专题讲座新能源

专题讲座新能源开发与利用能源是人类社会活动的物质基础，能源的开发和利用是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术的重要标志，直接关系到人们生活水平的高低。长期以来，人类大量使用柴草、煤炭、石油和天然气等化石能源，不仅使这些有限的资源日益枯竭，而且对环境造成严重污染，人类已面临能源与环境的双重挑战。因此，世界各国都在研究开发利用清洁和再生能源，以求人类持续发展。一、常规能源及人类面临的能源挑战1.能源的分类1.按能源分为三类第一类是来自地球以外的太阳能和间接来自太阳能的能量，如光能、煤炭、石油、天然气，以及生物质能、水能、海洋能和风能等。第二类是来自地球自身的能源、像地热能（包括地下蒸汽、温泉、火山爆发的能量）、核能（U、Th钍、Li、H、H1、H2、H3等）。第三类是由于地球和其它天体相互作用而产生的能源，如潮汐能。2.按重复使用分为可再生和不可再生两类：可再生能源。如：太阳能、水能、生物质能、风能、潮汐能、波浪能、海洋能都是可不断再生和得到补充的能源。不可再生能源。如：如煤炭、石油、天然气、U、Th等。3.按形态分为一次能源和二次能源一次能源是指直接取自自然界而不改变它的形态的能源，如煤炭、石油、天然气、柴草、地热、风力等。二次能源是指一次能源经人为加工成另一种形态的能源，如：电能、热水、蒸汽、煤气、焦炭、石油制品、余能等。4.按应用范围、技术成熟程度可分为常规能源和新能源两类常规能源。如煤炭、石油、天然气、水能、风能、核裂变能等已大规模开发和利用。新能源，如太阳能、地热能、海洋能、核聚变能、潮汐能、生物质能、H能等正在开发和利用的非常规能源。（二）常规能源化石能源是古代植物和低等动物的遗体在缺氧条件下，经漫长的地质年代演变而来的。1.煤炭主要成分是C、H、O、N（C占60%-90%，O占4%-8%）。热值约为：1.08×107-3.34×107J/Kg,是第一次工业革命的动力基础。储量：1012吨，大约可开采219年（按1992年的开采量）。中国约有8.594×1011吨,勘探贮量为1.7×1011吨。2.石油主要成分是C-H化合物各和少量氧化物，硫化物的混合物。C占84%-87%,H占11%-14%，密度=0.65-0.98g/cm3,热值为4.096×107-4.514×107J/Kg,主要是用蒸馏法和裂化法提炼成汽油、煤油、重油等不同沸点的石油产品，主要分布在中东地区。可供开采的贮量的1.348×1011吨,按1990年的开采速度可开采44年。目前，除了陆地上的石油以外，还在寻求：（1）开发海底石油。浅海石油开采量为日产100万吨，占世界石油日产量的17%。深海中（均在300m以下）的第三次沉积层的大陆坡、陆基、海洋盆地已在研发中。（2）由煤炭生产石油。煤经过液化、分馏。煤和石油都是以C、H为主，只是含H不同，煤含H4%～8%，石油含H是11%～14%。（3）从植物中提取石油。某些植物分泌的液体，经加工后可作燃料使用，像我国海南的油楠树，还有用木材加工成石油。（4）从废垃圾中提取石油。1kg废塑料可制成0.5升汽油、0.5升煤油、0.5升柴油。废水处理中以粪便为原料可提取柴油。3.天然气主要成分是甲烷（CH4）、乙浣（C2H6）、少量丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）。通式CnH2n+2,n=1～4为气态，n=5～16为液态，n=17为固态，热值约8.9×108J/kg（因为）。优点是燃烧时无灰渣，CO2量小（比石油少50%，比煤炭少5%），使用方便（可液化、管道输送），开采成本低，占世界能耗20%。储量1.28×1014J/kg，还可开采60年。中国有3.33×1013m3，可采量为1.0～1.65×1013m3。4.水力水能是天然水流的势能和动能，主要是发电，据1992年统计，世界上有2304座水电站，装机为73490MW。中国的水力资源居世界第一，蕴藏量为6.8×108KW。开可发量为3.7×108KW，主要分布在西南地区，目前已开发的为3.788×106KW，最大的是葛洲坝水利枢纽工程坝高157m，装机容量为2.175×106KW，年发电量为1.4×1010KW·h。三峡水利工程具有防洪、发电、航远、供水多种功能，设计装机量为680MW，年发电量为8.4×106KW·h，是世界上最大的水电站。我国水电开发的方针是大、中、小型水电站并举，重点开发黄河上游、长江中上游和澜沧江等，预计到2020年的装机容量可达1.8×108KW，2020年～2050年可达到2.9×108KW。在上述三江河上的水电装机容量从2007年以后要求大于20万千瓦以上5.风能风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起空气运动产生的能量。地球上近地层风能总储量约为1.3×1012KW，我国有1.6×109KW，排世界第三，可开发利用的约1/10，可有效利用的风速范围为3～20m/s，即通常所说的4—5级风比较好，太大和太小都不利用发电。风力机是将风能转化为其他形式能量（电能、机械能、热能等）的旋转机械，利用风力可发电、提水、助航、致冷、致热，目前全世界风力机发电达2700万KW。风力机可分为微型（＜1KW）、小型（1～10KW）、中型（10～100KW）、大型（＞100KW），按风轮转轴的位置可分为水平轴和垂直轴两种，2000年以前最大的风力发电机在美国夏威夷，为3200KW，风轮直径为97.5m。目前有了较大进步，我国现在有超过138米直径。5MW级的风力发电机。2000年以前中国风力发电机装容量为20万KW，有小型风力机12万台，中、小型发电厂9个。2000年以后由于国家政策性倾斜，风力发电有了长足的进步，现在大约年发电量为52.800MWh,排世界第一，美国第二（三）人类面临的能源挑战1.非再生能源面临枯竭1992年统计：煤炭还可开采219年，石油还可开采44年，天然气还可开采60年，铀还可开采65年。2.直接燃烧化石燃料对环境构成严重威胁化石燃料燃烧过程中都要产生SO2，CO，烟尘，3，4-苯并芘，放射性飘尘N、O化物，CO2等。3，4-苯并芘是致癌物质，SO2和N、O化物会形成酸雨，使植物死亡，饮水变质；CO2是造成温室效应、使地球温度升高的罪魁。尤其是煤炭燃烧，是产生烟尘、飘尘等毒雾的主要根源，像厄尔尼诺气候现象的根本原因有待于继续研究，但气温上升造成气候紊乱，破坏生态平衡是一个原因。我国是煤炭大国，煤炭占能源消费的76%，燃煤排放到大气中的烟尘和SO2分别占总排放量的73%的90%。据统计，19世纪末，全球平均气温为14.5℃，目前是15℃，按目前的排放量，到21世纪中叶，全球气温将上升到17℃～18℃，21世纪末可能达到20℃，这将危害人类生存：一是海平面升高，大片陆地被淹；二是农作物将大幅度减产；三是各种有害气体直接影响健康。所以1987年和1992年，“联合国环境与发展大会”上，都提出全球暖化问题和发展能源的战略方针：发展不仅是满足当代人的需要，还要考虑和不损害后代人的需要，因而必须是发展多元结构的能源系统和高效、清洁、可再生的能源技术，以求对人类的持续发展。二、洁净煤技术我国是煤炭的生产和消费大国，1991年原煤产量10.88亿吨，消费量11.06亿吨，占世界的25%。煤炭直接燃烧造成了严重的环境污染，1991年全国SO2排放量为16.22兆吨，烟尘排放量13.14兆吨，其中燃煤排放量分别占90%和70%，西南和华南已出现大面积酸雨区，并有扩大趋势。作为世界最大的煤炭消费国，燃煤排放的CO2可能导致全球气候变暖问题，更是国际普遍关注的一个热点，因此，发展洁净煤技术，减少污染排放，提高煤炭利用已成为我国，也是世界的一项重要的战略任务。（一）先进燃烧和污染处理技术主要分三个阶段，即燃烧前、中、后的处理技术。1.燃烧前的处理和净化技术主要是通过洗选处理、型煤加工和水煤浆处理。（1）洗选处理：主要是除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同品种等级，以满足不同用户需要的方法。在工艺上采用：筛分、高效物理选煤，化学选煤和细菌脱硫方法，比如用筛分选粒度，用不同比重去煤矸石，用水洗去灰分。（2）型煤加工：用机械方法将粉煤和低品位煤制成具有一定粒度和形状的煤制品，像工业型煤、民用型煤和特种型煤。高硫煤成型时可加入适量固硫剂以减少SO2排放量。（3）水煤浆：这是一种以煤代油的燃料，把灰分低而挥发性高的煤研磨成250～300μm的微细煤粉，按煤水7：3的比例并加适量分散剂和稳定剂配制而成，像燃油一样可贮运和燃烧。2.燃烧中的净化利用先进的燃烧器秋提高燃煤效率（目前热能有效利用率约为25%，先进设备大约在40%，有60%～75%的热能变成废热排出），减少污染排放，如汽化床燃烧器是把煤和吸附剂（石灰石）加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮，进行硫化燃烧，熔化形成湍流混合条件，从而提高燃烧效率，石灰石因硫减少SO2排放，较低的燃烧温度（830℃～900℃）使NOX生成量大大减少，与采用煤粉炉和烟道无净化装置相比，SO2和NOX减少50%，且无需烟气脱硫装置。3.燃烧后净化燃烧后的净化主要包括烟气净化和灰渣处理。烟气净化包括脱硫、脱氮、除尘。烟气脱硫有两种方法：湿法和干法。湿法是利用石灰水淋洗烟尘，使SO2变成亚硫酸钙（Ca2SO3）浆状物；干法是用浆状脱硫剂喷雾，与烟气中的SO2反应，生成硫酸钙（Ca2SO3），被蒸发，干燥颗粒做集尘器收集，这两种方法均可脱硫90%。烟气脱氮有多种方法，主要是通过对烟气进行催化处理，使NOX分解为无害的N和水蒸气（NOX催化N+N2O），可脱NOX50%～80%。烟气除尘，一般采用静电除尘，有效率在95%以上。灰渣处理，主要是将灰渣与其他材料做成建材。（二）煤的汽化和液化煤气化主要是产生CO和H2，灰分形成废渣排出，其好处是可在燃烧前脱除气态S和N的组分。粗煤气中的硫化物、氮化物都可用吸收、吸附法除去，还可以回收N。常用的转换技术有：煤气联合循环发电、城市煤炭汽化、煤炭地下汽化、煤炭液化、燃料电池、磁流体发电等。1.煤的汽化在一定的温度和压力下，通过汽化剂以一定流动方式将煤转化成可燃气体的过程。煤气中的有用成分是H2、CO、CH4等，用空气和水蒸气做汽化剂可制低热值煤气，用O2和水蒸气做汽化剂可制得中热值煤气，中热值煤气经甲烷（CH4）化可制得高热值煤气，即代用天然气。煤炭汽化可将所有种类的煤转化为用途广泛（民用、煤气、化工合成原料气、工业燃料气）的气体产品。2.煤的液化有直接液化和间接液化直接液化是煤在适当的温度和压力下，催化加H裂化成液态烃，在反应过程中脱除N、O、S等，新近有出现两段催化加H液化新工艺。间接液化是利用煤炭汽化产品为原料气，经净化后进行改质反应，调整H2与CO的比例，制成液体产品。3.硫流体发电技术硫流体发电，就是用燃料（石油、天然气、煤）进行高温加热，直至电离成导电的等离子气体，所以也称等离子体发电。将等离子气体高速通过强磁场，使其切割磁感应线而产生感应电动势，从而直接将热能转换成电能，如燃煤在2600K以上时，成为等离子气体，在流过磁场时，气体中的电子受磁力作用和气体加入活化金属粒子K、CS相互碰撞，沿着与磁力线成垂直的方向流向电极而发出直流电，经直、交流转换送入电网。由于磁流体发电排气温度很高，可送往常规汽轮发电厂联合循环发电，总热能利用率可从40%提高到60%。同时，由于磁流体发电所用的K盐在高温时与S有化学亲和力，在回收种子时起到了脱硫作用，而且通过控制燃烧方法还能减少NOX的排放，因而这种技术具有热效率高，减少粉法、SO2、NOX等有害气体排放量的优点，是一种低污染的发电技术。磁流体发电装置主要有燃烧室、发电通道和磁体组成，目前已建成10MW～100MW装置。4.燃料电池发电技术从原理上讲，燃料电池和传统电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转换成电池。所不同的是，传统电池是将内部物质事先填充好，而燃料电池进行化学反应所用的物质则是由外部不断填充，因而，可源源不断地发电。燃料电池是将作为反应物的原燃料（石油、天