能源环境工程

能源是社会进步和经济发展的重要基础，安全可靠的能源供应体系和高效、清洁、经济的能源利用，是支撑经济和社会持续发展的重要保证。能源主要包括煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能、地热能、氢能、核能等一次能源以及电力、热力、成品油等二次能源，还包括其他新能源和可再生能源。

煤、石油、天然气是所有能源中重要的能源，也是全球经济发展的基本能源。但这些化石能源的大量使用，对环境造成了严重的危害。为积极应对气候变化、调整能源结构、保障能源安全、实现可持续发展战略，我国政府提出争取到2020年非化石能源占一次能源消耗的比例达到15%左右，单位国内生产总值的CO2排放比2005年下降30%～50%，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。我国能源消费的格局是富煤、贫油、少气，可再生能源丰富，因此大力发展可再生能源，形成多种能源互补、均衡发展的能源结构，可以显著提高能源转化效率，是实现可持续发展的重要途径。

所有能源的开发和利用都会对环境造成一定的影响。能源开发利用与生态环境是一个矛盾的共同体，在能源开发利用的过程中不可避免地会对环境造成破坏。为此，必须全面了解各种能源开发利用可能产生的环境污染问题，从而有针对性地提出减缓或解决措施，使两者相辅相成、互为促进，为实现可持续发展的战略目标奠定能源与环境的基础。本书分别对煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能、地热能、氢能、核能的开发利用过程进行了详细介绍，对各种能源开发过程中产生的环境问题进行了分析，并针对性地提出了解决对策。

全书共分13章。第1章对能源的分类、能源的利用方式及利用过程产生的环境问题进行了阐述；第2～12章分别介绍了煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能、地热能、氢能、核能的各种开发利用技术和开发利用各环节产生的环境问题及对策；第13章阐述了绿色发展与能源安全的关系。

全书由南京工业大学廖传华、南京水利科学研究院王小军、南京工业大学王银峰和中海油能源发展安全环保公司李聃著写，其中第1章～第4章由廖传华、王小军著写，第5章、第11章由王银峰著写，第6章、第7章、第9章由廖传华著写，第8章、第13 章由王小军著写，第10章、第12章由李聃著写。全书由廖传华统稿。

在本书著写过程中，常州市范群干燥设备有限公司范炳洪董事长、北京化工大学屈一新教授、中国农业大学刘相东教授、南京水利科学研究院秦福兴教授级高级工程师、华陆工程科技有限责任公司郭卫疆教授级高级工程师、中国五环工程有限公司蔡晓峰教授级高级工程师、南京三方化工设备监理有限公司赵清万教授级高级工程师、南京工业大学黄振仁教授、朱廷风高级工程师、南京凯盛国际工程有限公司周玲高级工程师等提出了大量宝贵的建议，研究生廖玮、陈厚江、洪至康、周旭等在资料收集与处理方面提供了大量的帮助，在此一并表示衷心的感谢。

本书先后得到国家自然科学基金（项目编号：51722905，41961124006）、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目（项目编号：JNHB-068）、中央财政水资源节约、管理与保护项目（项目编号：126302001000160081）、中央分成水资源费项目（项目编号：1261530210031）等支持，在此表示诚挚感谢！

本书《能源环境工程》与《环境能源工程》互为姊妹篇，从整书的谋篇布局至素材的收集与整理过程都得到了化学工业出版社编辑的通力配合，历时五年，经多次修改，终于付梓，激励之情，无以言表。然能源环境问题涉及的知识面广，由于作者水平有限，不妥及疏漏之处在所难免，恳请广大读者不吝赐教，作者将不胜感激。

廖传华

能源和环境是当前发展的两大主题，如何在科学合理地开发利用各种能源的同时，以循环经济模式为指导，尽可能减缓或消除其对环境的污染，是促进国民经济发展，打赢“绿水蓝天保卫战”的重要措施。

本书主要针对化石能源以及可再生能源，分别对其开采（开发）和利用方式、技术方法、工艺过程及主要设备进行了详细介绍，在此基础上，结合工艺路线对开发利用过程中可能产生的环境问题进行剖析，并有针对性地提出了相应的环境保护对策。本书全面介绍了煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能、地热能、氢能、核能的开发利用及产生的环境问题和相应的对策，*后从绿色发展和能源安全的角度进行了详细的阐述，助力实现能源工业绿色发展。

本书可供从事煤炭、石油等传统能源及太阳能、风能、生物质能、海洋能等新能源行业，以及环境污染治理及保护行业的科研人员、工程技术人员和管理人员阅读参考，也可供高等学校能源与环境系统工程、能源工程、新能源、环境工程、环境科学、化学工程等相关专业的师生参考使用。

廖传华，南京工业大学，教授，湖北洪湖人。浙江大学化工过程机械专业硕士，南京工业大学化学工程专业博士，教授。 主要从事本科生《过程装备成套技术》、课程设计、毕业设计等环节的教学工作，编写教材2部。2005年获江苏省普通高校教学成果一等奖。 主要从事以下方向的研究工作：（1）高浓度难降解有机废水深度治理与资源化利用：采用超临界水氧化技术对高浓度难降解工业废水和有机污泥进行深度治理，不仅满足达标排放，还能实现能源的综合利用。已发表论文10多篇，出版专著4部，申报发明专利15项（获授权3项）。研究成分果于2011年和2013年分别获中国石油和化学工业联合会技术发明三等奖和二等奖各一项。（2）天然产物有效成分的高效提取：采用超临界萃取技术对天然产物中的有效成份进行高效提取，既提高有效成分的提取率，又降低产物中的化学溶剂残留。已发表论文20多篇，出版专著5部，获授权发明专利1项。（3）超细粉体的制备：采用超临界膨胀法制备超细粉体。已发表论文多篇，出版专著1部，获授权发明专利1项。（4）热力干燥：主要从事喷雾干燥、喷雾造粒、半干法喷雾烟气脱硫等方面的研究工作，已发表论文10多篇，获授权专利1项。现为中国化工学会化学工程专业委员会干燥专业组理事、中国通用机械干燥协会技术委员会委员、中国通用机械干燥协会标准化委员会委员。（5）可再生能源与低碳技术研究：主要从事中硬质秸秆的气化、生物质超临界水部分氧化制甲烷、中高温太阳能热利用、城市型风机等方面的研究工作，已发表论文10余篇，出版专著1部，申请发明专利8项。（6）工业节水减排技术：针对高耗水行业，采用夹点技术，在对用水节点进行分析的基础上，进行工艺流程的优化与新型设备的开发，通过循环用水和废水处理再生回用而实现节约用水。研究成果获2011年江苏省水利科技成果二等奖。出版专著《工业节水案例与技术集成》获中国石油和化学工业图书二等奖。

第1章 绪论 / 001

1.1 能源的分类、性质与评价 / 001

1.1.1 能源的分类 / 001

1.1.2 能源的性质 / 003

1.1.3 能源的评价 / 007

1.2 能源的利用、输送与储存 / 009

1.2.1 能源的利用 / 009

1.2.2 能源的输送 / 018

1.2.3 能源的储存 / 020

1.3 能源开发利用导致的主要环境灾害 / 021

1.3.1 酸雨污染 / 021

1.3.2 荒漠化加剧 / 022

1.3.3 温室效应 / 023

1.3.4 生物多样性减少 / 024

1.4 控制环境问题的主要对策 / 024

1.4.1 酸雨的控制对策 / 025

1.4.2 荒漠化的防治对策 / 026

1.4.3 温室效应的控制对策 / 027

1.4.4 生物多样性减少的控制对策 / 027

1.5 本书的主要任务和内容 / 028

参考文献 / 028

第2章 煤炭的开发利用与环境问题及对策 / 030

2.1 煤炭的分类及其组成 / 030

2.1.1 煤炭的分类 / 030

2.1.2 煤炭的组成 / 031

2.2 煤炭的开采与利用技术 / 033

2.2.1 煤炭开采技术 / 033

2.2.2 煤炭利用技术 / 034

2.3 煤炭清洁加工技术 / 035

2.3.1 洗选 / 035

2.3.2 型煤 / 035

2.3.3 水煤浆 / 037

2.4 煤炭的燃烧方法 / 041

2.4.1 块煤的层状燃烧 / 042

2.4.2 碎煤的沸腾燃烧 / 042

2.4.3 粒煤的流化燃烧 / 044

2.4.4 粉煤的悬浮燃烧 / 048

2.4.5 水煤浆燃烧技术 / 049

2.5 煤炭气化技术 / 049

2.5.1 煤炭气化的基本原理 / 049

2.5.2 煤炭气化过程的影响因素 / 051

2.5.3 煤炭气化方法的分类 / 054

2.5.4 煤气的净化 / 062

2.6 煤炭液化技术 / 065

2.6.1 煤炭直接液化 / 065

2.6.2 煤炭间接液化 / 073

2.7 先进煤炭利用技术 / 077

2.7.1 整体气化联合循环发电技术 / 078

2.7.2 燃料电池和IGCC 组合的联合循环 / 080

2.7.3 燃气-蒸汽-电力多联产系统 / 080

2.8 煤炭开发利用过程中的环境问题 / 081

2.8.1 煤炭开采过程产生的环境问题 / 081

2.8.2 煤炭运输过程产生的环境问题 / 084

2.8.3 煤炭加工过程产生的环境问题 / 085

2.8.4 煤炭利用过程产生的环境问题 / 089

2.9 煤炭开发利用过程中环境问题的对策 / 093

2.9.1 煤炭开采过程中环境问题的对策 / 094

2.9.2 煤炭运输过程中环境问题的对策 / 097

2.9.3 煤炭加工过程中环境问题的对策 / 098

2.9.4 煤炭利用过程中环境问题的对策 / 099

参考文献 / 104

第3章 石油的开发利用与环境问题及对策 / 111

3.1 石油开采 / 112

3.1.1 陆上石油开采 / 112

3.1.2 海上石油开采 / 115

3.2 原油输送 / 115

3.2.1 管道输送 / 115

3.2.2 油轮运输 / 116

3.2.3 铁路运输 / 116

3.3 石油加工 / 116

3.3.1 原油预处理 / 116

3.3.2 石油炼制 / 117

3.4 石油的利用 / 125

3.4.1 石油的能源利用 / 125

3.4.2 石油的化工利用 / 127

3.5 石油开发利用过程中的环境问题 / 139

3.5.1 石油开采过程产生的环境问题 / 139

3.5.2 石油输送过程产生的环境问题 / 144

3.5.3 原油加工过程产生的环境问题 / 146

3.5.4 石油利用过程产生的环境问题 / 150

3.6 石油开发利用过程中环境问题的对策 / 157

3.6.1 石油开采过程中环境问题的对策 / 158

3.6.2 石油输送过程中环境问题的对策 / 161

3.6.3 原油加工过程中环境问题的对策 / 163

3.6.4 油品利用过程中环境问题的对策 / 167

参考文献 / 172

第4章 天然气的开发利用与环境问题及对策 / 177

4.1 天然气的性质和开采方法 / 177

4.1.1 油气田天然气的性质和开采方法 / 177

4.1.2 天然气水合物的性质和开采方法 / 178

4.1.3 煤层气的性质和开采方法 / 179

4.1.4 页岩气的性质和开采方法 / 180

4.2 天然气的加工 / 181

4.2.1 天然气脱硫脱碳 / 182

4.2.2 天然气脱水 / 182

4.2.3 天然气凝液回收 / 184

4.3 天然气的输送 / 184

4.3.1 天然气的管道输送 / 184

4.3.2 液化天然气的输送 / 185

4.4 天然气的利用 / 186

4.4.1 天然气的能源利用 / 186

4.4.2 天然气的化工利用 / 188

4.5 天然气开发利用过程中的环境问题 / 192

4.5.1 天然气开采过程中的环境问题 / 193

4.5.2 天然气加工过程中的环境问题 / 196

4.5.3 天然气输送过程中的环境问题 / 199

4.5.4 天然气利用过程中的环境问题 / 202

4.6 天然气开发利用过程中环境问题的对策 / 206

4.6.1 天然气开采过程中环境问题的对策 / 206

4.6.2 天然气加工过程中环境问题的对策 / 210

4.6.3 天然气输送过程中环境问题的对策 / 212

4.6.4 天然气利用过程中环境问题的对策 / 215

参考文献 / 217

第5章 太阳能的开发利用与环境问题及对策 / 221

5.1 太阳辐射与太阳能 / 221

5.1.1 太阳的结构 / 221

5.1.2 太阳常数 / 222

5.1.3 到达地面的太阳辐射 / 223

5.1.4 太阳能资源的分布 / 223

5.1.5 太阳能的特点 / 224

5.2 太阳能的光热利用 / 224

5.2.1 太阳能集热器 / 225

5.2.2 太阳能供暖 / 226

5.2.3 太阳能热发电技术 / 230

5.2.4 太阳能热气流发电技术 / 237

5.2.5 太阳能热利用的其他应用 / 239

5.3 太阳能的光电利用 / 243

5.3.1 太阳能光伏发电的原理 / 243

5.3.2 太阳能光伏发电系统分类 / 244

5.3.3 太阳能电池的分类 / 245

5.3.4 太阳能光伏发电系统的设计 / 245

5.4 太阳能光热利用过程中的环境问题 / 249

5.4.1 太阳能镜场建设施工期的环境问题 / 249

5.4.2 太阳能镜场运营期内的环境问题 / 251

5.5 太阳能光热利用过程中环境问题的对策 / 252

5.5.1 太阳能镜场建设施工期环境问题的对策 / 252

5.5.2 太阳能镜场运营期内环境问题的对策 / 254

5.6 太阳能光电利用过程中的环境问题 / 255

5.6.1 太阳能电池生产过程中的环境问题 / 255

5.6.2 光伏电站建设施工过程中的环境问题 / 256

5.6.3 光伏电站运营过程中的环境问题 / 256

5.7 太阳能光电利用过程中环境问题的对策 / 258

5.7.1 太阳能电池生产过程中环境问题的对策 / 258

5.7.2 光伏电站运营过程中环境问题的对策 / 258

参考文献 / 260

第6章 风能的开发利用与环境问题及对策 / 264

6.1 风及风能资源 / 264

6.1.1 风的形成 / 264

6.1.2 风的变化 / 264

6.1.3 风能的基本特征 / 266

6.1.4 风能的特点 / 267

6.1.5 风能资源分布 / 267

6.2 风能的利用方式 / 269

6.2.1 风力发电 / 269

6.2.2 风力泵水 / 269

6.2.3 风力助航 / 270

6.2.4 风力致热 / 270

6.3 风力发电技术 / 271

6.3.1 风力机 / 271

6.3.2 风力发电系统的类型 / 273

6.3.3 风力发电的发展趋势 / 277

6.4 风能利用过程中的环境问题 / 278

6.4.1 风电场施工期间的环境问题 / 279

6.4.2 风电场运营期间的环境问题 / 280

6.5 风能利用过程中环境问题的对策 / 285

6.5.1 风电场施工期间环境问题的对策 / 285

6.5.2 风电场运营期间环境问题的对策 / 287

参考文献 / 289

第7章 生物质能的开发利用与环境问题及对策 / 294

7.1 生物质的分类及生物质能的特点 / 294

7.1.1 生物质的分类 / 294

7.1.2 生物质能的特点 / 296

7.2 生物质能的转化利用途径 / 297

7.2.1 热化学转化 / 297

7.2.2 生物转化 / 298

7.3 生物质的预处理 / 298

7.3.1 生物质的收集 / 298

7.3.2 生物质的运输 / 299

7.3.3 生物质粉碎 / 300

7.3.4 生物质干燥 / 301

7.3.5 生物质成型 / 302

7.4 生物质的燃烧 / 303

7.4.1 生物质的燃烧过程 / 304

7.4.2 生物质直接燃烧技术 / 304

7.4.3 生物质成型燃料燃烧技术 / 308

7.5 生物质热化学液化制液体燃料 / 309

7.5.1 生物质快速热解液化 / 309

7.5.2 生物质水热液化 / 314

7.6 生物质热化学气化制气体燃料 / 321

7.6.1 生物质气化剂气化 / 321

7.6.2 生物质水热气化 / 326

7.7 生物质热化学炭化制固体燃料 / 329

7.7.1 生物质热解炭化 / 329

7.7.2 生物质水热炭化 / 332

7.8 生物质生物转化技术 / 335

7.8.1 生物质生物液化 / 335

7.8.2 生物质生物气化 / 343

7.9 生物质能开发利用过程中的环境问题 / 351

7.9.1 生物质能源植物种植过程中的环境问题 / 351

7.9.2 生物质原料预处理过程中的环境问题 / 352

7.9.3 生物质燃烧过程中的环境问题 / 356

7.9.4 生物质热化学液化过程中的环境问题 / 358

7.9.5 生物质热化学气化过程中的环境问题 / 361

7.9.6 生物质热化学炭化过程中的环境问题 / 364

7.9.7 生物质生物转化过程中的环境问题 / 366

7.10 生物质能开发利用过程中环境问题的对策 / 368

7.10.1 生物质能源植物种植过程中环境问题的对策 / 368

7.10.2 生物质原料预处理过程中环境问题的对策 / 371

7.10.3 生物质燃烧过程中环境问题的对策 / 373

7.10.4 生物质热化学液化过程中环境问题的对策 / 374

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