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有多少二氧化碳和其他污染来自燃煤?

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烟气和污染来自包括燃煤电厂在内的烟囱
资料来源:123rf

很难想象数百万吨的东西,所以让我们将问题简化为简单和个性化的问题。当燃煤电厂产生足够的电力为您的家庭供电一个月时,会释放多少二氧化碳和各种类型的污染?一个美国家庭平均消耗大约 30 千瓦时 (kwh) 的电力,每月大约 1,000 千瓦时,或 1 兆瓦时 (MWh)。

首先,1000度电需要燃烧多少煤?

一个灯泡 - 为这个灯泡供电一年会产生多少煤污染?

我们的灯泡一年运行需要 876 千瓦时的电力。假设发电厂的平均效率为 37%,我们的灯泡需要 800 磅煤(见: 为一个 100 瓦的灯泡供电需要多少煤?).

那么,对于这个热水浴缸大小的煤堆,我们可以期待什么样的令人不快的副产品呢?这是一个快速的概要:

  • 2.4磅二氧化硫
  • 1.5 磅氮氧化物
  • 186磅煤灰
  • 0.64 盎司铀和钍
  • 1,680 磅二氧化碳(怎么可能?)
  • 1/66 滴汞(讨厌的东西)

对于那些喜欢看数学或了解如何产生比煤炭原始重量更多的二氧化碳的人,您可以按照以下步骤操作。

排放2.4磅二氧化硫污染

让我们从二氧化硫 (SO2) 开始,它是酸雨的主要原因之一。美国能源信息署 (EIA) 报告称,煤炭对 90% 2017 年电力部门排放的二氧化硫近 200 万短吨。

每 1,000 千瓦时的煤电导致 2.4 磅 SO2,低于 1997 年的 14.6 磅。这一下降是由于在那段时间里煤炭使用量减少了 30%,更重要的是,燃煤电厂遵守了 1990 年的清洁空气法案修正案 (CAAA)。

产生 1.5 磅氮氧化物

氮氧化物呢(NOx)?这些污染物会产生酸雨和烟雾。 2017 年,电力部门排放了约 160 万短吨氮氧化物,其中 76% 来自燃煤电厂。

对于燃煤电厂产生的每 1,000 千瓦时电力, 1.5 磅氮氧化物 被创建和释放。这比 1997 年的 6.4 磅有所下降。

剩下 186 磅煤灰

煤灰是煤燃烧后留下的固体副产品。它是 第二大废物流 在美国,仅次于垃圾。根据 EPA美国煤灰协会, 2014 年燃煤电厂产生了近 1.3 亿吨的灰烬。这意味着燃烧足够的煤来产生 1,000 千瓦时的树叶 186磅煤灰.煤灰含有微量的 各种有毒物质 包括铬、砷、氯、铬、铅,以及 铀和钍.

     129,684,142 tons of coal ash in 2014
   ÷ 851,000,000 tons of coal burned in 2014
   = 0.1523902961 tons of ash per ton of coal burned

     0.1523902961 pounds of ash per pound of coal burned (same ratio)
   × 800 pounds of coal to power a 100 watt lightbulb for a year
   = 121.91223688 pounds of ash created

在美国,大部分煤灰被捕获并且不再释放到空气中。相反,它通常与水混合并保存在附近的泥浆池中。

0.064 盎司放射性铀和钍

产生煤的地质过程将一系列微量物质浓缩到这些黑色岩石中。一种 学习 美国地质调查局对 2,300 个煤矿地点的调查发现,大多数煤矿的铀浓度在百万分之 1 到 4 之间。对钍也发现了类似的结果。将这两种元素平均为 2.5 ppm,使我们每吨煤含有 5 ppm 的放射性物质。

一吨煤中 5ppm 的浓度意味着大约 0.01 磅,或 0.16 盎司,或 4.5 克放射性物质。因此,为我们的灯泡供电所需的 800 磅煤将留下 0.064 盎司铀和钍,略低于 一毛钱的重量.

在某些地方,浓度可能高出 6-7 倍——高到至少 一家矿业公司 发现从煤灰中提取铀比铀矿更便宜。

     0.0000005 (same as 5 ppm) concentration of U and Th per ton of coal
   × 2,000 pounds per ton
   × 16 ounces per pound
   = 0.16 ounces of U and Th per ton of coal
      0.16 ounces of U and Th per ton of coal 
   x   800 lbs of coal to power lightbulb
   ÷ 2,000 lbs per ton
   = 0.064 ounces of U and Th in 800 pounds of coal

这种辐射到底有多危险?大多数研究根本没有说太多。请记住,已经存在大量天然本底辐射,并且所有来自煤灰的材料都被捕获并储存在工厂内(至少在美国是这样)。所以,即使你住在离燃煤电厂一英里以内,你也只会 增加你的曝光率 每年大约减少 5% 的辐射,比 X 射线还少。

更有趣的是,核电站已经远 较少的 辐射。被广泛引用的论文 亚历克斯·加巴德奥克里奇国家实验室的研究人员发现,燃煤电厂外的放射性比核电厂高 100 倍。这主要是由于管理核工业的安全法规(见: 核电站的辐射风险有哪些?)

1,670 磅二氧化碳

煤炭最臭名昭著的副产品是二氧化碳 (CO2)。燃烧煤释放的每百万英热单位平均释放 208 磅的二氧化碳(见下面的注释)。由于一吨煤 2002.5 万 BTU,这意味着它在燃烧时会产生 4,172 磅的二氧化碳。我们的 100 瓦灯泡运行一年将产生 1,670 磅的二氧化碳。

但是等等,800 磅的煤怎么能产生两倍于其重量的二氧化碳呢?其他 文章 来自 EIA 详细解释了这一点,但简而言之,这是因为煤中的碳原子是每个 合并 与空气中的两个氧原子形成二氧化碳。换句话说,额外的重量来自于为空气吸入材料。

在房间里 温度和压力, 1670 磅的二氧化碳将填满三辆 18 轮卡车。

三辆卡车 - 容纳来自 800 磅燃烧煤的二氧化碳所需的空间量
     20.025 million BTUs per ton 
   × 208.364 pounds per million BTUs
   = 4,172.4891 pounds of CO2 per ton of coal

   = 1,668.99564 pounds of CO2 per 800 pounds of coal

注意:这个数学是基于加权平均数据。二氧化碳的具体释放量因煤的种类而异。美国工厂燃烧 45% 的烟煤、47% 的次烟煤和 7% 的褐煤(来源: EIA)。它们每 BTU 分别释放 205.7、214.3 和 215.4 磅的二氧化碳(来源: EIA)。加权平均值为 208.364。

1/66滴汞 

好的,这需要一些工作,但很重要,因为某些形式的汞可能是非常讨厌的东西。燃煤电厂占人类排放的所有汞的一半(来源: EPA)。汞是一种重金属,也是一种强效的神经毒物。温度计中的汞类型会带来一些健康风险,但当它释放到大气中时,它会与其他元素结合,很容易产生毒性更大的变体。

有一种广为流传的说法 故事 研究人员 Karen Wetterhahn 的故事,她的手上只有一两滴特别致命的汞化合物,她就悲惨地死去了。尽管戴着乳胶手套,水银在几秒钟内就渗入了她的皮肤,她后来死了。这个故事是为了说明问题,并将汞的健康风险带回家。这不是科学研究或安全评估。但是,如果您想查看数学并了解它对自己的作用,请继续阅读……

EPA 报告称 国家排放清单 (第 2-30 页)估计 2014 年燃煤电厂释放了 22.9 吨汞(请注意,其他环境研究将这一数字提高了 2-4 倍)。这意味着 0.00000002809816 吨汞,或 0.00005619632 磅汞,或 每吨煤中含有 0.02549065075 克汞。

     22.9 tons of mercury 
   ÷ 851 million tons of coal 
   = 0.00000002809816 tons of mercury per ton of coal

     0.00000002809816 tons 
   × 2000 pounds per ton
   = 0.00005619632 pounds of mercury per ton of coal

     0.00005619632 pounds
   × 453.6 grams per pound
   = 0.02549065075 grams of mercury per ton of coal

由于药剂师将 0.05 毫升液体定义为一滴,而 1 克汞可填充 0.073888 毫升(汞转换),一吨煤含有 0.03766906406 滴汞。

      0.02549065075 grams of mercury per ton of coal
    × 0.073888 milliliters per gram
    = 0.001883453203 milliliters of mercury per ton of coal

      0.001883453203 milliliters of mercury per ton of coal
    ÷ 0.05 milliliters per drop 
    = 0.03766906406 drops of mercury per ton of coal

我们的灯泡需要 800 磅或 0.4 吨煤,这意味着燃烧它会产生 0.01506762562 滴汞或将其四舍五入一点,即 1/66 滴。

     0.02549065075 drops of mercury per ton of coal
   × 0.4 tons of coal to power a 100 watt lightbulb for a year 
   = 0.01506762562 drops of mercury per 100 watt lightbulb per year

     1 ÷ 0.01506762562 drops = 66.36 or 1/66th

补充阅读

注意事项

注:关于煤副产品的信息来源很多。这里显示的数学有助于解释我们的数字是如何得出的,但其他方法不可避免地会产生不同的结果。如果您发现明显的错误,请在下面的评论中告诉我们。

另请注意:我们尽可能使用美国政府数据。许多环保组织进行了自己的研究,发现污染通常比政府报告的还要严重。我们的目标是让尽可能多的人参与这些对话,这样我们就可以避免使用可能被认为具有攻击性的数据。

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