能源工程

前言

當(dāng)今世界上能源的三大支柱仍是煤炭、石油和天然氣，它們構(gòu)成了化石能源(不可再生能源)的主體?；茉吹纳a(chǎn)和消費(fèi)，促進(jìn)了全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，同時(shí)也帶來(lái)了對(duì)生態(tài)環(huán)境的不良影響和破壞。再加上這三種能源的有限性，要保持人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，就必須大力開(kāi)展能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，以及高新科技的研究與開(kāi)發(fā)，建立優(yōu)質(zhì)、高效、潔凈、低耗的能源系統(tǒng)。自1975年中東戰(zhàn)爭(zhēng)引發(fā)第一次石油危機(jī)以來(lái)，世界能源進(jìn)入了從以化石能源為主向以可再生能源為基礎(chǔ)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，這將是一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程，估計(jì)約需時(shí)100年左右。在世界能源比例中，煤炭?jī)?chǔ)量豐富，石油、天然氣資源相對(duì)不足。而中國(guó)更是一個(gè)富煤的國(guó)家。專(zhuān)家們分析認(rèn)為，一次能源在近期、中期(2030年)，仍以煤炭為主，遠(yuǎn)期(2050年)將形成化石能源、核能、太陽(yáng)能等新能源的多元能源結(jié)構(gòu)。從目前世界各國(guó)的能源結(jié)構(gòu)看，所有工業(yè)化國(guó)家均以油氣燃料為主，這是提高能源效率、降低能源系統(tǒng)成本、減少環(huán)境污染和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的選擇，也是當(dāng)今世界能源發(fā)展的一個(gè)基本趨勢(shì)。工業(yè)化國(guó)家的幾十年實(shí)踐表明：電力增長(zhǎng)越快，一次能源需求增長(zhǎng)就越慢，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)消耗就越少，所造成的環(huán)境污染也就越少。節(jié)約能源，提高能源利用效率，也是世界能源發(fā)展的一個(gè)基本趨勢(shì)。因此，全球正在發(fā)展先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，加快提高一次能源轉(zhuǎn)換成二次能源的比重。在目前大量消耗煤炭能源的同時(shí)，必須使用物理和化學(xué)方法，以及高新技術(shù)，將煤炭轉(zhuǎn)化為二次能源或終端消費(fèi)的能源，這是保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略的根本保證。目前世界各國(guó)都十分重視能源科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)是可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)研究，它包括現(xiàn)有能源的低污染利用、新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境協(xié)調(diào)的能源系統(tǒng)。一些能源專(zhuān)家認(rèn)為，太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮?、波浪能和氫能這六種新能源，在今后將會(huì)優(yōu)先獲得開(kāi)發(fā)利用。太陽(yáng)能：太陽(yáng)能的利用形式很多，例如太陽(yáng)能集熱為建筑供暖、供熱水，用太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)交通工具和其他動(dòng)力裝置等，這些都屬于太陽(yáng)能小型、分散的利用形式。太陽(yáng)能大型、集中的利用形式，則是太空發(fā)電。風(fēng)能：風(fēng)能是一種古老能源。風(fēng)能利用技術(shù)不斷革新，使這種豐富的無(wú)污染的能源重放異彩。據(jù)估計(jì)，20～30年內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電量將要占?xì)W共體總發(fā)電量的12%。核能：核能的開(kāi)發(fā)利用是人類(lèi)能源歷史上的一次巨大飛躍。能源專(zhuān)家評(píng)價(jià)，在未來(lái)多元化的能源結(jié)構(gòu)中，核能代替常規(guī)能源將勢(shì)在必行，核能的地位將會(huì)逐漸提高，成為未來(lái)能源發(fā)展的一個(gè)重要方向。地?zé)崮埽耗壳笆澜缟弦延薪?00座地?zé)岚l(fā)電站投入了運(yùn)行，裝機(jī)容量達(dá)數(shù)百萬(wàn)千瓦。研究表明，地?zé)崮艿奶N(yùn)藏量相當(dāng)于地球煤炭?jī)?chǔ)量熱能的1.7 億倍，可供人類(lèi)消耗幾百億年。波浪能：主要的開(kāi)發(fā)形式是海洋潮汐發(fā)電。法國(guó)的潮汐發(fā)電量已占總發(fā)電量的1%。目前世界沿海國(guó)家，都在大力發(fā)展波浪發(fā)電。氫能：氫是宇宙中含量最豐富的元素之一，用水就可以取出無(wú)窮無(wú)盡的氫。本書(shū)將展示目前和理想中的能源開(kāi)發(fā)利用的新方法、新技術(shù)，供讀者閱讀。

內(nèi)容概要

　　目前世界各國(guó)都十分重視能源科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)是可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)研究，它包括現(xiàn)有能源的低污染利用、新能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境協(xié)調(diào)的能源系統(tǒng)。一些能源專(zhuān)家認(rèn)為，太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮?、波浪能和氫能這六種新能源，在今后將會(huì)優(yōu)先獲得開(kāi)發(fā)利用?！　”緯?shū)將展示目前和理想中的能源開(kāi)發(fā)利用的新方法、新技術(shù)，供讀者閱讀?！　哪壳笆澜绺鲊?guó)的能源結(jié)構(gòu)看，所有工業(yè)化國(guó)家均以油氣燃料為主，這是提高能源效率、降低能源系統(tǒng)成本、減少環(huán)境污染和提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的選擇，也是當(dāng)今世界能源發(fā)展的一個(gè)基本趨勢(shì)。工業(yè)化國(guó)家的幾十年實(shí)踐表明：電力增長(zhǎng)越快，一次能源需求增長(zhǎng)就越慢，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）消耗就越少，所造成的環(huán)境污染也就越少。節(jié)約能源，提高能源利用效率，也是世界能源發(fā)展的一個(gè)基本趨勢(shì)。

書(shū)籍目錄

第一章 化石能源的新科技煤的汽化/002煤的液化/004煤的液化技術(shù)/006高效節(jié)煤技術(shù)/008煤電潔凈技術(shù)/010褐煤用途多/012沸騰燃燒鍋爐/014海上石油開(kāi)發(fā)新技術(shù)/016天然氣采氣工藝/018油頁(yè)巖工業(yè)的前景/020第二章 太陽(yáng)能的利用太陽(yáng)能的利用方法/024集熱器/026太陽(yáng)能的儲(chǔ)存/028太陽(yáng)灶/030太陽(yáng)能熱水器/032太陽(yáng)能溫室/034太陽(yáng)能干燥技術(shù)/036太陽(yáng)房/038太陽(yáng)能制冷/040太陽(yáng)能蒸餾器/042太陽(yáng)能發(fā)電/044太陽(yáng)電池/046太陽(yáng)能育種/048太陽(yáng)能消毒土壤/050宇宙發(fā)電新技術(shù)/052在月球上發(fā)電/054第三章 風(fēng)能的利用風(fēng)能利用的形式/058風(fēng)力發(fā)電/060巧用風(fēng)能/062風(fēng)力田/064風(fēng)能采暖/066第四章 海洋能工程潮汐發(fā)電/070未來(lái)的潮汐發(fā)電站/072海浪發(fā)電/074波浪發(fā)電原理/076海流發(fā)電/078潮流發(fā)電/080海水溫差試驗(yàn)電站/082濃差電池/084濃差發(fā)電/086海洋生物電站/088第五章 生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)生物質(zhì)的汽化和液化/092生物質(zhì)能工程/094人工制取沼氣/096制造沼氣的原料/098水壓式沼氣池/100第六章 地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)地?zé)崽锏念?lèi)型/104低溫地?zé)岬木C合利用/106溫泉與治病/108溫泉與農(nóng)業(yè)/110溫泉與工業(yè)/112地?zé)衢_(kāi)采/114地?zé)峁┡录夹g(shù)/116地?zé)岚l(fā)電/118干熱巖石地?zé)岚l(fā)電/120第七章 核能工程海水提鈾新技術(shù)/124钚-239的生產(chǎn)/126天然鈾的濃縮/128裂變反應(yīng)/130聚變反應(yīng)/132從氫彈爆炸說(shuō)起/134核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)/136核電站/138核反應(yīng)堆和核電站的類(lèi)型/140核電發(fā)展的三部曲/142解決能源的最終途徑/144第八章 氫和鋰的應(yīng)用氫氣的儲(chǔ)存/148常規(guī)制氫/150生物制氫/152太陽(yáng)能制氫/154原子造氫/156摻氫汽車(chē)/158從鋰電池談起/160第九章 當(dāng)今發(fā)電新技術(shù)電能的優(yōu)點(diǎn)/164電的世界/166電能開(kāi)發(fā)新技術(shù)/168燃料電池/170磁流體發(fā)電/172原子電池/174微生物電池/176雨雪垃圾能發(fā)電/178大氣壓差發(fā)電/180溫差發(fā)電/182余熱發(fā)電/184

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 化石能源的新科技煤的汽化煤炭是幾億年前到幾千萬(wàn)年前，地球上的植物被埋在地下，經(jīng)過(guò)壓力和高溫等地質(zhì)作用，逐漸碳化變成的。不同的地質(zhì)年代，地球上生長(zhǎng)的植物不一樣，再加上生成煤的條件又有所不同，因此人們才能見(jiàn)到褐煤、煙煤和無(wú)煙煤等多種煤炭。但是，無(wú)論哪種煤，全都是固體，使用和運(yùn)輸都不方便。直接燒煤，熱效率低，浪費(fèi)大，同時(shí)還會(huì)放出二氧化硫和氧化氮等有害氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境。為了改變以上狀況，最好的辦法就是把固體的煤炭變成氣體，或者變成液體來(lái)使用。這樣既可以提高熱效率，又不會(huì)污染環(huán)境。煤的汽化，是借助水蒸氣、空氣或者氧氣等氣體，在高溫條件下，把煤炭里的大分子結(jié)構(gòu)打碎，變成小分子的可以燃燒的氣體。煤的汽化，可以追溯到1883年，英國(guó)建起了世界上第一個(gè)大型汽化爐，叫伍德?tīng)t。到今天為止，人類(lèi)探索研究煤的汽化工藝不下幾百種。20世紀(jì)30年代，德國(guó)發(fā)明了溫克勒硫化床汽化爐和魯奇加壓汽化爐，用來(lái)生產(chǎn)城市煤氣。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了軍事上的需要，納粹德國(guó)用煤汽化所生產(chǎn)的氣體曾經(jīng)合成了汽油。20世紀(jì)60年代以后，進(jìn)入了天然石油時(shí)代，汽化用的大部分原料就從固體的煤炭轉(zhuǎn)向液體石油。1973年以后，由于天然石油供應(yīng)緊張，因此，煤的汽化技術(shù)的研究，又進(jìn)入一個(gè)新的歷史階段。在煤的汽化工業(yè)中，從煤里提取出來(lái)的煤氣，有的用做燃料，成為優(yōu)質(zhì)高效，無(wú)污染的能源，有的成為化工原料，制成各種化工產(chǎn)品。如果汽化所生產(chǎn)的煤氣是用來(lái)做燃料，那就必須使煤中的碳同水蒸氣的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即以碳氧的反應(yīng)為主，第一步先生成氧化碳，然后讓它再同水蒸氣繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳混合氣體，經(jīng)過(guò)洗滌，除去二氧化碳，剩下比較純凈的氫氣。最后，再同煤中的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的就是人們需要的氣體燃料——甲烷氣。如果汽化生產(chǎn)的煤氣是用來(lái)做化工原料，就應(yīng)該減少甲烷的含量，增加氫氣的含量。汽化的初期階段，大部分灰分變成了灰渣，從汽化爐下面排出去了，只有少部分灰分和氮、硫等元素一起參加化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。為了保證汽化煤氣的質(zhì)量，減少環(huán)境污染，必須把煤氣再做凈化處理。一般來(lái)說(shuō)，人們把中熱值煤氣和高熱值煤氣用于城市煤氣，低熱值煤氣可用在化工合成上，也可用做聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的燃料。煤的液化煤與石油相比，無(wú)論從運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面來(lái)看，還是就其通用性而言，都有許多不足之處。早在第一次世界大戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)雙方都痛感石油的重要，貧油的德國(guó)千方百計(jì)的企圖把煤變成石油一樣的液體燃料，即人造石油。經(jīng)過(guò)德國(guó)科學(xué)家的努力，為煤的液化奠定了初步基礎(chǔ)。煤的液化，就是在一定的工藝條件下，通過(guò)各種化學(xué)反應(yīng)，把固體的煤炭變成液體的燃料。煤怎樣能變成石油呢？原來(lái)煤和石油都是由碳、氫及少量其他元素組成的，但這些元素的比例不同，煤的分子量比石油的大得多。只要設(shè)法改變碳?xì)浔壤⒚簾峤獬奢^小的分子，煤就會(huì)變成石油樣的液體燃料。地質(zhì)年代越淺的煤，元素組成與石油越相似，其液化也就越容易，如褐煤比煙煤、無(wú)煙煤容易液化。再說(shuō)的具體一些，雖然煤和石油的化學(xué)成分基本上相同，都是由碳、氫、氧等化學(xué)元素組成的。石油的主要成分是碳和氫，硫和氧的含量特別少。而煤卻是一種復(fù)雜的混合物，它的分子量很大，是石油的10倍，甚至更多。煤炭跟石油的另一個(gè)主要區(qū)別是，它們所含的碳原子的數(shù)目和氫原子的數(shù)目之比各不相同，煤的碳、氫原子比大約是石油的兩倍。也就是說(shuō)，煤里的碳原子的數(shù)目比石油的多，而氫原子的數(shù)目卻比石油的少。但是，煤里的氧原子和氮原子的數(shù)目又比石油的多很多。另外，從分子結(jié)構(gòu)上來(lái)看，煤里的碳原子主要是呈環(huán)狀形式結(jié)合在一起的，而石油的分子結(jié)構(gòu)卻主要是鏈條式。因此，科學(xué)家就可以選擇一定的條件，像高溫、高壓等條件，往煤的分子里加進(jìn)大量的氫元素，把煤里的大分子變成小分子，使它的結(jié)構(gòu)跟石油差不多。這就是煤的液化原理。煤的液化反應(yīng)實(shí)際上很復(fù)雜，要在400℃-480℃，100個(gè)大氣壓到300個(gè)大氣壓的條件下，才能夠進(jìn)行。煤受熱后，有一部分直接變成油，一部分先變成一種不太穩(wěn)定的中間產(chǎn)物——“瀝青烯”，瀝青烯再與氫氣反應(yīng)生成油。不過(guò)，煤并不是全部變成了油，其中那些不參加液化反應(yīng)的物質(zhì)，像煤里的灰分等，也混在里面。因此，液化反應(yīng)以后，還得把這些東西從油里分離出去。這時(shí)所得到的液化油是暗褐色的，還不能直接用作燃料，還需送到煉油廠再加工。細(xì)心的人不難發(fā)現(xiàn)，在一塊煤上有很多層，有的烏黑發(fā)亮，有的暗淡無(wú)光。在煤巖學(xué)上，那黑色發(fā)亮的部分叫亮煤，又叫鏡煤。它很容易被液化，因此人們管它叫活性組分。那些不容易或不能被液化的部分，人們稱(chēng)它為惰性組分，惰性組分不能變成石油，最后成渣子，可用來(lái)制取氫氣。煤的液化技術(shù)煤的液化技術(shù)，從開(kāi)發(fā)到現(xiàn)在，已經(jīng)近一個(gè)世紀(jì)的歷史了。研究的工藝不下幾十種。大體上可以分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是直接液化法；另一類(lèi)是間接液化法。直接液化法，就是把煤和溶劑混合在一起，制成稀粥一樣的煤漿，經(jīng)過(guò)加氫裂解反應(yīng)，直接變成液體的油，目前許多國(guó)家都在積極探索和研究這種方法。間接液化法，不是直接得到液體油，而是先把煤炭變成一氧化碳和氫氣，也就是煤的汽化，然后再把這兩種混合氣體合成為液體燃料。現(xiàn)在這種方法已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。液化煤炭技術(shù)的幾種方式如下：1.間接液化法（費(fèi)-托法） 先在汽化器中用蒸汽和氧氣把煤汽化成一氧化碳和氫氣，然后再在較高的壓力、溫度和存在催化劑的條件下反應(yīng)生成液態(tài)羥。南非（阿扎尼亞）1956年投運(yùn)的第一座費(fèi)希-托洛希煤炭液化工藝的工廠，是世界上唯一具有商業(yè)規(guī)模的液化廠。日產(chǎn)液化煤炭1萬(wàn)桶，產(chǎn)品包括重油、柴油、煤油和汽油等。用費(fèi)-托法生產(chǎn)液態(tài)燃料，需要經(jīng)過(guò)汽化和液化兩段流程，生產(chǎn)工藝繁雜，液體產(chǎn)品的收集率不高，每噸原料煤只能出1.5桶液體產(chǎn)品。2.氫化法 分直接加氫液化法和溶劑萃取法兩類(lèi)，是煤炭液化技術(shù)的研究重點(diǎn)。（1）直接加氫液化法 這一液化方法的代表性技術(shù)是美國(guó)羥研究公司的氫-煤法。它要通過(guò)催化劑的幫助，直接加氫從煤中制取液體燃料，每噸煤可生產(chǎn)液體燃料3桶。氫-煤法能否投入工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，是要提供廉價(jià)的催化劑和大力降低氫氣的耗量?，F(xiàn)在的技術(shù)，用氫-煤法每處理1噸原料煤需要消耗600立方米的氫氣，比其他液化方法高得多，從而影響其生產(chǎn)成本的降低。（2）溶劑萃取法 美國(guó)發(fā)展的溶劑精制煤法，是利用載氫能力好的蒽油和反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的重質(zhì)油對(duì)煤進(jìn)行萃取，得到灰分和硫含量很低的固體溶劑精制煤或液體燃料。這種方法不使用催化劑，每噸原料煤可生產(chǎn)2.5～3桶液體產(chǎn)品。3.熱解法 也稱(chēng)炭化法，是從煤獲取液體燃料最老的一種方法。但是，現(xiàn)在研究熱解法的目的已經(jīng)成為獲取液態(tài)產(chǎn)品的手段了，而固態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)品則僅僅是這種方法的副產(chǎn)品。這種方法采用多段硫化床熱解技術(shù)，不用催化劑，也不用溶劑萃取，但油和收集率低，只有20%，半焦占60%，還副產(chǎn)一些煤氣。經(jīng)過(guò)洗選的原煤，平均灰分大約降低30％，也就是說(shuō)，1噸原煤，不能燒的東西只占1／4多一點(diǎn)。如果原煤不經(jīng)洗選，就不可能達(dá)到這么好的技術(shù)指標(biāo)。所以煤礦上多建一些洗煤廠，把煤洗選后成為凈煤再往外運(yùn)，這樣光灰分就降低了5％，可減少熱量損失。在燃燒方面，現(xiàn)在大力推廣應(yīng)用沸騰爐燒煤矸石、石煤等劣質(zhì)燃料，同時(shí)從燒煙煤發(fā)展到充分利用褐煤和無(wú)煙煤，這樣可以節(jié)約優(yōu)質(zhì)煤，提高劣質(zhì)煤效率，可以做到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，由于鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，世界上許多國(guó)家都感到，煉焦煤，特別是煉焦煤里的強(qiáng)黏結(jié)煤供不應(yīng)求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們正在從兩個(gè)方面進(jìn)行探索和研究，一是積極開(kāi)發(fā)新的煉焦技術(shù)，尋找新的替代原料；二是合理利用現(xiàn)有的煉焦煤資源，盡量做到產(chǎn)銷(xiāo)對(duì)路，物盡其用。煉焦煤必須先經(jīng)過(guò)洗選，目前由于洗選能力很低，浪費(fèi)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)中國(guó)有70％左右的煉焦煤沒(méi)有送去煉焦，而是作為動(dòng)力煤燒掉了，這是非常可惜的。因此增加洗選設(shè)備，提高洗選能力，同時(shí)適當(dāng)控制煉焦煤的產(chǎn)量，把采出來(lái)的煉焦煤都用來(lái)煉焦，這是當(dāng)前在煤的合理利用方面很有經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)工作。用無(wú)煙煤代替焦炭來(lái)生產(chǎn)合成氨，每生產(chǎn)1噸合成氨就能節(jié)省2噸半煤，成本也降低60元左右。用無(wú)煙煤做高爐煉鐵的噴吹燃料，每噴進(jìn)1噸無(wú)煙煤粉所節(jié)省下來(lái)的焦炭，就相當(dāng)于2.7噸的原煤。直接燒煤，很難完全燒盡，總得留下?tīng)t灰、爐渣。例如燒煤的電廠，一般爐灰、爐渣的含碳量最少也有10％，高的可達(dá)20％，甚至30％，煤炭的損失很大，熱效率也低，平均為30％，為什么會(huì)這么低呢？主要同直接燒煤有關(guān)。如果把煤炭液化或汽化燃燒，就可以提高熱效率了。把煤變成液化油，它的總熱效率比直接燒煤高出10％；把煤變成氣體燃料來(lái)用，它的熱效率比直接燒煤的鍋爐的熱效率高出10％，比民用爐灶的熱效率高出一倍以上。煤矸石的利用也是合理利用煤炭的課題之一。到目前為止，各國(guó)煤礦礦山的煤矸石，日積月累，堆積如山，不僅占用大量土地，也污染環(huán)境，有時(shí)甚至還會(huì)著火或者造成崩塌事故。然而煤矸石并不是廢物，它是一種潛在的礦產(chǎn)，既能夠當(dāng)燃料，又含有一些有用的成分。例如，它可以做磚和水泥等建筑材料，可以用來(lái)修路造地，改良土壤，提取有用的化學(xué)元素等。

編輯推薦

多位專(zhuān)家合力打造，全新角度權(quán)威奉獻(xiàn)

圖書(shū)封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    能源工程 PDF格式下載

---