第六章新能源技术

第六章 新能源技术

能源是人类社会存在与发展的物质基础，能源技术的每次进步都带动了人类社会的发展。由于煤炭、石油和天然气等化石燃料资源不可再生，以及生态环境保护的需要，新能源的开发显得越来越重要。

第一节 能源——人类社会存在与发展的重要基础

能源可简单地理解为含有能量的资源。广义而言，任何物质都可转化为能量，但是转化的数量、转化的难易程度是不相同的。因此，将比较集中又较易转化的含能量物质称为能源。

能源对人类的重要性是不言而喻的，现代社会的生产及生活都离不开能源。没有能源的大量消费，就不会有现代工业所必须的动力，所有的工业机器、汽车、飞机、坦克等都将变成一堆废铁；没有能源，人们将无法煮饭烧菜、取暖及照明。

1.能源如何分类

在地球上，能源的成因主要有三个方面：（1）地球本身蕴藏的能量。如，海洋和陆地内储存的核能、地球的热能等。（2）来自地球以外天体的能量。如宇宙射线、太阳能等。（3）地球与天体相互作用产生的能量，如潮汐能。

由于能源形式多种多样，因此可按不同的方式对能源进行分类。

能源按是否经过加工可分为：一次能源（在自然界中天然存在的，不需要改变其基本形态而可直接利用的能源）和二次能源（由一次能源经过加工转换成的另一种形态的高品质能源，使之易于输送、方便使用）。

能源按能否再生可分为：可再生能源（在自然界中可以不断再生并有规律的得到补充的能源。如太阳能、水能、风能、潮汐能等）和非再生能源（经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源，如煤炭、石油、天然气、核燃料等）。

能源按技术的成熟程度可分为：常规能源（如煤炭、石油、天然气、水力及电力等）和新能源（如太阳能、地热能、核能、风力、波浪能、潮汐能、生物质能和海洋温差能等）。

2.人类社会的三个能源时期

没有能源就没有生机勃勃的地球，更没有人类的今天，人类社会形成与发展都与能源有着密切的关系。人类社会已经经历了三个能源时期：薪柴时期、煤炭时期、石油时期。

距今大约一万年前，原始人在长期的劳动实践中发现了摩擦起火现象，如石器相互撞击时能冒出火花。相传在我国古代有一位名叫燧人氏的人，偶尔看见一种鸟在啄树木时，竟啄出了火花，于是得到启示，发明了钻木取火，给人间带来光明和温暖。火是一种燃烧现象，它是当时的能源——薪柴释放能量的一种形式。

人类从学会利用“火”开始，就以薪柴等生物质燃料来烧饭和取暖，同时以人力、畜力和一部分简单的风力和水力机械作动力，从事生产活动。这个以薪柴等生物质燃料为主要能源的时代，延续了很长时间，占据世界能源舞台的时间长达1万年之久。

18世纪产生了第一次工业革命，它以纺织工业的机械化和蒸汽机的广泛应用为主要标志。而蒸汽机使用的主要燃料就是煤炭，于是煤炭取代薪柴作为主要能源，使世界能源结构从以柴薪为主转向以煤炭为主，以使用煤炭为能源的蒸汽机成为生产的主要动力。19世纪末，电力开始进入社会的各领域，电力成为生产的主要动力，工业更是得到了迅速发展，劳动生产力有了更大的提高。但这时的电力工业主要还是依靠煤炭作为主要燃料。

蒸汽机的推广使用带来了工业的快速发展，推动了社会进步，然而蒸汽机依靠着锅炉和水来产生蒸汽，体积大且笨重，它的效率相对来说还很低，这些因素困扰着人们，促使人们开始寻找新的动力机械。

1876年德国人奥托发明创造了内燃机。内燃机是燃料直接在发动机汽缸内燃烧并将热能转换成机械能的发动机。内燃机使用的燃料是汽油、柴油，它们是从石油中提炼出来的，目前，也可从煤炭中提取出来。内燃机的使用促进了石油工业的发展。石油也随之渗透到工农业生产的各个角落，能源宝座也由煤炭让给了石油。

能源结构的每次重大变革，都必然引起人类社会生产技术的一次革命，每一次的技术变革都将社会生产力不断推向新的水平，促使社会经济和社会文明不断发展。

3.常规能源

（1）煤炭

煤炭被人们誉为黑色的金子、工业的食粮。煤炭在燃烧时放出的热量很高，是木炭的1.5倍，柴薪的2—4倍。如，标准煤燃烧热量值是7000卡/公斤。煤炭是由有机物质和无机物质混合组成的。有机物质的元素主要有碳、氢、氧、氮等，无机物质主要是硫、磷、氟、氯和砷等元素。碳、氢、氧是煤炭有机物质的主体，占95％以上；煤化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低。

①煤炭是如何形成的

煤炭是千百万年来植物的枝叶和根茎，在地面上堆积而成的一层极厚的黑色的腐植质，由于地壳的变动不断地被埋入地下，长期与空气隔绝，并在高温高压下，经过一系列复杂的物理化学变化等因素，形成的黑色可燃沉积岩。

②煤炭有什么用途

煤炭的用途十分广泛，可以根据其使用目的总结为两大主要用途。一是动力煤：发电用煤、蒸汽机车用煤、建材用煤、一般工业锅炉用煤、生活用煤、冶金用动力煤等。二是炼焦煤：炼焦煤的主要用途是炼焦炭。焦炭由焦煤或混合煤高温冶炼而成，一般1.3 吨左右的焦煤才能炼一吨焦炭。焦炭多用于炼钢，是目前钢铁等行业的主要生产原料，被喻为钢铁工业的“基本食粮”。中国是焦炭生产大国，也是世界焦炭市场的主要出口国。2009年全国焦炭产量总计达3.53亿吨，约占全球总产量的60%。

③我国的煤炭资源分布

煤炭是地球上蕴藏量最丰富，分布地域最广的化石燃料。据世界能源委员会的评估，世界煤炭可采资源量达4.84×104亿吨标准煤，占世界化石燃料可采资源量的66.8％。世界上煤炭储量最大的七个国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰。中国煤炭资源量大于1000亿吨以上的内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、河南等6省区的全部或大部，是中国煤炭资源集中分布的地区，其资源量占全国煤炭资源量的50%左右。而新疆煤炭资源的预测储量为2.2万亿吨，占全国煤炭总预测储量的40%。在中国南方，煤炭资源主要集中于贵州、云南、四川三省，这三省煤炭资源量之和占中国南方煤炭资源量的91.47%。

（2） 石油 石油又称原油，是从地下深处开采的可燃粘稠液体，主要是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。

①石油是如何形成的

在地球不断演化的漫长历史过程中，有一些“特殊”时期，如古生代和中生代，大量的植物和动物死亡后，其有机物质不断分解，与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层。由于沉积物不断地堆积加厚，导致温度和压力上升，随着这种过程的不断进行，沉积层变为沉积岩，进而形成沉积盆地。伴随各种地质作用，沉积盆地中的沉积物持续不断地堆积。当温度和压力达到一定程度后，沉积物中动植物的有机物质转化为碳氧化合物分子，最终生成石油和天然气。石油的生成至少需要200万年的时间。

②石油有什么用途

石油的用途很广，开采出来的原油经过加工可炼制为汽油、煤油、柴油，供给汽车、内燃机车、轮船、飞机等作为动力；石油还可提炼出润滑油、润滑脂等润滑剂，用以减少机械的相互摩擦，保护机器零件，延长使用寿命，提高机械的工作效率；石油还是很好的化工原料，在人们生活的各个领域都有石油化工产品，如合成纤维加工成的的确良衣物、腈纶毛织品，合成塑料制成的各式各样的塑料日用品和塑料薄膜、管材、建筑材料、有机玻璃、绝缘材料等，还可制成合成橡胶以补充对天然橡胶需求的不足；从石油中还可提炼出石蜡、沥青、石油焦等。

天然橡胶是由天然的橡胶树干上剖流下来的橡胶液炼制而成的。而橡胶树只生长在热带和亚热带地区，获得1吨胶要从3000株橡胶树上割一年的胶液才行，这样慢的速度满足不了工业发展的需要。而以石油为原料通过不同的合成途径制得的多品种的合成橡胶可适宜于不同的用途，一套年产8万吨的合成橡胶装置的产量，相当于145万亩橡胶树一年所得的橡胶产量。一座年产万吨的合成纤维厂，相当于30万亩棉田一年的产量或250万头羊一年剪下的羊毛量。

③现代石油工业的诞生

世界现代石油工业最早诞生于美国宾夕法尼亚州的泰特斯维尔村。一个叫乔治.比尔斯的人于1855年请美国耶鲁大学西利曼教授对石油进行了化学分析，得出了石油能够通过加热蒸馏分离成几个部分，每个部分都含有碳和氢的成分，其中一种就是高质量的用以发光照明的油。1858年比尔斯请德雷克上校带人打井，1859年8月27日在钻至69英尺时，终于获得了石油。从此，利用钻井获取石油、利用蒸馏法炼制煤油的技术真正实现了工业化，现代石油工业诞生了。

④石油输出国组织(OPEC)

石油输出国组织简称欧佩克(OPEC)，成立于1960年，成员国有伊拉克、伊朗、科威特、沙持阿拉伯、委内瑞拉、阿尔及利亚、厄瓜多尔、加蓬、印度尼西亚、利比亚、尼日利亚、卡塔尔、阿拉伯联合酋长国等13个国家。欧佩克是以海湾地区产油国为中心、为维护他们共同的经济利益而建立的国际组织。

（3）天然气

日常生活中人们所指的“天然气”是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中。天然气是图6-1 兰州黄河边的水车 一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。

①天然气是如何形成的

各种类型的有机质都可形成天然气——腐泥型有机质则既生油又生气，腐植型有机质主要生成气态烃。天然气按成因可分为生物成因气、油型气和煤型气。生物成因气是指成岩作用（阶段）早期，在浅层生物化学作用带内，沉积有机质经微生物的群体发酵和合成作用形成的天然气。油型气包括湿气（石油伴生气）、凝析气和裂解气。它们是沉积有机质特别是腐泥型有机质在热降解成油过程中，与石油一起形成的，或者是在后成作用阶段由有机质和早期形成的液态石油热裂解形成的。煤型气是指煤系有机质（包括煤层和煤系地层中的分散有机质）热演化生成的天然气。

②天然气有什么用途

天然气主要用于发电、化工工业、交通运输和日常生活等方面，如今以天然气代替汽车用油在城市出租车行业开始推广，作为生活用的燃料在一般城市居民家庭逐渐普及。

第二节 水能——较早利用的可再生能源

江河大川中流动的水具有动能，河流的落差越大，其能量也越大，这种由水流及其落差所蕴藏的能量，就是我们所指的水能。

水能是常规能源，一次能源，是一种廉价而又干净的能源。最易开发和利用比较成熟的水能是河流能源。目前，全世界水电装机总容量约4亿千瓦，仅占可利用资源的18％。发达国家水能资源利用比较充分，其中西欧国家开发已超过70％，美国为44％，俄罗斯约20％。发展中国家水能利用率比较低，例如非洲的扎伊尔水能蕴藏量达1亿千瓦，而水能利用率尚不到1％。我国山区较多，地形高差又大，水力资源极为丰富，是世界上水能蕴藏量最大的国家。据普查统计，我国水能资源蕴藏总量约为6.8亿千瓦，其理论上的发电量可达5.9万亿度／年。2009年底，我国水电装机容量为1.97亿千瓦，居世界第一位。

1.孔明车——古老的水车

人类对水能的开发历史相当悠久。农业发展到人力和畜力已满足不了生产的需要时，水车出现了，它们被安装在小河上，水流冲击以后，可以带动轮子转动，用以捣米、磨面、汲水和灌溉。

在我国，水车又称孔明车，相传为汉灵帝时华岚造出雏形，经三国时孔明改造完善后在蜀国推广使用。隋唐时已被广泛用于农业灌溉，到清朝年间，水车发展到鼎盛时期。如，在兰州境内及毗邻地区黄河两岸，大、小水车数量相当可观。每隔三至五里，就有水车三至五架，耸立河畔，引水灌田。