第一章 绪论
第一节 热能的产生和利用
一、能源与能量
1.能源及其分类
能源（energy source）是指可以直接或经过转换而提供人类所需的光、热和动力等任意一种形式能量的载能体资源。能源形式多样，可根据其来源、获得方式、是否可再生、利用方式和污染程度等进行分类。
（1）按地球上能源的来源可分为：①第一类能源是来自地球外天体的能源，主要是指直接或间接来源于太阳的能源，如太阳的辐射能（宇宙射线及太阳能）、化石燃料（煤、石油、天然气等）以及生物质能、流水能、风能、海洋能、雷电等；②第二类能源是地球自身蕴藏的能量，主要指地热能资源以及原子能燃料，还包括地震、火山喷发和温泉等自然呈现出的能量；③第三类能源是地球和其他天体引力相互作用而形成的，主要指地球和太阳、月球等天体间有规律运动而形成的潮汐能。
（2）按能源获得方式可分为：①一次能源（primary energy），在自然界中天然存在，可直接利用的能源，包括煤、石油、天然气、风能、水能和地热能等，其中煤炭、石油和天然气也称为化石能源（fossil fuel）；②二次能源（secondary energy），是由一次能源直接或间接加工、转换而得的能源，包括电力、蒸汽、焦炭、煤气、氢气以及各种石油制品等。
（3）按能源是否可以再生可分为可再生能源（renewable energy）和不可再生能源（non-renewable energy），其中可再生能源包括太阳能、水能、风能和生物质能，不可再生能源包括煤、石油、天然气、核燃料等。
（4）按能源本身的性质可分为：①含能体能源，也称为载体能源，是指可提供能量的物质，如煤、石油、天然气、氢等，它们可以直接储存，便于运输和传输；②过程性能源，是指由可提供能量的物质的运动所产生的能源，如水能、风能、潮汐能、电力等，其特点是无法直接储存。
（5）按能源是否作为燃料可分为燃料能源和非燃料能源，其中燃料能源包括矿物燃料（煤炭、石油、天然气）、生物质燃料（薪柴、沼气、有机废物等）、化工燃料（甲醇、酒精、丙烷以及可燃原料铝、镁等）和核燃料（铀、氚）等四大类，非燃料能源包括水能、风能、地热能、海洋热能、太阳能、激光等。
（6）按能源对环境的污染情况可分为清洁能源（clean energy）和非清洁能源，其中清洁能源包括太阳能、水能和海洋能，非清洁能源包括煤和石油。
2.能量及其形式
能量（energy）指产生某种效果（变化）的能力。到目前为止，人类认识的能量包括机械能、热能、电能、辐射能、化学能和核能等6种形式。
二、热能的转换与利用
热能（thermal energy）是指构成物质的微观分子运动的动能和势能的总和。热能的宏观表现是温度的高低，它反映了分子运动的激烈程度。热能通常可用式（1-1）来表述：
式中 Eq——热能，J；
T——温度，K；
S——熵，J/K。
热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的。因此热能在能量利用中有重要意义。图1-1为不同形式的能源与热能的转换与利用的情况。由图可以看出，其他形式的能量（如化学能、核能等）都可以很容易地转换为热能而得到利用，但其必须遵循相关的能量转换原理。
图1-1 不同形式的能源与热能的转换与利用的情况
1.热能的产生
热能既可以直接获得，也可以通过能量转换获得，前者是将太阳和地热等所提供的热能加以收集后直接使用，后者则是将蕴藏于燃料中的核能或化学能经适当转换而获得。
化学能转换为热能是人类利用热能最为古老的方式，也是迄今为止仍为主导的用能方式。化学能通常存储于燃料中，通过燃料的燃烧来实现化学能转换为热能。燃料按形式可分为固体燃料、液体燃料和气体燃料。天然固体燃料包括煤炭和生物质等。煤炭是世界上储量最多的天然燃料，尤其在我国，煤炭在一次能源的构成中占70%左右。天然固体燃料可通过加工变为人工固体燃料，如焦炭、型煤和木炭等。天然液体燃料即石油。原油通过加工变为人工液体燃料，如汽油、煤油、柴油和重油等。汽油和柴油通常用于发动机，重油用于燃煤锅炉点火或低负荷稳燃。天然的气体燃料包括天然气（natural gas）、煤层气、页岩气（shell gas）等，人工气体燃料来源于煤和石油的加工，包括：焦炉煤气、高炉煤气、水煤气和液化石油气等。气体燃料主要用于民用、燃气锅炉、窑炉、燃气轮机以及燃煤锅炉再燃燃料等。
如果说燃料燃烧是通过“烧分子”将化学能转化为热能，那么核能利用则主要是通过“烧原子”将原子核能转化为热能。放射性重金属铀和钚的核裂变（nuclear fission）或核聚变（nuclear fusion）反应可以释放巨大的热能。
2.热能的利用
热能产生后，一部分作为终端能源直接利用，如民用采暖、工业的工艺用热（包括纺织、印染和化工等过程）；还有相当一部分需要转换为机械能。这部分机械能可再转化为电能，也可作为直接利用的动力。将热能转换为机械能的装置称为热机（heat engine）。应用最广泛的热机包括蒸汽轮机（steam turbine）、燃气轮机（gas turbine）和内燃机（internal combustion engine）等。
蒸汽轮机简称汽轮机，主要用于火力发电厂（thermal power plant）和核电站（nuclear power plant），也可用于大型船舶、风机和水泵等，将水蒸气的热能转换为机械能。目前我国蒸汽轮机发电量占总发电量80%。燃气轮机可用于发电、飞机和船舶，以高温、高压的燃气作为工作介质，将燃气的热能转换为机械能。内燃机主要用于各种车辆，也可用于可移动的发电机组。
三、我国能源结构及特点
表1-1和表1-2分别列出了2005—2014年我国能源生产和消费总量及其构成。由表可以看出，近10年来我国能源生产和消费呈现如下特征：
（1）生产和消费总量稳步上升，其中，能源生产总量由216218×104tec（标准煤）上升至426095×104tec，能源消费总量由235996×104tec上升至426095×104tec。
（2）煤炭的生产和消费比重偏高，处于基础性地位。虽然煤炭年产量占比和煤炭年消
表1-1 2005—2014年我国能源生产总量及其构成
表1-2 2005—2014年我国能源消费总量及其构成
费量占比都呈逐年递减趋势，但截至2014年，产量占比仍达70%以上，消费量占比达60%。
（3）能源消费总量都高于能源生产总量。2013年全年能源生产总量占消费总量的86%。石油的生产量低、消费量高，供需缺口需依赖进口满足。2013年，原油生产量占石油消费量43.9%。
（4）天然气、水电、核电和风电等清洁能源生产和消费总量逐年上升，并且在总产量和总消费量中的占比也逐年上升；但煤炭的生产和消费总量逐步趋于平稳，并呈现稍有下降的趋势。
2013年，清洁能源生产总量占能源总产量14.7%，消费总量占总消费量14.0%。
2014年年底，国务院颁布的《能源发展战略行动计划2014—2020》指出，我国优化能源结构的路径是：降低煤炭消费比重，提高天然气消费比重，大力发展风电、太阳能、地热能等可再生能源，安全发展核电。到2020年，要求我国非化石能源占一次能源消费比重达到15%，天然气比重达到10%以上，煤炭消费比重控制在62%以内，石油比重为13%。
四、能源利用中的环境问题
在热力发电厂尤其是燃煤电厂中，各种污染物的排放带来的主要环境问题包括：光化学烟雾、酸沉降、大气颗粒物问题、全球气候问题、水体污染、重金属问题和噪声问题等。
对流层大气的组成见表1-3，其中停留时间是指某组分在进入大气后到被清除之前在大气中停留的平均时间。对流层大气中除了氮气、氧气和稀有气体等主要成分外，还含有许多微量组分，主要划分为含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物和含卤素化合物。这些物质的大气浓度范围都很低，一般在百万分之一到十亿分之一之间甚至更低，但它们的反应活性非常强，对人类和生态环境造成多方面的影响。当这些气体大量排放进入大气中，会造成严重的环境问题。
表1-3 对流层大气的组成
1.光化学烟雾和氮氧化物问题
大量的氮氧化物（NOx）和挥发性有机化合物（VOCs）排放入大气，在强日光、低风速和低湿度等稳定的天气条件下发生一系列复杂的化学反应，生成以臭氧为主，同时还包括醛类、过氧乙酰硝酸酯、过氧化氢和细粒子气溶胶等污染物的强氧化性气团，该现象称为光化学烟雾污染（photochemical smog pollution）。
氮氧化物的排放带来的危害主要有：①对人体有致毒作用，氮氧化物刺激呼吸道和肺部，并造成腐蚀损害，还会引起急慢性中毒；②对植物有损害作用；③NOx是形成酸雨、酸雾的原因之一；④NOx与碳氢化合物形成化学烟雾，造成二次污染；⑤N2O会参与臭氧层的破坏。
2.酸沉降（acid precipitation）
大气中酸性物质向地表迁移并被地表物质吸收或吸附的过程称为大气酸沉降。酸沉降可以通过降水的方式进行，如雨、雪、雾和雹等，称为湿沉降；也可在气流作用下直接向地表迁移，称为干沉降。煤和油燃烧产生的硫氧化物和氮氧化物，排到大气中，与水蒸气结合，形成硫酸和硝酸雾。清洁地区降水的pH背景值大约为5.0~5.6，pH值小于5.0的降水被称为酸性降水或称酸雨。酸雨可导致森林衰退、枯死及湖泊酸化、鱼类大量死亡的现象。
3.大气颗粒物问题（particulate matter）
分散在大气中的各种固体和液体颗粒总称为大气颗粒物（particulate matter,PM）。这些固体或液体颗粒可在空气中较长时间停留，形成相对稳定的悬浮体系，称为大气气溶胶。当分散相分别为液态、固态和液固混合态时，对应的大气气溶胶分别称为雾、烟和烟雾。
当以化石燃料为能源的火力发电厂将粉尘和飞灰等排放入大气中，会造成很多的环境问题。
(1)降低大气能见度，如工业飞灰、细粉尘和有机气溶胶，颗粒粒径在0.1~1.0μm，对太阳光具有较强的散射作用，这是造成大气能见度降低的主要原因。
（2）凝结核作用，粒径小于0.1μm的颗粒物可作为凝结核，逐渐长成雾滴或云滴。
（3）扩大污染范围，如飘尘能在大气中长时间悬浮，一般为7~10天，并且能够随着气流进行远距离的输送，对环境造成区域性的污染。气溶胶是造成污染物远距离运输的重要因素。
（4）参与和影响大气化学反应。
（5）影响全球气候变化。气溶胶粒子对太阳辐射具有很复杂的影响作用。
（6）在酸沉降和富营养化中有重要影响。
（7）损坏人体健康。大气颗粒物的粒径大小和化学组成是决定其环境影响和危害性的重要因素。飞灰中大于2μm的颗粒物在鼻咽区沉积，小于2μm的颗粒物在支气管、肺泡区沉积，之后被血液吸收，经人体新陈代谢输送到各个器官，对人体的健康危害很大。
4.全球气候变化（global climate change）
由于人类活动的影响，自1750年工业革命以来全球大气中CO2、甲烷和氧化亚氮等温室气体的浓度显著增加，它们的总体效应是引起气候变暖。如果不采取积极的减排措施，从现在起到2100年，全球的平均气温将继续升高1.4~5.8℃。
全球变暖将带来很多灾难：①冰川融化，海平面上升；②气候剧烈变化，极端天气频繁出现；③生物生存面临严峻挑战，人类面临粮食危机。
5.水体污染（water pollution）
天然水体作为一个开放的体系，其化学组成是不断变化的。当能源利用过程中，造成天然水体的物理和化学性质发生改变时，会造成对水中生物的不良影响，破坏相关生态系统或通过食物链进一步危害人类健康，该过程即发生了水体污染。
水污染问题可大致划分为4类：无机物污染、有机物污染、病原微生物污染和热污染。
（1）无机污染物包括氰化物、重金属等有毒污染物，还包括植物营养元素如氮、磷等。营养盐污染会造成水体富营养化。
（2）有机污染物包括好氧有机物，如碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维素等，通过消耗水中的溶解氧来造成对原有生态系统的破坏；有毒害性的有机物一般为人工合成，如合成药物、各类工业制剂和化学农药等。
（3）病原微生物污染，如致病细菌、病毒、原生动物和寄生虫等造成的水体污染。
（4）热污染，指水体温度变化对水生生态系统造成的破坏作用。许多工业中都要使用冷却水，如钢铁厂、炼油厂、发电厂和造纸厂等，但带来影响最大的还是发电厂。从发电厂冷却塔流出的大量温度较高的水，若直接排放入周围的水体中，会使得周围水体温度骤然发生较大的变化，一些对热敏感的植物和动物会很快被杀死，依赖于水生食物链的生物群会整个受到影响。热污染首先会直接降低水中溶解氧，同时会使水生生物更易受到寄生虫、致病菌和某些有毒物的侵袭。
6.重金属问题（heavy metals）
煤燃烧过程中释放大量的重金属，包括硒、汞和锑等。这些重金属是具有潜在毒性的环境污染物。重金属环境化学行为最重要的两个特征是形态转化和生物累积作用。一些重金属通过降尘迁移到周围环境中，并且在环境中难以降解，能在动物和植物体内积累、通过食物链逐步富集，浓度能成千成万甚至成百万倍地增加，最后进入人体造成危害。
7.噪声污染（noise pollution）
噪声污染是一种物理性污染，与水体和空气的化学污染不同。噪声污染的特点有：
（1）物理性：声源发出的声能以波动的形式传播，直接作用于人的听觉器官，一般不致命，是一种感觉、精神公害。
（2）难避性：由于噪声以340m/s的速度传播，即使闻声而跑，也避之不及。很小的孔洞缝隙就能透过大量的噪声，低频声还具有很强的绕射能力。即使在睡眠中，人耳也会受到噪声的污染。
（3）局限性：噪声源分布面广，具有社会性，但一般的噪声源只能影响它周围的一定区域。
（4）能量性：噪声污染是能量的污染，只造成空气物理性质的暂时变化，不具有物质的累积性。噪声源停止发声后声能很快转换成热能散失掉，污染立刻消失，没有后效和残留。噪声的能量转化系数很低，1kW的动力机械大约只有1mW变为噪声能量辐射。声能量虽然很小，但它引起空气介质的波动和由此产生的声污染却很大。
（5）危害潜伏性：噪声污染在环境中不存在累积现象，但心理承受上有一定的延续效应，长期接触或短期高强度接触有损健康。
噪声对人们的影响可分为听觉的和非听觉的两条途径。噪声污染的危害主要包括以下方面：①损伤听力，影响人体健康；②影响人们的休息与工作，降低劳动生产率；③影响语言清晰度和通信联络；④对动物、建筑物和仪器设备也会产生不利影响。