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陈交通大学

能源是经济和社会发展必不可少的物质基础，也是实现四个现代化提高人民生活水平的先决条件。随着现代社会生产的不断发展以及机械化、电气化和自动化程度的不断提高，生产中对能源的需求越来越大。一般来说，一个国家的国民生产总值与其能源消耗大致成正比。在现代生产中，能源是主要的能源。一些发达国家能够在几十年内实现现代化的一个重要原因是它们致力于大规模开发和利用能源。能源消耗越大，产品产量越多，整个社会就越富裕。例如，美国、苏联、日本、西德、英国、法国、意大利等工业化国家仅占世界人口的1/5，而能源消耗占总能源消耗的2/3。

能源与人们的衣食住行息息相关。为了解决温饱问题，必须大力发展农业生产，实现农业机械化、电气化、水利化和化学化，这些都需要消耗大量的能源。在某种程度上，可以说食物和棉花是用来交换能量的。如今，市场上出现了许多彩色合成纤维产品，它们都是以能源(煤、石油和天然气)为原料和动力制成的。至于住房，用于住房本身的木材是一种能源，其他建筑材料如砖、玻璃、钢和水泥在生产过程中使用大量的能源。为了保持合适的室内温度，冬季需要供暖，夏季需要制冷。为了学习和工作，需要消耗能量的室内照明。至于现代家用设备，如空、冰箱、洗衣机、电炉、微波炉等。，能量是必不可少的。另外，为了活跃人们的文化娱乐生活，比如看电视、看电影、听广播、看视频、听音频等。，都需要能量。至于走路，除了走路，能量是必不可少的。汽车、电车、火车、轮船、飞机等。，一旦他们没有能量，将无法移动。

能源与国防有着密切的关系，不仅在生产各种武器时需要大量的能源，而且在使用各种武器时也离不开能源，如空的中国飞机、陆地坦克、海船、海底潜艇、中远程导弹、原子弹等。如果能源不足，国家安全将得不到可靠保障，经济建设将无法正常进行。

总之，能源问题直接关系到国民经济的发展、社会的进步和人民生活水平的提高。社会总是不断前进，生产总是需要不断增长，而人们需要更高的物质文明和精神文明。因此，能源对于中国致力于实现四个现代化尤为重要，解决能源问题必须作为发展国民经济、提高人民生活水平、稳定社会秩序和保障国家安全的重中之重。为了实现“九五”计划和2010年跨世纪宏伟规划，实现两个根本性转变，建设中国特色社会主义，必须充分认识到能源开发、利用和发展的重要性。

从能源系统的角度来看，新能源技术包括系统从开发到最终使用所涉及的各种能源的先进技术。

1、洁净煤技术

煤炭是中国分布最广、储量最大的能源。预计到下世纪中叶，煤炭仍将在中国能源消费结构中占据主导地位。

然而，煤的直接燃烧造成了严重的环境污染。据估计，燃煤占中国二氧化硫(SO2)排放量和烟尘排放量的90%和70%，而且还存在氮氧化物污染的问题。中国西南和华南地区出现了大面积的酸雨，并且有扩大的趋势。作为世界上最大的煤炭消费国，燃煤排放的二氧化碳可能导致全球变暖，这是国际社会的一个热点。因此，发展洁净煤技术、减少污染物排放、提高煤炭利用效率已成为中国乃至世界的重要战略任务。

(1)先进的燃烧和污染处理技术

洁净煤技术可用于燃烧前、燃烧中和燃烧后的任何阶段。

燃烧前的处理和净化技术

1)洗涤处理。这是一种去除或减少原煤中所含的灰分、脉石、硫等杂质，并根据不同的煤种、灰分、热值和粒度将其分为不同的品种和等级，以满足不同用户需求的方法。

1991年，我国原煤洗选率仅为18.1%，洗选效率为85%，而在发达国家，原煤全部洗选，洗选效率超过95%。

2)型煤加工。在此过程中，煤粉和低品位煤通过机械方法制成具有一定粒度和形状的煤产品。当形成高硫煤时，可以加入适量的固硫剂，大大减少SO2的排放。中国民用型煤的热效率比烧散煤的热效率高一倍。一般来说，燃煤可节约20-30%，烟尘和二氧化硫可减少40-60%，一氧化碳可减少80%。燃煤可节约15%，烟尘可减少50-60%，SO2可减少40-50%，氮氧化物可减少20-30%，

3)水煤浆。这是20世纪70年代开发的一种新燃料，用煤代替石油。它是将灰分含量很高、挥发分很高的煤磨成250-300微米的细煤粉，加入0.5-1.0%的分散剂和0.02-0.1%的稳定剂，比例为煤约70%，水约30%。水煤浆可以像燃油一样运输、储存和燃烧。中国的制浆工艺已达到国际水平，并已建成商业示范项目。

燃烧净化

1)高级燃烧器。先进的燃烧器通过改进电站锅炉、工业锅炉和窑炉的设计和燃烧技术，减少污染物排放，提高燃烧效率。

低NOx燃烧器已经在国外商业化使用，燃烧过程是燃料和空气体逐渐混合以降低火焰温度，从而减少NOx的产生；或者调节燃料和き0/气体的混合比，以为燃料燃烧提供足够的氧气，但不足以与氮气结合形成NOx。

我国开发了一种新型的水容量煤粉燃烧器(火电1兆瓦以上)，燃烧效率达95%以上，在50%负荷条件下仍能稳定燃烧，对煤种适应性广，因此脱硫装置正在进一步开发。

2)流化床(流化床炉)燃烧。流化床燃烧是将煤和吸附剂(石灰石)加入燃烧室的床层，从炉底鼓入空气，使床层悬浮，进入流化燃烧。流化形成湍流混合条件，从而提高燃烧效率；石灰石固硫，减少SO2排放；较低的燃烧温度(830-900℃)大大减少了氮氧化物的产生。

流化床有两种类型:鼓泡床和循环床。鼓泡床将煤保持在燃烧中心，流化燃烧主要发生在床内。循环床通过高速空气体将固体颗粒带入并返回燃烧室进行辅助燃烧，这促进了煤颗粒的沸腾和燃烧。中国向巴基斯坦出口了5万千瓦流化床锅炉。煤含有6%的硫，正被引入125，000千瓦机组的循环流化床。

燃烧后净化——烟气净化，包括控制SO2、NOx和颗粒物。烟尘、SO2变成亚硫酸钙浆液。干法是喷浆脱硫剂(石灰石)，与烟气中的SO2反应生成硫酸钙，水分蒸发，干颗粒被除尘器收集。这两种方法的脱硫效率达到90%。

目前，大型电站普遍采用静电除尘器，除尘效率可达99%以上。

目前，国外正在研发先进的脱硫技术和新型烟气净化技术，可同时去除90%以上的SO2和NOx。

我国电厂烟气净化仍处于初级阶段。90%的火电厂安装了除尘器，平均除尘效率为90%，其中静电除尘仅占12%，除尘效率为96%。新建的大型电站由高烟囱(210米以上)散布。虽然扩散效果不差，但它可以减少城市空的气体污染，但它不能解决区域污染问题。

(2)煤气化和液化

1)煤气化。煤气化是指将经过适当处理的煤送入反应器，在一定的温度和压力下通过气化剂(空气体或氧气和蒸汽),并以一定的流动方式将其转化为气体。气化技术可以将各种煤转化为各种气体产品，包括城市民用和工业燃气、发电燃气、化学燃气等。

煤气化主要产生一氧化碳和H2灰，形成废渣。煤气化的优点是气态硫和氮成分可以在燃烧前去除。

1990年，中国煤制气消费量为235.9亿立方米。目前采用的是常压水煤气法和常压固体床阶段气化法。正在开发常压循环流化床和常压固体床两级气化工艺。

国外正在开发各种新的煤气化技术，旨在扩大气化煤的种类，提高处理能力和转化效率，减少污染物排放。此外，煤层气地下气化技术已经引起了各国的关注，并具有广阔的发展前景，值得研究。

2)燃气-蒸汽联合循环发电。煤气化用于生产燃气，燃气驱动燃气轮机发电。残余气体用于燃烧锅炉，产生的蒸汽驱动汽轮机发电。在燃烧之前，气体可以被净化以除去硫和氮。联合循环可以提高系统的热效率。新一代煤气化联合循环发电的供电效率可达43-46%。

目前，国外已进入示范阶段的煤气化联合循环发电主要有三种方案:整体煤气化联合循环发电方案；加压流化床联合循环方案:第二代加压流化床煤气化联合循环发电方案。目前，在建和拟建的煤气化联合循环发电示范厂有24个。单机容量达到250-600兆瓦。

我国引进的几套燃油联合循环机组对发展煤气化联合循环发电具有借鉴意义。此外，正在引进和发展高精度燃气-蒸汽联合循环发电技术。关于加压流化床燃气-蒸汽联合全循环发电技术，我国已经进行了研究和开发，并取得了一流的成果。

3)燃煤MHD发电技术。也称为等离子体发电。它是一种新型的发电厂，使极高温度和高电离气体高速通过强磁场直接发电。当燃煤产生的2600 K以上的高温等离子体气体高速流过强磁场时，气体中的电子在气化过程中受到活化金属粒子(钾和铯)的磁冲击，沿垂直于磁力线的方向流向电极，产生直流电，直流电可以通过交流和DC交换装置输送到电网。磁流体产生的气体可以送入常规锅炉加热水产生蒸汽，驱动汽轮机发电，形成高效联合循环。总热效率可达50-60%。由于磁流体发电中使用的钾盐可以有效脱硫，通过控制燃烧可以有效控制氮氧化物的产生，是一种低污染的燃烧发电技术。

4)煤液化。煤液化可分为间接液化和直接液化。间接液化是将煤气化产生原料气，原料气经过净化、淬火和回火以调节H2与一氧化碳的比例

直接液化是将煤直接转化成液体产品。已完成的中试工艺主要包括供氢溶剂法、氢煤法和硫酸盐还原法。

20世纪80年代，发展了第三代两段催化加氢液化工艺和煤油共炼工艺，提高了煤液化的经济性。

1980年，中国重新启动了煤直接液化的研究，并从国外引进了小型试验装置。到目前为止，已经对各种煤进行了液化性能和工艺条件试验，以及直接液化和煤-油混合试验。

在间接液化方面，中国在煤制甲醇方面做了大量工作。甲醇是由含有H2和一氧化碳的原料制成的，可用作化学原料、溶剂和燃料。甲醇可用作汽车燃料，汽油中可加入5%、15%、25% (M-15、M-25)，或使用纯甲醇(M-100)。甲醇和异丁烯合成甲基叔丁基醚，用作无铅汽油的辛烷值添加剂。或者直接合成低碳混合醇(甲醇70%，低碳醇30%)作为汽油辛烷值回收剂。甲醇也可以用来生产合成汽油。目前，中国甲醇年产量超过60万吨，其中约20%用作燃料。煤制甲醇技术已经成熟。

2.新型核能技术

(1)新一代压水堆核电站

固有安全的核电站反应堆。核反应堆在任何事故条件下都可以自动停止运行，在最严重的假设事故条件下，依靠自然循环机制，可以将停堆后堆芯的余热导出反应堆，保持堆芯和堆内燃料元件的完整性，从根本上消除从堆芯深层放射性逃逸的可能性。这种特性被称为固有安全性，例如改进的压水堆和模块化高温气冷堆。

(2)核燃料扩散-快中子增殖反应堆。热中子反应堆主要使用kairan铀中的少量铀-235，并在反应堆中产生少量钚-239。因此，热中子反应堆仅使用天然铀中约2%的铀，而世界上已探明的铀资源无法保证核能的长期大规模利用。通过核裂变链式反应中快中子反应堆的产生和维持，实现核燃料的扩散是可能的。快中子反应堆使用钚-239作为裂变燃料，铀-238作为增殖原料，铀-238在捕获快中子后可以产生钚-239。因为一个钚-239原子核裂变释放的平均中子数比一个铀-235原子多，而新生的钚-239可能比消耗的钚-239多，核燃料的扩散是可以实现的。1951年，美国建造了世界上第一个新的核反应堆——快中子增殖反应堆。到20世纪70年代末，快中子反应堆示范电站的输出功率已经达到3万千瓦，并开始进入实用阶段。中国的“863”计划计划建造一个快中子实验反应堆。理论上，快中子反应堆可以利用所有的铀资源，但实际上，由于各种损失，大约60%的铀资源可以利用。

(3)新型供热资源——低温核供热堆和高温气冷堆

低温核供热堆是压水反应堆型热中子堆，但其参数远低于核电站用压水反应堆，压力约为15巴，温度约为200℃。由于参数低、设备成本低和经济竞争力强，世界上如前苏联、加拿大、德国、瑞典、瑞士、法国等国家都有发展低温核供热的计划。中国多年来一直在发展低温核供热堆，第一个5000千瓦低温核供热试验堆于1990年投入运行。

高温气冷堆是以石墨为慢化剂、氦气为冷却剂的热中子反应堆。由于石墨耐高温，反应堆出口处的氦气温度可高达950℃。袁比核电站压水堆出口水温高出300-350℃。现在设计的模块式高温气冷堆不仅可以高温供热、高效发电，而且具有良好的固有安全性能。德国和美国在20世纪60年代有实验反应堆和示范反应堆在运行。目前，日本正在建设一个3万千瓦的高温气冷实验堆，中国的“863”计划也决定在本世纪建设一个1万千瓦的实验堆。

(4)受控热核聚变能量

1)融合反应。核聚变是指在超高温等特定条件下，两个或两个以上较轻的原子核(如氢的两种同位素)聚合成较重的子核，同时释放出巨大的能量。因为这种反应必须在极高的温度下(1亿-5亿℃)进行，所以它被称为热核反应。据计算，1公斤热核聚变燃料释放的能量是核裂变的4倍。

2)核聚变材料主要是氢。也称氢，也称为超重氢，它包含在1千克海水中

0.034克，所以地球上浩瀚的海洋中有23.4万亿吨，足够人类使用数十亿年。它是一种无尽而持久的能源。

目前，聚变能还处于研究阶段，离实用还很远。然而，由于其取之不尽、用之不竭的资源、优越的性能、巨大的能量以及不像裂变反应堆那样产生大量的放射性废物，其前景非常好。预计它将在下个世纪中叶上市。目前，一些人考虑在聚变-裂变混合堆商业化之前开展研究。其原理是将裂变燃料与聚变反应产生的中子相乘，并充分利用裂变铀和钍的核资源。我国也在研究它。

3.新能源技术

(1)新太阳能技术

太阳能是一种巨大的环保能源。

太阳能的转换和利用方法包括:光热转换、光电转换和光化学转换。

1)太阳能热利用和热发电技术。太阳能热利用是指太阳能辐射能量通过各种集热部件转化为热能后直接利用，可分为低温(100-300℃):工业热、制冷、空空调、烹饪等。高温(300℃以上):火力发电、材料高温处理等。

太阳能节能建筑可分为两种类型:主动建筑和被动建筑。前者与常规的能量加热系统基本相同，只是用太阳能集热器作为热源来代替传统的锅炉。后者利用建筑本身的结构来吸收和储存太阳能，以达到取暖的目的。

太阳能热发电技术是利用太阳能产生热能并将其转化为机械能的发电过程。发电系统主要由集热系统、传热系统、蓄热器、换热器和汽轮发电机组组成。美国鲁兹公司已经建造了九座发电站，总装机容量为35万千瓦，平均效率为14%，电价约为每千瓦时8美分。太阳能热发电技术涉及光学、传热、材料科学、自动化等学科。它是一项综合性、交叉性的高技术，也是太阳能开发研究领域的一个难点。太阳能热发电技术的关键问题是太阳辐射吸收和高效传热技术。

2)太阳能光电转换技术。太阳能电池有多种类型，如单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、硫化电池和化学电池。美国、德国和日本已将太阳能光伏技术列为第一个新能源，其制造和发电成本在特殊应用中具有竞争力。当前发展的主要障碍是光伏电池的高成本。中国已经能够生产，年产量为1000千瓦，能源转换率为14%。多晶硅电池采用熔铸和定向凝固方法制造，可在现有基础上降低成本30%，使其更具实用性。然而，为了将其降低一个数量级，有必要改变制造工艺，制造硅膜太阳能电池和发电系统，并大力加强基础研究。

3)光化学转化技术。光化学是化学的一个分支，研究光和物质相互作用引起的化学反应。光化学电池是一种利用光照射半导体和电解质之间的界面，并产生化学反应的电池，化学反应在电解质中形成电流，并使水电离，直接产生氢气。

据不完全统计，1991年，中国推广太阳能热水器180万平方米，被动式太阳能节能住宅30万平方米，太阳能农业温室33万公顷，太阳能灶12万套。中国的光伏电池生产能力为4.5兆瓦。高效电池和非晶硅电池的实验室水平与国外相差不大，但在产能转化和应用领域还有很大差距，需要进一步发展。

(2)风力技术

中国风能总储量估计为1.6×109千瓦，居世界第三位，其中约有2/10可开发利用，即约3亿千瓦。可以有效利用的风速范围为3至20米/秒.

目前，世界上超过2/3的风力涡轮机用于发电。

风力涡轮机可分为微型(1千瓦以下)、小型(1-10千瓦)、中型(10-100千瓦)和大型(100千瓦以上)。目前，世界上最大的风力涡轮机在美国沙威，功率为3200千瓦。

到1992年，世界风力发电装机容量已达2700万千瓦。主导产品为150-250千瓦机组，300-500千瓦机组开始小批量生产。

中国风力发电装机容量约为20万千瓦，拥有12万台小型风力发电机和9个中小型风力发电厂。小型风力涡轮机的年产量为3万台，55千瓦、120千瓦和200千瓦风力涡轮机的研发和生产正在进行中。风力发电是关键技术，是大型风力发电机的叶片设计、制造和安全技术，其次是优化运行控制方案和控制系统。

目前，美国每千瓦时的风力发电价格约为6-7美分，2000年可能降至4美分。

(3)生物质能利用新技术

生物质能是绿色植物通过绿色色素将太阳能转化为化学能而储存在生物质中的能量。生物质能通常包括木材和森林工业废物、农业废物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废物以及动物粪便。目前，生物质能利用技术的发展包括:

1)热化学转化技术。它将固体生物质转化为高级能源产品，如可燃气体、焦油和木炭。

2)生化转化技术。主要指在微生物发酵下产生沼气、酒精等能源产品的生物质。沼气是各种微生物在一定温度、温度、酸盐和厌氧条件下发酵分解产生的混合可燃气体。

3)生物质成型及精细成型技术。将粉碎和干燥的生物质加入到成型挤出机中，以形成在一定温度和压力下具有约1.2-1.3 g/cm3的高密度和约20焦炭/kg的热值的固体燃料。

4)化学转化技术。

1990年，中国从生物质能中消耗了约2.64亿吨标准煤，其中大部分是直接燃烧的。目前，我国已成功开发出气化率超过70%的小型气化炉。热效率85%的高效生物质燃烧炉。

(4)波浪能和潮汐能

这两种海洋能源在中国约为4-5亿千瓦，已建成1280千瓦小时的平潭兴福海洋潮汐电站。中国的波浪能发电有其自身的特点，在基础研究方面已进入世界前列。在实践中，有10千瓦海岸或浮动波发电设备配备信号灯。海洋能源的发展应集中在两个方面，一是基础研究，如海洋能源的收集和集中、最佳转换方式和转换机械、随机、间歇和不稳定的转换技术等。第二，多种能源是互补的，这是对海湾、岛屿和河口的其他新能源的补充。

(5)氢能利用技术

自20世纪70年代初以来，氢已被应用于各种机动车辆和飞机的发电和燃料，许多实验装置已经投入运行。当氢被用作能源时，不产生污染物，燃烧产物是水，并且生产氢的原料也是水。氢的热值很高，每克液态氢可达120千焦，是汽油的2.8倍。

1)氢气的制备。氢可以通过电解、热化学、光电化学或等离子化学产生。

2)氢的储存。氢气可以通过压缩、低温液化和储氢金属来储存。

3)氢气的利用。它可用作导航、机动车辆等的燃料。它可以通过与氢燃料电池的电化学反应直接转化为电能。它可用作各种能源的转换介质或中间载体。

氢气作为人类的长期战略能源，可以与其他一次能源结合开发各种氢能系统，特别是太阳能-氢能集成能源系统具有良好的发展前景。在国际上，氢能将是21世纪中后期最理想的能源。

4.新的节能技术

与国际水平相比，我国一些高耗能产品的能源消耗水平仍远远落后。除了一般的节能方法和节能措施外，还必须采取节能措施和新方法。

(1)余热回收利用技术

对于低品位余热的利用，有必要研究强化传热的机理，开发各种高效换热元件，包括热管和紧凑式换热器，这是发展低品位热能和热泵技术的重要储备；换热器的小型化和降低成本是提高低品位余热发电机组经济竞争力的主要技术关键。

1)热泵技术。它消耗一部分优质能量(机械能、电能)将热量从低温热源传递到高温热源。热泵可以消耗少量的优质能量，获得更多的热能。

2)热管技术。热管是一种高传热性能的元件。它利用管壳内工作液体的相变(沸腾、冷凝)来传热。当蒸汽流向冷凝段时，冷凝段由于冷却而将蒸汽冷凝成液体，液体在毛细管的帮助下沿着多孔材料流回蒸发段，从而循环往复。作为一种新型传热技术，它广泛应用于电子工业、空技术和工业余热回收。

(2)电力电子技术

电力电子技术在工业、交通、通信、家用电器等领域有着广阔的前景。电力电子技术是节约能源的利器，例如风机和水泵的阀门调节改为交流调速，可节电30-40%；DC驱动改为关断晶体管变频驱动，可节电1/3以上；采用电子变频器和新型荧光粉的高效荧光灯可节电80%。

据估计，电子电力技术在中国的推广应用每年可以节约400亿千瓦时的电能，而使用电子电力技术的各种节能产品可以节约40-90%的材料。

(3)高效电机

采用新材料、改进设计、低损耗和高功率因数的电机占中国总用电量的60%。高效电机的效率比通用标准电机高2-7%，永磁电机的效率可提高4-10%。

(4)高效节能照明技术

高频整流器用于降低灯的功耗，稀土荧光粉用于吸收紫外线并将其转化为可见光，从而提高发光效率。例如，用节能灯代替白炽灯可以提高效率50-80%。

(5)远红外加热技术

它是一种加热方法，利用远红外辐射元件发出的远红外线，使被加热的物体吸收并直接转化为热能。远红外辐射电加热器就是一个例子。

(6)电热膜加热技术

电子电热膜直接制作在被加热体的表面，当进行电加热时，热量会迅速传递给被加热体。因此，电热膜的加热效率达到85%，而普通电热丝的加热顺序仅为40%。电接触是一种导电薄膜，可用于电热杯、电淋浴器、吹风机和电热器等电热器具。电热膜的加热功率在100-2000瓦之间，使用寿命超过2000小时。

目前，世界各国都非常重视节能，国际能源界也将节能称为第五能源，与煤炭、石油和天然气、水电和核电四大能源并列。鉴于节约能源对合理利用自然资源和保护环境的重要性，各国采取了各种政策和措施来推广新的节能技术，例如采用补贴。中国宣布取消和停止生产高耗能产品，优先发展高效节能设备的政策。

总之，能源的开发、利用和发展是直接关系到国民经济发展、社会进步和人民生活的大事。坚持开发、利用和节约并举，重视发展清洁可再生能源和保护环境；依靠科技进步，加大技术改造力度，合理配置和提高能源利用效率；加强能源发展与环境保护的基础和应用研究，协调能源产业与经济、社会和环境的发展，促进国民经济持续、快速、健康发展和社会全面进步。