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1、课题背景1、 中国的能源现状目前，中国能源消费量已位居世界第二，仅次于美国。但以煤炭为主要能源的消费模式已愈来愈不适应经济和环境可持续性发展的要求。加之石油和其它替代能源供应的相对不足，对中国经济发展造成的制约愈加明显，尤其是在全球油价高涨的今天。这些因素需要中国重新审视国家的能源战略，以保障能源安全。消费结构上，煤炭消费比率虽然逐步降低，但在今后 1020 年在中国能源生产与消费中仍将占据支配地位，能源问题日益突出。问题之一：能源的生产量不能满足能源消费的增长。根据有关计算,为了保证中国 GDP 年均增长 7%以上,能源供应则应保持每年递增 4%左右。以现有的开采速度,石油只够使用 44 年
2、,天然气还能连续开采 63 年，随着石油能源消费量的逐年增加，石油供应面临较大的约束。据预测，中国能源缺口 2020 年约为 2.5 亿吨标准煤，到 2050 年约为 4.6 亿吨标准煤，缺口规模约占年能源需求量的 1/10。 问题之二：能源消费结构存在缺陷，环境压力加剧。中国是世界上为数不多的几个以煤炭为主的国家之一,能源消费模式偏离当前世界以油气燃料为主的基本趋势。中国煤炭大多直接燃烧使用,用于工业锅炉、窑炉和采暖的煤炭占 47.3%,在使用效率不高的同时造成严重的环境污染。煤炭消费是造成煤烟型大气污染的主要原因，也是温室气体排放的主要来源，以煤为主的消费方式持续下去，将给生态环境带来巨大
3、压力。 中国能源困境的应对策略 实行全球能源战略是保障经济长期安全稳定的前提。对世界任何国家而言，多渠道的能源都是保障能源安全和经济可持续发展的前提。因此加强国际合作，多渠道开辟能源供给渠道（如俄罗斯、南美洲、中东等地区） ；同时积极进行能源外交对中国这样一个能源消费大国是不可或缺的。有国际舆论认为，争夺最后的丰富油气资源很可能成为 21 世纪地缘政治的主题，未来战争的根源即在于石油争夺。中国需要把能源战略储备作为保障能源特别是石油供应的首要战略。全球能源保障体系的构成大致由国内能源勘察开发供应体系、国外能源供应体系、能源战略储备体系三者构成。中国政府于 2007 年 12 月 18 日宣布成
4、立国家石油储备中心，标志着中国开始着手处理保障体系中相对薄弱的储备体系。 中国政府需借鉴国际经验，积极开发利用新能源、可再生能源、核能等能源。发展太阳能、水电、生物能源等新型能源，加大其在能源消费结构中的比重。日本政府 1993 年就提出了旨在开发利用新能源的“新阳光计划” ，大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导能等。同时积极开展潮汐、波浪、地热、垃圾等发电的研究和实验。 中国还可以利用核工业体系相对完善的优势，加大核能的开发利用。中国是世界上为数不多的拥有较完善核能技术的国家之一，这为中国核能技术的开发利用创造了有利条件。从目前中国核电站的建设数量来看只有秦山核电站（一、二
5、期） 、大亚湾核电站、三门、阳江等为数不多的核电项目，进一步发展的潜力巨大。 最后，提高现有能源的利用效率，厉行节能政策。在短期和中期内，中国煤炭资源作为主要能源的地位很难改变，因此通过洁净煤等技术的使用进而提高资源的使用效率和减少污染，应成为一个中期战略 2、中国的电力生产消费中存在的问题和带来的环境压力随着国民经济的快速发展和产业界的优化调整，我国工业自动化程度和电气化程度的不断提高，服务业和居民用电需求增长迅速，促进一煤电为主的火力发电装机容量和发电量的快速增长，为国民经济的发展作出了巨大贡献，但同时电力行业特别是火电厂成为污染源大户，对环境造成很大的影响。如火电厂运行中向大气排放的硫氧
6、化物、当氧化物、烟尘、排出的废水、灰渣和产生的噪声，水电工程的建设和运行对水土保持、生态平衡和水质环境等影响，核电站的建设和运行所产生的废气和核废料。火电厂的污染物对人的身体造成很大的危害，尘粒不仅本身污染环境，还会与二氧化硫、氧化氮等有害气体结合，加剧对环境的损害。在大气中二氧化硫氧化成三氧化硫的速度非常缓慢，但在相对湿度较大、有颗粒物存在时，可发生催化氧化反应。此外，在太阳光紫外线照射并有氧化氮存在时，可发生光化学反应而生成三氧化硫和硫酸酸雾，这些气体对人体和动、植物均非常有害。大气中二氧化硫是造成酸雨的主要原因。火电厂排放的氧化氮中主要是一氧化氮，占氧化氮总浓度的 90以上。一氧化氮生成
7、速度随燃烧温度升高而增大。它的含量百分比还取决于燃料种类和氮化物的含量。煤粉炉氧化氮排量为 440530ppm;液态排渣炉则为 8001000ppm。二氧化氮刺激呼吸器官，能深入肺泡，对肺有明显损害。一氧化氮则会引起高铁血红蛋白症，并损害中枢神经。 。火电厂热排水主要是经过凝汽器以后排出的循环水，一般排水温度要比进水温度高 8。如热水排入水域后超过水生生物承受的限度，则会造成热污染，对水生生物的繁殖、生长均会产生影响这些问题都限制着火电厂的发展，在大力提倡可持续发展的今天，火电厂必须作出改变，否则，火电厂的发展必受影响。 2，燃煤污染物的种类煤燃烧产物有两种物态。固体，主要成分为灰分，一般通过
8、除灰设备清除，以做为其他产业的原料等，一般不会对环境造成较大的污染。气体，燃煤污染主要集中于此，其主要成分为 CO ，CO，SO ，NO 以及固体悬浮颗粒（粉尘），另外根据燃的种类还会含有某2x些重金属污染物。CO 为有毒气体，但通过设备以及工艺的改进可将其控制在合理水平以下；SO 中的 SO 是形成酸雨的罪魁祸首，酸雨对建筑物，植物，水质等都有极大的危害；NOx2和固体悬浮颗粒可形成阴霾天气等多种危害，估计悬浮颗粒可通过除尘设备除去直接直径在微米级以上的颗粒，但现在工厂对纳米级的颗粒仍然毫无办法，纳米级的悬浮颗粒对人体有极大危害。SO x煤中硫有三种存在形态：有机硫、硫化物和硫酸盐硫。煤燃烧
9、后大部分硫以SO 、SO 形23态存在于烟气中。一般认为：硫酸盐硫对炉内SO 生成量贡献不大，故其一般由有机硫和2黄铁硫矿产生。煤中的有机硫划分为脂肪硫和芳香硫。煤的变质程度越探，煤中的有机芳香硫份额越大。研究表明：在各种有机硫的热转化行为中，芳香硫的化学性质最不活泼。燃烧过程中，一般认为煤中的有机硫进入挥发分，黄铁矿硫留在半焦中燃烧。通常，Fes2 在 300600。C 热解时先转变为 FeS；热解温度超过 1000 时 FeS 才开始分解脱硫，并最终生成 SO 。S 的转化较为复杂，首先煤x在脱挥发分阶段释放部分键能较弱的硫，并迅速氧化生成 SO 单峰，其次是残留于焦炭中、2键能较大的硫分
10、逐渐氧化生成 SO 。总的 SO 生成量系两部分之和。一般认为，脱挥发分22阶段释放的硫以脂肪硫为主，焦炭燃烧过程中被氧化的硫分多为黄铁矿硫和芳香硫。影响SO ，生成的因素包括：高温区域的停留时间、炉膛温度、氧浓度、煤中硫分吉量及碱性2氧化物含量等。NO x其主要包括，包括 NO、NO 、 N O、N O 、N 0 。燃煤锅炉生成的 NO 有热力 NO 2234 x和燃料 NO 两种。热力 NO 系助燃空气中 在高温下与 化合而成，燃料 NO 则由xx 2煤中 N 氧化生成。煤粉妒燃烧条件下生成的 NO 主要以 NO 为主约占 NO 总量的 9O 以x x上其次为 。在主要污染物 NO 中，一
11、般又以燃料 NO 为主，约占 NO 总量的 50 2Ox x75 以上，而热力型 NO 较少。热力 NO 的生成机理最早由 Zeldovich 提出，其生成过x程可用 Zeldovlch 连锁反应描述如下：+M2O+M 2O+ NO+NNN+ NO+O 2OFenimore 发现热力 NO 生成还与下列反应有关：xN+OHNO+H 研究表明：温度对热力 NO 的生成有决定性的影响，两者呈指数关系。热力 NO 生成x x的另一主要条件是氧浓度，其生成量与氧浓度平方根成正比。煤中氮化物由成煤植物中蛋白质分解而来，含量一般为 05 2。目前知道煤中氮化物存在着两种不同的化合状态：一种是不稳定的胺化台
12、物，受热时易分解，生成挥发性氮化物；另一种是稳定的环状化合物，它残留于炭中燃料 NO 的生成途径有两条：一条由挥发份中的燃料 N 转化为xNO ，另一条则由焦炭中的燃料 N 转化为 NO 。x x3. 煤燃烧过程中污染物的形成机理1.含硫氧化物的形成机理。含硫氧化物的形成主要是存在于煤中硫在燃烧过程中发生氧化反应而形成。硫在煤中主要有两种存在形式：1 有机硫 2 无机硫。不同类型的硫的分解温度种类 有机硫 噻砏硫 黄铁矿 硫酸盐分解温度 300400 580600 500550 1100以上（1） 对于有机硫，燃烧过程中首先分解成 ，然后在转化为 S 。S2H2O（2） 对无机硫的燃烧过程中有
13、如下转化。Fe 是煤中主要的含硫成分，在燃烧过程中一般又热分解及其与 、CO 及2S 2H的反应。以下为 Fe 在不同条件下的反应：O2S400以上的分解反应：Fe FeS+S FeSFe+S富氧 500以下：8 Fe +22 Fe+FeS + +11 S +22O42Fe34)(O23FeO富氧 500以上：4 Fe +11 8 S +2210 Fe +31 2FeS +2 +12 S +2242e34)(23e上述形成的 在 650时，将分解成 及 ，分解产生的及存2Fe34)(SOOF在的硫将被氧化成 S 。在还原条件下：Fe + FeS+2HS2将被氧化成 S2HO（3） 燃料中硫通过
14、燃烧反应主要形成 S ，也有少量的 S 被氧化成 .机理如22O3下所示：O+O2S +O+M +M （M 为第三体，主要是吸收能量的作用）O3此过程中 的生成主要取决于火焰中生成的氧原子浓度3（4）含硫氧化物对环境的危害：（1）二氧化硫对人体的危害： 二氧化硫是一种无色、有刺激性气味的有毒气体，在空气中往往被飘尘吸附。因此，人体吸入过多的 S 会引起或加重呼吸器官疾病：如鼻炎、咽喉炎、支气管炎、2O支气哮喘、肺气肿、肺癌等危害人体健康的疾病。（2）S 对植物的危害：2S 通过叶面气孔进入植物体，在细胞或细胞液中生成 。如果HSO-3-23和或S 浓度和持续时间超过本身的自解机能，就会破坏植物
15、正常的生理机能。2O（4） 酸雨的形成。酸雨的危害主要是对生态环境的破坏及建筑物的破坏。 （以下为酸雨的形成过程）2 氮氧化物的形成机理：根据其生成起源与生成途径， 可以分为三类（1）热力型 （2）瞬时性 xNOxNOx（3）燃料型 。x热力型 的形成机理 ： NO（1） O+ NO+N2N+ NO+ON + OH NO+H此三式合称为扩大 Zeldovich 机理。从上述可看出，氧原子起活化链的作用，他起源于 的高温离解。因此温度对 NO 的形成起主要的作用。除此之外，过剩空气系2O数及烟气停留时间同样是影响 NO 的生成因素。如下图所示：NO 之间的转变:+ 2NO (1)2NONO+ N
16、 (2)12（1）次两方程式的化学平衡常数如下图所示：T/K K1 K2 T/K K1 K2300 301611500 1.1* 5101.1* 2-101000 7.5* 91.2* 202000 4.1* 43.5* 3-1200 2.8* 701.1* 12500 3.5* 1-(2)反应 + 2NO 和 NO+ N 在各种不同温度下的 NO 及 N 的含量：2NO22O2OT/k NO/ 61N / 610T/K NO/ 610N / 610300 1.1* 03.3* 51400 250 0.87800 0.77 0.11 1873 2000 1.8对于 N 的形成， K2 随温度升高而减少，因此低温利于 N 的形成，在较高温度下 N2O2O分解成 NO，当温度升高到 1000K 时，N 生成量比 NO 低的多。在烟气排出后，
