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能源

铜臭 / 2022-07-14

能源是指可能为人类利用，以获取有用能量的各种资源，是现代文明社会的三大支柱之一。它是人类社会发展的基本条件，是发展农业、工业科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。能源开发利用的广度和深度、消费水平的高低是衡量一个国家技术发展水平的重要标志。

本节主要介绍能源分类、天然能源的化学组成，以及新能源的简要情况。

6.2.1能源的分类

能源的品种繁多，根据能的形式，可将能源分为如表6-4所示几种类型。能源工作者则常根据能的形式，将能源分为两大类，即一次能源(又称原生能源)和二次能源( 又称次生能源)，如表6-5所示。一次能源是指从自然界获取，可以直接利用而不必改变其基本形态的能源。二次能源则是由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品。在一次能源中，如风、流水、地热、日光等，不会随着它们的利用而减少，称为再生能源，而化石燃料和核燃料等会随着它们的使用而减少称为非再生能源。

表6-4 能量的分类（一）
能的形式	能源举例	能的形式	能量举例
太阳辐射	太阳	地热能	自然温泉、热泉、地下深部热水
化学能	煤、石油、天然气、草、木	核能	铀、钍、氘
运动能	流水（包括瀑布、潮汐、风和人造水坝）

随着能源危机的出现，又有了“新能源”的概念。所谓新能源绝对不是新发现的一种什么能源，而是指以新技术和新材料为基础,使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，用取之不尽、周而复始可再生能源来取代资源有限、对环境有污染的化石能源。目前，新能源的研究重点在于开发利用太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能和氢能等。例如，寻找有效的光合作用的模拟体系，进行人工栽培和生物能转换，利用太阳能使水分解为氢气和氧气以及直接将太阳能转变为电能等都是当今新能源开发的重要课题。

6.2.2化石能源

化石能源包括煤、石油、天然气。它们都是天然资源，通常蕴藏于地下，是千百万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，要通过挖掘或钻井进行开采。它们可以原始状态也可以精制产品经燃烧而产生能量。因此，人们把它们叫做天然燃料或化石燃料。

化石燃料也可作为化工原料，今天它们已成为许多工业产品诸如化肥、橡胶、合成纤维、塑料、药物等的基础原料。

6.2.2.1 石油

石油被称为“工业的血液”，“黑色的黄金”。石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体，经千百万年的漫长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之为原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油。现在石油作为化工原料，已成功应用到工农业、交通、国防、科学研究乃至人们的衣食住行中。

A 组成

石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中75%以上是各种各样的烃类，其他组分是含氧、含氮、含硫以及含金属的化合物。表6-6列出了石油的元素分析结果。

表6-6 石油的元素分析
元素	在石油中的含量	元素	在石油中的含量
碳	84~87	氮	0.1~0.7
氢	11~14	硫	0.001~8.0
氧	0.1~0.7	金属	（钒、铁、镍、铜）可达0.3

石油中烃类的主要组分是烷烃和芳烃，烯烃的含量很少。烷烃中有直链的和带支链的。

B 石油的炼制

原油的直接利用价值并不是很大，而由它所生产的各种石油产品却直接涉及国民经济的各个领域，深人到人民衣、食、住、行的各个环节之中，有着很高的应用价值。原油炼制就是以原油为基础原料，通过一系列炼制工艺(或过程)，把原油加工成各种石油产品，如各种牌号的汽油、煤油、柴油、润滑油、重油，以及生产各种石油化工基本原料。原油的炼制过程大致为:分馏、裂化、重整、精制等。

通过加工，可以得到成千上万的石油化工产品，追根溯源大都是由几种基础原料制成的，这些基础原料也是石油化学工业的一级产品，大致分为以下五类:

(1)烯类:包括乙烯、丙烯、丁二烯;

(2)苯类:苯、甲苯、二甲苯;

(3)炔类:乙炔;

(4)芳香族:萘

从五类基础原料出发，经过不同的化学加工后，可制成系列为工农业、国防、科学技术和人民生活不可缺少的重要产品。 (5)合成气(CO+H₂)。

a原油的分馏

原油不能直接作为燃料使用。利用原油各组分沸点差异，将原油用蒸馏的方法分离成为不同沸点范围的油品( 馏分)的过程称为原油分馏。

分馏前，需要应用电化学或加热沉降的方法对原油进行预处理，脱除原油中的水、盐和固体杂质，然后经加热送人常压条件下的初馏塔，蒸出大部分轻汽油。沸点较高的初馏塔塔底原油加热至360 ~ 370°C进入常压蒸馏塔，从塔顶蒸出石脑油，与初馏塔顶的轻汽油一起可作为催化重整的原料。在蒸馏塔的不同温度段分别分离出沸点更高的喷气燃料(航空煤油)、轻柴油、重柴油或变压器油，塔底产物为重油(称为常压渣油)。原油主要分馏产物情况见表6-7。

表6-7 原油的主要分馏产物
名称	馏分	沸点范围/°C	烃的碳原子
气体	石油气溶剂油		C1~C4 C5~C6
轻油	汽油煤油柴油	30~180 180~280 280~350	C6~C10 C10~C16 C17~C20
重油	润滑油凡士林石蜡沥青渣油	350~500 >500	C18~C30 C20~C30 C30~C40 >C40

蒸馏中沸点最低，未能液化的成分称为石油气，其主要成分为C4以下的烷烃、烯烃以及氢气和少量氮气、二氧化碳等。

b原油的裂化

重质馏分油和渣油可进行深加工，即使之经催化裂化、热裂化、加氢裂化等方法生产出轻质油来。

催化裂化是指在常压和450~510°C条件下，在催化剂的存在下，将重质油和渣油中的大分子经裂化、异构化等反应分裂成各种小分子，再经分离得各种产物。它是石油炼厂从重质油生产汽油的主要过程之一，所产汽油辛烷值高，安定性好，所得裂化气含丙烯、丁烯、异构烃较多。

重质油和渣油，也可在热的作用下发生裂化反应，转变成裂化气、汽油和柴油。热裂化气体中甲烷、乙烷、乙烯组分较多，热裂化汽油的辛烷值、安定性和经济效益均不如催化裂化汽油。

加氢裂化是在加热和催化剂作用下，高压氢气与重质油或渣油发生裂化反应，转化为气体、汽油、喷气燃料、柴油和润滑油等轻质燃料油的工艺过程。用重质原料油生产轻质燃料油最基本的工艺原理就是改变重质原料油的相对分子质量和碳氢比，而改变分子和碳氢比往往是同时进行的。改变碳氢比有两个途径:一是脱碳，是加氢。热加工过程，如热裂化和催化裂化工艺属于脱碳，它们的共同特点是要加大一部分油料的碳氢比，因此，不可避免地要产生一部分气体烃和碳氢比较高的缩合产物即焦炭和渣油。所以脱碳过程的轻质油收率不可能很高。加氢裂化属于加氢，在催化剂存在下从外界补人氢气以降低原料油的碳氢比。加氢裂化实质上是加氢和催化裂化这两种反应的有机结合。因此，它不仅可以防止如催化裂化过程中大量积炭的生成，而且还可以将原油中的氮、氧、硫杂原子有机化合物杂质通过加氢从原料中除去，又可以使反应过程中生成的不饱和烃饱和，所以，加氢裂化可以将低质量的原料油转化成优质的轻质油。

c 重整

重整是在氢气和催化剂存在下，使燃料油中的环烷烃转化为辛烷值较高的芳香烃。故也称为催化重整。

异构化是使直链烃转变为支链烃的过程。例如，正丁烷催化异构为异丁烷，作为石油深加工的原料，正戊烷、正已烷的异构化可以提高辛烷值，由于C5、C6烃类异构化时反应率不高，产品辛烷值约增加10~12单位。近年来开发了全异构化技术，将反应物经分子筛吸附分离，使正构体与异构体分开，正构部分再返回异构化反应器，最终产品的辛烷值可提高20个单位以上。

催化重整还可用于由链烃制取轻质芳香烃，如苯、甲苯、二甲苯等，它们在原油中含量一般很少。

重整反应在催化剂作用下，几十秒钟即可完成。最初使用的是分散在含氟氧化铝载体上的金属铂。载体都有较大比表面积，单位质量载体的面积达200~1000m²/g。20 世纪60年代出现了铂-铼、铂-锗、铂-锡、铂-铱等双金属催化剂，有的还增加了第三组分。近年来由于载体制备和浸渍技术的改进，新一代催化剂活性、选择性和寿命均有提高，某些催化剂中贵金属铂含量已降至0. 25%。

d 加氢精制

加氢精制主要用于油品精制，其目的是除掉油品中的硫、氮、氧杂原子及金属杂质，改善油品的使用性能。在催化剂作用下，氢与各种汽油、柴油等轻质油品中的杂环化合物反应生成硫化氢、氨和水，使油品中仅含碳氢化合物，从而提高油品质量;或从重质馏分油制取馏分润滑油，从渣油制取残渣润滑油的过程。

所用催化剂含有钼、钨、钴、镍等元素。钼-钴催化剂多用于加氢脱硫;钼-镍催化剂多用于脱氮;钨-镍催化剂多用于芳香烃的饱和化。

近年来，加氢精制(包括加氢脱硫) 工艺的应用更为普遍，从而使世界炼油工业在节能和环保方面都取得较大进展。

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