能源与可持续发展第7讲-2013-02-06

能源与可持续发展重庆大学动力工程学院2013年2月1三、

污染物减排技术一、清洁能源二、节能技术第7讲清洁能源与节能减排技术2一、清洁能源水能核能风能太阳能地热能海洋能等等生物质能3一、清洁能源4利用水的重力势能冲动水轮机发电拦河筑坝，利用水的重力势能发电我国可供开发利用的水能源为3.78亿千瓦，目前仅开发利用了11%。水能5

目前在建大型水电站（金沙江）：白鹤滩、溪洛渡、向家坝水电站等。葛洲坝二滩三峡

水能以三峡工程为例：三峡工程总装机容量2250万千瓦，年发电量超过1000亿度。若采用相同容量的火力发电站，年耗煤5170万吨，排放二氧化碳1.46亿吨，二氧化硫3.82万吨，氮氧化物9000吨，另外还会大量的粉尘，重金属。水电与火电的比较水能水电被视一种可再生、零污染，产能高、储量丰富的清洁能源，在节能减排上能够有效降低排放，但是水电站也有一定的不足之处：①上升的水位可能引起滑坡，塌方，甚至引发地震。②大坝拦河，可能阻断鱼类洄游产卵，水流特性改变，影响鱼类生存环境。③巨大的湖面可能对气候有一定的影响。水能核能9一座百万千瓦级的燃煤电厂，每年耗煤230万吨（按7200小时计），产生二氧化碳650万吨、二氧化硫1700吨、氮氧化物400吨，还有大量的灰尘、固体颗粒等。每公斤U-235裂变放出的能量相当于2880吨标准煤燃烧的能量，一座百万千瓦级的核能发电厂，每年产生数百吨中放射性废物和20-30吨乏燃料。核能核电与火电的比较10数据来源：BPStatisticalReviewofWorldEnergy.June2012./statisticalreview美国、法国核能消耗量位于前两位2011年世界各国核能消费量日本福岛核电事件2011年3月11日，日本宫城县东方外海发生里氏9.0级地震，并引发海啸，海啸在福岛第一核电站内引发一系列设备损毁、堆芯熔毁、辐射释放等灾害事件。辐射性物质进入风中，通过风传播到中国大陆，台湾和俄罗斯等一些地区。核能重大核电事故1986年4月26日当地时间1点24分，苏联的乌克兰共和国切尔诺贝利核能发电厂发生严重泄漏及爆炸事故。事故导致31人当场死亡，上万人由于放射性物质远期影响而致命或重病，至今仍有被放射线影响而导致畸形胎儿的出生。这是有史以来最严重的核事故。切尔诺贝利事故核能重大核电事故三里岛事故

1979年3月28日凌晨4时，美国宾夕法尼亚州的三里岛核电站第2组反应堆陷于瘫痪。事故发生后，全美震惊，核电站附近的居民惊恐不安，约20万人撤出这一地区。美国各大城市的群众和正在修建核电站的地区的居民纷纷举行集会示威，要求停建或关闭核电站。美国和西欧一些国家政府不得不重新检查发展核动力计划。核能重大核电事故缺少安全文化反应堆设计存在缺陷操纵员不可原谅的错误核能事故总结现代核电厂的多道屏障第一道：燃料包壳；第二道：一回路压力边界；第三道：压力容器；第四道：安全壳。因此，新一代的核电厂正常运行的安全是可以保证的。中国确定了“积极推进核电建设”的方针，表明发展以核电为主的清洁能源，已经成为中国重要的能源政策。核电在争议中复兴要充分认识核安全的重要性和紧迫性，核电发展要把安全放在第一位。在中央关于制定“十二五”规划的建议中，把我国核电发展的方针明确为：“要在确保安全的基础上高效发展核电”。核能中国的核电发展策略18我国可供开发利用的风能资源总量为2.54亿千瓦。风能

以目前主流风力发电机为例：一台5MW的风力发电机，年运行小时数为2500小时，年发电量达到1250万度。

与同等容量燃煤火力发电相比，减少年耗煤1.15万吨，减排二氧化碳排放3.25万吨，二氧化硫8.5吨，氮氧化物2吨，另外减少还会大量的粉尘，重金属。风能风电与火电的比较风电是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程，风电成本将逐渐降低。风力发电不消耗资源、蕴藏量丰富，具有广阔的发展前景建设周期一般很短

一台风机的运输安装时间不超过三个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台；④装机规模灵活

可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；风能风电的特点与优势运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1％的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对地形要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。风能风电的特点与优势风电是一种清洁的能源，对环境友好的能源，对节能减排有重要意义，具有广阔的发展前景。但是风电也有其不足之处：风能密度小，风电设备投资大，且风能分布不均匀，且具有随机性，仅在风能达到一定密度和小时数的地方才能够利用风能。风电具有不连续性，因此会对电网造成一定的冲击。另外，风电场运行过程中可能会产生噪声和视觉污染。风能风电的不足之处太阳能电池阵列太阳能热电站太阳能槽式发电站每年我国陆地接收的太阳辐射总量相当于24000亿吨标煤。太阳能太阳能电站运行中不产生排放污染物，仅在生产太阳能电站设备过程中，需要消耗较多的能源。蕴藏量巨大。在无耕作价值沙漠地区，有广阔的土地适宜于建设太阳能电站。

太阳能太阳能电站与火电站的比较太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能也有两个主要缺点：能流密度低强度受昼夜和天气的影响不能维持常量太阳能太阳能的优缺点我国仅农村秸秆的年产量就超过5亿吨标煤。生物质能生物质能生物质发电与燃煤发电的比较生物质发热值比煤低，一般1.4吨~2吨生物质相当于一吨标准煤。生物质燃烧过程产生CO2，但其CO2来自生物质生长过程中光合作用吸收的CO2，相当于生物质利用过程并未额外增加大气中的CO2。生物质含硫量低，燃烧生物质可以降低向大气中SO2的排放，减少酸雨危害。生物质含灰量小，固体废弃物的处理量比燃煤小。生物质发电与燃煤发电的比较生物质能生物质能的优点含硫量低，同时不排放CO2，是燃煤的最佳替代燃料；将有机物转化成燃料可减少环境公害(例如，垃圾燃料)；与其他非传统性能源相比较，技术上的难题较少。生物质能的缺点植物仅能将极少量的太阳能转化成有机物；单位土地面的有机物能量偏低；缺乏适合栽种植物的土地；有机物的水分偏多(50%～95%)；生物质收集难度较大。生物质能生物质能的优缺点羊八井地热电站我国已探明的地热储量相当于4626亿吨标煤，现已开发利用的仅为10万分之一。地热能利用地热能来进行发电其好处很多：

①建造电站的投资少，通常低于水电站；②发电成本比火电、核电及水电都低；③发电设备的利用时间较长；④地热能清洁，不会污染环境；⑤发电用过的蒸汽和热水，还可以再加以用，如取暖、洗浴、医疗、化工生产等。

缺点：地热受地热资源影响大。地热能地热能的优缺点潮汐电站波浪能电站可开发的潮汐能也在2000万千瓦以上。潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、温差能、盐差能等海洋能潮流能电站海洋能优点①蕴藏量巨大，其储量是目前全世界能耗的几百倍甚至上千倍。②无污染物排放，是一种清洁能源。缺点①海洋能分布不均，能量密度低②能量多变、不稳定。

③利用困难，设备造价高。

海洋能海洋能的优缺点清洁能源种类多且蕴藏量巨大，为何只有水能和核能大规模应用了。太阳能、地热能、生物质能和海洋能都是对环境友好，排放少的巨大的能源，为何其应用规模小？思考与讨论：我国目前仍然以化石燃料为主要能量来源。二、节能技术2011年中国能源消耗构成2011年中国能源消耗总量为34.8亿吨标煤以煤炭为主；核能、太阳能、风能等新能源较少。减少用能？采用新技术节能减排？我们所用的能量，大部分来源于化石燃料的燃烧，对我们的环境造成了巨大的影响。38二、节能技术工业节能建筑节能生活节能交通节能工业节能分为单体设备节能和系统节能两种方式。单体节能：通过对设备进行改进，提高能量利用过程中的四个环节（转换、传输、使用和回收）的效率，从而达到节能目的。如：采用高效燃烧技术、强化传热技术、提高能量使用率和余热回收。在冶金、化工、水泥、玻璃、造纸、纺织等行业节能效果显著。工业节能单体节能高炉出口煤气，在280℃以上，常规方式通过喷水降温，使煤气降低到45℃左右，余热浪费。若采用余热利用技术，将高温煤气引入到余热锅炉中，产生低压蒸汽，蒸汽可用于发电，余热得到有效回收。高炉出口煤气有一定的压力（压力能），通过余压利用系统，让高炉煤气余压发电。回收放散煤气，作为燃料加热高炉燃烧用的空气。举例：高炉节能工业节能系统节能系统节能，需要做到过程与系统匹配，并且使流程中各个环节协调优化。

以钢铁行业为例：上一道工序的产品是下一工序的原料，连铸的钢坯，在高温下即进入轧制，上下工序之间相互配合协调，能够有效促进节能。各个环节优化：如低温轧钢，可以减少加热炉的热量消耗，但是低温轧制过程会增加轧钢机电耗，因此要对各个环节优化，才能达到节能效果。工业节能系统节能建筑节能围护结构节能电器节能利用保温砖，改善墙体的保温效果。利用双层玻璃保温。利用热泵技术供暖，使用节能灯具。普通粘土砖空心保温砖建筑节能节能建材双层玻璃窗，不仅能够保温隔热，还能够有效隔音。建筑节能节能建材采用低能耗的电器如：采用热泵供暖，空气能热水器，比直接采用电暖器供暖和电热水器节能。采用智能压力电饭锅，比普通电饭锅节能。使用LED节能灯。

建筑节能节能电器在有条件的地方，还应充分利用太阳能采光、供暖、供冷、发电等。节能示范建筑建筑节能生活方式的节能①尽量购买使用与房间或人数相匹配的电器，避免“大马拉小车”的情况。②电器常维护：如空调使用一段时间后，滤网容易被灰尘堵塞，导致室内机出风受阻，既增大风机能耗，也降低空调的制热制冷效果，常清洗滤网能够降低空调能耗。③良好的节能习惯：节约用水；随手关灯；关闭电器电源珍惜纸张；节约粮食；垃圾分类生活节能生活方式的节能交通节能主要包含两个方面：交通工具节能出行方式节能交通节能面对节能与环保的双层压力，近些年，国内外的汽车主要研究方向锁定于替代燃料汽车（醇类、天然气、氢气）和电动汽车两个方向。交通节能交通工具节能天然气汽车

（CNG）交通节能交通工具节能氢能汽车氢气作为汽车燃料的特点：氢气是一种无污染的清洁二次能源，燃用过程无CO2，无粉尘等污染物，仅产生水。氢气在燃烧时比汽油的发热量高。传统的电解方法生产氢气价格昂贵，且耗费其他资源，无法推广，氢气通过常规燃料重整（CH4+2H2O=CO2+3H2）大规模生产，能够降低污染。另外氢气还可以采用清洁能源生产：如利用太阳能、核能等进行生产。交通节能交通工具节能交通节能交通工具节能电动汽车驱动的汽车的电能来源于车载可充电蓄电池。目前困难在于电力储存技术。蓄电池容量有限，难于保证车辆的长时间续航。目前，应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于能量低，充电速度慢，寿命短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料电池等。随着电池技术的发展，必将为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。交通节能交通工具节能电动汽车电动汽车本身不排放污染物，电动汽车能量利用效率高，按照所耗电量换算为发电厂的排放，其排放量也比燃油汽车小。将燃油汽车的分散排放转化为发电厂集中排放，发电厂的远离市区，集中排放的污染物也更容易治理。若采用太阳能或核能为充电汽车充电，其污染物排放将进一步降低。交通节能交通工具节能电动汽车短距离出行提倡步行或自行车提倡以公共交通为主提倡小排量节能汽车或电动汽车交通节能出行方式节能56三、减排技术脱硫技术脱硝技术除尘技术CO2捕集与封存技术对于能源利用过程中的减排技术，主要包括三个方面的减排技术：脱硫、脱硝粉尘防治二氧化碳捕集与封存三、污染物减排技术在化石燃料中，硫以单质硫、无机硫和有机硫的形式存在。煤中硫以元素硫（S）、硫铁矿（FeS2）和有机化合物（硫醇、硫醚、噻吩、硫醌等）存在。石油中绝大部分硫以有机硫形式存在。燃烧中主要有以下三个反应：

S+O2=SO24FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2CxHySz+nO2=zSO2+xCO2+yH2O脱硫技术我国的主要产煤中硫含量通常>1%，燃烧1吨煤，将产生16公斤以上的SO2

，若不对烟气进行脱硫处理，将对大气造成了严重的污染，八九十年代的大面积酸雨就与我国大量燃煤有关。脱硫技术燃烧前脱硫

石油中所含的有机硫，通常在炼制过程中进行加氢脱除。

RSH+H2=RH+H2SRSR’+2H2=RH+R’H+H2S产生的H2S，通过蒸馏得到去除。

脱硫技术燃烧前脱硫煤也可以在燃烧前进行脱硫，煤炭中的硫铁矿，其密度比煤和煤矸石大，通过将煤磨粉后，通过水或者重介质进行分选。能去除煤中部分硫（约50%左右）能够降低烟气中硫含量。对于单质硫和有机硫则难于脱除，在燃烧过程中，也会产生大量的SO2。因此还需要对烟气进行脱硫。脱硫技术燃烧前脱硫常用烟气脱硫方法：（1）湿法烟气脱硫（2）半干法脱硫（3）干法烟气脱硫脱硫技术烟气脱硫技术烟气与碱性脱硫剂接触，发生脱硫反应。优点：该方式脱硫速率快，脱硫效率高。缺点：是产生废水废渣。脱硫技术（1）湿法烟气脱硫技术目前应用最为广泛的：石灰石-石膏湿法脱硫石膏经过处理，可以作为建筑材料或铺路。脱硫技术（1）湿法烟气脱硫技术

干法脱硫是在干燥状态下进行的，因此不存在废液处理以及设备腐蚀等问题。目前比较受关注的干法脱硫为活性吸附剂脱硫，常用的吸附剂为活性炭、分子筛等。活性炭吸附SO2，同时还能吸附烟气中的O2和水蒸气，SO2在活性炭表面发生催化反应，生成SO3和H2SO4。通过对活性炭进行加热再生，SO2从活性炭表面脱附出来。脱硫技术（2）干法烟气脱硫技术干法脱硫虽然无废液废渣，但是由于活性炭需要经过吸附和脱附两个过程，因此需要并联使用多台吸附器，才能使脱硫过程连续进行。这造成了干法脱硫操作过程复杂，且设备庞大。脱硫技术（2）干法烟气脱硫技术喷雾干燥法：将Ca(OH)2

浆液雾化喷入烟气中，在烟气中吸收SO2后生产CaSO3·1/2H2O，由于有氧气存在，部份CaSO3·1/2H2O被氧化成CaSO4·H2O。在吸收SO2的同时，浆液中的水分逐渐蒸发，最后产生干粉物料，进入除尘器和飞灰一起脱除。半干法脱硫效率可达85%以上，同时设备也较为简单，但是废弃物利用目前还不成熟。脱硫技术（3）半干法烟气脱硫技术氮氧化物是形成酸雨的气体，大气中的氮氧化物是光化学烟雾的引发剂之一。。氮氧化物的产生，一部分来自于自然界的雷电、火山和细菌分解，另一部分则来自于人类燃用煤和石油。

NOx来源：助燃空气中的氮气在高温下被氧化。燃料中的氮氧化物在燃烧过程中部分氧化产生。烟气脱硝技术脱除烟气中的NOx，有还原法、吸附法、湿式吸收法和电子束照射法。催化剂反应温度还原剂优缺点选择性非催化还原法950~1100℃NH3或尿素效率40~60%该反应对温度控制要求高，高于1100时，NH3会被氧化生成NOx，低于700℃，反应率降低。无催化剂，系统简单。选择性催化还原法TiO2为载体负载V2O5/WO3或MoO3等金属氧化物300~340℃NH3脱硝效率90%以上无烟温降低，还原剂不与氧气反应。脱硝效率高，无副产物，反应装置运行成本高，系统复杂。非选择性催化还原550~800℃CH4、CO、H2还原剂与NOx反应，同时也与氧气反应，还原剂耗量大，烟温上升。烟气脱硝技术还原法湿式吸收法：与湿法脱硫类似，NOx为酸性气体，可以采用碱液来进行吸收吸附法：采用活性炭、分子筛、硅胶等吸附剂，从烟气中吸附NOx电子束照射法：采用电子束照射烟气，产生富有ＯＨ和Ｏ原子游离基，这些游离基将，在有ＮＨ３存在的条件下，产生硫酸铵和硝酸铵，达到氮硫同时除去的目的。烟气脱硝技术湿式吸收法吸附法电子束照射法

在燃煤电站烟气和汽车尾气中，含有大量的粉尘。粒径较大的会逐渐降落至地面形成降尘，而粒径小的粉尘则在大气中漂浮时间长，形成飘尘。

粉尘防治飘尘

飘尘表面会吸附各种有害气体和微生物，2μｍ以下的飘尘会沉积于支气管，小于0.1μｍ的微粒会有50%以上沉积于肺部深处并停留数年之久，长期吸入这种粉尘，会造成矽肺等职业病。降尘降尘容易降落，对人体肺部危害不大，但是降尘中若含有镉、铅、汞等重金属元素时，降落至农作物或进入水体，会污染农作物和水体，对人造成间接危害。粉尘防治改善燃烧，控制烟尘通过改善燃烧，选择合适的燃料和燃烧器或在气缸内加强气体扰动与混合，使得碳能够完全燃烧，减少烟尘的产生。对烟气进行除尘处理。通过对烟气进行除尘处理，使得排烟中粉尘量很小。常见的烟气除尘有：

旋风分离器、袋式除尘器、电除尘器等。粉尘防治粉尘治理方法粉尘防治旋风除尘器袋式除尘器粉尘防治电除尘器粉尘防治燃烧后捕集化石燃料与空气燃烧，产生的烟气中主要是CO2和N2气体，需要将CO2从烟气中分离出来。燃烧前捕集将化石燃料通过重整反应产生H