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第八章能源工业的绿色化教教学目的：掌握生物质能的研究与开发；可再生能源与可持续发展；理解化石燃料清洁利用技术；清洁能源的开发利用。教学重点和难点：生物质能的研究与开发；可再生能源与可持续发展；教学环境：讲授教学参考资料：见本教案第二页教学过程第一节化石燃料清洁利用技术8.1.1能源消耗对环境的影响化石燃料（主要包括石油、天然气、煤等）是目前世界上使用的主要能源，其开采、加工、运输和燃烧耗用对环境都有较大的影响，主要表现如下：1.环境污染化石燃料燃烧产生的污染物主要包括CO、CO2、SO2、H2S、NOX、CH3SH等，另外还包括飞灰、各种微量金属元素、放射性微粒、重金属Hg、Cd、Pb、Zn等。化石燃料燃烧（主要为煤炭燃烧）中所产生的SO2和NO2则是产生酸雨的主要原因。酸雨会以不同的方式影响人类健康和破坏生态系统，危害性极大，已成为全球面临的主要环境问题之一。2.温室效应大气中除了氮气和氧气，还存在着一些微量气体，其中一些微量气体如水汽、CO2等对太阳短波辐射是透明的，而对长波辐射有很强的吸收能力，它们可以吸收地表发出的长波辐射，使一部分地面辐射的热量保留在大气层中，具有像温室一样的保温效果，被称为温室效应。由于CO2在大气中的含量比其他温室气体量大，因此成为目前最主要的温室气体。温室效应造成的气温升高将会引起和加剧传染病流行，心脏病、高血压和与热有关的疾病发病率和死亡率也随着夏季高温天数的增加而加剧。CO2量的增加还将造成全球大气环流调整和气候带向极地扩展。包括我国北方在内的中纬度地区降水将减少，加上升温使蒸发加大，因此气候将趋干旱化。8.1.2煤炭的洁净燃烧与高效利用技术煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，占世界化石燃料储量的92%，是除石油以外的世界第二大需求能源。煤的碳含量高，氢含量少（只有5%）。此外，还含有少量的氮、硫、氧等元素以及无机矿物质。煤燃烧后排放的粉尘，SO2、NOx、CO、CxHy、CO2等气体对大气环境造成了严重污染和破坏。20世纪80年代中期，洁净煤技术在美国兴起，洁净煤技术是指在煤炭开采、加工转化、燃烧和污染控制等方面减少污染和提高利用效率新技术的总称。洁净煤燃烧技术是国际上目前最先进的燃烧技术，该技术能够较好的解决环保问题和节能问题，发展和推广这一新技术，使之作为我国促进以煤为主的能源生产体系向资源节约和环境无害的可持续模式转变的关键战略措施之一，它是改变我国目前能源结构的主要措施，已受到国家的高度重视。第二节生物质能源的研究与开发生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。生物质能包括自然界可用作能源用途的各种植物、人畜排泄物以及城乡有机废物转化成的能源，如沼气、生物柴油、林业加工废弃物、农作物秸秆、有机垃圾和其他野生植物等，它的能量始源于太阳能，是一种环境友好型、可再生的“绿色能源”。生物质能具有可再生、低污染、分布广泛和易燃烧灰分低等优点，但亦有分布较为分散、能量密度、热值及热效率低等不足。8.2.1国内外生物质能利用现状1.国外生物质能利用概况日本的新阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。在德国，生物质被用来和煤混合使用于发电、产气等。英国建立了要在十年之内国家电力需求的10%来自生物质的目标。欧盟在1998年白皮书上提出，到2010年生物质能利用，占能源消耗总量的12%，是1998年的5.6%的2倍还多。法国建立了要在2年之内将生物质燃料的产量提高3倍的目标，使能源作物种植面积达到100万公顷，并最终成为欧洲生物质燃料生产的第一大国。有科学家预言，至2050年，生物质能源将提供世界60%的电力和40%的液体燃料（植物石油、酒精），使全球CO2的排放量大幅度减少，生物质能有可能成为未来可持续发展能源系统中的主要能源。2.我国生物质能利用现状生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源资源，占全部能源消耗总量的20%。我国对生物质能源利用极为重视，已连续在4个五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用新技术的研究与开发，取得了较大的进展。生物质气化方面，近年来国内科研单位取得了明显进展。8.2.2生物质能利用技术1.生物质热解综合技术生物质热解综合技术是生物质在反应器中完全缺氧或只提供有限氧和不加催化剂条件下，高温分解为生物炭、生物油和可燃气的热化学反应过程。生物质热解后，其能量的80%～90%转化为较高品位的燃料。农业、林业废弃生物质热解产生的固体和液体燃料燃烧时不冒黑烟，废气中含硫量低，燃烧残余物很少，减少了对环境的污染。分选后的城市垃圾和废水处理生成的污泥经热解后，体积大为缩小，臭味、化学污染和病原菌被除去，在消除公害的同时，获得了能源。热解所用原料和工艺不同，所得生物炭、生物油和燃料气3种产品的比率及其热值也有差异。2.生物质气化技术3.生物质液化技术生物质液化技术是指通过化学方式将生物质转换成液体产品的过程。液化技术主要有直接液化和间接液化两类。直接液化是把生物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应，制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成化工产品。间接液化就是把生物质气化成气体后，再进一步进行催化合成反应制成液体产品。这类技术是生物质的研究热点之一。生物质中的氧含量高，有利于合成气（CO+H2）的生成，其中的N、S含量和等离子体气化气体中几乎无CO2、CH4等杂质存在，极大地降低了气体精制费用，为制取合成气提供了有利条件。4.生物化学转化技术生物质制取燃料酒精：纯酒精或汽油和酒精的混合物都可作一次性燃料。制液体酒精的原料可分为三大类：一是含糖类，如甘蔗；二是含纤维素类，如农作物秸秆、颖壳，木材和其加工剩余物等；三是含淀粉类，如甘薯、玉米、小麦等。根据生物质所含成分的不同，其液化方法也不同，但其技术都已很成熟。8.2.3生物柴油1.什么是生物柴油生物柴油是指以大豆、棉籽和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料与甲醇进行酯交换制成的脂肪酸甲酯，它是一种洁净、可再生的生物燃料，一种优质的石油柴油代用品。柴油分子是由15个左右的碳链组成的，植物油分子则一般由14～18个碳链组成，与柴油分子中碳数相近，因此取名生物柴油。2.生物柴油的特性与常规柴油相比，生物柴油具有下述优良的特性。（1）具有优良的环保特性。（2）具有较好的低温发动机启动性能。（3）具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。（4）具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的安全性又是显而易见的。（5）具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。（6）具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。（7）无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。（8）生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。3.生物柴油的生产方法（1）化学法生产（2）生物酶合成法（3）“工程微藻”法4.生物柴油标准5.生物柴油的应用现状欧盟是全世界生物柴油发展最快的地区，2004年生产能力达225万吨，规划2010年产量达到800～1000万吨，占柴油市场份额的5.75％，2020年这一比例将达到20％。美国、加拿大、日本、韩国等国家也纷纷加大生物柴油的发展力度。（1）美国（2）欧洲（3）加拿大（4）我国6.前景展望8.2.4燃料乙醇1.什么是燃料乙醇2.燃料乙醇的性能指标3.燃料乙醇的特点4.燃料乙醇的生产工艺技术5.燃料乙醇生产现状和应用领域1）世界燃料乙醇发展趋势2）我国燃料乙醇生产现状及展望3）燃料乙醇的应用领域（1）车用燃料（2）燃料电池的燃料（3）成为以乙烯为原料的石化工业的基础原料8.2.5生物质能发电1.生物能发电技术2.生物质能发电必须考虑的条件（1）稳定供应。为消除生物质的季节依赖性，可采用多种燃料相互补充的措施。（2）低环境污染。从环境的角度看，希望减小二氧化碳的排放量，希望减小氮氧化物、硫化物的排放。（3）高效率。希望发电出力与投入燃料能量之比（发电效率）越大越好。在使用锅炉、汽轮机等以蒸汽为动力的发电系统中，发电效率可以分解为锅炉效率（有效蒸汽热出力与投入燃料之比）与蒸汽循环效率（发电出力与有效蒸汽热出力之比）两项。8.2.6生物质制氢1.各种制氢技术的特点2.生物质制氢技术3.我国生物质制氢技术工艺存在的问题8.3清洁能源的开发利用8.3.1太阳能太阳能是指太阳所负载的能量，它一般以阳光照射到地面的辐射总量（包括太阳的直接辐射和天空散射辐射的总和）进行计量，是一种取之不尽、对环境无污染的可再生能源。太阳能发电技术主要包括三种技术：一种是利用光热转换把太阳能转换为热能，利用热能发电；另一种是利用光电转换直接把太阳能转换为电能，即光伏电池发电（PV）技术；还有一种是通过太阳能－化学能转换，将水分解成氢和氧，利用氢能来发电。1.光热发电技术聚光类太阳能热发电（以下称太阳能热发电），即利用聚光集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环持续发电的技术。2.光伏电池发电技术由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光的能量转换成电能，此种进行能量转化的光电元件称为太阳电池（SolarCell），也可称之为光伏电池。3.光能转化为化学能光电化学过程是光作用下的电化学过程，即分子、离子及固体等因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。光电化学反应是在具有不同类型（电子和离子）电导的两个导电物相的界面上进行的。正如电化学反应一样，光电化学反应体系也伴随着电流的流动。它通常研究在电化学体系中涉及光能和化学能相互转换的各种过程，其中最常见的为通过光电化学反应把光能转变成化学（或电）能并伴随有在光照下的电化学电池中出现光电流的过程，以及其逆过程即化学（或电）能转换为光能（例如电致化学发光过程）。8.3.2风能8.3.3地热8.3.4海洋能8.4可再生能源与可持续发展8.4.1可再生能源能源具有三个基本的特征，即利用的相互替代性，传递与转化性，品质的差异性。而可再生能源的特征，则可从如下几个方面反映：（1）丰富性：指可再生能源在来源与数量方面是无穷无尽的，永远不会枯竭。（2）清洁性：指可再生能源在生产制造及使用过程中，不会产生如常规能源的各种污染物。（3）地方性：指可再生能源是地方能源，既可就地利用，又受制于地区的自然环境特点。（4）经济性：指可再生能源应用尽管其早期在建设、运行成本方面高于常规能源，但在环境控制、环境保护成本等方面低于常规能源。8.4.2可持续发展可持续发展的两大基本主题是：人与自然、人与人。它的三个最明显的内涵是:发展度、协调度、持续度。可持续发展一方面成为全球或国家的战略目标选择，另一方面又成为诊断区域开发及其是否健康运行的标准。中国的可持续发展能源战略至少应考虑两方面的内容，一是如何确保经济合理的持续的能源供应和高效使用能源，二是解决和能源过程有关的环境问题。1.坚持节能战略，走可持续发展之路2.加快发展天然气，力求实现能源结构的转变3.经济与环保效益相结合，实施煤炭的清洁利用4.注重环境保护，实施能源的可持续发展复习思考题1．什么是可再生能源？它主要有哪些特征？2．叙述温室效应的形成及其危害。3．煤加工技术主要分为哪几种？对其推广应用具有何种意义？4．简述煤气化技术。5．阐述生物质能源的优缺点以及对其进行研究的意义。6．对生物质能的利用主要分为哪几种形式？7．举例说明几种清洁能源开发利用的形式。8．地热资源分为哪几类？目前对地热资源的利用有哪几种形式？9．从能源利用的方面考虑，应如何走好可持续发展道路？教学与反思