能源開發(fā)和利用.ppt

1、能源開發(fā)和利用,本章內容,一、能源的地位與作用 二、能源的分類 三、世界和中國能源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 四、解決能源危機的有效途徑,第一節(jié)、能源的地位與作用,1、能源在人類社會的發(fā)展中占據(jù)重要地位，它是人類社會發(fā)展的基本條件，是發(fā)展農業(yè)、工業(yè)、科學技術和提高人民生活水平的重要物質基礎。能源開發(fā)利用的廣度和深度是衡量一個國家的科技和生產水平的主要標志之一。能源、材料、信息是人類發(fā)展的三大支柱產業(yè)。 2、能源科學技術的每一次重大突破，都引起生產技術的革命，化學在能源的研究和利用過程中扮演重要角色。 能源發(fā)展經歷三個時期： A、柴草時期：火的發(fā)現(xiàn)18世紀產業(yè)革命，用于燒制陶瓷和冶煉金屬； B、煤炭時期：

2、13世紀開采，18世紀中大規(guī)模開采，1769年瓦特發(fā)明蒸汽機，產生第一次產業(yè)革命； C、石油時期：60年代超過煤。,三次重大突破,A、發(fā)明蒸汽機，產生第一次產業(yè)革命； B、電力發(fā)明使人們的生產活動進入電氣時期； C、原子能發(fā)明進入時期。,第二節(jié)、能源的分類,按來源分： A、來自地球以外的太陽能，如太陽輻射能、煤、石油、天然氣、水能、風能、雷電等； B、來自地球本身，如地熱能、原子核能； C、來自地球與月球、太陽等天體相互作用產生的能量如潮汐能。 按構成分： A、一次能源，包括常規(guī)能源（可再生能源如水能，非再生能源如煤炭、石油、天然氣），新能源（可再生能源如太陽能、風能、生物質能，非再生能源如核

3、聚變能,油頁巖、油沙）； B、二次能源如煤制品、石油制品、電力、氫能、蒸氣等。,第三節(jié)、世界和中國能源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,1、世界能源的結構與消耗 （1）近一百年世界能源消耗增長了20倍 年份： 1950 1960 1970 1980 1990 世紀末 萬噸 標準煤 239194 292420 643956 852391 1147610 20Gt 中國 6968（1955） 30189 29291 60275 98703 能源消耗最多的是美國：人口占4.9，能耗占24.4；印度人口占15.4，能耗占2.3；我國1996年人均能耗1.14噸，排名86（世界人均2.4、北美10、歐洲蘇聯(lián)5） (2)

4、能源結構 19801986年 石油 煤炭 天然氣 核能 總計 世界能源消耗增長率 9 24 19 335 2720世紀60年代以前煤是世界最重要能源，后來，石油上升較快，發(fā)達國家以石油為主。美國、日本56.3；我國、印度仍以煤為主，我國75.8,印度67.8.,能源形勢能源危機,1、化石燃料，有限能源（枯竭）,能源危機迫在眉睫 世界經濟的現(xiàn)代化，得益于化石能源，如石油、天然氣、煤炭與核裂變能的廣泛的投入應用。因而它是建筑在化石能源基礎之上的一種經濟。 然而，由于這一經濟的資源載體將在21世紀上半葉迅速地接近枯竭。,石油儲量11801510億噸，以1995年世界石油的年開采量33.2億噸計算，石

5、油儲量大約在2050左右年宣告枯竭。 天然氣儲備估計在131800152900兆立方米。年開采量維持在2300兆立方米，將在5765年內枯竭。 煤的儲量約為5600億噸。1995年煤炭開采量為33億噸，可以供應169年。 鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會的估計可維持到21世紀30年代中期。 核聚變到2050年還沒有實現(xiàn)的希望。,1995版世界能源大會能源資源調查： 能源 儲量 1993年能源產量 儲采比 煤 1031.6Gt 4.474Gt 230 石油 140.7Gt 3.197Gt 44（我國23年） 天然氣 14.1Tm3 0.2485 Tm3 57 核能 2.

6、23Mt 鈾 32171t（裝機358GW，年發(fā)電量2.171012KWh) 水能：理論蘊藏量3.5 1013KWh/a,技術可開發(fā)資源1.46 1013KWh/a,經濟可開發(fā)資源0.9 1013KWh/a,裝機7.2 108KW,發(fā)電量2.38 1012KWh/a,特別是石油 1953年 1963年 1973年 1993年 年產量 6.49 億噸 13.8億噸 28.2億噸 31.97億噸,禁運后，石油在兩個月內漲價4倍，至1979年漲了近10倍。，至1982年上漲了675。1973年美國缺少1.16億噸標準煤能源生產損失930億美元；日本缺少0.6億噸，損失485億美元，致使1974年日本

7、國民生產總值下降。（在這之前日本每年遞增10）,石油由西方石油公司（“石油七姐妹”）壟斷，西方利用廉價石油，改造產業(yè)結構，經濟繁榮。1973年阿拉伯國家成立“石油輸出國組織歐佩克（OPEC）”（中東儲量占65，出口占80）向西方強國禁運石油,10月戰(zhàn)爭？,儲量前十名的國家：沙特、伊拉克、科威特、阿聯(lián)酋、伊朗、委內瑞拉、前蘇聯(lián)、墨西哥、美國、中國。,2、能源對環(huán)境污染,（1）化石燃料，產生大量CO2，導致溫室效應； （2）化石燃料，產生大量NOX、SO2，導致酸雨； （3）化石燃料及生物質燃料，產生NXO ，導致氧空洞；,SOx、NOx、CO2、CO、THC、PM、水污染、土質。 由于以煤為主，

8、形成了以煤煙型污染為主的嚴重環(huán)境問題。例如：1995年，全國煙塵排放量約1744萬噸，其中70來自煤的燃燒；全國SO2排放量約2370萬噸，其中85來自煤的燃燒；全國CO2排放量約30億噸，占全球的14，只比美國的22低，而各列為第二（人均排放量還很低）。而燃煤在我國1/3以上是用于火力發(fā)電。由低水平的燃煤所造成的酸雨、光化學霧及溫室效應等環(huán)境問題日益突出。而在大城市中，機動車排放所造成的環(huán)境污染，也日益嚴重。,（4）熱污染，一座1000MW火電廠，排熱4.6 1012J/a； （5）放射性污染； （6）影響人體健康。,3、石油、煤是主要化工原料 20世紀是石油化工大發(fā)展的一百年，世界年產乙烯

9、5000萬噸，100套30萬噸年乙烯裝置。,2、我國能源的現(xiàn)狀,1996年 煤 石油 天然氣 水能 能耗 總量 1145億噸 33億噸 1.7萬米3 2.9億KW 12.6億噸居世界位次 3 11 19 1 2 (能耗：美國 28.98億噸、俄國9.494億噸 日本0.6838億噸）,（1）我國能源資源,中國一次能源儲量和產量,統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國目前已經成為全球煤炭第一大消費國，基本能源消費占到世界總消費量的十分之一，同時，中國也是繼美國之后的世界第二大石油和電力消費大國。 按照專家的估算：,1999年我國石油開采量約1.6億噸，但是消耗量已上升到1.9億噸，到2010年預計消耗量將達到3億噸

10、。,1993年后我國已成為石油凈進口國。2000年原油進口已超過7000萬噸。天然氣近年生產量已有較大幅度增加，新的氣田也有所發(fā)現(xiàn)，也在計劃從俄國（獨聯(lián)體國家）進口一些天然氣，西氣東輸也在實施，但花一千多億的投資，東輸200多億立方米/年天然氣。,A、人均能源擁有量低（1996年人均能耗，排名86位）； B、能源生產和消費結構依然以煤為主（75.8年耗13億噸）煤1/3以上是用來發(fā)電的，直接燃燒利用熱能為主,(2)我國能源工業(yè)面臨的問題,中國的能源消費和構成,C、能源資源分布不均勻。（北煤南運，西電東送，南水北調。煤炭集中華北地區(qū)，水能集中西南地區(qū)）能源產地和主要利用能源的經濟發(fā)達地區(qū)分布不平

11、衡. 地區(qū) 華北 東北 西南 西北 華東 中南 能源豐度（噸人）2680 293 1218 1216 141 142,D、能源利用率低，造成的污染嚴重.單位GPT能耗是日本的6倍，美國的3倍，韓國的4 . 5倍；,目前中國產品能耗極高，主要用能產品的單位產品能耗比發(fā)達國家高，加權平均高出左右。比如，每千克油當量的能源，日本企業(yè)平均可以創(chuàng)造出.美元的產值，中國只能創(chuàng)造出.美元。我國單位能源使用產生的，目前只有發(fā)達國家平均水平的五分之一至十六分之一左右,E、農村商品能源短缺（人口8.6億，能耗12.6億噸，23靠柴薪） F、環(huán)境污染嚴重；由于我國是以煤為主的國家。煤炭的含氫量低，一般來說，相對于天

12、然氣，必然會帶來 CO2 排放量大的問題。如何在經濟發(fā)展中，控制 CO2 的排放量，已經成為重要的課題。中國 CO2 排放量已在世界上位居第二，占14%，美國為22%。以煤為主、能效低是主要原因。 G、能源建設周期長，耗能多；能源輸送路線比較長，占去國家相當大的運力 H、能源工業(yè)裝備落后； I、價格末能反映成本不合理,第四節(jié)、解決能源危機的有效途徑,節(jié)能和提高能量利用效率是最主要的。,解決能源危機的措施有,開發(fā)和使用新技術。如發(fā)電，我國發(fā)電終端平均能效只有30%，如果采用IGCC（整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電）、超臨界發(fā)電技術、增壓循環(huán)流化床等技術，現(xiàn)已可提高到36-46%，今后幾年有可能達到56-60%

13、。其中也有大量化學問題要解決，多學科交叉。,提高使用清潔能源（如天然氣）的比率。,使用更多的可再生能源（水力、風力、潮汐、地熱）。,使是用新能源。太陽能、氫能。,核能,燃料電池技術,1、化石燃料的有效與清潔利用； 2、適度發(fā)展核能； 3、開發(fā)新能源； 4、改變能源轉換途徑。,（一）、化石燃料的有效與清潔利用,1、煤 （1）現(xiàn)代成煤理論：植物經脫水、脫CO2、脫CH4形成C 17H24O10C16H18O5 C16H14O3 C15H18O C18H4 植物 泥炭 褐煤 煙煤 無煙煤 （2）現(xiàn)狀效率：我國年耗10億噸（30發(fā)電、煉焦，50鍋爐、窯爐，20人民生活）。A、效率低（煤球2030，蜂窩

14、煤50，碎煤20）；B、污染。 （3）提高效率的措施：煤的流體化，包括泥漿混合流體化；煤的氣化（氣化反應，改性反應）；煤的焦化（干餾）；煤的液化。 （4）煤的液化（加氫法、脫碳法、分解重組法），煤的拔頭工藝生產液體燃料（年輕煤種中揮發(fā)性組分可提出20左右，其中2為汽油、10為柴油），在21世紀將大有發(fā)展前景。,加壓氣化法城市煤氣生,什么是一碳化學,煤化工和天然氣化工:一碳化學,煤的氣化最主要的反應有:,C+O2-CO C+H2O-CO+H2 CO+H2O-CO2+H2,這個表繪出了一個反應網(wǎng)絡?？梢娪珊铣蓺猓–O/H2）出發(fā)，通過不同的催化劑和反應條件，可以合成一系列當今十分重要的化學品。而這

15、些化工產品其優(yōu)勢是在合成含氧化合物上。它可以使CO中的氧原子全部和部分帶入到產物分子中，原料氣得到了最充分的應用。這些化學品的生產，目前已經在經濟上可與石油化工技術競爭，而具有一定的優(yōu)勢。,這個網(wǎng)絡突出表明了由合成氣可以通過一定催化反應合成出各種車用燃料和汽油添加劑。這也是當前由煤（或天然氣）合成汽車清潔代用燃料的主要途徑。我們要知道，一些含氧化合物燃料，如甲醇、乙醇、低碳醇、MTBE等都有很高的辛烷值，是很好的汽油代用品或添加劑，并可使汽車尾氣排放的污染量大大減少。而二甲醚又是柴油的替代品，有很高的16烷值。而這些化合物（如甲醇）又可以是將來燃料電池的主要液體燃料，其發(fā)展前景是十分廣闊的。,

16、下面幾張圖各給出了一些工藝圖表。只是想說明，由于煤化工首先要把煤氣化，而當前煤氣化的先進技術，可以使尾氣中排放的硫等污染物達到很低的標準，而且把硫轉化為有用的副產品。但是煤化工的投資額是很高的。60-70是在氣化和凈化部分（特別是制氧設備）。因此，煤化工應當走多聯(lián)產的道路，可以和IGCC發(fā)電技術相結合，使能源利用效率、投資利用效率等大大提高，使成本有競爭力。,工藝總流程示意圖 例一（IGCC與醋酸生產工藝聯(lián)合）,下面集中講述催化的基本概念和催化技術在化學工業(yè)發(fā)展中的關鍵作用。正是通過催化技術的發(fā)展，使得一碳化學能從 CO/H2 這單一原料而產生出如此多種具有重要實用價值和經濟競爭力的化工產品。

17、,催化劑能顯著改變反應速率，但不影響反應的平衡位置。熱力學參數(shù)決定了一個反應是否能進行。催化作用是解決動力學問題，也就是這個反應以怎樣的速度來進行。,催化劑的突出特點是催化劑降低了化學反應的活化能催化劑開辟了新的反應途徑或指定向加快某一反應，有很高的選擇性。,根據(jù)阿倫尼烏斯公 Arrhenius,固體催化劑的必要條件:,至少有一種反應物分子在催化劑表面活性中心上進行化學吸附。,兩個被吸附的分子或氣相分子與吸附分子之間進行反應生成產物分子。,產物分子易從催化劑表面脫附，表面活性中心恢復原態(tài)。均相絡合催化劑定向性更強，選擇性高。,催化作用在化學工業(yè)、能源工業(yè)、環(huán)境保護中的重要性,催化劑的研究從“手

18、藝”(Art)逐漸走向科學(Science)。,催化向“分子剪裁”，催化劑設計方向發(fā)展。,一碳化學對催化的高要求：高選擇性、高收率、低能耗、經濟性要求優(yōu)于石油化工路線。,2、石油 化學家遇到的主要挑戰(zhàn)：提取上如何提高采收率（從礦藏中得到更多的油）；精煉（原油轉化成更有用的化學形態(tài)）；燃燒（使精煉油具更大的熱值）,（1）采收率。A、初級開采：靠天然壓力，采收率1020；B、二級開采：把水、氣和蒸氣等注入油井中，提高采收率（美國用此法僅35）；C、三級開采：用新的化學方法開采先入為余下的可貴資源。如表面活性劑及溶液聚合物，可以把油和周圍的水分開。 （2）精煉目的是提高辛烷值，采用蒸餾、裂解、重整改

19、變原油的性能。面臨的任務是低品質的石油如何轉化為高質量的燃料，關鍵是提高石油精煉技術。 （3）燃燒。一是提高燃燒效率，若提高5，美國獲150億美元的經濟效益；二是降低煙霧、酸雨。 3、天然氣 關鍵在天然氣產地要先做好脫硫和去除一些含氮雜質。 天然氣可作為化工產品生產乙炔等,天然氣熱裂解制乙炔爐,（二）核能及其風險利弊,1、核能的類型 （1）核裂變、原子彈、核發(fā)電 23592U+10n 14456Ba+8956Kr+310n 23592U+10n 14054Xe+9438Sr+210n H=8.21010 J/g 相當于煤的250萬倍。 原子彈工作原理：讓裂變能量不斷積累，最后在瞬間釀成重大的爆

20、炸。,向長嶼投彈的斯威尼,投放長嶼的原子彈,長嶼被炸現(xiàn)場,原子彈：鮮為人知的十件事,1曼哈頓計劃 盟軍原子彈計劃于1942年啟動，代號“曼哈頓計劃”。這一計劃在新墨西哥州偏遠的沙漠地帶洛斯阿拉莫斯進行，歷時4年之久，有20多萬人參與，包括十幾名已經獲得或即將獲得諾貝爾獎的科學家。(費米領導) 2開支及成果 曼哈頓計劃是二戰(zhàn)中最昂貴的計劃，5年中耗費了盟軍約18億美元（相當于今天的180億美元），共研制出4枚原子彈。第一枚于1945年7月16日在新墨西哥州沙漠試爆，爆炸威力是預期威力的4倍，相當于19萬噸烈性炸藥TNT的威力。,資料,3轟炸目標,廣島和長崎起初都不是原子彈的襲擊目標，盟軍將領起初

21、選定的襲擊目標是古都京都。但這被當時的美國陸軍部長亨利史汀生否決掉了，他想把京都保留給子孫后代。被轟炸前不到兩個星期長崎才被選定為轟炸目標，部分原因是它是為數(shù)不多的幾個幾乎未受戰(zhàn)爭破壞的城市之一。 4钚的威力 第一枚落在日本的原子彈代號“小男孩”，它的設計非常獨特，是用一臺改裝過的發(fā)炮裝置將一塊鈾235射入另一塊鈾中。這枚原子彈于1945年8月6日被投在廣島，相當于125萬噸TNT爆炸時的威力。3天之后，另一枚原子彈落入長崎，這次采用的是钚，威力是廣島原子彈的兩倍。,5傷亡情況,原子彈爆炸那天廣島大約有328萬人，其中有20萬人在5年之內死于原子彈的影響。廣島三分之二的建筑都被摧毀。而長崎的約

22、259萬人中有7萬人在同一時期內死去。至少有9人在廣島遭襲后逃到了長崎，并且在第二次原子彈爆炸中幸免于難。 6裕仁天皇的決定 第二枚原子彈爆炸后4天，日本將領仍拒絕投降，并考慮采取包括自殺性襲擊在內的一些方案來贏得“必然的勝利”。8月14日，裕仁天皇宣布他不能再眼睜睜看著人民忍受煎熬。第二天，日本無條件投降。這一投降非常及時：盟軍正準備在東京投下第三顆原子彈。,7“印第安納波利斯”災難,在將“小男孩”的組配件從加州運來之后，美國“印第安納波利斯”號巡洋艦被一艘日本潛艇擊沉。接下來的四天里，850名幸存者遭到鯊群的連續(xù)襲擊。他們最終被一架過路的飛機發(fā)現(xiàn)并營救，只有300人幸存。影片大白鯊中，由羅

23、伯特肖扮演的昆特回憶了沉船及后來的這段故事。 8日本的原子彈計劃 戰(zhàn)爭結束后，盟軍調查人員發(fā)現(xiàn)日本從1940年就開始自行研制原子彈。日本的物理學家已經準確地算出制造一顆原子彈至少需要10公斤濃縮鈾。然而到1943年，日本人弄清要從普通鈾礦石中提取這么多濃縮鈾遠非易事，原子彈計劃就此擱置。,9長期影響,科學家們擔心原子彈會導致新生嬰兒帶有先天缺陷。放射性研究機構從1947年開始對幸存者進行跟蹤調查。在原子彈爆炸時尚在母腹中的3000名嬰兒中，出現(xiàn)了心理和生理方面受損的情況。但是迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)放射性導致的基因缺陷。 10核武庫增加 廣島長崎原子彈爆炸后一年內，美國已儲備12枚原子彈。核儲備在上

24、個世紀80年代中期達到最高峰，目前世界上的核武器總數(shù)估計約為17萬個可用核彈頭，綜合爆炸威力相當于1945年8月毀滅兩個日本城市的兩枚原子彈的12萬倍。,我國1956年2月錢學森建議組建導彈研究所，1958年6月毛主席提出搞原子彈，64年10月16日爆炸試驗成功。 核電站工作原理：連續(xù)核裂變放出具大的核能，人工加以控制使鏈式反應在一定程度上連續(xù)進行，產生能量加熱水蒸氣，推動渦輪機發(fā)電。 首要問題是：鈾礦中235U（占0.7）與238U的分離。采用UF6氣體擴散速度不同進行提純，富集到93。,（2）核聚變和氫彈,21H + 31H 42He H=5.81011J/g相當煤的1000萬倍。 優(yōu)點：

25、A、聚變產物是穩(wěn)定的氦核，無放射性污染，沒有難處理的廢料；B、氘資源豐富，海水中氘：氫 1.51014：1 地球上海水總量1018噸。 核聚變發(fā)電困難：A、聚變反應需要非常高溫度（109）（太陽輻射出來的巨大能量來源于核變） 如何“點火”？氫彈用一個小的原子彈作引爆裝置，產生瞬間高溫。有人建議太陽能聚光（世界最大的聚光器有九層樓高，9000塊小反射鏡組成，總面積達2500米3，焦點處最高溫度4000） 考慮化學激光。 B、如何約束：用什么材料制造反應器？考慮耐火陶瓷。并探索“磁籠”約束高溫等離子體的逃逸。 探索21H + 63Li 2 42He （溫度低些的聚變反應，處于實驗室初探階段）,國際

26、原子能機構副總干事維爾納布爾卡特2006年10月16日在接受新華社記者專訪時說，聚變能的商用化將為滿足人類未來能源供應提供解決之道。這一進程有望在30至50年后實現(xiàn)。,世界首個多國合作探索核聚變應用的國際熱核實驗堆（ITER）將于進入實質啟動階段。這個由歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國七方參與的計劃，被布爾卡特視為“一個實現(xiàn)成功控制核聚變夢想的機會”。,當今世界，能源問題已經成為影響人類可持續(xù)發(fā)展的一個重要話題。國際油價的高漲，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源獲得的有限性以及環(huán)境污染的加劇，敦促人類尋找清潔、高效并具備大規(guī)模推廣潛能的能源。 布爾卡特對聚變能商用化的前景表示樂觀。他表

27、示，雖然研發(fā)階段投入較高，但實現(xiàn)商業(yè)化后，可以用來發(fā)電供熱的聚變能卻更便宜。,海狼號核動力攻擊潛艇,我國1965年1月毛主席提出“原子彈要有，氫彈要快”，王淦昌估計：核聚變發(fā)電有望在二三十年代獲得成功（核工業(yè)西南物理所和中科院合肥所取得矚目成果）,中國的聚變研究已經有40多年的歷史，并先后研制成功了中國環(huán)流器一號、中國環(huán)流器新一號托卡馬克裝置，推動了世界對核聚變“磁籠”的探索和研究。,2、利用核能的意義,發(fā)展核能是必由之路。 （1）核能是地球上儲量最豐富能源，又是高度密集能源。1t鈾相當于2 .7Mt煤， 1t氘相當于11Mt煤，每噸海水有3克氘，相當于300噸汽油，海水可耗1000億年。 （

28、2）核電是較清潔能源，有利于保護環(huán)境。每發(fā)電1000億度，放射性排放總劑量1.2J/Kg，火力發(fā)電3.5J/Kg。 （3）核電經濟性優(yōu)于火電。發(fā)電成本低1550 （4）以核燃燒代替化石燃料，有利于資源的合理利用。 至1995年有476多座熱中子堆核電站，總裝機3108KW，占總發(fā)電量17。 國家 核電比例 核發(fā)電量 法國 64.8% 213.1TWh 比利時 59.8% 32TWh 美國 15.5% 383.7TWh 我國有兩座：海鹽秦山，30萬千瓦（1992、7）、60萬千瓦；廣東大亞灣90萬千瓦（19931994兩組）；遼寧建新籌建？（臺灣有6套，裝機489萬千瓦，另有兩套100萬千瓦招標

29、）,3、目前核能利用存在的主要問題有：（1）資源利用率低。工業(yè)應用的是熱中子反應堆核電站，雖其發(fā)電成本低于煤電，但它以鈾235為燃料，天然鈾中占99.3%的鈾238無法利用。 （2）燃燒后的乏燃料中除鈾235及钚239外，剩余的高放射性廢液含大量“少數(shù)錒系核素”（MA）及“裂變產物核素”（FP），其中有一些半衰期長達百萬年以上，成為危害生物圈的潛在因素，其最終處理技術尚未完全解決。（3）反應堆是臨界系數(shù)大于l的無外源自持系統(tǒng)，其安全問題尚需不斷監(jiān)控及改進。（4）核不擴散要求的約束，即核電站反應堆中生成的钚239受控制。,利用快中子增殖堆可以使天然鈾中的鈾238轉化為钚239，成為裂變燃料。用钚

30、239或鈾235裝料啟動運行數(shù)十年后，此系統(tǒng)可以靠鈾238達到“自持”，鈾資源利用率可提高6070倍。這雖然有利于資源的利用，但另3個問題則面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。而且快中子增殖堆的初始裝料要以從熱中子反應堆乏燃料中提取的大量工業(yè)钚庫存為依托，如熱堆電站未發(fā)展到相當?shù)难b機容量，快堆是不可能具工業(yè)應用規(guī)模的，而此時高放射性廢液的庫存已極大。對高放射性廢液的處置方法，目前是將其固化，經包裝后埋入穩(wěn)定的巖層中。這種“后處理一固化一深埋”的處置方式雖然可行，但從長遠看它未解決泄入生物圈的問題。 （我國863高科技規(guī)劃把研究、設計、建造一座2.5104KW快速試驗性電站，作為重點項目列入。）因此，理想的核系統(tǒng)

31、應是以天然鈾（或貧化鈾）作為反應堆的基本裝料，并使它所產生的放射性廢物在系統(tǒng)中被嬗變?yōu)槎虊勖ò胨テ跒閹资辏┗蚍€(wěn)定的核素。使系統(tǒng)輸出的廢料是短壽命低放射性廢物。這就是目前世界核科技界大力研究的充分利用鈾資源且放射性“潔凈”的核能系統(tǒng)。,、廢熱處理“熱污染”：裂變核電站的熱效率33比一般電廠多40。廢熱轉移到環(huán)境中去，導致熱污染。 若采用冷卻塔。A、冷卻成本高，使電費增加10；B、需水量大得驚人。（1000MW的核電站，幾乎與6萬人口城市用水量相當） 辦法：河水改道流過冷卻系統(tǒng)。（溫度升高10，生產不連續(xù)，物種難適應，生態(tài)系統(tǒng)破壞）取暖？,(4)核電站的環(huán)境公害。,、放射性,放射性輻射量度：雷

32、姆(rem)，幾百個rem 死亡；100200 rem 疾病和惡心；100 rem 遺傳突變？ （美國人2000年接受的輻射劑量 mrem ：（X胸透100 mrem次） 自然的 人為的如醫(yī)療 放射性散落物 雜項 核電站 合計 130 88 5 2 0.5 225 目前美國規(guī)定，居民最大照射水平：170 mrem人年，外加自然的和醫(yī)療的。波林研究表明：若每個美國人增加170 mrem人年，死于癌癥增加3萬，主張標準： 17 mrem人年,燃料棒“燃燒”僅用去約6 23592U ，其中239Pu半衰期超過2.4萬年，估計貯存時間必須持續(xù)二十萬年。,放射性廢物的處理和貯藏,在所有擁有核電站的國家，

33、都有旨在保護現(xiàn)代人和所有后代人的有關廢物處置的嚴格法規(guī)。例如，如果不能以溶解了的物質通過地下水進入生物圈等最壞的情況為假定條件，并且表明后代的劑量負擔很小并大大低于允許標準，那么在今天就不可能取得建造廢物處置場址的許可證。有人常說，不能讓我們這一代人享用核電站帶來的好處，而把處置廢物所需的大量費用留給后代。已有幾個國家通過法律規(guī)定增加每度核電的價格，以留取部分資金用作今后管理和處理放射性廢物以及核電站退役的費用。同許多人預料的相反，這些費用不是高得不可接受的。在瑞典，每度核電加價10%。這部分積累資金足以保證將來的需求。,第一項研究表明，在許多鈾礦床中，各種物質盡管和地下水直接接觸，卻仍在原地

34、存在了幾百萬年。,A、社會組織能否穩(wěn)定到足以確保在這期間對它們進行妥善處理?；颉坝谰玫亍辟A存好。 B、需要特殊運輸窗容器來運輸。到2000年，核廢物從反京堆運到化學處理廠，將裝運700010000次，按目前水平，每年有10次火車出軌。,對于核廢物的一種擔心是：我們對廢物在如此長的時期內的物理特性還缺乏經驗。然而，兩項研究的結果卻給了我們相關的和有趣的答案。,第二項研究同現(xiàn)在加篷境內的奧克勞鈾礦床中幾百萬年前就已運行的天然核反應堆有關。在一個地表富鈾礦床中，“自發(fā)”產生的鏈式反應持續(xù)了50萬年，并產生了6噸裂變物和2噸钚。值得注意的是，這些裂變產物和钚盡管直接和自然環(huán)境相接觸，沒有任何形式的封閉

35、，卻僅從生成它們的地方移動了幾厘米。這兩個例子決不是說可以對長壽命的核廢物掉以輕心，但它們確實能說明我們對長遠的未來可能發(fā)生的事情并非一無所知。,問題：,后來：將廢物直接埋入地下。（地下水使放射性物質擴散）或棄于海底（大西洋北部，大平洋北部都有） 最近：回收處理后，深埋在荒無人煙在地質上相對穩(wěn)定的地層如一千英尺深的“鹽層”。（美國開始選址：堪薩斯州萊昂市附近，由于政治壓力，1973年遷新址：新墨西哥州。） 唯一解決辦法：貯藏在遙遠的外層空間和太陽系。（電費上漲30；火箭發(fā)射失敗而帶來公害） 建議：A、把廢物埋進南極冰蓋中心，離海洋一千英里以外的群山環(huán)繞的地方。（技術要求高。發(fā)達國家能達到；南極

36、條約不準） B、不必談論永久貯存問題，等待更好的化學處理技術過關后再說。,處理：40年代廢物以液體形式貯存在大罐里但貯藏罐很小用到20年以上，已發(fā)生16起貯罐損壞事件。,如果將裝機容量為300萬千瓦的核電站運行一年所產生的75噸乏燃料不直接貯存而進行后處理，則其高放廢物可以濃縮在約9立方米的玻璃體中。這也許能為我們正在討論的小體積問題提供某些思路。如果將全世界自1987年以來產生的所有乏燃料全部經過后處理，則其玻璃固化的高放廢物將只有1,0001,500立方米左右，比兩個家庭住房的體積都小。 核電站的運行還將產生一些中低水平、短壽命的放射性廢物，如過濾材料、沾污了的衣物、工具和廢舊材料。這些廢

37、物需貯藏并隔離較長時間。300萬千瓦輕水堆運行一年，一般約產生1，500立方米沒有經過壓縮和濃縮的這類廢物，這個體積相當于一個邊長為12米的立方體，也相當于兩個家庭住房的體積。一些最終處理這類廢物的裝置已投入運行，如瑞典。,反應堆的安全問題,A、設計中備有一些“太平”裝置，會自動關閉反應堆并冷卻輔助設施，在所有應急系統(tǒng)全部失靈的事故中，電站還設計了核燃料防事故外殼。（三道安全屏障） 1974年美國原子能委員會用計算機模擬研究的方法提出報告：即便有一百座核電站在運行，一個世紀發(fā)生一次事故，最多使一百人死亡（比飛機墜毀機會少得多）；最嚴重死2300人，損失財產60億美元（可能性極小，比巨大殞星的可

38、能性小）。除非基本設計錯誤或陰謀破壞。（1975年3月一核電站，因技工用蠟燭尋找漏氣處發(fā)生火災，損毀了數(shù)千條電纜，使緊急堆芯系統(tǒng)失靈，損失1000萬美元，幸運末熔化。）,1979年3月28日，美國賓夕法尼亞州三島核電站，反應堆失靈；1986年4月26日蘇聯(lián)烏克蘭基輔市北部的切爾諾貝利核電站，至2000年4月3日3萬多掄險人員死亡（58死于社會原因，38自殺）還有174萬掄險人軸，其中5萬人二級殘疾。99年7月12日日本泄漏,B、钚擴散。 制造核武器的技術問題主要是如何獲得钚有關（美、俄貯存幾百噸），世界各國物理學家都知道此技術，關鍵是要投入大量的資源和經費。 1954年加拿大賣給印度钚，導致1

39、974年印度步入核武器領域。（銷售合同在法律上有漏洞）,1、太陽能,取之不竭，使用方便，能再生，無污染。以太陽能的利用為主的可再生能源潛力極大，據(jù)天文物理學家的計算表明，太陽系還能存在45億年，每年太陽提供的能量是世界人口商品消費量的1.5萬倍。 （每秒鐘相當于1.3億億噸標準煤，即 5.2 1023 KW.h/s，其中122億傳到地球， 2.8 1024 J/a，為目前人類所需能量1萬倍）,（1）光熱轉換。 基本原理：使太陽光聚集，用來加熱一些物體獲熱能。 裝置：A、平板型集熱器如太陽能熱水器；B、拋物面型反射聚光器如太陽能聚光灶，太陽爐。,轉換形式,太陽能熱水器 6000萬平方米,我國十五

40、發(fā)展目標,（三）開發(fā)新能源,（2）光電轉換,基本原理：利用“光電效應”； 裝置：太陽能電池如硅電池（轉換效率1320）；存在問題：成本高，受晝夜、天氣影響，難以大規(guī)模使用； 目標：沙漠地帶鋪設帶有硅電池的集光板。若能利用撒哈拉大沙漠全部輻射能的1，足以供給全世界，我國第一座建在甘肅省。,太陽能發(fā)電站,光伏發(fā)電達8萬千瓦,我國十五發(fā)展目標,光伏電力的應用 如在德國每平方米每年的平均日照量為1100千瓦時。電力的總需求量約為5000千瓦時，光伏技術的年平均功率約為太陽輻射量的10%。依*光伏設備生產5000億千瓦時的電力，需要5000平方公里的光伏轉化模板面積。明智的做法是用相關設備安裝在建筑物的

41、表面，在德國，這一做法意味著只需不到10%的建筑物頂部。 光熱利用 在中歐和北歐等缺少陽光的地區(qū)，已經出現(xiàn)了一些完全依賴陽光供暖的建筑物（應用比較理想的熱與熱交換系統(tǒng)）。,（3）光化學轉換,是利用太陽能的最主要、最根本方式。綠色植物的光合作用，但不能完全受人控制。 CO2H2O 糖O2 其核心化合物是葉綠素。 目標：尋找各種“完全可控的”光化學轉換方法如模擬光合作用。 設想：建立“宇宙太陽能站”來收集陽光。“同步空間站”（距地面35600千米）太陽能電能微波地面接收站電能,2、生物質能,生物質能是綠色植物經光合作用，將太陽能轉化為化學能貯存在生物體內的能量。以ATP形式貯存。 貯量：生物質燃料

42、能源 目前全球農用面積約為1000平方公里。約有4000萬平方公里的土地為森林覆蓋，荒漠地區(qū)的面積約為4900萬平方公里。光合作用的年產量（包括自然生長的植物和糧食生產）目前大約是2200億噸干壞料，相當于3 1021J,這大約相當于每年80億噸生化資料所提供的能量，只需不到1200平方公里的可耕地和林地面積（不計沼氣的能力）。 每年由光合作用所形成的有機質200GT，垃圾27MT；廢水450MT；糞便幾十億噸。2T垃圾相當于1T煤，作為能源利用的生物質占總量1，提供能量占總能耗的14。 途徑：傳統(tǒng)方法是直接燃燒（一是熱量利用率低15，利用節(jié)柴灶25；二是污染環(huán)境。）,合理有效轉換是發(fā)酵制沼氣

43、。（法國羅爾卡公司：垃圾、鎳 、輕油在高壓反應器內、溫度350，反應10分鐘，得到燃油。）困難是：反應過程緩慢，而且對溶液的酸堿度很敏感。優(yōu)點是：CO2含量保持不變。,“石油植物”是生物能源。生物能源是指通過綠色植物，藻類和光合細菌的光合作用，捕獲太陽能，經新陳代謝，儲存于生物質中的能量。生物質作為能轉化為液體燃料的可再生資源正成為各國科學家研究的焦點。 在巴西有一種香膠樹割開樹皮流出的膠汁般的樹汁稍經提煉就能當柴油使用，每株年產50千克膠質（成分與石油相似）柔弱的蒲公英折斷它的莖或葉流出的乳白色的液體也含有類似石油的成分。生物學家們給這些可以經提純或發(fā)酵加工后，就可當做“燃料油”或石油產品的

44、植物起了一個很貼切的名字“石油植物”。 地球上存在著許多“石油植物”，主要集中在夾竹桃科、大戟科、菊科以及豆科等，像我們熟知的油菜、蓖麻、小桐子、烏桕、大豆、花生等?？茖W家們還發(fā)現(xiàn)300多種灌木、400多種花卉都含有一定比例的“石油”。 英美等發(fā)達國家正在對已發(fā)現(xiàn)的40多種“石油植物”進行品種選育和品質優(yōu)化工作，并準備盡快實現(xiàn)商業(yè)化生產。法國、日本、巴西、俄羅斯等國也正在開展“石油植物”的研究和應用。,培育植物新品種。,中科院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所的張洪霞研究員已經在這方面取得了一定進展。利用轉基因技術，將耐鹽、抗旱基因導入到油菜中，在原本荒棄的鹽堿地上可以種植出燦爛的油菜花，菜

45、籽油經過不太復雜的提煉就可以轉化為用于工業(yè)的“燃料油”。另外，由于轉基因油菜把從土壤中吸收的鹽分“聚集”在葉片中，這種耐鹽的油菜同時還具有“吸鹽”作用，一棵經過基因改造的油菜一年可以從土壤中吸收大約12克的鹽分，經過一段時間的改造，鹽堿地可以逐步得到改造，新的生態(tài)平衡逐漸形成，達到良性發(fā)展。 轉基因技術的應用徹底改變了原有“石油植物”的遺傳性質，將植物的優(yōu)良品質保留下來，省卻了雜交育種中基因分離的煩惱。 發(fā)展“石油植物”的主要矛盾是，“石油植物”其含油量還不夠高，開發(fā)成本還比較高。中科院昆明植物研究所的邱明華研究員說，需要通過轉基因和人工育種，進一步改善植物品質。 生物質能源的高效利用，遠非易

46、事，必須要有較高的投入和持續(xù)的研究，才能將其高效地產業(yè)化，真正解決我國、乃至世界的能源危機和生態(tài)惡化問題。,美國人工種植黃鼠草每公頃可年產6000千克石油；美國西海岸巨型海藻等。,生物質能 氣化發(fā)電 8萬千瓦秸稈氣化、沼氣工程年總供氣量相當標準煤200萬噸,我國十五發(fā)展目標,3、風能,我國有9臺機組，裝機2萬千瓦，（括巷山） 問題：A、如何貯存好能量使在無風時也能供電；（解決辦法：有風期給蓄電池充電，但費錢；風車的電力電解水制氫氣，作燃料）； B、結構設計是建立風力發(fā)動機中的另一個問題。,風力發(fā)電 丹麥是風力發(fā)電大國，現(xiàn)有6300座風力發(fā)電機，提供13%的電力需求。,風力發(fā)電裝機總容量達到15

47、0萬千瓦左右制造600KW大風力發(fā)電機,我國十五發(fā)展目標,西藏發(fā)電量40是地熱電，西藏羊八角地熱電站水溫150。 分類 A、干蒸汽源：地熱蒸汽直接供給渦輪機，電站的建筑成本和電弗比任何別的能源低；B、濕蒸汽熱：同時放出蒸汽和熱水；C、熱若源：地熱田沒有地下水，用泵把水灌進去加熱，然后抽出來進行蒸汽發(fā)電。 問題：A、水枯竭是地熱干蒸汽和地熱濕蒸汽的致命傷；B、地面沉降；C、潛在水污染問題。,4、地熱能,地熱能 相當100萬噸標準煤,我國十五發(fā)展目標,潮汐能電站（7個)，1980年建成的溫岑江廈電站，世界第三。,5、海洋能,潮汐發(fā)電和波力發(fā)電 年開發(fā)能力達2萬千瓦,我國十五發(fā)展目標,6、氫能,氫在

48、周期表中是第1號元素，相對原子量是1.000.在標準狀態(tài)下,它的密度為0.0899g/L, 常溫下為無色氣體。,1s1,其原子核外的電子排布如右圖所示，其核外的電子構型為:,1,氫能優(yōu)點,作為能源，氫有以下特點： 所有元素中,氫重量最輕 當溫度降至-252.7時,可變成液體;若將壓力增大到數(shù)百個大氣壓,則液氫就可變?yōu)榻饘贇洹?所有氣體中,氫氣的導熱性最好 比多數(shù)氣體的導熱系數(shù)高出10倍,因此在能源工業(yè)氫是極好的傳熱載體。,氫是自然界存在最普遍的元素 水中制得，永無枯竭之虞； 據(jù)估計它構成了宇宙質量的75,除空氣中含有單質氫氣外，它主要以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最廣泛的物質。據(jù)推算，

49、如把海水中的氫全部提取出來，它所產生的總熱量比地球上所有石化燃料放出的熱量還大9000倍。,氫能優(yōu)點,氫本身無毒,燃燒后產物沒有污染 產物水無污染，屬“清潔能源”； 由于燃燒產物是水蒸氣，不會產生諸如CO、CO2、碳氫化合物、鉛化物和粉塵顆粒等對環(huán)境有害的污染物質，從而也就不會造成酸雨和溫室效應。所以，氫是世界上最清潔的能源之一。燃燒生成的水還可繼續(xù)制氫，循環(huán)使用。,氫的燃燒性能好 點燃速度快，與空氣混合時有廣泛的可燃范圍?，F(xiàn)有汽車、飛機、艦船及其他運載工具，只需簡單改裝即可使用氫燃料。,熱值高；氫能的燃燒熱值遠高于一次能源 除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的,達

50、142,351kJ/kg,是汽油發(fā)熱值的3倍。,氫能要解決的問題,A、廉價的制氫技術 。理想的氫能源循環(huán)體系：水在太陽能光分解催化劑的作用下分解成氫和氧；氫氣作為燃料電池發(fā)電。 現(xiàn)行太陽能制氫技術包括：太陽能分解水制氫；太陽能電解水制氫；太陽能光化學分解水制氫；太陽能太陽能光電分解水制氫；模擬植物光合作用分解水；光合微生物制氫。,氫能氫的制取,隨著化石燃料耗量的不斷增加,其儲量在日益減少,終有一天會枯竭。這就迫切需要尋找一種不依賴化,石燃料并儲量豐富的新的含能體能源。氫能正是一種較為理想的新的含能體能源。,電廠用制氫設備,工業(yè)氫氣凈化設備,氫能要解決的問題,B、安全、方便的貯氫技術。（密度小，

51、不利于貯存）單位體積LaNi5貯氫量達88Kg/m3，高于液氫70.6 Kg/m3 由于氫易氣化、著火、爆炸，因此如何妥善解決氫能的貯存和運輸問題也就成為開發(fā)氫能的另一個關鍵。,歷史上氫氣熱氣球 爆炸事件震驚世界,氫能的規(guī)模應用：“零排放”氫燃料電池汽車,2003年起年產30萬臺氫燃料電池發(fā)動機,通用、福特、奔馳、豐田等均展示出FC樣車,氫能小轎車,日本本田,德國寶馬,1980年我國研制成功第一輛氫能汽車。,氫的其它應用,氫不但是一種優(yōu)質燃料，還是石油化工、化肥和冶金工業(yè)中的重要原料和物料。如:合成氨工業(yè)要用氫;,用氫制成燃料電池可直接發(fā)電。采用燃料電池和氫氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,其能量轉換效率遠高于現(xiàn)有的火電廠。,氫燃燒電池,7、海水鹽差發(fā)電,用一層多孔質隔膜置江河入海口處，二邊插入電極，由于滲透壓力差而產生電動勢。 技術關鍵：多孔質隔膜如何能將淡水和海水隔開而又形成滲透壓,（四）改變能源轉換途徑,1、現(xiàn)行途徑及弊端 途徑：化學能熱能機械能電能 弊端 ：A、能量利用率低（熱