首师大小学科学五下《18.常规能源》PPT课件【加微信公众号 jiaoxuewuyou 九折优惠qq 1119139686】.ppt

第二章 常规能源,煤、油、气：一次能源三大支柱,国家发改委副主任、国家能源局局长张国宝在2009年9月25日上午在国新办发布会上表示，新中国成立60年以来，中国一次能源生产总量从1949年的2334万吨标准煤，增长到2008年的26亿吨标准煤，增长110倍，成为世界上第一大能源生产国。,2009年数据,中国能源构成（占能源生产总量的比重，%）,火电厂,煤气,国内传统能源的极限供应量,2020年，国内常规能源生产将达到上限，但2020年不是能源消费的顶峰，以后仍然要持续增加，提高能效和探索新的消费模式将是长期战略任务。,酸雨的危害,臭氧层破坏对健康的危害,0.8,Global Warming and CO2 Atmospheric Concentration,加拿大冰山区域不断缩小,由于温室效应造成海平面上升，大洋洲岛国图瓦卢的居民将被迫举国搬迁。,气温上升、冰川熔化、海平面上升。,有必要深入了解常规能源基本知识！,人类一直生活在空气清新，风景如画的美好世界里。可是工业革命以后，人类突然发现，在我们生活的世界里，天不再是那么湛蓝，水不再绿，鸟儿也不再欢叫。,造成这种现象的原因是什么？,1 煤世界工业革命的动力基础,煤炭的利用历史公元前几世纪，中国已开始利用煤炭；4世纪，罗马人在英国使用煤炭；1665年德国J.J.Becher将煤干馏取出焦油得到沥青、香精、盐；1769年，瓦特发明了以煤为动力的蒸汽机；18世纪，用煤制造苯、苯胺、酚、染料等化工产品。,一、煤的有关知识,煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下，在适宜的地质环境中经过漫长年代的演变而成的，含碳量一般为46%97%。煤是化石燃料，是太阳能的一种积蓄物。,1、煤的形成,被泥沙掩埋的植物，长期受压力、地心热力和细菌的作用，所含的氧气、氮气及其他挥发物等都慢慢跑掉，剩余的大部分是“炭”，这就是最先形成的泥炭。在压力和温度的继续作用下，泥炭中碳质增高，逐渐变为褐煤、烟煤和无烟煤。煤变质程度越高，光泽越强，密度和硬度也越高，依次为无烟煤、烟煤和褐煤。,2.煤的主要性质,煤的组成:煤是由有机物质和无机物质混合组成的。煤中有机物质主要由碳、氢、氧、氮四种元素构成，还有一些元素则组成煤中的无机物质，主要有硫、磷以及稀有元素等。常用的煤质指标 水分挥发分固定碳灰分发热量,二、煤的资源和开采使用,1、我国能源资源 水能、煤炭资源较丰富，油、气贫乏。我国的水能资源总量和经济可开发量均居世界第一，煤炭远景储量和可开采储量均居世界第二。石油和天然气资源比较贫乏，分列世界第10位和第22位。总体上我国今后的电源结构仍将以煤电和水电为主，并适度发展核电。发展特高压电网有利于大煤电基地、大水电基地和大型核电站群的开发及电力外送。,我国能源资源的地区分布:,2、我国的煤炭资源,在我国，煤炭资源主要分布在山西、陕西、内蒙古、黑龙江等几个省区，著名的大型煤矿有大同煤矿、东胜煤矿、神府煤矿等。中国煤炭资源总量虽然较多，但探明程度低，人均占有储量较少。中国煤炭资源和现有生产力呈逆向分布，造成了“北煤南运”和“西煤东调”的被动局面。,3、煤的开采,中国是世界最早认识、开采和利用煤炭的国家。西方有关煤炭的最早文字记载始于公元315年，比中国晚了几百年。世界近代煤炭工业的兴起是从18世纪60年代的英国工业革命开始的。19世纪80年代三相感应电动机的发明，促进了煤矿生产的机械化。现代煤炭工业始于20世纪20年代。1973年第一次石油危机以后，煤炭利用和生产迅速发展，新技术革命的成果迅速渗透到煤炭领域。,开物天工 中的采煤图,采煤方法,露天开采：露天开采的优点是开采效率高，生产成本低，建设周期短，劳动条件好，安全性高。缺点是易受气候和季节影响，矸石占地面积大。矿井开采：不适合露天开采的煤田就采用矿井开采。凿井：巷道掘井，岩巷仍以爆破为主。矿井地面建设与施工普遍实行机械化和装配化。在矿井设计上使用数学模型和电子计算机。西方各国研制出采煤机程序控制装置。,煤的燃烧,煤的燃烧是煤中可燃有机物分子与空气中的氧分子相接触，在一定的温度和氧浓度的条件下，发生激烈的氧化反应，伴随着放出一定的热量的一种现象。通常煤粉燃烧特性的研究主要集中在四个方面:热解特性、着火特性、燃尽特性及结渣特性。近年来，从煤显微组分角度出发，寻找煤燃烧特性的普遍规律，也成为一个重要的研究内容。,煤的热解,煤的热解是指煤在加热过程中释放气体(挥发分)的过程。当煤被加热到一定的温度时，就会发生热分解和挥发分的析出，热分解一般指煤中有机质在隔绝空气的情况下加热时所发生的变化。热解研究应包括两个方面:气态物质的生成过程，固态物质的孔隙结构及形态变化。,煤粉的着火、燃尽特性,煤的着火及燃尽特性是燃烧安全经济的基础，经常用可见火焰来鉴别着火。但也能在低温下很慢地进行，没有可见火焰。有时着火被说成是:当一个可燃物容积中热产生速率超过热损失速率时，则着火便发生。从无化学反应向稳定的强烈放热反应的过渡过程即为着火过程;相反，从强烈的放热反应向无反应状况的过渡即可定义为熄火过程。近年来提出一些参数，积极地开展能反映着火、燃尽状况的研究，如着火温度、着火指数、燃尽指数等。,煤的结渣特性研究,近年来，国内外发展并得到广泛应用的结渣判别指标大致可分为煤的灰熔点、灰成分及灰粘度三种类型的煤质指标。其中以煤的碱酸比、硅铝比、硅比和软化温度四项指标较适合于我国煤种。,煤岩学,把煤看作主要由微成分组成的岩石进行研究的学科称为煤岩学。按照煤岩学理论:煤是由各种在光学显微镜下可辨别的微细颗粒显微组分构成。这些显微组分从化学性质上可分为两大部分:有机显微组分和无机显微组分。前者来源于成煤植物，后者则主要来源于地壳的岩石。,三、洁净煤技术,洁净煤技术（clean coal technology）是旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。它包括煤炭使用环节的净化和防治污染的技术。主要为洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术、燃煤污染排放治理技术等。,火 电 厂,1、燃烧前的处理和净化技术,燃烧前的处理主要是选煤、型煤和水煤浆三项措施。（1）洗选处理：选煤的目的是降低原煤中的灰分、硫分等杂质的含量，并将原煤加工成质量均匀、能适应用户需要的不同品种及规格的商品煤。,采用的脱硫方法,热解法脱硫碱法脱硫 气体脱硫 氧化脱硫 就选煤能力而言，中国仅次于美国，居世界第2位，但总的来说煤炭入洗率很低，仅有1/4煤炭入洗。,脱硫流程图,脱硫流程图,（2）型煤加工,型煤是用机械方法将粉煤或低品位煤加工成具有一定粒度和形状和有一定理化性能的煤。各种洁净煤技术中投资小、见效快、适宜推广的技术一般是在煤粉中掺入一定量的粘结剂，混合后压制成型。热压煤球无需添加粘结剂。烟煤中的胶质在快速加热时产生胶质体使煤粉具有粘塑性，在一定外界压力作用下成型。,型煤加工的优点,型煤制气的优点：可使用粉煤、碎煤，可降低使用成本采用配煤技术，可利用部分不能单独作气化的煤种，扩大气化用煤范围可控制型煤的大小、形状和强度，便于发生炉操作。通过加入添加剂调整煤的粘结性、灰分软化温度提高煤的化学活性，获得良好的气化指标。,（3）水煤浆,水煤浆是20世纪70年代兴起的煤基液态燃料。它是由煤粉、水和少量添加剂组成。水煤浆的制备以浮选精煤为原料，经脱水、脱灰、磨制，加添加剂后与水混合成浆。把灰分很低而挥发分高的煤，研磨 成250-300m的细煤粉，按煤/水=7/3加入0.5-1.0%分散剂和0.02-0.1%稳定剂配制而成。制备水煤浆的方法：干法、湿法、混合法,水煤浆是一种煤基流体燃料，可在工业锅炉和工业窑炉中代煤油气燃烧，与固体煤炭相比，具有储运方便、燃烧效率高、污染小的特点，是我国洁净煤技术的重要分支。目前，水煤浆燃烧效率可达98%以上。我国是富煤、贫油、少气国家，与天然气、石油相比，水煤浆具有供给稳定、成本低廉的优势。一台670蒸吨的小型电站锅炉，燃烧水煤浆可比燃油每年节约燃料费用8.3亿元左右。我国水煤浆技术经历30余年的科技攻关与生产实践，生产与应用规模均已高居世界首位。截至2012年，全国燃料水煤浆的生产和使用量已达到3000万吨/年。,2、燃烧中的净化装置,炉内脱硫、脱硝（1）先进的燃烧器改进电站锅炉和工业锅炉改进工业窑炉和设计采用先进燃烧技术,（2）流化床燃烧器（fluidized bed combustion）,把煤吸附剂加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮进行流化燃烧。原理：颗粒受到与进入下层气体和从上层流出的气体这两部分气体动量差成正比的向上力的作用。当颗粒的重力与向上力平衡时，颗粒处于悬浮态临界流化状态。空气速度增加时，颗粒所受到向上力会克服重力而使颗粒飞出，床层无法再形成，超过颗粒悬浮所需的气流的空气，则形成气泡穿过床层。气泡的形成和颗粒同时显现流体状态流化床。,流化床的概念,流化开始前 流化开始状态 流化床,气泡相,乳化相,流化床燃烧的特点,流化形成湍流混合，提高燃烧效率石灰石固硫减少SO2的排放；较低的燃烧温度（830900）使低氮氧物生成量大大减少。与采用煤粉炉和烟气净化装置的电站相比，SO2和氮氧化物可减少50%，无需烟气脱硫装置。,3、燃烧后净化,燃烧后处理主要是烟气净化和除尘。CO2、低氮氧化物和颗粒物的控制（1）烟气脱硫用浆状脱硫剂（石灰石）喷雾，与烟气中的SO2反应，水分被蒸发，干燥颗粒用集尘器收集。处理温度高，不用浪费大量水。脱硫率相对低。,发电站锅炉，烟气用水冷却到5060，由纯度大于95%的350目的石灰石制成的石灰浆送入吸收塔。在石灰石固液混合流体中通过从而清洗烟气的方法，在清除烟气中SO2的同时，将除尘器中不能捕捉到的煤尘一起清除。,（2）低NOX的控制技术（烟气脱硝),改善燃烧技术，使炉内NOX的生成量减少煤粉燃烧时产生的NOX，80%由煤的氮燃烧生成，20%是由空气中氮由于高温反应转变为温度型NOX。保持适当的一次空气量，以便控制燃烧速度。防止NH3、HCN等转变为NOX，减少挥发分中的氮化合物转变为NOX。烟气再循环技术。在气体燃烧的情况下，降低燃烧温度，减少温度型NOX的生成。,排烟脱硝技术,湿法：在溶液中进行反应。与湿式排烟脱硫法联合使用干法：在气相中进行反应。用NH3为还原剂的选择性还原法用CO、氢、碳氢化合物进行分解的非选择性还原法,烟气除尘,燃煤产生的大气污染物占我国烟尘排放总量的60%，粉尘的70%以上，因此烟气除尘是一个突出的问题。常用的烟气除尘器 离心分离除尘器 洗涤式除尘器 袋式过滤除尘器 静电除尘器,四、煤的液化和气化,1、煤的汽化将煤放入设备中，用蒸汽、氧气或空气为汽化剂，在高温下与煤发生化学反应，生成H2、CO、CH4等可燃的混合气体的过程气化技术可将各类煤转化为各种气体产品，包括民用和工业用燃料气、发电燃料气、化工原料气等。进行气化的基本条件；气化剂、气化燃料和设备、保持一定的温度和压力,众所周知，固体煤的使用和运输都很麻烦。直接烧不仅热效率低，浪费大，还会放出二氧化硫、氮氧化物等有害气体，严重污染环境。为了预防或减少危害，要大力开展煤的液化和汽化技术。煤的汽化主要包括高热值汽化和低热值汽化。所谓高热值汽化是指生产发热量为每立方米2万千焦以上的煤气，特别是指每立方米3.6万-4万千焦的代用天然气；而低热值汽化则是指生产每立方米4千-6千千焦的煤气，用以发电、加热，以及化工合成等。目前我国洁净煤技术产生重大突破，已研究出脱硫、脱氮、除尘以及煤炭汽化等技术，将使煤炭的应用基本上能达到环保要求。,三种汽化反应方式,氢化分解反应（加氢汽化法）完全汽化法 焦碳燃烧热量干馏和焦碳汽化反应接触气化法：用触媒促进反应，用最低的反应热将煤一次制造成甲烷。,煤气发生炉内气化过程示意图,空气和水蒸气入口,2、煤炭液化,（1）煤的液化反应煤是芳香烃缩合环作为骨架，由环烷基环和脂肪族链以及氧官能基组织而成的结构单元。是用-CH2-、-O-连结起来的立体聚合体芳香族环骨架越大，煤化程度越高煤的液化可以分为直接液化和间接液化。,煤气化实例,中国科学院山西煤炭化学研究所从气化和热解两条基础技术路线出发，发展非石油依赖型能源技术，同时解决其所涉及的污染物控制的三个单元问题，实现能源-环境-经济最优化。,煤的液化反应是低分子化反应,煤的一次液化组成环结构的-C-坚固，而连结结构单元的-CH2-、-O-、-S-CH2-的离解能较小（25.2-29.4kj/mol），热分解时切断这种弱结合，煤就会低分子化，从而液化。煤的二次液化切断一切离解能较大的化学结构，在严格的反应条件下使之开环经过二次开环，制造出与汽油、发动机油等同等的石油产品。,（2）煤的液化方法,