能源與可持續(xù)發(fā)展第7講-2013-02-06

能源與可持續(xù)發(fā)展重慶大學動力工程學院2013年2月1三、

污染物減排技術一、清潔能源二、節(jié)能技術第7講清潔能源與節(jié)能減排技術2一、清潔能源水能核能風能太陽能地熱能海洋能等等生物質(zhì)能3一、清潔能源4利用水的重力勢能沖動水輪機發(fā)電攔河筑壩，利用水的重力勢能發(fā)電我國可供開發(fā)利用的水能源為3.78億千瓦，目前僅開發(fā)利用了11%。水能5

目前在建大型水電站（金沙江）：白鶴灘、溪洛渡、向家壩水電站等。葛洲壩二灘三峽

水能以三峽工程為例：三峽工程總裝機容量2250萬千瓦，年發(fā)電量超過1000億度。若采用相同容量的火力發(fā)電站，年耗煤5170萬噸，排放二氧化碳1.46億噸，二氧化硫3.82萬噸，氮氧化物9000噸，另外還會大量的粉塵，重金屬。水電與火電的比較水能水電被視一種可再生、零污染，產(chǎn)能高、儲量豐富的清潔能源，在節(jié)能減排上能夠有效降低排放，但是水電站也有一定的不足之處：①上升的水位可能引起滑坡，塌方，甚至引發(fā)地震。②大壩攔河，可能阻斷魚類洄游產(chǎn)卵，水流特性改變，影響魚類生存環(huán)境。③巨大的湖面可能對氣候有一定的影響。水能核能9一座百萬千瓦級的燃煤電廠，每年耗煤230萬噸（按7200小時計），產(chǎn)生二氧化碳650萬噸、二氧化硫1700噸、氮氧化物400噸，還有大量的灰塵、固體顆粒等。每公斤U-235裂變放出的能量相當于2880噸標準煤燃燒的能量，一座百萬千瓦級的核能發(fā)電廠，每年產(chǎn)生數(shù)百噸中放射性廢物和20-30噸乏燃料。核能核電與火電的比較10數(shù)據(jù)來源：BPStatisticalReviewofWorldEnergy.June2012./statisticalreview美國、法國核能消耗量位于前兩位2011年世界各國核能消費量日本福島核電事件2011年3月11日，日本宮城縣東方外海發(fā)生里氏9.0級地震，并引發(fā)海嘯，海嘯在福島第一核電站內(nèi)引發(fā)一系列設備損毀、堆芯熔毀、輻射釋放等災害事件。輻射性物質(zhì)進入風中，通過風傳播到中國大陸，臺灣和俄羅斯等一些地區(qū)。核能重大核電事故1986年4月26日當?shù)貢r間1點24分，蘇聯(lián)的烏克蘭共和國切爾諾貝利核能發(fā)電廠發(fā)生嚴重泄漏及爆炸事故。事故導致31人當場死亡，上萬人由于放射性物質(zhì)遠期影響而致命或重病，至今仍有被放射線影響而導致畸形胎兒的出生。這是有史以來最嚴重的核事故。切爾諾貝利事故核能重大核電事故三里島事故

1979年3月28日凌晨4時，美國賓夕法尼亞州的三里島核電站第2組反應堆陷于癱瘓。事故發(fā)生后，全美震驚，核電站附近的居民驚恐不安，約20萬人撤出這一地區(qū)。美國各大城市的群眾和正在修建核電站的地區(qū)的居民紛紛舉行集會示威，要求停建或關閉核電站。美國和西歐一些國家政府不得不重新檢查發(fā)展核動力計劃。核能重大核電事故缺少安全文化反應堆設計存在缺陷操縱員不可原諒的錯誤核能事故總結(jié)現(xiàn)代核電廠的多道屏障第一道：燃料包殼；第二道：一回路壓力邊界；第三道：壓力容器；第四道：安全殼。因此，新一代的核電廠正常運行的安全是可以保證的。中國確定了“積極推進核電建設”的方針，表明發(fā)展以核電為主的清潔能源，已經(jīng)成為中國重要的能源政策。核電在爭議中復興要充分認識核安全的重要性和緊迫性，核電發(fā)展要把安全放在第一位。在中央關于制定“十二五”規(guī)劃的建議中，把我國核電發(fā)展的方針明確為：“要在確保安全的基礎上高效發(fā)展核電”。核能中國的核電發(fā)展策略18我國可供開發(fā)利用的風能資源總量為2.54億千瓦。風能

以目前主流風力發(fā)電機為例：一臺5MW的風力發(fā)電機，年運行小時數(shù)為2500小時，年發(fā)電量達到1250萬度。

與同等容量燃煤火力發(fā)電相比，減少年耗煤1.15萬噸，減排二氧化碳排放3.25萬噸，二氧化硫8.5噸，氮氧化物2噸，另外減少還會大量的粉塵，重金屬。風能風電與火電的比較風電是一種安全可靠的發(fā)電方式，隨著大型機組的技術成熟和產(chǎn)品商品化的進程，風電成本將逐漸降低。風力發(fā)電不消耗資源、蘊藏量豐富，具有廣闊的發(fā)展前景建設周期一般很短

一臺風機的運輸安裝時間不超過三個月，萬千瓦級風電場建設期不到一年，而且安裝一臺可投產(chǎn)一臺；④裝機規(guī)模靈活

可根據(jù)資金多少來確定，為籌集資金帶來便利；風能風電的特點與優(yōu)勢運行簡單，可完全做到無人值守；實際占地少，機組與監(jiān)控、變電等建筑僅占風電場約1％的土地，其余場地仍可供農(nóng)、牧、漁使用；對地形要求低，在山丘、海邊、河堤、荒漠等地形條件下均可建設，在發(fā)電方式上還有多樣化的特點，既可聯(lián)網(wǎng)運行，也可和柴油發(fā)電機等級成互補系統(tǒng)或獨立運行，這對于解決邊遠無電地區(qū)的用電問題提供了現(xiàn)實可能性。風能風電的特點與優(yōu)勢風電是一種清潔的能源，對環(huán)境友好的能源，對節(jié)能減排有重要意義，具有廣闊的發(fā)展前景。但是風電也有其不足之處：風能密度小，風電設備投資大，且風能分布不均勻，且具有隨機性，僅在風能達到一定密度和小時數(shù)的地方才能夠利用風能。風電具有不連續(xù)性，因此會對電網(wǎng)造成一定的沖擊。另外，風電場運行過程中可能會產(chǎn)生噪聲和視覺污染。風能風電的不足之處太陽能電池陣列太陽能熱電站太陽能槽式發(fā)電站每年我國陸地接收的太陽輻射總量相當于24000億噸標煤。太陽能太陽能電站運行中不產(chǎn)生排放污染物，僅在生產(chǎn)太陽能電站設備過程中，需要消耗較多的能源。蘊藏量巨大。在無耕作價值沙漠地區(qū)，有廣闊的土地適宜于建設太陽能電站。

太陽能太陽能電站與火電站的比較太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。太陽能也有兩個主要缺點：能流密度低強度受晝夜和天氣的影響不能維持常量太陽能太陽能的優(yōu)缺點我國僅農(nóng)村秸稈的年產(chǎn)量就超過5億噸標煤。生物質(zhì)能生物質(zhì)能生物質(zhì)發(fā)電與燃煤發(fā)電的比較生物質(zhì)發(fā)熱值比煤低，一般1.4噸~2噸生物質(zhì)相當于一噸標準煤。生物質(zhì)燃燒過程產(chǎn)生CO2，但其CO2來自生物質(zhì)生長過程中光合作用吸收的CO2，相當于生物質(zhì)利用過程并未額外增加大氣中的CO2。生物質(zhì)含硫量低，燃燒生物質(zhì)可以降低向大氣中SO2的排放，減少酸雨危害。生物質(zhì)含灰量小，固體廢棄物的處理量比燃煤小。生物質(zhì)發(fā)電與燃煤發(fā)電的比較生物質(zhì)能生物質(zhì)能的優(yōu)點含硫量低，同時不排放CO2，是燃煤的最佳替代燃料；將有機物轉(zhuǎn)化成燃料可減少環(huán)境公害(例如，垃圾燃料)；與其他非傳統(tǒng)性能源相比較，技術上的難題較少。生物質(zhì)能的缺點植物僅能將極少量的太陽能轉(zhuǎn)化成有機物；單位土地面的有機物能量偏低；缺乏適合栽種植物的土地；有機物的水分偏多(50%～95%)；生物質(zhì)收集難度較大。生物質(zhì)能生物質(zhì)能的優(yōu)缺點羊八井地熱電站我國已探明的地熱儲量相當于4626億噸標煤，現(xiàn)已開發(fā)利用的僅為10萬分之一。地熱能利用地熱能來進行發(fā)電其好處很多：

①建造電站的投資少，通常低于水電站；②發(fā)電成本比火電、核電及水電都低；③發(fā)電設備的利用時間較長；④地熱能清潔，不會污染環(huán)境；⑤發(fā)電用過的蒸汽和熱水，還可以再加以用，如取暖、洗浴、醫(yī)療、化工生產(chǎn)等。

缺點：地熱受地熱資源影響大。地熱能地熱能的優(yōu)缺點潮汐電站波浪能電站可開發(fā)的潮汐能也在2000萬千瓦以上。潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、溫差能、鹽差能等海洋能潮流能電站海洋能優(yōu)點①蘊藏量巨大，其儲量是目前全世界能耗的幾百倍甚至上千倍。②無污染物排放，是一種清潔能源。缺點①海洋能分布不均，能量密度低②能量多變、不穩(wěn)定。

③利用困難，設備造價高。

海洋能海洋能的優(yōu)缺點清潔能源種類多且蘊藏量巨大，為何只有水能和核能大規(guī)模應用了。太陽能、地熱能、生物質(zhì)能和海洋能都是對環(huán)境友好，排放少的巨大的能源，為何其應用規(guī)模小？思考與討論：我國目前仍然以化石燃料為主要能量來源。二、節(jié)能技術2011年中國能源消耗構(gòu)成2011年中國能源消耗總量為34.8億噸標煤以煤炭為主；核能、太陽能、風能等新能源較少。減少用能？采用新技術節(jié)能減排？我們所用的能量，大部分來源于化石燃料的燃燒，對我們的環(huán)境造成了巨大的影響。38二、節(jié)能技術工業(yè)節(jié)能建筑節(jié)能生活節(jié)能交通節(jié)能工業(yè)節(jié)能分為單體設備節(jié)能和系統(tǒng)節(jié)能兩種方式。單體節(jié)能：通過對設備進行改進，提高能量利用過程中的四個環(huán)節(jié)（轉(zhuǎn)換、傳輸、使用和回收）的效率，從而達到節(jié)能目的。如：采用高效燃燒技術、強化傳熱技術、提高能量使用率和余熱回收。在冶金、化工、水泥、玻璃、造紙、紡織等行業(yè)節(jié)能效果顯著。工業(yè)節(jié)能單體節(jié)能高爐出口煤氣，在280℃以上，常規(guī)方式通過噴水降溫，使煤氣降低到45℃左右，余熱浪費。若采用余熱利用技術，將高溫煤氣引入到余熱鍋爐中，產(chǎn)生低壓蒸汽，蒸汽可用于發(fā)電，余熱得到有效回收。高爐出口煤氣有一定的壓力（壓力能），通過余壓利用系統(tǒng)，讓高爐煤氣余壓發(fā)電。回收放散煤氣，作為燃料加熱高爐燃燒用的空氣。舉例：高爐節(jié)能工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能，需要做到過程與系統(tǒng)匹配，并且使流程中各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)優(yōu)化。

以鋼鐵行業(yè)為例：上一道工序的產(chǎn)品是下一工序的原料，連鑄的鋼坯，在高溫下即進入軋制，上下工序之間相互配合協(xié)調(diào)，能夠有效促進節(jié)能。各個環(huán)節(jié)優(yōu)化：如低溫軋鋼，可以減少加熱爐的熱量消耗，但是低溫軋制過程會增加軋鋼機電耗，因此要對各個環(huán)節(jié)優(yōu)化，才能達到節(jié)能效果。工業(yè)節(jié)能系統(tǒng)節(jié)能建筑節(jié)能圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能電器節(jié)能利用保溫磚，改善墻體的保溫效果。利用雙層玻璃保溫。利用熱泵技術供暖，使用節(jié)能燈具。普通粘土磚空心保溫磚建筑節(jié)能節(jié)能建材雙層玻璃窗，不僅能夠保溫隔熱，還能夠有效隔音。建筑節(jié)能節(jié)能建材采用低能耗的電器如：采用熱泵供暖，空氣能熱水器，比直接采用電暖器供暖和電熱水器節(jié)能。采用智能壓力電飯鍋，比普通電飯鍋節(jié)能。使用LED節(jié)能燈。

建筑節(jié)能節(jié)能電器在有條件的地方，還應充分利用太陽能采光、供暖、供冷、發(fā)電等。節(jié)能示范建筑建筑節(jié)能生活方式的節(jié)能①盡量購買使用與房間或人數(shù)相匹配的電器，避免“大馬拉小車”的情況。②電器常維護：如空調(diào)使用一段時間后，濾網(wǎng)容易被灰塵堵塞，導致室內(nèi)機出風受阻，既增大風機能耗，也降低空調(diào)的制熱制冷效果，常清洗濾網(wǎng)能夠降低空調(diào)能耗。③良好的節(jié)能習慣：節(jié)約用水；隨手關燈；關閉電器電源珍惜紙張；節(jié)約糧食；垃圾分類生活節(jié)能生活方式的節(jié)能交通節(jié)能主要包含兩個方面：交通工具節(jié)能出行方式節(jié)能交通節(jié)能面對節(jié)能與環(huán)保的雙層壓力，近些年，國內(nèi)外的汽車主要研究方向鎖定于替代燃料汽車（醇類、天然氣、氫氣）和電動汽車兩個方向。交通節(jié)能交通工具節(jié)能天然氣汽車

（CNG）交通節(jié)能交通工具節(jié)能氫能汽車氫氣作為汽車燃料的特點：氫氣是一種無污染的清潔二次能源，燃用過程無CO2，無粉塵等污染物，僅產(chǎn)生水。氫氣在燃燒時比汽油的發(fā)熱量高。傳統(tǒng)的電解方法生產(chǎn)氫氣價格昂貴，且耗費其他資源，無法推廣，氫氣通過常規(guī)燃料重整（CH4+2H2O=CO2+3H2）大規(guī)模生產(chǎn)，能夠降低污染。另外氫氣還可以采用清潔能源生產(chǎn)：如利用太陽能、核能等進行生產(chǎn)。交通節(jié)能交通工具節(jié)能交通節(jié)能交通工具節(jié)能電動汽車驅(qū)動的汽車的電能來源于車載可充電蓄電池。目前困難在于電力儲存技術。蓄電池容量有限，難于保證車輛的長時間續(xù)航。目前，應用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的發(fā)展，鉛酸蓄電池由于能量低，充電速度慢，壽命短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在發(fā)展的電源主要有鈉硫電池、鎳鎘電池、鋰電池、燃料電池等。隨著電池技術的發(fā)展，必將為電動汽車的發(fā)展開辟了廣闊的前景。交通節(jié)能交通工具節(jié)能電動汽車電動汽車本身不排放污染物，電動汽車能量利用效率高，按照所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，其排放量也比燃油汽車小。將燃油汽車的分散排放轉(zhuǎn)化為發(fā)電廠集中排放，發(fā)電廠的遠離市區(qū)，集中排放的污染物也更容易治理。若采用太陽能或核能為充電汽車充電，其污染物排放將進一步降低。交通節(jié)能交通工具節(jié)能電動汽車短距離出行提倡步行或自行車提倡以公共交通為主提倡小排量節(jié)能汽車或電動汽車交通節(jié)能出行方式節(jié)能56三、減排技術脫硫技術脫硝技術除塵技術CO2捕集與封存技術對于能源利用過程中的減排技術，主要包括三個方面的減排技術：脫硫、脫硝粉塵防治二氧化碳捕集與封存三、污染物減排技術在化石燃料中，硫以單質(zhì)硫、無機硫和有機硫的形式存在。煤中硫以元素硫（S）、硫鐵礦（FeS2）和有機化合物（硫醇、硫醚、噻吩、硫醌等）存在。石油中絕大部分硫以有機硫形式存在。燃燒中主要有以下三個反應：

S+O2=SO24FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2CxHySz+nO2=zSO2+xCO2+yH2O脫硫技術我國的主要產(chǎn)煤中硫含量通常>1%，燃燒1噸煤，將產(chǎn)生16公斤以上的SO2

，若不對煙氣進行脫硫處理，將對大氣造成了嚴重的污染，八九十年代的大面積酸雨就與我國大量燃煤有關。脫硫技術燃燒前脫硫

石油中所含的有機硫，通常在煉制過程中進行加氫脫除。

RSH+H2=RH+H2SRSR’+2H2=RH+R’H+H2S產(chǎn)生的H2S，通過蒸餾得到去除。

脫硫技術燃燒前脫硫煤也可以在燃燒前進行脫硫，煤炭中的硫鐵礦，其密度比煤和煤矸石大，通過將煤磨粉后，通過水或者重介質(zhì)進行分選。能去除煤中部分硫（約50%左右）能夠降低煙氣中硫含量。對于單質(zhì)硫和有機硫則難于脫除，在燃燒過程中，也會產(chǎn)生大量的SO2。因此還需要對煙氣進行脫硫。脫硫技術燃燒前脫硫常用煙氣脫硫方法：（1）濕法煙氣脫硫（2）半干法脫硫（3）干法煙氣脫硫脫硫技術煙氣脫硫技術煙氣與堿性脫硫劑接觸，發(fā)生脫硫反應。優(yōu)點：該方式脫硫速率快，脫硫效率高。缺點：是產(chǎn)生廢水廢渣。脫硫技術（1）濕法煙氣脫硫技術目前應用最為廣泛的：石灰石-石膏濕法脫硫石膏經(jīng)過處理，可以作為建筑材料或鋪路。脫硫技術（1）濕法煙氣脫硫技術

干法脫硫是在干燥狀態(tài)下進行的，因此不存在廢液處理以及設備腐蝕等問題。目前比較受關注的干法脫硫為活性吸附劑脫硫，常用的吸附劑為活性炭、分子篩等?；钚蕴课絊O2，同時還能吸附煙氣中的O2和水蒸氣，SO2在活性炭表面發(fā)生催化反應，生成SO3和H2SO4。通過對活性炭進行加熱再生，SO2從活性炭表面脫附出來。脫硫技術（2）干法煙氣脫硫技術干法脫硫雖然無廢液廢渣，但是由于活性炭需要經(jīng)過吸附和脫附兩個過程，因此需要并聯(lián)使用多臺吸附器，才能使脫硫過程連續(xù)進行。這造成了干法脫硫操作過程復雜，且設備龐大。脫硫技術（2）干法煙氣脫硫技術噴霧干燥法：將Ca(OH)2

漿液霧化噴入煙氣中，在煙氣中吸收SO2后生產(chǎn)CaSO3·1/2H2O，由于有氧氣存在，部份CaSO3·1/2H2O被氧化成CaSO4·H2O。在吸收SO2的同時，漿液中的水分逐漸蒸發(fā)，最后產(chǎn)生干粉物料，進入除塵器和飛灰一起脫除。半干法脫硫效率可達85%以上，同時設備也較為簡單，但是廢棄物利用目前還不成熟。脫硫技術（3）半干法煙氣脫硫技術氮氧化物是形成酸雨的氣體，大氣中的氮氧化物是光化學煙霧的引發(fā)劑之一。。氮氧化物的產(chǎn)生，一部分來自于自然界的雷電、火山和細菌分解，另一部分則來自于人類燃用煤和石油。

NOx來源：助燃空氣中的氮氣在高溫下被氧化。燃料中的氮氧化物在燃燒過程中部分氧化產(chǎn)生。煙氣脫硝技術脫除煙氣中的NOx，有還原法、吸附法、濕式吸收法和電子束照射法。催化劑反應溫度還原劑優(yōu)缺點選擇性非催化還原法950~1100℃NH3或尿素效率40~60%該反應對溫度控制要求高，高于1100時，NH3會被氧化生成NOx，低于700℃，反應率降低。無催化劑，系統(tǒng)簡單。選擇性催化還原法TiO2為載體負載V2O5/WO3或MoO3等金屬氧化物300~340℃NH3脫硝效率90%以上無煙溫降低，還原劑不與氧氣反應。脫硝效率高，無副產(chǎn)物，反應裝置運行成本高，系統(tǒng)復雜。非選擇性催化還原550~800℃CH4、CO、H2還原劑與NOx反應，同時也與氧氣反應，還原劑耗量大，煙溫上升。煙氣脫硝技術還原法濕式吸收法：與濕法脫硫類似，NOx為酸性氣體，可以采用堿液來進行吸收吸附法：采用活性炭、分子篩、硅膠等吸附劑，從煙氣中吸附NOx電子束照射法：采用電子束照射煙氣，產(chǎn)生富有ＯＨ和Ｏ原子游離基，這些游離基將，在有ＮＨ３存在的條件下，產(chǎn)生硫酸銨和硝酸銨，達到氮硫同時除去的目的。煙氣脫硝技術濕式吸收法吸附法電子束照射法

在燃煤電站煙氣和汽車尾氣中，含有大量的粉塵。粒徑較大的會逐漸降落至地面形成降塵，而粒徑小的粉塵則在大氣中漂浮時間長，形成飄塵。

粉塵防治飄塵

飄塵表面會吸附各種有害氣體和微生物，2μｍ以下的飄塵會沉積于支氣管，小于0.1μｍ的微粒會有50%以上沉積于肺部深處并停留數(shù)年之久，長期吸入這種粉塵，會造成矽肺等職業(yè)病。降塵降塵容易降落，對人體肺部危害不大，但是降塵中若含有鎘、鉛、汞等重金屬元素時，降落至農(nóng)作物或進入水體，會污染農(nóng)作物和水體，對人造成間接危害。粉塵防治改善燃燒，控制煙塵通過改善燃燒，選擇合適的燃料和燃燒器或在氣缸內(nèi)加強氣體擾動與混合，使得碳能夠完全燃燒，減少煙塵的產(chǎn)生。對煙氣進行除塵處理。通過對煙氣進行除塵處理，使得排煙中粉塵量很小。常見的煙氣除塵有：

旋風分離器、袋式除塵器、電除塵器等。粉塵防治粉塵治理方法粉塵防治旋風除塵器袋式除塵器粉塵防治電除塵器粉塵防治燃燒后捕集化石燃料與空氣燃燒，產(chǎn)生的煙氣中主要是CO2和N2氣體，需要將CO2從煙氣中分離出來。燃燒前捕集將化石燃料通過重整反應產(chǎn)生H