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1、主讲教师：黄主讲教师：黄主讲教师：黄主讲教师：黄 庆庆庆庆EmailEmail：PhonePhone：8866031388660313能源与环境能源与环境中南大学人文素质教学课件中南大学人文素质教学课件中南大学人文素质教学课件中南大学人文素质教学课件前言前言l能源与环境是当今世界面临的二大热点问题l能源是工业的食粮，是社会经济的命脉，是人类赖以生存的重要物质基础l解决能源问题的根本途径：开发与节约并重开发与节约并重l环境问题是关系到人类生存和发展重大问题l能源问题与环境问题密切相关课程目的：l了解能源的状况l了解能量转换和利用方法l掌握节能原理与方法l理解能源与环境的关系l了解大气污染防治的一
2、般方法l掌握燃烧污染防治的基本原理与方法课程内容：l第1章能源概论2hl第2章常规能源2hl第3章新能源的开发和利用2hl第4章能量转换与储存4hl第5章能量系统分析5hl第6章工业过程节能4hl第7章能源与环境2hl第8章大气污染控制4hl第9章燃烧污染防冶技术5h课程特点：l内容多，涉及面广，知识性强，实用性强要求与考核：l认真听课，记笔记占25%l完成小论文1篇，3000-4000字占50%l期末考试占25%上课：新校区B-114室第10-17周星期六1-4节教材：周乃君周乃君.能源与环境能源与环境M.长沙长沙:中南大学出版社中南大学出版社,2008作业要求：将作业电子文档保存word文
3、档，以附件形式发送到，发送成功后会收到自动回信。发送邮件时应检查是否联接上附件，邮件主题应该有学院名称和学生姓名。第1章 能源概论 l1.1能量l1.2能源及其分类l1.3能源资源与能源计量l1.4能源结构与社会经济发展的关系l1.5能源利用技术指标l1.6中国能源状况分析l1.7能源政策l1801年，T.杨 提出用“能量”表述mv2。l物质和能量是构成客观世界的基础。l能量是物质运动的一般量度能量是物质运动的一般量度。物质运动有多种形式，表现各异，但可互相转换，表明这些运动有共性，也有内在的统一的量度，即能量。 l宇宙间一切运动着的物体，都具有能量，人类的一切活动都与能量及其使用紧密相关。
4、* 狭义相对论质能关系式E=mc2；光子l所谓能量，也就是“产生某种效果（变化）的能产生某种效果（变化）的能力力”。反过来说，产生某种效果（变化），必然伴随能量的消耗和转换。 1.1能量能量的形式l机械能l热 能l电 能l辐射能l化学能l核 能l内 能机械能l机械能是与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能。 l物体的动能：l重力势能：l弹性势能：l表面能：热能（内能）l构成物质的微观分子运动的动能和势能总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。通常热能Eq可表述成如下的形式： 式中T是绝对温度，K；S是熵，J/K电能l电能是和电子流动
5、与积累有关的一种能量，通常由电池中的化学能转换而来，或是通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电动机转换为机械能，从而显示出电做功的本领。 式中，U是电位差，V；I是电流强度，A 辐射能l辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。l物体的辐射能可由下式计算： 式中是表面黑度系数，c0是波尔兹曼常数，T是物体的绝对温度。化学能l化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。 l按化学热力学定义，物质或物系在化学反应过程中以热能形式释放的内能称为化学能。 核能l核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。 l轻质量的原子核（氘、氚等）和重质量的原子核（铀等）核子之间的结合力比中等质量原
6、子核的结合力小，这两类原子核在一定的条件下可以通过核聚变和核裂变转变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的结合能。这种结合能就是核能。 能量的性质l状态性：能量的大小通常与物质的热力学状态有关l可加性：标量，可以叠加l传递性：伴随物质的运动进行传递l转换性：不同形式的能量在一定条件下可以相互转化l做功性：能量可以用来做功l贬值性：能量在传递和做功过程中，做功能力下降1.2 能源及其分类l所谓能源，是指能够直接或经过转换而获取某种能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源能量的自然资源。在现代汉语辞典中，对能源的注解是“能产生能量的物质，如燃料、水力、风力等”。l大英百科全书对能源的
7、解释为“能源是一个能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类采包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类采用适当的转换手段，给人类自己提供所需的能量用适当的转换手段，给人类自己提供所需的能量”。此外在各种有关能源的书籍中还有一些其它的描述，但不论何种描述其内涵都是基本相同的，即能源就是能量的来源，是提供能量的资源。l在自然界里，有一些自然资源拥有某种形式的能量，它们在一定条件下能够转换成人们所需要的能量形式，这种自然资源称之为能源，如煤炭、煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能核能等。l但在生产和生活中，由于工作需要或是便于输送和使
8、用等原因，常将上述能源经过一定的加工、转换使之成为更符合使用条件的能量来源，如煤煤气、电力、焦炭、蒸汽、沼气和氢能气、电力、焦炭、蒸汽、沼气和氢能等，它们也称做能源，因为它们也为人们提供所需的能量。能源的来源l第一类是来自地球以外天体的能量第一类是来自地球以外天体的能量，其中主要是太阳辐射能，此外，还有其它恒星或天体发射到地球上的各种宇宙射线的能量。太阳辐射能是地球上最主要的能量来源，它除了直接向地球提供光和热外，还是其它一次能源的来源。例如，靠太阳的光合作用促使植物生长，形成植物燃料；另外，水能、风能、海洋能等，归根到底也都源于太阳辐射能。l第二类是地球本身蕴藏的能量第二类是地球本身蕴藏的能
9、量，主要有原子核能和地热能。原子核能是地壳内和海洋中的铀、钍、氘（重氢）等核燃料发生反应时释放的能量。地热能包括已被利用的地下热水、地下蒸汽和热岩层，以及尚无法利用的火山爆发能、地震能等。l第三类能源来自地球与其它天体间的相互作用第三类能源来自地球与其它天体间的相互作用。例如，太阳和月亮对地球表面海水的吸引作用而产生的潮汐能就属此类。 能源的分类l存在于大自然，不经加工可以直接利用其能量的物不经加工可以直接利用其能量的物质称质称“一次能源一次能源”，如：煤炭、石油、天然气、水能、风能、太阳能、原子能、地热能、海洋能、潮汐能等等。l由一次能源经过加工转换而成的产品称由一次能源经过加工转换而成的产
10、品称“二次能源二次能源”，如：电、蒸汽、煤气、焦炭、石油制品、沼气、酒精、氢等。l一次能源根据是否能够“再生”而可分为两类。“再生能源再生能源”是指每年能重复产生的自然能源；“非非再生能源再生能源”是指那些随着开采和使用将会枯竭的能源。l从能源性质来看，可分为“燃料能源燃料能源”和“非燃料能源非燃料能源”两类。l从能源的开发利用的技术成熟性及应用的广泛程度来看，可分为“常规能源常规能源”和“非常规能源非常规能源”。l根据能源的使用过程中对环境的影响，可分为“清洁能源清洁能源”和“不清洁能源不清洁能源”。1.3 能源资源与能源计量l“能源资源”是自然界中某种形式能源的总量，一般用“储量储量”、“
11、探明储量探明储量”、“可采储量可采储量”来表示。l储量储量：采用卫星探测、地质分析等方法，通过宏观统计分析得到的表示地质上有表征与特征显示的估计蕴藏量。 l探明储量探明储量：已探明地层范围及蕴藏确切数量的资源量。l可采储量可采储量：用当前技术水平可能开采，而经济上又可行的那部分储量。据勘探程度又可划分为普查量、详查量和精查量。 注:（）内数字为储采比，年资料来源：BP Statistical Review of World Energy, June 2003 & 2004 能源的计量l（1）直接以物质的量来表示直接以物质的量来表示，如煤、油的吨数，其优点是可以直接表示某种能源资源蕴藏量的多少，
12、缺点是没有考虑资源的品质，缺乏可比性。l（2）以能量单位来表示以能量单位来表示，即用各种能源资源能够转化成的能量数目，以能量的单位来表示，单位有kJ、kWh。考虑到了能源的共性，有一定的可比性，但缺乏直接性。l（3）用能源的当量值表示用能源的当量值表示，即将各种能源所蕴含的能量折算成某种标准煤料的当量数目。这种表示方法兼顾了直接性和可比性，是能源资源量的较好的表示方法，肯定是今后的趋势。l表示方法有煤当量煤当量和油当量油当量l中国、俄罗斯、日本等采用的煤当量煤当量（1kg)1kg)的热值29.3MJ（7000kcal），联合国按28.8MJ（6800kcal），英国按 25.5MJ（6100k
13、cal）计算 。l原煤原煤热值按20.9MJ/kg（5000kcal/kg）折算成煤当量l原油原油热值按41.19MJ/kg（10000kcal/kg）折算成煤当量l天然气天然气热值按9310kcal/m3折算成煤当量l电能电能按1kWh=3.6MJ=860cal，然后折算成煤当量1.4 能源结构与社会经济发展的关系l能源生产结构能源生产结构指各种能源的生产量及其在整个能源工业总产量中所占的比重。l能源消费结构能源消费结构是指国民经济各部门所消费的各种能源量及其在能源消费总量中的比重。l能源结构有明显的地域性地域性l能源结构有明显的阶段性阶段性l能源结构与国民经济发展水平密切相关l能源结构与国
14、民生活水平与质量密切相关资料来源：BP Statistical Review of World Energy, June 2003 & 2004 * Bbl：桶；Mtoe：百万吨油当量资料来源：BP Statistical Review of World Energy, June 2003 & 2004 资料来源：BP Statistical Review of World Energy, 2009年6月 人类社会对能源的开发和利用的阶段性l柴草时期柴草时期（史前16世纪 ）l煤炭时期煤炭时期（ 17世纪1950 ）l石油时期石油时期（19501985 ）l多能互补时期多能互补时期（1985至
15、今 ）1-柴草；2-煤炭；3-石油；4-天然气；5-核裂变能；6-太阳能、核聚变能及其它新能源人类历史上能源消费变更图示意图人类历史上能源消费变更图示意图世界能源消费趋势图世界能源消费趋势图 能源结构与社会经济发展水平的关系l能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础。能源利用的每一个时期，均使社会生产带来新的飞跃。l蒸汽机的发明引起了产业革命；l内燃机的发明，推动了交通运输技术的进步；l电的发明导致了生产工艺机械化、自动化的重大变革；l原子能的发现为人类利用能源开辟了新的途径。能源与经济增长的关系能源弹性系数l能源弹性系数是反应单位国民经济产值（GDP）增长率的变化引起的能源消费增长率变化的状况
16、。其定义式为：。l能源弹性系数越大，说明国民经济产值每增加1时，能源消费的增长率愈高；这个数值愈小，则能源消费增长率愈低。 l国民收入越低的国家越大，工业越发达越小，因为工业化程度越高，生产规模越大，则产品能耗或产值能耗就越低。 能源与生活水平能源与生活水平 l生产力水平发展较高的国家，社会人均年消费能源较高，且工业、运输、民用领域所消费的能源比例基本相当 。l工业发达国家总人口约占世界人口的三分之一，而能源消费总量占世界的80；按人口平均，美国、加拿大和新加坡人均消费能源超过7.0吨标油，世界平均水平约1.5吨标油。l我国人口基数大，人均能源消费量约为世界平均水平的一半，因此人民群众生活质量
17、明显偏低。资料来源：能源经济统计要览（2004），日本能源经济研究所 1.5 能源利用技术指标l能源利用技术指标是用来衡量企业（或设备）的耗能是否合理、用能水平和能源科学管理完善程度的指标，它可以反映一台设备、一道工序、一个企业、一个部门或整个国家的能源利用水平。由于行业不同，设备繁多，一般采用下面三类指标。1.5.1 能耗指标l产品单耗产品单耗l l该指标可以反映某种产品所耗费的能源量，通常采用不同工艺生产同种产品时，其值不同，还可以反映出工艺设备、技术水平、管理水平等综合生产力发展水平。我国工业生产各部门的能耗水平远远落后于国外先进水平，即使在我国，不同企业间差距也很大。Kgce: 千克标
18、准煤l产值单耗产值单耗l产值单耗是反映一个国家生产力发展水平的重要指标。它可以按不同产品，不同企业、不同行业来计算，也可以按社会总产值来计算。2002年我国平均每万元国内生产总值能源消费总量为2.63tce（吨标准煤）。单位GDP能耗可从一个国家的投入和产出的宏观比较来反映一个国家或地区的能源经济效率。 我国我国历年年单位位GDP能耗能耗单位：吨位：吨标准煤准煤/万元万元19801985199019951998200020052006GDP按1990年可比价格计算7.8565.293.943.062.752.832.79GDP为2000年可比价格计算3.983.042.6821.551.41.
19、431.22GDP为2005年价格3.392.592.281.71.321.191.221.2资料来源：根据中国统年鉴2007整理计算目标：2010年万元GDP能耗降到1 1吨标煤注：GDP总量数据来源于IMF “World Economic Outlook Datebase”，2002年9月。 能源消费总量数据来源于世界能源数据提要（2003年），并经换算得出。其它数据通过计算得出 。1.5.2 能源利用效率l能源利用效率主要用来反映热工设备和装置、企业和社会的用能水平，通常用有效利用的能量占总能源消费量的百分比表示。 根据描述对象的不同有以下几种表示方法： l设备热效率设备热效率 该指标是
20、反映工艺设备能量有效利用率的重要指标。各种设备其热效率不同。我国工业锅炉正常运转时效率平均70%左右，而国外先进水平是85%，差距是相当大的。l行业综合热效率行业综合热效率 这是反映能源有效利用的综合性指标。2000年我国煤炭发电效率为33.2%，日本达40.1%；我国钢铁行业综合效率为40%，其它工业国家为50-60%。 l社会能源利用率社会能源利用率 式中 是各部门消费的能源占能源总消费量的比例， 是能源利用率。我国的能源利用率大约30%，只相当于工业国家五十年代的水平。1.5.3 能量回收率l回收率是反映由于能量回收利用所带来的节能效果的指标。1.6中国能源状况分析中国能源状况分析（1）
21、能源资源严重不足l我国常规能源探明总资源量约8200亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1500亿吨标准煤，约占世界探明剩余可采总储量的10，其中煤炭、石油和天然气分别为世界人均水平的70、10和5。l煤炭剩余可采储量为1145亿t，储采比不足百年。l石油剩余可采储量为25亿t，储采比不足二十年。l天然气剩余可采储量为1.51万亿m3，也仅够开采几十年。l我国水能资源较为丰富，理论蕴藏量和经济可开发量均居世界首位，经济可开发装机容量约3.9亿千瓦，年发电量约1.7万亿千瓦时，但水能资源的开发受到环境、淹没、移民等多种因素的制约。l煤层气（瓦斯）资源量为31万亿m3，但尚未成规模开发利用。 （2）能源
22、供应过分依赖煤炭，环境污染问题十分严重）能源供应过分依赖煤炭，环境污染问题十分严重l中国能源供应主要依赖于煤炭，目前煤炭消费占全部能源消费量总量约70。大量消费煤炭，特别是以直接燃烧方式消费煤炭，是造成大气环境污染的主要原因。l大气中90的二氧化硫和70的烟尘排放是燃煤造成的，大气污染造成了土壤酸化、粮食减产和植被破坏，也直接威胁人民身体健康。煤炭燃烧释放大量的二氧化碳，对气候变化也造成很大的影响。（3）能源利用技术落后，能源利用效率低）能源利用技术落后，能源利用效率低l我国单位产出的能耗和资源消耗水平明显高于国际先进水平，火电供电煤耗高22.5，大中型钢铁企业吨钢能耗高21，水泥生产综合能耗
23、高45，乙烯综合能耗高31，建筑物能耗是同纬度国家的34倍。l我国能源利用总效率约为36.8，比世界各国平均利用效率50低10多个百分点，差距的主要原因在于以煤为主的能源结构。资源产出效率大大低于国际先进水平，每吨标准煤的产出效率相当于美国的28.6，欧盟的16.8，日本的10.3。能源利用效率低下，能源浪费严重是影响可持续发展的重大问题。1.7 能源政策l能源政策是一个国家的基本国策。正确制定能源政策，对我国的社会主义现代化建设具有十分重要的意义。能源政策的制定，需要考虑的因素有很多，主要有以下几点：l国家长远的经济发展战略目标和总的经济发展方针l能源资源状况l能源利用的技术水平l国家的财力
24、状况l能源发展的国际环境，包括国际政治经济及国际能源市场的变化趋势，等等。我国的能源政策l我国能源的基本方针：开发与节约并重，近期把节能放在优先地位，对国民经济实行以节能为中心的改造和改革。l正确理解和贯彻能源政策，应当注意以下几个问题：1.能源工业建设以常规能源为主，同时积极研究和开发新能源；2.开发是能源建设的基础，节能是长期的战略方针；3.坚持做好工业的合理布局和能源的合理配置；4.能源工业的发展以电力为中心，积极发展火电，大力开发水电，有计划有重点地建设核电站；5.能源建设要重视环境保护；做到“同时设计、同时施工、同时投产”；6.此外，改革能源工业的投资体制，认真解决好农村能源问题，引用外资等，都是贯彻我国能源政策的几个重要方面，应当予以足够的重视。
