书城教材教辅新课改·高一化学备课素材
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第11章 化学反应及其能量变化(7)

给养船底舱的草塞得密不透风,有的开始缓慢地氧化,这实际上是一种迟缓的燃烧,放出热来,热散不出去,热量越聚越多,温度升高,终于达到草的着火点,于是就自发地着火了。

在我们的生活中,自燃现象也不少见。农村的柴草垛,工厂的煤堆,有时会莫名其妙地冒热气,甚至生烟起火。有些废弃的煤矿,往往连续不断地发生自燃。弄清了发生自燃的科学道理,我们就可以设法预防了。

在堆放煤和柴草的时候,垛不能太大、太高,防止热量聚集。

在煤堆中央,埋进几个铁篓子,从篓子里伸出铁管,通到煤堆顶上,这样可以使内部积存的热量迅速发散出来。

保持良好的通风,可以把缓慢氧化产生的热带走,降低温度。消除了燃烧的温度条件,自燃也就杜绝了。有经验的仓库工经常翻仓倒垛,也是为了防止可燃物质自燃。

当然不是说你想防止就能防止。请看“火焰山”——正在燃烧的新疆地下煤矿!

相传《西游记》中唐僧取经受阻于火焰山,孙悟空三借芭蕉扇的故事就发生在这里。原来火焰山是孙悟空大闹天宫时,蹬倒了太上老君的炼丹八卦炉,有几块耐火砖带着余火落到了地上,化生出来的。火焰山有“八百里火焰,周围寸草不生”,“若过得山,就是铜脑壳、铁身躯,也得化成汁”之说。

火焰山位于吐鲁番盆地中部,当地人称“克孜勒塔格”,意即“红山”。由吐鲁番向东去鄯善的路段中,有百多公里蜿蜒起伏的红色山峰。这是一条东西长约100千米,南北宽7~10千米,平均高度500米左右的年轻褶皱低山。最高峰位于胜金口附近,海拔851米。它主要由中生代的侏罗纪、白垩纪和第三纪的赤红色砂、砾岩和泥岩组成。山体雄浑曲折,主要受古代水流的冲刷,山坡上布满道道冲沟。山上寸草不生,基岩裸露,且常受风化沙层覆盖。盛夏,在灼热阳光照射下,红色山岩热浪滚滚,绛红色烟云蒸腾缭绕,热气流不断上升,红色砂岩熠熠发光,恰似团团烈焰在燃烧,故名火焰山。这里是我国最炎热的区域,夏季气温高达摄氏四十七度,据说山顶气温可达摄氏八十度。

唐朝边塞大诗人岑参有诗云:“火山突兀赤亭口,火山五月火云厚。火云满山凝未开,飞鸟千里不敢来。”又诗云:“火山六月应更热,赤亭道口行人绝。”明代大诗人陈诚有诗:“一片青烟一片红,炎炎气焰欲烧空。春光未浑如夏,谁道西方有祝融。”

火焰山地处“丝绸之路”北道,至今仍留存许多文化古迹的历史佳话。火焰山神奇的地貌、独特的物产,众多的文化遗址,优美的传说,脍炙人口。

干煤和湿煤,哪个好烧

如果满满一壶水烧开了,往往就会有一点水溢出来,照理说,壶下面的炉火该灭了吧?可是,真奇怪,水滴落下的地方,火焰反而变得更高。

这就是湿煤好烧的缘故,因为水的分子里,有一个氧原子和两个氢原子,水一遇上火热的煤,氧立刻被煤(碳)夺走了,结果生成一氧化碳和氢气。而一氧化碳是一种会燃烧的气体。氢气也会燃烧,工厂里那白炽耀眼的气焊,有的就是用氢气来燃烧的。

它们俩既然都会燃烧,当然是水落下的地方,火焰更高,因此湿煤比干煤好烧。

不过,凡事总得有一定的条件,如果煤太湿了,也不好烧。再说,湿煤也只有火旺的时候添加才好,当然不能用湿煤引火,这样反而会浪费引火柴。

在工业上,利用湿煤好烧这个道理,把水蒸气通过赤热的煤层,能得到一氧化碳和氢气的混合气体,叫做“水煤气”。

水煤气不仅是很重要的工业气体燃料,也是一种化工原料,像木精——甲醇就是用它做的。

将水蒸气通过炽热的煤层可制得较洁净的水煤气(主要成分是CO和H2),现象为火焰腾起更高,而且变为淡蓝色(氢气和CO燃烧的颜色)。化学方程式为C+H2O(高温)CO+H2。这就是湿煤比干煤燃烧更旺的原因。

洁净煤技术

为了减少直接烧煤产生的环境污染,世界各国都十分重视洁净煤技术的开发和应用。我国是烧煤大国,70%以上的能源依靠煤炭,大力发展洁净煤技术有更重要意义。洁净煤技术包括两个方面,一是直接烧煤洁净技术,二是煤转化为洁净燃料技术。

(1)直接烧煤洁净技术。这是在直接烧煤的情况下,需要采用的技术措施:①燃烧前的净化加工技术,主要是洗选、型煤加工和水煤浆技术。原煤洗选采用筛分、物理选煤、化学选煤和细菌脱硫方法,可以除去或减少灰分、矸古、硫等杂质;型煤加工是把散煤加工成型煤,由于成型时加入石灰固硫剂,可减少二氧化硫排放,减少烟尘,还可节煤;水煤浆是先用优质低灰原煤制成,可以代替石油。②燃烧中的净化燃烧技术,主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术。流化床又叫沸腾床,有泡床和循环床两种,由于燃烧温度低可减少氮氧化物排放量,煤中添加石灰可减少二氧化硫排放量,炉渣可以综合利用,能烧劣质煤,这些都是它的优点;先进燃烧器技术是指改进锅炉、窑炉结构与燃烧技术,减少二氧化硫和氮氧化物的排放技术。③燃烧后的净化处理技术,主要是消烟除尘和脱硫脱氮技术。消烟除尘技术很多,静电除尘器效率最高,可达99%以上,电厂一般都采用。脱硫有干法和湿法两种,干法是用浆状石灰喷雾与烟气中二氧化硫反应,生成干燥颗粒硫酸钙,用集尘器收集;湿法是用石灰水淋洗烟尘,生成浆状亚硫酸排放。它们脱硫效率可达90%。

(2)煤转化为洁净燃料技术。主要有以下四种:①煤的气化技术,有常压气化和加压气化两种,它是在常压或加压条件下,保持一定温度,通过汽化剂(空气、氧气和蒸汽)与煤炭反应生成煤气,煤气中主要成分是一氧化碳、氢气、甲烷等可燃气体。用空气和蒸汽做汽化剂,煤气热值低;用氧气做汽化剂,煤气热值高。煤在汽化中可脱硫除氮,排去灰渣,因此,煤气就是洁净燃料了。②煤的液化技术,有间接液化和直接液化两种。间接液化是先将煤气化,然后再把煤气液化,如煤制甲醇,可替代汽油,我国已有应用。直接液化是把煤直接转化成液体燃料,比如直接加氢将煤转化成液体燃料,或煤炭与渣油混合成油煤浆反应生成液体燃料,我国已开展研究。③煤气化联合循环发电技术,先把煤制成煤气,再用燃气轮机发电,排出高温废气烧锅炉,再用蒸汽轮机发电,整个发电效率可达45%。我国正在开发研究中。④燃煤磁流体发电技术,当燃煤得到的高温等离子气体高速切割强磁场,就直接产生直流电,然后把直流电转换成交流电。发电效率可过50%~60%。我国正在开发研究这种技术。

水煤气

水煤气是水蒸气通过炽热的焦炭时而生成的气体,主要成分是一氧化碳、氢气,燃烧后排放水和二氧化碳,有微量CO、HC和NOX。燃烧速度是汽油的7.5倍,抗爆性好。据国外研究和专利的报道:压缩比可达12.5。热效率提高20~40%、功率提高15%、燃耗降低30%,尾气净化近欧IV标准(这些指标还应验证,但效果是肯定的),还可用微量的铂催化剂净化。比醇、醚的制造设备要更简化,成本和投资更低。压缩或液化与氢气相近,但不用脱除CO,建站投资较低。还可用减少的成本和投资部分补偿压缩(制醇醚也要压缩)或液化的投资和成本。水煤气有毒,工业上用作燃料,又是化工原料。

干馏煤气

干馏是煤化工的重要过程之一,指煤在隔绝空气条件下加热、分解,生成焦炭(或半焦)、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种:900~1100℃为高温干馏,即焦化;700~900℃为中温干馏;500~600℃为低温干馏(见煤低温干馏)。

煤干馏过程主要经历如下变化:当煤料的温度高于100℃时,煤中的水分蒸发出;温度升高到200℃以上时,煤中结合水释出;高达350℃以上时,粘结性煤开始软化,并进一步形成粘稠的胶质体(泥煤、褐煤等不发生此现象);至400~500℃大部分煤气和焦油析出,称一次热分解产物;在450~550℃,热分解继续进行,残留物逐渐变稠并固化形成半焦;高于550℃,半焦继续分解,析出余下的挥发物(主要成分是氢气),半焦失重同时进行收缩,形成裂纹;温度高于800℃,半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。当干馏在室式干馏炉内进行时,一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触,发生二次热分解,形成二次热分解产物(焦炉煤气和其他炼焦化学产品)。

煤干馏产物的产率和组成取决于原料煤质、炉结构和加工条件(主要是温度和时间)。随着干馏终温的不同,煤干馏产品也不同。低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦,煤气产率低,焦油产率高;高温干馏固体产物则为结构致密的银灰色焦炭,煤气产率高而焦油产率低。中温干馏产物的收率,则介于低温干馏和高温干馏之间。煤干馏过程中生成的煤气主要成分为氢气和甲烷,可作为燃料或化工原料。高温干馏主要用于生产冶金焦炭,所得的焦油为芳烃、杂环化合物的混合物,是工业上获得芳烃的重要来源;低温干馏煤焦油比高温焦油含有较多烷烃,是人造石油重要来源之一。

废旧电池处置与重金属

目前,无论是在马路上还是在居民生活区内,几乎经常可以看到被人们随手丢弃的废旧电池。今后,随着各种用电池做能源的电器设备的增加,这种现象恐怕会更多。废旧电池是一种很厉害的污染物,是破坏生态环境的杀手。

我们日常使用的电池,主要是靠化学腐蚀作用产生电能的化学电池,其中含有大量的重金属,如镉、汞、铬及其他有害物质。随着废弃电池被车辆碾轧,有些变成粉末飘散空中,有可能被吸入人体;那些混在一般生活垃圾中的废电池,在堆放过程中,其中的有害物质会从中溢出,进入土壤或水源。人饮用了这种水,或通过食物链,那些有毒物质和重金属也可进入体内。这些重金属一旦进入体内很难排除。随着生物积累浓度越来越高,于是造成对肾脏、肝脏、神经系统、造血机制的损害,严重时会使人罹患“骨痛病”、精神失常甚至癌症,这就是所谓的重金属公害病。

例如,日本曾经发生过四次大的公害事件,其中三件是重金属污染所致。最有名的是1953年发生在日本九州熊本县水俣镇的水俣病和1955年—1972年发生在日本富山县神通川流域的骨痛病。水俣病对脑神经损害最甚,而骨痛病是由于附近的河水被含重金属镉的工业废水污染,河水又用来饮用和浇灌庄稼,这样镉便进入人体,取代了骨骼中的钙,于是人便患上了上述怪病。

电池这东西,是生产多少废弃多少、集中生产分散污染、短时使用长期污染、人们离不开、用后又很难处理的家伙。目前,对付废旧电池的最好办法是收集起来进行再利用。废电池的许多材料,尤其是其中的重金属还是很重要的工业原料。