第十章 能源利用领域中的新进展.

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1 第十章 能源利用领域中的新进展

2 世界自然保护同盟主席 施里达斯拉尔夫 “我们面对着这样无可争辩的事实，即：为了保持地球适于人类居住的斗争正处于关键时刻。”

3 主要内容 ★ 可吸入颗粒物的排放与控制 ★ 痕量元素的迁徙变化行为 ★ 温室效应与零排放燃煤发电技术 ★ 环境友好的多联产资源化系统

4 可吸入颗粒物的排放与控制 TSP： 总悬浮颗粒物, 小于100µm PM10： 空气动力学直径小于10µm

5 颗粒物在人体的沉积图 细颗粒物中富集了重金属、酸性氧化物、有害有机物(如PAH’s、有机农药)、载带细菌、病毒，对人体健康影响最大。

6 燃煤飞灰（PM2.5）

7 柴油机排放的（PM10）

8 高温冶金炉的超细硅粉

9 大气中的可吸入颗粒物

10 我国的空气质量状况 ● 2000年，在监测的338个大中城市中，空气质量达到国家二级标准的城市仅占三分之一，可吸入颗粒物是影响城市空气质量的主要污染物。 ● 根据对我国大气PM2.5的初步调查，北京、广州、柳州、云岗等地的浓度都超过100 g/m3；对重庆、兰州、武汉和广州四个城市中PM-10和PM-2.5的测定表明，PM-2.5在PM-10中占52-75%。

11 我国城市空气质量抽样分析 2000年11月12日 春季 冬季 2000年5月12日－18日 83% SO2 优 5% 12% NO2 55%
可吸入颗粒物 55% 2% 31% 春季 冬季

12 与世界比较 不同国家超细颗粒物总量排放有着明显的差别：发达国家如美、加、日、西欧国家1990年的统计数分别为22、3、8.2、23.5Mt/年；中国1990年的总排量为46.4Mt/年；即使同为发展中国家的印度其总排量也只有12.5Mt/年。预计到2040年中国的超细颗粒物总量排放将达到 Mt/年，远远高于美、日以及印度的 、 和 Mt/年的总排量。

13 有害物的富集 超细颗粒物具有较大的比表面积，通常能富集各种重金属元素（如As、Se、Pb、Cr等）和PAHs（多环芳烃类）、PCDD/Fs（二恶英类）等有机物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。

14 颗粒物致癌典型之一 宣威肺癌病因学研究

15 背景 宣威 全国 男性 27.95/10万 6.82/10万 女性 24.49/10万 3.20/10万 女性肺癌死亡率居全国首位
75-78全国肿瘤调查表明，云南宣威农村肺癌死亡率很高。 宣威 全国 男性 /10万 /10万 女性 /10万 /10万 女性肺癌死亡率居全国首位

16 特点 1. 肺癌死亡率居当地各类肿瘤的首位，全国为第五位 2. 肺癌死亡率男性/女性性别比值低 全国：2.07
宣威：1.09；高发区：0.87 3. 肺癌死亡率在县内有明显地区差别 最高：174.21/10万 最低：1.12/10万

17 特点 4. 肺癌死亡率高于国内大、中城市 5. 肺癌死亡率保持相对稳定状态，与其他地区有上升趋势不同
6. 肺癌年龄死亡率高峰较全国提前10-15岁 提示 在宣威有某些与肺癌发病关系十分密切（尤其对妇女），作用较强的危险因素存在。

18 病因分析 1. 与工业污染无明显关系。农民肺癌死亡率是工矿、机关职工及家属的9.8倍 2. 吸烟不是宣威肺癌高发的主要危险因素
3. 与室内燃煤空气污染联系密切。使用火塘取暖作饭，常年在烟雾中生活。肺癌死亡率与所用燃料相关，以燃烟煤地区肺癌死亡率最高。BaP浓度均值可高达626微克/100米3，超标6000倍。 4. 毒理学研究表明，室内所采集的颗粒物具有强致突变性和致癌性，以细颗粒(<2μm)最强。

19 不同燃料室内空气中污染物浓度 BaP TSP 燃料 烟煤 7.219 343.37 木柴 2.607 58.96
mg/m3 μg/100m3 烟煤 木柴 无烟煤

20 宣威室内空气污染物比较

21 对健康的危害 重污染区成人发生呼吸系统症状和阻塞性肺部疾病的危险性分别是相对清洁区成人的1.7倍和1.5倍；
重污染区小学生发生呼吸系统症状和疾病的危险性分别是相对清洁区小学生的 2.33倍和2.62 – 5.68倍； 大气质量综合污染指数增加一个单位，小学生患哮喘的危险性增加3.98倍；lnPM10升高一个单位，小学生呼吸系统大气道通气功能（FVC）平均降低194ml，小气道通气功能(FEF50)平均降低172ml； 对小学生的免疫功能，特别是非特异性免疫功能和体液免疫已产生一定影响；对小学生心电图和外周血淋巴微核形成也产生影响。

22 香烟烟雾与人体健康 香烟烟雾属典型的PM2.5颗粒物。虽然对环境大气颗粒物的贡献可能不大，但由于我国吸烟人群众多，人们大部分时间又在在室内活动，对人的健康危害很大。 96年调查表明，15岁以上人群总吸烟率为37.6%。加上被动吸烟则为72%。

23 每支过滤嘴香烟烟雾的平均粒径及产生的颗粒物
主流烟雾(MS)——0.4μm 侧流烟雾(SS)——0.32μm 粒径范围——约0.1-1μm 主流烟雾（MS）为40mg 侧流烟雾(SS)为其 倍 非过滤嘴约为8倍

24 各品牌香烟产生的BaP量 牌号 BaP(ng/支) 555 805 万宝路 890 羊城 699 古瓷 898 彩蝶 623
万宝路 羊城 古瓷 彩蝶 每支烟产生数百ng BaP，侧流烟雾为主流烟雾 倍。文献表明，BaP最低致癌剂量为 ng。 表中为主流烟雾产生量

25 环境烟雾(ETS)实测结果 普通居室（不开窗） d< 1.1μm 吸烟前 0.035 mg/m3 吸一支烟 1.22mg/m3
普通会议室(不开窗)多人同时吸烟(20多人，2小时，70支)时， IP浓度可达6.45 mg/m3。 按每人30 m3/hr送新风换气也只能降到1.99 mg/m3。

26 超细颗粒物的主要生成源 化石能源、生物质和废弃物燃烧是造成我国大气环境中可吸入颗粒物含量增加的主要原因（特别是PM-2.5）。我国以煤为主要能源的国情，以及今后生活垃圾与生物质焚烧技术的逐渐展开，决定了在相当长的时期内，燃烧过程将会造成我国大气环境中可吸入颗粒物（尤其是PM-2.5）的大幅度增加。

27 我国与美国空气质量标准对比 中国标准µg/m3 美国标准µg/m3 PM10年日均值 100 50 PM2.5年日均值 没有 15
SO2年日均值 60 80 NO2年日均值 40 CO小时均值 10 O3小时均值 160 235 美国对直接影响健康的标准是更严格的，这也反映了价值观。

28 可吸入颗粒物控制技术的可能方向 燃烧烟气中可吸入颗粒物源的脱除技术： 大气中可吸入颗粒物的清除技术 室内可吸入颗粒物的清除技术
光、热、电、声、化学吸附、过滤等技术的改进与组合 大气中可吸入颗粒物的清除技术 室内可吸入颗粒物的清除技术 通过改进燃烧控制可吸入颗粒物源的形成

29 常规除尘技术的局限性 ■ 在目前常规的除尘方法中，采用惯性，旋风方法，对于细微粒子的脱除效率仅在20－40％
■ 对细微颗粒脱除比较有效的是电除尘、文丘里除尘器和袋式除尘器，对于全效率为97％的电除尘，0－5微米的粒径的分级效率仅为90％，对于文丘里除尘器和袋式除尘器则为94－95％，都低于全效率。 ■ 上述情况越来越严重，对于目前日趋恶化的大气环境污染，必须寻找细微飞灰的脱除新原理和新方法。

30 超细颗粒的脱除与抑制 l 自脱除效应 l 燃料特性和燃烧工况对超细颗粒形成的影响 l 协同作用与抑制机理
— —超细颗粒的结构演化；颗粒间的碰撞、团聚规律。 l 燃料特性和燃烧工况对超细颗粒形成的影响 —燃料特性、添加剂、燃烧方式、燃烧条件与超细颗粒排放的关系。 l 协同作用与抑制机理 — —有机与无机超细颗粒间的相互作用；痕量物质对有机污染物的催化作用；超细颗粒物对常规污染物排放的影响。

31 马克思 量子化学与 痕量元素的迁徙变化行为 运用数学的多少是一门科学成熟的程度的标志。
对痕量元素在燃烧过程中的动力学行为，无论是对其宏观特性的揭示，还是对其微观过程的描述都是十分困难的，在收集、采样、测定和分析各个方面，尤其是化学动力学参数和基元反应途径的给定，都存在着特别的困难。

32 化学的研究方法 二十世纪八十年代以来，先进的分析仪器的应用、量子化学计算方法的进展和计算机技术的飞速发展，对化学科学的发展产生了冲击性的影响。其研究内容、方法、乃至学科的结构和性质都在发生深刻的变化。 长期以来，化学一直被科学界公认为一门纯实验科学。其理由要追溯到人类认识自然的两种科学方法。 对痕量元素在燃烧过程中的动力学行为，无论是对其宏观特性的揭示，还是对其微观过程的描述都是十分困难的，在收集、采样、测定和分析各个方面，尤其是化学动力学参数和基元反应途径的给定，都存在着特别的困难。

33 20世纪理论物理的重大突破 ⑴ Einstein广义和狭义相对论（1905） ⑵ 量子力学的创建（1925~1926）
⑵ 量子力学的创建（1925~1926） 20世纪人类光彩夺目的科技成就大都与量子力学有关。量子理论不仅有力地促进了社会的物质文明改观，且改变了人类的思维方式。 对痕量元素在燃烧过程中的动力学行为，无论是对其宏观特性的揭示，还是对其微观过程的描述都是十分困难的，在收集、采样、测定和分析各个方面，尤其是化学动力学参数和基元反应途径的给定，都存在着特别的困难。 对人类科技和物质文明进步产生巨大影响。其中，量子力学的影响更为直接和广泛。

34 量子力学带来的变化 ★ 化学科学的体系和结构发生深刻变化 ★ 化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋于统一
对象： 宏观现象  微观本质 方法学： 描述、归纳  演绎、推理 理论层次： 定性  定量 ★ 化学与物理学的界限在模糊，在理论上趋于统一 ★ 化学各分支学科的交叉；与其他学科相互渗透 带动生物、材料科学进入分子水平 与化学相关的的新领域不断涌现 对痕量元素在燃烧过程中的动力学行为，无论是对其宏观特性的揭示，还是对其微观过程的描述都是十分困难的，在收集、采样、测定和分析各个方面，尤其是化学动力学参数和基元反应途径的给定，都存在着特别的困难。

35 计算机化学 一门新的交叉学科计算机化学已形成。它将帮助化学家在原子、分子水平上阐明化学问题的本质，在创造特殊性能的新材料、新物质方面发挥重大的作用。 对痕量元素在燃烧过程中的动力学行为，无论是对其宏观特性的揭示，还是对其微观过程的描述都是十分困难的，在收集、采样、测定和分析各个方面，尤其是化学动力学参数和基元反应途径的给定，都存在着特别的困难。

36 煤中组成分类 “元素周期表中几乎没有什么元素不存在于煤中” 。这充分地说明了煤炭组成的极端复杂性。根据其含量不同，通常可将煤的组成分为三类：
含量低于100ppm的，称之为痕量元素，多指重金属 在100~1000ppm之间的，称为次量元素，常指矿物质 > 1000ppm的，为主量元素，即指C、H、O、N、S 对主量组成及其污染物的研究较为成熟，而对非主量组成及非主要排放物的探索还不深入系统。对非主量组成开展工作是对学科的丰富和推进。

37 美国环境保护协会 “燃烧装置向大气排放的主要污染物有：有害的有机成分（如苯平芘）、硫化物、氮氧化物、未燃尽可燃物以及重金属，其中尤以亚微米量级颗粒形式存在的重金属排放物具有最大的威胁性。”而恰恰在利用各种燃料（包括化石燃料、生物质和废弃物等）所产生的众多污染物中，人们对亚微米量级超细颗粒物的形成机理，以及它们对各种有害物质的吸附和富集规律的探索和认识最为浅薄。

38 温室效应与 零排放燃煤发电技术

39 人类面临的最严重挑战 地球变暖是由于能源大量使用所释放的热量所造成的吗？人类一年使用的全部能源换算成石油是80亿吨左右，全部能源相当于81016大卡或331016kJ。但是如果用这些热量加热全部海洋，一年也只不过能使其提高610-5℃，一万年也上升不了1℃。使用能源一天所放出热量略小于0.11016kJ，而整个地球一天从太阳获得的热量就达15001016kJ。因此人类活动释放出的热能在其万分之一以下。

40 温室气体 在不到几百万年的时间里，人类活动要对大气中氧和氮的含量产生重大影响是难以置信的，这些气体已经存在数十亿年了，而且数量又是如此之大。但是，由于温室气体在地球大气中的比例特别小，因此它们是能够被改变的，在人类活动能力的范围内，这些微量的气体将发生飞快的惊人变化。

41 二氧化碳温室效应 对地球适于居住的环境产生最直接影响的莫过于大气中的二氧化碳含量。CO2太多地球就会象金星那样变成一个温室；CO2太少地球就会象土星一样寒冷。从大约万年前开始农业革命直到工业革命以前大气中的CO2含量极为稳定。在工业革命开始到1959年这段时间里，大气中的CO2浓度从估计的大约280ppm增加到316ppm，增加了13%。然后从1959年直到1993年，大气中的CO2含量从316ppm增加到357ppm，又增加了13%。仅在34年里，大气中的CO2浓度的上升幅度就与前两个世纪上升的幅度一样大。

42 与能源有关的CO2排放的变化

43 与能源有关的 CO2排放预测 OECD / IEA 2000

44 化石燃料的CO2排放

45 化石燃料的CO2排放份额 1973年排放总量为 15667Mt of CO2 2000年排放总量为 23444Mt of CO2

46 CO2排放的区域分布

47 我国的CO2排放量分布 Mt / 年 1996年

48 零排放燃煤发电技术 Los Alamos国家实验室(LANL)最先提出了一种零排放的煤制氢/发电技术(ZECA)，其技术路线如下：将高温蒸气和煤反应生成氢气和CO2，其中氢气即被用作高温固体-氧化剂燃料电池的燃料用于产生电力，CO2则和CaO反应生成CaCO3，然后CaCO3在高温下煅烧为高纯度的CO2，其CaO则被过程回收利用。释放出来的CO2则和MgSO4反应生成稳定的可储存的MgCO3矿物。目前，在该技术正在联合开发中，参加单位包括8个美国煤相关公司和LANL，还有加拿大的8个公司和机构。煤的热利用率可达70%，是目前的2倍。

49 碳 隔 离 所谓的碳隔离：是在二氧化碳产生之后对其进行处置，而不是一开始就设法减少二氧化碳的产生。近年来人们对隔离处理的兴趣与日俱增，美国能源部在2000年投入大约2900万美元对隔离技术进行研究，并要求2001年再把经费增加50％。部长理查森1999年夏天把碳隔离处理加入了他的气候变化策略中。理查森说：“从真正长远的眼光来看，未来的30、50或70年中，碳隔离处理可能成为用来减少温室气体聚积的最好办法之一，不仅在美国可以采用，在中国、印度及其他地方也可以采用。” 美国的态度

50 环境友好的 多联产资源化系统

51 总量 1090Mtec。原煤67.2%; 原油21.4%; 天然气3.4%; 水电8.0%
2000年中国能源产量 总量 1090Mtec。原煤67.2%; 原油21.4%; 天然气3.4%; 水电8.0%

52 2000年中国能源消费 总量 1280Mtec。 煤炭67.0%; 石油23.6%; 天然气2.5%; 水电6.9%

53 我国人均用能将不断提高 目前我国人均用能还处于相对低的水平，约 1000kgce/人年，比起美国的人均用能 11000kgce/人年，日本、德国、俄罗斯等国的 kgce/人年，尚有很大差距。随着社会 和技术的发展以及人们对生活水平不断提高的 企盼，人均用能肯定要不断增加。按不同机构 所作的预测，在 期间，我国人均用能 将为 kgce/人年，这是不以人的主观意 志和行政命令为转移的。

54 我国石油、天然气资源相对贫乏 　就总量而言，我国的石油与天然气资源不 可能大幅度地改变我国能源结构。正在计划中 的西气东输计划（管线达4200公里，投资1000 多亿）也只是输气120亿m3/年，占整个能源的 1.2%（目前天然气占一次能源的2%）。目前 我国对液体燃料的需求不断增加，2000年已进 口6800万吨，预计在2010年将达到1.6亿吨。一 方面要消耗大量的外汇（～200亿美元），使 国家经济受国际油价的影响和冲击，另一方面 从能源安全角度也是十分严重的。

55 再生能源 再生能源（主要是风能、太阳能、生物质能等）固然是清洁能源，应当在政策、机制和技术上加大力度，加速推广。但由于这类能源的能源密度小，单位功率价格高，随机性大，要在整个能源中占较大的份额是不太可能的，若有10%已是最乐观的预测了。

56 我国能源需求及结构变化(BAU) 1998年我国重点煤矿的平均全员效率只有美国的1.6%，吨煤劳动成本已超过美国
到本世纪中叶，我国一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。然而目前我国人均一次能源的消费量不到美国的1/18，仅为世界平均水平的1/3。

57 我国能源需求及结构变化(ED) 按生态驱动(ED)方案，到2050年：煤—27%；石油和天然气—31%；核电—12%；可再生能源—31%
人均石油储量不到世界平均水平的1/10，人均煤炭储量仅为世界平均值的1/2。预计到2010年，我国石油供需缺口1亿吨，天然气缺口400亿立方米。

58 以煤气化为核心的多联产系统 能源问题面临资源与环境的双重压力，全世界都在寻求解决问题的有效途径。但由于长期以来各工业部门所管辖领域之间的分隔，例如：发电、动力、石化和化工甚至于冶金，都在本行业内单独寻求最优解，实际上这些局部最优并不一定是整体最优。多联产系统正是从整体最优角度、跨越行业界限，所提出的一种高度灵活的资源-能源-环境一体化系统。

59 展望21世纪的能源系统 美国能源部(DOE)提出的Vision 21（展望21）能源系统，其基本思想是以煤气化为龙头，利用所得的合成气，一方面用以制氢供燃料电池汽车用，另一方面通过高温固体氧化物燃料电池和燃气轮机组成的联合循环转换成电能，能源利用效率可达50%-60%，排放少，经济性比现代煤粉炉高10%。

60 展望21世纪的能源系统

61 一体化系统 从近十多年IGCC及其它形式的洁净煤技术的发展来看，由于追求本身发电的高效率（如，粗煤气显热的充分利用），不得不加强“整体性”，使系统过于复杂，致使可用率降低，在经济上难于和常规电站竞争。 随着化学工业中“一步法”(once through)生产甲醇、二甲醚(DME)和F-T合成技术的进步，新型先进膜分离技术的工程化，以及大型煤气化装置的规模效应（5000t/d的气化炉比2000t/d天然气化炉的单位造价低30%，提出了以煤气化为核心的多联产方案。

62 生物质能源的清洁利用 生物质能是地球上最普遍的一种可再 生能源，数量巨大，就其能量当量而言， 是仅次于煤、石油、天然气而列第四位的 能源。在世界能源消耗中，生物质能占据 14%，发展中国家比例更高，然而其利用 效率则十分低下。生物质可以通过一系列 转换技术，生产出不同品种的能源，它可 望成为未来持续能源的一个重要部分。

63 从能源－资源－环境一体化出发，构建一个由可再生的生物质转化为清洁燃料的、环境友好的高效利用体系。
生物质的多联产系统 总体目标: 从能源－资源－环境一体化出发，构建一个由可再生的生物质转化为清洁燃料的、环境友好的高效利用体系。 改变能源结构；能源替换周期（1-50%）为100年；我国的能源安全

64 生物质能源 生物质包括各种速生的能源植物，如薪炭林、经济林、用材林、灌木林，各种农作物废弃物，林业加工残余物以及各类有机垃圾等。作为唯一能转化为液体燃料的可再生能源，生物质以产量巨大、可储存、碳循环等优点已引起全球的广泛关注。 生物质能约占世界一次能源供应的12%，联合国开发署(UNDP)、世界能源署(WEC)、美国能源部(DOE)都把生物质当作发展可再生能源的首要选择。

65 生物质能源发展状况 目前欧洲生物质能约占总能源消费量的2%，预计15年后将达到15%，欧盟能源发展战略绿皮书制定的长期能源战略计划指出到2020年生物质燃料将代替20%的化石燃料。美国在此方面发展也比较快，目前生物质发电已装机9000MW，预计2020年发电将达30000MW。其他许多国家也制定了相应的生物质能开发研究计划，如日本的新阳光计划、巴西的乙醇能源计划等。 预计到2050年，以生物质为主的可再生能源有可能已相当于成本低于化石燃料的价格，提供世界60%的电力和40%的燃料。

66 中国薪柴资源分布图（1996） 96年全国生物质可开发资源量约700Mtce，合理采伐的薪柴资源90Mtce，现已达到近亿吨标准煤。

67 中国秸秆资源分布图（1997） 96年用做燃料的秸秆约120Mtce，人畜粪便4400Mt(干)，城市垃圾108Mt.

68 我国的生物质资源 我国是农业大国，生物质资源丰富，每年产生的生物质总量有50多亿吨（干重），相当于20多亿吨油当量，约为我国目前一次能源总消耗量的3倍。然而我国商品化的生物质能源仅占一次能源消费的0.5％左右，与世界发达国家有很大差距。我国每年仅农作物秸秆等废弃物就有7亿多吨（干重），除了40％用作饲料、肥料及工业原料外，60％可作为能源使用。但目前主要采用简单燃烧、甚至田头焚烧，不但浪费了能量，而且造成环境污染。

69 生物质的资源化 清 洁 燃 料 生物质资源 发 电 能源化过程 气 化 过 程 品位提升 直接液化过程 燃料电池 间接液化过程 发动机燃料
基础数据库及其优化集成 清 洁 燃 料 发动机燃料 燃料电池 发 电 氢、气体燃料 无害化处理 生物质气化联合循环发电(BIGCC)，效率可达40%，可望成为生物质转化的主导技术。