（热能工程专业论文）o2co2气氛下钙基脱硫剂脱硫机理研究.pdf

， ， 摘要 摘要 经济发展和人口增长给环境的压力越来越大，各种环境问题层出不穷，它们直接或间接地影响 生态平衡，影响人类的健康和生存。当今人类面临着三大环境问题：温室效应、酸雨和臭氧层破坏。 而这三大环境问题均与煤燃烧有关，燃煤产生的大量的c 0 2 、s 0 2 和n o 、是引起上述问题的重要原 因。控制和减缓燃煤过程中c 0 2 、s 0 2 和n o 。的排放已迫在眉睫。 近年来，0 2 c 0 2 燃烧技术日渐得到人们的广泛关注。该技术是应用纯氧气及大部分再循环烟气 ( 约8 0 ) 一起代替空气参与燃烧。烟气中c 0 2 浓度可以达到9 5 以上，从而使回收c 0 2 变得更 容易；由于烟气再循环以及燃烧气氛中没有n 2 ，致使n o 、的排放大大降低；除此之外它还可以使炉 内喷钙脱硫效率达到9 0 以上。可以说，0 2 c 0 2 燃烧技术是一种能够同时控制c 0 2 、s 0 2 和n o 。三 种污染物的新型燃烧技术。基于此，本文针对0 2 c 0 2 燃烧气氛下s 0 2 、n o 。排放特性以及在该气氛 下钙基脱硫剂的脱硫特性展开实验和理论研究，目的是为该燃烧技术的应用推广提供有价值的实验 数据和理论依据。 与常规燃烧气氛相比，0 2 c 0 2 气氛的主要特点就是烟气中c 0 2 分压较高，钙基脱硫剂在0 2 c 0 2 气氛下所表现出的煅烧、烧结以及硫化特性目前还不清楚。因此本文主要针对钙基脱硫剂在0 2 c 0 2 气氛下表现高脱硫效率的特性进行机理研究。首次对石灰石在0 2 c 0 2 气氛下的煅烧和烧结特性进行 了系统研究。结果表明，0 2 n 2 气氛下煅烧所得c a o 的孔隙率和比表面积均较0 2 c 0 2 气氛下煅烧所 得c a o 的大，但0 2 c 0 2 气氛下煅烧所得c a o 具有更大的最可几孔径，s e m 的测试结果也证明了这 一点。这主要是由于在0 2 c 0 2 气氛下石灰石完全分解时间长，相应地c a o 所经历的烧结时间比在 n 2 c 0 2 气氛下长。在延长相同烧结时间的情况下，0 2 c 0 2 气氛下c a o 孔结构受烧结影响的程度要 比0 2 n 2 气氛下轻微。主要原因是由于在0 2 c 0 2 气氛下煅烧所得c a o 比在n 2 c 0 2 气氛下煅烧所得 c a o 的系统表面能处于更稳定的状态。利用x r d 对c a o 的晶体结构检测结果表明，石灰石煅烧产 物c a o 的比表面积和晶粒度具有很好的相关性，烧结对煅烧产物c a o 孔结构的影响，是通过影响其 晶粒大小来实现的，随晶粒尺寸的增加，比表面积减小。 对0 2 c 0 2 气氛下石灰石与s 0 2 之间直接硫化反应( 温度低于石灰石分解温度) 的研究表明，相 同硫化工况下，石灰石直接硫化比煅烧后硫化可得到更高的c a 转化率。加入n a 2 c 0 3 添加剂后，石 灰石的直接硫化速率及c a 转化率均有所提高。s e m 能谱分析表明，加入n a 2 c 0 3 添加剂的石灰石其 直接硫化产物c a s o 。中的缺陷浓度比无添加剂石灰石所形成的c a s 0 4 高。缺陷浓度的增加导致产物 层扩散速率升高，从而使硫化速率及c a 转化率增加。石灰石直接硫化反应动力学分析表明，石灰石 直接硫化在开始时由化学反应动力学控制，一旦c a s o 。产物层形成，逐渐变为由通过产物层的扩散 控制。表观活化能和有效扩散系数分析表明通过产物层扩散为固态离子扩散。 首次通过t g a x r d 相定量分析联合来研究高温下石灰石在0 2 c 0 2 气氛中的硫化特性。结果 表明，在c a c 0 3 分解完全之前，硫化速率比c a c 0 3 分解完全之后要快的多，这主要是因为在c a c 0 3 分解完全之前，c a o 一边由c a c 0 3 分解产生，一边与s 0 2 反应生成c a s 0 4 ，系统中始终有新产生的 c a o 存在，刚产生的c a o 还没有经过烧结具有较大的比表面积和孔隙率，因此表现出很高的反应活 性；一旦c a c 0 ，分解完全，c a o 由于高温烧结，比表面积和孔隙率迅速下降，表现出的反应活性也 东南大学博士学位论文 迅速降低，随之，硫化反应的速率也迅速降低。当温度高于石灰石分解温度之后，石灰石在0 2 c 0 2 气氛下硫化速率和c a 转化率均随c 0 2 分压升高而升高。 在沉降炉上对0 2 c 0 2 气氛下石灰石的煅烧和脱硫特性进行了研究，并与空气气氛下进行了对 比。石灰石在0 2 c 0 2 气氛下脱硫与在空气气氛下一样存在一最佳的脱硫温度，但0 2 c 0 2 气氛下最 佳脱硫温度远高于空气气氛，而且所对应的脱硫效率也比在空气气氛下高的多。表明0 2 c 0 2 气氛更 有利于高温脱硫。结合t g a x r d 相定量分析的研究结果，提出了石灰石0 2 c 0 2 气氛下的脱硫机 理。在0 2 c 0 2 气氛下，高c 0 2 浓度使石灰石煅烧反应减慢，系统中较长时间内有高活性c a o 产生， 同时，由于在c a o c a c 0 3 界面上c 0 2 的产生使c a s 0 4 产物层扩散阻力降低，这两方面因素导致c a o 在o ，c 0 ，气氛下较长时间内维持较高的硫化速率。 对煤粉在0 2 c 0 2 气氛和空气两种气氛下燃烧时n 0 、s 0 2 排放特性实验表明，0 2 c 0 2 气氛| 二 n o 。的生成量远远小于空气气氛。在不加石灰石时，气氛和温度对s 0 2 的生成量没有什么影响，只 与煤中含硫量以及煤的种类有关。加入石灰石后在空气和0 2 c 0 2 两种气氛下s 0 2 的排放特性差别较 大，当煤中加入石灰石后，0 2 c 0 2 气氛下s 0 2 的排放量较空气气氛下小，这主要是由于石灰石在 o ，c o ，气氛下可以获得更高的脱硫效率。 以晶粒一微晶粒模型为框架，首次针对0 2 c 0 2 气氛，建立了石灰石煅烧和脱硫反应模型。在该 模型中，考虑到0 2 c 0 2 气氛下c 0 2 分压较大，石灰石煅烧反应速率较慢，将石灰石煅烧、c a 0 烧 结和c a o s 0 2 硫化反应结合在一起建立了石灰石综合脱硫反应模型。该模型同时考虑到钙基脱硫 剂硫化反应的控制机理硫化产物层中的固态离子扩散控制。根据此模型，对0 2 c 0 2 气氛下石灰 石煅烧反应过程中转化率和孔结构的变化以及石灰石的脱硫效率进行了计算，计算值和实验值吻合 较好。 关键词：0 2 c 0 2 气氛，钙基脱硫剂，煅烧，烧结，硫化，n 0 、排放，s 0 2 排放，数学模型 j 博“ * 泞 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 o d a y ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a t i o ng r o w t hp u tm o r ea n dm o r es t r e s so ne n v l r o n m e n t ，a n d c a u s ea i ik i n d so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s t h e s ea f k c td i r e c t l yo ri n d i r e c t l ye c o l o g i c a lb a l a n c ea n do u r h e a l t ha n dl i v i n g t h em o s ts e r i o u st h r e ee n v i r o n m e n t a ip r o b l e m st h a tp e o p l em u s tb ec o n f r o n t e da r e g r e e n h o u s ee t t - e c t ，a c i dr a i na n do z o n o s p h e r ed e s t r u c t i o nn o w a n da 1 1 o ft h e s ea r ec o n c e m e dw i t hc o a l 行r e d t h em a i nr e a s o nf o ra b o v ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si sc 0 2 、s 0 2a n dn o xt h a te m i t t e di nc o u r s eo f 。 c o a lb u r n i n g i ti sp r e s s i n gt oc o n t r o la n dr e d u c ec 0 2 、s 0 2a n dn o xe m i s s i o n si nc o u r s eo f c o a ib u r n i n g r e c e n t l yt h e0 2 c 0 2c o a lc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yp a i de x t e n s i v ea t t e n t i o nb yp e o p l e t h i s p r o c e s su s e sp u r eo x y g e ni n s t e a do fa i ra n dr e c y c l e sm o s to ft h ef l u eg a s t h ec 0 2c o n c e n t r a t i o ni nf l u e g a sm a yb ee n r i c h e du pt o9 5 a n de a s yc 0 2r e c o v e r y ，t h e r e f o r e ，b e c o m e sp o s s i b l e f u r t h e r m o r e ，i t c a n g r e a t l vd e c r e a s en o xe m i s s i o n sb e c a u s ei nt h ec o m b u s t i o na t m o s p h e r et h e r ei sn on 2a n dm o s to ft h ef l u e g a si sr e c y c l e dc o m p a r e dw i t hc o a lc o m b u s t i o ni n a i r ib e s i d e s ，a b o v e9 0 d e s u l f u r i z a t i o ne 衢c i e n c yi s a i s od o s s i b l eb yli m e s t o n ei n i e c t i o ni n t of u m a c e t h e r e f o r e ，t h e0 2 c 0 2c o a lc o m b u s t i o nt e c h n o i o g yl s a n i n n o v a t i v ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yt h a tc a nc o n t r o lc 0 2 、s 0 2a n dn o xe m i s s i o n ss i m u i t a n e o u s i y i n p r e s e n tw o r kt h ee x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs 0 2a n dn o x e m i s s i o n sa n dd e s u l f u r i z a t i o no fi i m e s t o n ei n0 2 c 0 2c o m b u s t i o na t m o s p h e r ew a ss t u d i e d i ta i m e da t p r o v i d i n gv a l u a b l ee x p e r i m e n t a i d a t e sa n dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r t h e0 2 c 0 2c o a l c o m b u s t i o n t e c h n 0 1 0 9 yb e i n ga p p l i e d i n0 2 c 0 2c o m b u s t i o na t m o s p h e r e ，c 0 2c o n c e n t r a t i o ni nt h ef l u eg a si sm u c hh i g h e rc o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o na t m o s p h e r e u n d e rs oh i g hc 0 2c o n c e n t r a t i o n ，t h ec a l c i n a t i o n ，s i n t e n n ga n d s u l f a t i o nb e h a v i o r so fl i m e s t o n ea r en o tc l e a r t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a 叫t os t u d yt h es u l f 乱i o nm e c h a n i s m o fc a - b a s e ds o r b e n t su n d e r0 2 c 0 2a t m o s p h e r e t h ec a i c i n a t i o na n ds i n t e r i n go fi i m e s t o n e i n0 2 c 0 2 a t m o s p h e r ew e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yf o rt h e 石r s tt i m e t h em e a s u r e m e n t ss h o w e dt h a tt h es p e c m c s u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t yo fc a l c i n e dc a oi nn 2 c 0 2a t m o s p h e r ea r eb i g g e rt h a nt h a to f i n0 2 c 0 2 a t m o s p h e r e ，b u tt h el a t t e rh a sb i g g e ra v e r a g ep o r er a d i u st h a nt h ef o r m e r t h ef a c ti sa l s ot e s t i f i e db yt h e s e mt e s t s t h i sr e s u l ti sa s s o c i a t e dw i t ht h ef a c tt h a tt h el i m e s t o n ec o m p l e t e l yd e c o m p o s e si n t oc a oi n 0 2 c o ，a t m o s p h e r en e e dm u c hl o n g e rt i m et h a ni nn 2 c 0 2a t m o s p h e r e ，s ot h ec a l c i n e dc a ou n d e r g o e st h e 1 0 n g e rs i n t e r i n gt i m ei n0 2 c 0 2a t m o s p h e r e u n d e 唱o i n gt h es a m es i n t e r i n gt i m e ，t h es i n t e r i n g h a sl e s s i n f l u e n c eo nt h ep o r es t r u c t u r eo fc a oc a l c i n e di n0 2 c 0 2a t m o s p h e r et h a nt h a to fi nn 2 c 0 2a t m o s p h e r e ， b e c a u s ec a oc a l c i n e di n0 2 c 0 2a t m o s p h e r eh a sl o w e rs u r f a c ee n e r g y t h ec r y s t a ls t r u c t u r e so fc a ow e r e m e a s u r e dw i t hx r d i ti ss h o w nt h a tt h es p e c i n cs u r f a c ea r e ao fc a l c i n e dc a oh a sag o o dr e l a t i v i t yw i t h t h ec r y s t a 川t es i z e t h ed e c r e a s i n gi ns p e c i 矗cs u r f a c ea r e aw i t hc s t a l l i t es i z er i s i n gs h o w st h a ts i n t e r i n g i n f l u e n c e st h ep o r es t r u c t u r eo fc a l c i n e dc a ob ym e a n so fi n f l u e n c i n gt h ec r y s t a l l i t es i z e t h ed i r e c ts u l f 乱i o nr e a c t i o nb e t w e e n1 i m e s t o n ea n ds 0 2i n0 2 c 0 2a t m o s p h e r ew a si n v e s t i g a t e d i tl s s h o w nt h a tt h ed i r e c ts u l f - a t i o no fl i m e s t o n eh a sah i g h e rc o n v e r s i o nd e g r e et h a n t h es u l f a t i o no f d r e c a i c i n e di i m e s t o n e t h en a 2 c 0 3a d d i t i v e sc a ni m p r o v et h ed i r e c ts u l f a t i o nr a t ea n dc ac o n v e r s i o n d e g r e e so fl i m e s t o n e s e me n e 唱ys p e c t r u ma n a l y s i sp r o v e st h a tt h e r ei sh i g h e rd e f e c tc o n c e n t r a t i o n i n c a s 0 4p r o d u c tl a y e rp r o d u c e db yl i m e s t o n ew i t hn a 2 c 0 3a d d i t i v e sd i r e c ts u l f 乱i o nt h a nt h a t 。w i t h o u t a d d i t i v e s t h ei n c r e a s ei nd i f f u s i v i t yi nc a s 0 4p r o d u c t1 a y e rw i t hd e f e c tc o n c e n t r a t i o nr i s i n gr e s u l t sl nt h e i n c r e a s ei ns u l f 饥i o nr a t ea n dc ac o n v e r s i o nd e g r e e t h ek i n e t i cs t u d i e so fi i r n e s t o n e d i r e c ts u i f - a t i o n i l i r e a c t i o nw e r ep e r f o r m e d i ti sf o u n dt h a tt h er e a c t i o ni sc h e m i c a l l yc o n t r o l l e di nt h ei n i t i a ls t a g ea n d g r a d u a l i yc o n t r 0 1 1 e db yd i 觚s i o nt h r o u g hc a s 0 4p r o d u c tl a y e rw i t hc a s 0 4p r o d u c tl a y e rf o r m i n g t h e h i g h e rv a l u eo ft h ea c t i v a t i o ne n e r g ya n dt h el o w e rv a l u eo ft h ed i f - f u s i v i t yi nc a s 0 4p r o d u c tl a y e rs u g g e s t t h a tm a s st r a n s p o r tt h r o u g ht h ep r o d u c tl a y e ro c c u r sb ym e a n so fas o l i d - s t a t ei o nd i f ! e u s i o nm e c h a n i s m i n s t e a do fb ym 0 1 e c u l a rd i f f u s i o no rk n u d s e nd 利h s i o n t h es u l f a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl i m e s t o n ei n0 2 c 0 2a t m o s p h e r ea th i g ht e m p e r a t u r ew e r es t u d i e db y m e a n so fc o m b i n e dt g aw i t hx r dp h a s eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o rt h e 日r s tt i m e t h er e s u l t ss u g g e s tt h a t t h e r ei sam u c hh i g h e rs u l f a t i o nr a t eb e f o r ec a c 0 3c o m p i e t e l yd e c o m p o s e dt h a na r e rc a c 0 3c o m p l e t e l y d e c o m p o s e d t h i sr e s u l ti sa s s o c i a t e dw i t ht h ef a c tt h a tc a oh a sh i g h e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t y b e c a u s eo fn e wc a op r o d u c e db e f o r ec a c 0 3c o m p i e t e l yd e c o m p o s e d h o w e v er ，t h es p e c i n cs u r f a c ea r e a a n dp o r o s i t yo fc a od e c r e a s e sq u i c k l yb e c a u s et h e r ei sn o tn e wc a op r o d u c e da n dc a oi ss i n t e r e da th i g h t e m d e r a t u r e t h e r e f o r e ，t h er e a c t i v i t yo fc a oa n dt h e r a t eo fs u l f 乱i o nr e a c t i o nd e c r e a s eq u i c k l y t h e s u i f a t i o nr a t ea n dc ac o n v e r s i o nd e g r e eo fl i m e s t o n ei n0 2 c 0 2a t m o s p h e r ei n c r e a s ew i t hc 0 2p a r t i a i p r e s s u r ew h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v et h ee q u i l i b r i u mt e m p e r a t u r e t h ec a l c i n a t i o na n ds u l f 乱i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl i m e s t o 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c 0 2 a t m o s p h e r e ，s ot h es y s t e mk e e p so np r o d u c i n gh i g ha c t i v i t yc a of o ral o n gt i m e a tt h es a m et i m e ，t h e d i f ! f u s i o n a lr e s i s t a n c et h r o u g hc a s 0 4p r o d u c tl a y e ri sr e d u c e db e c a u s eo ft h ec 0 2b e i n gf o r m e da tt h e c a o c a c 0 3i n t e r f - a c e ，t h ea b o v et w of a c t o r sm a k ec a ok e e po nah i g hs u i f 乱i o nr a t ef o ral o n gt i m e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o xa n ds 0 2r e l e a s e di n0 2 c 0 2a t m o s p h e r ew e r ep e r f b n n e da n dc o m p a r e dw i t h i na i r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e l e a s e dn o xi sm u c hi o w e ri n0 2 c 0 2a t m o s p h e r et h a ni na i r t h e a t m o s p h e r ea n dt e m p e r a t u r eh a v en oe f f e c to ns 0 2e m i s s j o n sw h e nt h e1 i m e s t o n ei sn o ta d d e d a r e rt h e 1 i m e s t o n ei sa d d e d ，t h er e l e a s e ds 0 2i sm u c hh i g h e ri na rt h a ni n0 2 c 0 2a t m o s p h e r e ，b e c a u s et h e l i m e s t o n ec a na c h i e v eh i g h e rd e s u l f u r i z a t i o ne 衔c i e n c y t h ec a l c i n a t i o na n ds u l f a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e db 缸e do ng r a i n - m i c r o g r a i nm o d e lt os i m u l a t et h e c a l c i n a t i o na n ds u l f a t i o nr e a c t i o no fl i m e s t o n ei n0 2 c 0 2a t m o s p h e r e c o n s i d e r i n gt h a tt h eh i g hc 0 2 p a n i a lp r e s s u r ei n0 2 c 0 2a t m o s p h e r er e s u l t si ns l o w e rc a l c i n a t i o nr a t e ，t h el i m e s t o n ec a l c i n a t i o n ，c a l c i n e d c a os i n t e r i n 2a n dc a os u l f a t i o nw e r ec o m b i n e dt oe s t a b l i s h t h ei n t e g r a t e d m o d e lo fi i m e s t o n e d e s u l f u r i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h et r u ec o n t r 0 1m e c h a n i s mo fc a 0s u l f a t i o n s 0 1 i d s t a t ei o nd i 符u s i o n t h r o u g ht h ep r o d u c ti a y e r i sc o n s i d e r e d t h ec a l c i n a t i o nd e g r e e ，t h es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t yo f c a l c i n e dc a oa n dt h ed e s u l f u r i z a t i o ne 衢c i e n c yo fl i m e s t o n eh a v eb e e nc a l c u i a t e db a s e do nt h i sm o d e l t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ea c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n t a iv a l u e s k e y w o r d s ：0 2 c 0 2a t m o s p h e r e ，c a b a s e ds o r b e n t s ，c a l c i n a t i o n ，s i n t e r i n g ，s u l f 乱i o n ，n o xe m i s s i o n s ，s 0 2 e m i s s i o n s m 0 d e l 唧 i = 与 譬 ， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：际傻萄复日期：歹口d 5 j ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：酶僧敏导师签名：巡日 期：迦丛：! 第章绪论 1 1 能源与环境 第一章绪论 环境和资源是人类生存和发展的基本条件。能源作为基本资源对社会、经济的发展和人民生活 水平的提高具有极其重要的作用，是人们每日每时不可缺少的。迄今为止，世界上的能源消费仍以 化石燃料为主，而煤是世界上储量最多的化石燃料。根据国际能源署( i e a ) 的统计和预测，煤炭 在全世界总的一次能源结构中的份额在今后几十年内不会有很大的变化，全世界总的一次能源结构 如表1 1 所示【ij 。我国是世界上少数几个以煤为主要一次能源的国家之一，在我国的能源结构中， 煤炭白1 9 8 0 年以来所占的比例一直在7 5 左右，石油和天然气约占2 0 ，水电约占5 j 。联合 国环境规划署资助项目“将环境因素纳入能源规划( i n c o r p o r a t i o no f e n v i r o n m e n t a lc o n s i d e r a t i o ni n e n e r g yp l a n n i n g ) ”的研究结果表明，按照中国目前的能源政策，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，中国一次能 源供应结构中煤炭仍将分别占6 8 3 和6 3 1 1 3j 。因此煤炭仍然是我国最主要的能源。 表1 1 全世界一次能源的构成 年份 煤炭( )石油( )天然气( )核能( )水能( )可再生能源及废弃物能源( )其它( ) 1 9 7 32 4 94 5 o1 6 2o 9l81 1 1o 1 1 9 9 92 3 53 5 02 0 76 82 31 1 1 o 5 2 0 1 02 2 73 6 92 1 95 62 3l o 6 2 0 2 02 2 63 7 o2 3 94 22 3l o o 人类每年要燃烧大量的化石燃料，其中约4 1 0 9 t 煤、3 1 0 9 t 石油，并以每年3 的速度增长。 据统计，世界能源消耗总量从1 9 7 0 年的8 3 1 0 9 t 标准煤增长到1 9 9 5 年的1 4 1 0 1 0 t 标准煤，增长 了6 8 7 。预计到2 0 2 0 年将达到1 9 5 1 0 | 0 t 标准煤，5 0 年增长1 3 5 倍【4 l 。开发利用和不加限制的 消耗大量的化石燃料，也极大地污染了人类赖以生存的环境，诱发温室效应、臭氧层破坏、酸雨等 严重的环境问题。 以c 0 2 为代表的温室气体的大量排放是造成温室效应的主要原因。c 0 2 主要产生于化石燃料的 燃烧过程，随着社会经济飞速发展而带来的能源需求不断增大，化石燃料的燃烧利用也同时在不断 增长，这样导致c 0 2 排放量也在不断增长。图1 1 是全世界化石燃料燃烧导致的c 0 2 排放趋势p j 。 目前，大气中c 0 2 浓度约为 薷一赫 二 二二二刁 ( 2 8 0 p p m ) 增长了3 0 多，按照，i 目前的增长速度，到2 1 世纪中期，2 5 0 0 r 芽矧 大气中c 嘴度兰增加磐如乳l竺jy = ! | 鬻专黧裟毒彘主霉甄l膨：l 将上升1 5 5 5 。这样的温度可11 5 0 0掣 一l 能导致海平面上升o 5 1m 【7 1 ，这 量s o d 7 知| 錾翌主荔磊 星盏2 曩粱最薯衾嘉g 1 0 0 0r 了歹i 弋7 呵铲 生严重影响。因此必须采取有效措 ”y 、，l 施控制c o ：的排放，减缓温室效应5 0 0 广：= 7 【_ = 7 _ 7 的加剧。由于化石燃料占世界能源 ol ：! ： 一。g = 。芒 。 供应的8 0 左右，因此控制c o ， 1 8 4 0 1 8 6 01 8 8 0 1 9 0 01 9 2 01 9 4 0 j 9 6 0 1 9 8 02 0 0 0 图1 i 由化石燃料燃烧导致的c 0 2 排放趋势 东南大学博士学位论文 的排放主要应从化石燃料考虑。主要有以下两种策略：减少化石燃料的使用或在化石燃料使用过程 中降低c 0 2 的排放，见表1 2 【8 1 。 表1 2 降低c 0 2 排放的可能方法 减少化石燃料的使用在使用化石燃料过程中减少c 0 ：的排放 提高化石燃料的使用或转化效率 降低能量需求 燃料转化，如煤气化 寻找非化石燃料能源 c 0 2 分离回收 臭氧层对人类和生物起着保护屏障的作用，它阻挡了大部分紫外线辐射，使之不能射到地球表 面，并有控制大气温度的作用。早在1 9 3 1 年科学家就发现臭氧以循环的方式产生和破坏，7 0 年代 中期以来，科学家认识到燃烧过程中排放的n 2 0 会导致臭氧层的破坏。根据全球臭氧监测网的数据， 自1 9 8 2 年以来臭氧层平均浓度均在减少，南极地区减少的数量最多。1 9 8 0 1 9 8 5 年间全球臭氧层 浓度平均减少1 8 3 6 p p m 。计算表明，臭氧每减少1 ，辐射到地面上的阳光紫外线数量就会增加 2 ，因此地球上每年就会多1 0 万人失明，5 万人患非黑瘤皮肤癌，大多数致命形式的皮肤癌的发 病率也会上升，每年会增加3 6 的皮肤癌患者。另外，紫外线的增加，可能导致许多浮游生物 的死亡，不仅影响水生生态系统而且还会大量减少对海水中c 0 2 的吸收，从而增加大气中c 0 2 的浓 度。研究表明，n 2 0 通过生成n o 对臭氧层的破坏起着6 5 的作用。测量表明，现在大气中的n 2 0 的浓度正在以每年0 2 o 3 的速度增加着。热带土壤的排放和化石燃料的燃烧是n ，o 的主要来 源，化石燃料燃烧占人类活动n 2 0 排放源的8 3 ，在燃烧引起的n ，o 排放中，火电站约占5 3 ， 工业约占4 1 【9 1 。 酸雨沉降是由于化石燃料使用过程中所导致的另一重要的环境问题，也是目前对人类造成损失 最严重的环境问题。酸雨能使土壤的物理化学性质发生变化，导致植物营养不良，从而使农作物减 产；使湖泊水体酸化，使鱼致畸并导致鱼类死亡【i 叭1 2 】；腐蚀工业设备的金属材料，降低设备使用寿 命；侵蚀建筑物材料，影响建筑设施的外观和寿命。1 9 9 5 年，我国由于酸雨和s o ，污染，造成农作 物、森林和人体健康等方面的经济损失大约为1 1 0 0 多亿元人民币，接近当年国民生产总值的2 ， 成为制约我国经济和社会发展的重要因素1 1 3j 。因此酸雨被称为“空中死神”【】4 j ，在“1 9 9 0 1 9 9 5 年联合国系统中期方案”中，酸雨被列为“最重大攸关的问题之一”【15 1 。 形成酸雨的主要物质是s 0 2 和n o 。，其中又以s 0 2 为主。如我国的酸雨中，由s 0 2 形成的占9 0 ，n o