能源与环境基本知识

1. 能源与环境基本知识

2. 能量消耗与人类社会 发展的联系

3. 历史上的人均能量消耗 来源：Cook. E. (1971) The flow of energy in industrial society, Scientific American 224(3): 134~48

4. 在原始时代，Cook对大约100万年以前的一种非洲人作测定，认为原始时代的人消耗的唯一能源是食物，每人每天需要大约2000大卡（约8兆焦耳）的食物。 1食物卡等于1大卡。1卡是使1克水的温度升高1ºC所需要的能量。 在狩猎时期，人类具有使用火的能力，使人类可以利用木柴加热和烹煮食物，火在夜晚可提供亮光。Cook对大约10万年前的欧洲人作测定，每人每天的能量消耗大约5000大卡（约21兆焦耳）。 在原始农业时期，以动物驯化为特征。人类可以利用动物帮助种植庄稼，耕耘田地，由此也推动了农业工业的出现。Cook为大约公元前5000年生活在新月沃地（Fertile Crescent）的人作测定，每人每天的能量消耗大约12000大卡（约50兆焦耳）。 在先进农业时期，人类学会了利用煤产生热能，利用风力来推动航船，利用水力来推动磨子运转，运输变成人类能源消耗的一个重要组成部分。Cook对生活在大约公元1400年的西北欧人作测定，每人每天的能量消耗大约26000大卡（约109兆焦耳）。 在工业时期，出现了蒸汽机，它提供了一种将热能转换为机械能的手段，煤成为主要的能源，蒸汽机对提高工业生产效率，以及像火车和轮船这样的大型交通运输工具，起到重要的作用。Cook对生活在1875年的英国人作测定，每人每天的能量消耗大约77000大卡（约322兆焦耳）。 在现代技术时期，以内燃机和电能的利用为特征。内燃机是推动当今交通运输系统发展的关键，石油也成为消耗量最大的能源。发电和输配电系统使电动机和电灯的广泛应用成为可能。Cook对1970年前后的美国人作测定，每人每天的能量消耗大约230000大卡（约962兆焦耳）。

5. 能量消耗和生活质量的关系 美国 加拿大 冰岛 挪威 人类发展指数（HDI）用期望寿命、教育和国内生产总值这3个指数来测量一个国家中的人文发展状况。HDI值接近0被认为是一种相当低的生活质量，而HDI值接近1时则被认为是一种高的生活质量。 人类发展指数（HDI）和年人均电能消耗的关系（1999年数据） 用DHI测定的生活质量，随人均电能或能量消耗量的增加而提高，但当人均能量消耗增加到大约5000千瓦∙小时或200000兆焦耳时，生活质量的改善就开始停滞不前。 人类发展指数（HDI）和年人均能量消耗的关系（1999年数据）

6. 基本概念

7. 能量的定义 “能量”的定义是“做功的能力”。 “功”和“能”的数学单位是相同的，“功”通常是“能”与物质相互作用后产生的可观察到的结果。例如，用一个力F推动物体沿某一方向移动一定的距离S，则对物体所作的功为力F与距离S的乘积，即W=F×S。如果一个系统或者一个物体能够做功或者提供热量，就可以说它具有能量。 “能”以能流或与物质相互作用的形式存在，能量流是最单纯的一种形式，最常见的是电磁流辐射（光和热），表现在具体物质上，能有动能、势能、化学能或核能。动能是运动中的物质的能，运动中的分子和飞速前行的子弹中都有这种能，是风力的基础；势能的表现最为高深莫测，即地心引力使某一物体离开其重心，然后释放该物体，该物体又回落至重心，这一过程所储存的能即为势能，这是水力发电的基础；分子的组合中含有化学能，打破分子间的原有组合，将不同元素重新组合，这一过程中就释放出化学能，这是所有可燃燃料的基础；核能以物质形式存在，极少量的一点物质可释放出巨大的核能，这是核力发电的基础。

8. 能量的属性 能量有六种基本属性：状态性、可加性、转换性、传递性、做功性和贬值性。其中转换性和传递性是能量利用中最重要的属性，这两个属性使得人类在不同的地点得到所需形式的能量成为可能。 不同形式的能量可以在一定的条件下相互转换，转换过程服从能量守恒和转换定律，这就是能量的转换性。能量转换设备或转换系统是实现能量转换的必要条件，如燃煤发电过程，煤所含的化学能通过燃烧这种化学反应转换为热能，热能通过汽轮机转换为机械能，机械能通过发电机转换为电能。 能量的利用通过能量传递得以实现。能量在“势差”的推动下完成传递，如热量传递推动力为温度差、电流推动力为电位差。从生产的角度讲，能量传递性保证了各种工艺过程、运输过程和动力过程的实现，为其提供推动力。能量通过各种形式的传递后，最终转移到产品中或散失于环境中。

9. 能量的基本定律 研究能量属性及其转换规律的科学是热力学。从热力学的观点，能量是物质运动的量度，运动是物质存在的形式，因此一切物质都有能量。尽管物质的运动多种多样，但就其形态而论或者说从微观角度上而言，能量可以是以有序的形式或无序的形式存在。 热力学第一定律（能量守恒与转换定律）（1）自然界的一切物质都具有能量；（2）能量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物体传递到另一个物体；（3）在能量转换与传递过程中能量的总量恒定不变。能量守恒和转换定律是自然界最普遍、最基本的规律，这一定律和细胞学说以及达尔文的进化论被称之为19世纪自然科学上的三大发现。

10. 能量的基本定律 热力学第二定律（克劳修斯说法，1850年）：热不可能自发地、不付代价地、从低温物体传至高温物体。 热力学第二定律（卡诺说法，1824年）：凡有温度差的地方都能产生动力 热力学第二定律（开尔文说法，1851年）：不可能制造出单一热源吸热，使之全部转化成为功而不留下其他任何变化的热力发动机。 热力学第二定律也可表达为：能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低得方向传递，在传递的过程中总会有一部分能量成为热能释放出去。

11. 能量的基本定律 热力学第一定律说明了某一个变化过程中的能量关系。热力学第二定律说明能量转换过程是有方向性的。能量转换或传递的方向性反映了能量有品质的高低。例如在摩擦生热现象中，由于摩擦机械能转换为热能，虽然从能量的总体数量上看没有变化，但品质却降低了，即摩擦使高品质的机械能贬值为低品质的热能。机械能可以自发地无条件的转换为热能，但热能转换为机械能或电能则是有条件的，不完全的，部分热能从高温传向低温作为补偿条件，才能实现热能转换为机械这一能量品质提高的过程，并且热能转换为机械能的热效率都必定小于100%。

12. 卡诺循环热效率 ηk＝1－T2/T1

13. 汽轮机 燃煤发电厂原理 煤和空气进入锅炉炉膛内燃烧放出热量，通过传热将锅炉内的水加热至过热蒸汽，蒸汽在汽轮机内膨胀做功推动汽轮机旋转运动，汽轮机通过连接轴带动发电机转子旋转，切割磁力线发电。蒸汽在汽轮机膨胀做功后的乏气在冷凝器中被冷凝成水，然后通过水泵压入锅炉内，开始再一次的循环。 朗肯循环

14. 能量的单位 在国际单位制中，能量的单位通常用焦耳（Joule）表示，简称焦（J）。焦耳单位是多大呢？一只跳蚤在跳跃时耗费的能量是10-7J；擦燃一根火柴所释放能量的千分之一大约是1J；一个人一天所需要的食品所具有的能量大约是107J。人们还常用千焦（kJ）和兆焦 （MJ）等单位来表示能量的大小。1kJ=103J，1MJ=106J。 在工程应用和热力学中，还会 见到其他一些单位，如卡（calorie）、大卡（kilocalorie）、标准煤当量吨（tce）、标准油当量吨（toe）、 百万吨煤当量（Mtce）、百万吨油当量（Mtoe）等。它们的换算关系为：1卡（cal）=4.18焦（J）；1公斤标准煤当量（kgce）=7000大卡；1公斤标准油当量（kgoe）=10000大卡； 单位时间内所做的功或吸收（释放）的热量则称之为功率，单位为瓦特（Watt），简称瓦（W），也有用千瓦（kW）和兆瓦（MW ），更大的单位用GW和TW。发电厂的装机容量一般用MW表示，如1000MW。工程上常称为万千瓦，1000MW=100万千瓦。

15. 能源及其分类 能源是能量的来源或源泉。能源的分类方法有很多种。能源按获得的方法分为一次能源和二次能源。一次能源是从自然界取得而直接加以利用的能源，如煤炭、石油、天然气、风能、水能、天然铀矿等。二次能源是由一次能源经过加工、转换而来的能源，如电力、蒸汽、焦炭、煤气等，它们便于运输和使用，是相对品质高污染少的能源。 能源按其能否可再生分为可再生能源和非可再生能源。可再生能源包括太阳能、生物质能、水能、氢能、风能、海洋能等，可再生能源不会由于它本身的转化或人类的利用而日益减少。非再生能源亦称枯竭性能源，它在地球上的储量有限并且随着人类的利用而越来越少，如煤炭、石油、天然气等化石资源。 能源按其开发利用的程度不同可分为常规能源和新能源。常规能源一般是指已经被人类广泛利用的能源，如煤炭，石油，天然气，水能，核电等。新能源一般是指借助新技术可以开发利用的可再生能源，如太阳能，生物质能，氢能，天然气水合物等。 能源按其本身的性质不同可分为含能体能源和过程性能源。含能体能源是指其本身就是可提供能量的物质，亦称为载体能源。其特点是可以储存且便于运输，如矿物燃料，核燃料，氢等。过程性能源是指能够提供能量的物质运动所产生的能源，它不能直接储存，存在于某种过程之中，如电能，太阳能，风能，潮汐能等。 能源按其在使用过程中所产生的污染程度不同，也可将其分为清洁能源和非清洁能源。清洁能源是利用现代技术开发的对环境无污染或污染小的新能源，如太阳能，氢能，风能，潮汐能等。非清洁能源是指对环境污染较大的煤炭，石油等能源。

16. 化石燃料的利用 与污染物生成及治理

17. 主要特性 石油和煤成分（平均）的比较

18. 化石能源应用途径 内燃机 燃气轮机 锅炉 燃料电池

19. 煤的特性

20. 元素分析 煤的元素分析的内容： 测定煤中碳、氢、氧、氮、硫的含量。 煤的元素分析的作用： 通过元素分析可以判断煤发热量的高低以及燃烧排放情况。 • 例如： • 碳：主要热源，完全燃烧生成CO2，1g碳完全燃烧产生34kJ热量。 • 氢：仅次于碳的主要热源，1g氢完全燃烧产生143kJ热量。 • 氧：氧含量高则碳氢相对少，降低了煤的发热量。 • 氮：燃烧产生NOx，污染环境。 • 硫：燃烧产生二氧化硫和三氧化硫，遇水形成酸雨。

21. 煤的工业分析 水分、灰分、挥发份、固定碳

22. 煤中的水分： 颗粒表面水 1 包裹在颗粒表面的一层水膜 外在水 颗粒表面之间的水 2 存在与颗粒与颗粒之间的水 孔隙水 内在水 3 存在于煤的微孔隙中间的水。 水分降低了煤的发热量、影响煤的着火、管道的腐蚀等。 煤中的灰分： 煤在815ºC完全燃烧后残余的物质。这些残余物质包括60多种元素，较多的有硅、铝、铁、镁等。 灰分影响煤的着火、引起环境污染以及设备的磨损等。

23. 煤中的挥发分： • 煤在900ºC隔绝空气加热7分钟所减少的质量减去水分。 • 煤的挥发分中包括CO2、CO、H2、CH4等小分子气体以及 • 大分子的碳氢化合物。 • 挥发分越高煤越易着火、但是火焰温度比较低。 煤的固定碳： • 在测定挥发分结束后的残余物减去灰分就是煤的固定碳。 • 固定碳并不是纯碳元素，还包括微量的氢、氮、氧和硫。 煤的热值： • 煤的热值就是单位质量的煤完全燃烧能够释放出来的热量（MJ/kg） • 核算发电成本以及能源效率都要以煤的热值为主要依据

24. 动力燃料用煤的分类方法

25. 大气污染物控制

26. 大气污染的定义 • 广义地说，是指自然现象和人类活动向大气中排放了过多的烟尘和废气，使大气的组成发生了改变，或介入了新的成分，而达到了有害程度 • 通常说的大气污染是指人类活动造成的 • 大气污染可分作四类： 局部地区污染（烟囱） 地区性污染（工业区） 广域污染（酸雨） 全球性大气污染（温室气体）

27. 主要空气污染物对健康和环境可能产生的影响

28. 烟气脱硫原理 石灰石脱硫剂的脱硫反应机理：

29. NOx生成途径 • 热力型NOx (Thermal NOx) • ─ 它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx • 燃料型NOx (Fuel NOx) • ─ 它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分 • 解而又接着氧化而生成的NOx • 快速型NOx (Prompt NOx) • ─它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团 • 如CH等反应生成的NOx 煤粉燃烧中各类NOx的生成量 与炉温的关系

30. 燃料氮转化机理

31. 燃煤电厂污染物控制技术 烟(粉)尘 二氧化硫 氮氧化物（NOx） 除尘 >99% 脱硫 >95% 脱硝 燃煤电站锅炉 >90%

32. 燃烧前 捕获 二氧化碳捕获方法 富氧燃烧 烟气吸收

33. 化石能源应用途径 替代途径 内燃机 燃气轮机 锅炉 燃料电池 核能 可再生能源

34. 潮汐发电 水力发电 核电 太阳能热发电 光伏 风力发电 生物质燃烧发电

35. 多能互补、产用结合、储能平衡的智能电网

36. ？ 太阳能 核能 ？ 氢能 H2 电能 未来世界 机械能 现代社会 热能 工业革命 化学能 原始社会 农业社会 ？ 大自然