第六章--能源与地质..

第六章能源与地质环境•能源与能源环境概述•能源开发对地质环境的影响《环境地质学》第六章能源与地质环境5.1能源与能源环境概述一．能源的概念及分类二．常规能源的供给与需求三．能源环境问题概述《环境地质学》第六章能源与地质环境一、能源概念及其分类1.概念能源的科学定义是指能为人类利用并可获得能量的资源。包括提供某种形式能量的物质资源和某种物质的运动形式。矿物燃料、风力、水力、太阳能等都是能源。《环境地质学》第六章能源与地质环境1.按照能源的生成方式划分：一次能源：也叫初级能源，是自然界现已存在，可以直接使用而不改变其基本形态的能源，如煤炭、石油、天然气、水力、太阳辐射等二次能源：也叫次级能源，是指由一次能源加工转换得到的产品能源，如电能、汽油、沼气、火药、酒精等。《环境地质学》第六章能源与地质环境（二）能源的分类2.按照能源的形成和再生性划分可再生能源一般指不会随人类的开发利用而递缩的能源，既能够重复产生的自然资源，如水力、潮汐、太阳辐射、风力、地热等。不可再生能源指经过漫长的地质年代生成，一旦使用在短期难以再生成的能源，如化石燃料、核燃料等。《环境地质学》第六章能源与地质环境（二）能源的分类3.按照能源的利用历史和使用状况划分常规能源指在一定历史时期和科学技术水平下，已经被人类广泛应用的能源。水力、煤炭、石油、天然气、核裂变材料等均属常规能源。新能源是由于科学技术进步新发现的能源资源或利用先进技术新开发的能源产品；过去曾被利用过而现在又以新的方式利用的能源也属于新能源。太阳能、地热能、海洋能、沼气、风能等。《环境地质学》第六章能源与地质环境（二）能源的分类4.按能源使用的方式划分燃料性能源指通过直接燃烧而产生能量的能源，如矿物燃料、生物燃料、核燃料等。非燃料性能源是指不需通过燃烧就可获得能量的能源，如风能、水能、潮汐能、地热能、太阳能等。（二）能源的分类《环境地质学》第六章能源与地质环境二、常规能源的供给与需求（一）常规能源的供应情况常规能源主要包括煤炭、石油、天然气、核裂变材料235U和水力等。1.矿物燃料矿物燃料的产出几乎遍布全球，但它们在地质时代和空间上的分布相当复杂。《环境地质学》第六章能源与地质环境中国主要煤炭聚煤时期有：古生代的石炭二叠纪，中生代的侏罗纪，新生代的第三纪等。地区分布：前苏联拥有最大的煤炭储量，其次是北美洲和中国；近60％的石油储量分布在中东，其次是北美、南美。《环境地质学》第六章能源与地质环境目前世界各国尚无统一的矿产储量分级标准。欧美国家多采用三级制，如美国、加拿大等国划分为“证实”、“近似”、“可能”储量三级，美国称作“确定”、“推定”和“推测”储量。前苏联采用五级制（A1、A2、B、C1、C2）。《环境地质学》第六章能源与地质环境中国根据地质部和全国矿产储量委员会所制定的标准，规定矿产储量分为四类五级：第一类为开采储量——A级，探明程度最高，可作为企业编制生产计划的依据。第二类是设计储量——B＋C级，探明程度较高，可作为大中型矿山企业设计和建设投资的依据。第三类为远景储量——D级，探明程度最低，仅作为进一步布置地质勘探工作和矿山远景规划的依据。第四类是地质储量——不作探明储量级别，又称预测储量，是根据地质测量、成矿规律等预测的储量，仅作矿产普查设计之用。2.水力资源水能资源指水体的动能、势能和压力能等能量资源。是自由流动的天然河流的出力和能量，称河流潜在的水能资源，或称水力资源。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源；狭义的水能资源指河流的水能资源。3.核能3.核能核能资源指用于裂变反映的铀、钍和聚变反应的氘、氚及锂等核燃料资源。其中铀是最重要的天然核燃料。铀矿石大都呈氧化物状态赋存于陆地，一般品位为0.1～0.5％。海水中虽含有大量铀，但浓度极低，目前尚难利用。世界陆地铀矿的探明储量为145.55万吨（1983年），主要分布于美国、南非、澳大利亚、加拿大和尼日利亚等国。此外海水中含有核聚变燃料约45万吨。据联合国国际原子能机构于1990年1月公布的世界铀资源（不含前苏联、东欧及中国）低成本储量为230万吨。按国家统计，以澳大利亚为最多，其次为南非、加拿大、美国、尼日尔、纳米比亚等国。国际原子能机构于1991年正式公布，前苏联铀资源可靠储量69万吨、潜在资源量120万吨。德国和捷克的铀资源也都在几十万吨以上。中国同世界水能资源大国可开发的水能资源比较项目国别年发电量装机容量总量(亿千瓦小时)占世界%1990年人均量(千瓦小时)1990年开发程度(%)万千瓦占世界(%)1990年人均量(千瓦)世界193060100.0364215220000100.04150中国192331016826.63785317.23310原苏联109505.73794212690012.29321巴西81714.2543324150006.89975美国70153.6280631186708.57468扎伊尔66003.4185604132006.037120加拿大53522.8201806394504.335633《环境地质学》第六章能源与地质环境表2.2.1主要核电国家核电站装机容量占世界总量的比重（%）（1990和1993年）1990年总量：32661万千瓦1993年总量：35624万千瓦美国30.529.4法国17.416.9原苏联11.3俄罗斯5.9日本9.811.1德国76.3加拿大4.34.7英国3.64.0其他国家16.121.7一、常规能源的供给与需求（二）能源消费表2.3.1世界能源消费总量和构成的变化年份煤炭(%)石油(%)天然气(%)水电核电(%)消费总量(亿吨标准煤)人均消费量(千克标准煤)193773.519.95.41.219.1832195061.527.09.81.724.9923196052.032.014.02.042.41408197030.848.418.62.270.71762198031.243.421.93.585.41918199027.338.621.712.4114.82172199229.336.424.310.0109.51993199826.739.923.52.6+7.3109.51993《环境地质学》第六章能源与地质环境三、能源环境问题概述能源环境问题就是指人类在开发和利用能源过程中对环境造成的危害，以及这种危害反过来对人类社会的影响。生态环境的破坏、环境污染目全球主要能源环境问题有：温室效应、酸雨、臭氧层破坏、烟雾和热污染等。《环境地质学》第六章能源与地质环境（一）温室效应温室效应的表现：与100年前相比，现在全球平均温度提高了约0.6℃。计算机测算表明，再过40~50年,全球温度将比现在提高1.0~3.1℃。变暖的速度比19世纪快了10~50倍。温室效应：大气中的某些组分，如CO2、H2O等气体能让太阳短波辐射通过，但却可以强烈吸收长波辐射，就像温室中的玻璃一样，使地表大气温度提高，所以称为温室效应。《环境地质学》第六章能源与地质环境温室气体：最主要的是CO2、其次有O3、CH4、N2O,还有CFC等。CO2:12500nm~17000nm大气窗口：7500~13000nm(70~90%),O3、CH4、N2O,还有CFC等。二氧化碳变化的主要原因为：矿物能源总消耗量大幅增加；大面积森林及植被破坏。危害：1.海平面上升冰川融化、海水膨胀2.气候变化3.对生物多样性的影响4.对人类的影响（二）酸沉降酸性降水是指通过降水，如雨、雪、雾、冰雹等将大气中的酸性物质迁移到地面的过程称为湿沉降。最常见的就是酸雨。干沉降是指大气中的酸性物质在气流的作用下直接迁移到地面的过程。这两种过程共同称为酸沉降（aciddeposition）。《环境地质学》第六章能源与地质环境1.降水pH(1)与CO2(330ppm)平衡的天然水pH=5.6(2)上述标准存在的问题：pH=5.6不是中性溶液；自然干净大气除了CO2外还存在SO2、NH3等微量气体。取CO2浓度为330ppm,SO2浓度为8ppbv,NH3的浓度为6ppbv，而且不考虑凝结核的作用，经计算，0℃时，纯水与上述大气微量成分达到平衡式的pH为4.9。考虑到未污染大气SO2浓度应低于8ppbv，那么，未污染大气降水的pH应比4.9略高一些。取pH=5.0作为未被污染大气降水的pH标准可能更合适。4.酸雨的化学组成酸雨现象是大气化学过程和大气物理过程的综合效应。酸雨中含有多种无机酸和有机酸，其中绝大部分是硫酸和硝酸，多数情况下以硫酸为主。从污染源排放出来的SO2和NOX是形成酸雨的主要起始物，其形成过程为：式中：[O]—各种氧化剂。2322242332224223322HNOHNOOHNONOONOSOHOHSOSOHOHSOSOHOHSOSOOSO《环境化学》第二章大气环境化学大气中的SO2和NOX经氧化溶于水形成硫酸、硝酸和亚硝酸，这是造成降水PH降低的主要原因。除此自外，还有许多气态或固态物质进入大气对PH也会产生影响。大气颗粒物中Mn、Cu、V等是酸性气体氧化的催化剂。大气光化学反应生成的O3和HO2等又是SO2的氧化剂。飞灰中的氧化钙，土壤中的碳酸钙，天然和人为来源的NH3以及其他碱性物质都可使降水的酸中和，对酸性降水起“缓冲作用”。当大气中酸性气体浓度高时，如果中和酸的碱性物质很多，即缓冲能力很强，降水就不会有很高的酸性，甚至可能成为碱性。（三）烟雾事件硫酸烟雾也称为伦敦型烟雾，最早发生在英国伦敦。它主要是由燃煤而排放出的SO2、颗粒物以及由SO2氧化所形成的硫酸盐颗粒所造成的大气污染现象。这种污染多发生在冬季，气温较低、湿度较高和日光较弱的气象条件下1952年12月在伦敦发生硫酸烟雾型污染事件。当时伦敦上空受冷高压控制，高空中的云阻挡了来自太阳的光。地面温度低，上空又形成了一逆温层。大量家庭的烟囱和工厂所排放出来的烟就积聚在低层大气中，难以扩散，这样在低层大气中就形成了很浓的黄色烟雾。在硫酸型烟雾的形成过程中，SO2转变为SO3的氧化反应主要靠雾滴中锰、铁及氨的催化作用而加速完成。当然SO2的氧化速度还会受到其他污染物、温度以及光强的影响。•含有NOx和HCs等一次污染物的大气，在阳光紫外线的强烈照射下发生反应,产生氧化性很强的产物，如O3,醛类（RCHO),过氧乙酰硝酸酯（PAN),硝酸（HNO3)和过氧化氢（H2O2)，所产生的产物及反应物的混合物被称为光化学烟雾。它的特征是烟雾呈淡蓝色，具有强氧化性，能使橡胶开裂，刺激人的眼睛，伤害植物的叶子，并使大气的能见度降低。1944（43）在美国洛杉矶首次出现，因此，光化学烟雾也称为洛杉矶型烟雾。随后，日本的东京、大阪，英国的伦敦以及澳大利亚、德国等的城市也出现了烟雾现象，引起人们的重视。1974年在我国的兰州西固地区也观测到光化学烟雾污染。项目硫酸烟雾光化学烟雾概况发生较早（1873年），至今已多次出现发生较晚（1943年），发生光化学反应污染物颗粒物，SO2，硫酸雾等碳氢化合物，NOX，O3，PAN,醛类燃料煤汽油，煤气，石油气象条件季节冬夏，秋气温低（4℃以下）高（24℃以上）湿度高低日光弱强臭氧浓度低高出现时间白天夜间连续白天毒性对呼吸道有刺激作用，严重时导致死亡对眼和呼吸道有强刺激作用。O3等氧化剂有强氧化破坏作用，严重时可导致死亡表硫酸烟雾与光化学烟雾的比较注：本表摘自王晓蓉，1993《环境化学》第二章大气环境化学（四）臭氧层破坏臭氧层存在于对流层上面的平流层中，主要分布在距地面10-50km范围内，浓度峰值在20-25km处。由于臭氧层能够吸收99%（200-300nm）以上来自太阳的紫外辐射，从而保护了地球上生物不受其伤害。臭氧层对地球上生命的出现、发展以及维持地球上的生态平衡起着重要作用。臭氧层破坏的化学机理（的基本光化学过程）平流层臭氧来源于平流层O2光解：平流层中臭氧的消除途径有两条（后者为真正清除）：上述生成和消耗过程同时存在，正常情况下它们处于动态平衡，因