（化学工艺专业论文）木薯为原料的能源生态系统的设计.pdf

摘要 摘要 经济发展和社会进步的同时，人类活动对自然界的扰动，无论在覆盖面积还 足影响程度在逐渐加深；j ：农业发展消耗大量资源，资源紧缺矛盾将不断加重； 大气污染严重；多数河流受到排放的废水破坏；土壤侵蚀范围扩大；因此减轻人 类活动对环境的影响和破坏是我们必须解决的问题。 众所周知能源是社会发展的动力，能源会影响经济发展速度。目前中国经济 迅速增长，足能源消费大国。而我国的能源效率较低，美国和日本等发达国家的 能源利用效率为中国的3 4 倍。我国的自1 9 9 3 年以来，成为石油净进口国，2 0 0 4 年成为第二石油进口大国。汽车燃料是石油产品消耗主要组成部分。往汽油中以 1 0 的比例加入变性燃料酒精作为汽车燃料可以不改变汽车部件，动力基本末变 化，汽车尾气有害物质降低。因此发展生物质为原料的燃料酒精是缓解能源紧张 的一种长期有效途径。广东是我国经济发展前沿地带，能源消耗巨大。广东省地 形以丘陵和半山区为主，我国木薯适宜生长的几个地区之一。木薯是亚热带薯类 作物，含有丰富的碳水化合物，杂质少，被公认为上乘酒精生产原料。山区交通 发展缓慢，山区农民增收难度较大。提出和设计以木薯为原料的能源生态系统， 可以解决能源、环境问题和农民增收难的三重问题。能源生态系统为可持续发展 指引了新的方向。 本文根据工业生态学的理论与设计方法，为广东省惠州市杨村镇，提出和设 计了小薯为原料的能源生态系统。系统利用传统技术和新型生产技术把低热值、 低转化率的生物质木薯转化成液态能源一一燃料酒精和气念能源一一气化可燃 气。系统中木薯生长过程利用太阳能光合作用吸收二氧化碳释放新鲜氧气；发酵 废醪液处理后，上清液消毒后循环再利用，固体部分生产饲料和有机肥，全系统 无废物排放。能源系统原料为呵再生资源，满足可持续发展的需要。解决现有燃 料乙醇生产技术中资源利用率低，废糟液、木薯杆焚烧引起的环境污染等一系列 问题。通过高新技术的集成和运用工业生态学及循环经济的理论技术，最大深度 地利用资源和降低燃料乙醇生产过程对环境造成的影响和降低对石油资源的依 赖。 本设计分析了能源生态系统中的子系统。介绍了木薯原料子系统中的木薯基 本特性，提出了科学种植和管理木薯的方法；在燃料生产子系统中介绍先进的单 元操作方法和条件；详细分析了燃料酒精制备方法。提出了能源系统中的丁业酒 精生产过程的工艺流程；本薯干气化子系统利用生物质气化技术设计把木薯杆转 华南理丁人学硕士学位论文 化成乃便使用的可燃气；提出气化可燃气体和废水厌氧发酵生成的可燃气体通过 管道输送到居民区作燃料使用的可燃气利用予系统。 利用工业生态学中的生命周期评价的评价方法研究和衡量能源生态系统能 耗。对术薯洒精生命周期评价分析，与汽油生产相比，系统能耗总体高于汽油生 产，关键由燃料生产的能耗高造成的。计算了新型木薯杆气化的能耗效率。设定 了2 5 0 0 0 t a 工业酒精生，“规模的系统，并给卅工业酒精生产过程中物料进出能源 系统、消耗水量和蒸汽量的计算结果。对能源生态系统中的工业酒精生产、燃料 酒精生产成木、和木薯杆气化生产成本进行了估算，分析了能源系统巾的外部收 益。 论文最后列出能源系统中的酒精生产部分程序计算框图和程序设计过程窗体 文件的部分编码。 关键词：木薯；能源生态系统；燃料酒精；生命周期评价 a b s t f a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h eh u m a n se f f e c ti sd e e p e n i n go nb o t h c o v e r i n ga r e a sa n di n f l u e n c ed e g r e e i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ec o n s u m eh u g er e s o u r c e t h e c o n t r a d i c t i o no fr e s o u r c es h o r t a g eb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s l y ；t h ea t m o s p h e r ei s p o l l u t e db a d l y ；m o s tr i v e r sa n ds o m eu n d e r g r o u n dw a t e ra r ed e s f f o y e db y t h ew a s t e w a t e r t h e e r o d e ds o i l s e x t e n ts p r e a d sc o n t i n u a l l y s or e d u d n gt h eh u m a na c t i v i t i e sw h i c ha f f e c ta n d e v e nd e s t r o ye n v i r o n m e n ti so u rw o r kt h a tm u s tb es o l v e d a sw ea l lk n o w , t h ee n e r g yi st h ep o w e ro ft h es o c i e t y sd e v e l o p m e n t ，a n de n e r g y i n f l u e n c et h ed e v e l o p i n gr a t e n o wc h i n ai sd e v e l o p i n ga n de n e r g yn e e di sa l m o s tm o s ti nt h e w o r l d b u to u re n e r g yu s i n gr a t i oi sl o w e r t h ee n e r g yu s i n gr a t i oo fa m e r i c aa n dj a p a ni s 3 - 4t i m e so fc h i n a s ，t h e r ea r em a n ye n e r g yp r o b l e m si nc h i n at o o a u t o m o b i l ef u e li s i m p o r t a n tc o m p o s eo ft h ep e t r o l e u mc o n s u m m a t i o n i f1 0 d e n a t u r a l i z e df u e l a l c o h o li s e n t e r e di n t ot h eg a s o l i n e ，t h ea u t o m o b i l ec o m p o n e n t sm a y n tb ec h a n g e d ；i t sp o w e rd o e s n t r e d u c e ；b a dc o m p o n e n t sr e d u c ei nt h ev e h i c l ee x h a u s t g u a n g d o n gi st h ef o r e l a n d so fc h i n a e c o n o m y , e n e r g yn e e d si sh u g e i t sl a n d f o r m sa r eh i l l sa n ds m a l lm o u n t a i n s i ti so n eo f s e v e r a lr e g i o n sw h e r ea r eb ef i tt oc a s s a v ag r o w i n g c a s s a v ai ss e m i t r o p i c a lp o t a t oc r o p ， w h i c hc o n t a i na b u n d a n tc a r b o h y d r a t ea n dl i t t l ei m p u r i t y i ti sr e c o g n i z e dt h eb e s tea l c o h o l s t o c k i ti sd i f f i c u l tt oi m p r o v ei n c o m i n go nt h el o c a lr e g i o n sb e c a u s eo ft h es l o wt r a f f i c p u t t i n gf o r w a r da n dd e s i g n i n ge n e r g ye c o - s y s t e mt h a tc a s s a v ai sa st h es t o c k t h ed e s i g nc a n s o l v et h ee n e r g ys h o r t a g e ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i n ga n di m p r o v i n gf a r m i n gi n c o m i n g t h e e n e r g ye c o s y s t e md i r e c t san e ww a yt ot h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n t t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ec a s s a v ae n e r g ye c o s y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei n d u s t r y e c o - s y s t e m st h e o r i e sa n dd e s i g nw a y s u s i n gt h et r a d i t i o n a lc l a s s i ct e c h n o l o g i e sa n dn e w t y p ep r o d u c i n gt e c h n o l o g i e st r a n s f e rt h eb i o m a s s - - c a s s a v ai n t ol i q u i ds t a t ee n e r g y u e l a l c o h o la n dg a s e i t ye n e r g y 卅a m m a b l eg a s c a s s a v ag r o w i n ga b s o r b sc 0 2a n dr e l e a s e sf r e s h 0 2b yp h o t o s y n t h e s i sa n du s i n gs u n s h i n e t h et r e a t e da l c o h o lw a s t e w a t e ri sr e c y c l e d ；t h e s o l i dw a s t er e s i d u e sm a yb e c o m et h ef e e d sa n do r g a n i cn o u r i s h m e n t so fc a s s a v af i e l d s t h e r e a r e n tw a s t el e t sf r o mt h ee n e r g ys y s t e m t h ee n e r g ye c o - s y s t e m sr a wm a t e r i a li sr e n e w a b l e ， w h i c hi se x t e n tt ot h en e e do fc o n t i n u a ld e v e l o p m e n t t h ee n e r g y su t i l i z a t i o nm a ys o l v e m a n yp r o b l e m so ft h er e s o u r c e sl o wu s i n gr a t i oi nt h ef u e la l c o h o lp r o d u c i n gt e c h n o l o g y , a l c o h o lw a s t e w a t e ra n dc a s s a v at r u n kb u r n i n gp o l l u t e w i t ht h eu s i n go ft h en e w 华南理t 大学硕上学位论文 t e c h n o l o g i e s i n t e g r a t i o na n di n d u s t r ye c o s y s t e ma n dr e c y c l i n ge c o n o m yt h e o r y ，t h ee n e r g y s y s t e mw i l lu s et h er e s o u r c ef a r t h e s ta n dr e d u c et h ea l c o h o lp r o d u c i n gi n f l u e n c ea n dt h e d e p e n d e n tt ot h ep e t r o l e u m i nt h ee n e r g ye c o s y s t e m ，t h es u b s y s t e m so ft h ee c o s y s t e ma r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o c a s s a v a sc h a r a c t e r i s t i c ，s u i t a b l eg r o w i n ga n dm a n a g ew a y sa b o u tc a s s a v aa r ep r o v i d e di nt h e c a s s a v aa sr a wm a t e r i a ls u b s y s t e m t h e r ei si n t r o d u c i n ga b o u tt h ea l c o h o lp r o d u c i n gp r o c e s s f l o wi nt h ef u e lp r o d u c i n gs u b s y s t e m t h ec l a s s i cu n i to p e r a t i o nw a y sa n dc o n d i t i o n sa r e a n a l y z e d a n dt h e nt h ef u e la l c o h o l sp r o d u c i n gw a y sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h e s u b s y s t e mo ft h ec a s s a v at r u n kg a s i f y i n gt h ei d e ai sp u tf o r w a r da n dd e s i g n e dt h a tc a s s a v a t r u n kg a s i f i e di n t of l a m m a b l eg a sb yb i o m a s sg a s i f y i n gs k i l l s t h ef l a m m a b l eg a sa n d w a s t e w a t e rf e r m e n tg a si su s e dt of u e lo fr e s i d e n t i a la r e aa r o u n dt h ee n e r g ye c o s y s t e m i nt h i sp a p e rt h ee n e r g ye c o s y s t e m se n e r g yc o n s u m m a t i o ni sr e s e a r c h e da n dw e i g h e d b yl i f ec y c l ee v a l u a t i o no fi n d u s t r ye c o s y s t e m sw a y a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fl i f ec y c l e e v a l u a t i o n ，t h ek e yo fs a v ee n e r g yi nt h es y s t e mr e d u c e st h ee n e r g yc o n s u m m a t i o no fa b s o l u t e a l c o h 0 1 t h ee n e r g yc o n s u m m a t i o nr a t i oi sc a l c u l a t e di nt h i sp a p e r t h e r ei st h ed e s i g no f 2 5 0 0 0 t ah i l g hp u r i f i c a t i o na l c o h o lc o n t a i n i n gm a t e r i a lo fe n t e r i n ga n dl e a v i n gs y s t e m ，c o o l i n g w a t e r , t e c h n o l o g yw a t e r , l i v es t e a ma n df l a s h i n gs t e a m sc o n s u m m a t i o n s t h ep r o d u c i n gc o s t s o ft h ea l c o h o l ，f u e la l c o h o l ，c a s s a v a st r u n ka r ee s t i m a t e di nt h i sp a p e r b e s i d e st h ei n c o m eo f t h ee n e r g ye c o - s y s t e mi sa n a l y z e da n dl i s t e d k e yw o r d s ：c a s s a v a ；e n e r g ye c o - s y s t e mf u e la l c o h o l ；f l a m m a b l eg a s ；l i f e - c y c l ee v a l u a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：多步霞 日期：砂哆年护，月口7 r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学口丁以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 ( 请在以卜相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 多易霞 琢砺 日期：如哆年。加。7 日 日期：l 穆年月矿日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类在追求自身文明和进步的过程中逐渐认识到自然环境是人类赖以生存的 环境和物质基础；人类只是地球生态系统中的成员，不能任意改造自然界环境和 无限制地获取地球资源；生存和活动必然受自然界生态系统的发展及其规律的制 约。人类社会系统是自然界生态系统中的比较特殊的系统，复杂自然界中的一部 分，不能凌驾于自然界生态系统。 长期对自然界的扰动使人类面临着环境、能源和发展的多重压力，能源是人 类社会进步最为重要的基础。从战略角度而言，世界最终将转入可再生能源的永 久利用。提高能源效率、发展可再生能源和消除或减轻对环境的影响已成为全球 可持续发展的强劲动力。改变能源的生产和消费方式，利用现代技术开发可再生 能源，建立持续发展的能源系统，对促进社会经济发展和生态环境改善以及摆脱 对化石能源的依赖都具有重大意义。 可再生能源是人类最早利用的资源之一。可再生能源分为传统的可再生能源 和新的可再生能源。传统的可再生能源包括火水电和用传统技术利用的生物能源； 新的可再生能源指利用现代技术的小水电、太阳能、风能、生物质能、地热能、 海洋能和固体废弃物 1 1 。除生物质能外，其它例如水能、太阳能、风能、生物质 能、地热能、和海洋能的利用受区域和气候的严格限制，区域性特点比较突出。 而生物质能源对人类社会发展的最重要的贡献在于其为人类的生存和发展提供所 必须的能源。以往的生物质能的利用为低效率解决燃料能源问题；当前的利用方 式主要是运用当代能源、机械等多学科领域的先进技术，通过能源转化的手段提 高能源的利用效率，改善现有能源的使用结构，达到替代能源的目的。 1 2 可再生能源生态系统提出的背景 依靠现有技术探测，地球为目前广阔宇宙中唯一具有生命的星球。人类自诞 生以来，为自身的发展和进步不断地改变着自然环境。当人类对自然界的影响超 越自然界生态平衡的限度，即对自然界产生扰动。远古时期，人类活动范围较小， 所产生的影响被系统的自我平衡与修复作用而抵消。进入农业文明时期后，人类 在自然界中活动的范围不断扩大，活动影响程度进一步加深，对自然界的扰动， 华南理工人学硕士学位论文 无法通过其自身的能力进行恢复。人类进入r 业文明时代后，其在自然界中的活 动r 趋严重，目前以空前的速度、幅度和空间规模改变着全球环境，同时也产生 了一系列的地区和全球性环境问题。这些问题影响着人类的社会发展，并危及人 类的生存。 1 2 1 人类活动对全球的扰动 人类白诞牛以来，直到1 9 9 4 年h a n n a h 等人在“人类对伞球系统扰动的初步 查清”中才给出了初步量化研究结果，使所有人能够形象地看到人类对地球改变 的程度和分布如图1 1 。将人类对牛态系统的扰动分为未被扰动、部分扰动和 图1 1全球生态系统的扰动状况i m f i g 1 一it h ed i s t u r b e ds t a t u so fg l o b a le c o s y s t e m 3 1 全被扰动三种类型，研究结果指出：在地球可居住的地区中，近三分之四的自然 界已被人类扰动，地区上仍保存有近9 0 0 0 l 丁k m 2 未受扰动土地，大约为地球总 面积的5 1 9 ，部分扰动的地区面积约4 1 0 0 万k m 2 ，占地球面积的2 4 2 ，伞被 扰动的地区面积超过4 0 0 0 力k m 2 ，占地球总面积的2 3 9 ( 表1 1 ) 3j 。如果不考虑 岩石、冰和荒地，这些大部分曲积无法居住，没有什么生物学价值的地方，三种 扰动地| 叉：面积之i 剐的比例关系就大卜相同了，未被扰动地区占2 7 、部分扰动地 区占3 6 7 、全被扰动地区占3 6 3 。h a n n a h 等人还给出各大洲人类活动扰动的 量的中国和东南亚等，见袁1 2 1 ，i 。 第一章绪论 表1 - 1 世界生境与人类扰动【3 j t a b l e l 一1t h ew o r l de n v i r o n m e n t sa n dh u m a nd i s t u r b i n g 3 注：生境指数= 【未扰动面积+ 2 5 x ( 部分扰动面积) 总面积】x 1 0 0 表1 - 2 各洲生境和人类的扰动【3 1 t a b l e l 2s e v e nc o n t i n e n t se n v i r o n m e n t sa n dh u m a nd i s t u r b i n g t 3 1 2 2 人类活动对中国的扰动 我国是一个历史悠久的文明国家，在我国的领土范围内，人类活动对自然环 境扰动的时间比较长。1 9 9 8 年，文英对我国的活动强度定量进行了探讨。并指人 类活动强度是指一定面积的区域受人类活动的影响而产生的扰动强度，另一种说 法就是人类的社会经济活动造成的该区域自然过程的速率发生改变的程度。考虑 人类活动强度与自然、经济、社会紧密联系，建立了评价以人类活动强度的指标 体系和评价方法，提出了以人类活动强度指数来表征人类活动对自然环境的扰动， 对1 9 9 5 年各省市区的人类活动强度进行定量计算和分析，如图1 2 t 4 1 。 华南理上人学硕十学位论文 图1 - 21 9 9 5 年各省市( 区) 人类活动强度图 f i g 1 - 2h u m a na c t i v i t yi n t e n s i t yc h a r to fd i f f e r e n tr e g i o n so fc h i n ai n19 9 5 1 4 无论从全球范围而言，还是中国范围来看，人类活动已经对自然生态系统产 生严重的扰动。人类对自然生态系统的扰动随着人类改造自然的能力提升在不断 增强，扰动的范围日益扩大。 1 3 人类活动对自然界的扰动后果 电力的应用使人们改造自然界的能力大大增强。目前各种工业、农业、生活 和交通等活动更大规模地影响和改变着自然环境，与自然生态系统不断发生冲突， 随之出现能源和资源紧张和环境污染等问题。 1 3 1 资源短缺 根据世界资源报告( 1 9 9 4 一1 9 9 5 ) 报道，2 0 世纪6 0 8 0 年代，人类对 矿物燃料、铝、铜、原木的消耗在持续增长( 表1 3 ) 。2 0 世纪8 0 年代后期消耗量 比6 0 年代早期分别增加了3 8 2 0 、1 3 5 8 9 、3 0 6 3 、1 7 2 7 。报告还指 h ， 对世界上九种主要金属与生产比率进行比较表明，按目前的生产水平，铝可持续 4 第一章绪论 供给2 7 0 年，镉2 0 2 年，铜6 4 年，铅3 8 年汞8 0 年，镍1 1 9 年，锡1 1 9 年 锌6 4 年。铁矿石2 4 7 年。 表1 3 工业活动对自然资源的消耗 t a b l e l - 3t h ec o n s u m eo fi n d u s t r ya c t i v i t ya b o u tn a t u r a lr e s o u r c e 表i - 4 世界能源消费预测f 5 】 t a b l ei 4w o r l de n e r g yc o n s u m ef o r e c a s t 5 j r m t o e ) 注：i e a ( i n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y ) 预测 化石能源白被应用以来，一直占据能源主导的地位。2 0 世纪初，煤占世界商 业能源9 5 以上。石油产量自2 0 世纪5 0 年代大幅度增加。国际能源机构对2 0 0 0 年2 0 3 0 年期间世界和中国能源消费进行了预测见表1 - 4 和表1 - 5 1 5 1 。从表中可 以看出无论全世界还是中国各类能源需求量持续增加，其中煤炭、石油和天然气 5 华南理工大学硕士学位论文 i 种化石能源在能源消费中仍占居主导地位。另外对可再生能源的需求增幅最大， 世界2 0 3 0 年消费量是2 0 0 0 年的2 6 倍；中国为1 3 倍。 目前，依靠现有探测技术和开采技术对世界范围和中国石油、煤炭和天然气 化石燃料的可采储量进行量化见表1 6 1 3 1 ，从表1 6 中可知世界和中国化石能源均 为有限的，并且中国的化石能源储量占有比例较少，天然气仅为0 9 ，世界煤炭 储采比为中国的2 4 倍，中国为人口大国，如果采用人均拥有能源中国人均远远 低于世界水平。 表1 - 5 中国能源消费预测【5 1 t a b l e l 一5c h i n ae n e r g yc o n s u m ef o r e c a s t 5 1 ( m t o e ) 注：l e a 预测 表1 - 6 世界和中国化石能源可采储量1 5 1 t a b l e l 一6w o r l da n dc h i n af o s s i le n e r g ya d o p t a b l er e s e r v e s q 生物质能地利用仍然占世界总能耗的1 4 ，相当于1 2 5 7 1 0 s t 石油。在发展 中国家生物质能占总能耗的3 5 ，相当于1 1 8 8 1 0 8 t 石油。目前全世界仍有2 5 1 0 8 的人用生物质做饭、取暖和照明。即使如此，生物质利用总量仍不到其生产 总量的1 。由此可见，生物质能的开发利用前景十分广阔。 人类活动对自然资源的消耗仍然在不断增加，资源短缺和自然资源面临枯竭 的危险是人类需要面临的重大难题。 6 第一章绪论 1 3 2 人类活动对环境影响 自从人类进入文明社会以来，所从事的工业、农业和人们生活等活动在不同 程度上对环境产生不可逆转的改变，环境改变主要表现为大气变化，水质改变， 土壤侵蚀等等。世界各国发展引起的局部环境污染及其长期积累产生的全球性问 题引发一系列污染事件或公害事件。破坏了人类赖以生存的基本要素，因此人类 活动产生的环境影响受到世界范围内普遍重视。 1 大气污染现状及产生的影响 按照国际标准化组织6 s 0 1 定义，空气污染通常指由于人类活动和自然过程引 起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害 了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。 大气污染主要由两类物质组成，其一是气体状污染物( 碳氧化物、碳氢化物、 氮氧化物、硫氧化物、有机氯化物等) ；其二为气溶胶状污染物( 粉尘、煤、烟、 飞灰、有机物颗粒、矿物质烟尘和大量的煤、石油未充分燃烧而遗留的残渣等) 。 污染物进入大气后，要经过一系列过程，包括：随气流飘移，并逐渐扩散稀 释；在大气中发生物理和化学的转化；因各种自然过程而从大气中清除。三个过 程不断地影响和改变污染物在大气中的浓度。大气污染物在大气中一般能存在一 定时间，s 0 2 逗留时间为1 4 天；c 0 2 为4 年：有的甚至能存在几十年。大气污 染物在3 个过程中的变化无一不受气候状况因素的影响。 经科学家测定表明，大气中所含的c o 的7 5 、h c 和n o x 的5 0 都来自于 汽车排放的尾气。因此降低汽车尾气中的有害物质对保护大气环境十分重要。无 铅汽油采用可以使汽车废气中铅含量大大降低。其它物质的比例取决于发动机的 状况和车辆的驾驶方式。一般来说，尾气中水占1 3 ，氢为1 2 ，一氧化氮 占1 5 。其余部分主要由碳氢化合物和氧化氮组成，在汽车加速和空转时以 前者为主，减速和慢速行驶时以后者为主【6 1 。据统计，每千辆汽车每天排放的c o 约为3 0 0 5 0 0 k g ，h c 约为2 0 0 4 0 0 k g ，n o x 约为1 0 0 k g ，而平均燃烧1 t 燃油生 成的有害物质约为4 0 6 0 k g 。随着我国居民生活水平的提高，汽车拥有量在迅速 增加，截至2 0 0 3 年底，全国在用机动车保有量为9 6 4 9 9 5 9 7 辆【7 j 。我国汽车拥有 量与发达国家相比虽然不是很高，但是我国的单车排污量却是发达国家的几倍。 汽油是多种烃的混合物，从理论上讲，当完全燃烧时，生成c 0 2 和h 2 0 。经 计算，l k g 汽油完全燃烧需1 5 k g 空气，可燃混合气中空气与燃料的比值叫做空燃 比，理论空燃比为1 5 ：1 。但在实际工作中，由于化油器匹配误差，电子喷油装 置的偏差，油汽混合的不均匀，点火的不稳定，残余废气的掺合，气缸壁面“激 冷层”的存在等等造成了不完全燃烧，致使排气中产生的c o 和h c 等有害物质 造成环境污染。高空燃比具有能量和经济优势的贫燃发动机技术现在正得到更广 华南理工大学硕十学位论文 泛的应用。贫燃发动机具有动力输出高、燃料利用率高、更经济、c o 和h c 污染 小的优势，但贫燃过程产生数量较大的n o x t s j 。 ( 1 ) 一氧化碳 c o 是一种无色无味有毒的气体，不易与其它物质发生反应而成为大气成份 中比较稳定的组成部分，能停留2 3 年。一氧化碳和人体红血球中的血红蛋白有 很强的亲合力，它的亲合力是氧的几十倍，c o 能阻止血红蛋白向人体细胞输送 吸到的氧气，亲合后生成碳氧血红蛋白，从而削弱血液向各组织输送氧的功能， 吸入浓度为0 5 的c o ，2 0 3 0 m i n 后导致心脏和肺呼吸功能减弱，造成感觉、 反应、理解、记忆力等方面的机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。 由c o 引起的公害被称为汽车尾气第一排气公害。 ( 2 ) 碳氢化合物 汽车尾气中碳氢化合物即是烯烃类和二氧化碳混合物。混合物分子吸收太阳 光所具有的能量后，被“活化”，变得不稳定，源自之间赖以结合在一起的化学链 遭到破坏，分子破裂生成新物质。这种在太阳光的参与下产生的化学反应，被称 为光化学反应，即所谓汽车尾气的“二次污染”。污染毒性很大，刺激人们的喉、 眼、鼻等粘膜。不仅危害人们与动物，而且使生态环境遭到破坏，严重影响农作 物的生长，迫使农业减产。1 9 5 2 年1 2 月伦敦发生的光化学烟雾，4 天中死亡人数 较常年同期大约多4 0 0 0 人，4 5 岁以上的死亡最多，约为平时的4 倍；1 岁以下的 约为平时的2 倍。事件发生的一周中，因支气管炎、冠心病、肺结核和心脏衰弱 者死亡分别为事件前一周同类死亡人数的9 3 倍、2 4 倍、5 5 倍和2 8 倍。碳氢 化合物被称为汽车尾气排放的第二公害。 ( 3 ) 氮氧化合物 氮氧化物主要是指n o 、n 0 2 ，是对人体有害的气体，特别是对呼吸系统有危 害。其中n o 的血红素的结合能力比c o 还要强，容易使人体中毒而死亡。n 0 2 是一种褐色有毒气体，有特殊刺激臭味，损害人的眼睛和肺部。在n o z 浓度为 9 4 m g 胛的空气中暴露1 0 分钟，即可造成呼吸系统失调。此外，在阳光作用下， n 0 2 能分解成n o 和原子氧0 1 ，促使0 3 的生成并进一步与烃类反应形成光化学 二次污染1 9 j 。n 0 2 也是产生酸雨和引起气候变化的主要原因。由n o x 引起的公害 被称为汽车尾气的第三排放公害。 科学家研究表明，全球氮循环已经失衡。农业生产、能源生产以及交通运输 等人类活动所转化的氮，开始超过自然界的氮循环。化肥使用量的大量增加，大 量矿物燃料燃烧，土地开垦不断扩大，大片森林被砍伐。使得任何时候可供吸收 的氮是1 9 4 0 年的2 倍以上。在全球每年固定氮的供应量中来自人类活动为2 1 亿 t ，比自然过程中产生的1 4 亿t 要多。在北欧的一些地方空气中沉积的可供森林 利用的氮是自然供给的1 0 倍；而美国东北部和北欧的沿海河流则从农业活动和空 8 第一章绪论 气中接收到的氮是自然供给的2 0 倍，在挪威的许多湖泊中氮含量在不到1 0 年的 时间里已翻了一番。未来2 5 年中，随着农业和能源消耗的进一步增加，全球氮的 沉积将增加1 倍多。1 7 5 0 年以束，大气中的n 2 0 的浓度在持续增加，目前的n 2 0 的浓度至少在过去的1 0 0 0 年中是晟大的，大约1 3 的n 2 0 排放量是由于人类活 动产生的。 ( 4 ) 铅化合物 日常生活中我们接触最多的一氧化铅是由汽车排放的。铅及其化合物会以可 吸入形式，通过空气进入人体肺泡。影响智力的发育和骨骼发育，造成消化不良 和内分泌失调，导致贫血、高血压和心律失常，破坏肾功能和免疫功能等。即使 人体内有o 0 1 微克铅的存在，也会对健康造成损害。当血液中的铅超过8 微克1 0 0 毫升时，随着血液中红血球状态的变化，会出现四肢肌肉麻痹，严重腹痛，脸色 苍白以致死亡等典型的铅中毒症状。即使脱离了污染环境或经治疗使血铅水平明 显下降，但受损的器官和组织已不能修复，影响将伴随终身i t 0 。 ( 5 ) 固体颗粒 汽车尾气排放的颗粒物，汽车排气中的微粒，主要有作为抗爆剂加入到汽油 中的四乙基铅( t e l ) 经燃烧后生成的铅化物微粒，以及燃料不完全燃烧生成的 碳烟粒等。微粒一般是由直径为0 1 4 0um 的多孔性炭粒构成。它能粘附s 0 2 及苯芘有毒物质，有臭味，对人们呼吸道极为有害俑粒度较大的炭粒能迅速沉淀， 而不从肺部排出1 。碳烟粒的危害不仅在其本身对人的呼吸系统有害，而且因为碳 烟粒的孔隙中往往吸附着二氧化硫及有致癌作用的多环芳烃等。微粒对人体健康 的影响，除了与浓度有关外，粒子的直径也起着决定作用。5 1 1m 以下的粒子可 以进入呼吸道，3um 以下的粒子可沉积在肺细胞内，引发肺病变【1 1 】。 ( 6 ) 硫的化合物 污染大气的s o x 主要是s 0 2 和s 0 3 ，大气中的s o x 近1 2 是人为污染所致。 主要由燃烧含硫煤和石油等燃料产生，有色金属冶炼厂、硫酸厂等也排放相当数 量的s o x 气体。可燃性硫和硫化物在燃烧时主要生成s 0 2 ，只有1 5 氧化成 s 0 3 。 s 0 2 是一种无色、具有刺激性臭味的气体，它往往与飘浮的灰尘结合在一起 进入人体，与水生成h 2 s 0 3 和h 2 s 0 4 ，对粘膜直接产生强烈的刺激作用，s 0 2 、 h ：s 等硫氧化物遇水汽还将生成具有腐蚀性的酸雨、酸雾，其危害比s 0 2 还大1 0 倍，不仅对人体、生物危害严剪，还对建筑物表面产生强烈的腐蚀作用。 由于人类活动，全球生物地球化学的硫循环也发生了实质性变化。工业化前， 全球进入大气硫的总量每年大约2 2 8 0 亿k g 硫，目前水平则为每年大约3 4 0 0 亿 k g 硫，即增加5 0 。| 日j 接计算表明，由矿物燃料燃烧散发进入大气的气态硫已经 与天然系统的排放量处于统一数量级。 9 华南理上大学硕十学位论文 我国s 0 2 污染最严重的是烧高硫煤， 阳等，大气中s 0 2 的污染处于较高水平。 级排放标准【1 2 】。 2 人类活动对水产生的影响 ( 1 ) 地球现有水资源 而大气扩散能力差的城市，如重庆、贵 中国4 8 个城市的s 0 2 浓度超过国家二 地球e 的天然水资源氛围将水( 指雨雪水) 、地面水( 河、湖、塘、海水) 和 地下水( 存在于土层岩石内的水) 三种。地球上的水资源地球上的总水量为1 4 x 1 0 9 k m 3 。以全球6 0 亿人计，人均水量为o 2 3 k m 3 ，即2 3 亿m 3 。水面分布面积 广泛，约占地球表面积的7 0 ，天然水资源中9 7 3 为海水，海水含盐量为3 5 ， 不能被人类直接利用。淡水只占2 7 ，约3 8 1 0 6 k m 3 。其中大部分为冰川、冰冠 水，占7 7 2 ；地下水和土壤水占2 2 4 ：湖泊和沼泽水为o 3 5 ：河流水占0 1 。 可取用的淡水即河流、湖泊和浅层地下水仅占总水量的0 2 。据计算可用淡水仅 为每年7 0 0 0 k m 3 ，加上水库容量2 0 0 0 k m 3 ，可用有效淡水每年为9 0 0 0 k m 3 m 】。因此， 人类的自然水资源并不丰富。 ( 2 ) 水污染现状 水污染在世界上相当普遍而又严重。当人类活动向水中排入的污染物超过水 自净能力，水中的有害物质超过一定的浓度时，水质、水底泥和生物种群就会发 生变化，使水的使用价值降低或完全丧失，称之为水污染。 水污染的原因由自然和人为两种因素引起的。前者由于雨水对各种矿石的溶 解作用所产生的天然矿毒水，火山爆发和干旱地区的风蚀作用所产生的大量落在 水体而引起的污染；后者指人类排放大量未经处理的工业无水、生活污水和农业 污水，造成水质恶化。通常所说的水污染是指人为因素造成的。 垃圾废物对水的危害世界每年增加废物约2 0 0 亿t ，2 0 3 0 亿t 为工业废物， 约4 6 亿t 为危险废物，其中工业国家占到9 0 。液体废物按体积衡量每年排放 5 0 0 k m 3 。每天有2 0 0 万t 垃圾被倒进河湖溪沟中，每1 l 废水正在污染8 l 淡水。 流经城市的亚洲河流均被污染。生活垃圾、工业废物、农业废物及化肥、农药等 均可污染地表水和地下水。在美国，1 9 9 8 年评估的有水资源的地方已经有4 0 的 面积被加工食品的废料、金属、肥料和杀虫剂污染。欧洲5 5 条大河中只剩下5 条河流尚未被污染。东欧2 5 万以上的人口的城镇，4 0 的污水未经处理排放至 江河，使得河流水质变得很差。我国2 0 0 多个城市已经被垃圾包围，每年工业废 物超过6 亿t ，累计堆存量超过6 5 亿t ，占地5 万h m 2 以上。危险废物年约1 0 0 0 万t ，累计量估计2 亿t 左右旧l 。我国每年有3 0 0 亿立方米废水，在全国有监测系 统的1 2 0 0 多条河流中，有8 5 0 条受到污染，9 0 以上城市的水域污染严重。淮河 两岸数百家造纸厂随意排污，使淮河流域在1 4 0 0 k m 的河段上鱼类基本灭绝，寸 草不生，国家投入数百亿资金经过2 0 年的不间断治理，才使淮河恢复生机。我国 1 0 第一章绪论 大约7 0 的人饮用水不符合卫生标准的水。随着经济的发展，人口的增加，用水 量的增加，污水及各种固、气体废弃物的大量排放，造成大面积的水资源被污染， 使本来有限的水资源日益紧张，水危机更加突出【1 4 】。 3 对土