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

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

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

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，是國民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的開發(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就有的各種形式的能源稱為一次能源。一次能源可按其來源的不同劃分為三類：來自地球以外的其主要形式是太陽能。來自地球內(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)電站太陽能發(fā)電站太陽能收集站沼氣發(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190萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而由太陽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，由植物通過光化作用吸收并蓄積太陽能而形成的生物質(zhì)能都是一次能源。廣義地說，煤、石油、天然氣、油頁巖和油質(zhì)砂等礦物一次能源都是由歷史上的有機(jī)生物質(zhì)所蓄積的太陽能。來自地球內(nèi)部的一次能源主要是地?zé)岷驮雍四堋碜缘厍蚺c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)過轉(zhuǎn)化或加工制造而產(chǎn)生的能源稱為二次能源，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，一般均作為一次能源。

2.

可再生能源和非再生能源人們對一次能源又進(jìn)一步加以分類。凡是可以不斷得到補(bǔ)充或能在較短周期內(nèi)再產(chǎn)生的能源稱為可再生能源，反之稱為非再生能源。風(fēng)能、水能、海洋能、潮汐能、太陽能和生物質(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)開發(fā)利用的能源稱為新能源,如太陽能、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)入能源市場作為商品銷售的能源均為商品能源。國際上的統(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程，實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞與轉(zhuǎn)換過程。

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各種類型的熱力機(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，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。1990年世界國內(nèi)生產(chǎn)總值為26.5萬億美元（按1995年不變價(jià)格計(jì)算），2000年達(dá)到34.3萬億美元，年均增長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)量僅為57.3億噸油當(dāng)量，2003年已達(dá)到97.4億噸油當(dāng)量。過去30年來，世界能源消費(fèi)量年均增長率為1.8％左右。自19世紀(jì)70年代的產(chǎn)業(yè)革命以來，化石燃料的消費(fèi)量急劇增長。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，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)量卻沒有絲毫減少的趨勢。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位煤炭資源大國的比較

美國俄國中國澳大利亞印度南非烏克蘭卡薩克斯坦波蘭巴西哥倫比亞

美國俄國中國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源：BillSeniorAEA，LinGaoCAS，China-EUCooperationonZeroEmissions,Beijing,28thOctober2009世界一次能源消費(fèi)（百萬噸標(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)（百萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤）世界的煤炭消費(fèi)

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

世界其它地區(qū)印度美國中國中國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中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)預(yù)測年份煤炭%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、印度等國家煤炭資源豐富，煤炭在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例相對較高，其中中國能源結(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.我國能源的利用現(xiàn)狀中國是一個(gè)能源資源比較豐富的國家。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中國能源和電力不可改變的事實(shí)煤現(xiàn)在是、將來仍是我國能源的主力，至少50年內(nèi)無法取代。70%50%煤炭是中國最重要的能源，中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，中國電力70%以上的裝機(jī)容量是煤電。2009年中國消費(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)電的比例將越來越大。從目前的53%上升到70%以上，絕對量的增加更大。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)以使中國成為世界上最大的二氧化碳排放國，面臨巨大的減排壓力。燃煤火電是中國最大和最集中的二氧化碳排放源，根據(jù)到2020年我國單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40-45%的目標(biāo)，中國火電將面臨最巨大的減排壓力。中國可持續(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，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%。而上述種類能源的世界平均水平分別是：26.7%，41%，23.8%，8.5%。也就是說，我國的煤炭的生產(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。通過以上分析，我們可以清楚地看出我國優(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)展中國家，我國目前能源生產(chǎn)量僅次于美國和俄羅斯，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，居世界第2位，可見我國已經(jīng)成為一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國。

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

我國總的能源狀況是富煤、缺油、少氣，這導(dǎo)致了我國的能源生產(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經(jīng)濟(jì)的總體發(fā)展。

到2050年,我國要達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平,則:

我國人口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

我國是世界第一人口大國，人口數(shù)量占世界總?cè)丝诘?0%，這就導(dǎo)致了我國人均占有資源量少，能源資源相對匱乏，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)國家是5000～6000kg，美國則高達(dá)11000kg。有專家預(yù)測,在2030～2050年期間，我國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)角度來看，我國的能源資源嚴(yán)重短缺。我國能源利用的現(xiàn)狀及主要問題：

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

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)重我國能源的終端利用效率為32～33％；發(fā)達(dá)國家能源的終端利用效率大于42％。

我國每萬元國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值（GDP）的能耗是日本的6倍，是美國的3倍，是韓國的4.5倍。

我國單位產(chǎn)品的能耗平均比發(fā)達(dá)國家要高40％左右。3）環(huán)境污染嚴(yán)重工業(yè)的發(fā)展帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，據(jù)調(diào)查，我國有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)過酸雨；

我國的CO2排放量僅次于美國，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)，我國城市空氣污染對人體健康和生產(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。

四煤炭消耗對環(huán)境產(chǎn)生的污染

我國能源利用以煤為主，已探明的煤炭儲(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%。大量的煤炭開發(fā)利用導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣污染。我國二氧化硫的排放量居世界第1位，酸雨的覆蓋面積已達(dá)國土面積的40%；二氧化碳的排放量僅次于美國，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。

我國的環(huán)境污染問題已經(jīng)受到了國際社會(huì)的高度關(guān)注，由于煤炭所造成的環(huán)境污染已經(jīng)影響到了我國國民經(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)成為我國發(fā)展經(jīng)濟(jì)和保護(hù)環(huán)境的迫切要求。但是我國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，在中國的能源資源中，煤炭占絕對的優(yōu)勢，達(dá)到常規(guī)能源資源總量的85％，我國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)煤國家80%的煤用于發(fā)電