西交大能源环境学讲义第5章 能源转换使用中的环境问题

PAGEPAGE6第5章能源转换使用中的环境问题5.1能量形式转换能量有多种形式，如光、热、核、电、声、磁；化学能、质量能；位能、动能等等。力学中称位能和动能为机械能，这里用机械能特指机械装置运转的动能。自然界中的能源以各种形式贮存能量。例如，化石燃料贮存的是化学能；水能是位能；海浪、风能是动能，太阳能是光能；等等。在现代人类活动中使用最多的电能，需要从其它形式转换而得。能量转换也是多种多样的。主要的转换过程是：化学能—热能，如锅炉；化学能—热能—机械能，如内燃机；化学能—热能—机械能—电能，如火力发电厂的锅炉、汽轮机、发电机。另外，燃料电池将化学能转换为电能；水电站将水的位能转化为动能，驱动水轮机发电，得到电能；太阳能热水器将光能转化为热能；太阳能电池将光能转化为电能；等等。人类在能源消费活动中，又常常将电能再度转换为光、热或机械能，用来照明、取暖、做功，如电灯、加热器、电动机等。能量流动可分为自然的和人为的两种过程。自然的能量流动过程涉及生物系统、风云雷雨等。太阳不断地进行核聚变反应，以电磁辐射的形式（红外辐射、可见光、紫外辐射）传向地球。其中一部分可到达地球表面，有一些被植物通过光合作用而吸收。这部分能量或者植物本身以化学能形式贮存，或者被动物食用，转化为另一种化学能。接着，通过植物腐解、动物运动、动植物躯体燃烧，最终以热量形式重归自然空间。这样的过程影响自然环境，进而也影响人类。人为的能量流动过程，则是人类对自然进行干涉的一系列活动，使能量为人类的某种目的服务。例如，人们开采煤矿，在锅炉中燃烧放热，加热蒸汽，以高温高压的蒸汽驱动气轮机，最终由发电机得到电能。人为的能量流动过程，除了得到利于人类的结果之外，也产生了不利于自然和人类的某些影响。能量转换遵从热力学第一和第二定律。第一定律指出能量是守恒的。能量可以从一个地方传递到另一个地方，从一种形式转变为另一种形式，但它既不会消灭也不会创生。第二定律指出了能量转换的限制。其阐述之一是：从高温热源吸取热量，将该热量全部转换为功的唯一结果的能量转换是不可能的。转换中必须有一部分热排向低温热源。第二定律说明，能量是从集中到分散，向着所能获得的功的数量减少的方向转化。根据第一、第二定律，能量转换必然产生环境效应。由第一定律，能量转换前后总量不变；由第二定律，从高温热源吸收的热量不可能不留痕迹地全部做功。这就必然有一部分热排向环境。当然，对于环境污染来说，废热只是形成热污染的那一部分；此外还有其他排放影响环境。5.2能量转换的环境效应能量转换必然对周围环境产生诸多影响。我们最关注转换中所产生的不良效应，即环境污染。任何能量转换装置的效率都不能达到100%，比如，燃煤电厂将煤的化学能转化为电能，效率低于40%；核电站由核裂变得到的热能到电能效率约为33%；汽车发动机将石油化学能转化为机械能，效率约25%。太阳能电池将光能转化为电能，硅太阳电池效率14%，硫化镉电池只有4~5%。能量转换效率对环境保护极其重要。以热能动力工程为例，提高效率的意义有两个方面：其一，效率越高，完成某一给定任务所消耗的能源越少，所用成本越低。不仅节约能源，而且相应的环境危害——从燃料开采到燃烧排放也更小。其二，由于能量守恒，效率越高，损失热量越少，热污染越轻。提高能源利用效率，不仅利于节能，而且利于环境保护。于是，使用煤、石油等地球上贮存的能源，产生不良的环境效应是两个方面，一是大量的热量散失到环境中去，如燃煤电厂将60%以上的燃料损失了；一是转换过程中对环境的污染，主要是化石燃料燃烧中固体、气体污染物的排放。相比之下，常规能源中，水能的利用就优越得多。本来，在自然河流中，水从高处跌落，位能转化为动能，终归转化为热能分散于水中。当水电站利用了水的位能之后，这部分能量转为电能送到各处，在电能消费处化为热能而散失。就是说，利用水能的结果，对大环境来说，没有增加热量，只不过改变了热量空间分布。水电站运行中，不仅没有废热排放，也没有燃料燃烧的污染物排放。大部分环境问题与能源应用直接有关。空气污染，热污染，放射性污染，固体废物，资源耗竭，交通运输，噪声等。化石燃料的燃烧，不仅排放SO2、NOx、CO、CH化合物和烟尘，而且排放大量的CO2和废热，造成区域性和全球性的危害。SO2等有害气体和烟尘损害人体健康，影响其它动物生存和植物生长，腐蚀各种材料物品，产生酸雨和光化学烟雾，影响更大地区。CO2导致温室效应，给地球气候带来不利影响。废热排入水体，使湖泊、河流等水温过高，伤害水生生物，使一些鱼类致病，一些鱼类死亡。放射性污染主要来自核电站，另外还来自核武器实验。近年来，三哩岛、切尔诺贝利等几次核电站重大事故说明，不管怎样小心防护，核电站总归是一个危险装置，难以做到万无一失。一旦发生事故，就造成灾难性破坏。还有，与火力电厂相比，核电站排放废热更严重，它将全部热能的2/3排给环境。能源动力工业还产生了大量固体废物，有一些是可以加以利用的，如煤矸石、煤灰渣，只是目前在我国尚未很好的处理。资源的迅速消耗从整体上加剧了环境危机。单位时间内消耗资源越多，相应各方面的环境问题就越严重。5.3锅炉污染锅炉是主要的热能转换装置。一、锅炉燃料煤的化学成分是：碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、水分、灰分。其中的C、H、S是可燃元素。石油的化学成分主要是碳(C)、氢(H)、氧(O)等。天然气主要成分是CH4，90%以上。二、燃煤排放（1）CO2煤炭的主要发热元素是碳，燃烧必然生成大量CO2；虽然CO2在地面上不象其它几种污染物那样明显有害，但大量排放CO2对大气环境造成不利影响。燃煤锅炉排烟的CO2体积份额为14~15%。燃烧化石燃料排放的污染物中，CO2排放量比较容易统计，其它较难准确统计。1997年，世界排放CO2总量达23.123261×109tCO2/a，即63.06×108tC/a；其中燃烧固体、液体、气体燃料排放CO2量为22.206334×109tCO2/a，即60.56×108tC/a。（2）烟尘煤燃烧形成飞灰固体颗粒，其中含有未燃烧完全的碳成分；飞灰颗粒也包括炭黑粒子，炭黑是煤的挥发分在燃烧过程中，碳氢化合物在高温条件下缺氧分解形成的。飞灰粒度为3~100μm；飞灰性质、飞灰量随燃料性质、锅炉型式、燃烧操作等而异。主要型式的燃煤锅炉的烟气，在锅炉排烟出口之后、除尘器之前，飞灰概况如表所示。表5.1主要型式的锅炉的飞灰锅炉型式飞灰份额*(%)飞灰浓度(g/m3)飞灰质量中径(μm)手烧炉、链条炉15~201~550~70抛煤机炉20~408~1584煤粉炉75~8510~3024*飞灰份额指烟气中飞灰占煤的总灰分的百分比。（3）硫氧化物燃煤锅炉排放的烟气中，硫氧化物有SO2、SO3、硫酸雾、酸性尘，其中主要是SO2，一般SO3只有0.1%~5%。煤中的可燃硫随着燃烧进行而生成SO2，其生成量正比于煤的含硫量。例如，含硫量2%的煤，排烟中SO2含量约为4200mg/m3(1575ppm)。（4）氮氧化物人类活动排入大气的氮氧化物，90%以上是燃烧产生的。锅炉燃烧产生的氮氧化物，几乎全部是NO和NO2，其中90%是NO。生成氮氧化物的氮主要来自煤炭；另一部分来自空气中的N2。煤炭中的含氮量为0.5~2.5%，约有20~30%在燃烧过程中转化成NO。氮氧化物的生成因素主要有燃料成分、锅炉容量及其燃烧设备、操作工况等。当燃烧区温度超过1500℃，氮氧化物生成量则随温升而急剧增加。因此，低温燃烧(850~950℃)的流化床锅炉很少生成NOx。燃煤电厂锅炉排气中NO含量为400~2400mg/m3(320~1920ppm)。三、锅炉设备形式从低级到高级，污染减小。5.4车辆、船只、飞机等污染一、燃料油、气；石油的化学成分主要是碳(C)、氢(H)、氧(O)等。燃烧液体石油燃料的装置主要是内燃机和锅炉；另外有其它工业燃烧装置，如加热炉等。液体石油燃料如果能完全燃烧则生成CO2、水蒸汽、氮气，还有由于空气过量而剩余的氧气。但实际中燃烧不完全，而且内燃机燃料有杂质和添加剂，因而排气中含有许多有害成分，如碳氢化合物、CO、NOx、少量SO2、颗粒物等。二、燃油排放内燃机排气含有多种污染物，其中汽油机排放的主要污染物是碳氢化合物和CO；柴油机主要是NOx和颗粒物。各种污染物的排放都与发动机本身、运转条件有关。（1）碳氢化合物碳氢化合物来自石油的不完全燃烧和油的挥发；车辆是主要的排放源。内燃机排气污染中，含有未燃烧的碳氢化合物；另外，曲轴箱通气、汽油箱通风、化油器蒸发、泄漏等都有碳氢化合物排向大气。汽油机排气中的碳氢化合物浓度约为3000ppm。（2）一氧化碳CO是汽油机排放污染物中浓度最高的一种；它在高温、局部缺氧条件下，发生不完全燃烧而产生。CO的生成主要受混合气浓度影响；因为汽油机过量空气系数小，所以内燃机排放CO，汽油机要比柴油机严重得多。汽油机排气中CO浓度为1~2%。（3）氮氧化物内燃机燃烧把大量NOx排向大气。排气中的NOx与汽车行驶状态有很大关系。空挡和减速时，排气NOx浓度为10~100mg/m3(8~80ppm)；定速时约6000mg/m3；加速高达8000~12000mg/m3。一般来说，汽油机排气NOx为500~1000ppm；柴油机为200~2000ppm。石油燃烧排放的氮氧化物主要是NO；在大气中，NO进一步氧化成NO2。在汽车稠密的大城市，NOx是最主要的空气污染物。火电厂和工业用油燃烧是另外两项重要的排放源。（4）颗粒物颗粒物包括碳烟和其它颗粒。颗粒物是柴油机排放的主要污染物。碳烟即黑烟，主要是柴油机在高压燃烧条件下，局部高温、缺氧、裂解、脱氢而成的以碳为主要成分的固体微小颗粒，约1~10nm。由于柴油机异相燃烧、高温火焰包围燃料分子的特点，生成碳烟是必然的。蓝烟是柴油机低负荷运转时，缸内温度低，燃油几乎未燃烧或部分燃烧、或处于热分解状态尚未燃烧完全，而被排出，形成蓝色烟雾。蓝烟为尺寸小于0.4μm液体颗粒。白烟是在低温启动时，未燃烧的油雾颗粒、润滑油微粒、水蒸汽排出机外而形成