能源與大氣污染

蘇聰 張景 張文

摘 要： 能源與大氣環境的關系至為密切，這是因為能源在開采、運輸、加工、轉換和利用過程中，對大氣環境產生巨大的影響。本文概述中國能源與大氣環境的關系。其中主要介紹中國能源構成及特點、中國大氣污染的現狀、發展趨勢及其原因，各種燃煤污染源的現狀，以及能源與大氣環境的關系。

關鍵詞： 能源分類；大氣環境質量；能源結構調整

【中圖分類號】 X511 【文獻標識碼】 A【文章編號】 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程中的生成物所造成的，它與能源消費結構有著密切的關系。能源的開發和使用，一方面是為滿足四化建設和人民生活提高的要求，同時它又是造成環境污染的重要原因。一個地區的能源結構決定著該地區的大氣污染類型和污染程度。生活用熱、工業生產（主要是電廠鍋、工業爐窯）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、太陽能、風能、水能、潮汐能等等。能源的分類如下：

1.1常規能源和新能源。

根據能源利用的程度，能源可分為常規能源和新能源。已經廣泛利用的能源稱為常規能源，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）以及生物質能（秸桿、禽糞、薪柴等）.新能源是指沼氣、太陽能和風能等古老能源新法利用，以及一些在理論上應具有應用前景。但目前技術上尚不能廣泛開發的能源，例如地熱、潮汐能、海洋熱能等。

1.2一次能源和二次能源。

根據能源轉換和利用的層次，能源可分為一次能源和二次能源。從自然界直接開發得到的叫一次能源，例如煤炭、石油、天然氣、水能、風能等、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.太陽能、生物質能、水能、風能等，因其周而復始，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。

根據能源在開發、加工、利用過程中是否造成污染，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，水電和太陽能源都是清潔型能源。

2.我國能源結構及特點

2.1能源消費構成長期以煤炭為主。

在1952一1985年期間，我國一次能源消費構成雖有變化，但煤炭一直是我國的主要能源。1952年煤炭在一次能源消費構成中占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構成，比較符合我國可燃礦產資源的特點和目前工業發展水平。在今后相當長的時期內，也不可能有根本的改變。

2.2我國能源狀況的特點。

2.2.1蘊藏量豐富，分布不均衡。

我國是一個能源儲量比較豐富的國家。水能蘊藏量居世界第一位，為3.8億千瓦；煤炭探明儲量為7820億噸；石油遠景資源估計為7875億噸.我國能源的蘊藏主要集中于華北、西南和西北地區，而國土開發程度高的華東、東北地區則主要缺能地區，形成了我國能源分布不均衡的特點。

2.2.2產量較高，人均消費水平低。

以1981年為例，我國一次能源總產量為9億噸標準煤.但是，由于人口眾多，我國人均能源消費量僅為0.9噸標準煤，不到世界平均水平的一半。

2.2.3能源開發潛力大，開發構成不均衡。

從能源開發的總體情況看，目前開發程度較高的是煤炭.我國水力資源雖然非常豐富，但目前已利用的只占可開發裝機容量的2.7%。

2.2.4能源城鄉分配差異顯著，工業與民用分配不合理。

目前我國農村每人每年平均能源消費量為0.4噸標準煤，遠遠低于城市0.9噸標準煤。在能源的工業與民用分配上也極不合理，往往把清潔能源、優質低硫燃料供給工業，而把污染型、高灰分高硫煤供給民用。

2.2.5能源利用率低，污染嚴重。

能源利用率低表現為單位產品能耗高和有效利用率低。我國每萬美元國民生產總值消耗能源約為21噸標準煤，大體上為工業發達國家的2一3倍.從能源平均有效利用率來看，工業發達國家一般在40一50%以上，而我國僅為30帕左右.由于能源利用率低，加上工業布局不合理，缺乏有效地防治措施，造成了嚴重的能源大氣環境污染問題。

3.我國大氣污染的原因

3.1以煤炭為主的能源結構，極易造成大氣污染。

在我國能源構成中，多年來煤炭所占比例均在70%以上，在今后相當長的時期內，這種格局也不能改變。1985年，我國消耗煤炭為6.61億噸標準煤，是世界上用煤最多的國家。據全國26個城市統計，煤炭在每個城市的能源構成中所占比例都相當高。其中，超過70%的市有18個，占所統計城市的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。

我國大氣污染物主要來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。

我國煤炭消耗量大，用煤技術落后，大部分煤炭未經洗選、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，而且加重了大氣污染。燃煤工業鍋爐及民用小煤爐分散，煙囪低矮，又缺乏煙氣凈化設備，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，城市規劃和工業布局不合理，人口密度和經濟密度的疏密，也是我國大氣污染的影響因素。

4.我國能源結構的變化與大氣污染

4.1燃煤與粉塵污染。

在本世紀五十年代以前，城市大氣污染主要是由供煤產生的粉塵污染。當時，由于工向城市集中，人口也向城市集中，城市內工業用煤和居民生活用煤量越來越大，單位時間內排入大氣中的煤煙粉塵量便相應地增多，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。對于這種類型的大氣污染，由于改變燃燒結構，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礦物燃料的開發使用與SO2污染

粉塵污染的問題解決后，隨著礦物燃料的開發使用，石油在能源構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，資本主義國家城市的大氣污染也普遍地發生了變化，即在五十年代以后，煙塵污染相對減少，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，有時甚至高達50公斤。隨著石油消費量的增一長，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受空氣氧化而生成的，在空氣中，SO2經催化氧化或光化學氧化的作用，很易轉化為SO3，SO3遇到水蒸汽，就變成危害大得多的硫酸霧。基本反應如下：

硫酸霧再與金屬氧化物或氨反應，會生成硫酸鹽微粒。在風速小并且有逆溫層存在時，硫酸霧與硫酸鹽微粒不易擴散，就有可能對城市居民的健康產生巨大危害。對于SO2造成的污染，由于采用低硫燃料，并予先進行脫硫處理，再配之以排煙脫硫等措施，因此在工業發達國家，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。

由于工業的迅速發展，特別是由于汽車數量的增多，使石油和天燃氣的消費量急劇增長。與此同時，工業發達國家主要城市的大氣污染開始轉入到所謂的第三代大氣污染，也即光化學煙霧污染。

石油加工處理和燃燒過程中排放的碳氫化合物和氮城化物，經光化學反應形成光化學煙霧的機理是非常復雜的，基本原理可簡述為：二氧化氮在強烈的太陽紫外線照射下發生分解，產生一氧化氮（NO）和原子氧（O）；原子氧迅速與空氣中的氧（O2）反應生成臭氧（O3）；碳氫化合物被HO、O等自由基和O：氧化，導致醛、酮、醇、酸等產物以及重要的中間產物一RO2、HO2、RCO等自由基的生成，過氧自由基引起NO向NO2轉化，并導致O3和過氧乙酞硝酸酯（PAN）等的生成。這些基本反應可以用最簡化的化學反應模式表示如下：

關于光化學煙霧污染的控制，各國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氫化合物和氮氧化物。例如，改善汽車發動機的工作狀態，改進然染料供給和在排氣系統安裝催化反應器等。但是，由于光化學煙霧的污染源和成因復雜，目前已有的防治措施還不能完全控制光化學煙霧污染，繼續研究這類污染的綜合防治措施，仍是環境科學工作者今后的重要任務之一。

5.我國的能源現狀與大氣污染

我國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，這與我國目前的能源現狀密切相關。在我國近期的燃料構成中，煤占70%以上。全國年燒煤約5億噸，其中約2億噸用于工業鍋爐、窯爐和民用采暖鍋爐，另有2億噸用于火力發電和火車，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1500萬噸，排塵1900萬噸，約占全國大氣污染總量的70%以上。

我國目前的大部分煤在使用前不進行加工處理，洗煤能力僅占原煤生產能力的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，我國的除塵裝置和排煙脫硫技術還不普及，除大型鍋爐有較高效的除塵設備外，大部分的燃燒煙氣均不經高效除塵和脫硫處理，攜帶大量灰分和二氧化硫排入大氣。

在煤炭的地區分配上，情況是這樣：全國每年約有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散，從而造成了人口集中的城區嚴重的局部污染。

要從根本上治理我國目前的大氣污染狀況，必須改變以煤為主的然料構成。我國目前在能源結構上的發展趨向是：由有煙燃料改為無煙燃料，由固體燃料改為流體燃料。從長遠看，我國應走城市然氣化的道路，逐步推廣使用天燃氣、煤氣和石油氣。這不僅可以改進工業生產狀況，而且對于改變城市千家萬戶的爐灶污染也是很有必要的。在有條件的地方，可以試點推行生活用電，電是化率最高、污染最小的能源。

6.大力開發無污染的新能源

人們在認識了礦物燃料同大氣污染的關系后，開發利用無污染的新能源的呼聲越來越高。許多國家已投入了大量的人力和物力，正在探索開發這類能源。在已開發的能源中，盡管水力能、潮汐能、風力能、地熱能等天燃能源仍有很大的發展潛力，對大氣污染也少，但人類最理想的無污染能源是太陽能和氫燃料，它們是取之不盡，用之不竭的清潔能源。

1、太陽能。

太陽能是地球上最豐富的能源。太陽射到地球表面的總能量，估計相當于173億兆瓦，相當于全世界全部發電廠發出的能量總和的一萬八千倍。幾個世紀以來，直接從太陽獲取能量是科學家們夢寐以求的夙愿。可是，在地球表面利用太陽能，受到太陽光是分散的和間歇的根本限制。近年來，由于技術的進步，太陽能的直接利用得到了較快的發展。目前，太陽能主要用于：一國采暖和致冷。利用太陽能給建筑物供暖，近年來在經濟上已可以和電氣供暖競爭，今后隨著化石燃料價格上漲，太陽能動力將成為最便宜的能源。②太陽能發電。太陽光能通過直接轉換法（太陽能電池）變成電，或者通過動力轉換法，即利用太陽輻射產生蒸汽。由蒸汽驅動渦輪機來發電.利用太陽能的好處是：它提供了無窮的“燃料”來源，并且對環境無任何污染。

2、氫燃料。

氫將是今后一個寶貴的能源，它既可以直接用作土要燃料，又可轉化成各種各樣的燃料，如乙炔、甲烷、甲醇及其它碳氫化合物嫩料。氫的適應性很強，用高壓或低溫可以液化，運輸和儲存都很方便，而且操作簡單。氫可以用做一切動力的來源，既可用于發電，又可用來開動汽車和噴氣式飛機，而且不污染大氣。氫不象化石然料，它燃燒起來很干凈，火焰幾乎看不見，不排放二氧化硫、一氧化碳及顆粒物等污染物，燃燒裝置無需安裝排氣設準，一般也不必建造煙囪，所以建設費用比較低廉，而加熱效率倒能提高3%。

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

7.結語

在大城市中SOX，NOX排塵等污染問題尚未得到解決。汽車污染、居民生活污染隨人口的增加會越來越嚴重，這是大氣污染防止法條例所難以解決的問題。由于光化學煙霧和飄塵等產生機理尚長明確，使之難以采取解決措施的污染物質還存在。

隨著人類的發展污染物質也不斷地發展、增加。最初只是在某些個別地區超過環境容量，逐漸地擴展到整個地理范圍，這種使人擔心的問題還會出現的。

環境問題于六十年代中期的應急階段進入了污染預防時期，與此同時能源問題也從以石油為中心的時代進入各種能源時代。因此，也是防治大氣污染措施轉變的時期。不僅要創造好的環境，也要從更廣闊的視野出發，有必要制定出具體的措施與政策并將二者結合起米，這是共同的愿望。

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