能源與大氣污染控制第一章

能源利用與污染控制技術(shù)第一章

能源與能源利用現(xiàn)狀一概述

能源是人類(lèi)社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？v觀人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史，人類(lèi)文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。能源的開(kāi)發(fā)利用極大地推進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。

能源問(wèn)題是全世界關(guān)注的重大問(wèn)題，從20世紀(jì)70年代起，就被列入世界5大問(wèn)題之一。

人口；糧食；能源；環(huán)境；資源

二.能源的概念能源：為人類(lèi)的生產(chǎn)和生活提供各種能力和動(dòng)力的物質(zhì)資源，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的開(kāi)發(fā)和有效利用程度以及人均消費(fèi)量是生產(chǎn)技術(shù)和生活水平的重要標(biāo)志。1.一次能源和二次能源自然界中本來(lái)就有的各種形式的能源稱(chēng)為一次能源。一次能源可按其來(lái)源的不同劃分為三類(lèi)：來(lái)自地球以外的其主要形式是太陽(yáng)能。來(lái)自地球內(nèi)部的例如原子核能、地?zé)崮艿鹊厍蚺c其他天體相互作用的例如潮汐能等

能夠提供可利用電能的一次能源波浪發(fā)電站風(fēng)力發(fā)電站水力發(fā)電站地?zé)岚l(fā)電站太陽(yáng)能發(fā)電站太陽(yáng)能收集站沼氣發(fā)酵池潮汐發(fā)電站火力發(fā)電站核電站

太陽(yáng)每年平均輸入地球的能量為178000太瓦年(1太瓦年＝31.5×1015千焦),相當(dāng)于約190萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而由太陽(yáng)輻射引起氣象變化形成的水能、風(fēng)能、洋流能、波浪力能和海洋深層與表層的溫差能等，由植物通過(guò)光化作用吸收并蓄積太陽(yáng)能而形成的生物質(zhì)能都是一次能源。廣義地說(shuō)，煤、石油、天然氣、油頁(yè)巖和油質(zhì)砂等礦物一次能源都是由歷史上的有機(jī)生物質(zhì)所蓄積的太陽(yáng)能。來(lái)自地球內(nèi)部的一次能源主要是地?zé)岷驮雍四堋?lái)自地球與其他天體相互作用的一次能源主要是潮汐能。

煤

油

氣

鈾*澳大利亞/新西蘭非洲歐洲俄羅斯中東中國(guó)其它亞洲/太平洋地區(qū)北美南美BrendanBeck,WorldCoalInstitute,Coal,3MSustainableEnergyEngineering,ImperialCollege,12October2006世界化石燃料和鈾資源的分布，除中東和南美，中國(guó)和世界的能源最終只能以煤為主2004年世界能源儲(chǔ)藏(Mtoe)

凡由一次能源經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化或加工制造而產(chǎn)生的能源稱(chēng)為二次能源，如電力、氫能、石油制品、煤制氣、煤液化油、蒸汽和壓縮空氣等。但水力發(fā)電雖是由水的落差轉(zhuǎn)換而來(lái)，一般均作為一次能源。

2.

可再生能源和非再生能源人們對(duì)一次能源又進(jìn)一步加以分類(lèi)。凡是可以不斷得到補(bǔ)充或能在較短周期內(nèi)再產(chǎn)生的能源稱(chēng)為可再生能源，反之稱(chēng)為非再生能源。風(fēng)能、水能、海洋能、潮汐能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等是可再生能源；煤、石油和天然氣等是非再生能源。地?zé)崮芑旧鲜欠窃偕茉?，但從地球?nèi)部巨大的蘊(yùn)藏量來(lái)看，又具有再生的性質(zhì)。

核能的新發(fā)展將使核燃料循環(huán)而具有增殖的性質(zhì)。核聚變的能比核裂變的能可高出5～10倍，核聚變最合適的燃料重氫（氘）又大量地存在于海水中，可謂“取之不盡，用之不竭”。核能是未來(lái)能源系統(tǒng)的支柱之一。3.常規(guī)能源和新能源

在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下,已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛使用的能源稱(chēng)為常規(guī)能源。如煤炭、石油、天然氣、水能和核裂變能等。在新技術(shù)基礎(chǔ)上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用的能源稱(chēng)為新能源,如太陽(yáng)能、海洋能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等等.新能源大部分是天然和可再生的，是未來(lái)世界持久能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

由于新能源的能量密度較小，或品位較低，或有間歇性，按已有的技術(shù)條件轉(zhuǎn)換利用的經(jīng)濟(jì)性尚差，還處于研究、發(fā)展階段，只能因地制宜地開(kāi)發(fā)和利用;但新能源大多數(shù)是再生能源，資源豐富，分布廣闊，是未來(lái)的主要能源之一。4.商品能源和非商品能源

凡進(jìn)入能源市場(chǎng)作為商品銷(xiāo)售的能源均為商品能源。國(guó)際上的統(tǒng)計(jì)數(shù)字均限于商品能源。目前主要有煤炭、石油天然氣水電和核電五種.

非商品能源主要指薪柴和農(nóng)作物殘余（秸稈等）。5.能量轉(zhuǎn)化

各種能源形式可以互相轉(zhuǎn)化，在一次能源中，風(fēng)、水、洋流和波浪等是以機(jī)械能(動(dòng)能和位能)的形式提供的，可以利用各種風(fēng)力機(jī)械（如風(fēng)力機(jī)）和水力機(jī)械（如水輪機(jī)）轉(zhuǎn)換為動(dòng)力或電力。煤、石油和天然氣等常規(guī)能源一般是通過(guò)燃燒將燃燒化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。

能量的轉(zhuǎn)換與利用能量的利用過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程。

電能

機(jī)械能

輻射能熱能風(fēng)能、水能、海洋能

機(jī)械

機(jī)械能直接利用發(fā)電機(jī)

煤、石油、天然氣

熱能熱機(jī)直接利用核能核反應(yīng)

太陽(yáng)能光合作用生物質(zhì)能燃燒食物利用集熱器光電池90％燃燒

熱能可以直接利用，但大量的是將熱能通過(guò)各種類(lèi)型的熱力機(jī)械（如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等）轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，帶動(dòng)各類(lèi)機(jī)械和交通運(yùn)輸工具工作；或是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)送出電力，滿足人們生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。發(fā)電和交通運(yùn)輸需要的能源占能量總消費(fèi)量的很大比例。據(jù)預(yù)測(cè)，20世紀(jì)末僅發(fā)電一項(xiàng)的能源需要量將大于一次能源開(kāi)發(fā)量的40％。一次能源中轉(zhuǎn)化為電力部分的比例越大，表明電氣化程度越高，生產(chǎn)力越先進(jìn)，生活水平越高。三.能源的利用現(xiàn)狀1.世界能源的利用現(xiàn)狀

隨著世界經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷增大，世界能源消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)。1990年世界國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值為26.5萬(wàn)億美元（按1995年不變價(jià)格計(jì)算），2000年達(dá)到34.3萬(wàn)億美元，年均增長(zhǎng)2.7％。根據(jù)《2004年BP能源統(tǒng)計(jì)》，1973年世界一次能源消費(fèi)量?jī)H為57.3億噸油當(dāng)量，2003年已達(dá)到97.4億噸油當(dāng)量。過(guò)去30年來(lái)，世界能源消費(fèi)量年均增長(zhǎng)率為1.8％左右。自19世紀(jì)70年代的產(chǎn)業(yè)革命以來(lái)，化石燃料的消費(fèi)量急劇增長(zhǎng)。初期主要是以煤炭為主，進(jìn)入20世紀(jì)以后，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，石油和天然氣的生產(chǎn)與消費(fèi)持續(xù)上升，石油于20世紀(jì)60年代首次超過(guò)煤炭，躍居一次能源的主導(dǎo)地位。

雖然20世紀(jì)70年代世界經(jīng)歷了兩次石油危機(jī)，但世界石油消費(fèi)量卻沒(méi)有絲毫減少的趨勢(shì)。此后，石油、煤炭所占比例緩慢下降，天然氣的比例上升。同時(shí)，核能、風(fēng)能、水力、地?zé)岬绕渌问降男履茉粗饾u被開(kāi)發(fā)和利用，形成了目前以化石燃料為主和可再生能源、新能源并存的能源結(jié)構(gòu)格局。到2003年底，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供應(yīng)中約占87.7％，其中，石油占37.3％、煤炭占26.5％、天然氣占23.9％。非化石能源和可再生能源雖然增長(zhǎng)很快，但仍保持較低的比例，約為12.3％。世界的煤炭資源

世界頭11位煤炭資源大國(guó)的比較

美國(guó)俄國(guó)中國(guó)澳大利亞印度南非烏克蘭卡薩克斯坦波蘭巴西哥倫比亞

美國(guó)俄國(guó)中國(guó)澳大利亞印度南非烏克蘭卡薩克斯坦波蘭巴西哥倫比亞到2050年，化石燃料仍然是世界主要能源來(lái)源：BillSeniorAEA，LinGaoCAS，China-EUCooperationonZeroEmissions,Beijing,28thOctober2009世界一次能源消費(fèi)（百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤）煤石油天然氣核能水能其它年世界一次能源消費(fèi)（百萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤）世界的煤炭消費(fèi)

中國(guó)現(xiàn)在和將來(lái)將一直是世界最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)

世界其它地區(qū)印度美國(guó)中國(guó)中國(guó)與世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比較（2005）項(xiàng)目世界中國(guó)數(shù)量(Mtoe)比例%數(shù)量(Mtoe)比例%石油3952.835.6368.019.7天然氣2637.723.860.63.3煤3177.528.61311.470.4核電622.05.614.20.8水電709.26.4109.35.8總量11099.31001863.4100中國(guó)一次能源生產(chǎn)總量及構(gòu)成年份能源生產(chǎn)總量Mtce占能源生產(chǎn)總量的比重，%化石燃料（有碳能源）無(wú)碳能源煤炭石油天然氣水電、核電、風(fēng)電2001137,44571.817.042.938.232003163,84275.0714.792.847.302005205,87676.5012.623.207.702007235,41576.6011.303.908.202008260,00076.7010.443.898.98Source：張洪濤，國(guó)土資源部總工程師，中歐加快建設(shè)綠色經(jīng)濟(jì)圓桌會(huì)議上講演稿，2010年6月18日中國(guó)一次能源消費(fèi)總量及構(gòu)成年份能源消費(fèi)總量Mtce占能源消費(fèi)總量的比重，%化石燃料（有碳能源）無(wú)碳能源煤炭石油天然氣水電、核電、風(fēng)電2001143,19966.6822.872.557.92003174,99068.3822.212.586.832005224,68269.121.02.87.12007265,56369.519.73.57.32009305,00070.118.73.857.35中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)年份煤炭%石油%水電%天然氣%可再生能源%核能%202059.320.66.37.14.81.9203052.920.16.58.08.36.5205043.918.25.29.413.45.2

在亞太地區(qū)，中國(guó)、印度等國(guó)家煤炭資源豐富，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例相對(duì)較高，其中中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中煤炭所占比例高達(dá)68％左右，故在亞太地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)中，石油和天然氣的比例偏低（約為47％），明顯低于世界平均水平。除亞太地區(qū)以外，其他地區(qū)石油、天然氣所占比例均高于60％。如下表所示2.我國(guó)能源的利用現(xiàn)狀中國(guó)是一個(gè)能源資源比較豐富的國(guó)家。煤的探明儲(chǔ)量達(dá)6000億噸以上，居世界第三位；水力資源理論蘊(yùn)藏量為6.8億千瓦，居世界第一位；石油和天然氣的理論儲(chǔ)量也比較豐富。但由于中國(guó)人口眾多，平均每人每年的能源消費(fèi)量仍處于較低水平。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)

年度1990199520002015一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比例煤炭76.2076.1071.3062.6石油16.6017.1024.0026.9天然氣2.102.002.747.06水能5.104.802.012.63核能//0.210.79中國(guó)能源和電力不可改變的事實(shí)煤現(xiàn)在是、將來(lái)仍是我國(guó)能源的主力，至少50年內(nèi)無(wú)法取代。70%50%煤炭是中國(guó)最重要的能源，中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，中國(guó)電力70%以上的裝機(jī)容量是煤電。2009年中國(guó)消費(fèi)了30.02噸原煤，數(shù)量巨大、比重高，短期內(nèi)難以替代，其中53%用于火力發(fā)電。煤用于發(fā)電的比例將越來(lái)越大。從目前的53%上升到70%以上，絕對(duì)量的增加更大。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)以使中國(guó)成為世界上最大的二氧化碳排放國(guó)，面臨巨大的減排壓力。燃煤火電是中國(guó)最大和最集中的二氧化碳排放源，根據(jù)到2020年我國(guó)單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40-45%的目標(biāo)，中國(guó)火電將面臨最巨大的減排壓力。中國(guó)可持續(xù)發(fā)展面臨的五大能源挑戰(zhàn)能源需求總量巨大且快速增長(zhǎng)，供應(yīng)能力日趨緊張油、氣燃料短缺，高度依賴進(jìn)口，能源安全堪憂煤炭利用導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重農(nóng)村和小城鎮(zhèn)急需大量清潔、便利的能源服務(wù)溫室氣體排放量巨大而且迅速增加

從上表中可以看出，我國(guó)原煤的生產(chǎn)消費(fèi)在總量中所占的比重大約是70%，石油大約是20%，天然氣大約是2.3%，水電大約是6.5%。而上述種類(lèi)能源的世界平均水平分別是：26.7%，41%，23.8%，8.5%。也就是說(shuō)，我國(guó)的煤炭的生產(chǎn)及消費(fèi)是世界平均水平的約2.6倍，石油不足世界平均水平的50%，天然氣更是不足世界平均水平的10%。一次電力略低于世界平均水平。通過(guò)以上分析，我們可以清楚地看出我國(guó)優(yōu)質(zhì)能源在能源總量中所占的比例是非常低的。

作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)目前能源生產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)和俄羅斯，居世界第3位；基本能源消費(fèi)占世界總消費(fèi)量的10.4%，僅次于美國(guó)，居世界第2位，可見(jiàn)我國(guó)已經(jīng)成為一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。

但在我國(guó)的能源發(fā)展過(guò)程中卻存在著兩個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題：一是優(yōu)質(zhì)能源比例很低；二是人均能源資源占有量低。

我國(guó)總的能源狀況是富煤、缺油、少氣，這導(dǎo)致了我國(guó)的能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)的結(jié)構(gòu)不合理，一定程度上制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展。

到2050年,我國(guó)要達(dá)到中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平,則:

我國(guó)人口15~16億消耗30~32億噸標(biāo)準(zhǔn)煤更大的環(huán)境壓力人均能耗2噸標(biāo)準(zhǔn)煤

我國(guó)是世界第一人口大國(guó)，人口數(shù)量占世界總?cè)丝诘?0%，這就導(dǎo)致了我國(guó)人均占有資源量少，能源資源相對(duì)匱乏，即使是資源最豐富的煤炭，人均資源量也只有世界平均值的42.5％，人均石油資源為世界平均值的17.1％，人均天然氣資源為世界平均值的13.2％，人均能源資源占有量還不到世界平均水平的一半。目前，我國(guó)年人均能源消耗是1000kg標(biāo)準(zhǔn)煤，而世界平均水平為2000～3000kg，英、法、德等發(fā)達(dá)國(guó)家是5000～6000kg，美國(guó)則高達(dá)11000kg。有專(zhuān)家預(yù)測(cè),在2030～2050年期間，我國(guó)年人均能源消耗最多可能達(dá)到目前世界的平均水平，屆時(shí)能源總消耗量也將高達(dá)40億t標(biāo)煤以上，消費(fèi)和生產(chǎn)之間的缺口粗略估算可達(dá)到消費(fèi)總量的50%。從這個(gè)角度來(lái)看，我國(guó)的能源資源嚴(yán)重短缺。我國(guó)能源利用的現(xiàn)狀及主要問(wèn)題：

正常情況下，每個(gè)國(guó)家能源消費(fèi)總量及增長(zhǎng)速度與其國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值及增長(zhǎng)速度成正比，而能源的人均消費(fèi)量的多少則反映國(guó)民生活水平的高低。

1）人均儲(chǔ)備量少，遠(yuǎn)低于世界平均水平：

原煤：95噸/人（世界人均209噸/人）；

原油：3噸/人（世界人均28噸/人）；

天然氣：1416m3/人（世界人均28400m3/人）。2）能源開(kāi)發(fā)利用設(shè)備和技術(shù)落后，能源利用效率低，浪費(fèi)嚴(yán)重我國(guó)能源的終端利用效率為32～33％；發(fā)達(dá)國(guó)家能源的終端利用效率大于42％。

我國(guó)每萬(wàn)元國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值（GDP）的能耗是日本的6倍，是美國(guó)的3倍，是韓國(guó)的4.5倍。

我國(guó)單位產(chǎn)品的能耗平均比發(fā)達(dá)國(guó)家要高40％左右。3）環(huán)境污染嚴(yán)重工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染，據(jù)調(diào)查，我國(guó)有57%的城市空氣中總懸浮顆粒超標(biāo)；有48個(gè)大中城市空氣中的SO2濃度超標(biāo)；有82%城市出現(xiàn)過(guò)酸雨；

我國(guó)的CO2排放量?jī)H次于美國(guó)，居世界第二，占世界總排放量的13.6%。

據(jù)世界銀行報(bào)導(dǎo)，我國(guó)城市空氣污染對(duì)人體健康和生產(chǎn)造成的損失估計(jì)每年200億美元；酸雨使農(nóng)作物減產(chǎn)每年損失達(dá)50億美元。

四煤炭消耗對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染

我國(guó)能源利用以煤為主，已探明的煤炭?jī)?chǔ)量占世界儲(chǔ)量的11％,居世界第3位。2000年原煤產(chǎn)量達(dá)到9.98億t，居世界第1位。每產(chǎn)生一單位能量，煤炭所釋放出的二氧化碳比石油多29％，比天然氣多80％。我國(guó)由于燃煤造成的二氧化硫及總懸浮顆粒物的排放量分別約占85%和70%。大量的煤炭開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣污染。我國(guó)二氧化硫的排放量居世界第1位，酸雨的覆蓋面積已達(dá)國(guó)土面積的40%；二氧化碳的排放量?jī)H次于美國(guó)，占世界第2位。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，二氧化硫等大氣污染造成的經(jīng)濟(jì)損失總量已達(dá)到GDP的2%以上。

我國(guó)的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)受到了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注，由于煤炭所造成的環(huán)境污染已經(jīng)影響到了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。適當(dāng)降低煤炭在能源消費(fèi)中的比重，減少由于煤炭所造成的污染，已經(jīng)成為我國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)和保護(hù)環(huán)境的迫切要求。但是我國(guó)以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是由自然資源條件決定的，在中國(guó)的能源資源中，煤炭占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到常規(guī)能源資源總量的85％，我國(guó)以煤炭為主的能源格局是難以在短時(shí)期內(nèi)徹底改變的。

燃煤電廠生產(chǎn)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染

燃煤電廠是煤炭的主要用戶，由于電能在使用上有比其它能源有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，以及從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)從能源發(fā)展戰(zhàn)略上考慮將供各種工業(yè)和生活鍋爐及民用所消耗的煤轉(zhuǎn)化為電能，逐步達(dá)到先進(jìn)產(chǎn)煤國(guó)家80%的煤用于發(fā)電