烷等有机溶剂而不被硅胶所吸附。
沥青质：不溶于石油醚和酒精而溶于苯、三氯甲烷的沥青部分。
碳质：不溶于有机溶剂的非烃化合物。
4 石油分类
根据油源环境分为：海相石油、陆相石油
根据有机质成熟度分：（未熟）低熟油、成熟油、高熟油
海相石油与陆相石油的基本区别：
海相石油：以芳香-中间型、石蜡-环烷型为主。V/Ni>1。饱和烃占25~70%，芳烃占25~60%；高硫（>1%）、低蜡（<5%）。
陆相石油：以石蜡型为主，部分为石蜡-环烷型。V/Ni<1。饱和烃占60~90%，芳烃占10~20%；高蜡（>5%）、低硫（<1%）。
5 石油的物理性质
①颜色：石油的颜色变化很大，无色、淡黄色、黄褐色、淡红色、深褐色、黑绿色、黑色。
石油的颜色与芳烃+非烃的含量有关，芳烃+非烃含量越高，颜色越深。
②相对密度：有三种：
：1个atm下，20°C单位体积原油与4°C单位体积纯水的质量之比。
（无量纲）一般“ ”： 0.75~1.0之间，其中：<0.9称为轻质石油；0.9-0.93称为中质石油；>0.93称为重质石油。
影响因素：
主要取决于化学组成，胶质、沥青质含量↑ ↑；石油组分的分子量↑ ↑；溶解气数量↑ ↓
API度：石油工业中常用美制密度（°API）表示，?API与ror呈反比关系。
一般原油 API 介于 25 ~ 46 之间。
波美密度：符号Symbol：?Bé, sometimes ?B
法国科学家波美所创制，波美比重计
③粘度：石油流动时分子间相对运动的内摩擦力所产生的阻力。
粘度越大，愈难流动。
影响因素：石油的粘度取决于石油的化学组成、所处的温度和压力。胶质、沥青质↑，粘度↑；饱和烃含量↑，粘度↓；化学组成：溶解气含量↑，粘度↓；温度↑，粘度↓；压力↑，粘度↑。
温度对粘度的影响较压力大，因此在地层中容易流动。
④溶解性：石油可溶解于多种有机溶剂，如：苯、三氯甲烷（氯仿）、二硫化碳、四氯化碳、乙醚等等。难溶于水，但随水中二氧化碳和烃气的含量增加，溶解度明显增加，有利于初次运移。
⑤凝固点：将液体石油冷却到失去流动性时的温度。
石油没有明确的凝固点，当温度降低时，常出现固态与液态之间的过渡状态。
⑥导电性：石油基本上是电绝缘体。石油导电性极差，具高电阻率。可视为无限大，非导体。
⑦荧光性：石油在紫外光的照射下，产生荧光的特性。无论其本身还是溶于有机溶剂中。
荧光-低能量可见光 ¾ 冷发光现象
原因：由多环芳香烃和非烃发光，饱和烃不发光。
发光颜色：含芳烃多的轻质油—天蓝色；含胶质多的石油—淡黄色；含沥青质多的石油—褐色。
发光强度：与石油中的不饱和烃浓度有关。
在低浓度范围下，发光强度与石油类物质的浓度成正比；但浓度超过某一临界值以后，发光强度反而降低，这叫做浓度消光。
应用：钻井现场常用荧光灯鉴定岩样中的含油情况。
⑧旋光性：当偏振光通过石油时，石油能使其振动面旋转一个角度（0.几-几度），石油的这种特性称旋光性。旋转偏振光振动面的特性。分右旋和左旋。大多石油旋光性为右旋。旋转角小于几度。
石油的旋光性与结构不对称的生物标志化合物有关，因此，石油的旋光性是石油有机成因的证据。
第五节 石油的炼制
石油炼制过程：
l 脱盐/脱水：应用电化学分离或加热沉降方法脱除原油所含水、盐和固体杂质，主要目的是防止盐类（钠、钙、镁的氯化物）离解产生氯化氢而腐蚀设备和盐垢在管式炉炉管内沉积。
l 原油蒸馏
l 丙烷脱沥青
l 溶剂萃取和脱蜡
l 混合
1 石油的蒸馏
蒸馏是利用物理方法将原油中的各种碳氢化合物分开。原油加热到一定温度，油中的碳氢化合物变成不同的气体，每种气体有不同的凝结点，在不同温度下凝结成为液体。
蒸馏包括常压蒸馏和减压蒸馏，属于物理变化。
常压蒸馏：在接近常压下蒸馏出汽油、煤油（或喷气燃料）、柴油等的直馏馏分，塔底残余为常压渣油（即重油）。
减压蒸馏：使常压渣油在8kPa左右的绝对压力下蒸馏出重质馏分油作为润滑油料、裂化原料或裂解原料，塔底残余为减压渣油。
1 atm（标准大气压）＝ 101.325 kPa（千帕）
工业上的石油分馏：
石油馏分组成与化合物组成关系
随馏分沸点增加，化合物分子量增大，化合物中C数增加；
随馏分沸点增加，石蜡烃和芳香烃含量明显减少，胶质含量明显增加。
2 重油的裂化
裂化是将重油等大分子烃类分裂成汽油、柴油等小分子烃类的一种炼制方法。
重油裂化是制取高质量汽油的主要途径。
重油裂化的常用方式：
a) 热裂化
b) 催化裂化
c) 加氢裂化
热裂化：是通过加热的方法把大分子烃类转化成小分子烃的过程。
催化裂化：是在硅酸铝和合成沸石等催化剂作用下使重油裂化成小分子烃，可以有选择性多生成一些汽油组分的产品，反应产物是C4~C9的烃类。催化裂化中发生的化学反应主要是异构化反应、芳构化反应和氢转移反应。
加氢催化裂化：是在370~430℃的高温、10~15MPa的高压以及催化剂的作用下使直馏柴油、减压渣油等各种轻重油原料进行加氢反应。
l 可把原料中的硫和氮的化合物转化成硫化氢和氨，从而通过水洗除去。
l 可使不饱和烃及一些大分子烃发生裂化和异构化，从而获得各种高质量的油品。
如高辛烷值汽油、低冰点喷气机燃料、低凝固点柴油、低温性能良好的润滑油等。
l 产品的收率接近100%。
l 反应需要在高压下操作，条件比较苛刻，设备投资高，技术操作要求严格。
石油炼制加工： 一次加工；二次加工；三次加工。
一次加工和二次加工可用于生产燃料油品。二次加工可提高轻质油的收率，提高油品质量，增加石油产品的品种，提高炼油厂的经济效益。三次加工（石油化学工业）则是用前两次加工所得的石油产品或半成品来生产化工产品，通过分子的异构化、芳构化、聚合等反应制取基本有机化工原料。
第六节 石油化工—国民经济的支柱
石油化学工业简称石油化工，是指以石油和天然气为原料生产石油产品和石油化工产品的加工工业。
石油产品：
液体燃料：液化石油气（LPG），车用汽油，航空燃料，车用柴油，燃料重油等。
润滑油：发动机油，齿轮油，液压油，气轮机油，压缩机油，金属加工用油等。
固体产品：沥青，石油焦，石蜡等。
其他类产品
第七节 工业的血液—流动的乌金
石油经过炼制后,绝大部分变成了汽油、煤油、柴油、燃料油、润滑油等油品。
这些油品如同血液一样源源不断地输入工业的脉管，大大加快了现代文明社会的生活节奏。
1 汽油的使用牌号和优质汽油的制备
汽油的质量标准涉及到许多方面，其中最重要的是蒸发性、抗爆性和安定性。
l 蒸发性：评价汽油蒸发性的指标是馏分组成和蒸气压。
l 抗爆性：汽油的抗爆性是指汽油发动机在汽缸中燃烧时抵抗爆炸的能力。可用辛烷值度量，汽油的辛烷值越高其抗爆性越好。
l 安定性：汽油的安定性是指汽油在常温和液相条件下抵抗氧化的能力。
安定性不好的汽油在储存和运输过程中容易发生氧化和聚合反应，生成酸性物质和胶状物，致使油的颜色变深，辛烷值降低。
汽油的辛烷值：规定具有很高抗爆性的异辛烷的辛烷值为100，最容易产生爆震的正庚烷的辛烷值为0。
汽油改性：提高辛烷值制取高质量的汽油是汽油改性的主要目标。两种基本改性方法：
a) 在汽油中加入添加剂；
b) 通过石油馏分的化学转化来改变汽油的烃类组成，以获得高辛烷值的汽油。
汽油质量升级一般要经过3个阶段：一是标号升级，二是无铅化，三是组分优化。
2 航空煤油 喷气式飞机对喷气燃料的要求：
a) 良好的燃烧性能
b) 良好的热安定性
c) 较低的结晶点
d) 良好的雾化和蒸发性
3 柴油
柴油十六烷值 ¾ 评定柴油抗爆性的指标：
a) 自燃点为205℃的正十六烷是抗爆性很好的柴油机标准燃料，将它的十六烷值定为100；
b) 自燃点高达529℃的a-甲基萘是抗爆性很差的柴油机标准燃料，它的十六烷值定为0。
4 燃料油和润滑油
燃料油：燃料油来源主要是减压渣油和裂化残油两种。
润滑油：润滑油通常是从常压塔底流出的重油经过减压蒸馏制取。
第八节 我国的石油发展
第四章 天然气
1. 清洁的燃料
2. 天然气的开采
3. 天然气化工
4. 煤层气的利用
5. 天然气适用技术
6. 中国的天然气市场展望
7. 天然气水合物-21世纪的新能源
第一节 清洁的燃料
1 天然气的概念
广义的天然气：自然界中一切天然生成的气体（包括大气、岩石中的气体、海洋中的气体、地幔气、宇宙气等）。
狭义的天然气：在地质条件下生成、运移并聚集在地下岩层中、以烃类为主的气体。
在地壳岩石空隙（孔、洞、缝）中天然生成的，以气态烃为主的可燃有机矿产。
多数有机成因，也有无机成因的。
2 天然气的化学组成
1) 天然气的元素组成：C、H、O、S、N及微量元素组成，其中C占65%~80%，H占12%~20%
2) 天然气的化合物组成：烃类—CH4为主；非烃类—CO2、N2、H2S
多数气藏以烃类为主
气藏和油气藏中天然气，无论是气藏类型，还是气体中化合物组成，都是以烃类气体为主。
烃类组成
1) 甲烷（轻烃气）：是烃类气体主要化合物。
2) 重烃气（乙烷及其以重）：次要。其中以乙烷和丙烷为主。有时有少量的环烷烃和芳香烃。在多数情况下，气体中烃类化合物含量与其分子量成反比关系。
根据烃类天然气中轻烃气和重烃气含量，常将其分两类：
1) 干气：CH4>95%，C2+ <5%，贫气。
2) 湿气：CH4<95%，C2+ >5%，富气。
典型湿、干气烃类组成
天然气组成（体积%）
资料来源
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
＞C5H12
非烃
典型湿气
典型干气
84.6
96.0
6.4
2.0
5.3
0.6
2.6
0.3
1.1
1.1
Heron
（1964）
一般纯天燃气的可燃成分以甲烷为主，还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等气体。
气藏气中常见的非烃气有：N2、CO2、H2S、H2、CO、Hg蒸气，有时还含有少量有机硫、氧、氮化合物。
非烃类组成：非烃气的含量一般小于10%，但亦有少量非烃气的含量超过10%，极少数是以非烃气为主的气藏，如N2气藏，CO2气藏、H2S气藏。
另外，还有痕量到微量的稀有气体，如：氦、氖、氪、氩、氙、氡等惰性气体，它们在沉积圈中含量较低，不能单独形成气藏。
3 天然气的基本物理性质
天然气一般为无色，可有汽油味或硫化氢味，可燃，由于其化学性质组成变化大，致使物理性质变化甚大。
1) 分子大小：石油、天然气的各种化合物分子长度
天然气化合物的分子的长度和有效直径比石油化合物分子的长度和有效直径一般要小，有利于运移。
2) 表观分子量Mg：天然气中各种化合物平均分子量，按下式计算：
式中，Yi、Mi分别是第i种化合物的摩尔分数和分子量。
3) 密度和相对密度
密度（rg）： 在地表一般0.7~0.75 kg/m3；在地下可达150~250kg/m3 ，凝析气可达225~450kg/m3 。
相对密度（rg）：在标准状况下，单位体积天然气与同体积空气的质量之比。 一般在0.56~1.0之间。相对密度一般随重烃、非烃气体含量的增加而增大。
4) 溶解性：天然气溶解度：单位体积的溶剂溶解天然气的体积。在相同条件下，易溶于石油，难溶于水。CH4—0.3m3/m3油，0.033m3/m3水
在水中溶解度：各种化合物的溶解度是不同的，与温度和水中其他溶质浓度含量有关（T、P、含盐度、气体组分）。当水中溶解有二氧化碳时，烃类气体溶解度会增加。
在石油中溶解度：在相同条件下，烃类天然气在石油中溶解度（或溶解系数）大大高于在水中溶解度（溶解系数）。油中的溶解度—压力、天然气组成、石油性质有关，一方面较重烃气溶解度较大，另一方面轻馏分较重馏分有更大的溶解天然气能力。
5) 粘度（m）：指气体内部相对运动时，气体分子内摩擦力所产生的阻力。
影响因素：在较低压力下（小于30大气压），随分子量增加而减小，随温度和压力增高而增大；在高温高压下：与液态烃变化一致。
6) 蒸气压力：饱和蒸气压力：气体液化时所需施加的压力。
影响因素：随温度升高而增大；同温度下，烃分子量越小，其蒸汽压力越大。
7) 吸附作用：天然气被岩石吸附的现象。
单位质量岩石吸附天然气量大小与岩石类型和天然气化合物类型以及压力温度等有关。
常温下岩石对气态烃吸附值
8) 热值
天然气中烃类的热值（据美国天然气工程手册，1959）
烃类
热值（发热量）
kJ/m3(净值)
kJ/kg(净值)
kJ/m3(全值)
kJ/kg(全值)
甲烷
乙烷
丙烷
丁烷
34037.80
60937.25
87915.42
115863.04
47541.96
45162.10
44054.17
43368.15
37811.48
66618.44
95537.50
125876.35
52812.96
49371.20
47873.33
47116.44
4 天然气的产状
存在相态：游离相、溶解相、吸附相、固态气水化物
分布特征：聚集型、分散型
聚集型天然气： 以游离状态聚集在一起的天然气。 气藏气、气顶气、凝析气
分散型天然气：溶解气（油溶气、水溶气）、煤层气、固态气水合物（可燃冰）
聚集型天然气
①气藏气：基本上不与石油伴生，单独聚集成纯气藏。
CH4含量常>95%、重烃气（C2+）少；可为烃气（干气），也可为非烃气。
②气顶气：指与石油共存于油气藏中，呈游离态存在的天然气。
CH4为主，C2+高＞5%
湿气，成因、分布均与石油有关。
③凝析气：当地下温度、压力超过临界条件时，液态烃逆蒸发而形成的气体，称为凝析气。采至地面过程中，随温度压力的降低又逆凝结为轻质油。即凝析油。
凝析气属于湿气，形成的凝析气藏多分布在3000~4000米深度范围内
凝析油占到一定比例的气藏叫凝析气藏。
分散型天然气
④煤层气（矿井瓦斯）
煤层中所含的呈吸附或游离状态的天然气（瓦斯）；气体成分以CH4为主，含N2、CO2、H2S。
⑤溶解气：地层条件下，溶于石油或地下水的天然气。
油溶气：油藏中溶解的天然气。湿气，C2+高，可达40%。
水溶气：溶于水中的天然气。（CH4,N2,C2+气,CO2少）
高压水溶气：常出现于异常高压带以下的热水中，含气量较高；
低压水溶气：含气量较低，一般不单独采取。
⑥固态气水合物
高压低温条件下，CH4等气体分子被封闭冻结在水分子扩大晶格中，形成的固体物。
形成条件：
1) 气和水足够富集
2) 低温：低于27°C。若T>27°C：就以气态烃+水或者液态烃+水形式存在。
3) 高压。在冰点附近需十几atm；在27°C附近需500-600atm。
能形成固态水合物的烃类气体：甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷。
能形成固态水合物的地区：极地、冻土带、深海沉积物分布区。
与石油产出的关系
①伴生气
位置上伴生气：气顶气、油溶气和油藏周围（上、中、下方）的气。
成因上伴生气：成油过程中形成的各种天然气。
②非伴生气
位置上非伴生气：与油藏分布没有关系。 例如：某些气藏气。
成因上非伴生气：煤系有机质或未成熟的有机质形成的天然气。
5 天然气的储运
1) 管道
2) 压缩天然气（CNG）
3) 液化天然气（LNG）
4) 天然气水合物（NGH）
目前，世界天然气产量的75%依赖管线输送，25%靠LNG运输。
液化天然气（LNG）：气田开采出来的天然气经脱水、脱酸性气体和脱重烃类，然后压缩、冷却，在-163度下液化成LNG。其主要成分为甲烷，用专用船或油罐车运输，使用时重新气化。
液化天然气（LNG）的特点：
Ø LNG在大气压下，液化温度为-163°C；
Ø LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性；
Ø LNG的体积约为同量气态天然气体积的1/600；
Ø LNG的重量仅为同体积水的45%左右；
Ø LNG的体积能量密度为汽油的72%；
Ø LNG是一种清洁燃料，排放可以达到欧4标准。
液化天然气（LNG）具有高热值、低比重、超低温三大特点，是一种清洁、高效、廉价、理想的绿色新能源。
第二节 天然气的开采
全球天然气储藏量的50%以上集中在俄罗斯、伊朗和卡塔尔等中东地区国家。
1 天然气勘探
天然气勘探方式与石油勘探相似，寻找油藏与油层试钻的技术基本上可用于勘探天然气，对天然气勘探评价的内容与方法也基本与石油相同。
2 采气：把天然气从地层采出的全部工艺过程简称采气工艺。
采气工艺与自喷采油法基本相似，都是在探明的油气田上钻井，并诱导气流，使气体靠自身能量（源于地层压力）由井内自喷至井口。
排液采气—柱塞排液采气：柱塞排液采气工艺是一种利用投放在井筒油管内的柱塞的上下运动来排除和防止井筒积液的间歇气举排液采气工艺。
3 我国天然气开采利用情况
1821年开发的四川富顺县自流井气田是世界上最早的天然气田。
第三节 天然气化工
石油是多链碳烷烃，在加工时是将高碳烷烃裂解成低碳烷烃和烯烃。
天然气是以甲烷为主，其化学加工是将1个碳的甲烷转化成2个或3个碳及以上烷烃和烯烃。
石油加工是拆房子，而天然气化工是建房子。
天然气在作为化工原料时主要是用于生产合成氨和甲醇。
天然气化学转化主要有两个途径：
1) 直接化学转化：如氧化偶联、选择性氧化等可制成烯烃、甲醇等化工产品。
2) 间接化学转化：用天然气先制造合成气（一氧化碳和氢气），再由合成气出发经过不同的化学过程制取液态烃、合成氨、甲醇等化学品。
天然气转化合成甲醇，合成甲醇的制备原理：用天然气作原料合成甲醇的主要反应
CO+2H2 ® CH3OH ?DH= –102.5 kJ/mol
CO2+3H2 ® CH3OH+H2O ?DH= – 49.5kJ/mol
由热力学原理知，增加压力、降低温度对合成甲醇有利。第一反应最重要，原料配比H2/CO比值很重要。
Ø 天然气制合成氨
Ø 天然气制甲醇
Ø 天然气制合成油
Ø 天然气制二甲醚
Ø 天然气经甲醇制烯烃
Ø 天然气氧化偶联制烯烃
Ø 天然气制芳烃
第四节 煤层气的利用
煤层气（CBM）：煤层气是在煤矿层及其邻近岩层中与煤伴生的以分子吸附状态赋存于煤基质表面上的一种可燃气体，其主要成分（常占90%以上）是甲烷（CH4），俗称“瓦斯”。
一方面，俗称瓦斯的煤层气是造成煤矿瓦斯爆炸、煤岩体突出的灾害性气体和引起全球气候变暖的强烈温室性气体；另一方面，它也是一种洁净的新能源。
在热值上，煤层气与常规天然气相当，发热量在8000大卡/m3以上，每1000m3煤层气相当于1t石油或1.25t标准煤。
第五节 天然气适用技术
1) 天然气发电
2) 天然气燃料电池
3) 天然气汽车
4) 天然气空调
第六节 中国的天然气市场展望
我国天然气资源分布：总的格局：西多东少、北多南少
我国天然气市场七大“动脉”
中国进口的第一船液化天然气：2006年05月26日首艘装载着6万吨液化天然气的NORTHWEST SEAEAGLE抵深圳大鹏接收站码头。
第七节 天然气水合物—21世纪的新能源
1 天然气水合物：笼形包合物、可燃冰、气冰、固体瓦斯、固体天然气
天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态笼状化合物。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃。1立方米天然气水合物可释放出164立方米甲烷气体，是一种能量密度高、分布广的能源矿产。
2 天然气水合物的存在及生成环境
地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区。海洋大陆架是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的90%具有形成气水合物的温压条件。
已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。
3 天然气水合物的物理性质
颜色：天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等。
存在状态：轴状、层状、小针状结晶体或分散状。
存在方式：
①占据大的岩石粒间孔隙；
②以球粒状散布于细粒岩石中；
③以固体形式填充在裂缝中；
④大块固态水合物伴随少量沉积物。
密度：0.912 g/cm3，小于冰的密度0.916 g/cm3。
4 天然气水合物的结晶结构
水合物的笼形包合物结构，1936年前苏联科学院院士尼基丁提出，天然气水合物的结晶格架主要由水分子所构成，在不同的低温高压条件下水分子结晶形成不同类型的多面笼形结构。
水合物的分子式表示为：M×nH2O，M表示甲烷等气体，n为水分子数。
天然气水合物结构类型：3种，即I型、II型和H型。
I型：I型气水合物为立方晶体结构，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子。
II型：II型气水合物为菱型晶体结构，除包容甲烷、乙烷等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类。
H型：H型气水合物为六方晶体结构，除能容纳n型结构水合物所能容纳的烃类分子外，其大的“笼子”其至可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如异戊烷（i-C5）和其他直径在0.75~0.86纳米之间的分子.
气水化合物分子中，气体分子是较小的分子（异丁烷和丙烷及其以小），水分子数与气体化合物分子数是变化的，较小的气体分子与较少的水分子结合。但是，更大的分子（丁烷以上）则不能与水分子结合。
5 天然气水合物的研究历史
2007年5月1日，我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个成功钻获“可燃冰”的国家。
6 天然气水合物的形成条件
天然气水合物的形成有3个基本条件，缺一不可。
1) 地底要有气源；
2) 温度不能太高；
3) 压力要足够大。0°C时，30个大气压以上就可生成。
7 水合物中的烃类气体
天然气各成分水合物的临界生成温度
成分
CH4
C2H6
C3H8
i-C4H10
n-C4H10
CO2
H2S
水合物临界生成温度/°C
47.0
14.5
5.5
2.5
1.0
10.0
29.0
8 天然气水合物生成的抑制法
² 降低压力
² 保持一定温度
² 减少天然气水含量
² 天然气水合物抑制剂
醇：与水完全互溶，将天然气水合物控制在结晶析出阶段。
表面活性剂：通过吸附，将天然气水合物控制在结晶的长大阶段。
聚合物：天然气水合物结晶可与聚合物链节结合，将天然气水合物控制在聚并、沉积阶段。
加入天然气气流中以阻止在低温时形成烃类水合物的一种化学药剂。可防止管道设备阻塞。
常用的有甲醇、乙二醇、二甘醇及三甘醇等。
9 天然气水合物的勘探和开采
天然气水合物勘探方法：
地震勘探方法；地球物理测井法；钻井取芯
天然气水合物的开采方法主要有3类：
1) 热激发法：主要是将蒸气、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层。
2) 化学试剂法：某些化学试剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井孔泵入后，就会引起水合物的分解。
3) 减压法：通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使水合物分解的目的。
天然气水合物开发的最大技术难点：保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。
10 天然气水合物与百慕大三角之迷
百慕大三角这个神秘的漩涡地带是因为有天然气水合物从海底释放造成的，那里的海面总是有不断喷涌而出的甲烷气泡。
第五章 太阳能
1. 太阳能简介
2. 太阳能的光热利用
3. 太阳能的光电利用¾太阳能电池
4. 太阳能光化学利用
5. 太阳能空间电站
6. 太阳能的储存与输送
7. 太阳能在我国的应用
第一节 太阳能简介
1 太阳与太阳辐射
太阳能是太阳内部连续不断的氢核聚变反应过程产生的能量。
2 太阳能利用的特点
l 储量的无限性
l 存在的普遍性
l 利用的清洁性
l 利用的经济性
从利用角度来看，太阳能有两个主要缺点：
l 能流密度低；
l 其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响而不能维持常量。
3 中国的太阳能资源
4 太阳能利用所涉及的技术问题
太阳能利用涉及具有共性的技术主要有四项：太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存、太阳能传输
5 太阳能的利用途径：太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。
² 太阳能转变为热能和电能： 太阳能热利用；太阳能光发电。
第二节 太阳能的光热利用
太阳能的光热利用就是利用太阳集热器将太阳光辐射转化成流体中的热能，并将加热流体输送出去利用。
太阳能的光热利用主要有以下方面：
l 太阳能热水系统
l 太阳能热发电
l 太阳能空调制冷
l 太阳房
l 太阳灶
l 太阳能干燥
1 太阳能集热器
吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。
按采光方式，太阳能集热器可分为：①非聚光型集热器；②聚光型集热器
² 非聚光型集热器：平板集热器、真空管集热器
² 聚光型集热器：抛物面槽式集热器、抛物面碟式集热器、集中接收系统
2 太阳能热水系统
太阳能热水系统主要元件：集热器、储存装置、循环管路。
按流体流动方式分：太阳能热水系统分为：循环式、直流式、闷晒式。
按形成水循环的动力不同分：自然循环式、强制循环式。
3 太阳能热发电
太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将水加热，使产生的蒸汽去驱动汽轮发电机组。
将太阳能转换成热能再转换成电能进行发电。
发电方式：光—热—电转换方式
太阳能热发电站的组成：集热系统、输热系统、储热系统、热交换系统、汽轮发电机
太阳能热发电的形式：槽式太阳能热发电、塔式太阳能热发电、碟式太阳能热发电。
4 太阳能制冷与空调技术
太阳能制冷原理
l 直接以热能为驱动能源：主要有吸收式制冷、吸附式制冷和喷射式制冷等。
l 以太阳能产生的机械能为驱动能源：主要有压缩式制冷、光电式制冷和热电制冷等。
5 太阳房
被动式太阳能系统：利用建筑构件本身吸收太阳能，而不用设备。
主动式太阳能系统：需要附加的太阳能集热器、热能储存装置、热交换器及能量供给装置。
6 其他太阳能热利用技术：太阳灶；太阳能干燥
第三节 太阳能的光电利用—太阳能电池
1 太阳能电池简介
1954年，美国贝尔电话公司研制成的硅电池，效率太低：4%，几个月后6%；
2 太阳能电池发电原理：基于光伏效应由太阳光与材料相互作用而产生电势。
3 太阳能电池
①硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池
A. 单晶硅太阳能电池
由线锯切割单晶硅锭制备硅片，规模生产时的光电转换效率为：15~20%。单晶硅成本价格高。
单晶硅片的制备要经过如下过程：
石英砂®冶金级硅®提纯和精炼®沉积多晶硅锭®单晶硅®硅片切割。
B. 多晶硅太阳能电池
多晶硅是以熔融的硅铸造固化制成，制程简单，成本较单晶硅低。工业规模生产的光电转换效率~15%。
C. 非晶硅太阳能电池
非晶硅材料的光吸收效率是单晶硅的40倍。非晶硅太阳电池主要应用于功率输出较小的各种消费性电子产品上，如手表、计算器等。光电转换效率~6%
②多元化合物薄膜太阳能电池
A. 砷化镓太阳能电池：GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率较晶体硅电池高，可达25%~30%；航天用太阳能电池一般在18%~19.5%。
B. 铜铟硒太阳能电池：铜铟硒薄膜电池适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。CIS（CuInSe2）转换效率高，制作复杂，生产困难，生产过程中存在剧毒气体硒化氢。CIS原型电池转换效率高达13%，实验室最高转换效率是18.4%。
C. 碲化镉太阳能电池：商品CdTe电池模板的光电转换效率为7%，与非晶硅（a-Si）电池转换效率相近。可以低制造成本生产高效模板，光电转换效率最高可达16.5%。
D. 有机太阳能电池：以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。
E. 纳米晶太阳能电池：纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10。
太阳能电池技术比较
种类
材料
太阳能单电池效率
太阳能电池模块效率
优点
缺点
硅系
太阳
能电
池
单晶硅
15~24%
13~20%
效率最高
技术成熟
工艺繁琐成本高
多晶硅
10~20%
10~15%
无效率衰退问题
成本远低于单晶硅
效率低于单晶硅
非晶硅
8~13%
5~10%
成本较低
转化效率较高
稳定性不高
多元化合物薄膜太阳能电池
砷化镓
19~32%
23~30%
效率较高
成本较单晶硅低
易于规模生产
原材料镉有毒
碲化镉
10~15%
7~10%
铜铟硒
10~12%
8~10%
价格低廉、性能良好、工艺简单
原材料来源比较有限
纳米晶化学太阳能电池
8~11%
~8%
成本低廉、工艺简单、性能稳定
聚合物多层修饰电极型太阳能电池
3~5.9%
易制作、材料广泛、成本低
寿命短
4 光伏电池新技术
5 太阳能光伏电池的发展趋势
² 第一代光伏电池：基于硅晶体的光伏电池
ü 技术成熟
ü 典型光电转换效率：10~15%
ü 寿命> 20 yrs achieved
ü 电池价格的40%是硅的价格
² 第二代光伏电池：基于薄膜技术：在衬底上沉积光伏电池活性物质
² 第三代光伏电池：非硅系
² 第四代光伏电池：第四代光伏电池将从生物衍生。
第四节 太阳能光化学利用
利用光化学反应可以将太阳能转换为化学能。
主要有3种方法：光合作用；光化学作用-光解水制氢；光电转换-电解水制氢
1 光合作用
叶绿素吸收光能通过一系列的化学反应将二氧化碳和水转化成碳水化合物、同时把光能转化为化学能（ATP、NADPH）的过程。
光合作用包括两个主要步骤：
①光反应：光能→化学能。光反应发生在类囊体膜上，是将光能转化为化学能的过程。
②暗发应：暗反应发生在叶绿体的基质中，是植物固定二氧化碳生产葡萄糖的过程。光合产物－淀粉是在基质中形成和贮存起来的。
2 光化学作用—光解水制氢
水解反应方程式为： DH=-285.85 kJ/mol。
光催化分解水制氢
Ø 以半导体为催化剂的光电化学分解水制氢
Ø 以金属配合物模拟光合作用的光解水制氢
①半导体催化光解水制氢
TiO2光催化分解水反应
阴极：2H+ + 2e- ®? H2
阳极：（TiO2） ®? 2e- + 2P（空穴）
H2O + 2P+ ?® 2H++ ½O2
总反应：
②配合物模拟光合作用的光解水制氢
模拟光合作用的吸光、电荷转移、储能和氧化还原反应等。
3 光电转换—电解水制氢
利用太阳能转化成电能用于制氢目前主要有两种方式：
1) 太阳能电池转换的电能电解水制氢
2) 将半导体电极直接注入水中电解制氢
第五节 太阳能空间电站
研制一种太阳能动力卫星，并把它发送到距地面3.5万多公里的高空，且与地球同步的轨道上（在这一轨道上，卫星绕地球飞行一圈的时间，正好与地球自转一周的时间相同），这样就可以用它把太阳能直接引到地球上。
第六节 太阳能的储存与输送
除太阳能电池外，使用比较普遍的储存太阳能的方法是，先将太阳能变成热能，然后再将热能储存在密封、隔热的水池中，以供需要时使用。
第六章 氢能
1. 氢能的特点
2. 氢的制取
3. 氢的存储与运输
4. 氢的利用
第一节 氢能的特点
氢只是能量的一种储存形式，是能源载体，不是能源。
氢同位素有：1H氕（氢），原子核内有1个质子，无中子，（99.98%）；
2H氘（重氢）（D），质量数为2，原子核中有一个质子和一个中子，（0.02%）；
3H氚（超重氢）（T），原子核由一个质子和两个中子组成，质量数为3，（0.1ppm）。
存 在：自然界中主要以化合态形式存在，其中以水和碳氢化合物为主。
常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。
氢气在通常状况下为无色、无气味的气体，在标准状态下，氢气的密度为0.0899g/l，是最轻的气体（密度最小）；分子晶体，熔沸点很低；在-252.7°C时，可成为无色液体，101Kpa，-259°C时，氢气变成雪状固体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。
相图：相图是表示物质所处的平衡状态（固态、液态、气态）与温度和压力的关系图。
氢的相图
参数
氢
沸点 [K]
20.3
熔点 [K]
14.01
三相点：温度[K]
压力 [kPa]
13.8
7.2
临界点：温度 [K]
压力[MPa]
密度 [kg/m3]
33.25
1.297
31.4
1千帕(kPa)=0.0098大气压(atm)
氢同位素沸点和三相点：
种类 沸点（K） 三相点（K）
氢气（H2） 20.38 13.95
氘气（D2） 23.67 18.73
氚气（T2） 25.04 20.26
特点
氢
比较
重量热值（LHV）（MJ/kg）
120
汽油44.5，天然气50
体积热值（STP）（MJ/m3）
10.7
天然气39
体积热值（液态）（MJ/litre）
8.24
天然气30.96
沸点（°C）
-252.7
天然气-162
除核燃料外，氢的发热值高，是汽油发热值的3倍，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。
氢的燃烧性能：氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时，可燃范围宽，着火能低，燃烧速度快。
氢气在空气中的可燃极限是4-75%（体积比）。
氢气在空气中的爆炸极限是18.2-58.9%（体积比）。辐射热低，着火能低。
燃料性能
性能
氢H2
甲烷CH4
甲醇CH3OH
汽油
沸点 (°C)
-253
-162
65
wide range
25°C的物理状态
Gas
Gas
Liquid
Liquid
重量热值
LHV (MJ/kg)
HHV (MJ/kg)
120
142
48
53
20
23
42-44
44-46
体积热值
LHV (MJ/Nm3)
HHV (MJ/Nm3)
11
13
35
39
15,700
18,100
~32,000
~33,000
可燃极限 (vol% in air)
4-75
5.3-15
6-36.5
1.4-7.6
爆炸极限 (vol% in air)
18.2-58.9
5.7-14
6.7-36
1.4-3
分子扩散系数(cm2/sec) in air
0.61
0.16
0.13
0.05
空气中自燃温度(°C)
571
632
470
220
液体密度(g/liter)
77
425
792
720-780
第二节 氢的制取
氢的制取是将甲烷等化合物通过蒸汽重整分离出其中的氢，或者将水中的氢通过电解或热化学分解出来。
1 实验室中制备氢气
实验室中制备氢气主要包括金属（金属氢化物）与水/酸的反应：
2 氢气的工业生产方法
1）水煤气法制氢
以煤为原料制氢的方法主要有煤的焦化和气化。
煤的焦化是在隔绝空气的条件下于900~1000°C制取焦炭，并获得焦炉煤气。
过热水蒸气在高于1000°C的温度下通过赤热的焦炭，即发生水煤气反应：
将水煤气和水蒸气一起通过装填有氧化铁钴催化剂的变换炉（400~600°C），可将CO转换成H2和CO2：
2）天然气制氢
天然气或裂解石油气制氢
甲烷蒸汽重整（天然气重整）： ?H = +205.8 kJ/mol
变换反应： ?H = -41.2 kJ/mol
大规模的甲烷制氢装置已商业化，效率高达80-85%。小规模的甲烷蒸汽重整还未商业化，效率为50-60%。
甲烷部分氧化/自热重整
甲烷部分氧化生产合成气CO和H2混合物：CH4 + ½ O2 ®CO + 2H2 Δ H = - 36 kJ/mol
上述反应与甲烷完全氧化反应相竞争：CH4 + 2O2 ®CO2 + 2H2O Δ H = -890 kJ/mol
3）裂解石油气制氢
以轻质油为原料，在催化剂的作用下，制氢的主要反应为：
反应温度一般在800°C，制得氢气的体积一般达75%。
采用重油为原料，可使其与水蒸气及氧气反应制得含氢的气体产物，含氢量一般为50%。
4）电解水制氢
当两个电极（阴极和阳极）分别通上直流电，并且浸入水中时，水将会被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。这个过程就是电解水。这样的装置称为电解槽。
电解水由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成。
电解氢氧化钾水溶液的电极反应为：
阳极反应： 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
阴极反应： 4H2O + 4e- → 4OH- + 2H2
总反应： 2H2O → 2H2 + O2 H2O ®? H2 + ½ O2
电解水制氢的效率一般为75%~85%，其工业过程简单，无污染，但能耗较高，一般为5kw×h/m3（氢气）。
电解槽分类：电解槽可以分为三种：碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽。
高温电解水：将200°C的过热水蒸气通过热交换器，在1000°C的电极室经电极反应将水分解成氢气和氧气。由电极放出的高温氢气和氧气通过导管输入热交换器，再将输入的水蒸气预热到900°C，并使水蒸气进入电解槽，而氢气和氧气降温后导出电解槽。
5）生物质制氢
化能营养微生物产氢（厌氧发酵有机物制氢）
在厌氧条件下，通过厌氧微生物（细菌）利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将其分解制取氢气的过程。
各种发酵类型的厌氧菌和兼性厌氧菌，其基质是各种碳水化合物、蛋白质等。
光合微生物产氢
微生物（细菌或藻类）通过光合作用将底物分解产生氢气的方法。
利用相关微生物（如微型藻类）和光合作用的联系制氢。
生物质热化学转换制氢
生物质裂解/气化：将原料（如柴薪、锯末、麦秸、稻草等）压制成型，在气化炉中进行气化或裂解反应，可制得含氢的燃料气。
6）甲醇制氢
7）其他方法制氢
在多种化工过程中，如电解食盐制碱工业、发酵制酒工业、合成氨化肥工业、石油炼制工业等，均有大量副产氢气可采取适当的措施对上述副产物进行氢气的分离回收。
NaCl + H2O + electricity => ½Cl2 + NaOH + ½H2 KCl + H2O + electricity => ½Cl2 + KOH + ½H2
从硫化氢中亦可制得氢气。
第三节 氢的存储与运输
1 氢的储存
储氢方法按氢的理化性质分类：
物理储氢：压缩、低温液化、碳纳米纤维和碳纳米管、活性炭吸附、玻璃微球、地下岩洞
化学储氢：金属氢化物、配位金属氢化物、氨、甲醇、甲基环己烷、碱金属氢化物
六种基本储氢方法：物理吸附、压缩气瓶、液态氢、金属氢化物、配位氢化物、碱液
可选储氢方法：高压气瓶、液氢低温罐、多孔材料、碳纳米材料、金属氢化物
气态储氢：高压气瓶
问题：效率低，能耗高，能量密度低，不太安全。
液态储氢：低温罐，温度：21 K
液化耗能高：液体储氢的耗能可高达储氢能量的1/3，液化1kg氢约耗电4~10kW×h，能量利用效率低。
对储罐绝热性能要求高
固态储氢：固体储氢材料：
金属氢化物（MgH2，BeH2，TiH2）：金属结构中存在着很多空隙，氢元素较活泼，原子半径又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属起化学反应生成金属氢化物。
金属间氢化物（AB (FeTi)，A2B (Mg2Ni，ZrV2)，AB5 (LaNi5)）：储氢合金可以和H2形成金属氢化物，从而固定H2，加热后又可以把H2放出来。其储氢的密度可以大于氢气瓶。
配位金属氢化物（铝氢化物，硼氢化物）
储氢合金：储氢合金的共同特点是在低温低压下能够可逆地吸收、释放氢。
一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/3，而体积却不到氢气瓶的1/10。因此，用储氢合金储氢是一种很理想的储氢手段。
在储氢合金中，一个金属原子能与2~3个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强。单位体积的储氢合金能储存1000~1300单位体积的氢。
金属氢化物的储氢机理：
在氢压作用下金属吸收氢，降低压力、供给热量可释放氢，H2分子首先被吸收到金属表面，然后离解为H原子。
金属氢化物储氢特点：反应可逆；氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠；较高的储氢体积密度
配位金属氢化物：碱金属或碱土金属同IIIA族元素与氢形成配位氢化物。
配位金属氢化物包括：铝氢化物、硼氢化物–
多孔材料（金属-有机骨架结构，氧化物，玻璃微球）：物理吸附
沸石粉、玻璃微球、介孔氧化硅、氮化硼纳米管、金属有机骨架
碳纳米结构：物理吸附
石墨纳米纤维、富勒烯、碳纳米管
化学储氢：甲醇、氨、碱金属氢化物
2 氢的分配和运输方法：管道、压力容器、低温容器、化学载体
第四节 氢的利用
氢经济价值链：生产®储存®分配®使用
与氢有关的能量链
氢主要有两种转化应用的方式：
① 以燃烧的形式在发动机中使用；② 以化学作用的形式在燃料电池中使用。
1液氢的使用
2化学工业用氢
氢是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料。当今氢的最大应用是在合成氨工业上。
3镍氢电池的负极储氢材料
镍氢（Ni/MH）电池是以氢氧化镍作为正极，储氢合金为负极，氢氧化钾溶液为电解液。
充电时，由于水的电化学反应生成的氢原子（H）立刻扩散进入到合金中，形成氢化物，实现负极储氢；
放电时，氢化物分解出的氢原子又在合金表面氧化为水，不存在气体状的氢分子（H2）。
镍氢电池的充放电反应：
4氢能汽车
5家庭用氢
6氢燃料电池
主要有五种类型：
①碱性电解质燃料电池（AFC）； ②质子交换膜燃料电池（PEM-FC）；
③磷酸燃料电池（PAFC）； ④熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；
⑤固体氧化物燃料电池（SOFC）。
第七章 核能
1. 核能的发现
2. 核能的利用
3. 核裂变和核聚变
4. 核反应堆
5. 核能利用与环境
6. 迅速发展的核电事业
第一节 核能的发现
核能：又称原子能、原子核能，是原子核结构发生变化时放出的能量。
核能释放通常有两种方式：
l 重核原子（如铀、钚）分裂成两个或多个较轻原子核，产生链式反应释放的巨大能量称为核裂变能。
l 两个较轻原子核（如氢的同位素氘、氚）聚合成一个较重的原子核，释放出的巨大能量称为核聚变能。
第二节 核能的利用
核能发电：32个有核电的国家和地区共有439座核电站, 装机容量为3.66亿千瓦，占世界总发电量17%，
第三节 核裂变和核聚变
人类获得核能有两种途径：重核裂变、轻核聚变
1 核裂变
指一个可裂变原子核在俘获一个中子后形成一个复合核，复合核经过一个短暂时间的不稳定激化阶段后，分列成两个碎片，同时放出中子和能量的反应过程。
大规模利用重核裂变释放出的能量，必须满足3个条件：
重核能够分裂为两个中等质量的原子核；裂变反应能够自持地进行下去；裂变的速度能够人为地加以控制。
重核发生裂变的方式：自持链式裂变反应 - 核裂变反应中产生的中子再引发其他重核发生裂变，导致产生更多的中子，最终形成一连串的裂变反应。链式反应的速度极快，两次反应间隔时间只有2´10-14秒。
铀原子核裂变时，会放射2至3个中子。
2 核聚变
两个或两个以上较轻的原子核聚合成一个较重的原子核并释放出能量的反应过程称为核聚变。
聚变前后的原子核有质量差异，并释出大量的能量。
实现核聚变的三种途径：重力约束聚变、磁约束聚变、惯性约束聚变
核聚变的特点：
1) 释放能量大，氘、氚聚变反应是同等质量铀-235裂变能量的4倍。
2) 聚变能电站氘燃料取之不尽、用之不竭。
海水中有取之不尽的氘（34mg/升）地球上总氘含量为40万亿吨，氚可用锂（Li-6）来生产。
3) 燃料价格低廉。
4) 不污染环境，运行安全可靠。
5) 不产生强放射物质。
与裂变相比，其放射性是微乎其微的，它还消化裂变的污染源，几乎没有废料；
6) 可直接转化成电能等。是人类最理想的能源。
第四节 核反应堆
核反应堆是用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来的反应装置。
1 裂变装置
核反应堆的分类
按用途不同：研究堆、生产堆、动力堆。
按中子能谱不同：热中子堆、中能中子堆、快中子堆。
按慢化剂不同：
l 轻水堆（轻水就是就是普通水H2O，氘的水化合物（D2O）称为重水）
² 压水堆：反应堆内水的温度低于对应压力下的沸点
² 沸水堆：反应堆内的水处于沸腾状态
l 重水堆
l 石墨堆
按冷却剂不同：水冷堆、气冷堆、液态金属冷却堆（如钠冷堆）、熔融盐。
按堆芯结构不同：非均匀堆、均匀堆。
按慢化剂和冷却剂的组合
l 石墨水冷堆：石墨作慢化剂，水为冷却剂。
l 石墨气冷堆：石墨作慢化剂，气为冷却剂。
核反应堆的组成
核反应堆一般由堆芯、控制棒、反射层、堆内支承结构、控制棒驱动结构、反应堆容器、冷却系统、慢化系统、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。
堆芯中的燃料：反应堆的燃料-裂变材料。
堆芯：堆芯又称活性区，是反应堆的核心，主要包括核燃料、慢化剂（快中子堆除外）、冷却剂、中子吸收体、包壳材料、反射层材料和屏蔽材料。
核燃料：可作核燃料的3种基本元素为：铀、钍、钚。
慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子的材料。
慢化剂应具备两个条件：
l 它的原子核与中子撞击时容易使中子丧失能量，即中子较多被慢化下来；
l 它不吸收中子，不能使中子损失掉。
慢化剂通常用轻水、石墨、重水和铍。
快中子跟这些减速剂物质的原子核碰撞后能量减小，变为慢中子。
冷却剂：冷却剂材料是载热性能良好的流体，它流经堆芯，将堆内的热量载带出来，通过热交换器散热，使堆芯得到冷却，保持一定的工作温度。
（熔融钠、高压水、重水） 流经反应堆芯时会吸收堆芯释出的热量
控制棒：控制棒应采用强中子吸收材料，通常用含硼材料，如硼钢、碳化硼，铪和银铟镉合金等做成吸收棒。
反应堆容器：根据堆型的不同大致可分为：厚壁压力容器（压水堆和沸水堆）；薄壁压力容器。（压力管式重水堆）
反应堆的四道安全屏障：
l 燃料芯块-二氧化铀陶瓷块：能保持98%的裂变产物不逸出芯块。
l 燃料元件包壳：二氧化铀陶瓷芯块被装入锆合金或不锈钢制成的包壳管，叠成柱体，组成燃料棒。包壳管必须绝对密封，在长期运行的条件下不使放射性裂变产物逸出。
l 压力容器：整个堆芯放在由压力壳等组成的密闭容器内。
l 安全壳：整个反应堆及主循环泵等，放在由钢筋混凝土构筑的安全壳内，是阻止放射性物质向环境逸散的最后一道屏障。
2 聚变装置
l 磁约束聚变反应堆
l 惯性约束聚变反应堆
3 核能发电原理：能量的转化：核能®内能®机械能®电能
4反应堆的类型
自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下3种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。
（1）轻水堆又分为压水堆和沸水堆。
压水堆：以水为冷却剂及慢化剂，并加压不使水沸腾，极高温的水经热交换器把热量送出，以供制造蒸气，发往汽轮发电机发电。
压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。
采用低浓（铀-235浓度约为3%）的二氧化铀作燃料，高压水作慢化剂和冷却剂。是目前世界上最为成熟的堆型。
沸水堆：以水为冷却剂及慢化剂，让水在炉心沸腾，所生蒸气直接通往汽轮发电机。
沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。
汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸气和水滴分开，防止水进入汽轮机而造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。
压水堆与沸水堆的区别：
l 冷却水保持的压力不同
压水堆有两个完全隔开的回路，是一个密闭的循环系统。压水堆的冷却剂保持在12-16MPa压力。在高压情况下，冷却剂的温度即使达300°C也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽。
沸水堆的冷却水保持在较低的压力（约为7Mpa）下，水通过堆芯变成约285°C的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。
l 蒸汽轮机维修的便利程度不同
压水堆因为一回路和蒸汽系统分开，汽轮机未受放射性的沾污，所以，容易维修。
沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机，这样，汽轮机会受到放射性的沾污，所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些。
（2）重水堆：重水作慢化剂，重水（或沸腾轻水）作冷却剂，可用天然铀作燃料，目前达到商用水平的只有加拿大开发的坎杜堆，我国正建一座重水堆核电站。
重水堆按其结构型式可分为：压力壳式重水堆；压力管式重水堆
压力壳式的冷却剂只用重水，它的内部结构材料比压力管式少，但中子经济性好，生成新燃料钚-239的净产量较高。
压力管式重水堆主要包括：重水慢化、重水冷却反应堆；重水慢化、沸腾轻水冷却反应堆。
压力壳式和压力管式两种重水堆的结构大致相同。
重水堆的特点：重水慢化性能好，吸收中子少，能最有效地利用天然铀。重水堆对燃料的适应性强，能很容易地改用另一种核燃料。
重水堆的主要缺点：体积比轻水堆大。建造费用高，重水昂贵，发电成本也比较高。
（3）石墨气冷堆
以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂，以石墨为慢化剂的反应堆，用天然铀燃料，最高运行温度为360°C产生的能量经热交换器送出。
石墨气冷堆经历了3个发展阶段，产生了3种堆型：天然铀石墨气冷堆；改进型气冷堆；高温气冷堆。
天然铀石墨气冷堆核电站：
天然铀石墨气冷堆是以天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂的反应堆。
改进型气冷堆核电站
是在天然铀石墨气冷堆的基础上发展起来的。设计的目的是改进蒸汽条件，提高气体冷却剂的最大允许温度。这种堆，石墨仍然为慢化剂，二氧化碳为冷却剂，核燃料用的是低浓度铀（铀-235的浓度为2-3%），出口温度可达670°C。这种堆被称为第二代气冷堆。
高温气冷堆：高温气冷堆是以石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的反应堆，被称为第三代气冷堆。
高温气冷堆的简单工作过程：氦气冷却剂流过燃料体之间，变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。
5 核能新技术
快中子（增殖反应）堆：采用钚或高浓铀作燃料，一般用液态金属钠作冷却剂。不用慢化剂。根据冷却剂的不同分为钠冷快堆和气冷快堆。
三种快中子堆：钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆
三种热中子堆：超高温堆、超临界水冷堆、熔盐堆
第五节 核能利用与环境
1 核电站
核电站的几种商用堆型
堆 型 燃 料 慢化剂 冷却剂 优 点
压水堆 低浓铀 高压水 高压水 成 熟
重水堆 天然铀 重水 重水、轻水 天然铀
沸水堆 低浓铀 沸腾轻水 沸腾轻水 效率高
汽冷堆 低浓铀 石墨 氦气 生产堆
快 堆 钚、高浓铀 液钠、氦气 增 殖
高温气冷堆，美、日等少数国家掌握
核电站种类：核电站主要以反应堆的种类相区别
l 压水堆核电站
l 沸水堆核电站
l 重水堆核电站
l 石墨水冷堆核电站
l 石墨气冷堆核电站
l 高温气冷堆核电站
l 快中子增殖堆核电站
压水堆核电站：以压水堆为热源的核电站。
压水堆核电站的组成：核岛、常规岛
沸水堆核电站：以沸水堆为热源的核电站。
沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。
重水堆核电站：以重水堆为热源的核电站。
重水堆是以重水作慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式两类。
重水堆核电站是发展较早的核电站，有各种类别，但已实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核电站。
快堆核电站：以快中子堆为热源的核电站。
快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增殖。
快堆：钚-239为燃料、无慢化剂，钠或氦冷却剂。
钚-239裂变放出中子被铀-238捕获再生成钚-239：n → 238U → 239U → 239Np → 239Pu
中子增殖：1个快中子→ 239Pu吸收→2.45个快中子→余 1.45个快中子→238U→ 239Pu（再生）
核燃料增殖
结果：只“烧掉”铀-238，再生更多的钚-239，天然的238U全部可利用（包括热堆乏燃料）
热堆电站铀的利用率太低～1-2%（包括再生）
世界上已商业运行的核电站堆型：—压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆—?非增殖堆型
主要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚-239等易裂变材料，对铀资源的利用率也只有1%-2%。
快堆可将铀资源的利用率提高到60%-70%。原则上，在快堆中，铀-238都能转换成钚-239而得以使用，但实际存在损耗。
2 核动力装置
第六节 迅速发展的核电事业
1 核电发展简史
1954年6月27日，苏联在莫斯科附近的奥布宁斯克建成了世界上第一座核电站（RBMK石墨水冷堆），输出功率为5000千瓦。从此，人类开始了和平利用原子能的历史。
压力管式石墨水冷核电站
这种类型的核电站目前只在原苏联和东欧少数国家使用。
1964年苏联建成新沃罗涅日压水堆核电厂。
1951年12月美国实验增殖堆1号（EBR-1）首次利用核能发电。
美国西屋电气公司在潜艇动力堆的技术基础上，于1957年12月建成了6万千瓦希平港压水堆核电厂（世界上第一座压水堆核电厂）。
1955年7月，Arco成为美国第一个使用核发电厂供电的城市（美国重要的研究中心所在地）。
通用电气公司开发的民用沸水堆核电厂，第一个建在美国加利福尼亚湾洪保德湾，1960年7月建成德累斯顿（Dresden-I）。
英国1956年建成第一座产钚、发电两用的石墨气冷核电厂¾卡尔德霍尔核电厂。
加拿大于1962年建成（22MW）NPD天然铀重水堆核电厂。
截至2007年12月，世界上有32多个国家的439座核电站在运行，占世界总电力的20%左右。其中：
压水堆占60%、沸水堆占21%、重水堆占9%石墨堆等其它堆型占10%。
目前，国际核电技术已经发展到了第三代。
2 我国的核电发展
我国核电发展起步于20世纪80年代中期，现有3个核电基地，11台核电机组。
第八章 生物质能
1. 生物质?最古老的能源
2. 生物质能资源
3. 生物质能在能源系统中的地位
4. 生物质的利用
5. 生物质发电
6. “绿色燃油”作物
第一节 生物质——最古老的能源
1 生物质：一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，主要包括薪柴、农林作物、农作物残渣、动物粪便和生活垃圾等。一切有生命的或失去生命的生物体都是生物质
2 生物质能：生物质能是以生物质为载体的能量，即蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。
3 光合作用与生物质
广义上讲，一切生物质都源自于绿色植物的光合作用。光合作用是绿色植物吸收日光能还原二氧化碳并释放氧气的过程，该过程的总反应式为
4 生物质资源分类
Ø 传统生物质：包括家庭使用的薪柴、木炭和稻草（也包括稻壳）、其他植物性废弃物和动物的粪便。
Ø 现代生物质能：由生物质转化成的现代能源载体，如气体燃料、液体燃料或电能，从而可大规模用来代替常规能源。现代生物质包括工业性的本质废弃物、甘蔗渣（工业性的）、城市废物、生物燃料（包括沼气和能源型作物）。
5 植物生物质所含能量的影响因素
品种；生长周期；繁殖与种植方法；收获方法；抗病抗灾性能；日照时间与强度；环境温度与湿度；雨量；土壤条件等。
6 生物质能的特点?优点
Ø 资源丰富、分布广泛、廉价易取
Ø 低污染：提供低硫燃料；
Ø 可再生：通过自然界的碳循环不断再生
Ø 是可再生能源中唯一可以贮存与运输的
生物质能的特点?不足
Ø 是能量密度较低的低品位能源：热值及热效率低
Ø 生物质重量轻，体积大，不易运输
Ø 由于风、雨、雪、火等外界因素，对它的保存带来不利条件。
Ø 小规模利用
7 生物质组成和结构
生物质的组成元素：生物质的元素组成通常仅指其有机质的元素组成。
一般认为植物生物质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，其中：
木材主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成，它们的含量约为：碳49.5%、氢6.5%、氧43%、氮1%；秸秆主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，它们的含量约为：碳40%?46%、氢5%?6%、氧43%?50%、氮0.6%?1.1%、硫0.1?0.2%。
生物质的组成物质：一般而言，木质纤维素一类的生物质主要有三种聚合体纤维素、半纤维素和木质素以及少量的灰分和提取物组成。
碳水化合物：碳水化合物分子是由碳和水构成的。纤维素和半纤维素是由碳水化合物构成的，木质素、淀粉和植物油则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的。
8 生物质利用方法
Ø 直接燃烧法
Ø 热化学转换法：将固体生物质转换成木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品。按热加工的方法不同分为：高温干馏、热解、生物质液化等方法。
Ø 生物化学转换法：主要指生物质在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能源产品。沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经各种微生物发酵及分解作用产生的一种混合可燃气体。
Ø 利用油料植物产生的生物油
Ø 把生物质压制成型状燃料：把粉碎烘干的生物质在一定温度和压力下压成密度较高的块型或棒型燃料，以便集中利用和提高热效率。
第二节 生物质能资源
1 森林能源；2 农作物桔秆；3 禽畜粪便；4 生活垃圾。
第三节 生物质能在能源系统中的地位
生物质是世界第四大能源，作为能源，在人类历史上曾起过巨大的作用，在现实生产生活中，特别是在农村地区，仍然占有重要的地位。
第四节 生物质的利用
1 生物质作为能源利用：生物质能的转换
生物质能转换方式
Ø 生物质气化：沼气发酵¾甲烷；热解气化¾燃气甲醇。
Ø 生物质液化：植物油料¾¾燃油；热解液化¾燃料油；生物发酵¾乙醇
Ø 生物质固化：固体燃料¾炭
生物质转化途径
2 生物质能利用技术
Ø 直接燃烧技术：户用炉灶燃烧技术；锅炉燃烧技术；压缩成型、炭化
Ø 热化学转换技术：气化技术；干馏技术；快速热解液化
Ø 生物转换技术：小型户用沼气池；大中型厌氧消化（有机废水厌氧消化；粪便厌氧消化）
Ø 液化技术：植物油技术；制取乙醇、甲醇。
Ø 有机垃圾处理技术：堆肥技术；填埋技术；焚烧技术
生物质能利用技术
(1) 生物质直接燃烧
(2) 生物质热解：热解是把生物质转化为有用燃料的热化学过程，即在完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下把生物质转化为液体（生物油或生物原材料如乙酸、丙酮、甲醇）、固体（焦炭）或非压缩气体的化学过程。
(3) 生物质气化：以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸汽或氢气作为气化剂，在高温下通过热化学反应将生物质的可燃部分转化为可燃气（主要为一氧化碳、氢气和甲烷以及富氢化合物的混合物，还含有少量的二氧化碳和氮气）。
(4) 生物质液化：生物质液化是以生物质为原料制取液体燃料的生产过程。
生物质液化是通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程，主要有间接液化和直接液化两类。
间接液化、直接液化
(5) 生物质固化技术
3 生物氢能
生物质暗发酵与光发酵制氢系统
第五节 生物质发电
生物质发电：生物质气化发电；沼气燃烧发电；垃圾发电；生物质气化发电。
生物质气化发电是利用生物质废弃物包括木料、秸秆、谷壳、稻草、甘蔗等固体废弃物转化为可燃气体，并把这些气体经过除焦净化处理后再送到气体内燃机进行发电，达到以气代油、降低发电成本的目的。
第九章 地热能
1. 地热能简介
2. 地热流体的性质
3. 地热开采技术
4. 地热能的利用
5. 我国地热能发展预测
第一节 地热能简介
地热能：地热能是来自地球深处的可再生热能，它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。
来源于地球深处的高温熔融体；源于放射性元素（U-238、U-235、Tu-232、K-40）的衰变。
地热资源种类：地热资源有两种：地下蒸汽或低热水（温泉）、地下干热岩体的热能。
地热资源按温度分类：低温（less than 90°C）；中温（90°C – 150°C）；高温（more than 150°C）
地热能按其属性可分为4种类型：
水热型；地压地热能；干热岩地热能；岩浆热能。
第二节 地热流体的性质
地热流体不管是蒸汽还是热水一般都含有CO2、H2S等不凝结气体，其中CO2占90%。
地热流体中还含有数量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO3等物质。地区不同，含盐量差别很大，以重量计地热水的含盐量在0.1%到40%之间。
在地热利用中通常按地热流体的性质将其分为以下几大类：
PH值较大，而不凝结气体含量不太大的干蒸汽或湿度很小的蒸汽；
不凝结气体含量大的湿蒸汽；
pH值较大，以热水为主要成分的两相流体；
pH值较小，以热水为主要成分的两相流体。
第三节 地热开采技术
地热开采方法
用自流井的方法开采（即凭借环境压差力将热流从深井压至地面）
用水泵抽到地面
第四节 地热能的利用
1 地热的直接利用技术
地热采暖；地热浴疗、洗浴、游泳；地热热泵；地热水在工农业方面的应用；地热温室
2 地热发电
闪蒸蒸气发电站；干蒸气发电站；双循环发电站
第五节 我国地热能发展预测
第十章 燃料电池Fuel Cell
1. 燃料电池与原电池及蓄电池的特征
2. 燃料电池的特性
3. 燃料电池的类型
4. 燃料电池的发展
5. 碱性燃料电池
6. 磷酸燃料电池
7. 熔融碳酸盐燃料电池
8. 固体氧化物燃料电池
9. 质子交换膜燃料电池
10. 其他类型燃料电池
11. 燃料电池应用
12. 移动式燃料电池的氢源
第一节 燃料电池与原电池及蓄电池的特征
1 电池
l 原电池（一次电池）：锌/锰、锌/汞、锌/银电池等
l 蓄电池（二次电池）：铅酸、镍/铜、镍/铁、镍/氢、锂（离子和高分子）电池等
l 燃料电池（连续电池）
燃料电池与其他电池的异同：
相似之处：都是通过化学反应将化学能转变为电能
不同之处：燃料电池是能量转换装置，而电池是能量储存装置。原电池是电化学能量生产装置，可一次性将化学能转变成电能；充电电池是电化学能量的储存装置，可将化学反应能与电能可逆转换；燃料电池是电化学能量发生器，是以化学反应发电。
原电池、蓄电池及燃料电池各有其独特的性能。
2 燃料电池：燃料电池是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。
以气态的燃料如氧气与氢气，将化学能转变成电能。
燃料电池发电效率高达75%，比传统火力发电更节省燃料（火力发电效率约35%）。
氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原，最后生成水，不会造成环境污染。
燃料电池的组成：
燃料电池的关键部件与其它种类的电池相同，也包括阴极、阳极和电解质等。
阳极为氢电极，阴极为氧电极。
阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。
两极之间是离子导电而非电子导电的电解质。
电解质：
l 液态电解质（碱性电解液，酸性电解液）（在液态电解质中应用0.2~0.5mm厚的微孔膜。）
l 固态电解质（离子交换膜，氧化锆隔膜）（固体电解质为无孔膜，薄膜厚度约为20mm。）
碱型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型、质子交换膜型
燃料：
l 气态：（如氢气、一氧化碳、二氧化碳和烃类）
l 液态：（如液氢、甲醇、肼、高价烃类和液态金属）
l 固态：（如碳）
燃料按电化学活性由强到弱的排列次序为：肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤
燃料电池工作原理：
阳极反应：2H2+4OH- → 4H2O+4e-
阴极反应：4e-+O2+2H2O → 4OH-
总反应：2H2+O2 → 2H2O
第二节 燃料电池的特性
1. 能量转换效率高
2. 污染小、噪声低
3. 模块结构，方便耐用
4. 响应性好，供电可靠
5. 适用能力强
第三节 燃料电池的类型
根据电解质的性质将燃料电池划分为：
l 碱性燃料电池（AFC）
l 磷酸燃料电池（PAFC）
l 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
l 固态氧化物燃料电池（SOFC）
l 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
u 也称为高分子电解质膜燃料电池（PEMFC）
l 直接甲醇燃料电池（DMFC）
按工作温度不同，可将燃料电池划分为：
Ø 低温型（60-120°C）；
碱性燃料电池（AFC）
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
Ø 中温型（160-220°C）；
磷酸燃料电池（PAFC）
直接甲醇燃料电池（DMFC）
Ø 高温型（600-1000°C）
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
固态氧化物燃料电池（SOFC）
Fuel Cell Operation
燃料电池 导电离子 操作温度 功率
碱性燃料电池 (AFC) OH- 50~200°C 1~100kW
质子交换膜燃料电池(PEMFC) H+ 室温~100°C 1~300kW
磷酸盐燃料电池 (PAFC) H+ ~220°C 1~2000kW
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) CO32- ~650°C 0.25~20MW
固体氧化物燃料电池(SOFC) O2- 800~1000°C 0.01~20MW
燃料电池的类型、应用及性能
项目
低温燃料电池
（60~120°C）
中温燃料电池
（160~220°C）
高温燃料电池
（600~1000°C）
类型
AFC
（碱性燃料电池）
PEMFC
（质子交换膜燃料电池）
PAFC
（磷酸燃料电池）
MCFC
（熔融碳酸盐燃料电池）
SOFC
（固态氧化物燃料电池）
应用
太空飞行、国防
汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂
热电联产电厂
联合循环热电厂、铁路用车
电厂、家庭电源传送
开发状态
在太空飞行中的应用
家庭电源试验项目、小汽车、公共汽车、试验的热电联产电厂
具有200kW功率的电池在工业中的应用（大约160个电厂）
容量为280kW~2MW的试验电厂
100kW的试验电厂
特性
无污染排放；电效率高；少维护；制造费用非常高；不适合于工业应用
污染排放极低；噪声水平低；固体电解质适合于大规模生产；与常规技术相比很昂贵
污染排放低；噪声水平低；费用是热电联产电厂的3倍；连续运行的电效率会降低
有效利用能源；噪声水平低；没有外部气体配置；电解液腐蚀性强
有效利用能源；噪声水平低；没有外部气体配置；电解液腐蚀性强；材料要求苛刻
电解质
氢氧化钾溶液
质子可渗透膜
磷酸
锂和碳酸钾
固体陶瓷体
燃料
纯氢
氢，甲醇、天然气
天然气、氢
天然气、煤气、沼气
天然气、煤气、沼气
氧化剂
纯氧
大气中的氧气
大气中的氧气
大气中的氧气
大气中的氧气
系统效率
60%~90%
43%~58%
37%~42%
>50%
50%~65%
第四节 燃料电池的发展
第五节 碱性燃料电池
碱性燃料电池（AFC）：采用氢氧化钾或氢氧化钠溶液为电解质，导电离子为OH-。主要应用于太空飞行中，如航天飞机动力源。
阳极上氢的氧化反应：H2+2OH-→2H2O+2e-
阴极上氧的还原反应：2e-+ ½O2+H2O →2OH-
电池反应：H2+ ½O2 → H2O+电能+热量
在碱性介质中，因吸收CO2生成碳酸盐：CO2+2OH- → CO3+H2O
生成的碳酸盐会堵塞电解质通路好多孔电极的孔隙，这是使AFC长期运行稳定性降低的主要原因。
因此反应气体在进入AFC之前必须进行预处理，以使其CO2质量浓度降至mg/m3级。
AFC的关键部件
电极：电极作为电化学反应进行的场所，对反应起到高效催化的作用，是体系的灵魂。
阳极和阴极的类型及制作方式与所选择的催化剂相关。催化剂的效能决定了整个体系的性能。
AFC的催化剂：贵金属（铂、铑、金、银）及其合金；非贵金属（钴、镍、锰）。
隔膜：隔膜允许电解质通过，用以传递电子，并且约束阴阳极物质，避免接触而发生内部放电。
常规的隔膜主要由石棉构成，主要成分为氧化镁和氧化硅的水合物（3MgO×2SiO2×2H2O），是电的绝缘体。
隔膜长期在强碱性（如KOH）水溶液中，其酸性组分（SiO2）会与碱反应生成微溶物（K2SiO3），影响膜的通透性，而且会最终导致隔膜解体。
电解质：碱性燃料电池的电解质通常是氢氧化钾水溶液。
氢氧化钾浓度：35%~85%。氢氧化钾较氢氧化钠的使用寿命长，不易形成溶解度小的杂质，而且溶液蒸气压低，在高温下可以使用，在高温和高浓度下可以获得高电流密度。电解质溶液也需要纯化，以避免杂质造成催化剂中毒。
支持系统：由于使用碱性电解质，酸性气体会造成严重的影响。
燃料气中通常会含有CO2，在导入电极进行反应前必须予以清除。
采用多级吸收的方法，以不同的吸收剂分多次将CO2除去。常用的吸收剂有碱石灰、乙醇胺等。
乙醇胺类化合物与CO2的反应为：2RNH2＋CO2 ® RNHCONHR＋H2O
碱性燃料电池的优点：
l 首先用于太空计划
l 使用KOH为电解质
l 使用非贵重金属为电极触媒种类多价格又便宜，例如银、镍等
l 操作时所需温度100°C~250°C
l 化学反应快且转换效率好
l 电解质必须是液态
碱性燃料电池的缺点：
l 燃料必须是高纯度的氢
l 碱性燃料电池的电解质，易与空气中的二氧化碳结合形成氢氧化钾，影响电解质的质量，导致发电性能衰退
第六节 磷酸燃料电池
磷酸燃料电池（PAFC）：是以磷酸为电解质的燃料电池。导电离子为H+?。
阳极通以富氢并含有CO2的重整气体，阴极通以空气，工作温度在200°C左右。
燃料气体必须纯化，以避免铂催化剂被一氧化碳毒化。
磷酸燃料电池发生的化学反应：
阳极反应：H2 ® 2H+ + 2e-
阴极反应：½O2 + H+ + 2e- ® H2O
电池反应：H2 + ½O2 ® H2O
磷酸燃料电池的主要特征：高效、紧凑、无污染。由于磷酸易得，反应温和，磷酸燃料电池是目前最成熟和商业化程度最高的燃料电池。
磷酸燃料电池的关键部件：
磷酸燃料电池的主要构件有：电极、电解质基质、双极板、冷却板、管路系统等。
基质材料的作用：作为电池结构在主体承载磷酸；防止反应气体进入相对的电极中。
电极：电极由载体和催化剂层组成。
催化剂：阴阳极均使用铂作为电化学反应催化剂
载体：最初使用钽网，价格昂贵，现在普遍使用碳
隔膜：最初，研究人员沿用碱性燃料电池中的石棉隔膜。
石棉的主要成分为氧化镁和氧化硅的水合物（3MgO×2SiO2×2H2O），其中的碱性氧化物会慢馒地与磷酸反应，影响电池性能，甚至最终导致隔膜解体。
电解质：磷酸燃料电池的电解质是浓磷酸溶液。磷酸是无色、黏稠、有吸水性的液体。磷酸在水溶液中易离解出电池工作的导电离子（氢离子）。磷酸在常温下的导电性小，在高温下有良好的离子导电性，所以要求工作温度在200°C左右。
电池堆一旦启动就必须保持温度，包括在无负载时。磷酸燃料电池即使不工作，体系也要维持在45°C以上，因此必须对其装备适当的加热设备。
冷却系统：磷酸燃料电池由多节单电池按压滤机方式组装，以构成电池组。磷酸电池的工作温度一般在200°C左右，能量转化效率约在40%。
为保证电池组的工作稳定，必须连续地排出电池所产生的废热。
水冷是最常用的冷却方法，尤其对于大型电厂。水冷（沸水冷却；加压水冷却）
燃料气：磷酸燃料电池对CO2有较好的承受力，没有CO2中毒的问题。
CO和H2S等杂质气体对电极活性的抑制作用较大。CO含量不能超过1%，H2S浓度限于0.002%，否则会毒化铂催化剂，使电池性能恶化。
磷酸型燃料电池的优点：
l 磷酸燃料电池构造简单，大都运用在大型发电机组上，而且已商业化生产。
l 电池稳定
l 电解质为100%浓度的磷酸，挥发度低。
磷酸型燃料电池的缺点：
Ø 白金价格昂贵
Ø 电极容易受CO毒化
Ø 成本居高不下
磷酸盐燃料电池的特征：排气清洁；发电效率高；低噪音，低振动。
第七节 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） - 第二代燃料电池
与低温燃料电池相比，MCFC的成本和效率很有竞争力。采用熔融态的碳酸锂及碳酸钾或碳酸钠为电解质，导电离子为CO32-。操作温度为650°C。以镍基合金和氧化镍作催化剂，成本较低。除了氢气外，也可使用天然气及煤气等碳氢化合物为燃料。
熔融碳酸盐燃料电池的优点：
1) 在工作温度下，MCFC可以进行内部重整。燃料的重整反应，可以在阳极反应室进行，重整反应所需热量由电池反应的余热提供。这既降低了系统成本，又提高了效率。
2) MCFC的工作温度为600~650°C，能够产生有价值的高温余热，可用来压缩反应气体，以提高电池性能，也可用于供暖或锅炉循环。
3) 几乎所有燃料重整都产生CO，它可使低温燃料电池电极催化剂中毒，但却可成为MCFC的燃料。
4) 电催化剂以镍为主，不使用贵金属。
熔融碳酸盐燃料电池的缺点：
1) 高温工作时电解质腐蚀性高，密封技术苛刻，阴极需不断供应CO2。
2) 操作温度高导致电极容易腐蚀而减低使用寿命
熔融碳酸盐燃料电池的电化学反应：
阴极反应：½O2 + CO2 + 2e- ® CO32-
阳极反应：H2 + CO32- ® H2O + CO2 + 2e-
电池反应：H2 + ½O2 ® H2O
熔融碳酸盐燃料电池的导电离子为CO32-，总反应是氢和氧化合生成水。
熔融碳酸盐燃料电池与其他类型燃料电池的区别：
在阴极CO2为反应物，在阳极CO2为产物，即CO2从阴极向阳极转移，从而在电池工作中构成了一个循环。
为确保电池稳定连续地工作，必须将在阳极产生的CO2返回到阴极。
通常采用的办法是将阳极室排出的尾气经燃烧消除其中的H2和CO后进行分离除水，然后再将CO2送回到阴极。
第八节 固体氧化物燃料电池
固态氧化物燃料电池（SOFC）- 第三代燃料电池
SOFC采用固体氧化物作电解质，在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起着传导O2-和分隔氧化剂与燃料的作用。
构成SOFC的关键部件为阴极、阳极、固体氧化物电解质隔膜（如氧化钇稳定的氧化锆-YSZ）和双极板及联接材料等。
固体氧化物燃料电池的关键部件是阳极、阴极、隔膜及联结材料。
固态氧化物燃料电池的优点：
1) 电解质为氧化锆，含有少量的氧化钙与氧化钇。
2) 电池之操作温度约为1000°C，稳定度较高，不需要触媒重组器。
3) 燃料废热可回收再利用
4) 使用于中规模发电机组。
5) 可忍受较多的硫化物
6) 不受CO影响
7) 价格较低
固态氧化物燃料电池的缺点：
1) 操作温度高导致电池启动慢，需要更多的保温设备以维持电池高温
2) 不适用于交通工具与随身携带
第九节 质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
质子交换膜燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双板极。
质子交换膜燃料电池的电化学反应：
阳极反应：H2 ® 2H+ + 2e-
阴极反应：½O2 + 2H+ + 2e- ® H2O
电池反应：H2 + ½O2 ® H2O
生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。
质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为电催化剂、电极、质子交换膜及双极集流板。
质子交换膜燃料电池的电催化剂采用以铂为主体的催化组分。到目前为止，铂是H2氧化和O2还原的最好催化剂。
影响质子交换膜燃料电池的因素：主要有温度、压力、杂质（如CO）等。
质子交换膜燃料电池的优点：
1) 高电力密度、低重量、低体积
2) 电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（大部分为白金）
3) 唯一液体是水，腐蚀问题小
4) 操作温度低介于80至100°C之间，安全上的顾虑较低
5) 适用于交通工具、建筑物与小型小区
质子交换膜燃料电池的缺点：
1) 催化剂白金价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升
2) 白金容易与一氧化碳反应而发生中毒现象，因此比较不适合用在大型发电厂
思考题
第一章 能源简介
1. 什么是能量？能量有哪些形式？
2. 能源有哪些形式？能源有哪些分类方法？
3. 解释名词：一次能源，二次能源，可再生能源，不可再生能源，含能体能源，过程性能源，常规能源，新能源，分布式能源
4. 有关能源的国际组织有哪些？
5. 能源计量单位有哪几种表示方法？
6. 温度表示方法有哪几种？不同表示方法之间的相互转换关系
7. 人类对于能源的开发利用大致经历了哪几个历史时期？
8. 人类开发利用能源史上世界能源结构发生了哪几次转变？
9. 如何理解能源是人类社会发展进步的物质基础？
10. 指出世界煤炭、石油、天然气资源储藏最丰富的国家或地区？
11. 最近几年世界能源消费结构中煤炭、石油、天然气所占比例如何？
12. 什么是能源强度？
13. 近几年中国的一次能源生产总量和消费总量在世界能源生产和消费中所处的位置？各种能源的生产和消费情况如何？
14. 与世界其它国家相比，中国的能源资源总量、人均能源资源、人均能源消费量、单位产值能耗、能源利用效率情况如何？
15. 在能量转化和利用过程中有哪些规律可以遵循？
16. 对于不同形式的能量，其储存方式（技术）有哪些?
17. 能源与材料的关系？
18. 能源的生产与使用对环境有哪些影响？
19. 能源发展趋势如何？
第二章 煤炭
1. 什么是煤？
2. 煤炭能源中的主要化学问题是什么？
3. 煤的形成过程
4. 根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为哪两大类？腐殖煤可分为哪几类？四类腐殖煤的含碳量有何特点？
5. 煤矿开采方法有哪两种？
6. 煤的组成元素主要有哪几种？
7. 煤的转化利用途径有哪几种？
8. 煤燃烧涉及的化学反应有哪些?
9. 洁净煤技术包括哪些技术？
10. 煤炭燃烧前的处理和净化技术有哪些？
11. 高硫煤成型时可在煤中加入适量的生石灰，可有效地去除煤中含硫成分，减少二氧化硫排放，其化学反应主要有哪些？
12. 煤炭液化有哪几种方法？
13. 煤的加氢液化？
14. 费-托合成反应？
15. 什么是一碳化学？
16. 煤炭气化有哪些主要化学反应？
17. 煤炭气化技术有哪些？
第三章 石油
1. 什么是石油
2. 石油的重要性表现在哪些方面
3. 初次运移、二次运移
4. 储油构造由哪几部分组成
5. 油气田的六大要素
6. 什么是储油层、盖层、圈闭
7. 石油勘探方法有哪些
8. 石油地球物理勘探法有哪些
9. 石油钻井有哪些方式
10. 采油技术分为哪几个阶段
11. 提高石油采收率可采取哪些方法
12. 石油的主要元素和化合物组成；
13. 石油的溶解性特点；
14. 石油的密度；
15. 影响石油粘度的因素；
16. 石油的荧光性；
17. 石油的旋光性；
18. 生物标志化合物；
19. 石油的分类；
20. 海相石油和陆相石油的基本区别。
21. 石油炼制大致有哪些过程
22. 石油的蒸馏
23. 石油的馏分有哪些
24. 重油裂化的常用方式有哪些
25. 什么是石油化工
26. 石油产品主要包括哪些
27. 汽油的质量标准中最重要的是哪三个性能
28. 汽油的辛烷值是如何规定的
29. 汽油改性的基本方法有哪些
30. 汽油质量升级一般要经过的三个阶段
31. 喷气式飞机对喷气燃料的要求
32. 柴油十六烷值
33. 我国石油发展战略的目标
34. 中国石油工业的发展可分为哪几个阶段
35. 近两年中国石油对外依存度接近什么程度
第四章 天然气
1. 什么是天然气？
2. 天然气的元素组成、天然气的化合物组成；气藏气中常见的烃类和非烃气。
3. 天然气的产状类型；聚集型天然气包含哪几种、分散型天然气包含哪几种
4. 凝析气的形成条件
5. 固态气水合物的形成条件
6. 温度压力对天然气粘度的影响
7. 温度、烃分子量对天然气蒸汽压力的影响
8. 天然气的溶解性特点
9. 天然气的运输方式有哪几种？CNG表示什么？LNG表示什么？LNG有什么特点？
10. 世界上最早的天然气田在什么地方？
11. 天然气作为化工原料主要可用于生产什么？
12. 什么是煤层气？
13. 天然气有哪些方面的用途？
14. 我国天然气市场的七大“动脉”
15. 中国进口的第一船液化天然气是在什么时间？
16. 什么是天然气水合物，它还有哪些名称？
17. 1立方米天然气水合物可释放出多少立方米甲烷气体？
18. 天然气水合物的存在及生成环境
19. 天然气水合物的颜色和密度
20. 天然气水合物结构类型有哪几种，呈什么样的晶体结构？
21. 2007年我国在什么地方成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，是第几个成功钻获“可燃冰”的国家？
22. 天然气水合物的形成条件？
23. 天然气水合物勘探方法
24. 天然气水合物的开采方法
第五章 太阳能
1. 太阳能是怎样产生的
2. 太阳能利用涉及哪些共性的技术问题
3. 太阳能可通过哪些途径得以利用
4. 太阳能的热利用主要有哪些方面
5. 按采光方式，太阳能集热器可分为哪两种集热器
6. 非聚光型集热器有哪两种类型
7. 太阳能热水系统主要由哪些部分组成
8. 太阳能热水系统按形成水循环的动力不同可分为哪两种类型
9. 什么是太阳能热发电？太阳能热发电站的组成？
10. 太阳能热发电有哪些形式
11. 太阳房利用太阳能采暖有哪几种方式
12. 什么元件实现了太阳能光电转换
13. 太阳能光电转换（光伏发电）原理
14. 采用什么方法可将半导体硅制作成P型半导体或N型半导体
15. 太阳能电池有哪几类
16. 硅太阳能电池有哪几种
17. 单晶硅片的生产过程
18. 单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池相比有哪些差异
19. 各种太阳能电池的光电转换效率如何
20. 太阳能发电有哪些方式
21. 光化学反应将太阳能转换为化学能可通过哪几种方式
22. 什么是光合作用?光合作用包括哪两个反应过程
23. 光反应过程中的能量形式转化如何
第六章 氢能
1. 氢的同位素有哪几种？其原子结构有什么差别？
2. 氢的熔点、沸点是多高温度？
3. 画出氢的相图，氢处于三相点和临界点时的温度和压力分别是多少？
4. 比较氢气、甲烷、甲醇和汽油的热值大小。
5. 氢气在空气中的可燃极限和爆炸极限分别是多少？
6. 实验室中制氢是如何进行的？有哪些方法？
7. 水煤气法制氢涉及哪些化学反应？
8. 甲烷蒸汽重整涉及哪些化学反应？
9. 电解水的基本原理？电解氢氧化钾水溶液的电极反应？电解水通过什么装置进行工作，有哪几类？
10. 目前世界氢气生产以哪些方法为主？
11. 储氢有哪些方法？
12. 物理储氢有哪些方法？化学储氢有哪些方法？
13. 储氢材料有哪些要求？
14. 固体储氢材料有哪些？
15. 物理吸附储氢材料有哪些？
16. 氢的分配和运输有哪些方法？
17. 氢有哪些应用？
18. 目前液氢的主要应用范围？
19. 镍氢电池的正极、负极材料是什么？电解液是什么？
20. 镍氢电池的电池反应？
第七章 核能
1. 原子的结构是怎样的？什么是核子？核素的化学符号？
2. 核子结合为原子核靠的是什么力？这是一种什么样的力？作用范围有多大？有什么特点？
3. 什么是同位素？氢、氧、碳、铀的同位素有哪些？
4. 什么是原子核的结合能？爱因斯坦相对论中的质量和能量之间有什么样的关系？
5. 什么是放射性？什么是放射性衰变？放射性衰变过程中遵守哪些守恒？放射性衰变有哪些类型？各种衰变有什么特点？
6. 放射性衰变遵循什么规律？放射性衰变的半衰期？
7. 核能的获得有哪两种途径？
8. 中子按能量可分为哪几类？
9. 什么是裂变反应？大规模利用重核裂变释放出的能量，必须满足哪些条件？重核裂变有哪些方式？
10. 什么是核裂变燃料？核裂变燃料有哪些物质？
11. 什么是链式裂变反应？链式裂变反应的条件是什么？
12. 什么叫核聚变？核聚变燃料主要有哪些元素？
13. 与裂变反应相比，核聚变有哪些优点？
14. 有哪几种途径可实现核聚变？
15. 什么是核反应堆？核反应堆的基本要素？
16. 核反应堆有哪些分类方法？每种分类方法可分为哪几种反应堆？
17. 核反应堆是由哪些部分组成的？
18. 反应堆的核心称为什么？包括哪些组成部分？
19. 反应堆中常用的慢化剂有哪些物质？
20. 反应堆有哪几道安全屏障？
21. 核聚变反应堆有哪几种类型
22. 核能发电的能量转变形式是怎样的？
23. 轻水堆中的压水堆和沸水堆有什么区别？
24. 常见反应堆所用慢化剂和冷却剂？
25. 快中子堆有哪几种？
26. 压水堆核电站由哪几部分组成？
27. 快中子堆与热中子堆（压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆）的区别，哪一种堆对铀资源利用率高？
28. 核反应发电与原子弹爆炸的区别？
29. 核电站问世以来发生过哪两次对公众产生明显影响的核事故？
30. 世界上第一座核电站建于什么时间？哪一个国家？什么堆型？输出功率？
31. 世界上第一座压水堆核（沸水堆、重水堆）电站建于什么时间？哪一个国家？
32. 国际核电技术已经发展到了第几代？
33. 我国现有哪几个核电基地的核电机组在运行发电？我国第一座自行设计、建造和运营管理的核电站？
第八章 生物质能
1. 什么是生物质？什么是生物质能？
2. 生物质的组成元素有哪些？
3. 生物质利用有哪些方法？
4. 生物质能利用技术有哪些？
5. 生物质气化技术有哪些？
6. 沼气的主要成分？
7. 生物质液化的主要产品？
第九章 地热能
1. 什么是地热能？其来源？
2. 地热发电有哪几种技术？原理？
第十章 燃料电池
1. 什么是燃料电池？燃料电池的组成？
2. 燃料电池的电解质可分为哪些类型？
3. 燃料电池的特性？
4. 各种燃料电池的燃料、导电粒子
5. 碱性燃料电池的电极反应和电池反应？
6. 各种燃料电池对燃料气体纯度的要求？
1 能源的分类
2 能源利用史
3 能源的作用
4 能源储量及消费
5 中国能源的发展
6 能源化学
7 能源与材料
8 能源与环境
9 能源发展趋势
第一节 能源的分类
1 能（量）：能量是物质运动的一种度量，是物体做功的能力。
对应于物质的不同的运动形态，能量也有不同的形式。各种运动形态是可以相互转化的，所以各种形式的能量之间也能够相互转换。能量是物质的属性，任何物质都具有能量，能本身不是物质，而是指物质的一种状况或状态。
（2）能的形式：机械能（动能、势能）、热能、化学能、电能、光能、核能
（3）能量的性质：状态性；可加性；传递性；转换性；做功性；贬值性。
2 能源
国际上，衡量一个国家现代化的程度
①能源的人均占有量；②能源构成；③能源使用率；④能源对环境的影响。
（1）什么是能源？
能源和能量既有联系又有区别，能量来自能源，但能量本身是量度物质运动形式和量度物体做功的物理量，包括机械能、热能、电能、电磁能、化学能、原子能等。
能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。 《科学技术百科全书》
能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。 《大英百科全书》
能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。 《能源百科全书》
（2）能源的形式：石油、天然气、煤、生物质能、太阳能、风力能、地热能、水力能、核能、丙烷
（3）能源的分类
①能源按其形成方式分为：
Ø 一次能源：直接从自然界取得的以自然形态存在的能源。
如：煤炭、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、核能、生物质能、化学能等。
Ø 二次能源：由一次能源经过加工或转换得到的能源。
如：焦炭、汽油、重油、煤气、热能、机械能、电能等。
二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。
一次能源
地球上的一次能源来源于三个方面：
1) 地球以外天体中的太阳辐射能（包括直接的太阳辐射能外，还包括间接来自太阳能能源，如化石能源、生物能、水能、风能、海洋能等）。
2) 地球本身蕴藏的能量资源，诸如地热能、火山能、地震能以及核燃料（铀、钍、钚 ）等。
3) 地球和其他天体相互作用而产生的能量。如天体运动中，太阳和月亮对地球表面的水有吸引力作用而产生的潮汐能。
这三类能源中，太阳辐射能是最主要的，也是人类利用最多的。
能源结构
一次
能源
第一类能源
（来自地球以外）
太阳辐射能
煤、石油、油页岩、天然气、草木燃料、沼气和其它由于光和作用而固定下来的太阳能。
风、流水、海流、波浪、海洋热能、直接太阳能
宇宙射线、流星和其它星际物质带进地球大气的能量
第二类能源
（来自地球内部）
地球热能
地震，火山活动，地下热水和地热蒸气，（包括温泉和沸泉），热岩层
原子能
铀，钍，硼，氘
第三类能源（来自地球和其它天体的相互作用）
潮汐能
二次
能源
电能，氢能，煤油，汽油，柴油，酒精，甲醇，丙烷，苯胺，肼，氨，硝化棉和硝化甘油，黑色火药等。
②一次能源按其是否能够再生的性质分为：
Ø 可再生能源：可再生能源是指使用后仍能更新或是再生的能源；如：太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、海洋能、生物质能等。
取之不尽，用之不竭
Ø 不可再生能源：不可再生能源是有限的能源，开采消耗后，短期内无法恢复的能源；如煤炭、石油、天然气、核燃料等。
可再生能源的主要类型和特点：
可再生，无污染或污染小，地区分布广，适合就地开发利用。
③能源按其使用性质不同可分为：
Ø 含能体能源：指能够提供能量的物质能源，即储存起来的能源，其特点是可以保存且可运输，如草木燃料、矿物燃料、核燃料、高位水库中的水等。
Ø 过程性能源：指能够提供能量的物质运动形式，它不能直接储存，存在于“过程”之中，如太阳能、风能、水能、潮汐能、电能等。
④能源按其使用的成熟程度和技术状况可分为：
Ø 常规能源：技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的一次能源。如煤炭、石油、天然气、水能、核裂变能等。
Ø 新能源：一般是指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源。如太阳能、生物质能、氢能、地热能、核聚变能等。
⑤能源按其形态方式分为：
Ø 化石能源、（矿物能源） 如煤炭、石油、天然气。
Ø 非化石能源（替代性能源） 如太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。
⑥能源按其性质可分为：
Ø 燃料能源
² 矿物燃料（煤、石油、天然气等）
² 生物燃料（柴草、木材、沼气、有机废弃物等）
² 化工燃料（丙烷、甲醇、酒精、废旧塑料制品等）
² 核燃料（铀、钍、钚、氘等）
Ø 非燃料能源
² 多数具有机械能，如风能、水能、潮汐能、波浪能等，
² 有的含有热能，如地热能和太阳能等。
⑦根据能源是否流通分为：
Ø 商品能源：指经过流通环节大量消费的能源，主要有煤炭、石油、天然气、电力等。
Ø 非商品能源：指不经流通环节而自产自用的能源，如农户自产自用的薪秸秆，牧民自用的牲畜粪便，风能、太阳能等。（在农村地区开发的为生产和生活使用的能源又叫做农村能源）
⑧根据能源消耗后是否造成环境污染可分为：
Ø 清洁能源（绿色能源）：利用现代技术开发的干净、无污染的新能源。如太阳能、氢能、风能、潮汐能等。
“绿色能源”有两层含义：
² 利用现代技术开发干净、无污染的新能源，如太阳能、氢能、风能、潮汐能等；
² 化害为利，将发展能源同改善环境紧密结合，充分利用先进的设备与控制技术来利用城市垃圾、淤泥等废物中所蕴藏的能源，以充分提高这些能源在使用中的利用率。
Ø 非清洁能源：包括煤炭、石油等。
⑨按能源载体同地球构成关系划分
Ø 地壳能源：地壳能源是指在地球演变过程中，经过漫长的地质年代逐渐自然形成的载能物体，如煤炭、石油、天然气、油页岩等。它们的形成与地壳运动、海水进退、气候变化、生物兴衰等息息相关。
Ø 地壳外能源：地壳外能源是指除地壳能源以外的能源，它的形成不是地壳物质，如太阳能、风能等。
（4）分布式能源：分布式能源是一种建在用户端的能源供应方式，既可独立运行，也可并网运行。分布式能源是相对于传统的集中供电方式而言，是指将冷热电系统以小规模、小容量（数千瓦至50兆瓦）、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出冷、热、电能的系统。
3能源的评价
Ø 储量
Ø 能量密度
Ø 储能的可能性与供能的连续性
Ø 能源的地理分布
Ø 开发费用和利用能源的设备费用
Ø 运输费用与损耗
Ø 能源的可再生性
Ø 能源的品位
Ø 对环境的影响
4 有关能源的国际组织
l 国际能源机构（国际能源署、国际能源组织）International Energy Agency, IEA
l 世界能源理事会（世界能源委员会）World Energy Council, WEC
l 国际原子能机构International Atomic Energy Agency, IAEA
l 世界石油大会（世界石油理事会）World Petroleum Congress, WPC
l 石油输出国组织Organization of the Petroleum Exporting Countries简称欧佩克（OPEC）或油组
l 政府间气候变化专业委员会Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC
l 经济合作与发展组织Organization for Economic Cooperation and Development, OECD
5 能源计量单位
能源计量单位可以有3种表示方法
1) 能量单位：用热功单位来表示，如焦耳（J）、卡（cal）、千瓦小时（kWh）；英国热能单位（BTU）
2) 当量单位：用能源的当量值表示，常见的如煤当量和油当量。
3) 能源的实物量单位：用能源的实物量来表示，如煤用吨（t），石油用桶（bbl），天然气用立方米（m3）。
6 温度表示方法：华氏温度、摄氏温度、开尔文温度
第二节 能源利用史
人类对于能源的开发利用大致经历了四个历史时期：
1) 古代柴草时期；
2) 新石器时代晚期的煤炭时期；
3) 19世纪中叶的石油时期；
4) 始于20世纪中叶的新能源时期。
世界能源结构发生的第一次转变：薪柴 ® 煤炭 （英国产业革命）
世界能源结构发生的第二次转变：煤炭 ® 石油和天然气 （管线焊接技术）
世界能源结构发生的第三次转变：石油和天然气 ® 可再生能源 （1973年第一次石油危机）
第三节 能源的作用
能源：是人类生存和发展的重要物质基础；是人类从事各种经济活动的原动力；是人类社会经济发展水平的重要标志。
第四节 能源储量及消费
1 能源储量 ： 世界能源消费结构变化（%）
2 能源消费
能源强度：亦称能源消费强度，常用单位产值能耗或单位产品能耗表示。
单位产值能耗：是指一个国家或地区、部门或行业单位产值一定时间内消耗的能源量，通常以吨（或公斤）油当量（或煤当量）／美元来表示。
一个国家或地区的能源强度，通常以单位国内生产总值耗能量来表示。
单位产品能耗：是以实物量为单位的能源消费量与对应的产品量之比。
能源强度反映经济对能源的依赖程度，受一系列因素的影响，包括经济结构、经济体制、工艺水平、生产规模、技术水平、能源结构、人口等。
世界能源消费现状及特点
1. 受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加
2. 世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国家
3. 世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大
4. 世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大
第五节 中国能源的发展
中国能源发展回顾：1949年新中国成立时，全国一次能源的生产总量只有2400万吨标准煤。
中国能源生产总量及其构成 中国能源消费结构
中国的能源特点：“以煤为主，多能互补”
1996年，中国成为全球第二大一次能源消费国，同时也是全球第二大能源生产者。
中国的能源发展现状：
l 能源资源总量丰富：煤炭储量约占世界总储量的12.6%，居第3位。水力资源占世界总量的30%，居第1位，原油占2.4%，天然气仅占1.2%。
l 人均能源资源拥有量较低、分布不均：人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为1/l0。
l 人均能源消费量低、单位产值能耗高（即能源消费强度，是指单位GDP所投入的能源量。）
l 能源资源开发难度大，能源利用效率低
l 能源安全面临威胁
1993年开始成为石油净进口国，2008年石油进口依存度（净进口量与消费量之比）接近52%。
l 能源消费以煤为主，环境压力加大，新能源与可再生能源有待大力发展
中国能源发展战略：坚持节约优先、立足国内、多元发展、依靠科技、保护环境、加强国际互利合作，努力构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展。
第六节 能源化学
1 能量转化
化学反应中的能量变化通常主要表现为热量的变化：放出热量或吸收热量。
² 如果反应放出的能量大于吸收的能量，则此反应为放热反应。如燃烧反应、中和反应、化合反应、金属和酸的反应；
² 如果反应放出的能量小于吸收的能量，则此反应为吸热反应。如分解反应、以C、H2、CO为还原剂的反应、铵盐与固体碱的反应。
在化学反应中，拆散化学键需要吸收能量，形成新的化学键放出能量。
热功当量：1 cal = 4.1840 J
热力学第一定律：能量可以从一种形式转化为另一种形式．在转化过程中能量既不会消失也不会增加。
热力学第二定律：
不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。－克劳修斯（Clausius）
不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其它的变化。－开尔文（Kelvin）
能量质量的贬值性：热力学第二定律认为，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递，在传递过程中总会有一部分能量成为热能释放出去。
使用能量的过程中能量质量下降是能量的基本属性。
能量的两个重要特性：能量数量的守恒性；能量质量的贬值性
能量利用就是利用能量的质量，按质用能－尽可能使高质量的能尽其用和做到合理用能
2 能量储存
能量储存的主要指标
² 储能密度
² 储存过程的能量损耗
² 储存装置的经济性
² 储能和取能的速率
² 寿命（重复使用的次数）
² 对环境的影响
能量储存方式：
按储存的能的形式可分为
Ø 电化学能 （如传统铅酸电池、液流电池、燃料电池）
Ø 电能 （如超级电容器（supercapacitor））
Ø 动能 （如飞轮（flywheel））
Ø 势能 （如压缩空气储能系统（CAES）、抽水蓄能（pumped hydro））
Ø 化学能 （如氢储能系统（Hydrogen-based））
Ø 热能及热化学能
Ø 磁能 （如超导磁能储存（SMES））
按储能体的形式可分为：固定式和移动式
按储能时间可分为：短期和长期
第七节 能源与材料
材料是发展能源的物质基础。解决能源危机的关键是能源材料的突破方法有：
1) 提高燃烧效率，以减少资源消耗；
2) 开发新能源，积极利用再生能源；
3) 开发新材料、新工艺，最大限度地实现节能。
这3个方面都与材料有着密切的关系。
第八节 能源与环境
能源生产与使用对环境的影响
1. 开采过程对环境的影响
2. 运送过程对环境的影响
3. 加工过程对环境的影响
4. 利用过程中的污染
第九节 能源发展趋势
①多元化；②清洁化；③高效化；④全球化；⑤市场化
第二章 煤炭
1 煤炭简介
2 煤的形成
3 煤的开采与运输
4 煤的结构
5 煤的元素组成
6 煤的综合利用
7 煤的燃烧
8 煤炭液化
9 煤的气化
第一节 煤炭简介
煤：煤是由高等植物经生物化学、物理化学和地球化学作用转变成的固体有机可燃矿物。
煤炭资源储藏最丰富的国家为：美国、俄罗斯、中国、印度、澳大利亚、南非。6个国家的煤炭储藏量之和占全世界煤炭储藏量的80%以上。
煤炭是中国工业的主要能源，中国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气。煤炭是中国的第一能源，在一次性能源的构成中煤炭占70%左右。
煤炭能源中的主要化学问题是以解决效率、污染和能源形式的转化为核心目的。
煤炭的利用方式
1) 直接燃烧
2) 气化、热解、液化 （将煤炭转化为洁净气体、液体、固体燃料）
第二节 煤的形成
1 煤的形成过程
高等植物：植物-泥炭-褐煤-烟煤-无烟煤。煤化序列为：植物?泥炭（腐泥）?褐煤?烟煤?无烟煤。
低等植物：植物-腐泥-腐泥煤
煤的转变过程
1) 泥炭化作用：当高等植物遗体在沼泽中堆积，在有水存在和微生物参与下，经过分解、化合等复杂的生物化学变化，形成泥炭（泥煤）。
2) 成岩作用：由泥炭变成褐煤的过程
3) 变质作用：由于地壳的运动，褐煤层上部顶板逐渐加厚，受地压、地温增高的影响，经过复杂的物理化学作用，促使煤质变化，由褐煤变成烟煤、无烟煤。
成岩和变质是煤化作用的两个阶段。
2 煤的种类
根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为两大类，即腐殖煤和腐泥煤。
根据煤化度的不同，腐殖煤可分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。
种类
含碳量（%）
热量（kJ/g）
用途
泥煤
50 ~ 60
8,400 ~ 12,500
替代柴薪
褐煤
60 ~ 75
12,500 ~ 20,900
一般燃料
次烟煤
75 ~ 85
20,900 ~ 23,000
替代烟煤
烟煤
85 ~ 90
23,000 ~ 29,300
炼制煤焦工业燃料
无烟煤
90 ~ 95
29,300 ~ 33,500
最佳燃料
腐泥煤：
煤的一类，由低级植物和浮游动物形成的煤。在煤化过程中由腐泥转变而成。还保持着本身结构的低级植物和浮游动物的残留物，如藻煤、烛煤、油页岩等。是制造人造液体燃料和润滑油的宝贵原料。
第三节 煤的开采与运输
煤矿开采方法
1) 露天开采（剥离法开采）
2) 矿井开采
我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。
煤炭运输方式：①水运、②铁路、③公路、④管道输煤
我国第一条输煤管道：盂（县）－潍（坊）－青（岛）管道全长713公里。世界第一条输煤管道在美国，全长439公里。
第四节 煤的结构
煤的化学结构是指在煤的有机分子中，原子相互联结的次序和方式。又称煤的分子结构，简称煤结构。
第五节 煤的元素组成
化学成分：以碳为主体，并含有氢、氧及少量之硫、氮、无机矿物质等。
碳：碳是煤中有机质的主要组成元素。C含量随煤化程度增高而增大。
褐煤含C量70%；无烟煤含C＞92%，氧含量则从20%左右降到2%左右，氢含量由8%左右降到4%左右。
氢：氢含量与煤的煤化度也密切相关，随着煤化度增高，氢含量逐渐下降。
氧：氧是煤中第二个重要的组成元素。
煤中有机氧含量随煤化度增高而明显减少。泥炭中无水无灰基氧含量Odaf，高达27%-34%，褐煤中Odaf为15%-30%，到烟煤阶段为2%-15%，无烟煤为1%-3%。
氮：煤中的氮含量较少，一般约为0.5% ~ 3.0%。
氮是煤中惟一的完全以有机状态存在的元素。
煤中氮含量随煤化度的加深而趋向减少，但规律性到高变质烟煤阶段以后才比较明显。
硫：煤中的硫通常以有机硫和无机硫的状态存在。
煤中的硫按可燃性可分为：可燃硫和不可燃硫（或称固定硫）
第六节 煤的综合利用
煤的转化利用途径：
² 气化：将煤变成水煤气或发生炉煤气，然后作燃料或化工原料。
² 液化：将煤变成芳烃、烷烃、脂肪烃等油品。
² 焦化：焦化是炼焦。同时得到焦油、煤气。或称部分液化和部分气化。
煤的干馏：将煤隔绝空气加热使其分解的过程
将煤进行气化和液化：解决燃煤污染、提高燃煤热效率、提取有关物质和化工原料。
煤气化
第七节 煤的燃烧
煤燃烧涉及的物理化学过程：C + O2 ® CO2； C + ½O2 ® CO
洁净煤技术包括煤炭使用各环节的净化和防治污染的技术：
洁净煤技术：
1) 煤炭的洁净生产技术
2) 煤炭的洁净加工技术
3) 煤炭的高效洁净转化技术
4) 煤的高效洁净燃烧与发电技术
5) 燃煤污染排放治理技术
具体是指从煤炭开采到利用的全过程中提高利用效率的生产、加工、转化、燃烧、减少污染物排放及控制污染等新技术体系。
煤炭燃烧前的处理和净化技术：洗选处理；型煤加工；水煤浆技术
①洗选处理： 洗选处理是利用煤炭与其他矿物质的不同的物理、物理化学性质，在选煤厂用机械的方法除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，并按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同质量、规格的产品，以满足不同用户需要。
②型煤加工： 型煤加工是采用特定的机械加工工艺将粉煤和低品位煤制成具有一定形状、尺寸、强度和一定理化性能的煤制品。高硫煤成型时加入适量固硫剂（生石灰），可减少二氧化硫的排放。
2SO2 + O2 + 2CaO ® 2CaSO4 SO3 + CaO ®? CaSO4
③水煤浆（Coal Water Slurry, CWS）技术
国际上称为：煤水混合物（Coal Water Mixture, CWM）或煤水燃料（Coal Water Fuel, CWF）
制备：CWS一般由65%-70%的煤粉（250-300mm）、30%-35%的水及0.5-1.0%的分散剂和0.02%-0.1%的稳定剂，经过一定的加工工艺而制得。
燃烧中的净化装置：先进的燃烧器；流化床燃烧器
燃烧后净化：烟气脱硫
1) 湿式：湿法一般是在炉内用石灰水淋洗烟尘，二氧化硫变成亚硫酸钙浆状物。
2) 干式：干法是用浆状脱硫剂（石灰石）喷雾，与烟气中的二氧化硫反应，生成亚硫酸钙，水分被蒸发，干燥颗粒用集尘器收集。脱硫效率达90%
煤油混烧技术
第八节 煤炭液化
煤的液化分直接液化和间接液化两种。
1) 直接液化：煤在高温高压下加氢催化裂化，转变成油料产品。
2) 间接液化：先使煤转化为一氧化碳和氢气，然后在高温、高压及催化剂的作用下生成液态烃、甲醇等有机物。
煤的直接液化
煤的直接液化工艺主要有：Exxon供氢溶剂（EDS）法；氢-煤法；煤-油共炼。
煤加氢液化反应：将煤在高温高压下与氢反应，使其降解和加氢，从而转化为液体油类（如汽油、柴油、航空燃料和化工原料等）的工艺称为加氢液化。
从煤结构概念出发，认为固体煤加氢转化为液体，就是煤结构中某些键断开，并同时加氢，生成液体产物和少量气态烃。
煤加氢液化的基本化学反应：热解反应；供氢反应；脱杂原子反应。
直接液化大致有氢化法和溶剂精制法。
1) 氢化法：将煤粉和煤液化过程中产生的油跟氢气混合，在高温条件下经催化进行加氢解聚反应。
2) 溶剂精制法
3) 间接液化的气化-液化法：将煤气化为H2、CO和CH4，再用催化剂将气态物质转化为液态。
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2＋nH2O
煤的间接液化：间接液化主要分两种生产工艺：
1) 费托（Fischer-Tropsch）工艺，将原料气直接合成油；
2) 由原料气合成甲醇，再由甲醇转化成汽油。
费-托合成：以合成气为原料在催化剂（主要是铁系） 和适当反应条件下合成以石蜡烃为主的液体燃料的工艺过程。nCO+2nH2─→[－CH2－]n+nH2O
一碳化学（碳一化学）：以含一个碳原子的化合物－甲烷（CH4）、合成气（CO和H2）、CO2、CH3OH、HCHO等为初始反应物，反应合成一系列重要的化工原料和燃料的化学。
其核心是选择催化化学转化、小分子的活化和定向转化。
CO、CO2是从煤的气化得到的、而CH4是天然气的主要成分。因此一碳化工实际上就是一种新一代的煤化工和天然气化工。
第九节 煤的气化
煤炭气化是一种热化学过程，通常是在空气、蒸汽或氧等作气化介质的情况下，在煤气发生炉中将煤加热到足够的温度，与煤发生化学反应，生成一氧化碳、氢和甲烷等可燃的混合气体即煤气。
煤气化过程：①煤的热解过程；②半焦的气化过程。
煤气化目的是将煤转化成可燃气体。
煤气的主要组成为：CO, H2, CO2, CH4, H2O。灰分形成废渣排出
1 煤炭气化的意义及历史
（1）煤炭气化的意义
煤炭直接燃烧的热利用效率一般为15%-18%。通过煤炭气化过程将煤变成可燃烧的煤气后，热利用效率可达55%-60%。煤气较煤具有运输和使用方便、减轻环境污染等优点。煤气化的好处是可在燃烧前脱除气态硫和氮组分。粗煤气中的硫化氢可在气体冷却后通过化学吸收或物理吸附脱除。
2 煤气分类及用途
根据煤气组成不同可分为：发生炉煤气和水煤气、合成气和还原气、城市煤气和焦炉煤气、富气和合成天然气。
水煤气和发生炉煤气
交替吹空气和水蒸气到发生炉内产生的煤气称水煤气。同时吹空气和水蒸气到发生炉内产生的煤气称发生炉煤气。
合成气与还原气
合成气是根据不同用途控制煤气化过程产生的，主要用作不同化工产品的加工。如合成氨的合成气对H2/N2要求很高，合成甲醇用气CO含量较高等等。
还原气是指炼铁过程中产生的可燃性气体，要求其中水蒸气和二氧化碳含量较少，较多时应将其除去。
城市煤气：城市煤气要求含氢气和甲烷较多，硫含量少，以提高热值和减少城市空气污染。
煤炭气化原理
从能量转化角度来讲，煤气化技术是把煤的化学能转换成易于利用的气体的化学能的过程。
包括以煤（半焦或焦炭）为原料，以氧（包括空气、富氧、纯氧）、水蒸气、二氧化碳或氢气为气化介质，使煤经过最低限度的氧化过程，将煤中所含的碳、氢等物质转化成一氧化碳、氢、甲烷等有效成分的一个多相反应的化学过程。
煤炭气化技术
1) 地面煤气化技术
①煤的高温干馏；②煤的发生炉气化；③煤的水煤气化；④煤的加氢气化。
2) 地下煤气化（UCG)技术
地面煤气化技术
1) 煤的高温干馏：煤的高温干馏是将煤在隔绝空气的条件下加热到600-800°C，主要反应为煤中有机物的热分解，生成焦炭和主要含甲烷、挥发性物质的焦炉煤气。这种煤气的热值为18.8MJ/m3，主要用于城市气体燃料。
2) 煤的发生炉气化：将空气通入高温煤层，在发生炉中发生一系列的氧化还原反应
氧化层中煤炭的氧化反应：
C(s) + ½ O2(g) ® CO(g) + 110.54 kJ/mol
用空气作氧化剂所得的煤气叫空气煤气，它的大致成分（体积分数）为：CO2约16%-18%，CO1%-2%，H21%-2%，N271%-78%。由于H2和CO含量很低，热值不高，约为4.18MJ/m3，可作燃料。
3) 煤的水煤气化：将水蒸气通入高温煤层的煤气发生炉使之煤气化，气体叫水煤气。主要的反应是水蒸气与炽热的炭层（700-800°C以上）氧化还原反应
C(s) + H2O(g) ?®? CO(g) + H2 (g)
水煤气的大致组成（体积分数）
4）煤的加氢气化：将煤先转换成煤气，然后将煤气变成富含甲烷的干净煤气。
水煤气化产生的CO和H2在400°C高温和镍催化剂存在的条件下转化成甲烷，也称为甲烷化反应，其反应式可表示如下：
CO(g) + 3H2(g) ®? CH4(g) + 2H2O(g)
煤加氢气化所得煤气的热值很高，可达36MJ/m2。
地面煤气化技术形式有固定床、流化床与气流床
地下煤气化：煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃性气体的过程。
煤的气化新技术：
a) 煤的热核气化技术
b) 整体煤气化联合循环发电（IGCC）
c) 燃煤磁流体（magnets hydrodynamics，MHD）发电技术
Integrated Gasification Combined Cycle：
IGCC发电技术的原理是以煤气化的方法生产燃料气，净化除去煤气中99%以上的硫化氢和接近100%的粉尘，将固体燃料转化成燃气轮机能燃用的清洁气体燃料，驱动燃气轮机发电，并利用余气烧锅炉生产出蒸汽来驱动汽轮机发电。
燃煤磁流体（magnets hydrodynamics，MHD）发电技术：
磁流体发电是一种将热能直接转换成电能的新型的发电方式，其基本原理和传统的发电机一样基于法拉第电磁感应定律，即导体切割磁力线产生感应电势，所不同的是磁流体发电机中导电流体（气体或液体）取代了普通发电机中的金属流体。
煤的干馏：把煤隔绝空气加热至较高温度而发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程，称为煤的干馏（热分解）。
煤在隔绝空气下加热时，煤中有机质随温度的提高而发生一系列变化，形成气态（煤气），液态（焦油）和固态（半焦或焦炭）产物。
第三章 石油
1、石油的重要性
2、石油的成因和聚集
3、石油的开采
4、石油的组成
5、石油的炼制
6、石油化工—国民经济的支柱
7、工业的血液——流动的乌金
8、我国的石油发展
第一节 石油的重要性
石油：石油（包括油气沥青）是指在地壳岩石空隙（孔、洞、缝）中天然生成的，以液态烃为主的可燃有机矿产。
一般认为1859年Drake在美国宾夕法尼亚州所钻油井，是近代油气勘探（或工业）的开始。
石油的重要性：
①石油是优质动力燃料的原料
②石油是提炼优质润滑油的原料
③石油是主要的化工原料
1917年首次用炼厂气中的丙烯合成异丙醇，公认为第一个石油化学产品，标志石油化工诞生。
④石油及其产品构成了现代生活方式和社会文明的基础
⑤石油安全关系国家安全
第二节 石油的成因和聚集
石油的形成
石油地质学界普遍承认，石油和天然气的生源物是生物，特别是低等的动物和植物。
海相成油：生源物的来源主要是在海洋中生活的生物。
陆相成油：生源物的来源主要是非海相生物，即生活于湖沼的生物。
焦点与学派：
（1）油气的无机成因学说 （2）油气有机成因学说
油气的运移和聚集
油气运移：生油岩中的油气在外力作用下运移到砂质岩（储集层）中集中的过程。
油气从生成到形成矿藏一般要经过两次大的运移才能完成：
初次运移：从生油层向储集层里的运移。
二次运移：在储集层内的运移。
储油构造：集中储存油气的地方。
储油构造由3部分组成：
储油层：有油气居住的空间。
盖层：覆盖在储油层之上的不渗透层。
圈闭：储集层中油、气物质自身势最小而其动能为零的地方。（封堵的条件）
石油资源专家认为，一个油气田的六大要素就是生（油层）、储（油层）、盖（油层）、运（移）、圈（闭）、保（存）。
第三节 石油的开采
1 石油勘探：①地表观测、②地质勘探、③地球化学勘探、④地球物理勘探
地球物理勘探法
主要方法：重力勘探（或重力法）、磁力勘探（或磁力法）、震波勘探（或震波法）
其它方法：电测勘探（或电测法）、放射性勘探（或放射性法）、井测勘探（或井测法）
2 钻井
钻井方式
1) 人工掘井：1521年之前
2) 人力冲击钻：1521～1835年
3) 机械顿钻钻井（冲钻）：1859～1901年
4) 旋转钻井：1901年
我国陆上油田目前最深探井是准噶尔盆地腹部的莫深1井，设计井深7380米（2006年）。
世界上最深的石油勘探井井深为9583米（1974年美国）。
3 采油
世界油田开发史按技术大致可以分为3个阶段：
l 直接采油（一次采油）
l 注水驱油（二次采油）
l 提高采收率技术（三次采油）
4 石油储运
石油的储藏和海上运输始终是国际上最为关注的焦点问题。
用管道输送石油是一种方便而又经济的方法。1934年，世界上第一条油管将伊拉克的北部油田和黎巴嫩的黎波里港连通。输油管道的铺设使原油和成品油的输送成本大幅度降低。
铁路上使用的油槽车也是长距离运输石油的常用设备。
第四节 石油的组成
1 石油的元素组成
主要元素：碳（C）、氢（H）、氧（O）、硫（S）、氮（N）。C占84%~87%，H占11%~14%
微量元素：如Fe、Mg、V、Ni等30多种，其中V、Ni为主。
碳、氢占绝对优势，总量达95~99%，主要以烃类形式存在，是组成石油的主体。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在，与微量元素的总含量一般1~4%。
石油中的硫含量：海相石油高硫（一般大于1%），陆相石油低硫（一般小于1%）
钒和镍含量与比值：海相石油V、Ni含量高，且V/Ni大于1；陆相石油V、Ni含量较低，且V/Ni小于1
2 石油的化合物组成
烃类化合物
烷烃
饱和烃
环烷烃
芳烃
不饱和烃
烯烃
非烃类化合物
含N、含S、含O化合物
（1）石油的烃类组成
烷烃：又称脂肪烃、石蜡烃，具有碳链结构，CnH2n+2，按有无支链分为正构烷烃与异构烷烃。
正构烷烃（CnH2n+2） 异构烷烃（CnH2n+2）
石油中的异构烷烃以≤C10的为主，C11-25较少，且以类异戊间二烯型烷烃最重要。
石油中的类异戊间二烯型烷烃一般认为是由叶绿素的侧链¾直醇演化而来，为生物标志化合物。
环烷烃（具有碳环结构）
CnH2n：单环、双环、三环及多环烷烃，石油中多为五员环或六员环¾环戊烷、环己烷及其同系物。
环烷烃分子中的碳原子连成环状，性质与烷烃相似，但稍活泼。
芳香烃（含苯环结构的不饱和烃）
单环芳香烃：苯、甲苯、二甲苯
多环芳香烃：联苯、三联苯、三苯甲烷
稠环芳香烃：萘、蒽、菲
芳烃较烷烃性质活泼，可与一些物质发生化学反应。
烯烃：双键结构
烯烃的化学性质很活泼，可与多种物质发生反应
烯烃分子结构式中碳原子间有双键，碳原子化合价没有和氢原子完全结合，这就有能力和其他元素的原子相结合。如乙稀、丙稀、环戊稀、环己稀
（2）石油的非烃类组成
石油中含硫、氮、氧的化合物都是非烃类化合物，它们的含量虽然不高，但对炼制过程和成品油的质量影响很大。
①含硫化合物；②含氮化合物；③含氧化合物
存在形式：环烷酸、脂肪酸、酚、醛、酮等。
环烷酸占石油酸的90%，易形成各种盐类，其中碱金属的环烷酸盐易溶于水、可作为找油标志。
（3）生物标志化合物
来源于生物体，基本保持类原始组分的碳骨架，记载了原始生油母质特殊分子结构信息的有机化合物。又称“分子化石”、“指纹化合物”或“地球化学化石”。
主要有：正构烷烃、类异戊间二烯烷烃、萜类和甾类以及卟啉化合物。
3 石油的组分组成
油质：是石油的重要组成部分，可溶于石油醚而不被硅胶所吸附。
胶质：可溶于石油醚，苯、三氯甲烷等有机溶剂而不被硅胶所吸附。
沥青质：不溶于石油醚和酒精而溶于苯、三氯甲烷的沥青部分。
碳质：不溶于有机溶剂的非烃化合物。
4 石油分类
根据油源环境分为：海相石油、陆相石油
根据有机质成熟度分：（未熟）低熟油、成熟油、高熟油
海相石油与陆相石油的基本区别：
海相石油：以芳香-中间型、石蜡-环烷型为主。V/Ni>1。饱和烃占25~70%，芳烃占25~60%；高硫（>1%）、低蜡（<5%）。
陆相石油：以石蜡型为主，部分为石蜡-环烷型。V/Ni<1。饱和烃占60~90%，芳烃占10~20%；高蜡（>5%）、低硫（<1%）。
5 石油的物理性质
①颜色：石油的颜色变化很大，无色、淡黄色、黄褐色、淡红色、深褐色、黑绿色、黑色。
石油的颜色与芳烃+非烃的含量有关，芳烃+非烃含量越高，颜色越深。
②相对密度：有三种：
：1个atm下，20°C单位体积原油与4°C单位体积纯水的质量之比。
（无量纲）一般“ ”： 0.75~1.0之间，其中：<0.9称为轻质石油；0.9-0.93称为中质石油；>0.93称为重质石油。
影响因素：
主要取决于化学组成，胶质、沥青质含量↑ ↑；石油组分的分子量↑ ↑；溶解气数量↑ ↓
API度：石油工业中常用美制密度（°API）表示，?API与ror呈反比关系。
一般原油 API 介于 25 ~ 46 之间。
波美密度：符号Symbol：?Bé, sometimes ?B
法国科学家波美所创制，波美比重计
③粘度：石油流动时分子间相对运动的内摩擦力所产生的阻力。
粘度越大，愈难流动。
影响因素：石油的粘度取决于石油的化学组成、所处的温度和压力。胶质、沥青质↑，粘度↑；饱和烃含量↑，粘度↓；化学组成：溶解气含量↑，粘度↓；温度↑，粘度↓；压力↑，粘度↑。
温度对粘度的影响较压力大，因此在地层中容易流动。
④溶解性：石油可溶解于多种有机溶剂，如：苯、三氯甲烷（氯仿）、二硫化碳、四氯化碳、乙醚等等。难溶于水，但随水中二氧化碳和烃气的含量增加，溶解度明显增加，有利于初次运移。
⑤凝固点：将液体石油冷却到失去流动性时的温度。
石油没有明确的凝固点，当温度降低时，常出现固态与液态之间的过渡状态。
⑥导电性：石油基本上是电绝缘体。石油导电性极差，具高电阻率。可视为无限大，非导体。
⑦荧光性：石油在紫外光的照射下，产生荧光的特性。无论其本身还是溶于有机溶剂中。
荧光-低能量可见光 ¾ 冷发光现象
原因：由多环芳香烃和非烃发光，饱和烃不发光。
发光颜色：含芳烃多的轻质油—天蓝色；含胶质多的石油—淡黄色；含沥青质多的石油—褐色。
发光强度：与石油中的不饱和烃浓度有关。
在低浓度范围下，发光强度与石油类物质的浓度成正比；但浓度超过某一临界值以后，发光强度反而降低，这叫做浓度消光。
应用：钻井现场常用荧光灯鉴定岩样中的含油情况。
⑧旋光性：当偏振光通过石油时，石油能使其振动面旋转一个角度（0.几-几度），石油的这种特性称旋光性。旋转偏振光振动面的特性。分右旋和左旋。大多石油旋光性为右旋。旋转角小于几度。
石油的旋光性与结构不对称的生物标志化合物有关，因此，石油的旋光性是石油有机成因的证据。
第五节 石油的炼制
石油炼制过程：
l 脱盐/脱水：应用电化学分离或加热沉降方法脱除原油所含水、盐和固体杂质，主要目的是防止盐类（钠、钙、镁的氯化物）离解产生氯化氢而腐蚀设备和盐垢在管式炉炉管内沉积。
l 原油蒸馏
l 丙烷脱沥青
l 溶剂萃取和脱蜡
l 混合
1 石油的蒸馏
蒸馏是利用物理方法将原油中的各种碳氢化合物分开。原油加热到一定温度，油中的碳氢化合物变成不同的气体，每种气体有不同的凝结点，在不同温度下凝结成为液体。
蒸馏包括常压蒸馏和减压蒸馏，属于物理变化。
常压蒸馏：在接近常压下蒸馏出汽油、煤油（或喷气燃料）、柴油等的直馏馏分，塔底残余为常压渣油（即重油）。
减压蒸馏：使常压渣油在8kPa左右的绝对压力下蒸馏出重质馏分油作为润滑油料、裂化原料或裂解原料，塔底残余为减压渣油。
1 atm（标准大气压）＝ 101.325 kPa（千帕）
工业上的石油分馏：
石油馏分组成与化合物组成关系
随馏分沸点增加，化合物分子量增大，化合物中C数增加；
随馏分沸点增加，石蜡烃和芳香烃含量明显减少，胶质含量明显增加。
2 重油的裂化
裂化是将重油等大分子烃类分裂成汽油、柴油等小分子烃类的一种炼制方法。
重油裂化是制取高质量汽油的主要途径。
重油裂化的常用方式：
a) 热裂化
b) 催化裂化
c) 加氢裂化
热裂化：是通过加热的方法把大分子烃类转化成小分子烃的过程。
催化裂化：是在硅酸铝和合成沸石等催化剂作用下使重油裂化成小分子烃，可以有选择性多生成一些汽油组分的产品，反应产物是C4~C9的烃类。催化裂化中发生的化学反应主要是异构化反应、芳构化反应和氢转移反应。
加氢催化裂化：是在370~430℃的高温、10~15MPa的高压以及催化剂的作用下使直馏柴油、减压渣油等各种轻重油原料进行加氢反应。
l 可把原料中的硫和氮的化合物转化成硫化氢和氨，从而通过水洗除去。
l 可使不饱和烃及一些大分子烃发生裂化和异构化，从而获得各种高质量的油品。
如高辛烷值汽油、低冰点喷气机燃料、低凝固点柴油、低温性能良好的润滑油等。
l 产品的收率接近100%。
l 反应需要在高压下操作，条件比较苛刻，设备投资高，技术操作要求严格。
石油炼制加工： 一次加工；二次加工；三次加工。
一次加工和二次加工可用于生产燃料油品。二次加工可提高轻质油的收率，提高油品质量，增加石油产品的品种，提高炼油厂的经济效益。三次加工（石油化学工业）则是用前两次加工所得的石油产品或半成品来生产化工产品，通过分子的异构化、芳构化、聚合等反应制取基本有机化工原料。
第六节 石油化工—国民经济的支柱
石油化学工业简称石油化工，是指以石油和天然气为原料生产石油产品和石油化工产品的加工工业。
石油产品：
液体燃料：液化石油气（LPG），车用汽油，航空燃料，车用柴油，燃料重油等。
润滑油：发动机油，齿轮油，液压油，气轮机油，压缩机油，金属加工用油等。
固体产品：沥青，石油焦，石蜡等。
其他类产品
第七节 工业的血液—流动的乌金
石油经过炼制后,绝大部分变成了汽油、煤油、柴油、燃料油、润滑油等油品。
这些油品如同血液一样源源不断地输入工业的脉管，大大加快了现代文明社会的生活节奏。
1 汽油的使用牌号和优质汽油的制备
汽油的质量标准涉及到许多方面，其中最重要的是蒸发性、抗爆性和安定性。
l 蒸发性：评价汽油蒸发性的指标是馏分组成和蒸气压。
l 抗爆性：汽油的抗爆性是指汽油发动机在汽缸中燃烧时抵抗爆炸的能力。可用辛烷值度量，汽油的辛烷值越高其抗爆性越好。
l 安定性：汽油的安定性是指汽油在常温和液相条件下抵抗氧化的能力。
安定性不好的汽油在储存和运输过程中容易发生氧化和聚合反应，生成酸性物质和胶状物，致使油的颜色变深，辛烷值降低。
汽油的辛烷值：规定具有很高抗爆性的异辛烷的辛烷值为100，最容易产生爆震的正庚烷的辛烷值为0。
汽油改性：提高辛烷值制取高质量的汽油是汽油改性的主要目标。两种基本改性方法：
a) 在汽油中加入添加剂；
b) 通过石油馏分的化学转化来改变汽油的烃类组成，以获得高辛烷值的汽油。
汽油质量升级一般要经过3个阶段：一是标号升级，二是无铅化，三是组分优化。
2 航空煤油 喷气式飞机对喷气燃料的要求：
a) 良好的燃烧性能
b) 良好的热安定性
c) 较低的结晶点
d) 良好的雾化和蒸发性
3 柴油
柴油十六烷值 ¾ 评定柴油抗爆性的指标：
a) 自燃点为205℃的正十六烷是抗爆性很好的柴油机标准燃料，将它的十六烷值定为100；
b) 自燃点高达529℃的a-甲基萘是抗爆性很差的柴油机标准燃料，它的十六烷值定为0。
4 燃料油和润滑油
燃料油：燃料油来源主要是减压渣油和裂化残油两种。
润滑油：润滑油通常是从常压塔底流出的重油经过减压蒸馏制取。
第八节 我国的石油发展
第四章 天然气
1. 清洁的燃料
2. 天然气的开采
3. 天然气化工
4. 煤层气的利用
5. 天然气适用技术
6. 中国的天然气市场展望
7. 天然气水合物-21世纪的新能源
第一节 清洁的燃料
1 天然气的概念
广义的天然气：自然界中一切天然生成的气体（包括大气、岩石中的气体、海洋中的气体、地幔气、宇宙气等）。
狭义的天然气：在地质条件下生成、运移并聚集在地下岩层中、以烃类为主的气体。
在地壳岩石空隙（孔、洞、缝）中天然生成的，以气态烃为主的可燃有机矿产。
多数有机成因，也有无机成因的。
2 天然气的化学组成
1) 天然气的元素组成：C、H、O、S、N及微量元素组成，其中C占65%~80%，H占12%~20%
2) 天然气的化合物组成：烃类—CH4为主；非烃类—CO2、N2、H2S
多数气藏以烃类为主
气藏和油气藏中天然气，无论是气藏类型，还是气体中化合物组成，都是以烃类气体为主。
烃类组成
1) 甲烷（轻烃气）：是烃类气体主要化合物。
2) 重烃气（乙烷及其以重）：次要。其中以乙烷和丙烷为主。有时有少量的环烷烃和芳香烃。在多数情况下，气体中烃类化合物含量与其分子量成反比关系。
根据烃类天然气中轻烃气和重烃气含量，常将其分两类：
1) 干气：CH4>95%，C2+ <5%，贫气。
2) 湿气：CH4<95%，C2+ >5%，富气。
典型湿、干气烃类组成
天然气组成（体积%）
资料来源
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
＞C5H12
非烃
典型湿气
典型干气
84.6
96.0
6.4
2.0
5.3
0.6
2.6
0.3
1.1
1.1
Heron
（1964）
一般纯天燃气的可燃成分以甲烷为主，还含有少量的二氧化碳、硫化氢、氮和微量的氦、氖、氩等气体。
气藏气中常见的非烃气有：N2、CO2、H2S、H2、CO、Hg蒸气，有时还含有少量有机硫、氧、氮化合物。
非烃类组成：非烃气的含量一般小于10%，但亦有少量非烃气的含量超过10%，极少数是以非烃气为主的气藏，如N2气藏，CO2气藏、H2S气藏。
另外，还有痕量到微量的稀有气体，如：氦、氖、氪、氩、氙、氡等惰性气体，它们在沉积圈中含量较低，不能单独形成气藏。
3 天然气的基本物理性质
天然气一般为无色，可有汽油味或硫化氢味，可燃，由于其化学性质组成变化大，致使物理性质变化甚大。
1) 分子大小：石油、天然气的各种化合物分子长度
天然气化合物的分子的长度和有效直径比石油化合物分子的长度和有效直径一般要小，有利于运移。
2) 表观分子量Mg：天然气中各种化合物平均分子量，按下式计算：
式中，Yi、Mi分别是第i种化合物的摩尔分数和分子量。
3) 密度和相对密度
密度（rg）： 在地表一般0.7~0.75 kg/m3；在地下可达150~250kg/m3 ，凝析气可达225~450kg/m3 。
相对密度（rg）：在标准状况下，单位体积天然气与同体积空气的质量之比。 一般在0.56~1.0之间。相对密度一般随重烃、非烃气体含量的增加而增大。
4) 溶解性：天然气溶解度：单位体积的溶剂溶解天然气的体积。在相同条件下，易溶于石油，难溶于水。CH4—0.3m3/m3油，0.033m3/m3水
在水中溶解度：各种化合物的溶解度是不同的，与温度和水中其他溶质浓度含量有关（T、P、含盐度、气体组分）。当水中溶解有二氧化碳时，烃类气体溶解度会增加。
在石油中溶解度：在相同条件下，烃类天然气在石油中溶解度（或溶解系数）大大高于在水中溶解度（溶解系数）。油中的溶解度—压力、天然气组成、石油性质有关，一方面较重烃气溶解度较大，另一方面轻馏分较重馏分有更大的溶解天然气能力。
5) 粘度（m）：指气体内部相对运动时，气体分子内摩擦力所产生的阻力。
影响因素：在较低压力下（小于30大气压），随分子量增加而减小，随温度和压力增高而增大；在高温高压下：与液态烃变化一致。
6) 蒸气压力：饱和蒸气压力：气体液化时所需施加的压力。
影响因素：随温度升高而增大；同温度下，烃分子量越小，其蒸汽压力越大。
7) 吸附作用：天然气被岩石吸附的现象。
单位质量岩石吸附天然气量大小与岩石类型和天然气化合物类型以及压力温度等有关。
常温下岩石对气态烃吸附值
8) 热值
天然气中烃类的热值（据美国天然气工程手册，1959）
烃类
热值（发热量）
kJ/m3(净值)
kJ/kg(净值)
kJ/m3(全值)
kJ/kg(全值)
甲烷
乙烷
丙烷
丁烷
34037.80
60937.25
87915.42
115863.04
47541.96
45162.10
44054.17
43368.15
37811.48
66618.44
95537.50
125876.35
52812.96
49371.20
47873.33
47116.44
4 天然气的产状
存在相态：游离相、溶解相、吸附相、固态气水化物
分布特征：聚集型、分散型
聚集型天然气： 以游离状态聚集在一起的天然气。 气藏气、气顶气、凝析气
分散型天然气：溶解气（油溶气、水溶气）、煤层气、固态气水合物（可燃冰）
聚集型天然气
①气藏气：基本上不与石油伴生，单独聚集成纯气藏。
CH4含量常>95%、重烃气（C2+）少；可为烃气（干气），也可为非烃气。
②气顶气：指与石油共存于油气藏中，呈游离态存在的天然气。
CH4为主，C2+高＞5%
湿气，成因、分布均与石油有关。
③凝析气：当地下温度、压力超过临界条件时，液态烃逆蒸发而形成的气体，称为凝析气。采至地面过程中，随温度压力的降低又逆凝结为轻质油。即凝析油。
凝析气属于湿气，形成的凝析气藏多分布在3000~4000米深度范围内
凝析油占到一定比例的气藏叫凝析气藏。
分散型天然气
④煤层气（矿井瓦斯）
煤层中所含的呈吸附或游离状态的天然气（瓦斯）；气体成分以CH4为主，含N2、CO2、H2S。
⑤溶解气：地层条件下，溶于石油或地下水的天然气。
油溶气：油藏中溶解的天然气。湿气，C2+高，可达40%。
水溶气：溶于水中的天然气。（CH4,N2,C2+气,CO2少）
高压水溶气：常出现于异常高压带以下的热水中，含气量较高；
低压水溶气：含气量较低，一般不单独采取。
⑥固态气水合物
高压低温条件下，CH4等气体分子被封闭冻结在水分子扩大晶格中，形成的固体物。
形成条件：
1) 气和水足够富集
2) 低温：低于27°C。若T>27°C：就以气态烃+水或者液态烃+水形式存在。
3) 高压。在冰点附近需十几atm；在27°C附近需500-600atm。
能形成固态水合物的烃类气体：甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷。
能形成固态水合物的地区：极地、冻土带、深海沉积物分布区。
与石油产出的关系
①伴生气
位置上伴生气：气顶气、油溶气和油藏周围（上、中、下方）的气。
成因上伴生气：成油过程中形成的各种天然气。
②非伴生气
位置上非伴生气：与油藏分布没有关系。 例如：某些气藏气。
成因上非伴生气：煤系有机质或未成熟的有机质形成的天然气。
5 天然气的储运
1) 管道
2) 压缩天然气（CNG）
3) 液化天然气（LNG）
4) 天然气水合物（NGH）
目前，世界天然气产量的75%依赖管线输送，25%靠LNG运输。
液化天然气（LNG）：气田开采出来的天然气经脱水、脱酸性气体和脱重烃类，然后压缩、冷却，在-163度下液化成LNG。其主要成分为甲烷，用专用船或油罐车运输，使用时重新气化。
液化天然气（LNG）的特点：
Ø LNG在大气压下，液化温度为-163°C；
Ø LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性；
Ø LNG的体积约为同量气态天然气体积的1/600；
Ø LNG的重量仅为同体积水的45%左右；
Ø LNG的体积能量密度为汽油的72%；
Ø LNG是一种清洁燃料，排放可以达到欧4标准。
液化天然气（LNG）具有高热值、低比重、超低温三大特点，是一种清洁、高效、廉价、理想的绿色新能源。
第二节 天然气的开采
全球天然气储藏量的50%以上集中在俄罗斯、伊朗和卡塔尔等中东地区国家。
1 天然气勘探
天然气勘探方式与石油勘探相似，寻找油藏与油层试钻的技术基本上可用于勘探天然气，对天然气勘探评价的内容与方法也基本与石油相同。
2 采气：把天然气从地层采出的全部工艺过程简称采气工艺。
采气工艺与自喷采油法基本相似，都是在探明的油气田上钻井，并诱导气流，使气体靠自身能量（源于地层压力）由井内自喷至井口。
排液采气—柱塞排液采气：柱塞排液采气工艺是一种利用投放在井筒油管内的柱塞的上下运动来排除和防止井筒积液的间歇气举排液采气工艺。
3 我国天然气开采利用情况
1821年开发的四川富顺县自流井气田是世界上最早的天然气田。
第三节 天然气化工
石油是多链碳烷烃，在加工时是将高碳烷烃裂解成低碳烷烃和烯烃。
天然气是以甲烷为主，其化学加工是将1个碳的甲烷转化成2个或3个碳及以上烷烃和烯烃。
石油加工是拆房子，而天然气化工是建房子。
天然气在作为化工原料时主要是用于生产合成氨和甲醇。
天然气化学转化主要有两个途径：
1) 直接化学转化：如氧化偶联、选择性氧化等可制成烯烃、甲醇等化工产品。
2) 间接化学转化：用天然气先制造合成气（一氧化碳和氢气），再由合成气出发经过不同的化学过程制取液态烃、合成氨、甲醇等化学品。
天然气转化合成甲醇，合成甲醇的制备原理：用天然气作原料合成甲醇的主要反应
CO+2H2 ® CH3OH ?DH= –102.5 kJ/mol
CO2+3H2 ® CH3OH+H2O ?DH= – 49.5kJ/mol
由热力学原理知，增加压力、降低温度对合成甲醇有利。第一反应最重要，原料配比H2/CO比值很重要。
Ø 天然气制合成氨
Ø 天然气制甲醇
Ø 天然气制合成油
Ø 天然气制二甲醚
Ø 天然气经甲醇制烯烃
Ø 天然气氧化偶联制烯烃
Ø 天然气制芳烃
第四节 煤层气的利用
煤层气（CBM）：煤层气是在煤矿层及其邻近岩层中与煤伴生的以分子吸附状态赋存于煤基质表面上的一种可燃气体，其主要成分（常占90%以上）是甲烷（CH4），俗称“瓦斯”。
一方面，俗称瓦斯的煤层气是造成煤矿瓦斯爆炸、煤岩体突出的灾害性气体和引起全球气候变暖的强烈温室性气体；另一方面，它也是一种洁净的新能源。
在热值上，煤层气与常规天然气相当，发热量在8000大卡/m3以上，每1000m3煤层气相当于1t石油或1.25t标准煤。
第五节 天然气适用技术
1) 天然气发电
2) 天然气燃料电池
3) 天然气汽车
4) 天然气空调
第六节 中国的天然气市场展望
我国天然气资源分布：总的格局：西多东少、北多南少
我国天然气市场七大“动脉”
中国进口的第一船液化天然气：2006年05月26日首艘装载着6万吨液化天然气的NORTHWEST SEAEAGLE抵深圳大鹏接收站码头。
第七节 天然气水合物—21世纪的新能源
1 天然气水合物：笼形包合物、可燃冰、气冰、固体瓦斯、固体天然气
天然气水合物是由天然气与水在高压低温条件下结晶形成的固态笼状化合物。纯净的天然气水合物呈白色，形似冰雪，可以像固体酒精一样直接被点燃。1立方米天然气水合物可释放出164立方米甲烷气体，是一种能量密度高、分布广的能源矿产。
2 天然气水合物的存在及生成环境
地球上大约有27%的陆地是可以形成天然气水合物的潜在地区。海洋大陆架是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的90%具有形成气水合物的温压条件。
已发现的天然气水合物主要存在于北极地区的永久冻土区和世界范围内的海底、陆坡、陆基及海沟中。
3 天然气水合物的物理性质
颜色：天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色等。
存在状态：轴状、层状、小针状结晶体或分散状。
存在方式：
①占据大的岩石粒间孔隙；
②以球粒状散布于细粒岩石中；
③以固体形式填充在裂缝中；
④大块固态水合物伴随少量沉积物。
密度：0.912 g/cm3，小于冰的密度0.916 g/cm3。
4 天然气水合物的结晶结构
水合物的笼形包合物结构，1936年前苏联科学院院士尼基丁提出，天然气水合物的结晶格架主要由水分子所构成，在不同的低温高压条件下水分子结晶形成不同类型的多面笼形结构。
水合物的分子式表示为：M×nH2O，M表示甲烷等气体，n为水分子数。
天然气水合物结构类型：3种，即I型、II型和H型。
I型：I型气水合物为立方晶体结构，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S等非烃分子。
II型：II型气水合物为菱型晶体结构，除包容甲烷、乙烷等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类。
H型：H型气水合物为六方晶体结构，除能容纳n型结构水合物所能容纳的烃类分子外，其大的“笼子”其至可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如异戊烷（i-C5）和其他直径在0.75~0.86纳米之间的分子.
气水化合物分子中，气体分子是较小的分子（异丁烷和丙烷及其以小），水分子数与气体化合物分子数是变化的，较小的气体分子与较少的水分子结合。但是，更大的分子（丁烷以上）则不能与水分子结合。
5 天然气水合物的研究历史
2007年5月1日，我国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，从而成为继美国、日本、印度之后第4个成功钻获“可燃冰”的国家。
6 天然气水合物的形成条件
天然气水合物的形成有3个基本条件，缺一不可。
1) 地底要有气源；
2) 温度不能太高；
3) 压力要足够大。0°C时，30个大气压以上就可生成。
7 水合物中的烃类气体
天然气各成分水合物的临界生成温度
成分
CH4
C2H6
C3H8
i-C4H10
n-C4H10
CO2
H2S
水合物临界生成温度/°C
47.0
14.5
5.5
2.5
1.0
10.0
29.0
8 天然气水合物生成的抑制法
² 降低压力
² 保持一定温度
² 减少天然气水含量
² 天然气水合物抑制剂
醇：与水完全互溶，将天然气水合物控制在结晶析出阶段。
表面活性剂：通过吸附，将天然气水合物控制在结晶的长大阶段。
聚合物：天然气水合物结晶可与聚合物链节结合，将天然气水合物控制在聚并、沉积阶段。
加入天然气气流中以阻止在低温时形成烃类水合物的一种化学药剂。可防止管道设备阻塞。
常用的有甲醇、乙二醇、二甘醇及三甘醇等。
9 天然气水合物的勘探和开采
天然气水合物勘探方法：
地震勘探方法；地球物理测井法；钻井取芯
天然气水合物的开采方法主要有3类：
1) 热激发法：主要是将蒸气、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入水合物地层。
2) 化学试剂法：某些化学试剂，诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂可以改变水合物形成的相平衡条件，降低水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井孔泵入后，就会引起水合物的分解。
3) 减压法：通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使水合物分解的目的。
天然气水合物开发的最大技术难点：保证井底稳定，使甲烷气不泄漏、不引发温室效应。
10 天然气水合物与百慕大三角之迷
百慕大三角这个神秘的漩涡地带是因为有天然气水合物从海底释放造成的，那里的海面总是有不断喷涌而出的甲烷气泡。
第五章 太阳能
1. 太阳能简介
2. 太阳能的光热利用
3. 太阳能的光电利用¾太阳能电池
4. 太阳能光化学利用
5. 太阳能空间电站
6. 太阳能的储存与输送
7. 太阳能在我国的应用
第一节 太阳能简介
1 太阳与太阳辐射
太阳能是太阳内部连续不断的氢核聚变反应过程产生的能量。
2 太阳能利用的特点
l 储量的无限性
l 存在的普遍性
l 利用的清洁性
l 利用的经济性
从利用角度来看，太阳能有两个主要缺点：
l 能流密度低；
l 其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响而不能维持常量。
3 中国的太阳能资源
4 太阳能利用所涉及的技术问题
太阳能利用涉及具有共性的技术主要有四项：太阳能采集、太阳能转换、太阳能贮存、太阳能传输
5 太阳能的利用途径：太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。
² 太阳能转变为热能和电能： 太阳能热利用；太阳能光发电。
第二节 太阳能的光热利用
太阳能的光热利用就是利用太阳集热器将太阳光辐射转化成流体中的热能，并将加热流体输送出去利用。
太阳能的光热利用主要有以下方面：
l 太阳能热水系统
l 太阳能热发电
l 太阳能空调制冷
l 太阳房
l 太阳灶
l 太阳能干燥
1 太阳能集热器
吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。
按采光方式，太阳能集热器可分为：①非聚光型集热器；②聚光型集热器
² 非聚光型集热器：平板集热器、真空管集热器
² 聚光型集热器：抛物面槽式集热器、抛物面碟式集热器、集中接收系统
2 太阳能热水系统
太阳能热水系统主要元件：集热器、储存装置、循环管路。
按流体流动方式分：太阳能热水系统分为：循环式、直流式、闷晒式。
按形成水循环的动力不同分：自然循环式、强制循环式。
3 太阳能热发电
太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将水加热，使产生的蒸汽去驱动汽轮发电机组。
将太阳能转换成热能再转换成电能进行发电。
发电方式：光—热—电转换方式
太阳能热发电站的组成：集热系统、输热系统、储热系统、热交换系统、汽轮发电机
太阳能热发电的形式：槽式太阳能热发电、塔式太阳能热发电、碟式太阳能热发电。
4 太阳能制冷与空调技术
太阳能制冷原理
l 直接以热能为驱动能源：主要有吸收式制冷、吸附式制冷和喷射式制冷等。
l 以太阳能产生的机械能为驱动能源：主要有压缩式制冷、光电式制冷和热电制冷等。
5 太阳房
被动式太阳能系统：利用建筑构件本身吸收太阳能，而不用设备。
主动式太阳能系统：需要附加的太阳能集热器、热能储存装置、热交换器及能量供给装置。
6 其他太阳能热利用技术：太阳灶；太阳能干燥
第三节 太阳能的光电利用—太阳能电池
1 太阳能电池简介
1954年，美国贝尔电话公司研制成的硅电池，效率太低：4%，几个月后6%；
2 太阳能电池发电原理：基于光伏效应由太阳光与材料相互作用而产生电势。
3 太阳能电池
①硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池
A. 单晶硅太阳能电池
由线锯切割单晶硅锭制备硅片，规模生产时的光电转换效率为：15~20%。单晶硅成本价格高。
单晶硅片的制备要经过如下过程：
石英砂®冶金级硅®提纯和精炼®沉积多晶硅锭®单晶硅®硅片切割。
B. 多晶硅太阳能电池
多晶硅是以熔融的硅铸造固化制成，制程简单，成本较单晶硅低。工业规模生产的光电转换效率~15%。
C. 非晶硅太阳能电池
非晶硅材料的光吸收效率是单晶硅的40倍。非晶硅太阳电池主要应用于功率输出较小的各种消费性电子产品上，如手表、计算器等。光电转换效率~6%
②多元化合物薄膜太阳能电池
A. 砷化镓太阳能电池：GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率较晶体硅电池高，可达25%~30%；航天用太阳能电池一般在18%~19.5%。
B. 铜铟硒太阳能电池：铜铟硒薄膜电池适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。CIS（CuInSe2）转换效率高，制作复杂，生产困难，生产过程中存在剧毒气体硒化氢。CIS原型电池转换效率高达13%，实验室最高转换效率是18.4%。
C. 碲化镉太阳能电池：商品CdTe电池模板的光电转换效率为7%，与非晶硅（a-Si）电池转换效率相近。可以低制造成本生产高效模板，光电转换效率最高可达16.5%。
D. 有机太阳能电池：以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。
E. 纳米晶太阳能电池：纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5~1/10。
太阳能电池技术比较
种类
材料
太阳能单电池效率
太阳能电池模块效率
优点
缺点
硅系
太阳
能电
池
单晶硅
15~24%
13~20%
效率最高
技术成熟
工艺繁琐成本高
多晶硅
10~20%
10~15%
无效率衰退问题
成本远低于单晶硅
效率低于单晶硅
非晶硅
8~13%
5~10%
成本较低
转化效率较高
稳定性不高
多元化合物薄膜太阳能电池
砷化镓
19~32%
23~30%
效率较高
成本较单晶硅低
易于规模生产
原材料镉有毒
碲化镉
10~15%
7~10%
铜铟硒
10~12%
8~10%
价格低廉、性能良好、工艺简单
原材料来源比较有限
纳米晶化学太阳能电池
8~11%
~8%
成本低廉、工艺简单、性能稳定
聚合物多层修饰电极型太阳能电池
3~5.9%
易制作、材料广泛、成本低
寿命短
4 光伏电池新技术
5 太阳能光伏电池的发展趋势
² 第一代光伏电池：基于硅晶体的光伏电池
ü 技术成熟
ü 典型光电转换效率：10~15%
ü 寿命> 20 yrs achieved
ü 电池价格的40%是硅的价格
² 第二代光伏电池：基于薄膜技术：在衬底上沉积光伏电池活性物质
² 第三代光伏电池：非硅系
² 第四代光伏电池：第四代光伏电池将从生物衍生。
第四节 太阳能光化学利用
利用光化学反应可以将太阳能转换为化学能。
主要有3种方法：光合作用；光化学作用-光解水制氢；光电转换-电解水制氢
1 光合作用
叶绿素吸收光能通过一系列的化学反应将二氧化碳和水转化成碳水化合物、同时把光能转化为化学能（ATP、NADPH）的过程。
光合作用包括两个主要步骤：
①光反应：光能→化学能。光反应发生在类囊体膜上，是将光能转化为化学能的过程。
②暗发应：暗反应发生在叶绿体的基质中，是植物固定二氧化碳生产葡萄糖的过程。光合产物－淀粉是在基质中形成和贮存起来的。
2 光化学作用—光解水制氢
水解反应方程式为： DH=-285.85 kJ/mol。
光催化分解水制氢
Ø 以半导体为催化剂的光电化学分解水制氢
Ø 以金属配合物模拟光合作用的光解水制氢
①半导体催化光解水制氢
TiO2光催化分解水反应
阴极：2H+ + 2e- ®? H2
阳极：（TiO2） ®? 2e- + 2P（空穴）
H2O + 2P+ ?® 2H++ ½O2
总反应：
②配合物模拟光合作用的光解水制氢
模拟光合作用的吸光、电荷转移、储能和氧化还原反应等。
3 光电转换—电解水制氢
利用太阳能转化成电能用于制氢目前主要有两种方式：
1) 太阳能电池转换的电能电解水制氢
2) 将半导体电极直接注入水中电解制氢
第五节 太阳能空间电站
研制一种太阳能动力卫星，并把它发送到距地面3.5万多公里的高空，且与地球同步的轨道上（在这一轨道上，卫星绕地球飞行一圈的时间，正好与地球自转一周的时间相同），这样就可以用它把太阳能直接引到地球上。
第六节 太阳能的储存与输送
除太阳能电池外，使用比较普遍的储存太阳能的方法是，先将太阳能变成热能，然后再将热能储存在密封、隔热的水池中，以供需要时使用。
第六章 氢能
1. 氢能的特点
2. 氢的制取
3. 氢的存储与运输
4. 氢的利用
第一节 氢能的特点
氢只是能量的一种储存形式，是能源载体，不是能源。
氢同位素有：1H氕（氢），原子核内有1个质子，无中子，（99.98%）；
2H氘（重氢）（D），质量数为2，原子核中有一个质子和一个中子，（0.02%）；
3H氚（超重氢）（T），原子核由一个质子和两个中子组成，质量数为3，（0.1ppm）。
存 在：自然界中主要以化合态形式存在，其中以水和碳氢化合物为主。
常温常压下为气态，在超低温高压下又可成为液态。
氢气在通常状况下为无色、无气味的气体，在标准状态下，氢气的密度为0.0899g/l，是最轻的气体（密度最小）；分子晶体，熔沸点很低；在-252.7°C时，可成为无色液体，101Kpa，-259°C时，氢气变成雪状固体，若将压力增大到数百个大气压，液氢就可变为金属氢。
相图：相图是表示物质所处的平衡状态（固态、液态、气态）与温度和压力的关系图。
氢的相图
参数
氢
沸点 [K]
20.3
熔点 [K]
14.01
三相点：温度[K]
压力 [kPa]
13.8
7.2
临界点：温度 [K]
压力[MPa]
密度 [kg/m3]
33.25
1.297
31.4
1千帕(kPa)=0.0098大气压(atm)
氢同位素沸点和三相点：
种类 沸点（K） 三相点（K）
氢气（H2） 20.38 13.95
氘气（D2） 23.67 18.73
氚气（T2） 25.04 20.26
特点
氢
比较
重量热值（LHV）（MJ/kg）
120
汽油44.5，天然气50
体积热值（STP）（MJ/m3）
10.7
天然气39
体积热值（液态）（MJ/litre）
8.24
天然气30.96
沸点（°C）
-252.7
天然气-162
除核燃料外，氢的发热值高，是汽油发热值的3倍，是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的。
氢的燃烧性能：氢燃烧性能好，点燃快，与空气混合时，可燃范围宽，着火能低，燃烧速度快。
氢气在空气中的可燃极限是4-75%（体积比）。
氢气在空气中的爆炸极限是18.2-58.9%（体积比）。辐射热低，着火能低。
燃料性能
性能
氢H2
甲烷CH4
甲醇CH3OH
汽油
沸点 (°C)
-253
-162
65
wide range
25°C的物理状态
Gas
Gas
Liquid
Liquid
重量热值
LHV (MJ/kg)
HHV (MJ/kg)
120
142
48
53
20
23
42-44
44-46
体积热值
LHV (MJ/Nm3)
HHV (MJ/Nm3)
11
13
35
39
15,700
18,100
~32,000
~33,000
可燃极限 (vol% in air)
4-75
5.3-15
6-36.5
1.4-7.6
爆炸极限 (vol% in air)
18.2-58.9
5.7-14
6.7-36
1.4-3
分子扩散系数(cm2/sec) in air
0.61
0.16
0.13
0.05
空气中自燃温度(°C)
571
632
470
220
液体密度(g/liter)
77
425
792
720-780
第二节 氢的制取
氢的制取是将甲烷等化合物通过蒸汽重整分离出其中的氢，或者将水中的氢通过电解或热化学分解出来。
1 实验室中制备氢气
实验室中制备氢气主要包括金属（金属氢化物）与水/酸的反应：
2 氢气的工业生产方法
1）水煤气法制氢
以煤为原料制氢的方法主要有煤的焦化和气化。
煤的焦化是在隔绝空气的条件下于900~1000°C制取焦炭，并获得焦炉煤气。
过热水蒸气在高于1000°C的温度下通过赤热的焦炭，即发生水煤气反应：
将水煤气和水蒸气一起通过装填有氧化铁钴催化剂的变换炉（400~600°C），可将CO转换成H2和CO2：
2）天然气制氢
天然气或裂解石油气制氢
甲烷蒸汽重整（天然气重整）： ?H = +205.8 kJ/mol
变换反应： ?H = -41.2 kJ/mol
大规模的甲烷制氢装置已商业化，效率高达80-85%。小规模的甲烷蒸汽重整还未商业化，效率为50-60%。
甲烷部分氧化/自热重整
甲烷部分氧化生产合成气CO和H2混合物：CH4 + ½ O2 ®CO + 2H2 Δ H = - 36 kJ/mol
上述反应与甲烷完全氧化反应相竞争：CH4 + 2O2 ®CO2 + 2H2O Δ H = -890 kJ/mol
3）裂解石油气制氢
以轻质油为原料，在催化剂的作用下，制氢的主要反应为：
反应温度一般在800°C，制得氢气的体积一般达75%。
采用重油为原料，可使其与水蒸气及氧气反应制得含氢的气体产物，含氢量一般为50%。
4）电解水制氢
当两个电极（阴极和阳极）分别通上直流电，并且浸入水中时，水将会被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。这个过程就是电解水。这样的装置称为电解槽。
电解水由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成。
电解氢氧化钾水溶液的电极反应为：
阳极反应： 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
阴极反应： 4H2O + 4e- → 4OH- + 2H2
总反应： 2H2O → 2H2 + O2 H2O ®? H2 + ½ O2
电解水制氢的效率一般为75%~85%，其工业过程简单，无污染，但能耗较高，一般为5kw×h/m3（氢气）。
电解槽分类：电解槽可以分为三种：碱性电解槽、质子交换膜电解槽、固体氧化物电解槽。
高温电解水：将200°C的过热水蒸气通过热交换器，在1000°C的电极室经电极反应将水分解成氢气和氧气。由电极放出的高温氢气和氧气通过导管输入热交换器，再将输入的水蒸气预热到900°C，并使水蒸气进入电解槽，而氢气和氧气降温后导出电解槽。
5）生物质制氢
化能营养微生物产氢（厌氧发酵有机物制氢）
在厌氧条件下，通过厌氧微生物（细菌）利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将其分解制取氢气的过程。
各种发酵类型的厌氧菌和兼性厌氧菌，其基质是各种碳水化合物、蛋白质等。
光合微生物产氢
微生物（细菌或藻类）通过光合作用将底物分解产生氢气的方法。
利用相关微生物（如微型藻类）和光合作用的联系制氢。
生物质热化学转换制氢
生物质裂解/气化：将原料（如柴薪、锯末、麦秸、稻草等）压制成型，在气化炉中进行气化或裂解反应，可制得含氢的燃料气。
6）甲醇制氢
7）其他方法制氢
在多种化工过程中，如电解食盐制碱工业、发酵制酒工业、合成氨化肥工业、石油炼制工业等，均有大量副产氢气可采取适当的措施对上述副产物进行氢气的分离回收。
NaCl + H2O + electricity => ½Cl2 + NaOH + ½H2 KCl + H2O + electricity => ½Cl2 + KOH + ½H2
从硫化氢中亦可制得氢气。
第三节 氢的存储与运输
1 氢的储存
储氢方法按氢的理化性质分类：
物理储氢：压缩、低温液化、碳纳米纤维和碳纳米管、活性炭吸附、玻璃微球、地下岩洞
化学储氢：金属氢化物、配位金属氢化物、氨、甲醇、甲基环己烷、碱金属氢化物
六种基本储氢方法：物理吸附、压缩气瓶、液态氢、金属氢化物、配位氢化物、碱液
可选储氢方法：高压气瓶、液氢低温罐、多孔材料、碳纳米材料、金属氢化物
气态储氢：高压气瓶
问题：效率低，能耗高，能量密度低，不太安全。
液态储氢：低温罐，温度：21 K
液化耗能高：液体储氢的耗能可高达储氢能量的1/3，液化1kg氢约耗电4~10kW×h，能量利用效率低。
对储罐绝热性能要求高
固态储氢：固体储氢材料：
金属氢化物（MgH2，BeH2，TiH2）：金属结构中存在着很多空隙，氢元素较活泼，原子半径又小，它很容易钻进金属空隙中去并和金属起化学反应生成金属氢化物。
金属间氢化物（AB (FeTi)，A2B (Mg2Ni，ZrV2)，AB5 (LaNi5)）：储氢合金可以和H2形成金属氢化物，从而固定H2，加热后又可以把H2放出来。其储氢的密度可以大于氢气瓶。
配位金属氢化物（铝氢化物，硼氢化物）
储氢合金：储氢合金的共同特点是在低温低压下能够可逆地吸收、释放氢。
一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/3，而体积却不到氢气瓶的1/10。因此，用储氢合金储氢是一种很理想的储氢手段。
在储氢合金中，一个金属原子能与2~3个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强。单位体积的储氢合金能储存1000~1300单位体积的氢。
金属氢化物的储氢机理：
在氢压作用下金属吸收氢，降低压力、供给热量可释放氢，H2分子首先被吸收到金属表面，然后离解为H原子。
金属氢化物储氢特点：反应可逆；氢以原子形式储存，固态储氢，安全可靠；较高的储氢体积密度
配位金属氢化物：碱金属或碱土金属同IIIA族元素与氢形成配位氢化物。
配位金属氢化物包括：铝氢化物、硼氢化物–
多孔材料（金属-有机骨架结构，氧化物，玻璃微球）：物理吸附
沸石粉、玻璃微球、介孔氧化硅、氮化硼纳米管、金属有机骨架
碳纳米结构：物理吸附
石墨纳米纤维、富勒烯、碳纳米管
化学储氢：甲醇、氨、碱金属氢化物
2 氢的分配和运输方法：管道、压力容器、低温容器、化学载体
第四节 氢的利用
氢经济价值链：生产®储存®分配®使用
与氢有关的能量链
氢主要有两种转化应用的方式：
① 以燃烧的形式在发动机中使用；② 以化学作用的形式在燃料电池中使用。
1液氢的使用
2化学工业用氢
氢是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料。当今氢的最大应用是在合成氨工业上。
3镍氢电池的负极储氢材料
镍氢（Ni/MH）电池是以氢氧化镍作为正极，储氢合金为负极，氢氧化钾溶液为电解液。
充电时，由于水的电化学反应生成的氢原子（H）立刻扩散进入到合金中，形成氢化物，实现负极储氢；
放电时，氢化物分解出的氢原子又在合金表面氧化为水，不存在气体状的氢分子（H2）。
镍氢电池的充放电反应：
4氢能汽车
5家庭用氢
6氢燃料电池
主要有五种类型：
①碱性电解质燃料电池（AFC）； ②质子交换膜燃料电池（PEM-FC）；
③磷酸燃料电池（PAFC）； ④熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；
⑤固体氧化物燃料电池（SOFC）。
第七章 核能
1. 核能的发现
2. 核能的利用
3. 核裂变和核聚变
4. 核反应堆
5. 核能利用与环境
6. 迅速发展的核电事业
第一节 核能的发现
核能：又称原子能、原子核能，是原子核结构发生变化时放出的能量。
核能释放通常有两种方式：
l 重核原子（如铀、钚）分裂成两个或多个较轻原子核，产生链式反应释放的巨大能量称为核裂变能。
l 两个较轻原子核（如氢的同位素氘、氚）聚合成一个较重的原子核，释放出的巨大能量称为核聚变能。
第二节 核能的利用
核能发电：32个有核电的国家和地区共有439座核电站, 装机容量为3.66亿千瓦，占世界总发电量17%，
第三节 核裂变和核聚变
人类获得核能有两种途径：重核裂变、轻核聚变
1 核裂变
指一个可裂变原子核在俘获一个中子后形成一个复合核，复合核经过一个短暂时间的不稳定激化阶段后，分列成两个碎片，同时放出中子和能量的反应过程。
大规模利用重核裂变释放出的能量，必须满足3个条件：
重核能够分裂为两个中等质量的原子核；裂变反应能够自持地进行下去；裂变的速度能够人为地加以控制。
重核发生裂变的方式：自持链式裂变反应 - 核裂变反应中产生的中子再引发其他重核发生裂变，导致产生更多的中子，最终形成一连串的裂变反应。链式反应的速度极快，两次反应间隔时间只有2´10-14秒。
铀原子核裂变时，会放射2至3个中子。
2 核聚变
两个或两个以上较轻的原子核聚合成一个较重的原子核并释放出能量的反应过程称为核聚变。
聚变前后的原子核有质量差异，并释出大量的能量。
实现核聚变的三种途径：重力约束聚变、磁约束聚变、惯性约束聚变
核聚变的特点：
1) 释放能量大，氘、氚聚变反应是同等质量铀-235裂变能量的4倍。
2) 聚变能电站氘燃料取之不尽、用之不竭。
海水中有取之不尽的氘（34mg/升）地球上总氘含量为40万亿吨，氚可用锂（Li-6）来生产。
3) 燃料价格低廉。
4) 不污染环境，运行安全可靠。
5) 不产生强放射物质。
与裂变相比，其放射性是微乎其微的，它还消化裂变的污染源，几乎没有废料；
6) 可直接转化成电能等。是人类最理想的能源。
第四节 核反应堆
核反应堆是用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来的反应装置。
1 裂变装置
核反应堆的分类
按用途不同：研究堆、生产堆、动力堆。
按中子能谱不同：热中子堆、中能中子堆、快中子堆。
按慢化剂不同：
l 轻水堆（轻水就是就是普通水H2O，氘的水化合物（D2O）称为重水）
² 压水堆：反应堆内水的温度低于对应压力下的沸点
² 沸水堆：反应堆内的水处于沸腾状态
l 重水堆
l 石墨堆
按冷却剂不同：水冷堆、气冷堆、液态金属冷却堆（如钠冷堆）、熔融盐。
按堆芯结构不同：非均匀堆、均匀堆。
按慢化剂和冷却剂的组合
l 石墨水冷堆：石墨作慢化剂，水为冷却剂。
l 石墨气冷堆：石墨作慢化剂，气为冷却剂。
核反应堆的组成
核反应堆一般由堆芯、控制棒、反射层、堆内支承结构、控制棒驱动结构、反应堆容器、冷却系统、慢化系统、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。
堆芯中的燃料：反应堆的燃料-裂变材料。
堆芯：堆芯又称活性区，是反应堆的核心，主要包括核燃料、慢化剂（快中子堆除外）、冷却剂、中子吸收体、包壳材料、反射层材料和屏蔽材料。
核燃料：可作核燃料的3种基本元素为：铀、钍、钚。
慢化剂：使裂变产生的快中子减为慢中子的材料。
慢化剂应具备两个条件：
l 它的原子核与中子撞击时容易使中子丧失能量，即中子较多被慢化下来；
l 它不吸收中子，不能使中子损失掉。
慢化剂通常用轻水、石墨、重水和铍。
快中子跟这些减速剂物质的原子核碰撞后能量减小，变为慢中子。
冷却剂：冷却剂材料是载热性能良好的流体，它流经堆芯，将堆内的热量载带出来，通过热交换器散热，使堆芯得到冷却，保持一定的工作温度。
（熔融钠、高压水、重水） 流经反应堆芯时会吸收堆芯释出的热量
控制棒：控制棒应采用强中子吸收材料，通常用含硼材料，如硼钢、碳化硼，铪和银铟镉合金等做成吸收棒。
反应堆容器：根据堆型的不同大致可分为：厚壁压力容器（压水堆和沸水堆）；薄壁压力容器。（压力管式重水堆）
反应堆的四道安全屏障：
l 燃料芯块-二氧化铀陶瓷块：能保持98%的裂变产物不逸出芯块。
l 燃料元件包壳：二氧化铀陶瓷芯块被装入锆合金或不锈钢制成的包壳管，叠成柱体，组成燃料棒。包壳管必须绝对密封，在长期运行的条件下不使放射性裂变产物逸出。
l 压力容器：整个堆芯放在由压力壳等组成的密闭容器内。
l 安全壳：整个反应堆及主循环泵等，放在由钢筋混凝土构筑的安全壳内，是阻止放射性物质向环境逸散的最后一道屏障。
2 聚变装置
l 磁约束聚变反应堆
l 惯性约束聚变反应堆
3 核能发电原理：能量的转化：核能®内能®机械能®电能
4反应堆的类型
自从核电站问世以来，在工业上成熟的发电堆主要有以下3种：轻水堆、重水堆和石墨汽冷堆。
（1）轻水堆又分为压水堆和沸水堆。
压水堆：以水为冷却剂及慢化剂，并加压不使水沸腾，极高温的水经热交换器把热量送出，以供制造蒸气，发往汽轮发电机发电。
压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。
采用低浓（铀-235浓度约为3%）的二氧化铀作燃料，高压水作慢化剂和冷却剂。是目前世界上最为成熟的堆型。
沸水堆：以水为冷却剂及慢化剂，让水在炉心沸腾，所生蒸气直接通往汽轮发电机。
沸水堆是由压力容器及其中间的燃料元件、十字形控制棒和汽水分离器等组成。
汽水分离器在堆芯的上部，它的作用是把蒸气和水滴分开，防止水进入汽轮机而造成汽轮机叶片损坏。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。
压水堆与沸水堆的区别：
l 冷却水保持的压力不同
压水堆有两个完全隔开的回路，是一个密闭的循环系统。压水堆的冷却剂保持在12-16MPa压力。在高压情况下，冷却剂的温度即使达300°C也不会汽化。冷却剂把核燃料放出的热能带出反应堆，并进入蒸汽发生器，通过数以千计的传热管把热量传给管外的二回路水，使水沸腾产生蒸汽。
沸水堆的冷却水保持在较低的压力（约为7Mpa）下，水通过堆芯变成约285°C的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。
l 蒸汽轮机维修的便利程度不同
压水堆因为一回路和蒸汽系统分开，汽轮机未受放射性的沾污，所以，容易维修。
沸水堆是堆内产生的蒸汽直接进入汽轮机，这样，汽轮机会受到放射性的沾污，所以在这方面的设计与维修都比压水堆要麻烦一些。
（2）重水堆：重水作慢化剂，重水（或沸腾轻水）作冷却剂，可用天然铀作燃料，目前达到商用水平的只有加拿大开发的坎杜堆，我国正建一座重水堆核电站。
重水堆按其结构型式可分为：压力壳式重水堆；压力管式重水堆
压力壳式的冷却剂只用重水，它的内部结构材料比压力管式少，但中子经济性好，生成新燃料钚-239的净产量较高。
压力管式重水堆主要包括：重水慢化、重水冷却反应堆；重水慢化、沸腾轻水冷却反应堆。
压力壳式和压力管式两种重水堆的结构大致相同。
重水堆的特点：重水慢化性能好，吸收中子少，能最有效地利用天然铀。重水堆对燃料的适应性强，能很容易地改用另一种核燃料。
重水堆的主要缺点：体积比轻水堆大。建造费用高，重水昂贵，发电成本也比较高。
（3）石墨气冷堆
以气体（二氧化碳或氦气）作为冷却剂，以石墨为慢化剂的反应堆，用天然铀燃料，最高运行温度为360°C产生的能量经热交换器送出。
石墨气冷堆经历了3个发展阶段，产生了3种堆型：天然铀石墨气冷堆；改进型气冷堆；高温气冷堆。
天然铀石墨气冷堆核电站：
天然铀石墨气冷堆是以天然铀作燃料，石墨作慢化剂，二氧化碳作冷却剂的反应堆。
改进型气冷堆核电站
是在天然铀石墨气冷堆的基础上发展起来的。设计的目的是改进蒸汽条件，提高气体冷却剂的最大允许温度。这种堆，石墨仍然为慢化剂，二氧化碳为冷却剂，核燃料用的是低浓度铀（铀-235的浓度为2-3%），出口温度可达670°C。这种堆被称为第二代气冷堆。
高温气冷堆：高温气冷堆是以石墨作为慢化剂，氦气作为冷却剂的反应堆，被称为第三代气冷堆。
高温气冷堆的简单工作过程：氦气冷却剂流过燃料体之间，变成了高温气体；高温气体通过蒸汽发生器产生蒸汽，蒸汽带动汽轮发电机发电。
5 核能新技术
快中子（增殖反应）堆：采用钚或高浓铀作燃料，一般用液态金属钠作冷却剂。不用慢化剂。根据冷却剂的不同分为钠冷快堆和气冷快堆。
三种快中子堆：钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆
三种热中子堆：超高温堆、超临界水冷堆、熔盐堆
第五节 核能利用与环境
1 核电站
核电站的几种商用堆型
堆 型 燃 料 慢化剂 冷却剂 优 点
压水堆 低浓铀 高压水 高压水 成 熟
重水堆 天然铀 重水 重水、轻水 天然铀
沸水堆 低浓铀 沸腾轻水 沸腾轻水 效率高
汽冷堆 低浓铀 石墨 氦气 生产堆
快 堆 钚、高浓铀 液钠、氦气 增 殖
高温气冷堆，美、日等少数国家掌握
核电站种类：核电站主要以反应堆的种类相区别
l 压水堆核电站
l 沸水堆核电站
l 重水堆核电站
l 石墨水冷堆核电站
l 石墨气冷堆核电站
l 高温气冷堆核电站
l 快中子增殖堆核电站
压水堆核电站：以压水堆为热源的核电站。
压水堆核电站的组成：核岛、常规岛
沸水堆核电站：以沸水堆为热源的核电站。
沸水堆是以沸腾轻水为慢化剂和冷却剂并在反应堆压力容器内直接产生饱和蒸汽的动力堆。
重水堆核电站：以重水堆为热源的核电站。
重水堆是以重水作慢化剂的反应堆，可以直接利用天然铀作为核燃料。重水堆可用轻水或重水作冷却剂，重水堆分压力容器式和压力管式两类。
重水堆核电站是发展较早的核电站，有各种类别，但已实现工业规模推广的只有加拿大发展起来的坎杜型压力管式重水堆核电站。
快堆核电站：以快中子堆为热源的核电站。
快堆在运行中既消耗裂变材料，又生产新裂变材料，而且所产可多于所耗，能实现核裂变材料的增殖。
快堆：钚-239为燃料、无慢化剂，钠或氦冷却剂。
钚-239裂变放出中子被铀-238捕获再生成钚-239：n → 238U → 239U → 239Np → 239Pu
中子增殖：1个快中子→ 239Pu吸收→2.45个快中子→余 1.45个快中子→238U→ 239Pu（再生）
核燃料增殖
结果：只“烧掉”铀-238，再生更多的钚-239，天然的238U全部可利用（包括热堆乏燃料）
热堆电站铀的利用率太低～1-2%（包括再生）
世界上已商业运行的核电站堆型：—压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆—?非增殖堆型
主要利用核裂变燃料，即使再利用转换出来的钚-239等易裂变材料，对铀资源的利用率也只有1%-2%。
快堆可将铀资源的利用率提高到60%-70%。原则上，在快堆中，铀-238都能转换成钚-239而得以使用，但实际存在损耗。
2 核动力装置
第六节 迅速发展的核电事业
1 核电发展简史
1954年6月27日，苏联在莫斯科附近的奥布宁斯克建成了世界上第一座核电站（RBMK石墨水冷堆），输出功率为5000千瓦。从此，人类开始了和平利用原子能的历史。
压力管式石墨水冷核电站
这种类型的核电站目前只在原苏联和东欧少数国家使用。
1964年苏联建成新沃罗涅日压水堆核电厂。
1951年12月美国实验增殖堆1号（EBR-1）首次利用核能发电。
美国西屋电气公司在潜艇动力堆的技术基础上，于1957年12月建成了6万千瓦希平港压水堆核电厂（世界上第一座压水堆核电厂）。
1955年7月，Arco成为美国第一个使用核发电厂供电的城市（美国重要的研究中心所在地）。
通用电气公司开发的民用沸水堆核电厂，第一个建在美国加利福尼亚湾洪保德湾，1960年7月建成德累斯顿（Dresden-I）。
英国1956年建成第一座产钚、发电两用的石墨气冷核电厂¾卡尔德霍尔核电厂。
加拿大于1962年建成（22MW）NPD天然铀重水堆核电厂。
截至2007年12月，世界上有32多个国家的439座核电站在运行，占世界总电力的20%左右。其中：
压水堆占60%、沸水堆占21%、重水堆占9%石墨堆等其它堆型占10%。
目前，国际核电技术已经发展到了第三代。
2 我国的核电发展
我国核电发展起步于20世纪80年代中期，现有3个核电基地，11台核电机组。
第八章 生物质能
1. 生物质?最古老的能源
2. 生物质能资源
3. 生物质能在能源系统中的地位
4. 生物质的利用
5. 生物质发电
6. “绿色燃油”作物
第一节 生物质——最古老的能源
1 生物质：一切有生命的可以生长的有机物质统称为生物质，主要包括薪柴、农林作物、农作物残渣、动物粪便和生活垃圾等。一切有生命的或失去生命的生物体都是生物质
2 生物质能：生物质能是以生物质为载体的能量，即蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。
3 光合作用与生物质
广义上讲，一切生物质都源自于绿色植物的光合作用。光合作用是绿色植物吸收日光能还原二氧化碳并释放氧气的过程，该过程的总反应式为
4 生物质资源分类
Ø 传统生物质：包括家庭使用的薪柴、木炭和稻草（也包括稻壳）、其他植物性废弃物和动物的粪便。
Ø 现代生物质能：由生物质转化成的现代能源载体，如气体燃料、液体燃料或电能，从而可大规模用来代替常规能源。现代生物质包括工业性的本质废弃物、甘蔗渣（工业性的）、城市废物、生物燃料（包括沼气和能源型作物）。
5 植物生物质所含能量的影响因素
品种；生长周期；繁殖与种植方法；收获方法；抗病抗灾性能；日照时间与强度；环境温度与湿度；雨量；土壤条件等。
6 生物质能的特点?优点
Ø 资源丰富、分布广泛、廉价易取
Ø 低污染：提供低硫燃料；
Ø 可再生：通过自然界的碳循环不断再生
Ø 是可再生能源中唯一可以贮存与运输的
生物质能的特点?不足
Ø 是能量密度较低的低品位能源：热值及热效率低
Ø 生物质重量轻，体积大，不易运输
Ø 由于风、雨、雪、火等外界因素，对它的保存带来不利条件。
Ø 小规模利用
7 生物质组成和结构
生物质的组成元素：生物质的元素组成通常仅指其有机质的元素组成。
一般认为植物生物质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，其中：
木材主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成，它们的含量约为：碳49.5%、氢6.5%、氧43%、氮1%；秸秆主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，它们的含量约为：碳40%?46%、氢5%?6%、氧43%?50%、氮0.6%?1.1%、硫0.1?0.2%。
生物质的组成物质：一般而言，木质纤维素一类的生物质主要有三种聚合体纤维素、半纤维素和木质素以及少量的灰分和提取物组成。
碳水化合物：碳水化合物分子是由碳和水构成的。纤维素和半纤维素是由碳水化合物构成的，木质素、淀粉和植物油则是由碳水化合物通过一系列生物化学反应合成的。
8 生物质利用方法
Ø 直接燃烧法
Ø 热化学转换法：将固体生物质转换成木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品。按热加工的方法不同分为：高温干馏、热解、生物质液化等方法。
Ø 生物化学转换法：主要指生物质在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能源产品。沼气是有机物质在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经各种微生物发酵及分解作用产生的一种混合可燃气体。
Ø 利用油料植物产生的生物油
Ø 把生物质压制成型状燃料：把粉碎烘干的生物质在一定温度和压力下压成密度较高的块型或棒型燃料，以便集中利用和提高热效率。
第二节 生物质能资源
1 森林能源；2 农作物桔秆；3 禽畜粪便；4 生活垃圾。
第三节 生物质能在能源系统中的地位
生物质是世界第四大能源，作为能源，在人类历史上曾起过巨大的作用，在现实生产生活中，特别是在农村地区，仍然占有重要的地位。
第四节 生物质的利用
1 生物质作为能源利用：生物质能的转换
生物质能转换方式
Ø 生物质气化：沼气发酵¾甲烷；热解气化¾燃气甲醇。
Ø 生物质液化：植物油料¾¾燃油；热解液化¾燃料油；生物发酵¾乙醇
Ø 生物质固化：固体燃料¾炭
生物质转化途径
2 生物质能利用技术
Ø 直接燃烧技术：户用炉灶燃烧技术；锅炉燃烧技术；压缩成型、炭化
Ø 热化学转换技术：气化技术；干馏技术；快速热解液化
Ø 生物转换技术：小型户用沼气池；大中型厌氧消化（有机废水厌氧消化；粪便厌氧消化）
Ø 液化技术：植物油技术；制取乙醇、甲醇。
Ø 有机垃圾处理技术：堆肥技术；填埋技术；焚烧技术
生物质能利用技术
(1) 生物质直接燃烧
(2) 生物质热解：热解是把生物质转化为有用燃料的热化学过程，即在完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下把生物质转化为液体（生物油或生物原材料如乙酸、丙酮、甲醇）、固体（焦炭）或非压缩气体的化学过程。
(3) 生物质气化：以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸汽或氢气作为气化剂，在高温下通过热化学反应将生物质的可燃部分转化为可燃气（主要为一氧化碳、氢气和甲烷以及富氢化合物的混合物，还含有少量的二氧化碳和氮气）。
(4) 生物质液化：生物质液化是以生物质为原料制取液体燃料的生产过程。
生物质液化是通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程，主要有间接液化和直接液化两类。
间接液化、直接液化
(5) 生物质固化技术
3 生物氢能
生物质暗发酵与光发酵制氢系统
第五节 生物质发电
生物质发电：生物质气化发电；沼气燃烧发电；垃圾发电；生物质气化发电。
生物质气化发电是利用生物质废弃物包括木料、秸秆、谷壳、稻草、甘蔗等固体废弃物转化为可燃气体，并把这些气体经过除焦净化处理后再送到气体内燃机进行发电，达到以气代油、降低发电成本的目的。
第九章 地热能
1. 地热能简介
2. 地热流体的性质
3. 地热开采技术
4. 地热能的利用
5. 我国地热能发展预测
第一节 地热能简介
地热能：地热能是来自地球深处的可再生热能，它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。
来源于地球深处的高温熔融体；源于放射性元素（U-238、U-235、Tu-232、K-40）的衰变。
地热资源种类：地热资源有两种：地下蒸汽或低热水（温泉）、地下干热岩体的热能。
地热资源按温度分类：低温（less than 90°C）；中温（90°C – 150°C）；高温（more than 150°C）
地热能按其属性可分为4种类型：
水热型；地压地热能；干热岩地热能；岩浆热能。
第二节 地热流体的性质
地热流体不管是蒸汽还是热水一般都含有CO2、H2S等不凝结气体，其中CO2占90%。
地热流体中还含有数量不等的NaCl、KCl、CaCl2、H2SiO3等物质。地区不同，含盐量差别很大，以重量计地热水的含盐量在0.1%到40%之间。
在地热利用中通常按地热流体的性质将其分为以下几大类：
PH值较大，而不凝结气体含量不太大的干蒸汽或湿度很小的蒸汽；
不凝结气体含量大的湿蒸汽；
pH值较大，以热水为主要成分的两相流体；
pH值较小，以热水为主要成分的两相流体。
第三节 地热开采技术
地热开采方法
用自流井的方法开采（即凭借环境压差力将热流从深井压至地面）
用水泵抽到地面
第四节 地热能的利用
1 地热的直接利用技术
地热采暖；地热浴疗、洗浴、游泳；地热热泵；地热水在工农业方面的应用；地热温室
2 地热发电
闪蒸蒸气发电站；干蒸气发电站；双循环发电站
第五节 我国地热能发展预测
第十章 燃料电池Fuel Cell
1. 燃料电池与原电池及蓄电池的特征
2. 燃料电池的特性
3. 燃料电池的类型
4. 燃料电池的发展
5. 碱性燃料电池
6. 磷酸燃料电池
7. 熔融碳酸盐燃料电池
8. 固体氧化物燃料电池
9. 质子交换膜燃料电池
10. 其他类型燃料电池
11. 燃料电池应用
12. 移动式燃料电池的氢源
第一节 燃料电池与原电池及蓄电池的特征
1 电池
l 原电池（一次电池）：锌/锰、锌/汞、锌/银电池等
l 蓄电池（二次电池）：铅酸、镍/铜、镍/铁、镍/氢、锂（离子和高分子）电池等
l 燃料电池（连续电池）
燃料电池与其他电池的异同：
相似之处：都是通过化学反应将化学能转变为电能
不同之处：燃料电池是能量转换装置，而电池是能量储存装置。原电池是电化学能量生产装置，可一次性将化学能转变成电能；充电电池是电化学能量的储存装置，可将化学反应能与电能可逆转换；燃料电池是电化学能量发生器，是以化学反应发电。
原电池、蓄电池及燃料电池各有其独特的性能。
2 燃料电池：燃料电池是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。
以气态的燃料如氧气与氢气，将化学能转变成电能。
燃料电池发电效率高达75%，比传统火力发电更节省燃料（火力发电效率约35%）。
氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原，最后生成水，不会造成环境污染。
燃料电池的组成：
燃料电池的关键部件与其它种类的电池相同，也包括阴极、阳极和电解质等。
阳极为氢电极，阴极为氧电极。
阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。
两极之间是离子导电而非电子导电的电解质。
电解质：
l 液态电解质（碱性电解液，酸性电解液）（在液态电解质中应用0.2~0.5mm厚的微孔膜。）
l 固态电解质（离子交换膜，氧化锆隔膜）（固体电解质为无孔膜，薄膜厚度约为20mm。）
碱型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型、质子交换膜型
燃料：
l 气态：（如氢气、一氧化碳、二氧化碳和烃类）
l 液态：（如液氢、甲醇、肼、高价烃类和液态金属）
l 固态：（如碳）
燃料按电化学活性由强到弱的排列次序为：肼>氢>醇>一氧化碳>烃>煤
燃料电池工作原理：
阳极反应：2H2+4OH- → 4H2O+4e-
阴极反应：4e-+O2+2H2O → 4OH-
总反应：2H2+O2 → 2H2O
第二节 燃料电池的特性
1. 能量转换效率高
2. 污染小、噪声低
3. 模块结构，方便耐用
4. 响应性好，供电可靠
5. 适用能力强
第三节 燃料电池的类型
根据电解质的性质将燃料电池划分为：
l 碱性燃料电池（AFC）
l 磷酸燃料电池（PAFC）
l 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
l 固态氧化物燃料电池（SOFC）
l 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
u 也称为高分子电解质膜燃料电池（PEMFC）
l 直接甲醇燃料电池（DMFC）
按工作温度不同，可将燃料电池划分为：
Ø 低温型（60-120°C）；
碱性燃料电池（AFC）
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
Ø 中温型（160-220°C）；
磷酸燃料电池（PAFC）
直接甲醇燃料电池（DMFC）
Ø 高温型（600-1000°C）
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
固态氧化物燃料电池（SOFC）
Fuel Cell Operation
燃料电池 导电离子 操作温度 功率
碱性燃料电池 (AFC) OH- 50~200°C 1~100kW
质子交换膜燃料电池(PEMFC) H+ 室温~100°C 1~300kW
磷酸盐燃料电池 (PAFC) H+ ~220°C 1~2000kW
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) CO32- ~650°C 0.25~20MW
固体氧化物燃料电池(SOFC) O2- 800~1000°C 0.01~20MW
燃料电池的类型、应用及性能
项目
低温燃料电池
（60~120°C）
中温燃料电池
（160~220°C）
高温燃料电池
（600~1000°C）
类型
AFC
（碱性燃料电池）
PEMFC
（质子交换膜燃料电池）
PAFC
（磷酸燃料电池）
MCFC
（熔融碳酸盐燃料电池）
SOFC
（固态氧化物燃料电池）
应用
太空飞行、国防
汽车、潜水艇、移动电话、笔记本电脑、家庭加热器、热电联产电厂
热电联产电厂
联合循环热电厂、铁路用车
电厂、家庭电源传送
开发状态
在太空飞行中的应用
家庭电源试验项目、小汽车、公共汽车、试验的热电联产电厂
具有200kW功率的电池在工业中的应用（大约160个电厂）
容量为280kW~2MW的试验电厂
100kW的试验电厂
特性
无污染排放；电效率高；少维护；制造费用非常高；不适合于工业应用
污染排放极低；噪声水平低；固体电解质适合于大规模生产；与常规技术相比很昂贵
污染排放低；噪声水平低；费用是热电联产电厂的3倍；连续运行的电效率会降低
有效利用能源；噪声水平低；没有外部气体配置；电解液腐蚀性强
有效利用能源；噪声水平低；没有外部气体配置；电解液腐蚀性强；材料要求苛刻
电解质
氢氧化钾溶液
质子可渗透膜
磷酸
锂和碳酸钾
固体陶瓷体
燃料
纯氢
氢，甲醇、天然气
天然气、氢
天然气、煤气、沼气
天然气、煤气、沼气
氧化剂
纯氧
大气中的氧气
大气中的氧气
大气中的氧气
大气中的氧气
系统效率
60%~90%
43%~58%
37%~42%
>50%
50%~65%
第四节 燃料电池的发展
第五节 碱性燃料电池
碱性燃料电池（AFC）：采用氢氧化钾或氢氧化钠溶液为电解质，导电离子为OH-。主要应用于太空飞行中，如航天飞机动力源。
阳极上氢的氧化反应：H2+2OH-→2H2O+2e-
阴极上氧的还原反应：2e-+ ½O2+H2O →2OH-
电池反应：H2+ ½O2 → H2O+电能+热量
在碱性介质中，因吸收CO2生成碳酸盐：CO2+2OH- → CO3+H2O
生成的碳酸盐会堵塞电解质通路好多孔电极的孔隙，这是使AFC长期运行稳定性降低的主要原因。
因此反应气体在进入AFC之前必须进行预处理，以使其CO2质量浓度降至mg/m3级。
AFC的关键部件
电极：电极作为电化学反应进行的场所，对反应起到高效催化的作用，是体系的灵魂。
阳极和阴极的类型及制作方式与所选择的催化剂相关。催化剂的效能决定了整个体系的性能。
AFC的催化剂：贵金属（铂、铑、金、银）及其合金；非贵金属（钴、镍、锰）。
隔膜：隔膜允许电解质通过，用以传递电子，并且约束阴阳极物质，避免接触而发生内部放电。
常规的隔膜主要由石棉构成，主要成分为氧化镁和氧化硅的水合物（3MgO×2SiO2×2H2O），是电的绝缘体。
隔膜长期在强碱性（如KOH）水溶液中，其酸性组分（SiO2）会与碱反应生成微溶物（K2SiO3），影响膜的通透性，而且会最终导致隔膜解体。
电解质：碱性燃料电池的电解质通常是氢氧化钾水溶液。
氢氧化钾浓度：35%~85%。氢氧化钾较氢氧化钠的使用寿命长，不易形成溶解度小的杂质，而且溶液蒸气压低，在高温下可以使用，在高温和高浓度下可以获得高电流密度。电解质溶液也需要纯化，以避免杂质造成催化剂中毒。
支持系统：由于使用碱性电解质，酸性气体会造成严重的影响。
燃料气中通常会含有CO2，在导入电极进行反应前必须予以清除。
采用多级吸收的方法，以不同的吸收剂分多次将CO2除去。常用的吸收剂有碱石灰、乙醇胺等。
乙醇胺类化合物与CO2的反应为：2RNH2＋CO2 ® RNHCONHR＋H2O
碱性燃料电池的优点：
l 首先用于太空计划
l 使用KOH为电解质
l 使用非贵重金属为电极触媒种类多价格又便宜，例如银、镍等
l 操作时所需温度100°C~250°C
l 化学反应快且转换效率好
l 电解质必须是液态
碱性燃料电池的缺点：
l 燃料必须是高纯度的氢
l 碱性燃料电池的电解质，易与空气中的二氧化碳结合形成氢氧化钾，影响电解质的质量，导致发电性能衰退
第六节 磷酸燃料电池
磷酸燃料电池（PAFC）：是以磷酸为电解质的燃料电池。导电离子为H+?。
阳极通以富氢并含有CO2的重整气体，阴极通以空气，工作温度在200°C左右。
燃料气体必须纯化，以避免铂催化剂被一氧化碳毒化。
磷酸燃料电池发生的化学反应：
阳极反应：H2 ® 2H+ + 2e-
阴极反应：½O2 + H+ + 2e- ® H2O
电池反应：H2 + ½O2 ® H2O
磷酸燃料电池的主要特征：高效、紧凑、无污染。由于磷酸易得，反应温和，磷酸燃料电池是目前最成熟和商业化程度最高的燃料电池。
磷酸燃料电池的关键部件：
磷酸燃料电池的主要构件有：电极、电解质基质、双极板、冷却板、管路系统等。
基质材料的作用：作为电池结构在主体承载磷酸；防止反应气体进入相对的电极中。
电极：电极由载体和催化剂层组成。
催化剂：阴阳极均使用铂作为电化学反应催化剂
载体：最初使用钽网，价格昂贵，现在普遍使用碳
隔膜：最初，研究人员沿用碱性燃料电池中的石棉隔膜。
石棉的主要成分为氧化镁和氧化硅的水合物（3MgO×2SiO2×2H2O），其中的碱性氧化物会慢馒地与磷酸反应，影响电池性能，甚至最终导致隔膜解体。
电解质：磷酸燃料电池的电解质是浓磷酸溶液。磷酸是无色、黏稠、有吸水性的液体。磷酸在水溶液中易离解出电池工作的导电离子（氢离子）。磷酸在常温下的导电性小，在高温下有良好的离子导电性，所以要求工作温度在200°C左右。
电池堆一旦启动就必须保持温度，包括在无负载时。磷酸燃料电池即使不工作，体系也要维持在45°C以上，因此必须对其装备适当的加热设备。
冷却系统：磷酸燃料电池由多节单电池按压滤机方式组装，以构成电池组。磷酸电池的工作温度一般在200°C左右，能量转化效率约在40%。
为保证电池组的工作稳定，必须连续地排出电池所产生的废热。
水冷是最常用的冷却方法，尤其对于大型电厂。水冷（沸水冷却；加压水冷却）
燃料气：磷酸燃料电池对CO2有较好的承受力，没有CO2中毒的问题。
CO和H2S等杂质气体对电极活性的抑制作用较大。CO含量不能超过1%，H2S浓度限于0.002%，否则会毒化铂催化剂，使电池性能恶化。
磷酸型燃料电池的优点：
l 磷酸燃料电池构造简单，大都运用在大型发电机组上，而且已商业化生产。
l 电池稳定
l 电解质为100%浓度的磷酸，挥发度低。
磷酸型燃料电池的缺点：
Ø 白金价格昂贵
Ø 电极容易受CO毒化
Ø 成本居高不下
磷酸盐燃料电池的特征：排气清洁；发电效率高；低噪音，低振动。
第七节 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） - 第二代燃料电池
与低温燃料电池相比，MCFC的成本和效率很有竞争力。采用熔融态的碳酸锂及碳酸钾或碳酸钠为电解质，导电离子为CO32-。操作温度为650°C。以镍基合金和氧化镍作催化剂，成本较低。除了氢气外，也可使用天然气及煤气等碳氢化合物为燃料。
熔融碳酸盐燃料电池的优点：
1) 在工作温度下，MCFC可以进行内部重整。燃料的重整反应，可以在阳极反应室进行，重整反应所需热量由电池反应的余热提供。这既降低了系统成本，又提高了效率。
2) MCFC的工作温度为600~650°C，能够产生有价值的高温余热，可用来压缩反应气体，以提高电池性能，也可用于供暖或锅炉循环。
3) 几乎所有燃料重整都产生CO，它可使低温燃料电池电极催化剂中毒，但却可成为MCFC的燃料。
4) 电催化剂以镍为主，不使用贵金属。
熔融碳酸盐燃料电池的缺点：
1) 高温工作时电解质腐蚀性高，密封技术苛刻，阴极需不断供应CO2。
2) 操作温度高导致电极容易腐蚀而减低使用寿命
熔融碳酸盐燃料电池的电化学反应：
阴极反应：½O2 + CO2 + 2e- ® CO32-
阳极反应：H2 + CO32- ® H2O + CO2 + 2e-
电池反应：H2 + ½O2 ® H2O
熔融碳酸盐燃料电池的导电离子为CO32-，总反应是氢和氧化合生成水。
熔融碳酸盐燃料电池与其他类型燃料电池的区别：
在阴极CO2为反应物，在阳极CO2为产物，即CO2从阴极向阳极转移，从而在电池工作中构成了一个循环。
为确保电池稳定连续地工作，必须将在阳极产生的CO2返回到阴极。
通常采用的办法是将阳极室排出的尾气经燃烧消除其中的H2和CO后进行分离除水，然后再将CO2送回到阴极。
第八节 固体氧化物燃料电池
固态氧化物燃料电池（SOFC）- 第三代燃料电池
SOFC采用固体氧化物作电解质，在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起着传导O2-和分隔氧化剂与燃料的作用。
构成SOFC的关键部件为阴极、阳极、固体氧化物电解质隔膜（如氧化钇稳定的氧化锆-YSZ）和双极板及联接材料等。
固体氧化物燃料电池的关键部件是阳极、阴极、隔膜及联结材料。
固态氧化物燃料电池的优点：
1) 电解质为氧化锆，含有少量的氧化钙与氧化钇。
2) 电池之操作温度约为1000°C，稳定度较高，不需要触媒重组器。
3) 燃料废热可回收再利用
4) 使用于中规模发电机组。
5) 可忍受较多的硫化物
6) 不受CO影响
7) 价格较低
固态氧化物燃料电池的缺点：
1) 操作温度高导致电池启动慢，需要更多的保温设备以维持电池高温
2) 不适用于交通工具与随身携带
第九节 质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池（PEMFC）
质子交换膜燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双板极。
质子交换膜燃料电池的电化学反应：
阳极反应：H2 ® 2H+ + 2e-
阴极反应：½O2 + 2H+ + 2e- ® H2O
电池反应：H2 + ½O2 ® H2O
生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。
质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为电催化剂、电极、质子交换膜及双极集流板。
质子交换膜燃料电池的电催化剂采用以铂为主体的催化组分。到目前为止，铂是H2氧化和O2还原的最好催化剂。
影响质子交换膜燃料电池的因素：主要有温度、压力、杂质（如CO）等。
质子交换膜燃料电池的优点：
1) 高电力密度、低重量、低体积
2) 电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（大部分为白金）
3) 唯一液体是水，腐蚀问题小
4) 操作温度低介于80至100°C之间，安全上的顾虑较低
5) 适用于交通工具、建筑物与小型小区
质子交换膜燃料电池的缺点：
1) 催化剂白金价格昂贵，减少使用量，操作温度会提升
2) 白金容易与一氧化碳反应而发生中毒现象，因此比较不适合用在大型发电厂
思考题
第一章 能源简介
1. 什么是能量？能量有哪些形式？
2. 能源有哪些形式？能源有哪些分类方法？
3. 解释名词：一次能源，二次能源，可再生能源，不可再生能源，含能体能源，过程性能源，常规能源，新能源，分布式能源
4. 有关能源的国际组织有哪些？
5. 能源计量单位有哪几种表示方法？
6. 温度表示方法有哪几种？不同表示方法之间的相互转换关系
7. 人类对于能源的开发利用大致经历了哪几个历史时期？
8. 人类开发利用能源史上世界能源结构发生了哪几次转变？
9. 如何理解能源是人类社会发展进步的物质基础？
10. 指出世界煤炭、石油、天然气资源储藏最丰富的国家或地区？
11. 最近几年世界能源消费结构中煤炭、石油、天然气所占比例如何？
12. 什么是能源强度？
13. 近几年中国的一次能源生产总量和消费总量在世界能源生产和消费中所处的位置？各种能源的生产和消费情况如何？
14. 与世界其它国家相比，中国的能源资源总量、人均能源资源、人均能源消费量、单位产值能耗、能源利用效率情况如何？
15. 在能量转化和利用过程中有哪些规律可以遵循？
16. 对于不同形式的能量，其储存方式（技术）有哪些?
17. 能源与材料的关系？
18. 能源的生产与使用对环境有哪些影响？
19. 能源发展趋势如何？
第二章 煤炭
1. 什么是煤？
2. 煤炭能源中的主要化学问题是什么？
3. 煤的形成过程
4. 根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为哪两大类？腐殖煤可分为哪几类？四类腐殖煤的含碳量有何特点？
5. 煤矿开采方法有哪两种？
6. 煤的组成元素主要有哪几种？
7. 煤的转化利用途径有哪几种？
8. 煤燃烧涉及的化学反应有哪些?
9. 洁净煤技术包括哪些技术？
10. 煤炭燃烧前的处理和净化技术有哪些？
11. 高硫煤成型时可在煤中加入适量的生石灰，可有效地去除煤中含硫成分，减少二氧化硫排放，其化学反应主要有哪些？
12. 煤炭液化有哪几种方法？
13. 煤的加氢液化？
14. 费-托合成反应？
15. 什么是一碳化学？
16. 煤炭气化有哪些主要化学反应？
17. 煤炭气化技术有哪些？
第三章 石油
1. 什么是石油
2. 石油的重要性表现在哪些方面
3. 初次运移、二次运移
4. 储油构造由哪几部分组成
5. 油气田的六大要素
6. 什么是储油层、盖层、圈闭
7. 石油勘探方法有哪些
8. 石油地球物理勘探法有哪些
9. 石油钻井有哪些方式
10. 采油技术分为哪几个阶段
11. 提高石油采收率可采取哪些方法
12. 石油的主要元素和化合物组成；
13. 石油的溶解性特点；
14. 石油的密度；
15. 影响石油粘度的因素；
16. 石油的荧光性；
17. 石油的旋光性；
18. 生物标志化合物；
19. 石油的分类；
20. 海相石油和陆相石油的基本区别。
21. 石油炼制大致有哪些过程
22. 石油的蒸馏
23. 石油的馏分有哪些
24. 重油裂化的常用方式有哪些
25. 什么是石油化工
26. 石油产品主要包括哪些
27. 汽油的质量标准中最重要的是哪三个性能
28. 汽油的辛烷值是如何规定的
29. 汽油改性的基本方法有哪些
30. 汽油质量升级一般要经过的三个阶段
31. 喷气式飞机对喷气燃料的要求
32. 柴油十六烷值
33. 我国石油发展战略的目标
34. 中国石油工业的发展可分为哪几个阶段
35. 近两年中国石油对外依存度接近什么程度
第四章 天然气
1. 什么是天然气？
2. 天然气的元素组成、天然气的化合物组成；气藏气中常见的烃类和非烃气。
3. 天然气的产状类型；聚集型天然气包含哪几种、分散型天然气包含哪几种
4. 凝析气的形成条件
5. 固态气水合物的形成条件
6. 温度压力对天然气粘度的影响
7. 温度、烃分子量对天然气蒸汽压力的影响
8. 天然气的溶解性特点
9. 天然气的运输方式有哪几种？CNG表示什么？LNG表示什么？LNG有什么特点？
10. 世界上最早的天然气田在什么地方？
11. 天然气作为化工原料主要可用于生产什么？
12. 什么是煤层气？
13. 天然气有哪些方面的用途？
14. 我国天然气市场的七大“动脉”
15. 中国进口的第一船液化天然气是在什么时间？
16. 什么是天然气水合物，它还有哪些名称？
17. 1立方米天然气水合物可释放出多少立方米甲烷气体？
18. 天然气水合物的存在及生成环境
19. 天然气水合物的颜色和密度
20. 天然气水合物结构类型有哪几种，呈什么样的晶体结构？
21. 2007年我国在什么地方成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”，是第几个成功钻获“可燃冰”的国家？
22. 天然气水合物的形成条件？
23. 天然气水合物勘探方法
24. 天然气水合物的开采方法
第五章 太阳能
1. 太阳能是怎样产生的
2. 太阳能利用涉及哪些共性的技术问题
3. 太阳能可通过哪些途径得以利用
4. 太阳能的热利用主要有哪些方面
5. 按采光方式，太阳能集热器可分为哪两种集热器
6. 非聚光型集热器有哪两种类型
7. 太阳能热水系统主要由哪些部分组成
8. 太阳能热水系统按形成水循环的动力不同可分为哪两种类型
9. 什么是太阳能热发电？太阳能热发电站的组成？
10. 太阳能热发电有哪些形式
11. 太阳房利用太阳能采暖有哪几种方式
12. 什么元件实现了太阳能光电转换
13. 太阳能光电转换（光伏发电）原理
14. 采用什么方法可将半导体硅制作成P型半导体或N型半导体
15. 太阳能电池有哪几类
16. 硅太阳能电池有哪几种
17. 单晶硅片的生产过程
18. 单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池相比有哪些差异
19. 各种太阳能电池的光电转换效率如何
20. 太阳能发电有哪些方式
21. 光化学反应将太阳能转换为化学能可通过哪几种方式
22. 什么是光合作用?光合作用包括哪两个反应过程
23. 光反应过程中的能量形式转化如何
第六章 氢能
1. 氢的同位素有哪几种？其原子结构有什么差别？
2. 氢的熔点、沸点是多高温度？
3. 画出氢的相图，氢处于三相点和临界点时的温度和压力分别是多少？
4. 比较氢气、甲烷、甲醇和汽油的热值大小。
5. 氢气在空气中的可燃极限和爆炸极限分别是多少？
6. 实验室中制氢是如何进行的？有哪些方法？
7. 水煤气法制氢涉及哪些化学反应？
8. 甲烷蒸汽重整涉及哪些化学反应？
9. 电解水的基本原理？电解氢氧化钾水溶液的电极反应？电解水通过什么装置进行工作，有哪几类？
10. 目前世界氢气生产以哪些方法为主？
11. 储氢有哪些方法？
12. 物理储氢有哪些方法？化学储氢有哪些方法？
13. 储氢材料有哪些要求？
14. 固体储氢材料有哪些？
15. 物理吸附储氢材料有哪些？
16. 氢的分配和运输有哪些方法？
17. 氢有哪些应用？
18. 目前液氢的主要应用范围？
19. 镍氢电池的正极、负极材料是什么？电解液是什么？
20. 镍氢电池的电池反应？
第七章 核能
1. 原子的结构是怎样的？什么是核子？核素的化学符号？
2. 核子结合为原子核靠的是什么力？这是一种什么样的力？作用范围有多大？有什么特点？
3. 什么是同位素？氢、氧、碳、铀的同位素有哪些？
4. 什么是原子核的结合能？爱因斯坦相对论中的质量和能量之间有什么样的关系？
5. 什么是放射性？什么是放射性衰变？放射性衰变过程中遵守哪些守恒？放射性衰变有哪些类型？各种衰变有什么特点？
6. 放射性衰变遵循什么规律？放射性衰变的半衰期？
7. 核能的获得有哪两种途径？
8. 中子按能量可分为哪几类？
9. 什么是裂变反应？大规模利用重核裂变释放出的能量，必须满足哪些条件？重核裂变有哪些方式？
10. 什么是核裂变燃料？核裂变燃料有哪些物质？
11. 什么是链式裂变反应？链式裂变反应的条件是什么？
12. 什么叫核聚变？核聚变燃料主要有哪些元素？
13. 与裂变反应相比，核聚变有哪些优点？
14. 有哪几种途径可实现核聚变？
15. 什么是核反应堆？核反应堆的基本要素？
16. 核反应堆有哪些分类方法？每种分类方法可分为哪几种反应堆？
17. 核反应堆是由哪些部分组成的？
18. 反应堆的核心称为什么？包括哪些组成部分？
19. 反应堆中常用的慢化剂有哪些物质？
20. 反应堆有哪几道安全屏障？
21. 核聚变反应堆有哪几种类型
22. 核能发电的能量转变形式是怎样的？
23. 轻水堆中的压水堆和沸水堆有什么区别？
24. 常见反应堆所用慢化剂和冷却剂？
25. 快中子堆有哪几种？
26. 压水堆核电站由哪几部分组成？
27. 快中子堆与热中子堆（压水堆、沸水堆、重水堆、石墨气冷堆）的区别，哪一种堆对铀资源利用率高？
28. 核反应发电与原子弹爆炸的区别？
29. 核电站问世以来发生过哪两次对公众产生明显影响的核事故？
30. 世界上第一座核电站建于什么时间？哪一个国家？什么堆型？输出功率？
31. 世界上第一座压水堆核（沸水堆、重水堆）电站建于什么时间？哪一个国家？
32. 国际核电技术已经发展到了第几代？
33. 我国现有哪几个核电基地的核电机组在运行发电？我国第一座自行设计、建造和运营管理的核电站？
第八章 生物质能
1. 什么是生物质？什么是生物质能？
2. 生物质的组成元素有哪些？
3. 生物质利用有哪些方法？
4. 生物质能利用技术有哪些？
5. 生物质气化技术有哪些？
6. 沼气的主要成分？
7. 生物质液化的主要产品？
第九章 地热能
1. 什么是地热能？其来源？
2. 地热发电有哪几种技术？原理？
第十章 燃料电池
1. 什么是燃料电池？燃料电池的组成？
2. 燃料电池的电解质可分为哪些类型？
3. 燃料电池的特性？
4. 各种燃料电池的燃料、导电粒子
5. 碱性燃料电池的电极反应和电池反应？
6. 各种燃料电池对燃料气体纯度的要求？