燃煤污染物的生成與減排

燃煤污染物的生成與減排第1頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一姚洪1987年華中工學院動力系本科1994年華中理工大學煤燃燒碩士研究生、博士研究生(中退)1998-2005日本博士、博士后、助教(期間：2001.9澳大利亞Newcastle大學;2002.9美國Pittsburgh大學;2004.5/2005.6美國Arizona大學;2004.8美國Chicago大學)2005.9煤燃燒教授2005.10-11加拿大Alberta大學研究方向:煤燃燒與氣化/生物質燃燒與氣化/垃圾處理與焚燒/重金屬污染控制/顆粒物…..第2頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一燃煤排放物NOx；SOx；粉塵有毒痕量元素可吸入顆粒物（PM10）CO2第3頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一報告內容2可吸入顆粒物

PM103

二氧化碳CO24減排非常規(guī)污染物的若干新方法1

重金屬/Hg第4頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一燃煤重金屬的污染特點及危害

重金屬不會因燃燒而消除煤燃燒析出的重金屬形態(tài)、價態(tài)多變,毒性差異大會產生劇毒金屬化合物許多重金屬有強烈的三致作用,不易生物降解產生毒性效應的濃度低第5頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一重金屬排放標準（GB16297-1996）

第6頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一農用粉煤灰中污染物控制標準GB8173-87第7頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一煤中重金屬的一般含量范圍＊＊燃煤痕量元素的排放與控制，鄭楚光，徐明厚等著，2002第8頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一煤燃燒后重金屬的去向極易揮發(fā)型,如Hg,As等重金屬隨煙氣進入大氣,通過干/濕沉降進入地面,危害陸生生態(tài)系統(tǒng)易揮發(fā)型,如Cr,Cd,Pb,Zn,Cu等重金屬燃燒過程中從煤中析出,當煙氣冷卻時凝結,富集在顆粒上,最終滯留在飛灰中不易揮發(fā)的親巖元素,如Al、Si等一般滯留在底灰中第9頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一Hg0VaporElectronStaticPrecipitator(ESP)33.3%(Solid)SO2Scrubber

36.0%(Liquid)Smokestack30.6%(Gas)Pulverizedcoalflame0.1%(Solid)Coal（Service：Yokoyama,T.etal.:

CRIEPIRep.,No.ET91002(1991)）PartitionratioofHg1.Elementalmercury(Hg0)→VolatileandInsolublematters2.Biatomicmercury(Hg2+)→HgCl2,HgO,HgSO4,etc.

Solublematters3.Organicmercury→HightoxicmattersHg2+Vapor汞在燃燒中的轉化第10頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一汞在環(huán)境中的轉化與影響第11頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一汞的危害

對人體的主要影響對中樞神經系統(tǒng)造成損害，其接觸方式有呼吸吸入，皮膚吸附，食物攝入等人體汞中毒一般來自于食用受汞污染的魚類和其它生物

對生態(tài)環(huán)境的主要影響汞排放到大氣、水體、土壤中，在環(huán)境中循環(huán)，通過食物鏈引起生物圈中汞的蓄積，對人類及野生動植物造成很大危害第12頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一砷中毒直接傷害人的內臟，最終導致癌變

砷中毒第13頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一初步研究結果燃燒后絕大部分汞存在于煙氣和飛灰中，少部分存在于底灰中反應機理（反應動力學）在加入石灰石之后，汞排放會降低*＊

浙江大學熱能工程研究所第14頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一報告內容2可吸入顆粒物

PM103

二氧化碳CO24減排非常規(guī)污染物的若干新方法1

重金屬/Hg第15頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一TSP： 總懸浮顆粒物,小于100μmPM10： 空氣動力學直徑小于10μm的顆粒物IP： 可吸入顆粒物（漂塵）,PM10PM2.5： 空氣動力學直徑小于2.5μm的顆粒物，又稱可入肺顆粒物幾個定義TSP(TotalSuspendedParticulate)PM(ParticulateMatter)IP(InhalabeParticulate)第16頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一ElectrostaticPrecipitator燃煤電站是最重要的工業(yè)污染源之一大量細顆粒排入大氣ESP對粗顆粒的除塵效率可高達99%以上，但對PM10的捕獲率不高第17頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一我國燃煤鍋爐顆粒物排放量大約是電廠所用煤粉量的1.2%－1.5%

電站煤炭年消耗量/億噸3.9

5.4

17.0

發(fā)電用煤量第18頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一中國環(huán)境科學研究院北京1997夏季PM10未知源12％海鹽2％建筑材料4％汽車尾氣41％塵土21％煤飛灰21％北京1997冬春季PM10未知源14％海鹽1％建筑材料4％汽車尾氣32％塵土13％煤飛灰36％上海1999年平均PM2.5同濟大學未知源13％重油燃燒3％煤飛灰21％汽車尾氣18％二次顆粒物16％塵土29％源解析第19頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一83%SO2優(yōu)5%12%春季可吸入顆粒物優(yōu)SO2NO2可吸入顆粒物55%12%2%31%冬季顆粒物對城市空氣質量的影響第20頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一北京市區(qū)全年能見度低于4km的天數顆粒物對大氣能見度的影響第21頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一研究結論1

燃煤的貢獻率對TSP為33%；對PM10為35%；對PM2.5為35%

不同粒徑占TSP的比例(數量)PM10占TSP的82%；PM2.5占TSP的63%

富集特性顆粒物中Ba、P、As、Cd、Pb等有害物質70%-80%富集在PM10和PM2.5的顆粒物中1中國環(huán)境科學研究院第22頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一微細顆粒的危害：大顆粒(PM2.5-10)收集于鼻、咽、氣管，不可入肺小顆粒（PM2.5）可入肺富集有毒重金屬對多個城市的調查表明PM2.5與神經系統(tǒng)發(fā)病率有直接相關性Dockeryetal(1993),NEnglJMed:329(24),1753.微細顆粒對人體的危害第23頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一PM10呈相似的雙峰分布，峰值分別在0.1和4.3μm附近。PM10的粒徑分布研究結論11

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室第24頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一PM10排放濃度變化（1400℃）

PM10排放濃度變化（<63μm）

研究結論1煤粉粒徑越小，生成的PM10也越多隨著溫度的升高，PM10排放濃度增加相同溫度下，隨氧氣含量提高，PM10排放濃度明顯增加1

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室第25頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一無機元素化合物在PM中多呈雙峰分布，Si、Al是超微米顆粒物的主要組成元素，而亞微米顆粒物多由堿金屬、堿土金屬的硫酸鹽構成。這是由不同的形成機理決定的。

研究結論--無機元素在顆粒物中的分布11

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室第26頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一除塵器入口PM10的峰值分別在0.1和3.95μm左右，而除塵器出口PM10的峰值分別在0.1和2.36μm左右300MW機組除塵器入口顆粒物質量粒徑分布

研究結論1300MW機組除塵器出口顆粒物質量粒徑分布

1

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室第27頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一不同粒徑PM10的除塵效率原因：粒徑大于1μm的粗顆粒來說，主要是慣性力作用，對于粒徑小于0.1μm或更小的細顆粒，則是由布朗運動起決定性作用，而粒徑為0.1－1μm左右的顆粒為兩種作用的過渡區(qū)

研究結論11

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室鍋爐B和鍋爐C煙氣量分別為30萬m3/h和15萬m3/h，兩種除塵器出口處顆粒物排放總量分別為67.66kg/h和50.07kg/h，顆粒物排放量相當巨大。因此，改造目前現有的低效率除塵設備、開發(fā)和應用先進除塵設備燃煤電廠大量顆粒物排放顯得尤為重要，這也是控制目前我國大氣顆粒物污染的有效途徑之一。

第28頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一其它16.55％難熔性氧化物19.58％堿金屬氧化物43.25％SO320.62％其它2.40％難熔性氧化物83.58％堿金屬氧化物6.51％SO37.51％亞微米顆粒粗顆粒結論：亞微米顆粒物中主要為堿金屬、硫酸鹽；粗顆粒物中難熔氧化物占據主導地位研究結論—300MW鍋爐亞微米顆粒和粗顆粒的化學組成11

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室第29頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一典型的小雨、中雨和大雨過程對中等尺度氣溶膠的濕去除效果均不理想,但都可以有效地濕去除大尺度氣溶膠(>2μm

)和小尺度氣溶膠(<

0.01μm)

3種降雨類型對大尺度氣溶膠的濕去除效果均依次好于小尺度氣溶膠和中等尺度氣溶膠對于任何尺度的氣溶膠,雨強的增加將有利于它的濕沉降研究結論—雨強對氣溶膠濕去除的影響分析11

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室第30頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一在降雨量一定的情況下，對于對數正態(tài)雨滴尺度譜的(人工噴淋)降雨過程，雨滴幾何平均尺度越小，或者雨滴幾何標準偏差越小，越有利于小尺度和中等尺度氣溶膠的濕沉降，而稍微不利于大尺度氣溶膠的濕沉降啟發(fā)：對于人工噴淋裝置，在噴水量一定的情況下，通過調整噴淋設備，使得水滴越小和越均勻，將有利于提高可吸入顆粒物的脫除效率1

華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室研究結論—雨滴譜對氣溶膠濕沉降的影響分析1第31頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一燃燒煙氣中可吸入顆粒物源的脫除技術光、熱、電、聲、化學吸附、過濾等技術的改進與組合大氣中可吸入顆粒物的清除技術室內可吸入顆粒物的清除技術改進燃燒過程控制可吸入顆粒物的形成可吸入顆粒物控制技術的可能方向第32頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一報告內容2可吸入顆粒物

PM103

二氧化碳CO24減排非常規(guī)污染物的若干新方法1

重金屬/Hg第33頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一國家CO2排放(Mtc)1990199720102020美國1345148017871979中國62082214572091前蘇聯1034646728875日本274297331354全世界58366175814610,009Source:EnergyInformationAdministration/InternationalEnergyOutlook2000世界CO2排放狀況第34頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一海平面上升與陸地淹沒氣候帶的移動颶風的加劇植被的遷徙與物種滅絕洋流的變化與厄爾尼諾雨型的改變；近50年的氣候變暖主要由人類使用化石燃料排放的大量CO2等溫室氣體的增溫效應造成的。全球變暖的影響第35頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一（a）自然因素（太陽活動、火山噴發(fā)等）的影響（b）人類活動產生的氣體和微粒的影響地球溫升和溫室氣體第36頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一地球表面氣溫變化第37頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一地球氣候變化是否堪憂？工業(yè)革命以前，CO2含量極為穩(wěn)定。工業(yè)革命到1959年，大氣中的CO2濃度從大約280ppm增加到316ppm，增加了13%。僅在34年就增加到357ppm，又增加了13%，與前兩個世紀上升的幅度一樣大。第38頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一人類活動對大氣中CO2變化的影響第39頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一與能源有關的CO2排放的變化第40頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一化石燃料燃燒CO2排放第41頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一21世紀溫室效應第42頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一年總量煤石油天然氣MtcMtc%Mtc%Mtc%199062051482.99815.881.29199680162581.413817.2111.37199782266180.414818121.4620051,18693278.621318403.3720101,4571,11576.527719654.46中國化石能源CO2排放狀況第43頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一1996年我國的CO2排放量分布Mt/年第44頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一O2/CO2燃燒方式第45頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一第46頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一CO2的深海處理

移動船只釋放液態(tài)二氧化碳管道釋放二氧化碳第47頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一

NH3+H2O+CO2NH4HCO3

14+312+3279

每kgN吸收12/14=0.9kgC

植物施肥后,因光合作用每kgN促使草本植物增長50kg、木本植物增長150kg，相當于每kgN又固定了1.7~5kgC用NH3吸收CO2生成化肥

NH4HCO3第48頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一報告內容2可吸入顆粒物

PM103

二氧化碳CO24減排非常規(guī)污染物的若干新方法1

重金屬/Hg第49頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一近幾年來已開發(fā)出多種燃煤發(fā)電技術，其中CFBC、PFBC－CC和IGCC在國際上得到廣泛關注和重點研究及示范超臨界機組技術是當今世界上一項既成熟又在發(fā)展中的火電技術超超臨界機組在本世紀將具有廣闊的發(fā)展前景，配合常規(guī)煙氣脫硫脫硝技術的進一步完善，仍將會組合出高效、潔凈的燃煤發(fā)電方式超臨界機組是高效潔凈煤技術第50頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一不同發(fā)電方式的技術經濟比較*亞臨界/超臨界超臨界機組是成熟、先進的技術，在機組的可靠性、可用率、熱機動性、機組壽命等方面已經可以和亞臨界機組媲美；超超臨界機組已經有了商業(yè)運行經驗。發(fā)展超臨界機組的優(yōu)勢第51頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一

4800MW 俄羅斯的蘇爾古特第二電廠 天然氣

4400MW 日本的鹿島 油

4320MW 波蘭的巴爾哈托夫 褐煤

4110MW 加拿大的楠蒂柯克 煤

3000MW 分布在獨聯體(9)、南非(6)、日本(5)、美國(5)等1300MW 9臺 美國1200MW 1臺 俄羅斯1150MW 1臺 美國1000MW 29臺 主要在日本和美國800MW 20余臺 主要在美國和獨聯體高參數大容量機組的發(fā)展趨勢世界上單機容量最大的機組世界上大型火電廠第52頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一開發(fā)使用耐高溫性能良好的鋼材超臨界汽水兩相的流動特性超臨界鍋爐的燃燒技術監(jiān)測、診斷和自動化技術超臨界參數的輔機設備發(fā)展超臨界機組面臨的技術問題第53頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一

燃料的適應性發(fā)達國家的煤種較為固定切圓燃燒的優(yōu)勢W型爐膛的金屬耗量大燃燒方式的相應變化爐內溫度水平升高，熱負荷分布不均和偏差出口煙溫偏差燃燒器與爐膛的布置安全性結渣與高溫腐蝕管束應力差超臨界鍋爐機組燃燒關鍵技術第54頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一鍋爐燃燒在線檢測和優(yōu)化控制基于故障診斷的電站設備狀態(tài)檢修火電廠綜合自動化系統(tǒng)超臨界鍋爐機組燃燒關鍵技術第55頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一

美國聯邦能源技術中心與工業(yè)界一起正在發(fā)展一種先進的發(fā)電系統(tǒng)—LowEmissionBoilerSystem基于長期應用的粉煤燃燒技術上，但較之現有的燃煤電站具有更高的熱效率、更好的環(huán)境效應和較低的發(fā)電成本美國低排放鍋爐系統(tǒng)計劃—LEBS第56頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一Emissions

About1/12SO2,1/5NOx,and1/3oftheparticulatematterrequiredbytheNewSourcePerformanceStandards(NSPS).Efficiency 42to47

percenttotalstation,net,basedonfuelHHVCostofElectricity

Produceelectricityatcostsequaltoorlessthanthoseofamodern-daycoalplantLEBS特點第57頁，共63頁，2023年，2月20日，星期一Includesasupercriticalsteam