《能源化工基礎(chǔ)》課件

能源化工基礎(chǔ)：課程簡介本課程介紹能源化工領(lǐng)域的基本理論與技術(shù)涵蓋傳統(tǒng)能源與新能源的轉(zhuǎn)化、儲存與應(yīng)用第一章：能源化工概論能源化工定義能源資源轉(zhuǎn)化為有用能源形式的化學(xué)工藝發(fā)展歷程從傳統(tǒng)化石能源到多元化能源結(jié)構(gòu)行業(yè)現(xiàn)狀能源與能量的關(guān)系能源概念自然界中可轉(zhuǎn)化為動力的資源1能量形式熱能、光能、機(jī)械能、化學(xué)能等2能量守恒能量總量保持不變的基本規(guī)律3能量轉(zhuǎn)化能源化工的核心過程4能源與環(huán)境保護(hù)環(huán)境友好技術(shù)清潔生產(chǎn)工藝污染控制廢氣、廢水、固廢處理循環(huán)經(jīng)濟(jì)資源高效利用與回收能源與可持續(xù)發(fā)展資源平衡合理開發(fā)與保護(hù)效率提升高效轉(zhuǎn)化技術(shù)技術(shù)創(chuàng)新新型能源系統(tǒng)未來展望碳中和目標(biāo)實現(xiàn)第二章：傳統(tǒng)能源化工煤炭化工煤制氣、煤制油、焦化等技術(shù)石油化工煉油、乙烯、芳烴等工藝天然氣化工氣體分離、氣體合成等過程煤炭資源概況1.07萬億全球儲量噸標(biāo)準(zhǔn)煤38.4億中國產(chǎn)量噸/年50.5%中國能源占比2022年數(shù)據(jù)200年可開采年限按目前消費速度煤化工基礎(chǔ)煤炭分類無煙煤、煙煤、褐煤煤炭組成碳、氫、氧、氮、硫熱解特性熱解溫度與產(chǎn)物分布結(jié)構(gòu)表征大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)先進(jìn)煤炭利用技術(shù)技術(shù)類型原理特點應(yīng)用領(lǐng)域煤氣化高溫部分氧化合成氣生產(chǎn)煤液化加氫裂解轉(zhuǎn)化液體燃料制備超臨界發(fā)電高溫高壓蒸汽清潔發(fā)電煤層氣開發(fā)煤層中甲烷提取氣體燃料生產(chǎn)石油工業(yè)發(fā)展趨勢資源開發(fā)多元化常規(guī)、非常規(guī)資源并舉煉化一體化產(chǎn)業(yè)鏈延伸提高附加值智能化數(shù)字化自動控制與數(shù)據(jù)分析綠色低碳轉(zhuǎn)型降低碳排放與環(huán)境影響石油煉制基本原理溫度(°C)轉(zhuǎn)化率(%)石油化工技術(shù)乙烯生產(chǎn)輕質(zhì)烴高溫裂解芳烴加工重整與萃取分離聚合物合成聚乙烯、聚丙烯制備甲醇制備合成氣催化轉(zhuǎn)化天然氣化工概況天然氣凈化脫硫、脫水、脫汞工藝天然氣液化深冷工藝與液態(tài)存儲天然氣轉(zhuǎn)化制甲醇、制合成氣等化工利用第三章：新能源化工氫能基礎(chǔ)知識氫元素特性最輕元素，能量密度高水電解制氫電能分解水生成氫氣甲烷重整制氫天然氣催化轉(zhuǎn)化光催化制氫太陽能直接分解水燃料電池技術(shù)質(zhì)子交換膜固體氧化物堿性磷酸熔融碳酸鹽太陽能利用原理光化學(xué)轉(zhuǎn)化光合作用與光催化光電轉(zhuǎn)化光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能光熱轉(zhuǎn)化吸收太陽輻射熱能太陽能光伏發(fā)電原理基礎(chǔ)PN結(jié)吸收光子產(chǎn)生電子空穴對材料技術(shù)單晶硅、多晶硅、薄膜、鈣鈦礦組件制造電池片連接封裝形成發(fā)電單元系統(tǒng)集成逆變器、控制系統(tǒng)、并網(wǎng)技術(shù)太陽能光熱發(fā)電槽式系統(tǒng)拋物線槽聚光系統(tǒng)工作溫度：300-400°C適合中等規(guī)模電站塔式系統(tǒng)定日鏡反射至中央接收塔工作溫度：500-1000°C適合大規(guī)模電站碟式系統(tǒng)拋物面碟形反射器工作溫度：600-800°C適合分布式發(fā)電風(fēng)能利用技術(shù)風(fēng)能資源評估風(fēng)速分布測量風(fēng)力密度計算地形影響分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組水平軸與垂直軸直驅(qū)與間接驅(qū)動陸上與海上風(fēng)機(jī)風(fēng)電場設(shè)計機(jī)組布局優(yōu)化電氣系統(tǒng)集成并網(wǎng)技術(shù)解決生物質(zhì)能源概述農(nóng)林廢棄物秸稈、、鋸末1能源作物甜高粱、麻瘋樹、芒草2城市有機(jī)廢物餐廚垃圾、污泥3水生生物質(zhì)藻類、水生植物4生物質(zhì)制沼氣預(yù)處理粉碎、調(diào)質(zhì)、調(diào)整C/N比厭氧發(fā)酵水解、酸化、產(chǎn)甲烷凈化提純脫硫、脫水、CO2分離利用發(fā)電、供熱、車用燃料生物質(zhì)制燃料乙醇原料類型預(yù)處理方法轉(zhuǎn)化率(%)技術(shù)挑戰(zhàn)淀粉質(zhì)液化糖化85-90與糧爭地糖質(zhì)直接發(fā)酵90-95季節(jié)性強(qiáng)纖維素物理化學(xué)解聚60-75酶成本高藻類破壁提取45-60培養(yǎng)能耗大生物質(zhì)制氫生物光解藻類光合產(chǎn)氫暗發(fā)酵厭氧菌產(chǎn)氫氣化制氫高溫氣化合成氣水相重整中溫催化產(chǎn)氫生物質(zhì)制柴油及航空燃料油料提取從油料作物和微藻中提取油脂轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)油脂與醇反應(yīng)生成脂肪酸酯3精制提純?nèi)コs質(zhì)、調(diào)整冷流性能4加氫處理生成航空燃料分子結(jié)構(gòu)第四章：能源轉(zhuǎn)化過程熱力學(xué)轉(zhuǎn)化溫度梯度能量轉(zhuǎn)移化學(xué)轉(zhuǎn)化分子結(jié)構(gòu)重組電化學(xué)轉(zhuǎn)化電子轉(zhuǎn)移能量傳遞能量轉(zhuǎn)化基本原理理論效率(%)實際效率(%)化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化燃料電池氫氧反應(yīng)釋放電能效率高，零排放適用于交通和分布式能源電解水電能分解水生成氫氧可調(diào)節(jié)負(fù)荷與可再生能源互補(bǔ)二次電池可充放電化學(xué)裝置儲能密度逐步提高便攜式與固定式應(yīng)用熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化核能利用基礎(chǔ)核裂變原子核分裂釋放能量堆芯反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)控制產(chǎn)熱熱交換冷卻劑傳遞熱能能量轉(zhuǎn)換蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電第五章：能源儲存技術(shù)電化學(xué)儲能鋰電池、鉛酸電池、液流電池物理儲能壓縮空氣、飛輪、抽水蓄能熱能儲存相變材料、熔鹽、蓄熱體化學(xué)儲能氫能、合成甲烷、氨化學(xué)儲能原理能量密度單位質(zhì)量儲存能量化學(xué)鍵能鍵斷裂與生成能量變化反應(yīng)熱力學(xué)能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律電化學(xué)儲能技術(shù)250Wh/kg鋰離子電池手機(jī)、電動車主要電源45Wh/kg鉛酸電池應(yīng)用最廣泛的電池類型120Wh/kg鈉硫電池高溫工作的大規(guī)模儲能200Wh/L液流電池功率與容量獨立設(shè)計熱能儲存方法顯熱儲存水儲熱巖石蓄熱熔鹽蓄熱潛熱儲存相變材料有機(jī)相變物質(zhì)無機(jī)鹽水合物化學(xué)蓄熱吸附蓄熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱氨分解-合成循環(huán)氫儲存材料與技術(shù)高壓氣態(tài)儲氫700bar碳纖維儲罐低溫液態(tài)儲氫-253°C深冷液化固態(tài)儲氫金屬氫化物、MOF材料有機(jī)液態(tài)儲氫甲基環(huán)己烷等液態(tài)有機(jī)載體第六章：能源傳輸系統(tǒng)能源形式轉(zhuǎn)換一次能源轉(zhuǎn)為便于傳輸能源形式能源傳輸載體電力、燃?xì)?、熱力、氫能等傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)管道、電網(wǎng)、儲運設(shè)施等基礎(chǔ)設(shè)施智能調(diào)度管理數(shù)字化、智能化能源傳輸控制電力傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸距離(km)損耗率(%)天然氣管道運輸長輸管道壓力：6-12MPa管徑：600-1400mm適合陸地長距離運輸LNG運輸溫度：-162°C體積減小約600倍適合遠(yuǎn)洋運輸壓縮天然氣壓力：20-25MPa運輸方式靈活適合分布式供應(yīng)新型能源運輸方式氫能運輸高壓氣態(tài)、液態(tài)、有機(jī)載體化學(xué)儲能運輸大型電池組移動充放電氨能源運輸液氨作為氫能載體4甲醇運輸液態(tài)常溫儲運優(yōu)勢第七章：能源化工中的催化過程催化劑選擇活性、選擇性與穩(wěn)定性平衡1反應(yīng)過程優(yōu)化溫度、壓力、濃度調(diào)控反應(yīng)器設(shè)計傳質(zhì)傳熱與反應(yīng)耦合催化劑再生活性恢復(fù)與循環(huán)利用4催化劑基礎(chǔ)知識能源化工中的典型催化反應(yīng)反應(yīng)類型催化劑工藝條件應(yīng)用領(lǐng)域催化裂化分子篩500°C,常壓汽油生產(chǎn)催化重整Pt-Re/Al2O3490°C,3.5MPa芳烴生產(chǎn)甲烷重整Ni/Al2O3850°C,2MPa合成氣制備費托合成Co/Fe基220°C,2MPa合成液體燃料催化劑制備方法原料準(zhǔn)備活性組分與載體選擇浸漬/沉淀活性組分與載體結(jié)合干燥/焙燒去除溶劑、形成活性相活化處理還原、硫化等最終處理催化劑表征技術(shù)物相結(jié)構(gòu)XRD、XPS測定晶相和表面組成形貌分析SEM、TEM觀察微觀結(jié)構(gòu)表面性質(zhì)BET、TPD測定比表面和吸附性能第八章：能源化工設(shè)備與過程反應(yīng)器催化反應(yīng)的核心設(shè)備塔器分離與純化裝置換熱器熱能回收與溫度控制輸送設(shè)備物料轉(zhuǎn)移與壓力提升反應(yīng)器設(shè)計基礎(chǔ)反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)速率與影響因素流體力學(xué)流型與停留時間分布傳熱學(xué)熱量傳遞與溫度控制材料學(xué)耐腐蝕、高溫材料選擇傳質(zhì)與傳熱過程1分子擴(kuò)散濃度梯度驅(qū)動傳質(zhì)熱傳導(dǎo)固體內(nèi)部熱能傳遞對流傳熱流體流動帶走熱量輻射傳熱電磁波形式熱量傳遞分離工程在能源化工中的應(yīng)用蒸餾分離基于沸點差異石油分餾、醇精制能耗較高但效率高膜分離基于透過性差異氣體純化、生物質(zhì)分離能耗低但投資高吸附分離基于表面吸附選擇性氣體凈化、有機(jī)物回收適合低濃度組分第九章：能源化工的環(huán)境影響資源循環(huán)廢物資源化利用污染控制末端治理技術(shù)清潔生產(chǎn)過程減排優(yōu)化能源轉(zhuǎn)化過程中的污染物二氧化硫氮氧化物顆粒物二氧化碳揮發(fā)性有機(jī)物其他固定源燃燒廢氣控制1燃燒前控制清潔燃料、燃燒優(yōu)化2燃燒中控制低氮燃燒器、分級燃燒3燃燒后處理脫硫、脫硝、除塵煤轉(zhuǎn)化過程中的廢水處理預(yù)處理油水分離、氣浮、混凝沉淀生化處理厭氧-好氧生物降解深度處理膜分離、活性炭吸附、高級氧化回用/達(dá)標(biāo)排放分級回用或嚴(yán)格達(dá)標(biāo)排放石油煉制過程中的廢氣和廢水處理廢氣處理硫回收裝置催化燃燒裝置VOCs回收系統(tǒng)廢水處理氣浮裝置生物處理系統(tǒng)高級氧化工藝固廢處理廢催化劑再生油泥資源化危廢安全處置CO2捕集與封存技術(shù)捕集技術(shù)胺吸收、膜分離、低溫吸附運輸方式管道、船舶、油田注入封存方法地質(zhì)封存、海洋封存、礦化固定第十章：能源化工節(jié)能技術(shù)熱力學(xué)優(yōu)化能量梯級利用過程強(qiáng)化反應(yīng)與分離一體化先進(jìn)控制智能調(diào)控與預(yù)測余熱回收低品位熱能再利用節(jié)能的熱力學(xué)原理1定律能量守恒能量不會憑空產(chǎn)生或消失2定律熵增原理能量自發(fā)從高溫向低溫流動3定律絕對零度無法達(dá)到理想的零損耗狀態(tài)能源化工單元過