能源环境化学化石能源省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、化石能源化石能源(一)(一)书本第二部分书本第二部分2.石油、天然气、煤化学石油、天然气、煤化学2.1化石燃料:开采、生产、产品。化石燃料:开采、生产、产品。第1页图0-1 世界能耗在过去150年增加了20倍(1850-)第2页表0-1 世界一次能源或主要能源(Primary Energy)使用量及起源分布一次能源 EJ石油天然气煤核能水力发电生物质及其它世界5143421266211%美国1064040242581%3%中国80182626212%15%第3页图0-3 世界发电燃料起源分布图(USA EIA Report)第4页全球气候变暖趋势第5页主要温室气体:主要温室气体:二氧化碳二氧化
2、碳(CO2):因为大量使用煤、石油、天然气等化石燃料,森林又被砍伐,全因为大量使用煤、石油、天然气等化石燃料,森林又被砍伐,全球二氧化碳正以每年约六十亿吨量增加中。球二氧化碳正以每年约六十亿吨量增加中。甲烷甲烷(CH4):产生自发酵与腐化变更过程及物质不完全燃烧,主要来自牲畜、产生自发酵与腐化变更过程及物质不完全燃烧,主要来自牲畜、水田、汽机车及填埋场排放。水田、汽机车及填埋场排放。氧化亚氮氧化亚氮(N2O):由化石燃料燃烧,微生物及化学肥料分解而排放出来。由化石燃料燃烧,微生物及化学肥料分解而排放出来。臭氧臭氧(O3):来自地面污染,如汽机车、发电厂、炼油厂所排放氮氧化合物及来自地面污染,如
3、汽机车、发电厂、炼油厂所排放氮氧化合物及碳氢化合物,经光化学作用而产生臭氧。碳氢化合物,经光化学作用而产生臭氧。氟氯碳化物氟氯碳化物(CFCs):以CFCl1、CFC12及CFC113占最大使用量。使用范围包含冷媒、清洗、喷雾及发泡等用途,同时这类化合物也是破坏臭氧层祸首。第6页CO2 浓度与暖化浓度与暖化第7页图0-10 中国能源资源利用现实状况及预期第8页中国能源供给形势当前展望中国能源供给形势当前展望主要能源资源是煤炭,占能源总消耗约主要能源资源是煤炭,占能源总消耗约7070。石油、天然气、生物质、水力发电次之。石油、天然气、生物质、水力发电次之。前二者需大量进口。前二者需大量进口。核能
4、、风能和太阳能所占百分比很小,但核能、风能和太阳能所占百分比很小,但发展速度快、发展空间大。发展速度快、发展空间大。煤层气急待开发利用,可燃冰有远景。煤层气急待开发利用,可燃冰有远景。能源价格走向市场化。能源价格走向市场化。第9页第10页第11页第12页第13页第14页第15页表表2.1 原油、汽油与几个原油、汽油与几个经经典煤种元素典煤种元素组组成成元元素素组组成成无无烟烟煤煤中中等等挥挥发发分分烟烟煤煤高高挥发挥发分分烟煤烟煤褐褐煤煤原原油油汽汽油油ABC93.788.484.580.372.783878085H2.45.05.65.54.211141314O2.44.17.011.121
5、.30.1-217*N0.91.71.61.91.20.02-2微微量量S0.60.81.31.20.60.06-1.0微微量量*含5%MTBE或20%乙醇。第16页第17页城市燃气分类及性质城市燃气分类及性质城市燃气按其起源不一样,主要可分为人人工燃气、天然气、液化石油气三大类。工燃气、天然气、液化石油气三大类。其主要成份是一些可燃气体,如甲烷等碳氢化合物,氢、一氧化碳等,另外也含有一些不可燃气体组分,如二氧化碳、氮、氧等。它包含液化石油气、人工煤气、天然气、矿井瓦斯气、沼气和工业尾气等。第18页一、人工燃气一、人工燃气:1、于馏煤气、于馏煤气:煤在隔绝空气情况下经加热干馏所得燃气。炼焦煤气
6、是焦化工业副产品。炭化炉生产主要目标是取得煤气,所产焦炭普通供作气化炉原料,或用于直接加热。高温干馏煤气热值普通在18MJNm3左右。2、气化煤气、水煤气、气化煤气、水煤气:煤在高温下与气化剂反应所生产燃气,统称为气化煤气。气化煤气主要组分为氢气与一氧化碳,适宜于用作燃料气和化工原料合成气。热值普通在13MJMm3以下。人工煤气中含有一氧化碳。一氧化碳是有毒气体。人工煤气比空气、液化石油气轻。3、高炉气、高炉气:高炉气是炼铁时产生副产气,其主要组分是一氧化碳和氮气,热值只有在44.2MJNm3。第19页4、油制气、油制气:油制气是用石油系原料经热加工制成燃气总称。采取加工工艺,有蒸汽加氢气化法
7、等。生产城市燃气方法尚局限于以重油或渣油采取热裂解法工艺。热裂解气以甲烷、乙烯和丙稀为主要组分,热值约为4142MJ/Nm3转化法、热裂解法、部分氧化法和催化热裂解气含氢最多,也含有甲烷和一氧化碳,其热值与干馏煤气相靠近,热值约在17一21MJ/Nm3之间。一、人工燃气第20页二、天然气二、天然气因为起源不一样,天然气普通可分为四种:从气田开采气田气(纯天然气);伴随石油一起开采出来石油气(也称石油伴生气);含有轻质馏分凝析气田气;从煤矿井下煤层中抽出矿井气(矿井瓦斯气)。气田气纯度普通较高,其组分以甲烷为主,也含有少许一氧化碳、硫化氢、氮和微量氦、氖、氖等惰性气体,我国四川天然气属于这一类,
8、甲烷含量比较高。天津、大庆等地使用天然气是石油伴生气,甲烷含量约为80,其它烷烃占15,所以热值较高。凝析气除含有大量甲烷外,还含有25戊烷和戊烷以上烃类,热值更高。矿井气主要成份也是甲烷,其含量视抽气方式不一样而改变,普通含氮量很高,热值较低。第21页天然气是指在地下多孔地质结构中发觉自然形成烃类气体和蒸汽混合气体,常与石油伴生。主要包含甲烷及一些低分子量碳氢化合物如乙烷、丙烷,并含不一样百分比二氧化碳、硫化氢、氧硫化碳(COS)、水分等。二氧化碳有时达10%以上,经分离后有尤其利用价值。天然气作燃料时轻易燃烧,清洁无灰渣,发烧量大,热值在3642MJNm3之间。燃烧效率高,是清洁高能天然燃
9、料。二、(纯)天然气第22页天然气主要性质和特点l、天然气是一个易燃易爆气体,和空气混合后,温度只要抵达550就会燃烧。在空气中,天然气浓度只要抵达515,碰到火种就会爆炸。2、天然气可液化,液化后其体积将缩小为气态1600。3、天然气主要成份为甲烷,其本身无毒,但空气中甲烷含量抵达10以上时,人就会因氧气不足而呼吸困难,眩晕虚弱而失去知觉、昏迷甚至死亡。天然气中如含有一定量硫化氢时,也含有一定毒性。第23页三、液化石油气三、液化石油气(LPG):主要组分为丙烷、丙稀、丁烷、丁烯等石油系轻烃类,多从油、气开采或石油加工过程中取得。当前,我国供给民用液化石油气主要由炼油厂催化裂解和催化重整装置中
10、获取。油田气或凝析气田气中含有相当数量烃类,也可分离回收液化石油气。第24页液化石油气主要特点1、液化石油气在低温或高压下呈液态,但在常温常压下就会变成气态,且体积比液态扩大250多倍。2、液态液化石油气比同体积水约轻二分之一。3、液化石油气本身无毒,但当空气重液化石油气浓度含量较高时,对人中枢神经有麻醉作用。4、液化石油气也有易燃易爆特征,其着火温度约为450度,空气中液化石油气爆炸极限为29。第25页煤组成煤中有机质主要组成元素是碳,煤结构单元骨架,燃烧时产热主要起源,泥炭含碳量55-62%;褐煤60-77%;烟煤70-93%;无烟煤88-98%。第26页煤组成微量元素在燃烧后其元素或化合
11、物完全挥发进入气相有Hg,F,Br,Cl,B,I,而富集于飞灰有As,Cd,Ga,Ge,Pb,Sb,Sn,Te,Zn 等,其中Hg,Pb,As,Cd 等是毒性高元素。灰分(Ash)为燃烧后残余固体无机物,含钙、磷、硅、铁等。煤中还有水分等杂质,水在煤中含量为0.3-25%不等。第27页表表2.1 原油、汽油与几个原油、汽油与几个经经典煤种元素典煤种元素组组成成元元素素组组成成无无烟烟煤煤中中等等挥挥发发分分烟烟煤煤高高挥发挥发分分烟煤烟煤褐褐煤煤原原油油汽汽油油ABC93.788.484.580.372.783878085H2.45.05.65.54.211141314O2.44.17.011
12、.121.30.1-217*N0.91.71.61.91.20.02-2微微量量S0.60.81.31.20.60.06-1.0微微量量*含5%MTBE或20%乙醇。第28页标准煤是假设一个标准燃料,1千克重标准煤热值为29.308MJ。第29页石油炼制及石油化学品石油炼制及石油化学品第30页RefineryFlowDiagrams第31页第32页第33页第34页第35页化石能源选择化石能源选择冬天用什么取暖?冬天用什么取暖?用空调或用天然气?用空调或用天然气?柴油车?汽油车?天然汽车?柴油车?汽油车?天然汽车?价格?环境保护?可靠性?价格?环境保护?可靠性?第36页Heatingvalueo
13、fFossilFuels煤煤汽油汽油天然气天然气密度密度-0.74kg/L0.84kg/M3热值热值MJ/kg274749价格价格RMB/kgRMB/MJ0.40.01580.172-30.04-0.06第37页2.2 石油及天然气加工炼油及石化工艺第38页HeatingvalueofFossilFuels煤煤汽油汽油天然气天然气密度密度-0.74kg/L0.84kg/M3热值热值MJ/kg274749价格价格RMB/kgRMB/MJ0.40.01580.172-30.04-0.06第39页焦耳焦耳(J)千克米(kgm)米制马力时(PSh)英制马力时(HPh)千瓦千瓦时时(kWh)千卡(kca
14、l)英热单位(Btu)英尺磅(ftlb)10.1023.77710-73.72510-72.77810-72.38910-49.47810-40.73769.80713.70410-63.65310-62.72410-62.34210-39.29510-37.2332.64810 62.710 510.98630.7355632.525101.95310 62.68510 62.73810 51.01410.7457641.22544.41.9810 63.610 63.67110 51.361.3411859.834122.65510 64187426.91.58110-31.55910-3
15、1.16310-313.9683.08710 31055107.63.98510-43.9310-42.9310-40.2521778.21.3560.13835.12110-75.0510-73.76810-73.2410-41.28510-311焦耳(J)=1牛顿米(Nm)=1瓦秒(Ws)=107尔格(erg);1尔格(erg)=1达因厘米(dyncm)=10-7焦耳;1英尺磅达(ftpdl)=4.21410-2焦耳=4.29710-3千克米;1摄氏热单位(Chu)=1.8英热单位(Btu)第40页HeatingvalueofFossilFuels煤煤汽油汽油天然气天然气价格价格RMB/M
16、J0.0150.170.04-0.06RMB/KWH40%efficiencyFuelcost?Fuelcost?第41页HeatingvalueofFossilFuels煤煤汽油汽油天然气天然气价格价格RMB/MJ0.0150.170.04-0.06RMB/KWH40%efficiency0.1351.530.36-0.54RMB/KWH30%efficiency0.180.48-0.72第42页第43页汽油主要成份汽油主要成份主要组分是四碳至十二碳烃类。由石油分馏或重质馏分裂化制得。原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、催化重整等过程都产生汽油组分。但从原油蒸馏装置直接生产直馏汽油,不单独
17、作为发动机燃料,而是将其精制、调配,有时还加入添加剂(如甲基叔丁基醚,MTBE;清洁剂、防腐蚀剂等)以制得商品汽油。第44页无铅汽油(Unleaded gasoline)清洁汽油(Clean gasoline)第45页汽油成份烷烃:异辛烷(2,2,4-trimethylpentane,isooctane),methylcyclohexane烯烃:3-methyl-1-heptene芳香烃:BTEXAdditive:detergent,oxygenatesuchasMTBE,ethanol,二甲醚第46页汽油最主要性能为蒸发性和抗爆性蒸发性蒸发性指汽油在汽化器中蒸发难易程度。对发动机起动、暖机、
18、加速、气阻、燃料耗量等有主要影响。汽油蒸发性由馏程、蒸气压、气液比3个指标综合评定。馏程馏程。指汽油馏分从初馏点到终馏点温度范围。蒸气压蒸气压。指在标准仪器中测定38蒸气压,是反应汽油在燃料系统中产生气阻倾向和发动机起机难易指标。车用汽油要求有较高蒸气压。气液比气液比。指在标准仪器中,液体燃料在要求温度和大气压下,蒸气体积与液体体积之比。气液比是温度函数,用它评定、预测汽油气阻倾向,比用馏程、蒸气压更为可靠。第47页抗爆(震)性(anti-knocking)抗爆性抗爆性指汽油在各种使用条件下抗爆震燃烧能力,用辛烷值表示。辛烷值定义是:异辛烷辛烷值定为100,正庚烷定为0,汽油辛烷值测定是以异辛
19、烷和正庚烷为标准燃料,使其产生爆震强度与试样相同,标准燃料中异辛烷所占体积百分数就是试样辛烷值。抗爆能力与化学组成相关。带支链烷烃以及烯烃、芳烃通常含有优良抗爆性。提升汽油辛烷值主要靠增加高辛烷值汽油组分,如乙醇、二甲醚(DME)、MTBE、DIPE。第48页中国汽油辛烷值汽油按马达法辛烷值分为70号和85号二个牌号,按研究法辛烷值分为90号、93号、95号和97号车用汽油四个牌号,当前日常生活中中国汽油牌号就是按研究法辛烷值分类。第49页第50页第51页甲基叔丁基醚(MTBE)化学反应:在催化剂作用下混合碳四中异丁烯与甲醇醚化反应 生成MTBE:H2C=C(CH3)2 CH3OH 催化剂 (
20、CH(CH3 3)3 3C-O-CHC-O-CH3 3 Methyl tert-butyl etherMethyl tert-butyl ether工艺流程:原料净化醚化反应产品分离甲醇回收第52页DME,DIPEDimethyletherCH3-O-CH3Diisopropylether第53页汽车尾气主要成份主要污染物为主要污染物为碳氢化合物碳氢化合物、氮氧化合物、氮氧化合物、一氧化一氧化碳碳、二氧化硫二氧化硫、甲醛、含铅化合物、苯丙芘及固、甲醛、含铅化合物、苯丙芘及固体颗粒物等。能引发体颗粒物等。能引发光化学烟雾光化学烟雾等。等。以往含铅汽以往含铅汽油经燃烧后油经燃烧后,85%,85%左
21、右铅排入大气中造成铅污染。左右铅排入大气中造成铅污染。第54页清洁汽油(Clean gasoline)清洁汽油是一个新配方汽油(Reformulated gasoline),它既能够为汽车提供有效动力,又能降低有害气体排放。新标准对车用汽油中可能产生有害气体组分做了严格要求,包含:硫含量、铅含量、苯含量、芳烃含量、烯烃含量等。第55页清洁汽油优点1)省油降低污染:燃油系统清洁,油品雾化程度提升,混合气完全燃烧,功率增加使用清洁汽油汽车,尾气排放中碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、甲醛等将大大降低。2)清洁汽车部件:使用清洁汽油汽车能够保持发动机燃油系统清洁,如化油器或喷
22、嘴,进排气阀、火花塞、燃烧室、活塞等,燃油系统不会产生积碳,降低机械磨损,延长汽车使用寿命。3)改进行驶性能:发动机轻易开启,转速平稳,加速性能好。第56页尾气碳氢化合物排放源汽车尾气碳氢化合物来自三种排放源。对普通汽油发动机来说,约60%碳氢化合物来自内燃机废气排放,20%25%来自曲轴箱泄漏,其余15%20%来自燃料系统蒸发。第57页三元型催化式排气净化器反应原理反应原理:氮氧化合物分解为氧气和氮气氮氧化合物分解为氧气和氮气 2NOx xO2+N2一氧化碳被氧化为二氧化碳一氧化碳被氧化为二氧化碳 2CO+O2 2CO2碳氧化合物被氧化为二氧化碳和水蒸汽碳氧化合物被氧化为二氧化碳和水蒸汽 2
23、CxHy+(2x+y/2)O2 2xCO2+yH2O 第58页三元型催化式排气净化器三元型催化式排气净化器壳体用耐高温不锈钢制成,内部蜂巢式通壳体用耐高温不锈钢制成,内部蜂巢式通 道上涂有催化剂,催化剂成份有铂、钯和铑等稀土金属。道上涂有催化剂,催化剂成份有铂、钯和铑等稀土金属。第59页第60页三元型催化式净化器防污效果第61页作业作业列表比较甲醇、二甲醚、乙醇、MTBE辛烷值、单位热值、含氧量()及毒性。比较以上燃料生物降解性比较以上燃料生物降解性。比较以上燃料在中国市场价格及产量。第62页主要炼油及烯烃石化原料主要炼油及烯烃石化原料过程工艺过程工艺第63页方方 法法原原 理理原原 料料目主
24、要产品主要产品分分馏馏常常 压压利用加热和冷凝,把石油分成不一样沸点范围蒸馏产物原原 油油得到不一样沸点范围蒸馏产品溶剂油、汽溶剂油、汽油、煤油、油、煤油、柴油、柴油、重油重油减减 压压重重 油油润滑油、凡润滑油、凡士林、石蜡、士林、石蜡、沥青、石油沥青、石油焦焦裂裂化化热裂化热裂化在一定条件下,把分子量大、沸点高烃断裂为分子量小,沸点低烃重重 油油提升汽油产量汽油和甲烷、汽油和甲烷、乙烷、乙烯乙烷、乙烯和丙烯和丙烯催化裂化催化裂化裂裂 解解(深度裂化)(深度裂化)在高温下,把长链分子烃断裂为各种短链气态烃和液态烃含直链烷烃石油分馏产品取得短链不饱和烃乙烯、丙烯、乙烯、丙烯、丁二烯丁二烯【思索
25、】1、怎样判别:第64页第65页第66页第67页第68页BTEXbenzene,toluene,ethylbenzene,xylene第69页第70页第71页第72页第73页Alkylation加烷基加烷基第74页裂解裂解是石油化工生产过程中,以比裂化更高温度(700800,有时甚至高达1000以上),使石油分馏产物(包含石油气)中长链烃断裂成乙烯、丙烯等短链烃加工过程。裂解是一个更深度裂化。石油裂解化学过程比较复杂,生成裂解气是成份复杂混合气体,除主要产品乙烯外,还有丙烯、异丁烯及甲烷、乙烷、丁烷、炔烃、硫化氢和碳氧化物等。裂解气经净化和分离,就能够得到所需纯度乙烯、丙烯等基本有机化工原料。
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