环境工程概论能源与环境

1、1.5 能源与环境能源与环境1.5.1 能源能源 能源是人类赖以生存和发展的基础。人类活动的各个方能源是人类赖以生存和发展的基础。人类活动的各个方面，工农业生产、交通运输、科技文化，无一需要消耗能源面，工农业生产、交通运输、科技文化，无一需要消耗能源来推动正常运转。但是在能源的开发和利用中，对环境造成来推动正常运转。但是在能源的开发和利用中，对环境造成了极大的危害。了极大的危害。能源的类型能源的类型能源的来源称为能源，是能够为人类提能源的来源称为能源，是能够为人类提供某种形式能量的物质（自然资源及其供某种形式能量的物质（自然资源及其转化物）或物质的运动。转化物）或物质的运动。（一）、按其形式和

2、来源分：（一）、按其形式和来源分： 1、太阳能及其转化物。除太阳的辐射能之外，煤炭、石油、天然气（光合作用植物使生长）、风能等都间接来自太阳能。 2、地球本身储存的能量。地热能，水势能（由地球引力产生）原子核能（核燃料存在于地球自然界）3、月亮、太阳等天体对地球的引力产生的能量，如潮汐能。（二）、按其利用的方式不同：（二）、按其利用的方式不同：1、一次能源： 石油、煤、天然气、地热、潮汐、太阳能等。指在自然界现成存在的，可以直接取得且不必改变其基本形态的能源。 2、二次能源：油、柴油、煤气、焦炭、电力、等。由一次能源经过加工或转换得到的另一种形态的能源。 另外，一次能源还可分为： 1、可再生能

3、源：沼气、乙醇、氢气、柴草。水能也属于再生能源（如葛洲坝水电站和三峡水电站，只要长江水不干涸，发电也就不会停止）。 2、不可再生能源：化石能源石油、煤、天然气。（三）、按对环境的污染程度分：（三）、按对环境的污染程度分： 1、清洁能源：如 太阳能、风能、地热能等。 对清洁能源的含义包括两方面的内容：一是可再生能源，并且不产生或很少产生污染物；二是不可再生能源在生产产品及其消费过程中应尽可能减少对生态环境的污染。2、不清洁能源：如煤、石油、核裂变燃料等。 1.5.2 能源应用与环境污染能源应用与环境污染1.1.人类利用能源的发展过程人类利用能源的发展过程第一阶段：草木时期能量的消耗较少，总体上不

4、构成威胁。第二阶段：18世纪工业革命之后对廉价能源毫不节制的消耗阶段，掠夺性的开发利用给生态环境造成了无可挽回的影响。第三阶段：珍惜使用即将枯竭的能源资源阶段西方工业化国家开始节省能源，提高能效，寻求替代能源。第四阶段：即使能源资源不会枯竭，环境容量也要求人类对自己能源消费加以限制西方工业化国家开始节省能源，提高能效，寻求替代能源。2.2.能源开发的环境问题能源开发的环境问题能源的开发利用过程可分为三个阶段：开采开发、能源转换、消费应用。开采开发过程均会对环境造成不同程度的伤害。1)1)采煤的环境问题采煤的环境问题煤的露天开采造成地表破坏、岩石裸露，引起水土流失、河流淤塞，大多数露天煤成为不毛

5、之地；煤的地下开采引起塌陷，破坏地下水系，若用碎石、砂等回填，代价十分昂贵；采煤是一种危险而有损健康的职业;矿区排水呈酸性，洗煤厂也排出含硫、酚等有害污染物的黑水，大量的废水排入河流，致使河流污染；在开采和选煤过程中，排除大量煤矸石和废石，不仅占地，而且不断自然，排放气体和灰尘，污染环境；a.在煤的开采、装卸、运输过程中散发的大量煤尘，会严重危害人体健康及矿区生态环境。2 2）石油开采的环境污染）石油开采的环境污染石油的污染主要是对海洋生态环境的破坏。近海石油污染的又一主要来源是河流带来的废油，其中份额最大的是润滑油，来自陆地田油、机动车辆、船只、机器。对沿海和河口地区脆弱的生态系统造成严重的

6、威胁，使渔业减产，旅游业遭到破坏；应对措施：海上石油泄漏：重在防止事故发生。泄油：可用一种可垂直漂浮水上的塑料围墙，将油膜封闭围拢，收集或烧掉；还可用毯式皮带传送吸油的驳船；细菌，能迅速把碳水化合物分解为无毒物质。a.近海石油污染：将其收集起来再加以炼制，不仅利于环境，也利于节油。3）铀生产的环境污染铀生产的环境污染两个阶段：核燃料成产和辐射后燃料的处理。（第6章详细介绍）4 4）建造水电站对环境的影响）建造水电站对环境的影响在水能开发初始阶段，不可避免地对环境造成破坏。大片河谷流域成为水库，森林、土地、村庄被淹没，自然风景被破坏，流域生态系统受影响。河水夹带泥沙，流入水库静水区，由于流速小，

7、泥沙逐渐沉积下来。泥沙沉积影响水库功能，使发电站发电量减小，并影响下游的生态平衡。a.水库的建造，使河岸强度降低，易导致滑坡或崩岩，并诱发地震。3.3.能量的转化应用工程中对环境的影响能量的转化应用工程中对环境的影响化石燃料的燃烧造成区域性和全球性的危害，如酸雨、光化学烟雾、大气温室效应等，及热污染。放射性污染主要来自核电站。一旦发生事故，就可能造成灾难性的破坏。同时核电站排放废热更为严重，它将全部热能的三分之二排给环境。汽车尾气和石油化工企业的排气在阳光照射下，生成光化学烟雾的污染。能源动力工业还产生大量固体废料，但其中有一些是可以利用的，如煤矸石、煤炭渣等。措施措施提高能源的利用率通过提高

8、能源的利用率，可以节约大量的一次能源，提高能源系统的可持续性。实施能源多元化战略，大力开发利用可再生能源和替代能源我国的资源特点：多煤、缺油、少气可再生能源与可再生能源法例如，推进大型水电、风电基地建设；在西部电网未覆盖地区发展小水电和太阳能发电，在东部沿海地区和有居民的海岛大力开发风能，推进海洋可再生能源开发利用；在农村地区推广风能、太阳能利用，推广生物质能技术，大力推进能源林基地建设和开发利用。替代能源与中国替代能源研究报告1.发展替代能源要按照以新能源替代传统能源、以优势能源替代稀缺能源、以可再生能源替代化石能源的思路，逐步提高替代能源在能源结构中的比重。当前，要重点发展车用燃料和替代石

9、油产品，搞好煤炭1.5.3 建立可持续能源系统建立可持续能源系统液化，煤质甲醇、二甲醚、烯烃和煤基多联产技术的试验示范和开发应用；积极发展燃料乙醇和生物柴油；大力发展沼气、太阳能、风能、水电、地热等可再生能源，尽可能降低对化石燃料的以来，减少污染物的排放。以科学态度采用先进的能源技术和节能环保技术积极研发和采用先进的新型能源技术和节能环保技术，实现化石燃料的利用接近零污染和零温室气体排放，提高能源的利用率和环境友好性，并着力保持能源的多样性，也是提高能源可持续性的重要措施。平板型集热器平板型集热器抛物面型反射聚光器抛物面型反射聚光器1.5.4 清洁能源清洁能源太阳是一团巨大的热炽气体火球，太阳

10、表面的温度高太阳是一团巨大的热炽气体火球，太阳表面的温度高达达60006000，内部温度高达，内部温度高达20002000万万。太阳内部具有强大的。太阳内部具有强大的压力，相当于地球上大气压力的压力，相当于地球上大气压力的20002000亿倍。亿倍。在太阳的内部，由于高温和高压，使原子进行着激在太阳的内部，由于高温和高压，使原子进行着激烈的运动和变化，热核聚变反应不断进行，同时释放出巨烈的运动和变化，热核聚变反应不断进行，同时释放出巨大的能量。太阳的光和热，要穿过大的能量。太阳的光和热，要穿过1515亿千米的太空，才能亿千米的太空，才能到达地球的大气层。地球上很多种形式的能源，如煤、石到达地球

11、的大气层。地球上很多种形式的能源，如煤、石油、天然气、木柴等，都是由太阳能转换而来的。油、天然气、木柴等，都是由太阳能转换而来的。1.太阳能太阳能太阳能的利用太阳能的利用直接转换成热能，光直接转换成热能，光- -热转换。热转换。例如，太阳能空调制冷、太阳能热水器、太阳灶、太阳能冷热管、光热发电机组等。直接转换成电能，光直接转换成电能，光- -电转换。电转换。即太阳能伏发电直接转换成化学能，光直接转换成化学能，光- -化学转换。化学转换。最主要的有太阳能制氢技术、燃料电池等。光伏电池光伏电池太阳能发电太阳能发电: : 凹面镜集聚凹面镜集聚太阳光，将太阳光，将光能转化为光能转化为热能，用于热能，用

12、于发电发电发电站位于德国莱比锡以南发电站位于德国莱比锡以南3030公里的埃斯彭海因镇，整套发公里的埃斯彭海因镇，整套发电装置由电装置由3350033500块光电池板组成，占地面积块光电池板组成，占地面积21.621.6公顷。发电公顷。发电站功率为站功率为5 5兆瓦，可为兆瓦，可为18001800户住家提供生活用电。这一耗资户住家提供生活用电。这一耗资22002200万欧元的发电站是由德国太阳能协会、西部基金以及壳万欧元的发电站是由德国太阳能协会、西部基金以及壳牌太阳能公司联合兴建。德国是非常重视可再生能源开发的牌太阳能公司联合兴建。德国是非常重视可再生能源开发的国家。目前水电、风能、太阳能等可

13、再生能源已经为德国提国家。目前水电、风能、太阳能等可再生能源已经为德国提供了供了1010的电力。德国政府计划到的电力。德国政府计划到20202020年全国年全国2020的电力将的电力将来自可再生能源。目前，德国太阳能发电设施的总功率为来自可再生能源。目前，德国太阳能发电设施的总功率为500500兆瓦兆瓦 。该电站装机容量130千瓦 ，为当地514户、近4000名牧民解决了用电难问题 2.2.风能风能风能风能 风能是大量空气在地球表现运动时产生的动能，是太阳能的一种转换形式。 优点：可再生、不要运输、不要开采、洁净无污染等。 缺点：开发难度大。 风能开发利用的主要方式是风力发电,通过在风电场中布

14、置风电机组将风的动能转换成电能并输入电网,以供用户使用。这是目前可再生新能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化前景的发电方式之一。单机容量是风电机组技术水平的标志,2006年安装的机组平均单机容量约1500千瓦,而10年前只有500千瓦。 风机“下海”是当前的一个动向。海上风能资源比陆上大,不但风速高,而且很少有静风期,能更有效地利用风电机组的发电容量。据统计,风电一直是世界上增长最快的能源,装机容量每年增长超过30%,到2006年底,世界风电装机容量超过了7500万千瓦,已成为继火电、水电和核电之后的第四大主要发电电源。3.3.生物质能生物质能碳循环碳循环木材木材垃圾垃圾作物作物沼气

15、沼气燃料乙醇燃料乙醇巴西的生物乙醇引起的问题？巴西的生物乙醇引起的问题？生物质能的概念生物质能的概念生物质是指光合作用而产生的各种有机体，包括动植物和微生物。 生物质能是太阳以化学能形式储存在生物中的一种能量形式，是以生物质为载体的能量，它直接或间接地源与植物的光合作用。生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质能转变而来的。 生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面：一是木材及森林工业废弃物；二是农业废弃物；三是水生植物；四是油料植物；五是城市和工业有机废弃物；六是动物粪便。 在世界能耗中，生物质

16、能约占14，在不发达地区占60以上。全世界约25亿人的生活能源的90以上是生物质能。 生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点是热值及热效率低，体积大而不易运输。直接燃烧生物质的热效率仅为10一30。生物质能的利用生物质能的利用 1热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气体等品位高的能源产品，该方法又按其热加工的方法不同，分为高温干馏、热解、生物质液化等方法； 2生物化学转换法，主要指生物质在微生物的发酵作用下，生成沼气、酒精等能源产品； 3利用油料植物所产生的生物油； 4把生物质压制成成型状燃料(如块型、棒型燃料)，以便集中利用和提高热效率。生物质能源的优势生物质能源的优势可再生能源可生

17、产出多种化工产品，替代石油化工产品(如塑料等)，环境友好将废弃物和污染物无害化、资源化增加土壤和水面对太阳辐射能量的吸存，循环利用是农业生产的一部分，对发展农村经济、增加农民收入、缩小城乡差别有利4.4.海洋能海洋能地球上某些地方海洋的潮起潮落拥有巨大的能量,利用潮汐的落差可为水利系统提供充足的能源。世界第一座潮汐能电站建于1968年的法国,1984年在加拿大建造了20兆瓦能力的潮汐电站。波浪的利用有各种不同的技术,最常用的技术是类似涡轮的淹没系统,当波浪流经它的时候产生电力;有的利用锥形通道系统,把波浪放大后驱动涡轮;有的利用漂浮系统,在水的表面随波浪起伏,驱动活塞压缩空气,压力增强的空气驱

18、动涡轮发电。 两大类型：一类是在阳光照射后产生的热能，另一类是由潮汐和海浪的运动所产生的机械能，如波浪能、潮汐能、温差能（海洋热能）、浓度差能（渗透压能）、海流能（潮流能）等，以及海洋上空的风能、海洋表面的太阳能、海洋生物质能等。5.5.地热能地热能地热能来自地球深处的热能，它源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地热能不是一种可再生的能源。 地热通常是热水或水蒸气。 地热能也是一种绿色能源,上世纪70年代开始,发达国家已经将地热能作为重要的资源开发利用,并取得了极大的经济效益。目前,全球已经建造了250多个地热能电厂。在美国,地热能给旧金山市供能,在巴西,萨尔瓦多市40%的电力来自于地热能,

19、冰岛只用地热能来发电。在全世界,地热能产生8000MW的电能,而且有相当于10 000MW地热能的热量被直接使用。6.6.核能核能 核能是原子核结构发生变化（如放射性衰变、裂变或聚变过程）时所释放出来的能量。 核能是一种可持续的新能源。核聚变：将两个或两个以上的原子核聚在一起，这个过程会释放大量的能量。 核聚变发电优点：原料是无穷不尽的海水，成本低廉。不会发生反应堆失控。1.几乎不存在像放射性废弃物引起的环境污染问题。 核裂变核裂变(nuclear fission)链式反应链式反应(Nuclear Chain Reaction)核聚变核聚变 (Nuclear fusion)2H3H原子弹原子弹

20、“小男孩小男孩”7.7.氢能氢能作为能源的优点：1.环境友好型 2.可作为能源的载体 3.可实现能源的可持续发展缺点：成本高，易爆，易燃主要使用方式：直接燃烧和电化学转换应用：1.氢能在发动机、内燃机（氢内燃机）内进行燃烧转换成动力。 2.燃料电池，将氢的化学能量通过化学反应转换成电能。制氢方法：以水为原料，利用太阳能制氢主要技术：1.太阳能热化学分解水制氢 2.太阳能电解水制氢 3.太阳能光化学分解水制氢 4.太阳能光电化学电池分解水制氢 5.光合微生物制氢氢能优点：清洁、无污染、高效率、储存及输送性能好等。8.8.天然气水合物天然气水合物可燃冰可燃冰天然气水合物是天然气与水在中高压和低温条

21、件下形成的一种类冰的笼形结晶化合物，点火及可燃烧，所以又称可燃冰。21世纪的新能源，分布在海洋大陆架外的陆坡、深海和深湖以及永久冻土带，储量巨大。1 m3 = 164 m3 天然气，能量巨大.9.9.洁净煤与煤基替代能源洁净煤与煤基替代能源洁净煤技术洁净煤技术是指从煤炭开发到利用的全过程中，旨在减少污染排放与提高利用效率的加工、燃烧、转化及污染控制等新技术的总称。三个阶段：前处理、煤利用过程中的污染物控制、尾气处理。前处理。由传统燃用原煤向燃用加工煤全面过度，包括煤炭燃烧前的洗选和加工转化技术。 如型煤、水煤浆等。清洁高效燃烧技术（洁净煤发电技术） 如循环硫化床燃烧、增压硫化床燃烧、整体煤气化

22、联合循环、超临界机组加脱硫脱硝装置等。1.尾气处理。烟气净化（脱硫脱硝除尘）和粉煤灰综合利用煤基替代能源煤基替代能源是以煤炭为原料，通过化学加工或化工转化得到的液态的、气态的、可作为替代燃料使用的产品。以煤为原料生产液体燃料大体上分为两类：以煤为原料生产燃料油，包括煤直接液化制油或间接液化制油煤制油；以煤为原料生产液体替代燃料，如甲醇、而甲醇等醇醚燃料。以煤为原料制甲醇，再由甲醇制低碳烯烃“煤制烯烃”。煤基替代能源的替代范围广泛、原料低廉、环保。1.5.5 节能与节约型社会节能与节约型社会 我国是一个人口众多、资源相对不足、生态先天脆弱的发展中国家。随着经济快速增长和人口不断增加，努力缓解资源

23、不足的矛盾，不断改善生态环境，实现可持续发展，已经成为十分紧迫的任务。 节约有狭义和广义之分。狭义的节约主要是减少消耗。广义的节约则包含了从减少消耗到有效利用资源，从有效利用到可持续发展，再到循环经济的演化。 我国建设节约型社会的方针：坚持节约与资源开发并重，把节约放在首位。要紧紧围绕实现经济增长方式的根本性转变，以提高资源利用率为核心，以节能、节水、节材、节地、资源综合利用和发展循环经济为重点，加快结构调整、推进技术进步，加强法制建设、完善政策措施、强化节约意识，尽快建立健全促进节约型社会建设的体制和机制，以资源的高效利用和循环利用促进经济社会的可持续发展。1.1.节能节能节能是指尽可能地减少能源消耗量，生产出与原来同样数量、同样质量的产品。节能途径结构节能 管理节能 技术节能节能技术提高能源技术与输出效率的节能技术。燃烧节能技术、传热节能技术、绝热节能技术等。提高终端利用效率的节能技术。余热节能技术、电力节能技术等。其他节能技