第六章--能源与地质...ppt

第六章能源与地质环境 能源与能源环境概述能源开发对地质环境的影响 环境地质学 第六章能源与地质环境 5 1能源与能源环境概述 能源的概念及分类常规能源的供给与需求能源环境问题概述 环境地质学 第六章能源与地质环境 一 能源概念及其分类1 概念能源的科学定义是指能为人类利用并可获得能量的资源 包括提供某种形式能量的物质资源和某种物质的运动形式 矿物燃料 风力 水力 太阳能等都是能源 环境地质学 第六章能源与地质环境 1 按照能源的生成方式划分 一次能源 也叫初级能源 是自然界现已存在 可以直接使用而不改变其基本形态的能源 如煤炭 石油 天然气 水力 太阳辐射等二次能源 也叫次级能源 是指由一次能源加工转换得到的产品能源 如电能 汽油 沼气 火药 酒精等 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 能源的分类 2 按照能源的形成和再生性划分可再生能源一般指不会随人类的开发利用而递缩的能源 既能够重复产生的自然资源 如水力 潮汐 太阳辐射 风力 地热等 不可再生能源指经过漫长的地质年代生成 一旦使用在短期难以再生成的能源 如化石燃料 核燃料等 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 能源的分类 3 按照能源的利用历史和使用状况划分常规能源指在一定历史时期和科学技术水平下 已经被人类广泛应用的能源 水力 煤炭 石油 天然气 核裂变材料等均属常规能源 新能源是由于科学技术进步新发现的能源资源或利用先进技术新开发的能源产品 过去曾被利用过而现在又以新的方式利用的能源也属于新能源 太阳能 地热能 海洋能 沼气 风能等 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 能源的分类 4 按能源使用的方式划分燃料性能源指通过直接燃烧而产生能量的能源 如矿物燃料 生物燃料 核燃料等 非燃料性能源是指不需通过燃烧就可获得能量的能源 如风能 水能 潮汐能 地热能 太阳能等 二 能源的分类 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 常规能源的供给与需求 一 常规能源的供应情况常规能源主要包括煤炭 石油 天然气 核裂变材料235U和水力等 1 矿物燃料矿物燃料的产出几乎遍布全球 但它们在地质时代和空间上的分布相当复杂 环境地质学 第六章能源与地质环境 中国主要煤炭聚煤时期有 古生代的石炭二叠纪 中生代的侏罗纪 新生代的第三纪等 地区分布 前苏联拥有最大的煤炭储量 其次是北美洲和中国 近60 的石油储量分布在中东 其次是北美 南美 环境地质学 第六章能源与地质环境 目前世界各国尚无统一的矿产储量分级标准 欧美国家多采用三级制 如美国 加拿大等国划分为 证实 近似 可能 储量三级 美国称作 确定 推定 和 推测 储量 前苏联采用五级制 A1 A2 B C1 C2 环境地质学 第六章能源与地质环境 中国根据地质部和全国矿产储量委员会所制定的标准 规定矿产储量分为四类五级 第一类为开采储量 A级 探明程度最高 可作为企业编制生产计划的依据 第二类是设计储量 B C级 探明程度较高 可作为大中型矿山企业设计和建设投资的依据 第三类为远景储量 D级 探明程度最低 仅作为进一步布置地质勘探工作和矿山远景规划的依据 第四类是地质储量 不作探明储量级别 又称预测储量 是根据地质测量 成矿规律等预测的储量 仅作矿产普查设计之用 2 水力资源水能资源指水体的动能 势能和压力能等能量资源 是自由流动的天然河流的出力和能量 称河流潜在的水能资源 或称水力资源 广义的水能资源包括河流水能 潮汐水能 波浪能 海流能等能量资源 狭义的水能资源指河流的水能资源 3 核能 3 核能核能资源指用于裂变反映的铀 钍和聚变反应的氘 氚及锂等核燃料资源 其中铀是最重要的天然核燃料 铀矿石大都呈氧化物状态赋存于陆地 一般品位为0 1 0 5 海水中虽含有大量铀 但浓度极低 目前尚难利用 世界陆地铀矿的探明储量为145 55万吨 1983年 主要分布于美国 南非 澳大利亚 加拿大和尼日利亚等国 此外海水中含有核聚变燃料约45万吨 据联合国国际原子能机构于1990年1月公布的世界铀资源 不含前苏联 东欧及中国 低成本储量为230万吨 按国家统计 以澳大利亚为最多 其次为南非 加拿大 美国 尼日尔 纳米比亚等国 国际原子能机构于1991年正式公布 前苏联铀资源可靠储量69万吨 潜在资源量120万吨 德国和捷克的铀资源也都在几十万吨以上 中国同世界水能资源大国可开发的水能资源比较 环境地质学 第六章能源与地质环境 表2 2 1主要核电国家核电站装机容量占世界总量的比重 1990和1993年 一 常规能源的供给与需求 二 能源消费 表2 3 1世界能源消费总量和构成的变化 环境地质学 第六章能源与地质环境 三 能源环境问题概述 能源环境问题就是指人类在开发和利用能源过程中对环境造成的危害 以及这种危害反过来对人类社会的影响 生态环境的破坏 环境污染目全球主要能源环境问题有 温室效应 酸雨 臭氧层破坏 烟雾和热污染等 环境地质学 第六章能源与地质环境 一 温室效应温室效应的表现 与100年前相比 现在全球平均温度提高了约0 6 计算机测算表明 再过40 50年 全球温度将比现在提高1 0 3 1 变暖的速度比19世纪快了10 50倍 温室效应 大气中的某些组分 如CO2 H2O等气体能让太阳短波辐射通过 但却可以强烈吸收长波辐射 就像温室中的玻璃一样 使地表大气温度提高 所以称为温室效应 环境地质学 第六章能源与地质环境 温室气体 最主要的是CO2 其次有O3 CH4 N2O 还有CFC等 CO2 12500nm 17000nm大气窗口 7500 13000nm 70 90 O3 CH4 N2O 还有CFC等 二氧化碳变化的主要原因为 矿物能源总消耗量大幅增加 大面积森林及植被破坏 危害 1 海平面上升冰川融化 海水膨胀2 气候变化3 对生物多样性的影响4 对人类的影响 二 酸沉降酸性降水是指通过降水 如雨 雪 雾 冰雹等将大气中的酸性物质迁移到地面的过程称为湿沉降 最常见的就是酸雨 干沉降是指大气中的酸性物质在气流的作用下直接迁移到地面的过程 这两种过程共同称为酸沉降 aciddeposition 环境地质学 第六章能源与地质环境 降水pH 1 与CO2 330ppm 平衡的天然水pH 5 6 2 上述标准存在的问题 pH 5 6不是中性溶液 自然干净大气除了CO2外还存在SO2 NH3等微量气体 取CO2浓度为330ppm SO2浓度为8ppbv NH3的浓度为6ppbv 而且不考虑凝结核的作用 经计算 0 时 纯水与上述大气微量成分达到平衡式的pH为4 9 考虑到未污染大气SO2浓度应低于8ppbv 那么 未污染大气降水的pH应比4 9略高一些 取pH 5 0作为未被污染大气降水的pH标准可能更合适 酸雨的化学组成酸雨现象是大气化学过程和大气物理过程的综合效应 酸雨中含有多种无机酸和有机酸 其中绝大部分是硫酸和硝酸 多数情况下以硫酸为主 从污染源排放出来的SO2和NOX是形成酸雨的主要起始物 其形成过程为 式中 O 各种氧化剂 环境化学 第二章大气环境化学 大气中的SO2和NOX经氧化溶于水形成硫酸 硝酸和亚硝酸 这是造成降水PH降低的主要原因 除此自外 还有许多气态或固态物质进入大气对PH也会产生影响 大气颗粒物中Mn Cu V等是酸性气体氧化的催化剂 大气光化学反应生成的O3和HO2等又是SO2的氧化剂 飞灰中的氧化钙 土壤中的碳酸钙 天然和人为来源的NH3以及其他碱性物质都可使降水的酸中和 对酸性降水起 缓冲作用 当大气中酸性气体浓度高时 如果中和酸的碱性物质很多 即缓冲能力很强 降水就不会有很高的酸性 甚至可能成为碱性 三 烟雾事件硫酸烟雾也称为伦敦型烟雾 最早发生在英国伦敦 它主要是由燃煤而排放出的SO2 颗粒物以及由SO2氧化所形成的硫酸盐颗粒所造成的大气污染现象 这种污染多发生在冬季 气温较低 湿度较高和日光较弱的气象条件下1952年12月在伦敦发生硫酸烟雾型污染事件 当时伦敦上空受冷高压控制 高空中的云阻挡了来自太阳的光 地面温度低 上空又形成了一逆温层 大量家庭的烟囱和工厂所排放出来的烟就积聚在低层大气中 难以扩散 这样在低层大气中就形成了很浓的黄色烟雾 在硫酸型烟雾的形成过程中 SO2转变为SO3的氧化反应主要靠雾滴中锰 铁及氨的催化作用而加速完成 当然SO2的氧化速度还会受到其他污染物 温度以及光强的影响 含有NOx和HCs等一次污染物的大气 在阳光紫外线的强烈照射下发生反应 产生氧化性很强的产物 如O3 醛类 RCHO 过氧乙酰硝酸酯 PAN 硝酸 HNO3 和过氧化氢 H2O2 所产生的产物及反应物的混合物被称为光化学烟雾 它的特征是烟雾呈淡蓝色 具有强氧化性 能使橡胶开裂 刺激人的眼睛 伤害植物的叶子 并使大气的能见度降低 1944 43 在美国洛杉矶首次出现 因此 光化学烟雾也称为洛杉矶型烟雾 随后 日本的东京 大阪 英国的伦敦以及澳大利亚 德国等的城市也出现了烟雾现象 引起人们的重视 1974年在我国的兰州西固地区也观测到光化学烟雾污染 表硫酸烟雾与光化学烟雾的比较 注 本表摘自王晓蓉 1993 环境化学 第二章大气环境化学 四 臭氧层破坏臭氧层存在于对流层上面的平流层中 主要分布在距地面10 50km范围内 浓度峰值在20 25km处 由于臭氧层能够吸收99 200 300nm 以上来自太阳的紫外辐射 从而保护了地球上生物不受其伤害 臭氧层对地球上生命的出现 发展以及维持地球上的生态平衡起着重要作用 臭氧层破坏的化学机理 的基本光化学过程 平流层臭氧来源于平流层O2光解 平流层中臭氧的消除途径有两条 后者为真正清除 上述生成和消耗过程同时存在 正常情况下它们处于动态平衡 因而臭氧的浓度保持恒定 然而 由于水蒸气 氮氧化物 氟氯烃等污染物进入平流层 他们能加速臭氧耗损过程 破坏臭氧层的稳定状态 这些污染物在加速耗损过程中可起催化作用 5 2能源开发对地质环境的影响 一 能源与环境的关系一方面 人类在获得和利用能源的过程中 会改变原有的自然环境或产生大量的废弃物 使人类赖以生存的环境受到破坏和污染 另一方面 能源与经济的发展 又对环境的改善起到巨大的推动作用 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 常规能源来发利用对地质环境的影响 煤炭资源开发利用中的环境问题煤炭开采和加工过程中产生的环境影响包括 矿区地面塌陷 占用土地 酸性矿井水造成的污染 煤矸石堆放以及煤炭焦化造成的污染 煤炭燃烧产生的污染等 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 石油开发利用中的环境问题 三 水能开发利用的环境影响修建水库带来的影响 四 核能开发利用中的环境问题1 核能的特点与利用方式核能有两种 一种是核裂变能 一种是核聚变能 铀 钍等元素发生分裂产生的核裂变能已属常规能源 核能对环境产生的影响主要在于其放射性 核原料和核废物的处置不当 都有可能会有不同数量的放射性物质进入环境 环境地质学 第六章能源与地质环境 浙江秦山核电站1985年3月20日开工 1991年12月15日并网发电广东大亚湾核电站1987年8月7日工程正式开工 1994年2月1日和5月6日两台机组先后投入商业营运 浙江秦山二期核电站1996年6月2日 秦山核电二期工程主体工程正式开工 1号机组和2号机组先后于2002年4月和2004年5月投入商业运行浙江秦山三期核电站工程自1998年6月8日开工 2002年11月19日一号机组并网发电江苏连云港田湾核电工程1999年10月20日正式开工建设 2006年5月12日一号机组并网发电广东岭澳核电工程主体工程1997年5月开工 2003年1月建成投入商业运行浙江三门核电工程项目2006年11月三门核电首个电站配套项目的建设帷幕正式拉开 三门核电占地2800亩 计划建造6台百万千瓦级压水堆核电机组 其中一期工程计划建造两台百万千瓦级机组 预计投资250亿元人民币 建造周期约为60个月 首台机组预计在2012年左右建成发电广东阳江核电站2005底破土动工 计划总投资80亿美元 将建成六台百万千瓦机组 将成为继秦山一期 秦山二期 秦山三期 大亚湾 岭澳等之后第6个并网发电的核电站 山东海阳核电站2006年底开工 规划容量为600万千瓦级核电机组 并留有扩建条件 拟于2010年开始发电 二 新能源开发对地质环境的影响 当代的新能源主要是指太阳能 生物质能 风能 地热能 海洋能和氢能 一 太阳能的开发利用及其环境影响1 太阳能的特点与利用方式优点 普遍存在 无害环境 长久使用 能量巨大缺点 分散 不稳定利用方式 一是直接利用太阳光线的辐射热能 一是利用太阳能发电 我国利用 太阳能灶 太阳能热水器 太阳能温室 太阳能采暖等 环境地质学 第六章能源与地质环境 阳能利用基本不会对环境产生污染 但是若集中大量地开发利用太阳能 会造成太阳能回流减少 并影响局部环境的气候变化 还可造成雨量减少和生态变迁 环境地质学 第六章能源与地质环境 太阳能暖房是利用太阳辐射能量来代替部分常规能源 使室内达到一定环境温度的一种建筑物 太阳房分为主动式和被动式两类 年世界上第一幢主动式的太阳房 由美国麻省理工学院于建成 它是一种能够控制的采暖方式 用集热器 贮热装置 管道 风机 水泵等设备 主动 收集 储存和输配太阳能 由于它具有利用太阳热能 节约能源的优点 从它诞生的那天开始就十分引人注意 环境地质学 第六章能源与地质环境 被动式太阳房最早是在法国发展起来的 它主要依靠建筑方位 建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能 使房屋尽可能地吸收和储存热量 如果所获得的太阳能 达到了建筑物采暖 空调所需能量的一半以上 就达到了被动式太阳房的要求 太阳能墙 是一种采用简单结构 利用太阳能取暖的墙体 利用太阳能墙建成的太阳能温室具有良好的节能效应 环境地质学 第六章能源与地质环境 2 太阳能开发利用对环境的影响太阳能直接利用的能源系统基本不会对环境产生污染 但是若集中大量地开发利用太阳能 会造成太阳能回流减少 并影响局部环境的气候变化 还可造成雨量减少和生态变迁 环境地质学 第六章能源与地质环境 三 新能源开发对地质环境的影响 二 风能的开发利用及其环境影响1 风能的特点及利用方式优点 蕴藏量大 可以再生 分布广泛和没有污染 缺点 密度低 不稳定和地区差异大等利用方式 驱动农业机械 风力发电 风速达到3 27m s 环境地质学 第六章能源与地质环境 风能开发利用的环境影响 风能利用对环境的影响主要是噪声 当风车布置不当时 也会影响景观 如果受飓风袭击 可能会造成安全事故 此外 风能集中利用 还会造成风向下游风流减速 影响局部气候 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 新能源开发对地质环境的影响 三 生物能开发利用中的环境问题1 生物能的特点与利用方式生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量形式 一种以生物质为载体的能量 它直接或间接来源于植物的光合作用 它是储存的太阳能 更是一种唯一可再生的碳源 可转化为常规的固态 液态和气态燃料 环境地质学 第六章能源与地质环境 生物能通常包括薪柴 木炭 农业残余物 如谷壳 甘蔗渣 秸秆等 等 这些物质经过一定的工艺过程制成醇类 沼气等也属于生物质能 世界生物质能资源非常丰富 光合作用固定的碳达2 1011t 含能量达3 1021J 相当于全世界每年耗能量的10倍 相当于消耗矿物能的20倍 或相当于世界现有人口食物能量的160倍 利用 沼气能源 环境地质学 第六章能源与地质环境 2 生物质能开发利用的环境影响对环境的影响主要有 生物质采伐不当 通常会导致生物质能源枯竭 水土流失加剧 土壤肥力减退 破坏生态平衡等 木材 秸秆等在燃烧时会排放大量的颗粒物 有机化合物 一氧化碳和多换有机物等废气 环境地质学 第六章能源与地质环境 二 新能源开发对地质环境的影响 四 热能开发利用对环境的影响1 地热能的特点与利用方式地热能是来自于地球深处的可再生热能 它起源于地球的高温熔融岩浆和放射性物质 U Th K 的衰变 地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后 把热量从地下深处带至近地表 水热型 即地球浅处 地下100 4500m 范围内的热水或水热蒸汽 地压地热能 即在某些大型沉积盆地深部 3 6km 存在着的高温高压流体 其中含有大量甲