環(huán)境工程概論 能源與環(huán)境

1、1.5 能源與環(huán)境能源與環(huán)境 1.5.1 能源能源 能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎。人類活動的各個方能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎。人類活動的各個方 面，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、科技文化，無一需要消耗能源面，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、科技文化，無一需要消耗能源 來推動正常運轉。但是在能源的開發(fā)和利用中，對環(huán)境造成來推動正常運轉。但是在能源的開發(fā)和利用中，對環(huán)境造成 了極大的危害。了極大的危害。 能源的類型能源的類型 能源的來源稱為能源，是能夠為人類提能源的來源稱為能源，是能夠為人類提 供某種形式能量的物質（自然資源及其供某種形式能量的物質（自然資源及其 轉化物）或物質的運動。轉化物）或物質的運動。

2、（一）、按其形式和來源分：（一）、按其形式和來源分： 1、太陽能及其轉化物。除太陽的輻射能之外，煤炭、石油、天然氣（光 合作用植物使生長）、風能等都間接來自太陽能。 2、地球本身儲存的能量。地熱能，水勢能（由地球引力產(chǎn)生）原子核能 （核燃料存在于地球自然界） 3、月亮、太陽等天體對地球的引力產(chǎn)生的能量，如潮汐能。 （二）、按其利用的方式不同：（二）、按其利用的方式不同： 1、一次能源： 石油、煤、天然氣、地熱、潮汐、太陽能等。指在自然 界現(xiàn)成存在的，可以直接取得且不必改變其基本形態(tài)的能源。 2、二次能源：油、柴油、煤氣、焦炭、電力、等。由一次能源經(jīng)過加工 或轉換得到的另一種形態(tài)的能源。 另外，

3、一次能源還可分為： 1、可再生能源：沼氣、乙醇、氫氣、柴草。水能也屬于再生能源（如 葛洲壩水電站和三峽水電站，只要長江水不干涸，發(fā)電也就不會停 止）。 2、不可再生能源：化石能源石油、煤、天然氣。 （三三）、按對環(huán)境的污染程度分：）、按對環(huán)境的污染程度分： 1、清潔能源：如 太陽能、風能、地熱能等。 對清潔能源的含義包括兩方面的內(nèi)容：一是可再生 能源，并且不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染物；二是不可再生 能源在生產(chǎn)產(chǎn)品及其消費過程中應盡可能減少對生態(tài) 環(huán)境的污染。 2、不清潔能源：如煤、石油、核裂變?nèi)剂系取?1.5.2 能源應用與環(huán)境污染能源應用與環(huán)境污染 1.1.人類利用能源的發(fā)展過程人類利用能源的發(fā)展

4、過程 第一階段：草木時期 能量的消耗較少，總體上不構成威脅。 第二階段：18世紀工業(yè)革命之后 對廉價能源毫不節(jié)制的消耗階段，掠奪性的開發(fā)利用給生態(tài)環(huán)境造成了無 可挽回的影響。 第三階段：珍惜使用即將枯竭的能源資源階段 西方工業(yè)化國家開始節(jié)省能源，提高能效，尋求替代能源。 第四階段：即使能源資源不會枯竭，環(huán)境容量也要求人類對自己能源消 費加以限制 西方工業(yè)化國家開始節(jié)省能源，提高能效，尋求替代能源。 2.2.能源開發(fā)的環(huán)境問題能源開發(fā)的環(huán)境問題 能源的開發(fā)利用過程可分為三個階段：開采開發(fā)、能源轉換、 消費應用。開采開發(fā)過程均會對環(huán)境造成不同程度的傷害。 1)1)采煤的環(huán)境問題采煤的環(huán)境問題 a.

5、煤的露天開采造成地表破壞、巖石裸露，引起水土流失、河流淤塞， 大多數(shù)露天煤成為不毛之地； b.煤的地下開采引起塌陷，破壞地下水系，若用碎石、砂等回填，代價 十分昂貴； c.采煤是一種危險而有損健康的職業(yè); d.礦區(qū)排水呈酸性，洗煤廠也排出含硫、酚等有害污染物的黑水，大量 的廢水排入河流，致使河流污染； e.在開采和選煤過程中，排除大量煤矸石和廢石，不僅占地，而且不斷 自然，排放氣體和灰塵，污染環(huán)境； f.在煤的開采、裝卸、運輸過程中散發(fā)的大量煤塵，會嚴重危害人體健 康及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。 2 2）石油開采的環(huán)境污染）石油開采的環(huán)境污染 石油的污染主要是對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞。 近海石油污染的又一主要

6、來源是河流帶來的廢油，其中份額最大的是潤滑 油，來自陸地田油、機動車輛、船只、機器。 對沿海和河口地區(qū)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重的威脅，使?jié)O業(yè)減產(chǎn)，旅游業(yè) 遭到破壞； 應對措施： a.海上石油泄漏：重在防止事故發(fā)生。 b.泄油：可用一種可垂直漂浮水上的塑料圍墻，將油膜封閉圍攏，收集 或燒掉；還可用毯式皮帶傳送吸油的駁船；細菌，能迅速把碳水化合 物分解為無毒物質。 c.近海石油污染：將其收集起來再加以煉制，不僅利于環(huán)境，也利于節(jié) 油。 3）鈾生產(chǎn)的環(huán)境污染鈾生產(chǎn)的環(huán)境污染 兩個階段：核燃料成產(chǎn)和輻射后燃料的處理。（第6章詳細介紹） 4 4）建造水電站對環(huán)境的影響）建造水電站對環(huán)境的影響 a.在水能開

7、發(fā)初始階段，不可避免地對環(huán)境造成破壞。大片河谷流域成 為水庫，森林、土地、村莊被淹沒，自然風景被破壞，流域生態(tài)系統(tǒng) 受影響。 b.河水夾帶泥沙，流入水庫靜水區(qū)，由于流速小，泥沙逐漸沉積下來。 泥沙沉積影響水庫功能，使發(fā)電站發(fā)電量減小，并影響下游的生態(tài)平 衡。 c.水庫的建造，使河岸強度降低，易導致滑坡或崩巖，并誘發(fā)地震。 3.3.能量的轉化應用工程中對環(huán)境的影響能量的轉化應用工程中對環(huán)境的影響 化石燃料的燃燒造成區(qū)域性和全球性的危害，如酸雨、光化學煙霧、 大氣溫室效應等，及熱污染。 放射性污染主要來自核電站。一旦發(fā)生事故，就可能造成災難性的破 壞。同時核電站排放廢熱更為嚴重，它將全部熱能的三分

8、之二排給環(huán) 境。 汽車尾氣和石油化工企業(yè)的排氣在陽光照射下，生成光化學煙霧的污 染。 能源動力工業(yè)還產(chǎn)生大量固體廢料，但其中有一些是可以利用的，如 煤矸石、煤炭渣等。 措施措施 1.提高能源的利用率 通過提高能源的利用率，可以節(jié)約大量的一次能源，提高能源系統(tǒng)的可持 續(xù)性。 2.實施能源多元化戰(zhàn)略，大力開發(fā)利用可再生能源和替代能源 我國的資源特點：多煤、缺油、少氣 可再生能源與可再生能源法 例如，推進大型水電、風電基地建設；在西部電網(wǎng)未覆蓋地區(qū)發(fā)展小水電 和太陽能發(fā)電，在東部沿海地區(qū)和有居民的海島大力開發(fā)風能，推進海洋 可再生能源開發(fā)利用；在農(nóng)村地區(qū)推廣風能、太陽能利用，推廣生物質能 技術，大力

9、推進能源林基地建設和開發(fā)利用。 替代能源與中國替代能源研究報告 發(fā)展替代能源要按照以新能源替代傳統(tǒng)能源、以優(yōu)勢能源替代稀缺能 源、以可再生能源替代化石能源的思路，逐步提高替代能源在能源結 構中的比重。當前，要重點發(fā)展車用燃料和替代石油產(chǎn)品，搞好煤炭 1.5.3 建立可持續(xù)能源系統(tǒng)建立可持續(xù)能源系統(tǒng) 液化，煤質甲醇、二甲醚、烯烴和煤基多聯(lián)產(chǎn)技術的試 驗示范和開發(fā)應用；積極發(fā)展燃料乙醇和生物柴油；大 力發(fā)展沼氣、太陽能、風能、水電、地熱等可再生能源 ，盡可能降低對化石燃料的以來，減少污染物的排放。 3.以科學態(tài)度采用先進的能源技術和節(jié)能環(huán)保技術 積極研發(fā)和采用先進的新型能源技術和節(jié)能環(huán)保技術， 實

10、現(xiàn)化石燃料的利用接近零污染和零溫室氣體排放，提 高能源的利用率和環(huán)境友好性，并著力保持能源的多樣 性，也是提高能源可持續(xù)性的重要措施。 平板型集熱器平板型集熱器 拋物面型反射聚光器拋物面型反射聚光器 1.5.4 清潔能源清潔能源 太陽是一團巨大的熱熾氣體火球，太陽表面的溫度高太陽是一團巨大的熱熾氣體火球，太陽表面的溫度高 達達60006000，內(nèi)部溫度高達，內(nèi)部溫度高達20002000萬萬。太陽內(nèi)部具有強大的。太陽內(nèi)部具有強大的 壓力，相當于地球上大氣壓力的壓力，相當于地球上大氣壓力的20002000億倍。億倍。 在太陽的內(nèi)部，由于高溫和高壓，使原子進行著激在太陽的內(nèi)部，由于高溫和高壓，使原子

11、進行著激 烈的運動和變化，熱核聚變反應不斷進行，同時釋放出巨烈的運動和變化，熱核聚變反應不斷進行，同時釋放出巨 大的能量。太陽的光和熱，要穿過大的能量。太陽的光和熱，要穿過1515億千米的太空，才能億千米的太空，才能 到達地球的大氣層。地球上很多種形式的能源，如煤、石到達地球的大氣層。地球上很多種形式的能源，如煤、石 油、天然氣、木柴等，都是由太陽能轉換而來的。油、天然氣、木柴等，都是由太陽能轉換而來的。 1.太陽能太陽能 太陽能的利用太陽能的利用 直接轉換成熱能，光直接轉換成熱能，光- -熱轉換。熱轉換。 例如，太陽能空調(diào)制冷、太陽能熱水器、太陽灶、太陽能冷熱管、光熱 發(fā)電機組等。 直接轉換

12、成電能，光直接轉換成電能，光- -電轉換。電轉換。 即太陽能伏發(fā)電 直接直接轉換成化學能，光轉換成化學能，光- -化學轉換?；瘜W轉換。 最主要的有太陽能制氫技術、燃料電 池等。 光伏電池光伏電池 太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電: : 凹面鏡集聚凹面鏡集聚 太陽光，將太陽光，將 光能轉化為光能轉化為 熱能，用于熱能，用于 發(fā)電發(fā)電 發(fā)電站位于德國萊比錫以南發(fā)電站位于德國萊比錫以南3030公里的埃斯彭海因鎮(zhèn)，整套發(fā)公里的埃斯彭海因鎮(zhèn)，整套發(fā) 電裝置由電裝置由3350033500塊光電池板組成，占地面積塊光電池板組成，占地面積21.621.6公頃。發(fā)電公頃。發(fā)電 站功率為站功率為5 5兆瓦，可為兆瓦，可為18

13、001800戶住家提供生活用電。這一耗資戶住家提供生活用電。這一耗資 22002200萬歐元的發(fā)電站是由德國太陽能協(xié)會、西部基金以及殼萬歐元的發(fā)電站是由德國太陽能協(xié)會、西部基金以及殼 牌太陽能公司聯(lián)合興建。德國是非常重視可再生能源開發(fā)的牌太陽能公司聯(lián)合興建。德國是非常重視可再生能源開發(fā)的 國家。目前水電、風能、太陽能等可再生能源已經(jīng)為德國提國家。目前水電、風能、太陽能等可再生能源已經(jīng)為德國提 供了供了1010的電力。德國政府計劃到的電力。德國政府計劃到20202020年全國年全國2020的電力將的電力將 來自可再生能源。目前，德國太陽能發(fā)電設施的總功率為來自可再生能源。目前，德國太陽能發(fā)電設施

14、的總功率為 500500兆瓦兆瓦 。 該電站裝機容量130千瓦 ，為當?shù)?14戶、近4000名牧民解 決了用電難問題 2.2.風能風能 風能風能 風能是大量空氣在地球表現(xiàn)運動時產(chǎn)生的動能，是太陽能的一種轉換形式。 優(yōu)點：可再生、不要運輸、不要開采、潔凈無污染等。 缺點：開發(fā)難度大。 風能開發(fā)利用的主要方式是風力發(fā)電,通過在風電場中布置風電機組將風的 動能轉換成電能并輸入電網(wǎng),以供用戶使用。這是目前可再生新能源中技術最 成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)電方式之一。單機容量是風電 機組技術水平的標志,2006年安裝的機組平均單機容量約1500千瓦,而10年前只 有500千瓦。 風機“下海

15、”是當前的一個動向。海上風能資源比陸上大,不但風速高,而 且很少有靜風期,能更有效地利用風電機組的發(fā)電容量。據(jù)統(tǒng)計,風電一直是世 界上增長最快的能源,裝機容量每年增長超過30%,到2006年底,世界風電裝機容 量超過了7500萬千瓦,已成為繼火電、水電和核電之后的第四大主要發(fā)電電源。 3.3.生物質能生物質能 碳循環(huán)碳循環(huán) 木材木材 垃圾垃圾 作物作物 沼氣沼氣燃料乙醇燃料乙醇 巴西的生物乙醇引起的問題？巴西的生物乙醇引起的問題？ 生物質能的概念生物質能的概念 生物質是指光合作用而產(chǎn)生的各種有機體，包括動植物和微生物。 生物質能是太陽以化學能形式儲存在生物中的一種能量形式，是以生物 質為載體的

16、能量，它直接或間接地源與植物的光合作用。生物質能是蘊藏在 生物質中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而貯存在生 物質內(nèi)部的能量。煤、石油和天然氣等化石能源也是由生物質能轉變而來的。 生物質能是可再生能源，通常包括以下幾個方面：一是木材及森林工業(yè) 廢棄物；二是農(nóng)業(yè)廢棄物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工業(yè) 有機廢棄物；六是動物糞便。 在世界能耗中，生物質能約占14，在不發(fā)達地區(qū)占60以上。全世界 約25億人的生活能源的90以上是生物質能。 生物質能的優(yōu)點是燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點是熱值及熱效率 低，體積大而不易運輸。直接燃燒生物質的熱效率僅為10一30。 生物質能的

17、利用生物質能的利用 1熱化學轉換法，獲得木炭、焦油和可燃氣體等品位高的能源產(chǎn)品，該 方法又按其熱加工的方法不同，分為高溫干餾、熱解、生物質液化等 方法； 2生物化學轉換法，主要指生物質在微生物的發(fā)酵作用下，生成沼氣、 酒精等能源產(chǎn)品； 3利用油料植物所產(chǎn)生的生物油； 4把生物質壓制成成型狀燃料(如塊型、棒型燃料)，以便集中利用和提 高熱效率。 生物質能源的優(yōu)勢生物質能源的優(yōu)勢 可再生能源 可生產(chǎn)出多種化工產(chǎn)品，替代石油化工產(chǎn)品(如塑料等)，環(huán)境友好 將廢棄物和污染物無害化、資源化 增加土壤和水面對太陽輻射能量的吸存，循環(huán)利用 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一部分，對發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟、增加農(nóng)民收入、縮小城鄉(xiāng) 差別有利

18、 4.4.海洋能海洋能 地球上某些地方海洋的潮起潮落擁有巨大的能量,利用潮汐的落差可為水 利系統(tǒng)提供充足的能源。世界第一座潮汐能電站建于1968年的法國,1984年 在加拿大建造了20兆瓦能力的潮汐電站。波浪的利用有各種不同的技術,最 常用的技術是類似渦輪的淹沒系統(tǒng),當波浪流經(jīng)它的時候產(chǎn)生電力;有的利 用錐形通道系統(tǒng),把波浪放大后驅動渦輪;有的利用漂浮系統(tǒng),在水的表面隨 波浪起伏,驅動活塞壓縮空氣,壓力增強的空氣驅動渦輪發(fā)電。 兩大類型：一類是在陽光照射后產(chǎn)生的熱能，另一類是由潮汐和海浪的運 動所產(chǎn)生的機械能，如波浪能、潮汐能、溫差能（海洋熱能）、濃度差能 （滲透壓能）、海流能（潮流能）等，以

19、及海洋上空的風能、海洋表面的 太陽能、海洋生物質能等。 5.5.地熱能地熱能 地熱能來自地球深處的熱能，它源于地球的熔 融巖漿和放射性物質的衰變。地熱能不是一種可再 生的能源。 地熱通常是熱水或水蒸氣。 地熱能也是一種綠色能源,上世紀70年代開始, 發(fā)達國家已經(jīng)將地熱能作為重要的資源開發(fā)利用, 并取得了極大的經(jīng)濟效益。目前,全球已經(jīng)建造了 250多個地熱能電廠。在美國,地熱能給舊金山市供 能,在巴西,薩爾瓦多市40%的電力來自于地熱能,冰 島只用地熱能來發(fā)電。在全世界,地熱能產(chǎn)生 8000MW的電能,而且有相當于10 000MW地熱能的熱 量被直接使用。 6.6.核能核能 核能是原子核結構發(fā)生

20、變化（如放射性衰變、裂變或聚變過程）時所 釋放出來的能量。 核能是一種可持續(xù)的新能源。 核聚變：將兩個或兩個以上的原子核聚在一起，這個過程會釋放大量 的能量。 核聚變發(fā)電優(yōu)點： 1.原料是無窮不盡的海水，成本低廉。 2.不會發(fā)生反應堆失控。 3.幾乎不存在像放射性廢棄物引起的環(huán)境污染問題。 核裂變核裂變 (nuclear fission) 鏈式反應鏈式反應 (Nuclear Chain Reaction) 核聚變核聚變 (Nuclear fusion) 2H 3H 原子彈原子彈“小男孩小男孩” 7.7.氫能氫能 作為能源的優(yōu)點：1.環(huán)境友好型 2.可作為能源的載體 3.可實現(xiàn)能源的 可持續(xù)發(fā)展

21、 缺點：成本高，易爆，易燃 主要使用方式：直接燃燒和電化學轉換 應用：1.氫能在發(fā)動機、內(nèi)燃機（氫內(nèi)燃機）內(nèi)進行燃燒轉換成動力。 2.燃料電池，將氫的化學能量通過化學反應轉換成電能。 制氫方法：以水為原料，利用太陽能制氫 主要技術：1.太陽能熱化學分解水制氫 2.太陽能電解水制氫 3.太陽能光化學分解水制氫 4.太陽能光電化學電池分解水制氫 5.光合微生物制氫 氫能優(yōu)點：清潔、無污染、高效率、儲存及輸送性能好等。 8.8.天然氣水合物天然氣水合物可燃冰可燃冰 天然氣水合物是天然氣與水在中高壓和低溫條件下形成的一種類冰的籠 形結晶化合物，點火及可燃燒，所以又稱可燃冰。 21世紀的新能源，分布在海

22、洋大陸架外的陸坡、深海和深湖以及永久凍 土帶，儲量巨大。 1 m3 = 164 m3 天然氣，能量巨大. 9.9.潔凈煤與煤基替代能源潔凈煤與煤基替代能源 潔凈煤技術 潔凈煤技術是指從煤炭開發(fā)到利用的全過程中，旨在減少污染排放與提高 利用效率的加工、燃燒、轉化及污染控制等新技術的總稱。 三個階段：前處理、煤利用過程中的污染物控制、尾氣處理。 1.前處理。由傳統(tǒng)燃用原煤向燃用加工煤全面過度，包括煤炭燃燒前的 洗選和加工轉化技術。 如型煤、水煤漿等。 1.清潔高效燃燒技術（潔凈煤發(fā)電技術） 如循環(huán)硫化床燃燒、增壓硫化床燃燒、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)、超臨界 機組加脫硫脫硝裝置等。 1.尾氣處理。煙氣凈化

23、（脫硫脫硝除塵）和粉煤灰綜合利用 煤基替代能源 煤基替代能源是以煤炭為原料，通過化學加工或化工轉化得到的液態(tài)的、 氣態(tài)的、可作為替代燃料使用的產(chǎn)品。 以煤為原料生產(chǎn)液體燃料大體上分為兩類： 1.以煤為原料生產(chǎn)燃料油，包括煤直接液化制油或間接液化制油煤 制油； 2.以煤為原料生產(chǎn)液體替代燃料，如甲醇、而甲醇等醇醚燃料。 3.以煤為原料制甲醇，再由甲醇制低碳烯烴“煤制烯烴”。 煤基替代能源的替代范圍廣泛、原料低廉、環(huán)保。 1.5.5 節(jié)能與節(jié)約型社會節(jié)能與節(jié)約型社會 我國是一個人口眾多、資源相對不足、生態(tài)先天脆弱的發(fā)展中國家。 隨著經(jīng)濟快速增長和人口不斷增加，努力緩解資源不足的矛盾，不斷改善 生態(tài)

24、環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為十分緊迫的任務。 節(jié)約有狹義和廣義之分。狹義的節(jié)約主要是減少消耗。廣義的節(jié)約則 包含了從減少消耗到有效利用資源，從有效利用到可持續(xù)發(fā)展，再到循環(huán) 經(jīng)濟的演化。 我國建設節(jié)約型社會的方針：堅持節(jié)約與資源開發(fā)并重，把節(jié)約放在 首位。要緊緊圍繞實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式的根本性轉變，以提高資源利用率為 核心，以節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地、資源綜合利用和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟為重點 ，加快結構調(diào)整、推進技術進步，加強法制建設、完善政策措施、強化節(jié) 約意識，盡快建立健全促進節(jié)約型社會建設的體制和機制，以資源的高效 利用和循環(huán)利用促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。 1.1.節(jié)能節(jié)能 節(jié)能是指盡可能地減少能源消耗量，生產(chǎn)出與原來同樣數(shù)量、同樣質量的 產(chǎn)品。 1.節(jié)能途徑 結構節(jié)能 管理節(jié)能 技術節(jié)能 2.節(jié)能技術 提高能源技術與輸出效率的節(jié)能技術。燃燒節(jié)能技術、傳熱節(jié)能技術 、絕熱節(jié)能技術等。 提高終端利用效率的節(jié)能技術。余熱節(jié)能技術、電力節(jié)能技術等。 其他節(jié)能技術：主