常规能源开发与利用 | 自然科学基础

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：常规能源包括煤炭、石油、天然气、水力及核电，它们在目前的能源结构中占主要地位。（三）水能水能是一种可再生能源，是常规能源、一次能源。长江三峡水利工程是充分开发利用水能的典型，具有防洪、发电、航运、供水等多种功能，安装32台单机容量为70万kW的水电机组，是全世界最大的水力发电站。近年来，受控核聚变反应的研究已经使核聚变能的利用显露出希望的曙光。

常规能源包括煤炭、石油、天然气、水力及核电，它们在目前的能源结构中占主要地位。

（一）煤炭

煤炭被人们誉为“黑色的金子”“工业的粮食”，它是18世纪以来人类世界使用的主要能源之一。在地球的某些地质历史年代，环境、气候条件很适合低等和高等植物的大量生长、繁殖，它们死去后，尸体在细菌的分解作用下，生成褐色或黑色的有机物质，日积月累，成为厚厚的一层腐泥或泥炭，又由于地壳变动把泥炭埋入地下。在高温高压环境中，经过漫长的历史年代，泥炭就转变成煤。虽然煤炭的重要位置当前已被石油所代替，但在今后相当长的一段时间内，由于石油的日渐枯竭，必然走向衰败，而煤炭因为储量巨大，加之科学技术的飞速发展，煤炭气化等新技术日趋成熟，并得到广泛应用，煤炭必将成为人类生产生活中无法替代的能源之一。

煤炭的化学成分主要是碳、氢、氧和氮，一般碳占60%～90%，氧占4%～8%，热值约为1.08×107～3.34×107J/kg，可作为燃料和化工原料，素有“乌金”之称。1990年末全世界已经探明的煤炭可采储量为1.08×1012t，我国已探明的煤炭储量为1.66×1012t，占世界已探明储量的15.4%。应用高新技术进行煤炭的加工转化，提高煤炭的利用效率，减少煤炭燃烧的环境污染，是解决能源缺乏、加速国民经济发展的重要途径之一。

从18世纪英国产业革命以来，煤炭一直作为世界主要能源，但煤炭的利用，存在着严重的不合理现象。大多数煤炭的利用是直接燃烧，一方面能量利用率很低，另一方面又使煤中宝贵的化工原料被白白烧掉，还会产生有害气体，严重污染环境，所以，煤的直接燃烧是一种不合理、不经济的使用方法。煤炭既是一种燃料，又是一种重要的化工原料，应当综合利用。目前，比较成熟的有煤的干馏、煤的气化和煤的液化等加工方法。

（二）石油和天然气

当代工业的血液——石油和天然气，也是一种重要的常用能源。至1990年年底，世界石油剩余可采储量为1.36×1012t，在世界一次能源消费构成中占38.6%，居第一位；世界已探明天然气储量大约为1.19×1015m3，在世界一次能源构成中占21.7%，仅次于煤炭和石油，居第三位。

古代陆地上的动植物和水生生物死亡后，它们的尸体常常随着水流，伴着泥沙一起沉积在湖泊和海洋中，形成水底淤泥，淤泥越积越厚，它们跟氧气隔绝而不发生腐烂。由于在地层内的高温高压条件下，经过石油菌等微生物的分解作用，最终形成棕褐色或黑色黏稠的石油。石油开始形成时，呈分散的油滴状存在，地层内部的压力及地下水的流动，使分散的油滴慢慢地向有空隙和裂缝的岩石层中流动和积聚，日积月累就形成油田。天然气的形成和石油基本相同，只是分解生物遗体的微生物不同，是一种厌氧性细菌。天然气常常和石油同时存在，这种天然气称为油田气；天然气也有单独储存于地下的，这种天然气称为气田气。

石油为碳氢化合物和少量氧化物、硫化物等的混合物。碳占84%～87%，氢占11%～14%，密度在0.65～0.98 g/cm3，热值达4.096×107～4.514×107J/kg。用蒸馏和裂化等方法可提炼出汽油、煤油、柴油、重油等不同沸点的石油产品，是一种宝贵的非再生能源。石油产品的范围从液化石油气开始，中间是石油化工原料、燃料和润滑油料，一直到沥青。原油在加工过程中还会释放出大量的石油气。石油加工后，可以得到利用率高、经济、合理的各种液体燃料，主要为内燃机燃料、锅炉燃料和灯油三类。其他的石油产品主要有润滑油、蜡、沥青以及石油化工产品如石油溶剂、乙烯、丙烯和聚乙烯等。

天然气是一种低相对分子质量的饱和烃类气体的混合物，其主要成分是甲烷（约占90%以上），另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然气作为燃料容易燃烧、清洁无灰渣、热值高而且不污染环境。天然气和石油一样是非常重要的基本有机化工原料。从天然气中分离出来及从石油炼厂气中回收和分离的许多物质是最基本的化工原料，并可进一步制造出一系列化工产品，如合成纤维、合成橡胶、合成塑料和化肥等产品。天然气化工产品具有用途广、成本低、产值高和发展快等优点，因此，天然气的转化利用对国民经济建设和人民生活都十分重要。

（三）水能

水能是一种可再生能源，是常规能源、一次能源。水能是水流的位能和动能，地球上的水在太阳辐射下受热蒸发，水汽上升到高空成为云，在一定条件下凝成雨、雪落到地面，汇集成江河，形成循环不息的可再生能源。人类开发利用水能的历史已久，水轮机是最早使用的机械发动机。但水能利用长期发展缓慢，一是受煤炭大量使用的冲击，另外只能在河流旁边使用，限制了它的发展。

1878年，法国建成了世界上第一座水力发电站，之后许多国家也相继建立了水力发电站。目前，美国是开发水力发电最多的国家。我国水力资源理论蕴藏量为6.89亿kW，居世界第一，技术可开发量达4.93亿kW，主要分布在西南部地区，但目前开发得还不多。长江三峡水利工程是充分开发利用水能的典型，具有防洪、发电、航运、供水等多种功能，安装32台单机容量为70万kW的水电机组，是全世界最大的（装机容量）水力发电站。2010年7月，三峡电站机组实现了电站1820万kW满出力168 h运行试验目标（日发电量可突破4.3亿度电，占全国日发电量的5%左右）。

（四）核能

核能俗称原子能或原子核能，它是指原子核里的核子（中子或质子）重新分配和组合时释放出来的能量。核能分为两类：一类为核裂变能，它是指重元素（铀或钚等）的原子核发生裂变时释放出来的能量。现在各国所建造的核电站，就是利用这种核裂变反应；军事上的原子弹爆炸，也是核裂变反应产生的结果。另一类为核聚变能，它是指氢元素（氘和氚）的原子核在发生聚变反应时释放出来的能量。氢弹爆炸就属于这种核反应。不过它是在极短的时间完成的，人们无法控制。近年来，受控核聚变反应的研究已经使核聚变能的利用显露出希望的曙光。

1.核裂变

1938年，德国物理学家哈恩（O.Hahn，1879—1968年）和斯特拉斯曼（F.Strassmann，1902—1980年）在研究中子轰击U-235的产物时，想发现新元素的愿望虽未实现，但却发现了另一类核反应——核裂变。

U-235原子核受高能中子轰击时，分裂为质量相差不多的两种核素，同时又产生2～3个中子，这种中子称为再生中子，同时还释放大量的能量。反应式为：

U-235裂变过程中，每消耗1个中子，能产生2个中子，它又能使其他U-235发生裂变，同时再产生几个中子，再促使U-235裂变，这就形成了链式反应。1939年，法国科学家约里奥·居里用中子轰击铀原子核，铀原子核一分为二并伴生巨大的能量。由于这能量来自原子核内部，于是就被叫作原子能。铀核被击碎时，更会产生2～3个新的中子，飞出来的中子再轰击别的铀核，再放出更多的核能和更多的中子。如此这般，就像链条一样，一环套着一环，接连不断地循环下去，反应将愈演愈烈，因此，被称为链式反应（见图6-2-1）。

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图6-2-1　铀核的链式反应

这个过程如不加以控制，巨大的核能将在几万分之一秒的瞬间迅猛地被激发出来，原子弹就是应用这一原理。1 kg铀原子核全部裂变释放出的能量，约等于2500 t煤燃烧时所放出的化学能。

2.核聚变

将氘核和氚核放在一起，加热到几百万度（由裂变反应提供），就能结合成氦核，放出比裂变更巨大的能量。反应式为：

放出的能量是一个铀核裂变放出能量的17.6倍。利用原子核能制成原子弹和氢弹，是一类有极强杀伤力的武器。若控制核能的释放速度，可以和平利用核能，作为能源发电，为人类造福。

3.核电站

用核裂变能作为能源发电的发电站称为核电站，见图6-2-2。利用原子反应堆做能源，将水加热，变成水蒸气，推动汽轮发电机发电。

最先使用U-235做燃料的核反应堆，以后扩展到利用U-238和钍-232，它们在地壳中蕴藏量大，如能全部利用，可供人类用几千年。

如果能够利用核聚变反应，则聚变反应能提供的能量更丰富。地球上的海水有1.37×1018t，在海水中含有大量的氘，1 kg海水中平均约含有3 mg氘，而每毫克氘放出的能量相当于100 L汽油燃烧时放出的能量。因此，如果能从海水中提取氘作为核动力，使海水里的氘的核能释放出来，这些能量足以供人们用上百亿年，而且聚变反应取得的核能不会产生环境污染问题，因此，它是一种理想的新能源。

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图6-2-2　秦山核电站原理示意图（引自张平柯等，2006）

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