工程导论论文例文

1、中国低碳能源与环境污染 控制研究现状陈冠益，邓 娜，吕学斌，王 媛，郑雪晶，张光辉，赵 靖，王 灿，颜蓓蓓（天津大学 环境科学与工程学院/内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072）摘要：本文阐述了中国能源结构现状并归纳分析集中式低碳能源、分布式低碳能源与单项 低碳能源研究技术进展；从大气、固废、水环境及煤矿油田角度分析了与低碳能源相关的环 境污染控制研究现状；系统汇集分析了我国低碳能源与环境污染控制方面的立法、政策与保障措施；提出了中国低碳能源与环境污染控制的技术发展趋势。关键词：中国；低碳；能源；污染；环境中图分类号:X16文献标识码：A文章编号：1003-2355（2010）04-00

2、09-06doi: 10.3969/ j.iss n.1003-2355.2010.04.002Abstract: This paper describes the status quo of Chin as en ergy structure, gen eralizes and an alysis theresearch tech no logical adva nces of cen tralized low-carb on en ergy, distributed low-carb on en ergy and the sin glelow-carb on en ergy. From t

3、he point of the atmosphere, solid waste, water environment and coal fields, thepresent situation of the environmental pollution control related to the low -carbon energy is also an alyzed.Lastly, the paper pooled an alysis Chin as low-carb on en ergy and environmen tal pollutio n con trol legislatio

4、 n,policies and security measures, and put forward to Ch in as low-carb on en ergy tech no logies and en viro nmen tal polluti on con trol tren ds.Key words: Chi na; Low-carb on; En ergy; Polluti on; Environment收稿日期：2010-04-06基金项目：科技部国际合作重点项目（编号：2006DFA62370）;环境保护部科技专项项目（项目编号 ：2009B102 ）。作者简介：陈冠益（19

5、70-）,教授/博士，从事生物能源与环境研究。目前发展低碳经济已经成为世界性的潮流，而低碳经济的核心是低碳能源技术。推进低碳能 源技术的创新，加大低碳经济的投入，是中国应对 气候变化的一个根本途径，也是可持续发展、节能 减排、建设资源节约与环境友好型社会的内在需 要。低碳能源技术涵盖了可再生能源利用、新能源 技术、化石能源高效利用、温室气体控制和处理及节能领域。1低碳能源研究现状中国七大高能耗行业的能耗约占全国能源消 费总量的一半以上。C O 2排放的重点行业是火电、石油加工、自来水、金属冶炼等基础原材料工业和 交通运输业。目前能源消费结构中优质能源消费 比例低，可以认为中国是“富煤、贫油、少

6、气”的 能源结构。“低碳经济”的实质是能源效率和清洁能源结 构问题，在低碳理念引导下，中国低碳能源现状及 发展趋势的核心是能源技术创新和制度创新，目 标是减缓气候变化和促进人类可持续发展，向碳 循环和无碳模式迈进，见图1。中国正处于经济快速发展时期，不可能以牺牲经济发展来减少碳排 放，因此更需要采取积极有效的途径。中国发展低 碳能源技术，必须正视以煤为主的能源结构，注重 化石能源的洁净高效转化利用和节能减排技术；但战略上必须坚持以新能源代替传统能源，优势能 源代替稀缺能源，可再生能源代替化石能源的方 向，逐步提高替代能源的比重。政策措施方面积极 拓展制度创新，为低碳技术道路提供有力保障。Sur

7、vey综述Vol. 32 No. 4 Apr 2010 第 32 卷第4 期 2010 年4 月91.1低碳能源低碳能源是一种含碳分子量少或无碳分子结构 的能源，广义上是一种既节能又减排的能源。作为 一种清洁能源，低碳能源突出减少CO对全球性的排放污染，同时也兼顾对社会性污染排放的减少。 它的基本特征是：可再生，可持续应用；高效且环 境适应性能好；尽可能实现大规模化产业应用。 各种能源的分子式碳：传统能源煤135,石油 58 ,天然气1，氢能是0，可再生能源基本为低 碳或无碳能源。低碳能源包括风能、太阳能、核能、 生物能、水能、地热能、海洋能、潮汐能、波浪能、 洋流和热对流能、潮汐温差能、可燃

8、冰，通过技术 集成应用，构成低碳能源系统，实现替代煤炭、石 油等化石能源以减少二氧化碳排放的目的。 中国低碳能源的资源非常丰富，水力资源蕴藏量达6.84亿kWh技术可开发量达 3.78亿kWh; 陆地可开发的风能资源约 2.5亿kWh海上可开发 的风能资源达7.5亿kWh ;太阳能资源也很丰富， 大部分地区年日照时间在 2 0 00 h 以上；海岸线漫 长，潮汐能资源达2亿kWh;秸秆年产量达6亿t ,5 0 %以上可作为能源使用；甘蔗渣、稻壳、咖啡 渣、各种加工废弃物与生活垃圾量也很丰富，折合 标准煤约1亿t ;南海北部陆坡的可燃冰资源量达 185 亿 toe。1.2集中式低碳能源研究技术与

9、进展“低碳经济”视角下的中国能源技术研究涉及两个层面：（1）节能减排，实现化石能源的高效利 用和节约；（2 ）能源结构与产业结构调整。包括 ： 逐步提高优质化石能源的比率，充分利用和开发 清洁、可再生资源，降低化石燃料在能源消费结构 中的比重；促进能源供应的多样化。近期 一段时期，调整能源结构向低碳能源方向 发展，形成以煤炭为主，石油、天然气和水 电、核电与可再生能源互补的多品种能源 结构体系。煤炭的清洁转化利用主要的技术包括：（1）煤气化技术。有工业化规模的气化 炉在运行或建设；（2）煤液化技术。具有自 主知识产权的煤间接液化技术已完成了万 吨级的中试开发，正在进行大规模示范厂 的建设；（3

10、 ）煤制甲醇、D M E、M T O等技 术。此项技术中国与外国进展水平基本同 步，已经完成万吨级中试；（4）煤制合成天 然气技术。建立了几套小规模示范厂；（5） 煤制氢技术。国内外都比较成熟；（6）煤高效燃烧技术并辅助以碳捕集。国外在示范，中国刚开始建 设示范厂。太阳能 重点发展晶体硅技术、薄膜电池技术、 并网发电系统技术和建筑一体化太阳能利用技术 等。在高纯度多晶硅材料的生产技术和工艺领域， 实现规模化生产。同时重点研发薄膜电池技术，推 进并网发电系统技术并进一步开发建筑一体化太 阳能利用技术。提升高温太阳能集热及太阳能热 发电技术，结合太阳能集热产生高温蒸汽发电系 统与常规能源蒸汽发电系

11、统，增强分布式冷热电 联产系统的经济性。风能 自主研发的200 kW700 kW的各种风力 发电机组已推广应用，自主研发的3 M W永磁直驱风力发电机组和2 M W双馈异步风力发电机组已在 示范中；提高自主开发和制造能力，着重开发兆瓦 级大型风力发电装备制造技术、风电厂开发技术， 建立风力发电产业标准体系，完善海上风力资源 的测试和评估技术；风电场开发技术应实施规模效 应降低风电成本，重点开发风电场微观选址和优化设计技术；发展海上风电场开发技术，开展海上 风电机组、海上风电场微观选址及风电场设计和 建设示范研究。超过百万千瓦乃至1 0 0 0 万k W的大型风力发电基地已经开始建设，内蒙古草原

12、已 形成很多1 0万k W以上的风力发电厂。核能 中国核电设备成套供应能力正在形成，已掌握第二代核电技术，自主走向第三代核电技 术；已建成高温气冷试验堆，正在建设快中子实验 堆闭式核燃料循环系统。在热核聚变方面亦取得 了较好的研究成果，清华大学核能设计研究院已 图1我国低碳能源现状及发展趋势框图综述Survey第32 卷 第 4 期 2010 年 4 月 Vol. 32 No. 4 Apr 201010建成l 0 MW 的模块式高温气冷试验堆。生物质能 生物质能源技术由单纯的废弃物处 理发展到生物质综合利用，并广泛与种、养殖业相 结合，形成绿色生态农业。重点发展生物质发电技 术和生物质制取液体

13、燃料技术，形成以生物质能 为核心的资源利用新模式；推广大型沼气工程施工 技术，并自主建设生物质发电站；研发与示范生物质固体成型燃料技术；开发与示范能源植物/作物 的燃料乙醇和生物柴油技术。氢能 包括两个方面：（1）制氢技术。包括化石 燃料中制氢、电解水制氢、生物制氢、微生物制氢、 太阳能热化学循环制氢技术、太阳能半导体光催 化反应制氢、核能制氢技术等 ；（2）考虑储氢成本、 储氢密度和安全性等因素的储氢技术。储氢容器 研究方面己取得重要进展，储氢压力及储氢效率 不断得到提高，通过储氢容器材质的改进及辅助 储氢物质的添加，压缩储氢技术的优点得到发挥。近年来制氢技术转向以水为原料的实用阶段。 地热

14、能主要采取直接利用地热能的方式，包括 热水直接利用和水源热泵。研究重点在地热梯级 利用技术、回灌技术、地下换热器传热性能与低温 平衡等方面。大规模地热开发利用仍然受到限制。水能小水电工程建设技术已相当成熟，装机容 量达3050万kW设计制造技术处于世界先进水平。 目前重点研究300 m级高坝及复杂地质条件下高坝 筑坝技术、大型地下洞室及高边坡锚固技术、高水 头大流量泄洪消能等关键坝工技术；推进大型常规 水电机组和抽水蓄能机组的国产化，开展6万k W以上贯流式、百万千瓦级混流式水轮发电机组和30 万k W以上抽水蓄能机组的设计、制造技术研究 ； 开发水电建设环境保护技术，制定环境友好的水 电设计

15、施工技术和环境保护措施；研究老电站更新 改造和流域优化调度技术，提高整体运行效益。 可燃冰研究重点为可燃冰的储存技术与液化 技术、可燃冰富集规律与开采基础。交通产业低碳能源应用技术交通产业低碳能源应用在汽车领域已取得良好成果。开展了醇类、 天然气、液化石油、二甲醚、生物燃料等次高碳燃料， 电和氢等低碳燃料作为汽车动力的示范运行，已 有多家混合动力汽车；发展新型的低碳汽车发动机 技术，如高压共轨、分层燃烧技术、均质充量压缩 点燃及综合汽柴油机优点的理想发动机Die sotto（汽柴油混合技术）等。正在研发飞机新能源，包 括生物燃料与航空煤油混合燃料、锂空气电池、太 阳能和氢能动力电池。1.3分布

16、式低碳建筑能源技术与进展 建设绿色低碳建筑，有效控制和降低建筑的 碳排放，是建立低碳城市的必由之路。国内对低碳 建筑节能的研究主要集中在建筑能耗统计与行为 节能控制、建筑围护新结构与新材料、采暖空调系 统节能新技术、可再生能源应用等方面。 建筑能耗统计与评价体系及行为节能控制研 究能耗统计与节能潜力分析是建筑节能的基础。 自20世纪80年代开始，中国研究人员持续开展了 建筑能耗调查及节能潜力研究工作，统计获得建 筑物在不同的使用方式、空间规模状况下的能源 消耗；随后开展了建筑环境影响评价的研究工作， 用于指导绿色低碳建筑设计、建设，规范引导建筑 业转向绿色可持续发展；在借鉴国外先进经验的基 础

17、上，推广实施了“中国生态住宅技术评估手册” 和“绿色奥运建筑评估体系”；建议了行为节能的指导性原则，提高其对建筑低碳化的贡献。 建筑围护新结构与材料、采暖空调系统节能 新技术中国北方建筑能耗的主要构成为：采暖空 调6 5 %，热水供应1 5 %，电力1 4 %，炊事6 %。研 究人员从新型绿色建材的开发、建筑环境的营造、 围护结构节能等方面开展低碳建筑研究，引导建 筑设计适应当地气候条件，限制围护结构的耗热 量指标、传热系数限值和门窗空气渗透耗热量，减 少建筑的使用能耗。对供热空调系统节能的研究 集中在建筑采暖空调系统型式、系统效率提高上， 包括冷热源选择、运行调节、能耗计量等方面。可再生能源

18、建筑中应用研究可再生资源利用可转变建筑的高能耗型消费模式，研究主要集中 在太阳能、地热能、污水废水热能等方面；农村地区则包括生物质能应用。太阳能 中国的太阳能建筑应用研究始于 2 0 世纪70年代末，到90年代末，已建成多座利用太 阳能光热、光电转换技术的公共建筑和住宅。目前 中国已成为世界上最大的太阳能热水器产销国。国内学者对太阳能光热、光伏建筑一体化进行了 大量的研究。在太阳能制冷方面，吸收式制冷和喷 射式制冷都已进入应用阶段，吸附式制冷还处在 研究阶段。风能建筑中利用风能的研究刚起步。对城市 建筑风资源的开发途径、旋风式风机以及建筑风 机的发展潜力、建筑群的风能增大效应、楼群风风 力发电

19、技术进行了可行研究。Survey综述Vol. 32 No. 4 Apr 2010 第 32 卷第4 期 2010 年4 月11地源热泵系统地源热泵系统的研究很多，推 广工作也做得不错。研究重点在地下换热器传热 性能的影响因素方面，如土壤导热性能、回填介 质、连接方式、系统运行方式等。污水热能城市污水是城市余热型低温热源，目前尚未大规模开发。目前的研究重点包括：城市污水源热泵系统的可行性调查分析、管材问题、系 统形式防垢、防腐等，并已有工程应用。生物质能 生物质能在中国农村地区建筑用能 结构中占据重要地位，从单一的落后的利用模式 向高效的综合利用转变。研究重点包括：生物质集中式气化供气供暖、生物

20、质成型颗粒炉燃烧，已建 成了多个示范基地。同时农村户用沼气技术发展 很快，建设了一批示范村。1.4零或负CO排放的生物能源技术与进展 低碳生物能源是指各种可直接用作燃料的生 物质本身和由生物质加工制备的能源，前者称为 初级生物能源，后者称为次级生物能源。主要技术 有：生物质直燃/混燃、沼气发酵、生物质热解气 化、生物制氢、燃料乙醇及生物柴油等技术。生物 质能从生命周期角度上看，属于零C O 2排放能源。若在其转化利用过程中，通过技术进步与创新，消 耗一定量的CO,或者后续利用碳捕集与封存技术， 可以实现负C O 2排放。生物质成型与直燃技术包括现代化的省柴灶和锅炉燃烧。各种形式的省柴灶从 20

21、世纪80年代 开始推广；秸秆锅炉燃烧发电近5年发展很快，建 成了 20多个示范电厂，装机容量约 200万kW;生 活垃圾焚烧发电受到更多的重视，建成60多个高标准的发电厂。此外，秸秆与煤混烧技术、垃圾与 秸秆混烧技术也在示范中；建成了若干个生物质成 型燃料或颗粒化燃料基地。需要关注的问题：生物质燃烧过程颗粒团聚及其完全燃烧、锅炉受热面 积灰机理与腐蚀防止、锅炉尾部烟气除尘、锅炉底 部稳态连续排渣、燃烧污染物控制及灰渣利用、低 成本多种生物质原料致密成型技术等。沼气发酵技术技术开发很快，推广应用更 快。农村地区主要使用户用式沼气池，满足家庭取 暖、做饭等日常能源需要；高中低温沼气发酵技术 进展突

22、出，在大中型养殖场的沼气工程中应用推 广快，兼顾区域供气与发电。近几年，秸秆发酵沼 气技术研发受到重视。关注的问题在于：户用沼气技术的低成本化及其可靠性、高密度沼气池技术、 规模化沼气系统设备制造及其高甲烷含量调控、 秸秆沼气发酵工艺的稳定性与连续性。生物质热解气化技术涉及气化燃气用于炊事、 供热或发电。固定床气化技术在农村示范应用较 多，流化床或循环流化床气化技术在发电或区域 供热中有示范，快速热解液化技术也有一定的示 范。在研发的技术包括：生物质气化制取合成气， 用于合成油或化工原料；快速热解制取高品质的车 用生物质柴油或汽油。研究重点包括：气化焦油的控制、气化残渣的综合利用、焦油污水的净

23、化、生 物质合成气调控、生物油的精制与提质。生物制氢技术是指以碳水化合物为供氢体， 利用光合细菌或厌氧细菌来制备氢气，开辟了废 物回收利用的新途径。生物制氢的原料较丰富，以 葡萄糖、污水、纤维素为原料的研究较多，但均处 于实验室水平，生物制氢的产业化尚有许多技术 和经济问题需要解决。燃料乙醇技术指按照一定比例加入汽油或柴 油中的无水乙醇，它能使汽油燃烧完全，减少汽车 废气中焦油、二氧化碳、氧化氮等排放，是目前生 产规模最大的生物能源。甜高粱燃料乙醇生产新 工艺已进入示范；能源作物木薯生产燃料乙醇技术 已在示范运行；陈粮小麦、玉米等淀粉质原料生产 燃料乙醇的多家示范厂运行效果良好；秸秆生产燃料乙

24、醇技术进入中试向示范转型阶段。关注的问 题包括：高能量能源作物选育及其低成本化、秸秆 燃料乙醇技术的瓶颈突破与工业化示范。生物柴油技术以油料作物、工程微藻等水生 植物、动物油脂或餐饮废油等为原料，通过生物或 化学手段将其转化成高脂酸甲烷。目前以地沟油为 原料的生物柴油技术水平世界领先，建成了10多家示范工厂，年产能达到100万t;以油料植物（如麻 疯树、文冠果）为原料的示范基地也已建成；工程微藻生物柴油技术还停留在实验室阶段。关注的问 题包括：废油脂集中收集与预处理、高含油率油料 植物选育及其低成本化、工程微藻生物柴油技术。中国生物能源的开发利用仍处于起步阶段， 虽然在整个能源结构中所占的比重

25、很小，但其发 展潜力巨大，尤其应考虑到生物能源的CO减排效应显著。但是存在的问题很多，包括：原料供应瓶颈问题、生物质合成生物柴油过程的污染较大、生 物制氢过程的产氢效率低及氢气收集困难、沼气 发酵过程的发酵效率低及持续运行能力差等。2能源利用相关的环境污染控制研究现状2.1能源利用相关的环境污染状况综述Survey第32 卷 第 4 期 2010 年 4 月 Vol. 32 No. 4 Apr 201012能源和环境息息相关，能源的利用严重影响 着环境的构成和质量。中国能源结构目前以煤为 主，煤的深度开采与能源化利用导致了突出的环 境污染。石油大量开采与能源化应用，特别汽车工 业和炼油过程所造

26、成的环境污染甚为严重。2.2大气污染控制技术与进展近年来中国在由能源消费引起的大气污染控 制技术方面做了大量工作。主要措施与技术进展 包括：提高能源使用技术水平，包括废气废热回 收、热电联产、炉窑改造、能源管理体系的采用， 安装高效能耗设备，采用和推广先进的煤炭加工 技术等；开发环境友好的替代能源；从政策层面， 调整经济结构，降低工业比例。目前对SO以及PM（可吸入颗粒）的在线监测与控制取得初步成效， 下一步的控制重点是 N O x，C O 2。研究方法上实现 了由宏观到微观、由城市小尺度到区域甚至全球 性大尺度发展，研究内容由单一因素到多元因素 的转变；该领域的前沿课题是在原子、分子及活性

27、化学物种水平上研究它们在大气环境中的行为、 变化过程与环境效应或包括生态效应。2.3碳减排和碳捕集（CCS）技术与进展CO减排的关键措施涉及节约能源、提高能源 效率、优化能源结构、发展替代能源和CO处置利用。目前中国已具备工业化或正在大力研究的技 术，包括：溶剂吸收法、吸附法、膜法、生物吸收 法等。溶剂吸收法适合于大规模 CQ捕集潜力的一 种技术方案，但其也存在着有些溶剂具有毒性、溶 剂需要再生、捕集工艺复杂等问题；膜分离技术虽 然已经有很多比较经济的应用实例，但是对于大 规模的CQ捕集系统，在成本与可靠性要求上还有 较大的差距；变压吸附法（P S A ）具有工艺过程简 单、能耗低等优点，可用

28、于各种气体的分离，能够 从合成氨变换气以及窑炉气中脱除和回收CQ;生物吸收法在达到CQ减排的目的同时还能提供新的 燃料，但是会受到处理规模和地域的严格限制。 据此可看出，各种碳减排和碳捕集技术都有 各自的应用范围，选择合适的工艺是实现碳减排 和捕集的重要保障。CCS的技术难点不突出，但过高的能耗与成本是其应用的巨大阻力。因此开 发低成本、能耗低、无新污染的 C C S工艺成为核 心课题。中国正在天津示范燃煤发电厂的CCS技术，有望2010年底投入运行，为CCS技术的应用 提供第一手经验与数据。2.4固体废物控制技术与进展中国2008年各类固废的总排放量达到了50多亿t，主要包括粪便、工业废弃物

29、、农业废弃物、 生活垃圾等。固体废物不仅占用大量土地，且严重 污染水体、大气等生活环境。目前垃圾处理的方式 主要有：填埋、焚烧、堆肥。垃圾处理方式的不当， 会带来严重的环境污染，且导致能量与资源浪费。 中科院选择国内19家垃圾焚烧厂调研二恶英排放 发现，1 9个样本焚烧炉的二恶英/呋喃物质的排 放量在0.0422.461 间，平均值为0.423。16% 的厂家达不到中国标准，近 70%的厂家达不到欧洲 标准。所以合理有效地处理和利用固体废物，是减 少温室气体等环境污染物排放，促进低碳经济发 展的重要保障。近年来中国固废管理工作的法律法规逐步完善，处理技术不断进步，处理装备逐步升级。主要 措施与

30、技术进展包括：垃圾分类收集回收、封闭式 集中转运、卫生填埋技术、先进焚烧发电技术、热 解气化技术、综合堆肥技术。所关注的重点为：垃圾填埋场的CH 4回收利用、垃圾渗透液的处理、垃圾 恶臭的控制、燃烧效率及稳定性、CQ减排、垃圾焚烧烟气净化及二恶英控制、废物处理全生命周期评价及清单研究。此外，开发餐厨垃圾和分类收集的 有机垃圾的专用技术，如厌氧消化等生物处理技术 在政策层面，制定适宜的固体废弃物再生利用的政 策和法规，引导群众对垃圾实行分类及回收利用。 2.5水环境污染控制技术与进展 与能源利用相关的水环境污染控制技术涉及：能源加工转化过程中的污水废水、洗煤水、采煤地 下水，此外水厂和污水厂的节能或使用低碳能源， 导致污染物减排，也可归于水环境污染控制。具体 控制技术包括：污水资源化技术包括地下水原位修复、生产 污废水零排放技术；受污染的采煤地下水净化后重 新回灌入含水层，防止地下水污染及地面沉降；采用絮凝、沉淀技术回收洗煤废水中的煤尘，