能源利用与节能技术

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1、能源与节能技术作业专业：热能动力设备与应用班级：热能1108班学号：1140150832姓名：郭国飞近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从 自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短 缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问 题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息 息留有生存空间。近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急骤增 加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为 继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地

2、 凸现出来，并还要继续加重。在这样的严峻形势下，每一个能源领域的工作者， 尤其是身上负有责任的各级政府官员，都要充分想到身上的重担。煤现在是、将来（直至血050年或更晚）仍是我国能源的主力，虽然煤在总能 源中所占的比例会逐渐下降（从75%下降到60%），但总量仍会不断增加。煤用 于发电的比例会越来越大，从目前的50%增加到70%以上。煤的开采和直接燃烧 已引起严重的生态和环境污染问题，70%80%以上的SO2、NOx、汞、颗粒物、 CO2等都是由于煤炭直接燃烧所引起的。由于我国石油短缺，车用液体燃料还是 得从煤基替代燃料上找出路。我国2005年进口原油及其成品油约1.3亿吨，估计 2010年将

3、进口石油2.5亿吨，对外依存度将超过50%，这会引起一系列的能源安 全问题。当然，煤炭对我国来说也是稀缺产品，但相对其他能源资源仍可“忍受”， 若每年将煤炭产量的八分之一用于车用液体燃料（或甲醇，或二甲醚，或煤制油） 的生产，从总的能源供应角度不会带来很大的不平衡。前一个时期在我国广泛推广的粮食乙醇，从长远来看很难作为一个有份额的 替代，因为我国的具体情况是：用世界上7%的可耕地来养活世界22%的人口， 这是一个大前提。按现有的技术水平，3.5吨粮食做1吨乙醇，考虑到乙醇的热值， 贝叮吨粮食做1吨汽油当量。此外还要消耗0.50.8吨的煤用于发酵和脱水。若有 1000万吨当量汽油的替代，需用粮食

4、5000万吨,是我国粮食总产量的十分之一强， 这是不可能的。当然，可以考虑用木薯和甜高粱等其他作物来生产乙醇，或是用 秸秆及其他纤维素来制造（目前技术还没有商业化），但后者存在着大规模收集 与运输问题。在煤的直接燃烧条件下很难解决温室气体的减排，因为从电厂的大容积流量 的烟气中收集浓度在13%14%左右的CO2将耗费很多附加的能量，使发电效 率降低10个左右的百分点。目前我国温室气体排放已居世界第2位，近年来还在 不断的快速增长，如此下去在10年或略长一些的时间内将超过美国，居世界第一。可再生能源（主要是风能、太阳能和生物质能）在2020年以前很难在总能源 平衡中占有一定分量的比例，这个情况和

5、欧洲的其他国家在国情上有很大区别。 一些欧洲国家，他们总能耗已经不再增长（或增长很少），可再生能源的发展逐 步替代目前在用的化石能源。而我国却处于总能耗急剧增长之中，单是发电设备 （其中主要是燃煤的发电），每年增长的装机容量是6080GW，超过三个长江 三峡。在这个高速增长量中，可再生能源所能起的作用是很有限的，更不用说去 替代原有的化石能源消耗。譬如说，按国家规划，到2020年风力发电的装机容量 将达30GW （是2005年的24倍），考虑到每单位装机容量的满负荷工作时间平均 只有2500小时，贝O30GW的风电相当于火电12GW左右，也就是2020年我国发电 总装机容量9501000GW的

6、1.2%左右。而于此同时我国的能源发展也面临着的五个严峻的挑战：1. 总量需求的巨大压力从2000到2020年，国家规划全国GDP增长四倍，而能源消耗增长一倍，这 意味着能源弹性系数应为0.5。但是最近三年，这个系数为1.3以上，即能源需求 将远远大于规划。从发展趋势来看，我国工业已进入重化阶段,按世界各国发展 的历史规律来看,能耗迅速增长阶段似不可逾越。问题是这么大的一次能源需求 我们是否能够供应，其所引起的污染是否有足够的环境容量？怎么解决？2. 液体燃料短缺我国石油对进口的依赖度将从40%增加为50%和60%,能源安全如何考虑？ 如何加速石油的替代？我国的汽车工业、石化工业如何用创新的发

7、展模式来适应 这个形势？在车用替代燃料方面我国应以此为契机走出自主创新的道路。3. 环境污染严重污染物质主要是SO2、NOx、PM2.5-10、Hg和CO2，这些 污染物的80%是由于化石能源的应用，尤其是煤的直接燃烧所引起。目前我国有 30%40%的地区（尤其是西南地区）出现酸雨现象，呼吸系统疾病不断增加。 需要认真研究的是我国对这些污染物“可容忍”的环境容量究竟是多少？4. 温室气体排放目前全球每年排放250多亿吨CO2，空气中的CO2浓度，从工业化150多年 以来，已从280ppm增至380ppm，目前以3ppm/年的速度增长。温室气体对地球 将形成的灾难性后果，在经历了长期的争论后，全

8、世界的学者已有共识。所以， 全世界都在采取多种措施减排CO2，我国已于2002年成为“京都议定书”的第37 个签约国。总的来说，作为一个负责任的大国，我国在不远的将来必然要承担一 定量、甚至大幅度温室气体的减排任务。因而，从战略高度、从现在开始就应该 认真考虑我国CO2如何分阶段减排的有关战略技术和政策问题，否则的话，在 今后几十年我国将会为此付出更多的代价。5. 八亿农民及城镇化所需能源的供应到目前为止，有相当数量的农民没有得到良好的能源服务，他们仍依赖当地 的农业废弃物（秸秆、柴草等）作为主要能源，有些地方甚至仍在砍伐森林和破 坏生态。此外，我国城镇化率以每年1%在增长，每年有将近一千万人

9、口进入新 的城镇。据统计，每个城镇居民人均所消耗的能源是农村人均的3.5倍。这部分 份额巨大的能源应来自何处？怎样才能结合社会主义新农村的建设提供给广大 农村和新建中、小城镇符合中国国情的现代化能源服务,以减少生态破坏，减少 室内污染，提高农民生活质量这是整体能源战略的重要组成部分。以上这五点是我国能源面临的严峻的挑战，能源战略、能源科技、能源政策 都应以解决以上五点为出发点和落脚点。整个能源、环境问题是一个庞大的系统工程，牵涉到科学、技术、文化、历 史传统、教育、外交、政治等方面，且这些方面是相互耦合、相互影响的。我国 的能源发展也要从自身情况考虑，采取最合理的方案。1节能为本我国虽然人均资

10、源短缺，供应压力较大，但另一方面单位GDP的能耗强度 很大，大约是日本的56倍，其原因是多层次的：工业结构的原因。如高能耗、低附加值的产业；制造业缺乏自主创新，处于 低端；第三产业不够发达技术相对落后的原因。我国发电、水泥、炼钢、电解铝等的单位能耗都比先 进技术低20%30%。政策方面的原因。节能往往是软指标，政策相互不配套，贯彻不力，统计混 乱，一般号召多，落实少。用能企业、机关、个人没有真正节能的驱动力和意识。传统习惯、文化、观念、道德层面的原因。从某种意义上讲，人们没有把节能作为自己的行为准则，在消费模式方面不 加选择地模仿西方，更有甚者以奢侈、豪华为荣。中央提倡的循环经济，资源节 约型

11、社会，多是在口号上跟得很快，表面文章多，政绩工程多，扎扎实实的实效 工作少。从科学技术层次考虑，节能有非常大的覆盖面，从基础研究到应用研究，一直到 节能产品的研发和商业化推广，有大量的工作。例如，强化传热、传质，两相、 多相流动，可再生能源（太阳能、风能、生物质能、地源冷热能，以及由这些能源应用 组成的复合系统）的高效、合理利用，新型蓄能（热、电）装置，新型的热力系统，复杂工 业系统的集成、优化其实，节能本身就是一种能源，而且是最最清洁”的能源，在这方面我国的 潜力是极大的，这给广大的科技工作者、政策制定者提供了十分广阔的发挥聪明 才智的天地。2煤的现代化利用如前述，我国的一次能源在相当长的一

12、段时间内主要是煤，而煤的直接燃烧 引起严重的环境问题，因而，煤的现代化利用以煤的气化为龙头的多联产系统是对应我国能源问题严重挑战的战略方向。煤基多联产系统的框图如下：煤经气化后成为合成气（CO H2），净化以后可用于生产化工原料、液体燃 料（合成油、甲醇、二甲醚）和电力。这些生产过程的能量流、物质流、火用流 （exergy ）按最优原则耦合在一起，比分别生产相关产品在基本投资、单位产品 成本，污染的排放（硫、汞、颗粒物）、环境等方面都有显著的效益。这种多联 产系统在化工产品、液体燃料和电力之间可以按市场需求或是发电的“峰-谷”差 适当调节，有很好的灵活性。多联产系统所生产的液体燃料，尤其是甲醇

13、和二甲醚是绝好的煤基车用替代 燃料，可以有份额的缓解我国石油的短缺。同时，甲醇还可以用来生产烯烃和丙 烯，用煤化工去“替代”一部分传统的石油化工，以减少石油消耗。二甲醚是一种 物理性质与液化石油气（LPG ）相近的化工产品，除了替代柴油外，是一种绝好 的民用燃料，可以给城市和一些缺乏能源的地区提供清洁能源服务。在整个工艺过程中可以捕捉（Capture）高浓度、高压的CO2，为温室气体 减排创造条件，所耗费的能量与成本比常规电站烟气中捕捉CO2低得多。随着技术的进一步发展，例如大容量高温固体氧化物燃料电池（SOFC）的 商业化，这类多联产系统把SOFC耦合进来，还有很大提高效率的潜力，使发电 效

14、率提高到60%65%，这将是发电的一个新的里程碑。这种多联产系统组成部件的绝大部分技术是成熟的，如大型煤的气化装置 （20005000吨/天）、各种化学反应器和相应的催化剂、燃用合成气的燃气/蒸汽联合循环 等。只要我国各部门（煤炭、化工、电力）打破行业界线，通力合作，加上国际合作， 在35年内就有可能建立大型的示范多联产装置，并在2020年前后有相当数量的 推广。这类多联产系统有很大的进一步提高能源利用效率、减少环境污染的潜力。 要研究的关键技术如：温室气体的捕捉和埋存（简称CCS）；多种不同配置 的系统的集成、优化；系统的变工况运行，系统的动态特性；系统的最优控 制策略，系统的安全运行及故障

15、诊断；用膜技术来代替目前的空分（A鄄SU）； 收率更高的一次通过的浆态床技术；用膜技术来低耗能地分离CO2和H2； 用更高初温、燃用合成气或是富氢气体、甚至纯氢的燃气/蒸汽联合循环；把 SOFC耦合到整个系统中来.3煤基醇醚燃料的应用和车用动力如上述，液体车用燃料的短缺将是我国现代化发展的瓶颈,尤其是我国汽车 工业和汽车保有量近年来迅速的增长。2005年我国生产汽车570万辆，仅次于美 国和日本，居世界第三。2005年比2004年汽车保有量增加20%。近年来车用燃料 消费量增长很快，平均约为12%, 2005年全国汽油消耗是4770万吨，柴油消耗是 8513万吨。在我国石油储量、产量不多和车用

16、液体燃料必须安全供应的形势下， 煤基醇醚燃料的替代成为我国必然的战略方向。用于替代汽油的甲醇有很高的辛烷值，在汽油机车应用可以提高压缩比（从9到 12,甚至14），从而提高发动机的热效率。按热值，汽油和甲醇是2 ：1，但由于 效率提高，甲醇替代汽油可以做到1.6 ：1。当然，燃用甲醇也有一系列问题，如 金属腐蚀，橡皮元件溶胀，冷启动困难，非常规排放物（甲醛等）等，但是经过 多年努力，这些问题都可得到适当的解决。甲醇低比例掺烧（10%）对原发动机 只需作小量的改动，而高比例（85%）或是纯甲醇，则需重新设计发动机，对此， 国内有关研究单位已设计并成功试运行纯甲醇汽车。当然，在这方面还需进行大 量的科研和开发工作，在使用中积累经验，不断改进。用于替代柴油的二甲醚（DME）有很高的十六烷值，燃烧完全，排放满足 欧IU经优化它可满足欧W标准。NOx排放比