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简介
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第二章 能量的转换
本章主要内容
主要的能量转换过程
能量的储存
第一节 主要的能量转换过程
概述
化学能转换为热能
热能转换为机械能
机械能转换为电能
能量的转换
能量转换是能量最重要的属性，也是能量利用中的最重要的环节。
通常所说的能量转换是指能量形态上的转换。
能量转换包括：能量在空间上的转移，即能量的传输；能量在时间上的转移，即能量的储存。
能量转换过程必须遵守能量转换和守恒定律，即：
输入能量-输出能量=储存能量的变化
能量的转换
在国民经济和日常生活中用得最多、最普遍的能量形式是热能、机械能和电能。
它们可以由其它形态的能量转换而来，它们之间也可以互相转换。
任何能量转换过程都需要一定的转换条件，并在一定的设备或系统中完成。
概 述
在能源利用中最重要的能量转换过程是将燃料的化学能通过燃烧转换为热能，热能再通过热机转换成机械能。
机械能可以直接利用，也可以转换成电能。
将燃料的化学能转变为热能是在燃烧设备中实现的。
主要的燃烧设备有锅炉和各种工业炉窑。
概 述
将热能转换为机械能是目前获得机械能的最主要的方式。
转换过程通常是在热机中完成。
应用最广的热机是内燃机、蒸汽轮机、燃气轮机等。
内燃机主要为各种车辆、工程机械提供动力。
蒸汽轮机主要用于发电厂中，也可作为大型船舶的动力，或拖动大型水泵、压缩机、风机。
燃气轮机除了用于发电外，还是飞机的主要动力源，也可用作船舶的动力。
化学能转换为热能
燃料燃烧是获取热能的最主要方式。
能在空气中燃烧的物质称为可燃物，但不能把所有的可燃物都称作燃料（如米和沙糖之类的食品）。
所谓燃料，就是能在空气中容易燃烧并释放出大量热能的气体、液体或固体物质，是能在经济上值得利用其发热量的物质的总称。
燃料通常按形态分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。
化学能转换为热能
天然的固体燃料有煤炭和木材；人工的固体燃料有焦炭、型煤、木炭等。其中煤炭应用最为普遍，是我国最基本的能源。
天然的液体燃料有石油（原油）；人工的液体燃料有汽油、煤油、柴油、重油等。
天然的气体燃料有天然气，人工的气体燃料则有焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。
化学能转换为热能
燃烧反应是一个氧化反应。
燃料中的可燃元素碳、氢、硫和空气中的氧激剧化合时发出显著的光和热。
通过燃料燃烧将化学能转换为热能的装置称为燃烧设备。其中锅炉就是典型的燃烧设备，它是通过化石燃料的燃烧将燃料的化学能转换为高温烟气的热能，并用热能加热水使之变为蒸汽。
有关燃烧的知识
燃料燃烧的必要条件
燃烧所需的空气量
燃烧产生的烟气量
燃料燃烧的必要条件
必须要有能燃烧的可燃物（燃料）；
必须要有使可燃物着火的能量（热源），即使可燃物的温度达到着火温度以上；
必须供给足够的氧气和空气。
为了维持燃烧，还必须保证：
（1）必须把温度水平维持在燃料着火温度以上；
（2）必须把适当的空气量以正确的方法供应给燃料，使燃料能充分地与空气接触；
（3）必须及时而妥善地排走燃烧产物；
（4）必须提供燃烧所必须的足够空间（燃烧室）和时间。
不同燃料的燃烧特点
煤的燃烧
油的燃烧
气体燃料的燃烧
煤的燃烧
煤的燃烧基本上有两种形式：第一种是煤粉悬浮在空间燃烧，称为室燃或粉状燃烧；第二种就是煤块在炉排上燃烧，称为层燃或层状燃烧。
煤的燃烧技术
目前煤的燃烧方式主要是煤粉燃烧和流化床燃烧。我国大型锅炉和工业窑炉大多采用煤粉燃烧。
为了提高煤炭燃烧的效率和减少污染，发展了许多先进的燃烧技术，如煤粉燃烧稳定技术，包括各种新型的燃烧器，煤粉低氮氧化物燃烧技术，高浓度煤粉燃烧技术，流化床燃烧技术等。
油的燃烧
油的燃烧方法有内燃和外燃两种方式。
所谓内燃，是在发动机气缸内部极为有限的空间进行高压燃烧，是一种瞬间的燃烧过程。
所谓外燃，就是不在机器内部燃烧，而在燃烧室内燃烧，并直接利用燃烧发出的热量，如锅炉、窑炉内进行的燃烧。
油燃烧的全过程包含着传热过程、物质扩散过程和化学反应过程。
油的燃烧技术
油是最常用的液体燃料。
油的燃烧实际上包含了油加热蒸发、油蒸气和助燃空气的混合以及着火燃烧三个过程。
为了实现油的高效低污染燃烧，应从以下来两方面着手：
（1） 提高燃油的雾化质量；
（2） 实现良好的配风 。
气体燃料的燃烧
气体燃料的燃烧可以分为容器内燃烧和燃烧器燃烧，它们和油的两种燃烧方式相近。
气体燃料的燃烧过程包括三个阶段，即混合、着火和正常燃烧。
气体燃料的燃烧技术
气体燃料燃烧的效率主要取决于气体燃料燃烧器。对气体燃烧器的基本要求是：
不完全燃烧损失小，燃烧效率高；
燃烧速率高，燃烧强烈，燃烧热负荷高；
着火容易，火焰稳定性好，既不回火，又不脱火；
燃烧产物有害物质少，对大气污染小；
操作方便，调节灵活，寿命长，能充分利用炉膛空间。
气体燃烧器
常用的气体燃烧器有扩散式燃烧器；另一种是预混式燃烧器；此外还有一种部分预混式燃烧器
燃烧设备
热能转换为机械能
蒸汽轮机
燃气轮机
内燃机
蒸汽轮机
蒸汽轮机，简称汽轮机，是将蒸汽的热能转换为机械功的热机。
汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。
此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。
汽轮机的工作原理
锅炉产生具有一定压力和温度的蒸汽通过汽轮机的喷嘴后，压力降低，速度增高；这股高速汽流冲到装在叶轮上的动叶片，方向有了改变，动量发生变化，从而对动叶片产生作用力，推动转子转动，将热能转换成由主轴输出的机械功。
蒸汽轮机
大型汽轮机通常有多级叶片，并将汽轮机分为高压缸和低压缸。
根据汽轮机的排汽压力通常有所谓凝汽式汽轮机和背压式汽轮机之分。
汽轮机还可根据是否从中抽汽，分为抽汽式汽轮机和非抽汽式汽轮机。前者抽出的蒸汽既可供其它热用户使用，也可用来加热给水，以提高整个电厂的循环效率。
燃气轮机
燃汽轮机和蒸汽轮机最大的不同是，它不是以水蒸气作工质而是以气体作工质。燃料燃烧时所产生的高温气体直接推动燃汽轮机的叶轮对外做功，因此以燃汽轮机作为热机的火力发电厂不需要锅炉。
它包括三个主要部件：压气机、燃烧室和燃气轮机。
工作原理
空气进入压气机，被压缩升压进入燃烧室，喷入燃油即进行燃烧；燃烧所形成的高温燃气与燃烧室中的剩余空气混合后进入燃气轮机的喷管，膨胀加速而冲击叶轮对外做功。
燃气轮机所做的功一部分用于带动压气机，其余部分（净功）对外输出，用于带动发电机或其它负载。
燃气轮机的优点
重量轻、体积小、投资省。燃气轮机的重量及所占的容积一般只有汽轮机装置或内燃机的几分之一或几十分之一，因此它消耗材料少，投资费用低，建设周期短；
起动快，操作方便。从冷态起动到满载只需几十秒或几十分钟，同时由于燃气轮机结构简单、辅助设备少，运行时操作方便，能够实现遥控，自动化程度可以超过汽轮机或内燃机；
水、电、润滑油消耗少，只要少量的冷却水或不用水，可以在缺水地区运行。
燃气轮机的应用领域
航空领域。由于燃气轮机小而轻，起动快，马力大，因此在航空领域中已占绝对优势，涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮风扇发动机都是以燃气轮机作主机或起动辅机；
舰船领域。已在高速水面舰艇、水翼艇、气垫船等中占压倒优势，在巡航机、特种舰船中得到了批量采用；
陆上领域。在发电方面，燃气轮机用于尖峰负荷应急发电站和移动式电站，在机车、油田动力和坦克等方面也得到广泛应用。
内燃机
包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。
大多数内燃机是往复式，有汽缸和活塞。
内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类或根据气缸排列方式分类。
按点火或着火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和二冲程发动机。
内燃机
内燃机只能将燃料热能中的25—45%转换成机械能，其余大部分大多被排气或冷却介质冲程发动机带走。因此如何利用内燃机排气中的能量就成了提高内燃机动力性和经济性中的主要问题。
近百年来，内燃机废气涡轮增压技术得到了迅速发展，现在国外60%以上车用柴油机都采用涡轮增压技术，车用汽油机采用涡轮增压技术也日益增多。由于废气涡轮增压能回收25—40%的排气能量，所以采用增压技术不仅提高发动机的功率，而且还能降低油耗和改善内燃机的排放性能。
机械能转换为电能
世界上几乎所有的电能都是通过发电机由机械能转换而来的。
将机械能转换成电能的发电机都是同步发电机。
同步发电机可以用汽轮机、燃气轮机、内燃机、水轮机、风力机等动力机械驱动，它们的转换效率从小发电机的50%到大型电站交流发电机的90%以上。
根据采用汇电环还是整流器，同步发电机可以输出交流电或直流电。
根据动力机械的特点，同步发电机有立式和卧式两种。由汽轮机和内燃机驱动的发电机多为卧式；大型低速水轮机驱动的发电机则为立式；中速以上的中、小型水轮机驱动的发电机则有立式，也有卧式。
发电机工作原理
同步发电机由定子（铁芯和绕组）、转子（钢芯和绕组）、机座等组成。
转子绕组中通入直流电并在汽轮机的带动下高速旋转，此时转子磁场的磁力线被定子三相绕组切割，定子绕组因感应会产生电动势。当定子三相绕组与外电路连接时，则会有三相电流产生。
这一电流又会同步产生一个顺转子转动方向的旋转磁场，带有电流的的转子绕组在其作用下，将产生一个与转子旋转方向相反的力矩，阻止汽轮机旋转。为了维持转子在额定转速下旋转，汽轮机一定要克服该力矩而作功，也就是说汽轮机的机械能通过同步发电机的电磁相互作用而转变为定子绕组中的电能。
发电机的冷却
由于存在磁滞和涡流等损耗，发电机必须进行冷却。
通常小型发电机多采用开启式通风冷却；100Kw以上就需要采用管道通风；4000kW以上则要采用带空气冷却器的闭式循环空气冷却。对50—200MW的汽轮发电机一般采用氢外冷；对于300MW以上的汽轮发电机定子和转子都需要采用氢冷。此外，大型的汽轮发电机采用双水内冷。
第二节 能量的储存
概述
机械能的储存
热能的储存
能量的储存
机械能——以动能、势能形式储存。
热能——以潜热、显热形式储存。
电能——感应场能或静电场能。
化学能、核能——自身即为储能形式。
机械能的储存
机械能能以动能或势能的形式储存
以动能储存：旋转飞轮
以势能储存：弹簧、扭力杆、
重力装置、压缩空气储能、
抽水储能
压缩空气储能
压缩空气是工业中常用的气源，除了吹灰、清砂外，还是风动工具和气动控制系统的动力源。
抽水储能电站
利用谷期多余的电能，通过抽水蓄能机组（同一机组兼有抽水和发电的功能）将低处的水抽到高处的水库中，这部分水量以势能形式储存，待电力系统的用电负荷转为高峰时，再将这部分水量通过水轮机发电。
这种大规模的机械能的储存方式已成为世界各国解决用电峰谷差的主要手段。
我国抽水蓄能电站开发现状
从上世纪80年代开始起步，到目前为止
我国已在10多个省、区、市建成20多座抽水蓄能电站，装机容量约为2000多万kW，占全国装机容量的3％左右
部分抽水蓄能电站
山东泰安电站，装机容量100万Kw
广州电站，装机容量240万kW
浙江天荒坪电站，装机容量180万kW
北京十三陵电站，装机容量80万kW
浙江桐柏电站，装机容量120万kW
山西西龙池电站，装机容量120万kW
江苏宜兴电站，装机容量100万kW
河北张河湾电站，装机容量100万kW
湖北白莲河电站，装机容量120万kW
安徽琅琊山电站，装机容量60万kW
河北潘家口电站，装机容量27万kW
中国抽水蓄能电站分布
电能的储存
蓄电池
发展方向：廉价、高效、能大规模储能。
静电场和感应电场
（1）电容器在直流电路中广泛用作储能装置，在交流电路中则用于提高电力系统或负荷的功率因数，调整电压；
（2）高电压技术、高能核物理、激光技术、地震勘探等方面采用的直流高压电容器；
（3）超导磁铁蓄能。
化学能储存
利用某些物质在可逆反应中的吸热和放热过程来达到热能的储存和提取。
这是一种高能量密度的储存方法。
目前尚难实际应用。
热能的储存
热能储存是把一个时期内暂时不需要的多余热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取使用。
储存时间
随时储存，以小时或更短的时间为周期，随时调整热能供需之间的不平衡；
短期储存，以天或周为储热周期，维持一天（或一周）的热能供需平衡；
长期储存，以季节或年为储存周期，调节季节（或年）的热量供需关系。
热能储存方法
显热储存
潜热储存
化学能储存
地下含水层储热
显热储存
通过蓄热材料温度升高来达到蓄热的目的。
蓄热材料的比热容越大，密度越大，所蓄的热量也越多。
水是一种比较理想的蓄热材料。
潜热储存
利用蓄热材料发生相变而储热
固体－液体相变蓄热
液体－汽体相变蓄热（蒸汽蓄热器）
地下含水层储热
解决采暖和空调的季节性负荷问题的重要途径之一。
利用地下岩层的空隙、裂隙、溶洞等储水构造以及地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点，用管井回灌的方法，把冬季大气环境中太丰富的“冷”和夏季不要钱的“热”储存在含水层中，在冷、热不是同时需要的场所实现供冷、供热。
地下含水层储能
含水层储热——夏灌冬用
含水层储冷——冬灌夏用
必须具备灌得进、存得住、保温好、抽得出等条件。
回灌水源：地表水、地下水、工业排放水。
用 途
广泛用于纺织、化工、制药、食品等工业部门，也用于影剧院和宾馆等建筑物的夏季降温空调、冷却和洗涤用水，冬季采暖及锅炉房供水等。
储热的工业应用
蒸汽蓄热器
蓄冷空调
建筑物蓄热供暖
蒸汽蓄热器
典型的利用液体—气体相变潜热的蓄热器。
蓄热器是一个巨大的能承受压力的罐体，有立式和卧式。其上部为汽空间，下部为水空间，通常连接于蒸汽锅炉和需要蒸汽的热用户之间。
蒸汽蓄热器工作原理
当热用户对蒸汽的需求减小时，多余的蒸汽通过控制阀进入蓄热器的水空间。这时蒸汽凝结并放出热量，使水空间的温度升高，水位也同时升高，上部汽空间的蒸汽压力也随之增高，多余蒸汽的热能就储存在蒸汽蓄热器中。
当热用户对蒸汽的需求增加时，锅炉的供汽不足，蓄热器上部汽空间的蒸汽会通过控制阀向热用户提供蒸汽。此时蓄热器内压力下降；当压力低于高温水的饱和温度所对应的压力时，饱和水会迅速汽化成蒸汽来补充汽空间的蒸汽，以维持对热用户的稳定供汽。
蒸汽蓄热器的优点
由于设置了蒸汽蓄热器，消除了热用户负荷变动对锅炉运行产生的不良影响，使锅炉的燃烧稳定、效率高。
蓄冷空调
空调发展十分迅速。
空调用电负荷是典型的与电网峰谷同步的负荷。
发达地区大中城市空调负荷已达电网总负荷的25%以上，并以每年20%的速度递增，远远超过发电量的增长速度。
如何平衡空调用电的峰谷负荷变得十分重要。
采用“蓄冷空调”是平衡空调用电峰谷最好的办法。
蓄冷空调的原理
利用深夜至凌晨用电低谷时的电能，采用电动压缩机制冷的方式，将制取的冷量储存在冷水（温度通常为4～7℃）、冰或共晶盐中，到白天用电高峰时停开制冷机，利用储存的冷量供建筑物空调或用于需要冷量的生产过程。
分为水蓄冷、冰蓄冷、共晶盐蓄冷三大类。
蓄冷空调
水蓄冷是利用冷水的显热来储存冷量；
冰蓄冷是利用水相变的潜热来储存冷量；
共晶盐蓄冷称为“高温”相变蓄冷，是利用相变温度为6～10℃的相变材料来蓄冷。
冰蓄冷
因为水在结冰和融化时吸收和放出的潜热通常要比水的显热大80倍左右，因此冰蓄冷装置体积小，蓄冷量大，是目前蓄冷中应用最广的一种方式。
缺点：存在传热损失，使其COP比水蓄冷低。
第三章 常规能源
煤炭
石油
天然气
水能
二次能源
第一节 煤炭
有关煤炭的知识
煤炭资源与开采
洁净煤技术
煤的形成
煤的元素组成
煤是由有机物质和无
机物质混合组成的。
煤中有机物质主要由
碳（C）、氢（H）氧
（O）、氮（N）四种
元素构成，还有一些元
素则组成煤中的无机物质，
主要有硫（S）、磷（P）
以及稀有元素等 。
常用的煤质指标
水分：煤中的不可燃成分
灰分：煤完全燃烧后其中矿物质的固体残余物，对煤的燃烧、加工、利用都有不利影响
挥发分：将煤加热到850℃ 左右，从煤中有机质分解出来的液体和气体产物
发热量：单位质量的煤完全燃烧时所放出的热量
煤的分类
煤的科学分类为煤炭的合理开发和利用提供了基础，通常最简单的分类方法是根据煤中干燥无灰基挥发分含量将煤分成褐煤、烟煤和无烟煤三大类 。
煤的分类
按煤化程度煤可分为：
（1）泥炭：含碳量约55~60%，氧含量约30%；
（2）褐煤：水分、灰分较高，发热量低，易燃烧，适宜作为发电燃料，也可用于气化；
（3）烟煤：挥发份含量在20%~37%，容易燃烧，是储量最多、用途最广的煤种；
（4）无烟煤：含碳量可高达80%~90%左右，质硬，色黑，燃点较高，多用于民用和化肥工业。
煤炭开采
煤的开采方法分为两类：露天开采和矿井开采
露天开采：露天开采的优点是开采效率高，生产成本低，建设周期短，劳动条件好，安全性高。缺点是易受气候和季节影响，矸石占地面积大。
矿井开采：凡是不经济或不适合露天开采的煤田就必须采用矿井开采。
中国的煤炭资源
煤炭种类：煤炭品种多样化，从低变质程度的褐煤到高变质程度的无烟煤都有储存。
煤的特征：中国煤炭灰分普遍较高，灰分小于10%的特低灰煤仅占探明储量的17左右%，大部分煤炭的灰分为10%~30%；硫分小于1%的特低硫煤占探明储量的43.5%以上，大于4%的高硫煤为2.3%左右。
资源分布:华北占49.25%，西北占30.39%，西南占8.64%，华东占5.7%，中南占3.06%，东北占2.97%。山西、内蒙、陕西、新疆、贵州、宁夏6省区最多。
对中国煤炭资源的评价
煤炭资源丰富，但人均占有量低；
煤炭资源的地理分布极不均衡：北多南少，西多东少，资源分布与消费区不协调；
各地区煤炭品种和质量变化较大，分布也不理想；
属于露天开采的储量少。
煤炭资源丰富，人均占有量低
中国煤炭资源虽然丰富，但勘探程度较低，经济可采储量较少。
经济可采储量是指经过勘探可供建井，并且扣除了回采损失及经济上无利和难以开采出来的储量后，实际上能开采并加以利用的储量。
在目前经勘探证实的储量中，精查储量仅占30%，而且大部分已经开发利用，煤炭后备储量相当紧张。人均占有量低于世界平均水平，远低于美国的人均占有量。
煤炭资源的地理分布极不均衡
中国煤炭资源北多南少，西多东少，煤炭资源的分布与消费区极不协调。从各大行政区内部看，煤炭资源分布也不平衡。
华东地区的煤炭资源储量87%集中在安徽、山东，而工业主要在以上海为中心的长江三角洲地区；
中南地区煤炭资源的72%集中在河南，而工业主要在武汉和珠江三角洲地区；
西南煤炭资源的67%集中在贵州地区，而工业主要在四川；
东北52%的煤炭资源集中在黑龙江，而工业集中在辽宁。
各地区煤炭品种和质量变化 较大，分布也不理想
中国炼焦煤在地区上分布不平衡，四种主要炼焦煤中，瘦煤、焦煤、肥煤有一半集中在山西，而拥有大型钢铁企业的华东、中南、东北地区，炼焦煤很少。
在东北地区，钢铁工业在辽宁，炼焦煤大多在黑龙江；西南地区，钢铁工业在四川，而炼焦煤主要集中在贵州。
属于露天开采的储量少
露天开采效率高，投资省，建设周期短，但中国适于露天开采的煤炭储量少，仅占总储量的7%左右，其中70%是褐煤，主要分布在内蒙、云南和新疆。
中国煤炭生产和消费的差距
煤矿生产未达到经济规模
商品煤质量差
煤炭加工及利用程度低
煤矿生产未达到经济规模
目前中国国有煤矿平均每个矿井的生产能力仅30万吨/年，而乡镇煤矿每处平均年产量不到1万吨。小煤矿生产手段落后，资源回收率不到10%，浪费极大，安全事故也多。
发达国家的煤矿目前均以大型为主，美国、德国的规模多为10Mt以上的大型露天矿和4~6Mt的大型矿井。美国生产10亿吨商品煤只需15万人，中国生产20亿吨原煤要用几百万人。
商品煤质量差
中国商品煤目前仍以原煤为主，发达国家的动力用煤一般全部入洗，入洗后灰分为10~15%，中国动力用煤灰分高达28%，入洗率只有6%左右。
发达国家商品煤的含硫一般在1%以下，中国煤炭储量中55%是含硫2%以上的高硫煤。
煤炭质量低，既影响用户和煤炭企业本身的效益，又极大地污染了环境。
煤炭加工及利用程度低
中国煤炭加工和利用效率远低于发达国家。
以燃煤电站的耗煤为例，中国供电煤耗比发达国家高7%左右。
洁净煤技术
煤炭是主要的能源，但煤炭的开发利用也严重地污染了人们赖以生存的环境，因此煤炭的清洁开发和利用是摆在全人类面前的紧迫问题。
洁净煤技术
洁净煤技术（clean coal technology）是旨在减少污染和提高效益的煤炭加工、燃烧、转换和污染控制等新技术的总称。
它主要包括洁净生产技术、洁净加工技术、高效洁净转化技术、高效洁净燃烧与发电技术、燃煤污染排放治理技术等。
燃烧前的处理
燃烧前的处理主要是选煤、型煤和水煤浆三项措施。
选煤的目的是降低原煤中的灰分、硫分等杂质的含量，并将原煤加工成质量均匀、能适应用户需要的不同品种及规格的商品煤。
采用的脱硫方法
热解法脱硫
碱法脱硫
气体脱硫
氧化脱硫
选 煤
就选煤能力而言，中国仅次于美国，居世界第2位，但总的来说煤炭入洗率很低，仅有1/4煤炭入洗。
型 煤
型煤是将粉煤或低品位煤加工成一定形状、尺寸和有一定理化性能的煤制品。
型煤是各种洁净煤技术中投资小、见效快、适宜普遍推广的技术。
水煤浆
水煤浆是20世纪70年代兴起的煤基液态燃料。它是由煤粉、水和少量添加剂组成。
水煤浆的制备以浮选精煤为原料，经脱水、脱灰、磨制，加添加剂后与水混合成浆。
制备水煤浆的方法
干法
湿法
混合法
燃烧中处理
为达到环保目的，工厂企业通常采用高烟囱排放：它是将燃烧装置产生的有害烟气排放到远离地面的大气层中，并通过大气的运动使污染物浓度降低，以改善污染源附近的大气质量，但这种方法并不能减少有害物的排放总量，因此燃烧过程中处理，即炉内脱硫、脱硝是十分重要的。
燃烧后处理
燃烧后处理主要是烟气净化和除尘。
由于炉内脱硫往往达不到环保要求，所以还需对燃烧后的烟气进行脱硫处理。
烟气脱硫技术
按其方法分:干法脱硫和湿法脱硫。
按反应产物的处理方法分:回收法和抛弃法。
按脱硫剂的使用情况分:再生法和非再生法。
烟气脱硝
通常烟气脱硝也分为干法和湿法。
干法烟气脱硝主要有选择性催化还原法和选择性非催化还原法。
湿法脱硝是先将烟气中NOx含量最多的NO通过氧化剂（如O3、ClO2等）氧化生成NO2，再被水或碱性溶液吸收。
烟气除尘
燃煤产生的大气污染物占我国烟尘排放总量的60%，粉尘的70%以上，因此烟气除尘是一个突出的问题。
常用的烟气除尘器
离心分离除尘器
洗涤式除尘器
袋式过滤除尘器
静电除尘器
煤的液化
飞机、坦克、火箭、汽车等都使用液体燃料，石油的储量又比煤少得多；其他水能、核能又不能代替液体燃料，因此煤的液化一直是人们努力的目标。
煤的液化可以分为直接液化和间接液化
中国洁净煤技术的基本框架
煤炭加工（选煤、型煤、水煤浆等）；煤炭燃烧（流化床燃烧、高效低污染煤粉燃烧、燃煤联合循环发电等）；煤炭转化（气化、液化、燃料电池等）；污染控制（烟气脱硫、粉煤灰综合利用、煤矿区污染控制，包括煤矸石、煤层气、矿井水与煤泥水的治理等）。
第二节 石 油
有关石油的知识
石油资源
石油生产与消费
油田的开发
石油的加工
石 油
石油是仅次于煤的化石燃料。主要由烷烃、环烷烃、芳香烃等烃类化合物组成。组成石油的主要元素是碳、氢、硫、氧、氮。其中碳氢元素最多。碳、氮、氧以化合物、胶质、沥青质等非烃类物质形态存在。一般硫、氧、氮三种元素的含量小于1%，此外，还有微量钠、铅、铁、镍、钒等金属元素存在。
石油的分类
按石油的密度分类：根据密度由小到大相应地将石油分为轻质石油、中质石油、重质石油和特重质石油；
按石油中的硫含量分类：硫含量小于0.5%的为低硫石油，硫含量为0.5%~2%为含硫石油，硫含量大于2%的称为高硫石油。石油中的硫化物对石油产品的性质影响较大，加工含硫石油时应对设备采取防腐蚀措施；
按石油中的蜡含量分类：蜡含量为0.5%~2.5%的称低蜡石油，蜡含量在2.5%~10%之间为含蜡石油，蜡含量大于10%的为高蜡石油。
石油资源
目前世界已找到近30000个油田和7500个气田，这些油气田遍布于地壳上六大稳定板块及其周围的大陆架地区。在156个较大的盆地内几乎均有油气田发现，但分布极不平衡。
世界上石油储量超过10亿吨和天然气储量超过10000亿立方米的特大油、气田共42个，仅分布于10个盆地内，波斯湾盆地占20个，西伯利亚盆地占10个，储量为650亿吨，占世界总储量的近一半。
石油资源
我国沉积盆地广阔，有485个沉积盆地，拥有沉积岩面积670万平方公里。其中陆上面积520万平方公里，近海大陆架面积150万平方公里。面积大于4万平方公里的盆地12个，面积1万平方公里的盆地58个，拥有全国石油地质资源量的97%。
我国目前已发现储量大于1亿吨的油气田19个，占我国目前探明石油储量的70%左右，主要分布在松辽、渤海湾、准噶尔等几个盆地。
目前我国石油资源的探明程度远低于其他产油国，特别是近海大陆架可采储资比仅为0.145。因此在油气资源方面，我国尚有巨大的开发潜力。
石油生产与消费
石油工业是一个以石油勘探、开采、储运、炼制为主的工业，由于其工作的对象是深埋于地下的石油矿藏，因此有较高的不确定性，也就是说有较大的风险。
20世纪70年代以后，世界石油产量上升缓慢，近二、三十年来，年产量一直在30亿吨左右徘徊。在世界能源的消费中目前石油仍处于第一位。石油消费偏重于经济发达地区，经济越发展，越需要更多的石油。
石油的生产与消费
目前在世界一次能源消费中，石油仍处于第一位。2001年世界一次能源消费中，石油占43%。
在消费行业中交通运输占57%，工业占19.7%，其他行业占17.1%，非能源行业占6.2%。
石油消费偏重于经济发达地区，经济越发展，越需要更多的石油。
美国是世界第一大石油消费国。
油田的开发
油田开发包括石油勘探、钻井和油田的开采。
石油勘探是石油开发中最重要的基础环节，它包括油田的寻找、发现和评估。
石油勘探通常分为区域普查、构造详查、预探和详探等四个阶段。
钻井，就是从地面打开一条通往油、气层的孔道，以获取地质资料和油气能源。
海上钻井
石油的加工
开采出来的石油（原油）可以直接作燃料用，且价格便宜；若在炼油厂中进行深加工，则经济效益可增加许多倍，而且飞机、汽车、拖拉机等也不能直接燃用原油，必须把原油炼制成燃料油才能使用。因此，石油的加工是石油利用中非常重要的一环。
石油的炼制
开采出来的石油虽然可以直接作燃料用，但价格便宜；若在炼油厂中进行深加工，则经济效益可以提高许多倍，而且飞机、汽车、拖拉机等也不直接燃用原油，必须将原油炼制成燃料油才能使用。故石油的炼制是石油利用中非常重要的一环
根据所需产品的不同，炼油厂的加工流程大致分为三种类型：燃料型，以汽油、煤油、柴油等为主要产品；燃料—润滑油型；石油化工类，是提供石脑油、轻油、渣油用作石油化工产品的原料。
石油的炼制
石油的炼制方法可以归结为两大类。一类是分离法，如溶剂法、固体吸附法、结晶法和分馏法等，其中最常用的是分馏法。其工艺是先将原油脱盐，以免分馏设备腐蚀；然后把脱盐原油加热到385℃左右，送至高30多m的常压分馏塔底。塔内有许多层油盘。石油蒸汽上升时，逐层通过这些油盘，并逐步冷却，不同沸点的成分便冷凝在不同高度的油盘上，并按所需的成分用管子引出。
石油的炼制
石油炼制的另一类方法是转化法。这是利用化学的方法对分馏的油品进行深加工，例如将重油、沥青等分解成轻油，也可以把轻馏分气聚合成油类。常用的转化法有热裂化、催化裂化、加氢裂化和焦化等。
石油产品
石油由许多组分组成，每一组分都各有其沸点。通过炼制加工，可以把石油分成几种不同沸点范围的组分：
(1)40~205℃的组分作为汽油；
(2)180~300℃的组分作为煤油；
(3)250~350℃的组分作为柴油；
(4)350~520℃的组分作为润滑油（或重柴油）；
(5)高于520℃的渣油作为重质燃料油；
石油产品
按石油产品的用途和特性，可将石油产品分成14大类，即溶剂油、燃料油、润滑油、电器用油、液压油、真空油脂、防锈油脂、工艺用油、润滑脂、蜡及其制品、沥青、油焦、石油添加剂和石油化学品。
油品结构
20世纪80年代后期，世界石化产业结构进行了重大调整，资本重组、资产优化、机构改革、科技开发、产品结构调整成为此次世界石化产业结构调整的主旋律。
由于经济发展的需要、环境保护的要求、节能技术的进步以及替代能源的采用等因素的影响，使世界油品需求的构成发生了很大的变化，加上产油国之间的激烈竞争，世界油品结构也随之发生变化。
天然气
天然气特性
天然气资源
天然气生产
天然气市场
天然气的特性
天然气是一种重要的能源，燃烧时有很高的发热值，对环境的污染也较小，而且还是一种重要的化工原料。其生成过程与石油类似，但比石油容易生成。其主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烃类组成，其中甲烷占80~90%。约有40%的天然气与石油一起伴生，称油气田。60%的天然气为非伴生气，称气田气，它埋藏更深。很多来源于煤系地层的天然气称为煤成气，它可能附于煤层中或另外聚集。
天然气的勘探和开采
天然气的勘探、开采同石油类似，但收采率较高，可达60%~95%。大型稳定的气源常用管道输送到消费地区，每隔80~160km需设一个增压站，加上天然气压力高，故长距离管道输送投资很大。
天然气中主要的有害杂质是CO2、H2O、H2S和其它含硫化合物。因此天然气在使用前也需净化，即脱硫、脱水、脱二氧化碳、脱杂质等。
天然气资源与生产
天然气是蕴藏量丰富，最清洁而便利的优质能源。
世界上天然气资源丰富，据俄罗斯学者预测，世界常规天然气的总资源量达400×1012~600×1012m3，此外还有大量非常规天然气资源。
与石油一样，世界天然气资源分布也很不均匀，主要集中在中东、前苏联和东欧，三者之和约占世界天然气总储量的70%。
天然气资源
随着天然气开发的发展，被探明的天然气储量也逐渐增加。按热值计算，天然气探明储量1970年和1985年分别相当于石油探明储量的50%和80%，而到1995年则基本上与石油持平。
目前天然气资源的探明率还很低，展望未来，世界天然气的发展前景是诱人的。
天然气资源
我国天然气资源丰富。这些资源量集中分布于我国中部区（占31.5%)、西部区(占28.43%)和海域(21%)，但其中埋深超过3500m的天然气资源占58%，自然地理环境恶劣的黄土壤、山地和沙漠区占64%。
我国天然气资源探明率很低。
天然气生产
回顾和预测世界能源的发展可以发现，三种能源先后分别形成了三个高峰期：20世纪20年代是煤炭高峰期，煤炭占能源的百分比超过70%；20世纪70至90年代石油接替煤炭，石油占能源的百分比为30~40%；到21世纪早期天然气将逐步代替石油，天然气占能源的百分比有望超过50%。
天然气生产
20世纪70年代后，世界石油产量上升缓慢；而天然气产量却高速增长，25年间产量翻了一番多。
由于勘探技术的发展和投入的增加，天然气剩余可采储量增加了3.6倍。
天然气生产
近年来，我国天然气产量增加较快，2009年，天然气产量达到967.7亿立方米。
进入21世纪，我国气田气的储量增加也很快。
目前我国天然气工业正处于气田气储量快速增长的青年期，随着长输干线的建设和支线管网的发展，天然气产量也会快速增长。
天然气市场
发电
民用及商业燃料
化肥及化工原料
工业燃料
天然气市场
2001年全世界气体燃料的总消费量为
1 137百万吨标准油。其中工业消费占44.8%，交通运输占4.8%，其他行业和生活消费则为50.4%。天然气市场非常广阔。
发 电
天然气联合循环发电既经济又污染少，在国外已大量采用。
我国气电也将加快发展。
民用及商业燃料
天然气是优质的民用及商用燃料，预测中国城镇人口到2020年将达到7.3亿。其中大中型城市人口3.5亿，气化率将为85~90%，其他城镇人口3.8亿，气化率将达45%。民用及城市商用气需求量将为630~713亿立方米。
化肥及化工原料
中国人口众多，是农业大国，按规划2020年中国合成氨的需求量大4000万吨，作为制造氮肥的主要原料的天然气预计需求230亿立方米，再加上甲醇及炼油厂制氢用气及其他化工用气，总计将超过322亿立方米。
工业燃料
根据统计资料预测，天然气用作我国工业和运输燃料将占天然气总产量的20%以上。
煤层气
煤层气（俗称瓦斯）是一种与煤伴生，以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，其中甲烷含量大于95%，热值33.44 kJ/m3以上，是一种优质洁净的能源
煤层气洁净、热值高、优质、安全，在全世界范围内有巨大的发展潜力，可替代其他正在减少的常规能源
中国是世界上主要的煤炭生产大国之一，煤炭生产居世界首位，也是世界上煤炭资源和煤层气资源最丰富的国家之一。丰富的煤层气资源有望成为中国21世纪的接替性能源之一
21世纪发展煤层气的意义
减轻我国石油和天然气的供应压力；
能有效地改善煤矿安全生产条件；
将有效地保护大气环境。
我国的煤层气资源
我国煤层气资源分布广泛，他们分布在不同的含煤盆地、不同的成煤时代，其埋藏深度和勘探程度也相差很大。
据初步预测我国煤层气的资源量为31万亿m3，高于我国陆上常规天然气的资源量，居世界第2位。
我国的煤层气资源
抽放煤层气是减少瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和突发事故的根本性措施，到目前为止，全国已由146个煤层气抽放矿井，年抽放量6亿~7亿m3，利用量达4.8亿m3。
主要用于民用、发电、作化工原料和锅炉炉窑的燃料等，抚顺和阳泉矿区煤层气的抽放量和利用率一直居全国首位。
我国煤层气的最新进展
煤层气 2011年全国煤层气勘查新增探明地质储量1421.74亿立方米，同比增长27.5%。新增探明技术可采储量710.06亿立方米，同比增长27.0%
至2011年底，全国累计探明地质储量4155.69亿立方米，同比增长52.0%。累计探明技术可采储量2041.06亿立方米，同比增长53.3%。剩余技术可采储量2024.70亿立方米，同比增长53.6%
我国煤层气的最新进展
截至2010年底，全国累计完成煤层气（煤矿瓦斯） 抽采量为88亿立方米，但利用量仅为36亿立方米（地面14.5亿立方米和井下73.5亿立方米），抽采和利用率均较"十一五"规划目标差距较大。而按照规划，到2010年底，全国煤层气抽采量应达100亿立方米，利用量达80亿立方米
我国煤层气的最新进展
2011年，煤层气（煤矿瓦斯）抽采量115亿立方米，利用量53亿立方米，同比分别增加36.7%和51.4%。其中，井下瓦斯抽采量92亿立方米，利用量35亿立方米，同比增加22.7%和52.2%；地面煤层气产量23亿立方米，利用量18亿立方米，同比增加54.7%和47.5%
我国煤层气的最新进展
“十二五”期间，将新增探明地质储量10000亿立方米
规划到2015年，我国煤层气产量将达到300亿立方米，其中地面开发１６０亿立方米，基本全部利用；煤矿瓦斯抽采１４０亿立方米，利用率６０％以上
天然气水合物
天然气水合物（gas hydrate）是一种新发现的能源。
天然气水合物由水分子和燃气分子构成，外层是水分子构架，核心是燃气分子。其中燃气分子绝大多数是甲烷，所以天然气水合物也称为甲烷水合物。
天然气水合物
1m3的天然气水合物可释放出168m3的甲烷和0.8m3的水，是一种高能量密度的能源。
只能存在于低温高压的环境中，一般要求温度低于0～10℃，压力高于10MPa。一旦温度升高或压力降低，甲烷就会一逸出，天然气水合物就会处于崩解。
天然气水合物的分布
海洋大陆架是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的90%具有形成天然气水合物的温压条件。此外在寒冷的永久冻土中也存在天然气水合物。
通常，天然气水合物可存在于海底之下500～1000m的范围内。
全球天然气水合物中甲烷的总量约为1.8×1016m3，其含碳量为石油、煤和天然气含碳量的两倍。
到目前为止，世界上已发现的海底天然气水合物主要分布区有大西洋海域的墨西哥湾、加勒比海、南美洲东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东岸外的布莱克海台等，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、日本海、苏拉威西海和新西兰北部海域等。
天然气水合物的分布
我国最有希望的天然气水合物储存区可能是南海和东海的深水海底。
陆上寒冷永冻土中的天然气水合物主要分布在西伯利亚、阿拉斯加和加拿大的北极圈内。
天然气水合物的威胁
天然气水合物固然给人类带来了新的能源希望，但它也可对全球气候和生态环境甚至人类的生存环境造成严重的威胁。
当前大气中的二氧化碳以每年0.3%的速率增加，而大气中的甲烷以每年0.9%的速率在更为迅速的增加。
甲烷的温室效应是二氧化碳温室效应的20倍。
全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为地球大气中甲烷量的3000倍，如此大量的甲烷如果释放，将对全球环境产生巨大影响，严重影响全球气候。
关注天然气水合物
基于天然气水合物是21世纪的重要后续能源，并可能对人类生存环境及海底工程设施产生灾害性影响，全球科学家和各国政府都予以高度关注。
我国开发天然气水合物的优点
天然气水合物资源量巨大，主要分布于我国东部海域，有利于改变我国能源分布不均匀的格局：
其勘探、生产可与常规油气的勘探生产同时进行；
以天然气为最终利用形式的天然气水合物，可充分继承利用现有的油气开采、运输与终端利用技术和装备等，在现有工业布局的基础上，无需进行重大的工程改造和投资，便可实现能源的平稳过渡与替代，也不会产生新的环境问题。
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