第六章能源的环境问题.ppt

1、第六章 能源的环境问题,北京科技大学热能工程系,能源的环境问题,1 能源及其分类 2 各种能源的环境问题,1 能源及其分类,1. 1 能源 1. 2 能源的分类 1. 3 我国的能源现状 1. 4 国际能源状况,1. 1 能源,可能为人类利用以获取有用能量的各种来源 人类取得能量的来源 要点： （1）是它本身有能量 （2）具有经济价值,例如,太阳能 风能 水力 蒸汽 都可称为能源 电力 天然气 石油 煤,能量储量 能量资源,能量储量： （1）在目前经济条件和技术条件下，可开采， 作出可靠估计的储量探明储量 （2）合理预测推断可能存在的称预测储量 能量资源： 包括储量和尚未发现的矿藏世界上（自然

2、界）的能量资源很丰富，问题在于开发成本和开发技术,能源与国民经济的关系,能源是经济的命脉 一个国家的能源发展与国民经济有着密切关系 两者之间存在着正比关系 能源消耗增加 国民生产总值增加，如： 日(5275年)能耗平均年8.8%，产值8.7% 英(5275年)能耗平均年1.1%, 产值2.7% 都慢 中 第一个五年计划 能耗15% 产值10.9%,能源限制国家的经济发展,如74年能源危机美国的能源不足1.16亿吨(煤) 国民生产值减少930亿美元 日本的能源不足0.6亿吨(煤)国民总产值减少485亿美元 能源不足引起国民损失约为能源本身价值的260倍,随着经济发展能耗快速增加 (1)我国按照人

3、均产值1000美元，每人需2.2吨标煤，需要24-26.4亿吨标煤。 (2)大量的能源开发利用，带来严重的环境问题，它已成为世界五大环境问题之一。 为此为发展经济，造福人类，使能源与经济协调发展，了解各种能源带来的环境影响。,1. 2 能源的分类,一次 二次能源,一次能源：从自然界直接取得，而不改变其基本形态的能源，亦称初级能源。 如：煤、石油、天然气、水力、核能、太阳能、地热能、海洋能、风能、植物燃料等。 特点：保持自然形态 二次能源：一次能源经加工，转换成另一种形态的能源。 如：电、焦炭、煤气、沼气、蒸汽、热水、汽油、柴油、重油等。,常规能源与新能源,常规能源：指被当前广泛利用的一次能源。

4、 如：水力、化石燃料、核能。 新能源：正在进行积极研究以便推广利用的一次能源。随着科技水平的发展，会有更多的新能源开发出来。 如海洋能、太阳能等,再生能源与非再生能源,再生能源： 能不断得以补充供使用的能源，取之不竭。 如：水力、太阳能、生物能、地热能等。 非再生能源： 指短期内无法得到补充的能源，需经数千万、亿万年才能形成的能源。 如：煤、石油、核燃料等。用点少点，总有枯竭的时候。,此外还可以划分为：,可燃烧能源 如煤、石油、天然气、核裂变等燃料。 非燃烧能源 水能、风能、生物能等。,1. 3 我国的能源现状,能源丰富而平均少。我国能源储量如下：,状况分析,能量分布不均匀：煤炭60以上在华北

5、 水力70在西南 南方八省：人口36.5，而煤炭2，水力10。 能源产量一直增加： 与解放初期相比： 79年煤产量增加了20倍；水电增加了60多倍原油增加了880倍；天然气增加了1300多倍 人均0.6吨 /（人.年） 只相当世界平均的1/4，加上农村的不过0.9吨/（人.年） 电能：80年总3006亿度 居世界第一，人均300度 居世界112倍,2003年能源和主要产品一览表,能源构成以煤为主,我国主要城市的能源构成,煤炭占总构成的70以上 工业燃料动力煤炭占80以上 直接燃烧的煤炭占总耗量的84 8个城市超过90 8089有7个 7079有3个 6069有5个 5059有2个 4049有1

6、个 直接燃烧的煤中：农村1.2亿吨占煤产量的20 城市1.5亿吨占煤产量的25,农村能源短缺,我国农村人口多，需能量大，世界有15亿人用柴直接烧饭，我国占50以上。 81年，我国有1亿8千多万农户，每户每天10kg柴，一年需6亿吨，合3.85亿吨标煤。相当于81年全国总能源产量的60。 全国农户年平均大约缺柴23个月。大量生物质能被作为燃料烧掉，降低土壤肥力 砍伐森林土地沙化水土流失生态失衡,1. 4 国际能源状况,2 各种能源的环境问题,2. 1化石燃料的环境问题 2. 2核能的环境问题 2. 3水电的环境问题 2. 4太阳能的环境问题 2. 5海洋能的环境问题 2. 6地热资源的环境问题

7、2. 7沼气的环境问题,引言,在人口稀少的远古，并不存在什么环境问题，即人类活动的耗能只限于食用、利用动植物有机体。 现今，人类对能源的需求愈来愈大，便给自己的生存环境造成种种影响，引起森林、土地的破坏，大气、水的污染，甚至破坏环境的生态平衡。,燃料周期,能源的环境问题不单是指由能源使用造成的环境问题，而且包括其开采、运输、储藏加工等过程所产生的环境影响。在环境科学中提出的“燃料周期”的概念 “燃料周期”：指燃料从开采、运输、加工、贮藏到使用的全过程产生的污染及其管理。 只有这样才能对一种能源作出较中肯的评价。即考查其全过程，而不是某一过程，这对于制定合理的能源政策，正确选择能源构成及合理高效

8、使用能源意思重大。,2. 1化石燃料的环境问题,主要指煤炭和石油 煤炭和油是当代人类开发利用量较大的化石燃料，从而造成的环境污染也较严重，较为人们关注,开采过程的环境污染,概括讲该过程的突出环境污染是： 1）对人的危害： 工人事故、职业病，井下开采最为严重：瓦斯、塌方 2）对地面及其生态系统的破坏 以露天开采最为突出,开采100万吨煤过程的环境污染,历史教训,例如美国阿巴拉契亚地区17000m的河流有10000m被井下与露天的酸性矿坑水所污染，影响水生物，甚至灭亡 此外，井下噪声严重，有约40的人在91110分贝的环境下工作，听力下降变聋,原油开采,井喷会造成严重的环境污染： 工人伤亡 损失原

9、油 污染土地，影响植物 污染海洋，影响水生物 ，海洋生态平衡,运输过程的环境污染,煤炭输运： 耗能大、装卸扬尘、堆存浸水、产生噪音、大气与水体污染 石油输运影响比煤炭更为严重： 石油海运在急增，54年最大油船3万吨，现在达到五十万吨级；60年海运量4.49亿吨，77年达到17亿吨；海运油量上升排油上升，洗舱水外排上升；如7078年9年中，海洋上跑油达107万吨；海湾战争期间，大量的石油排入海洋。,加工过程的环境污染,煤炭和石油在加工过程中都会对环境产生不良影响： 煤炭加工：洗煤、加工转化 洗涤排出大量水，干燥又产成灰尘，NOX，SOX 气化、液化还会排出大量污染物,处理100万KW电站耗煤量,

10、石油加工或制的三废排放,石油加工或炼制的三废排放比煤气化和液化时多十倍以上。下表(处理油量与100万KW电站耗油量相同),吨/年,吨/年,另外，油的储存，也可能发生跑漏,利用过程的环境污染,化石燃料的主要用途： 化工原料： 化工厂（少量） 燃料： 石油交通、汽车、工业窑炉 煤炭发电、锅炉、工业炉窑 可见，化石燃料使用过程中的污染主要是燃烧过程中产生的：气态、固态污染物和余热等造成。它是大气环境污染主要来源,引起CO2 温室效应 热污染,煤炭污染,1775年瓦特发明蒸汽机，1781年完善以来，促进了煤炭工业，进而促进了工业大发展，开始了资本主义工业革命。 煤的使用及其消耗量的上升，随之而来的是污

11、染 美作家狄更斯在代表作艰难时代中描述19世纪50年代的生活环境时写到： “这是一个到处都是机器和高耸烟囱的市镇，无穷无尽的长蛇似的浓烟一直不停地从烟囱里冒出来” “喷出的大量毒烟，不用多久就会把天空罩住”,“使煤炭镇居民看到地太阳呈现出一种日食的状态” 随着时代的发展，当今人类化石燃料的使用所造成的污染还相当严重。造成过多期恶性污染事件。,煤燃烧造成 “煤烟型”污染,吨煤燃烧时有害物质的生成量（吨/吨）,油,1859年8月28日，美国宾夕发尼亚州成功打出第一口油井，1860年俄国开始采油业 二十世纪五、六十年代，石油天然气价廉，燃料结构由煤转向油。 我国的石油开采整整落后了一个世纪。,燃油污

12、染排放,燃1000升油的有害物质排放量 Kg,煤与油的比较,在获得同样多热量的情况下，燃油比燃煤清洁的多 由于石油耗量增加，污染由“煤烟型“石油型” 在交通运输方面，耗油量迅速增加，它造成的污染举足轻重，跃居首位，尤其是在发达资本主义国家,汽车排放,内燃机污染物排放特点是; CO、NOX 、CmHn,化石燃料燃烧是主要的环境问题,燃烧生成的SO2、CO、NOX，占80以上 SO2 美国估算燃烧生成的SO2占81 日本72年的统计：SO2总排放670万吨，燃烧占86.4，其中油75%，煤11.4 NOX：美国68年统计，燃烧1800万吨（硝酸工业排放20万吨），占86 烟尘：美国72年的统计 排

13、放1808万吨，燃烧占595万吨，近1/3，冶金工业 235万吨，居第三位 化石燃料属不可再生能源，日益枯竭，环境污染突出：供应不足，浪费严重 由于化石能源的日益减少，尤其是洁净能源更缺乏，而且随着人们经济条件的改善，对环境地要求亦越来越高，所以对非化石燃料的研究得以重视，而且发展迅速,2. 2核能的环境问题,核能：是通过核反应（裂变与聚变）而获取的化学能 核反应：就是使一种原子核转变为另一种原子核的反应核能地能量很高如：1kg铀235释放出地能相当于2500吨煤、10000桶油、177103天然气 作为核能利用地设备是核电站： 即核动力燃料，在中子敲击下发生裂变，同时释放出核能，将水蒸汽驱动

14、汽轮机发电机组，核电站地核反应堆相当于电站地锅炉,核能污染,核工业发展于二次大战期间，首先原子弹，五十年代才用于动力工业 近些年来发展迅速，据1980年统计目前世界上： 1）29个国家拥有核电技术 2）发电反应堆244座 3）正在建设地233座 到1985年，美国的核电装机容量1亿4500万KW 每年用铀4万吨。,核能在世界能源结构中的比重,核能与化石燃料相比,1）无空气污染 2）无漏油污染 3）无矿坑酸性坑水等 使用的唯一缺点：放射性污染。 即其废渣必须与环境隔绝，不能进入生态系统,核燃料周期,就核燃料周期而言，核能生产使用过程均可能造成危 核能利用的过程有：开采，冶炼，净化核转化，加浓制备

15、核加工，使用，废料地运输，处理，回收，贮存等 概括起来有如下四方面,与其它矿业一样,有土地破坏 地下开采放射性危害，死亡率比煤矿高 铀矿死亡率：0.24人/106kw年,慢性辐照,人们在日常生活中不断受到低水平电离辐射的照射。各种辐射剂量,电视,从表面看：天然本底辐射：95105毫雷姆/年，核电站对居民的辐射剂量只相当于天然的1/51/6，相当于胃透的1/12，小于电视辐射（每天1小时半年） 可见，在核电站密度不大的今天，可暂不作考虑 但是，反应堆核核工业的前处理核后处理过程中会有少量放射，渗入冷却回路，通过水或空气，尤其是食物链的放大作用造成对人体的慢性辐射。如：碘131 在甲状腺中；锶90

16、 在肾中；铯137 在肌肉中 富集，对人体产生危害,放射性废物的环境污染,反应堆需换燃料，每年停车一次。这类放射主要来自：裂变碎片产物和中子活化产物。反应堆取出的废料，具有强放射性 处理方法：对低放射性水平的废料：埋入土中，装在特殊容器中，对高放射性水平的废料；进行特殊处理，长期隔离 核废料的处理必须慎重： 到2000年，美国放射性废物中积累的放射性约209109居里，饮用水标准109居里/升，这些放射可污染21014m3的水，即全世界淡水的2倍，全部水圈的1/8。可见，废物处理主要特别注意。究竟应存放在何处，至今还没有答案： 埋入5002000英尺的盐床中 火箭送到太阳中 贮于南极冰帽中，等

17、 美国在七十年代是贮于几个容积为2400m3的大钢槽中，正常运转情况下，核燃料可认为是清洁燃料，污染往往出在运输等 情况下。,反应堆安全污染,反应堆是否象原子弹，放射性物质到处溢？ 一般不会：原子弹 是浓缩铀（铀235），组装紧密，设有调控 反应堆；低浓铀（铀235，只占3），组装疏松，总量没达到操作临界值，有调控装置 有外壳封闭，放射性物质即使外溢，亦被封在壳内 如1979年3月美国三里岛事故，虽然较严重，周围居民只受到1.5毫雷姆的辐射 核反应堆的事故几率只有千分之一，但也要高度重视，预防事故的发生，正常情况下，对环境造成的污染与危害比某些工业企业还少。 苏联的切尔诺贝尔核电站,2. 3水

18、电的环境问题,水电：是一种经济、干净、可再生的能源，不产生空气污染；但需要建水库。 水电对环境问题主要表现在 如下几个方面：,自然方面：巨大水库可能引起地面下沉，地表活动诱发地震，造成下游水位下降，土壤盐碱化，水库附近土壤变质，影响局地气候（一般蒸发量大凉爽雨少）； 地球化学方面：指水库的水颜色，气味等物化性质发生变化，水中各层温度、密度等有所不同；,生态方面：与水库的地理位置，季节有关。 一般，上游的陆地生态系统会变为 水域生态系统。下游发生相反的变化，可能淹没农田、森林、城市等。 社会经济方面 有利：改善水的管理和使用；增加农田灌溉； 发电； 不利：居民搬迁定居；古籍文物淹没； 上述四方面

19、的影响彼此相互作用，情况更复杂。,我国丹江口水利枢纽工程,在汉水上游，属狭长水库（F=1050、H=、V=）。建库后对环境的影响： 水温16.818； 夏季，凉，雨少；冬季，不稳，雨； 地震，16世纪1959年，周围地震次数43次（有感）； 1969年以来测得426次； 水质变差 毒物镉、汞、砷、氰化物、营养物； 如硝酸盐从0.44毫克/升90毫克/升； 建库人口迁移38万 重建镇三座，淹没了不少汉唐古墓、春秋战国古墓，经济文化损失不可计量。可见，水电的开发利用必须对考虑对环境的危害，一旦造成不可逆转，从环境的角度易建中小型水库。,2. 4太阳能的环境问题,太阳能是可再生的清洁能源，是未来最有

20、前途的能源之一。 核聚变反应维持其巨大的能源辐射，每秒种有6.57亿吨氘6.53吨氦（H4），由爱因斯坦的质能转化公式：E=mc2，质量损失400万吨转换成能量：2.71030kcal/年向太阳四周发射到达地球的能量为其中的22亿分之一，约1.21021kcal/年。 太阳常数，每分每cm2接受的太阳能密度，即I0=1.941.97cal/cm2.min=1.38kW/m2； 太阳能透过大气层地球表面，随纬度和季节变化，由于受大气的散射、反射、吸收作用，到达地面只有一部分，就整个地球平均，一般I1W/m2最强；冬天0.538W/m2；阴天0.2538W/m2。,太阳能的利用与环境,太阳能是地球

21、上生物得以生存的重要因素，没有太阳，星球温度约为-268。此外太阳能通过工艺技术得以广泛应用：,热电,太阳能的用途,采暖、 空调、 炊事、 食品冷藏、 材料高温处理、 干燥、抽水、 照明等。 近期：主要是采暖和供热。 远期：主要是发电,直接利用太阳能的主要设备,我国地处纬度不高，太阳能资源丰富；西藏最丰富：150240kcal/(cm.年)，其余，110140 kcal/（cm.年）。,太阳能对环境的影响, 占有土地，与核电站大体相当； 太阳能会影响反射率、能量平衡、温度平衡，进而改善低空气流动； 减少地面建筑等反射回的能量，影响大气层的温度梯度，大气组成、云层、风等； 大型集热系统，以致改变

22、建筑风格，影响景观等。,2. 5海洋能的环境问题,海洋能属间接的太阳能,波浪能,由风能衍生而来，其能量和动力值得考虑，但尚未找到经济有效的利用途径，其可利用的能量约2.71012W。 它不存在任何环境问题，对大气、土壤、水质均无影响；反而有利于港口区的保堤和安全抛锚。,潮汐能,由于地球月球太阳系的动能和位能衍生而来。 主要用途：发电，只有在局部海湾才有（我国钱塘江海湾）世界上共有十几处；能量约为61012W有1015可转为电能，总资源不太大 潮汐能发电的条件： 潮汐幅度至少要有几米； 海洋地形必须筑坝以蓄积大量潮水，关键要有狭窄的河口。 它没有污染问题。 世界上最早的是德国布姆潮汐发电站，建于

23、1912年。我国1958年，山东白沙口两台960KW的设备；浙江温岭江厦潮汐电站，机组容量3000KW，是世界第二大机组。 我国的总资源为2750亿度/年,海洋温差能,主要在赤道两旁回归线之间约2000km宽的海域。海面与海下（7501500m）的水温差1525。 可建温差发电站。 但由于海洋条件恶劣，尚未很好利用。,2. 6地热资源的环境问题,地热的来源与分类 地热能是天然热能，储量丰富。 它来自炽热的岩浆和熔融的岩石。 产生原理如下：岩浆侵入地下岩层热加热不透水晶型岩石传到上面的蓄水层热水蒸汽。估计在深度15km以内温升23/100m。,用地热蒸汽发电，早在1904年意大利（拉德勒罗）付与

24、实施，但推广应用至今还未落实。 据估计，地壳表面3km内的地热能为21020cal，接近全世界煤储量的热含量，按10转换为电能，相当于五十年内5800万KW发电机组的发电量。,地热能的分类,干蒸汽 t150 高温地热圈 可直接发电，储量少 湿蒸汽 t90150 中温地热圈 储量比干蒸汽多二十多倍，热泉、喷泉、 沸泉 使用前需脱水 热水 t90 低温地热圈 只能直接用于取暖、供热，温泉 地热资源虽丰富，但分布不均匀，不能说任何地方钻井就可取得经济效果。,地热能的利用,地热发电站 77年底，全世界的装机容量146万KW 美国 60万KW 意大利 42.1万KW 新西兰 20.2万KW 日 本 12万KW 80年底，达到380万KW。 全世界可用于地热发电资源，85年估计17000万KW，2000年，50000万KW,对环境的影响,地热利用率低，热污染高 冷却水用量大于普通电站，会造成更多的热污染； 占地，可能造成地下沉； 排出的废蒸汽和废水中可能含有H2S等有毒气体；地热蒸汽中各种气 体的浓度范围（mg/kg）： N2 CO2 H2S CH4 NH4 H2 024 166047500 261500 1