能源與大氣污染

蘇聰 張景 張文

摘 要： 能源與大氣環(huán)境的關(guān)系至為密切，這是因?yàn)槟茉丛陂_(kāi)采、運(yùn)輸、加工、轉(zhuǎn)換和利用過(guò)程中，對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。本文概述中國(guó)能源與大氣環(huán)境的關(guān)系。其中主要介紹中國(guó)能源構(gòu)成及特點(diǎn)、中國(guó)大氣污染的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及其原因，各種燃煤污染源的現(xiàn)狀，以及能源與大氣環(huán)境的關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 能源分類；大氣環(huán)境質(zhì)量；能源結(jié)構(gòu)調(diào)整

【中圖分類號(hào)】 X511 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】 2236-1879（2017）20-0273-02

大氣污染的主要原因是由于各種燃料燃燒過(guò)程中的生成物所造成的，它與能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。能源的開(kāi)發(fā)和使用，一方面是為滿足四化建設(shè)和人民生活提高的要求，同時(shí)它又是造成環(huán)境污染的重要原因。一個(gè)地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)決定著該地區(qū)的大氣污染類型和污染程度。生活用熱、工業(yè)生產(chǎn)（主要是電廠鍋、工業(yè)爐窯）和交通車輛的燃料燃燒是城市中最廣泛、最普遍的大氣污染源。

1.能源的基本概念及分類

能源是指能夠提供可利用能量的一種資源。例如，煤炭、石油、核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能等等。能源的分類如下：

1.1常規(guī)能源和新能源。

根據(jù)能源利用的程度，能源可分為常規(guī)能源和新能源。已經(jīng)廣泛利用的能源稱為常規(guī)能源，例如燃料，水能和核能等，燃料包括煤炭、石油、天然氣等礦物燃料。礦物燃料加工得到的制品（焦炭、石油制品等）以及生物質(zhì)能（秸桿、禽糞、薪柴等）.新能源是指沼氣、太陽(yáng)能和風(fēng)能等古老能源新法利用，以及一些在理論上應(yīng)具有應(yīng)用前景。但目前技術(shù)上尚不能廣泛開(kāi)發(fā)的能源，例如地?zé)帷⒊毕堋⒑Ｑ鬅崮艿取?/p>

1.2一次能源和二次能源。

根據(jù)能源轉(zhuǎn)換和利用的層次，能源可分為一次能源和二次能源。從自然界直接開(kāi)發(fā)得到的叫一次能源，例如煤炭、石油、天然氣、水能、風(fēng)能等、由一次能源加工得到的電力、煤氣、蒸汽、焦炭等叫二次能源。

1.3可再生能源和不可再生能源。

根據(jù)能源本身的增殖情況，能源可分為可再生能源和不可再生能源.太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能等，因其周而復(fù)始，用之不竭，故稱為可再生能源.礦物能源，如煤炭、石油及天然氣等都是不能再生的，則叫做不可再生能源。

1.4污染型能源和清潔型能源。

根據(jù)能源在開(kāi)發(fā)、加工、利用過(guò)程中是否造成污染，能源又可分成污染型能源和清潔型能源。煤炭和石油都是污染型能源，水電和太陽(yáng)能源都是清潔型能源。

2.我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1能源消費(fèi)構(gòu)成長(zhǎng)期以煤炭為主。

在1952一1985年期間，我國(guó)一次能源消費(fèi)構(gòu)成雖有變化，但煤炭一直是我國(guó)的主要能源。1952年煤炭在一次能源消費(fèi)構(gòu)成中占95%，石油、天然氣和水電占5%，到1985年煤炭仍占75.85腸.這種以煤炭為主的能源消費(fèi)構(gòu)成，比較符合我國(guó)可燃礦產(chǎn)資源的特點(diǎn)和目前工業(yè)發(fā)展水平。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，也不可能有根本的改變。

2.2我國(guó)能源狀況的特點(diǎn)。

2.2.1蘊(yùn)藏量豐富，分布不均衡。

我國(guó)是一個(gè)能源儲(chǔ)量比較豐富的國(guó)家。水能蘊(yùn)藏量居世界第一位，為3.8億千瓦；煤炭探明儲(chǔ)量為7820億噸；石油遠(yuǎn)景資源估計(jì)為7875億噸.我國(guó)能源的蘊(yùn)藏主要集中于華北、西南和西北地區(qū)，而國(guó)土開(kāi)發(fā)程度高的華東、東北地區(qū)則主要缺能地區(qū)，形成了我國(guó)能源分布不均衡的特點(diǎn)。

2.2.2產(chǎn)量較高，人均消費(fèi)水平低。

以1981年為例，我國(guó)一次能源總產(chǎn)量為9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.但是，由于人口眾多，我國(guó)人均能源消費(fèi)量?jī)H為0.9噸標(biāo)準(zhǔn)煤，不到世界平均水平的一半。

2.2.3能源開(kāi)發(fā)潛力大，開(kāi)發(fā)構(gòu)成不均衡。

從能源開(kāi)發(fā)的總體情況看，目前開(kāi)發(fā)程度較高的是煤炭.我國(guó)水力資源雖然非常豐富，但目前已利用的只占可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量的2.7%。

2.2.4能源城鄉(xiāng)分配差異顯著，工業(yè)與民用分配不合理。

目前我國(guó)農(nóng)村每人每年平均能源消費(fèi)量為0.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于城市0.9噸標(biāo)準(zhǔn)煤。在能源的工業(yè)與民用分配上也極不合理，往往把清潔能源、優(yōu)質(zhì)低硫燃料供給工業(yè)，而把污染型、高灰分高硫煤供給民用。

2.2.5能源利用率低，污染嚴(yán)重。

能源利用率低表現(xiàn)為單位產(chǎn)品能耗高和有效利用率低。我國(guó)每萬(wàn)美元國(guó)民生產(chǎn)總值消耗能源約為21噸標(biāo)準(zhǔn)煤，大體上為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的2一3倍.從能源平均有效利用率來(lái)看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一般在40一50%以上，而我國(guó)僅為30帕左右.由于能源利用率低，加上工業(yè)布局不合理，缺乏有效地防治措施，造成了嚴(yán)重的能源大氣環(huán)境污染問(wèn)題。

3.我國(guó)大氣污染的原因

3.1以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，極易造成大氣污染。

在我國(guó)能源構(gòu)成中，多年來(lái)煤炭所占比例均在70%以上，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，這種格局也不能改變。1985年，我國(guó)消耗煤炭為6.61億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，是世界上用煤最多的國(guó)家。據(jù)全國(guó)26個(gè)城市統(tǒng)計(jì)，煤炭在每個(gè)城市的能源構(gòu)成中所占比例都相當(dāng)高。其中，超過(guò)70%的市有18個(gè)，占所統(tǒng)計(jì)城市的70%以上。煤炭與石油、天然氣、水電相比，是一種污染型能源，隨著燃燒釋放出大量及多種大氣污染物，其中有煙塵、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳等。

我國(guó)大氣污染物主要來(lái)源是燃料燃燒排放的。燃料燃燒排放的大氣污染物，在大氣污染物的總排放量中所占的比例在70%以上。煤炭燃燒排放的大氣污染物，約占燃料燃燒排放量的96%。其中，煤炭燃燒排放的二氧化硫占燃料燃燒排放量的93%，氮氧化物占87%，煙塵占99%。煤炭燃燒排放的二氧化硫約占各種污染源排放的89%，氮氧化物占67%，煙塵占60%。

3.2能源利用率低，加劇了大氣污染。

我國(guó)煤炭消耗量大，用煤技術(shù)落后，大部分煤炭未經(jīng)洗選、篩選和加工，而以原散煤的方式直接燃燒；燃燒方式落后，多為層燃式。能源利用率低，工業(yè)鍋爐熱效率為50一55%民用小煤爐熱效率僅為10一15%。這不但造成能源資源的巨大浪費(fèi)，而且加重了大氣污染。燃煤工業(yè)鍋爐及民用小煤爐分散，煙囪低矮，又缺乏煙氣凈化設(shè)備，因而造成普遍的煤煙型污染.冬季采暖大量燃燒煤炭，使大氣污染驟然加重。此外，城市交通污染源集中，城市規(guī)劃和工業(yè)布局不合理，人口密度和經(jīng)濟(jì)密度的疏密，也是我國(guó)大氣污染的影響因素。

4.我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的變化與大氣污染

4.1燃煤與粉塵污染。

在本世紀(jì)五十年代以前，城市大氣污染主要是由供煤產(chǎn)生的粉塵污染。當(dāng)時(shí)，由于工向城市集中，人口也向城市集中，城市內(nèi)工業(yè)用煤和居民生活用煤量越來(lái)越大，單位時(shí)間內(nèi)排入大氣中的煤煙粉塵量便相應(yīng)地增多，從而使城市常年籠罩在煙霧彌漫之中，粉塵成為污染大氣的主要物質(zhì)。對(duì)于這種類型的大氣污染，由于改變?nèi)紵Y(jié)構(gòu)，由燃煤改為燃石油（煤中的灰分占總量的12—34%，石油中的灰分只有0.2%），并廣泛采用除塵效率在99%以上的高效除塵器，因此很快得到了治理。

4.2礦物燃料的開(kāi)發(fā)使用與SO2污染

粉塵污染的問(wèn)題解決后，隨著礦物燃料的開(kāi)發(fā)使用，石油在能源構(gòu)成中的比重大幅度上升。1913年石油只占世界總能量的5.2%，到1968年已上升為43.9%。同一時(shí)期，煤卻從世界總能量的94.8%下降到33%。由于能源的變化，石油的大量使用，資本主義國(guó)家城市的大氣污染也普遍地發(fā)生了變化，即在五十年代以后，煙塵污染相對(duì)減少，而SO2污染則逐漸加重。石油的灰分雖少，但含硫量卻較高，一噸石油一般含有5—30公斤的硫，有時(shí)甚至高達(dá)50公斤。隨著石油消費(fèi)量的增一長(zhǎng)，燒煤和燒油排入大氣中的SO2成了大氣中最主要的污染物。

SO2是礦物撤料中的硫在燃燒時(shí)受空氣氧化而生成的，在空氣中，SO2經(jīng)催化氧化或光化學(xué)氧化的作用，很易轉(zhuǎn)化為SO3，SO3遇到水蒸汽，就變成危害大得多的硫酸霧。基本反應(yīng)如下：

硫酸霧再與金屬氧化物或氨反應(yīng)，會(huì)生成硫酸鹽微粒。在風(fēng)速小并且有逆溫層存在時(shí)，硫酸霧與硫酸鹽微粒不易擴(kuò)散，就有可能對(duì)城市居民的健康產(chǎn)生巨大危害。對(duì)于SO2造成的污染，由于采用低硫燃料，并予先進(jìn)行脫硫處理，再配之以排煙脫硫等措施，因此在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，SO2污染也很快于七十年代初得到了控制。

4.3石油的廣泛使用與大氣污染。

由于工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是由于汽車數(shù)量的增多，使石油和天燃?xì)獾南M(fèi)量急劇增長(zhǎng)。與此同時(shí)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家主要城市的大氣污染開(kāi)始轉(zhuǎn)入到所謂的第三代大氣污染，也即光化學(xué)煙霧污染。

石油加工處理和燃燒過(guò)程中排放的碳?xì)浠衔锖偷腔铮?jīng)光化學(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧的機(jī)理是非常復(fù)雜的，基本原理可簡(jiǎn)述為：二氧化氮在強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線照射下發(fā)生分解，產(chǎn)生一氧化氮（NO）和原子氧（O）；原子氧迅速與空氣中的氧（O2）反應(yīng)生成臭氧（O3）；碳?xì)浠衔锉籋O、O等自由基和O：氧化，導(dǎo)致醛、酮、醇、酸等產(chǎn)物以及重要的中間產(chǎn)物一RO2、HO2、RCO等自由基的生成，過(guò)氧自由基引起NO向NO2轉(zhuǎn)化，并導(dǎo)致O3和過(guò)氧乙酞硝酸酯（PAN）等的生成。這些基本反應(yīng)可以用最簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)模式表示如下：

關(guān)于光化學(xué)煙霧污染的控制，各國(guó)已做了大量研究工作。目前，防治措施集中于減少汽車排放的碳?xì)浠衔锖偷趸铩＠纾纳破嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，改進(jìn)然染料供給和在排氣系統(tǒng)安裝催化反應(yīng)器等。但是，由于光化學(xué)煙霧的污染源和成因復(fù)雜，目前已有的防治措施還不能完全控制光化學(xué)煙霧污染，繼續(xù)研究這類污染的綜合防治措施，仍是環(huán)境科學(xué)工作者今后的重要任務(wù)之一。

5.我國(guó)的能源現(xiàn)狀與大氣污染

我國(guó)目前的大氣污染主要是燃煤造成的煤煙粉塵污染，主要污染物是顆粒物和二氧化硫，這與我國(guó)目前的能源現(xiàn)狀密切相關(guān)。在我國(guó)近期的燃料構(gòu)成中，煤占70%以上。全國(guó)年燒煤約5億噸，其中約2億噸用于工業(yè)鍋爐、窯爐和民用采暖鍋爐，另有2億噸用于火力發(fā)電和火車，城市居民的生活滬灶年耗煤約1億噸。上述三部分直接燃煤的污染源每年排放二氧化硫1500萬(wàn)噸，排塵1900萬(wàn)噸，約占全國(guó)大氣污染總量的70%以上。

我國(guó)目前的大部分煤在使用前不進(jìn)行加工處理，洗煤能力僅占原煤生產(chǎn)能力的1/6，而且主要是供冶金、煉焦和出口用，絕大部分的燃煤是以含灰分高、含硫量高的原煤形式直接燒掉的。目前，我國(guó)的除塵裝置和排煙脫硫技術(shù)還不普及，除大型鍋爐有較高效的除塵設(shè)備外，大部分的燃燒煙氣均不經(jīng)高效除塵和脫硫處理，攜帶大量灰分和二氧化硫排入大氣。

在煤炭的地區(qū)分配上，情況是這樣：全國(guó)每年約有3億噸煤（其中包括居民生活和中小型鍋爐用煤）是集中在面積不大的城市使用。而且，這些煤主要用于小型鍋爐和民用小爐灶，這些燃燒設(shè)備效率低（分別不到60%和20%），也不可能按裝高效除塵和煙氣脫硫裝置，加上煙囪低矮，排放的煙塵和二氧化疏難以擴(kuò)散，從而造成了人口集中的城區(qū)嚴(yán)重的局部污染。

要從根本上治理我國(guó)目前的大氣污染狀況，必須改變以煤為主的然料構(gòu)成。我國(guó)目前在能源結(jié)構(gòu)上的發(fā)展趨向是：由有煙燃料改為無(wú)煙燃料，由固體燃料改為流體燃料。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，我國(guó)應(yīng)走城市然氣化的道路，逐步推廣使用天燃?xì)狻⒚簹夂褪蜌狻＿@不僅可以改進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)狀況，而且對(duì)于改變城市千家萬(wàn)戶的爐灶污染也是很有必要的。在有條件的地方，可以試點(diǎn)推行生活用電，電是化率最高、污染最小的能源。

6.大力開(kāi)發(fā)無(wú)污染的新能源

人們?cè)谡J(rèn)識(shí)了礦物燃料同大氣污染的關(guān)系后，開(kāi)發(fā)利用無(wú)污染的新能源的呼聲越來(lái)越高。許多國(guó)家已投入了大量的人力和物力，正在探索開(kāi)發(fā)這類能源。在已開(kāi)發(fā)的能源中，盡管水力能、潮汐能、風(fēng)力能、地?zé)崮艿忍烊寄茉慈杂泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿Γ瑢?duì)大氣污染也少，但人類最理想的無(wú)污染能源是太陽(yáng)能和氫燃料，它們是取之不盡，用之不竭的清潔能源。

1、太陽(yáng)能。

太陽(yáng)能是地球上最豐富的能源。太陽(yáng)射到地球表面的總能量，估計(jì)相當(dāng)于173億兆瓦，相當(dāng)于全世界全部發(fā)電廠發(fā)出的能量總和的一萬(wàn)八千倍。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，直接從太陽(yáng)獲取能量是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的夙愿。可是，在地球表面利用太陽(yáng)能，受到太陽(yáng)光是分散的和間歇的根本限制。近年來(lái)，由于技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)能的直接利用得到了較快的發(fā)展。目前，太陽(yáng)能主要用于：一國(guó)采暖和致冷。利用太陽(yáng)能給建筑物供暖，近年來(lái)在經(jīng)濟(jì)上已可以和電氣供暖競(jìng)爭(zhēng)，今后隨著化石燃料價(jià)格上漲，太陽(yáng)能動(dòng)力將成為最便宜的能源。②太陽(yáng)能發(fā)電。太陽(yáng)光能通過(guò)直接轉(zhuǎn)換法（太陽(yáng)能電池）變成電，或者通過(guò)動(dòng)力轉(zhuǎn)換法，即利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生蒸汽。由蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電.利用太陽(yáng)能的好處是：它提供了無(wú)窮的“燃料”來(lái)源，并且對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。

2、氫燃料。

氫將是今后一個(gè)寶貴的能源，它既可以直接用作土要燃料，又可轉(zhuǎn)化成各種各樣的燃料，如乙炔、甲烷、甲醇及其它碳?xì)浠衔锬哿稀涞倪m應(yīng)性很強(qiáng)，用高壓或低溫可以液化，運(yùn)輸和儲(chǔ)存都很方便，而且操作簡(jiǎn)單。氫可以用做一切動(dòng)力的來(lái)源，既可用于發(fā)電，又可用來(lái)開(kāi)動(dòng)汽車和噴氣式飛機(jī)，而且不污染大氣。氫不象化石然料，它燃燒起來(lái)很干凈，火焰幾乎看不見(jiàn)，不排放二氧化硫、一氧化碳及顆粒物等污染物，燃燒裝置無(wú)需安裝排氣設(shè)準(zhǔn)，一般也不必建造煙囪，所以建設(shè)費(fèi)用比較低廉，而加熱效率倒能提高3%。

目前生產(chǎn)氫的方法是：用煤使水還原，或使石油產(chǎn)品部分氧化和裂解。然而，這些方法都要消耗一定的能量和不能更新的能源，會(huì)增加氫的生產(chǎn)成本，很不經(jīng)濟(jì)。最近，有研究利用太陽(yáng)能把水直接分解生產(chǎn)氫氣。他們用一種氧化欽品體和黑色的鉑作為電極，連結(jié)并浸在灌滿水的水箱里。太陽(yáng)光射到氧化欽表面后，產(chǎn)生一股電流。電脈沖又分解水，在鉑電極表面上產(chǎn)生氫氣，在氧化欽晶體表面產(chǎn)生氧氣。由于水和太陽(yáng)光都是取之不盡的，因而用它們來(lái)生產(chǎn)氫，在今天被認(rèn)為是人類尋我無(wú)污染的理想新能源中最有希望的一個(gè)方法。

7.結(jié)語(yǔ)

在大城市中SOX，NOX排塵等污染問(wèn)題尚未得到解決。汽車污染、居民生活污染隨人口的增加會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，這是大氣污染防止法條例所難以解決的問(wèn)題。由于光化學(xué)煙霧和飄塵等產(chǎn)生機(jī)理尚長(zhǎng)明確，使之難以采取解決措施的污染物質(zhì)還存在。

隨著人類的發(fā)展污染物質(zhì)也不斷地發(fā)展、增加。最初只是在某些個(gè)別地區(qū)超過(guò)環(huán)境容量，逐漸地?cái)U(kuò)展到整個(gè)地理范圍，這種使人擔(dān)心的問(wèn)題還會(huì)出現(xiàn)的。

環(huán)境問(wèn)題于六十年代中期的應(yīng)急階段進(jìn)入了污染預(yù)防時(shí)期，與此同時(shí)能源問(wèn)題也從以石油為中心的時(shí)代進(jìn)入各種能源時(shí)代。因此，也是防治大氣污染措施轉(zhuǎn)變的時(shí)期。不僅要?jiǎng)?chuàng)造好的環(huán)境，也要從更廣闊的視野出發(fā)，有必要制定出具體的措施與政策并將二者結(jié)合起米，這是共同的愿望。

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