《清洁能源材料导论》哈尔滨工业大学.pdf

能源是推动社会发展和经济进步的重要物质基础,每次能源技术的进步都
会带来能源结构的演变和人类社会的进步。世纪末期蒸汽机的出现,带来
了世界第一次工业革命,煤炭作为蒸汽机的原动力,成为当时的主要能源。
世纪年代,由于石油的大量开采,石油作为优质能源逐渐取代了煤炭,推动
了内燃机、燃气轮机的发展。世纪末,世界经济迅速发展,人们逐渐意识到
煤炭、石油等化石燃料资源面临短缺的危险,加上人们环境保护意识的加强,促
使人们开始努力寻找化石燃料的替代能源清洁能源,其中包括可再生能源
和其他新能源。可再生能源主要包括风能、太阳能和生物质能。新能源指近几
年发展的二次能源技术,如燃料电池、新型二次电池。与核能一样,这些都属于
清洁能源。
清洁能源、新材料、生物技术和信息技术是当今社会发展最重要、最有潜力
的领域,而材料又是新能源、信息技术实现的基础和保证。本书从第章开始
主要介绍核能材料、氢能及应用(燃料电池材料)、太阳能应用及太阳电池材料、
新型电池材料技术的理论基础、发展现状、存在的热点问题和发展趋势。本章
简单论述能源发展趋势,并简要介绍洁净煤技术、材料与能源的关系。
目前世界能源结构呈多元化发展趋势,能源生产和消费走向全球化,在世
界范围内实现替代能源的商业化还存在一定距离时,煤炭、石油和天然气在未
来的年内仍然是主要的能源。近十几年间世界上一次能源增长速度最
快的是核能(表,平均增长率为, 年占一次能源供应的
煤炭消费量从年的下降到年的,化石能源中天然气的
增长速度最大,年平均增长率为,占一次能源消费的左右。
能源结构变化还表现在能源的应用形态上,信息技术的发展促进了小型分
立的可移动电源需求的迅速增长,如新型二次电池在世纪年代后每年销
售量达到十几亿只;电动汽车的发展也促进了燃料电池和二次电池等可移动电
源的发展。
日益加剧的环境污染和对化石燃料资源枯竭的担忧促使世界总体的一次
能源结构将继续向高效、洁净方向发展,提高能源的利用率。
我国煤炭能源的发展
长期以来我国一次能源消费以煤炭为主,占总消费的左右, 年全
国煤炭消费量为亿,大部分用于直接燃烧,而且由于燃煤设备落后,煤
炭质量低下,煤炭利用效率只有年全国排放总量为万,
烟尘排放量万,其中以上与燃煤污染有关,大多数城市如北京、沈
阳、太原等大气污染水平居世界前列。当今,我国的排放量居世界第二位。
过度开采煤矿带来严重的耕地损失、水源污染;煤炭的长途运输给交通和经济
造成极大压力。表给出了我国历年能源消费总量和构成情况。
低效率消费煤已经成为我国经济可持续发展和社会进步的严重阻碍,这已
成为人们的共识。因此,在相当长的时间内能源以煤为主的格局还难以改变的
情况下,必须大力发展以高效洁净利用为宗旨的洁净煤技术。洁净煤技术是在
煤炭开发和利用中减少污染、提高效率的煤炭加工、转化、燃料和污染控制等新
技术,主要包括煤炭烟气脱硫技术(等离子脱硫、辐射脱硫等)、煤炭加工处理技
术(提质降硫的洗选技术、提高燃料效率的水煤浆技术和固硫技术等)、提高燃
料程度的洁净燃烧与发电技术(如循环流化床锅炉)、煤炭液化气化技术(制备
液体燃料和气体燃料)、煤矿区的煤层气开发利用技术、粉煤灰有效利用技术
(在建材领域中应用)。
发展洁净煤技术有利于提高煤炭利用效率,减小粉尘和污染。如采用
先进的洗选技术,可以降低原煤灰分的,脱除黄铁矿硫
,并大幅度降低煤炭的无效运输。对煤实施固硫技术,可使排放减少
,使烟尘排放减少,燃烧效率提高。燃烧水煤浆的
效率达到左右,排放的和烟尘低于国家排放标准。
循环流化床锅炉燃烧劣质煤的效率达到,炉内脱硫率可达。采
用煤的液化气化技术,可以将煤转化为清洁的二次燃料,转化过程脱除硫、灰等
有害物质。而燃烧后的烟气脱硫技术,脱硫率达到以上。
另外,洁净煤技术具有节能的作用,通过该方式的节能可有效地减少了温
室气体的排放。
我国石油和天然气资源短缺,石油进口量逐年加大,石油安全问题成为能
源安全的主要问题。因此,从能源战略和安全角度看,发展洁净煤技术,在很大
程度上可以缓解石油、天然气的供应不足。
未来我国能源发展
洁净煤技术是我国现阶段清洁能源新技术的重点领域。经济的迅速发展,
必然伴随着能源消费量的增加,预计到年我国的一次能源需求量将达到
亿标准煤,届时可获得的煤炭、石油、天然气和水电等总计能源相当于
亿标准煤, 亿标准煤的缺口将从以下几个方面来填补:
部分依靠进口石油和天然气,但这里存在国际市场不确定性和能源安
全无法得到根本保障;
发展可再生能源和新能源,如风能、太阳能和生物质能等,但这些能源