第五章能源与环境.ppt

1、 能源是人类生产和生活所必需的物质，在它给人类带来益处的同时，也严重的污染了环境。要研究人类的持续发展，必须研究能源利用与环境的关系。本章介绍了能源的特点和世界能源的结构，分析了能源生产和使用中对环境的污染，并探讨了新型能源的发展。能量是物质的属性，即做功的潜在本领。能量有不同的形式，有万有引力能、核能、热能、化学能、辐射能等。具有的能量在一定的的条件下能释放出来，以达到人们做有用功的物质，称为能源。能源分为一次能源一次能源和二次能源二次能源。存在于自然界中的可以提供现成形式能量的物质称为一次能源。需要依靠其他能源来制取的能源称为二次能源。能源又分为可再生能源可再生能源和不可再生能源不可再生能

2、源。凡是不会随着人们的利用而减少的能源称为可再生能源。如风能、太阳能、水能、生物能等。凡是随着人们的利用而减少的能源称为不可再生能源。如煤、石油、天然气、核燃料等。世界能源的使用发展顺序为：草木燃料、矿物燃料、非矿物新型燃料。当前在发达国家主要的能源为石油和天然气，共占能源消耗的70%以上，其次是煤，再次是水力发电和核能发电。在发展中国家，主要的能源为煤，约占能源总消耗量的70%以上，其次为石油，再次为水电和草木燃料。对于某些特别贫穷的国家和我国某些贫困地区，草木燃料是主要的能源消耗。世界的能源状况极不均衡。20%的发达国家人口消耗了80%的能源，发达国家消耗的能源平均为发展中国家所消耗能源的

3、十倍以上。1、我国能源的结构 我国目前使用的能源主要为煤、石油、天然气、水电、核电、草木能源等。其中消耗量最大的是煤，约占70%左右，其次是石油，约占20%，水电和天然气约为9%。这种能源结构除水电比重过小外，是符合我国的能源储藏状况的。（1）蕴藏丰富，但分布不均 （2）产量较高，但人均水平低（3）能源开发构成不均衡 （4）能源的城乡分配构成差异显著，工业与民用分配不合理 （5）能源利用率低，污染严重 我国水力蕴藏量为6.8亿千瓦，居世界首位；煤炭探明储量为13000亿吨，居世界第三；石油为70亿吨，居世界第八位；还有天然气储量居世界第十六位。因此我国是一个能源比较丰富的国家。但我国能源的分布

4、不均衡，主要集中分布在华北、西南、西北。而东部发达地区能源储量较少。我国能源开发的速度和产量都是较高的，如我国每年生产原煤13亿吨，石油生产也是世界上产量最多的十个国家之一，居世界第四位。但由于人口众多，我国人均能源消耗仅为世界平均水平的一半。我国目前开发程度最高的是煤炭，其次是石油，但对水电的开发力度仍不足，核能发电也偏少，今后可大力开发这些较清洁的能源。目前我国农村人均能源消耗量还不到全国水平的一半，仅能维持基本的生存需要。而能源在工业与民用上分配不合理，将优质低硫燃料提供给工业使用，而将劣质高硫燃料提供给民用，从而加大了环境污染及对人们的健康损害。我国能源利用率低表现在能耗高和有效利用率

5、低。我国万元产品的单位能耗比日本高3.8倍，比德国高3.3倍。从能源的平均有效利用率来看，日本约为60%，美国约为55%，欧盟约为50%，而我国仅为38%左右。再加上缺乏有效的智力措施，工业布局合理性不足，就造成了严重的能源环境污染问题。当前人类使用的矿物燃料主要是煤炭、石油、天然气，非矿物燃料主要是水电、核电。电能是方便的二次能源，在当前的国民生活中具有重要的作用。但在电能的生产中也存在环境污染问题。矿物燃料也称化石燃料，包括煤炭、石油、天然气和油页岩等，是地质年代中丰富的植物、动物遗体随地壳变动而被埋入地下经过漫长的地质作用而形成的。煤是工业化以来最先使用的一种矿物燃料。煤的形成是地质历史

6、中，地表繁茂的植物随地壳变动而被埋入底下，经过长期的地下高温、高压作用的结果，逐渐成为含碳丰富的可燃性岩石。煤是由有机物和无机物组成的混合物，以有机物为主，主要含C、H、O及少量的N、S、P等。煤中的无机物的组成也极复杂，所含元素有几十种，常见的有硫酸盐、硅酸盐、硫化物以及若干微量的金属元素。一般按成分可将煤分成泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。从泥煤到无烟煤，碳的含量逐渐增加，水分、挥发份、氧和氢逐渐减少。煤有广泛和重要的用途，被称为工业的粮食。煤炭可作为能源供给人们以热能和动能，又可把煤炼成焦炭，以焦炭作为燃料和炼铁的还原剂，而且还是一种十分重要的有机化工原料。但是煤中的污染物质含量较高，燃烧后产

7、生的污染较大。同时煤的燃烧也使某些重要的组分不能利用而造成浪费。石油是一种暗褐色到黑色（有少数呈黄色）、有特殊刺鼻气味的粘稠液体，是烃类的复杂混合物。根据所含各种烃类比例的不同，可以把石油分成4类：（1 1）烃基石油）烃基石油 此类石油又称石蜡基石油，内含石蜡系烃类较多，适于制造固体石蜡和优质润滑油。（2 2）环烷基石油）环烷基石油 此类石油又称沥青基石油，内含环烷系烃类较多，蒸馏时有大量沥青产生，适于制造燃料重要。（3 3）混合基石油）混合基石油 含有以上两种石油的混合成分，适于制造润滑油、燃料重油。（4 4）特殊基石油）特殊基石油 主要含有芳香族烃类，还含有石蜡系以外的烃类。构成石油的元素

8、主要是碳和氢，还有少量的氧、硫、氮，碳为7592%，氢为825%，氧为03%，硫为03%。石油具有比重小、容易开采、便于运输、发热量高等优点，由于用量大，成分复杂，造成了严重的大气污染。从沼泽地、煤田（矿井）、气田、油田等处产生的可燃性气体统称为天然气。它是以甲烷、乙烷、丙烷为主的混合气体。甲烷含量大于90%的称为干气，若甲烷含量低于90%，其成分以乙烷、丙烷、丁烷等为主的，则称为湿气。天然气具有开采方便、运输及使用中污染较少等优点，是一种较清洁的能源。除了矿物燃料能源以外，人类目前还使用许多非矿物燃料能源。当前具有商业意义的主要是水力和核能。水力资源是由河流的落差和流量大小来决定的。水力资源

9、在发展国家经济方面是不可轻视的可再生能源。发达国家已经把本国水力资源尽量利用起来了，如日本利用率为66%，德国为78%。我国水力资源非常丰富，总储量达6.8亿千瓦，可开采的装机容量为3.8亿千瓦，但目前利用率还较低。与火力发电相比，水力发电具有不用矿物燃料，减少环境污染等优点。但水利设施也会带来一些环境问题，如水库库岸再造、影响生物繁衍等等。而且它受地区性条件限制，不能改变世界能量的总的态势。自从铀和钍原子核裂变的发现，揭开了原子能利用能够的新时代。核能在和平利用中主要用于发电。经过几十年的建设，世界上已有上百座工业用核能发电站。核能是原子核发生变化时释放出来的能量，由于原子核内核子间的作用力

10、要比原子内的原子核与电子间的作用力大得多，原子核反应能也比化学能高得多，一般要大出6个数量级。通常用来进行核反应的装置称为反应堆。反应堆的本体包括核燃料、减速剂、中子反射层、冷却剂、控制棒和壳体等部分。反应堆就材料来说，根据不同的减速剂，有重水型、石墨型和轻水型。重水使中子减速的能力大，故重水型反应堆体积小，适宜于实验性用途。石墨较重水便宜，但使中子减速的作用较差，因而石墨型反应堆体积就较大。这种反应堆主要用来发电。反应堆使用的核燃料，有的用天然铀，有的用浓缩铀，其中含有较多的U235。如果U235的含量较高，那么减速剂则可不必用重水或极纯的石墨，只用普通水就可以了，这种反应堆称为轻水型反应堆

11、。目前核能发电发展非常迅速，在不久的将来必会在能量消耗中占据更大的份额。能源的很大一部分是用来发电，无论那种发电形式对环境均会产生污染。火力发电的原理是，水被燃烧的矿物燃料加热成高温高压的蒸汽，进入汽轮机后，汽轮机受蒸汽作用而迅速转动，并带动了与之同轴的发电机，从而产生电能，竟变压器和高压输电线输出供应用户。火力发电站的热效率约为3338%，大量的热散入环境中，从而带来热污染。热量一方面通过辐射的形式进入环境，另一方面通过冷却水进入环境，从而对水生生态造成影响。目前火力发电主要是燃烧煤炭、石油或天然气等矿物燃料转化而来的。火力发电站排放的污染物中，烧煤时主要是烟尘和二氧化硫，其次是二氧化氮；在

12、烧油时主要是二氧化硫，其次是二氧化氮；在烧天然气时主要是二氧化氮。核能发电的优点是：无烟尘、无二氧化碳、无氮氧化物等污染物。但是核能发电也存在其对环境的影响。（1）慢性辐射 （2）放射性废物 （3）反应堆的安全性 核能发电在反应堆地区和燃料后处理车间都会向环境释放出少量放射性。但是由于环境中本身存在一定的辐射影响，因此核电站的慢性辐射对环境的影响不是很大。反应堆除了经常释放出少量放射性之外，还定期排出大量放射性物质。这些放射性的废物的半衰期都较长，因此应加倍重视放射性废物的处理。目前有人提出多种建议，如将反射性废物埋于5002000米深的盐矿中，或用火箭送到太空或其他星球，或储存与南极冰帽中等

13、等，但至今仍未很好的解决。反应堆本身的安全性，是核能应用中可能发生的另一环境问题。最严重的事故危险性来自核反应堆，因为它在各种设施中具有最高的能量密度和最复杂的工程设计。由于反应堆内的核燃料过分稀释，它不可能象原子弹那样爆炸，然而，反应堆可能因事故过热，使放射性物质泄漏出来。如前苏联的切尔若贝利核电站曾发生过严重的核泄漏，造成对环境的严重危害。因此我们要加强对其安全性的监管。随着经济的不断发展，能源的消耗量迅速增长，使得能源问题越来越成为经济发展中的突出问题。煤和石油等能源的开发利用越多，地球上储存的资源就逐渐减少，同时也带来严重的环境污染问题。因此，人们正在积极寻找各种办法和措施，大力探索和

14、开发各种新能源。太阳辐射能是地球的总能，每秒钟到达地面的能量高达80万亿千瓦。太阳能与其他形式的能源不同，具有如下特点：第第一，一，对地球局部地区来说，光线是微弱的，必须将光集中1001000倍才有利用价值；第二，第二，受天气的影响严重；第三，第三，日光不是单色光，能量分散。1、太阳能直接转换为热能 2、太阳能发电 3、太阳能直接转换成化学能 将太阳能直接转换成热能，原理简单，设备也不复杂，当今利用多的是太阳能加热。完成这一过程的关键设备是集热器。常见的集热器有两种，即平板型集热器和抛物面型反射集热器。一般那平板矽钢集热器可获得五、六十度的热水，可供洗涤之用。至于大型的抛物面型反射聚光器可获得

15、几千度的高温，可用于制造超纯晶体材料和超纯金属与合金，及杂物含量非常精确的化合物及耐超高温材料等。太阳能转换成电能的方法很多，其中应用较普遍的是太阳能电池。它是利用光电效应将太阳能直接转换成电能的装置。太阳能电池主要有硅电池、硫镉电池、碲化镓电池和砷化镓砷化铅电池等。还可以利用太阳能加热某种液体，然后再借助于这种热液体推动汽轮机发电机组来发电。美国还提出建造太阳能发电卫星的方案，发展这种卫星太阳能发电站，在技术上是可行的，经济上是合算的，对环境的影响也小，不远的将来，将成为人类获得新能源的重要途径。植物的光合作用就是把太阳能直接转换成化学能的过程。自然界中植物借助光合作用将太阳能转换成自身的化

16、学能的效率很低，约为千分之几。为了提高太阳能的利用率，已经发展了一种使用人工“能量栽培场”的方法，即利用某些藻类催其生长，而将太阳能转换成藻类的储存热能，通过处理这些藻类后可制得木炭、煤气、焦油、甲烷等。这种方法利用太阳能的效率可达3%。沼气是有生物能源转换得来的。植物在生长过程中吸收太阳能储存在体内，植物死亡后早微生物的作用下，有机质发酵分解，产生沼气。当沼气燃烧时，这种能量就转变为光和热，实际上是太阳能转化为化学能的一种形式。沼气是甲烷、二氧化碳、氮气等的混合气，具有较高的热值，可以做燃料供照明、烧饭，也可以驱动内燃机和发电机。沼气燃烧后的产物是二氧化碳和水，对环境的危害很小。目前农村应用

17、沼气的原料为自然界中来源丰富的有机物，如人畜粪便、杂草、秸杆、树叶等；还可用含有一定有机物的工农业生产废渣及废水做原料，如酿造废渣、食品加工废渣以及污水处理厂的剩余污泥和沉淀污泥等。发展沼气，体现了综合利用、化害为利的原则。沼气生产后的废渣，可以做肥料施用于农田，不会造成任何污染。因此，沼气对解决农村能源的需求问题，以及从环境保护维持生态平衡等方面都具有现实意义。核裂变是将具有重原子核的原子分裂为较小的较轻的核而释放出能量。与此相反，核聚变则是将两个非常轻的原子核聚合在一起，在此过程中将会释放出非常巨大的能量。这种聚变过程是太阳获得能量的来源，也是热核武器或氢弹的能源。核聚变反应不会产生裂变碎片，所以其放射性没有核裂变反应严重。在安全性方面，由于不存在核武器材料（钚）被转移的问题，避免了人为的破坏以及天然灾害所造成的危险。由于D2T3聚变反应的热利用率为5060%，因此它的热污染问题较其他现存的发电方式都要小。现在的问题是，如何才能安全的达到核聚变反应所需的温度，如何将反应材料控制在某种容器中使其将能量缓慢释放出来。如果能够解决这些问题，核聚变能将会成为将来人类的重要能源。