1、燃煤污染物的生成与减燃煤污染物的生成与减排排2022-9-30燃煤污染物的生成与减排姚姚 洪洪1987年年 华中工学院华中工学院 动力系动力系 本科本科1994年年 华中理工大学华中理工大学 煤燃烧煤燃烧 硕士研究生、博士研究生硕士研究生、博士研究生(中退中退)1998-2005 日本日本 博士、博士后、助教博士、博士后、助教 (期间：期间：2001.9 澳大利亚澳大利亚Newcastle 大学大学;2002.9美国美国 Pittsburgh大学大学;2004.5/2005.6 美国美国Arizona大学大学;2004.8美国美国Chicago大学大学)2005.9 煤燃烧煤燃烧 教授教授20
2、05.10-11 加拿大加拿大Alberta大学大学研究方向研究方向:煤燃烧与气化煤燃烧与气化/生物质燃烧与气化生物质燃烧与气化/垃圾处理与焚烧垃圾处理与焚烧/重金属污染控制重金属污染控制/颗粒物颗粒物.燃煤污染物的生成与减排燃煤排放物燃煤排放物燃煤污染物的生成与减排2 2 可吸入颗粒物可吸入颗粒物 PMPM10103 二氧化碳二氧化碳 CO CO2 24 减排减排非常规污染物的若干新方法非常规污染物的若干新方法1 重金属重金属/Hg Hg燃煤污染物的生成与减排燃煤重金属的污染特点及危害燃煤重金属的污染特点及危害 重金属不会因燃烧而消除重金属不会因燃烧而消除 煤燃烧析出的重金属形态、价态多变煤
3、燃烧析出的重金属形态、价态多变,毒性差毒性差异大异大 会产生剧毒金属化合物会产生剧毒金属化合物 许多重金属有强烈的三致作用许多重金属有强烈的三致作用,不易生物降解不易生物降解 产生毒性效应的浓度低产生毒性效应的浓度低燃煤污染物的生成与减排重金属排放标准（重金属排放标准（GB16297-1996GB16297-1996）燃煤污染物的生成与减排农用粉煤灰中污染物控制标准农用粉煤灰中污染物控制标准 GB8173-87 GB8173-87燃煤污染物的生成与减排煤中重金属的一般含量范围煤中重金属的一般含量范围燃煤痕量元素的排放与控制，郑楚光，徐明厚等著，燃煤痕量元素的排放与控制，郑楚光，徐明厚等著，20
4、02燃煤污染物的生成与减排煤燃烧后重金属的去向煤燃烧后重金属的去向 极易挥发型极易挥发型,如如Hg,AsHg,As等重金属随烟气进入大气等重金属随烟气进入大气,通过干通过干/湿沉降进入地面湿沉降进入地面,危害陆生生态系统危害陆生生态系统 易挥发型易挥发型,如如Cr,Cd,Pb,Zn,CuCr,Cd,Pb,Zn,Cu等重金属燃烧过等重金属燃烧过程中从煤中析出程中从煤中析出,当烟气冷却时凝结当烟气冷却时凝结,富集在颗富集在颗粒上粒上,最终滞留在飞灰中最终滞留在飞灰中 不易挥发不易挥发的亲岩元素的亲岩元素,如如AlAl、SiSi等一般滞留在等一般滞留在底灰中底灰中燃煤污染物的生成与减排Hg0 Vap
5、orElectron Static Precipitator(ESP)33.3%(Solid)SO2 Scrubber 36.0%(Liquid)Smokestack30.6%(Gas)Pulverized coal flame0.1%(Solid)Coal（Service：Yokoyama,T.et al.:CRIEPI Rep.,No.ET91002(1991)）Partition ratio of Hg1.Elemental mercury(Hg0)Volatile and Insoluble matters2.Biatomic mercury(Hg2+)HgCl2,HgO,HgSO4,
6、etc.Soluble matters3.Organic mercury High toxic mattersHg2+Vapor汞在燃烧中的转化汞在燃烧中的转化燃煤污染物的生成与减排汞在环境中的转化与影响汞在环境中的转化与影响燃煤污染物的生成与减排汞的危害汞的危害q 对人体的主要影响对人体的主要影响 对中枢神经系统造成损害，其接触方式有呼吸吸对中枢神经系统造成损害，其接触方式有呼吸吸入，皮肤吸附，食物摄入等入，皮肤吸附，食物摄入等 人体汞中毒一般来自于食用受汞污染的鱼类和其人体汞中毒一般来自于食用受汞污染的鱼类和其它生物它生物q 对生态环境的主要影响对生态环境的主要影响 汞排放到大气、水体、土
7、壤中，在环境中循环，汞排放到大气、水体、土壤中，在环境中循环，通过食物链引起生物圈中汞的蓄积，对人类及野通过食物链引起生物圈中汞的蓄积，对人类及野生动植物造成很大危害生动植物造成很大危害燃煤污染物的生成与减排砷中毒直接伤害人的砷中毒直接伤害人的内脏，最终导致癌变内脏，最终导致癌变 燃煤污染物的生成与减排初步研究结果初步研究结果 燃烧后绝大部分汞存在于烟气和飞灰中，燃烧后绝大部分汞存在于烟气和飞灰中，少部分存在于底灰中少部分存在于底灰中 反应机理（反应动力学）反应机理（反应动力学）在加入石灰石之后，汞排放会降低在加入石灰石之后，汞排放会降低*浙江大学热能工程研究所浙江大学热能工程研究所燃煤污染物
8、的生成与减排2 2 可吸入颗粒物可吸入颗粒物 PMPM10103 二氧化碳二氧化碳 CO CO2 24 减排减排非常规污染物的若干新方法非常规污染物的若干新方法1 重金属重金属/Hg Hg燃煤污染物的生成与减排TSPTSP：总悬浮颗粒物总悬浮颗粒物,小于小于100100m mPMPM1010：空气动力学直径小于空气动力学直径小于1010m m的颗粒物的颗粒物IPIP：可吸入颗粒物（漂尘）可吸入颗粒物（漂尘）,PM,PM1010PMPM2.52.5：空气动力学直径小于空气动力学直径小于2.52.5m m的颗粒物，的颗粒物，又称可入肺颗粒物又称可入肺颗粒物 TSP(Total Suspended
9、Particulate)PM(Particulate Matter)IP(Inhalabe Particulate)燃煤污染物的生成与减排Electrostatic Precipitator燃煤电站是最重要的工业污染源之一燃煤电站是最重要的工业污染源之一大量细颗粒排入大气 ESPESP对粗颗粒的除对粗颗粒的除尘效率可高达尘效率可高达99%99%以上，但对以上，但对PMPM1010的的捕获率不高捕获率不高燃煤污染物的生成与减排 我国燃煤锅炉颗粒物排放量大约是电厂所用煤粉量的我国燃煤锅炉颗粒物排放量大约是电厂所用煤粉量的1.2%1.2%1.5%1.5%电站煤炭年消耗量/亿吨3.93.9 5.45.
10、4 17.017.0 发电用煤量发电用煤量燃煤污染物的生成与减排未知源12海盐2建筑材料4汽车尾气41尘土21煤飞灰21未知源14海盐1建筑材料4汽车尾气32尘土13煤飞灰36未知源13重油燃烧3煤飞灰21汽车尾气18二次颗粒物16尘土29源解析源解析燃煤污染物的生成与减排83%SO2优优5%12%春季春季可吸入颗粒物可吸入颗粒物优优SO2NO2可吸入颗粒物可吸入颗粒物55%12%2%31%冬季冬季颗粒物对城市空气质量的影响颗粒物对城市空气质量的影响燃煤污染物的生成与减排颗粒物对大气能见度的影响颗粒物对大气能见度的影响燃煤污染物的生成与减排研究结论研究结论1 1 燃煤的贡献率燃煤的贡献率 对对
11、TSPTSP为为33%33%；对；对PMPM1010为为35%35%；对；对PMPM2.52.5为为35%35%不同粒径占不同粒径占TSPTSP的比例的比例(数量数量)PM PM1010占占TSPTSP的的82%82%；PMPM2.52.5占占TSPTSP的的63%63%富集特性富集特性 颗粒物中颗粒物中BaBa、P P、AsAs、CdCd、PbPb等有害物质等有害物质70%-80%70%-80%富集富集在在PMPM1010和和PMPM2.52.5的颗粒物中的颗粒物中1 1 中国环境科学研究院中国环境科学研究院燃煤污染物的生成与减排微细颗粒的危害：微细颗粒的危害：大颗粒大颗粒(PM(PM2.5
12、-10)收集于鼻、咽、气管，收集于鼻、咽、气管，不可入肺不可入肺小颗粒（小颗粒（PMPM2.5）可入肺可入肺 富集有毒重金属富集有毒重金属对多个城市的调查对多个城市的调查表明表明 PM2.5与与 神经系统发病率有神经系统发病率有直接相关性直接相关性 Dockery et al(1993),N Engl J Med:329(24),1753.微细颗粒对人体的危害微细颗粒对人体的危害燃煤污染物的生成与减排 PM10呈相似的双峰分布，峰值分别在呈相似的双峰分布，峰值分别在0.1 和和4.3m附近。附近。PM10的粒径分布的粒径分布研究结论研究结论1 11 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学
13、煤燃烧国家重点实验室燃煤污染物的生成与减排PM10排放浓度变化（排放浓度变化（1400）PM10排放浓度变化（排放浓度变化（2m2m)和小尺度气溶和小尺度气溶胶胶(0.01m)0.01m)3 3种降雨类型对大尺度气溶胶的湿去除效果均依次好于小尺度气溶胶种降雨类型对大尺度气溶胶的湿去除效果均依次好于小尺度气溶胶和中等尺度气溶胶和中等尺度气溶胶对于任何尺度的气溶胶对于任何尺度的气溶胶,雨强的增加将有利于它的湿沉降雨强的增加将有利于它的湿沉降研究结论研究结论雨强对气溶胶湿去除的影响分析雨强对气溶胶湿去除的影响分析1 11 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室燃煤污染物的生
14、成与减排在降雨量一定的情况下，对于对数正态雨滴尺度谱的在降雨量一定的情况下，对于对数正态雨滴尺度谱的(人工喷淋人工喷淋)降雨过程，雨滴几何平均尺度越小，或者雨滴几何标准偏差越小，降雨过程，雨滴几何平均尺度越小，或者雨滴几何标准偏差越小，越有利于小尺度和中等尺度气溶胶的湿沉降，而稍微不利于大尺越有利于小尺度和中等尺度气溶胶的湿沉降，而稍微不利于大尺度气溶胶的湿沉降度气溶胶的湿沉降启发启发：对于人工喷淋装置，在喷水量一定的情况下，通过调整喷：对于人工喷淋装置，在喷水量一定的情况下，通过调整喷淋设备，使得水滴越小和越均匀，将有利于提高可吸入颗粒物的淋设备，使得水滴越小和越均匀，将有利于提高可吸入颗粒
15、物的脱除效率脱除效率1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室研究结论研究结论雨滴谱对气溶胶湿沉降的影响分析雨滴谱对气溶胶湿沉降的影响分析1 1燃煤污染物的生成与减排 燃烧烟气中可吸入颗粒物源的脱除技术燃烧烟气中可吸入颗粒物源的脱除技术 光、热、电、声、化学吸附、过滤等技术的改进与组合光、热、电、声、化学吸附、过滤等技术的改进与组合 大气中可吸入颗粒物的清除技术大气中可吸入颗粒物的清除技术 室内可吸入颗粒物的清除技术室内可吸入颗粒物的清除技术 改进燃烧过程控制可吸入颗粒物的形成改进燃烧过程控制可吸入颗粒物的形成可吸入颗粒物控制技术的可能方向可吸入颗粒物控制技术的可能方
16、向燃煤污染物的生成与减排2 2 可吸入颗粒物可吸入颗粒物 PMPM10103 二氧化碳二氧化碳 CO CO2 24 减排减排非常规污染物的若干新方法非常规污染物的若干新方法1 重金属重金属/Hg Hg燃煤污染物的生成与减排国家国家CO2 排放排放(Mtc)1990199720102020美国美国1345148017871979中国中国62082214572091前苏联前苏联1034646728875日本日本274297331354全世界全世界58366175814610,009Source:Energy Information Administration/International Ener
17、gy Outlook 2000世界世界CO2排放状况排放状况燃煤污染物的生成与减排 海平面上升与陆地淹没海平面上升与陆地淹没 气候带的移动气候带的移动 飓风的加剧飓风的加剧 植被的迁徙与物种灭绝植被的迁徙与物种灭绝 洋流的变化与厄尔尼诺洋流的变化与厄尔尼诺 雨型的改变；雨型的改变；近近5050年的气候变暖主年的气候变暖主要由人类使用化石燃要由人类使用化石燃料排放的大量料排放的大量COCO2 2等温等温室气体的增温效应造室气体的增温效应造成的。成的。全球变暖的影响全球变暖的影响燃煤污染物的生成与减排（a a）自然因素（太阳活动、火山喷发等）的影响）自然因素（太阳活动、火山喷发等）的影响（b b）
18、人类活动产生的气体和微粒的影响）人类活动产生的气体和微粒的影响地球温升和温室气体地球温升和温室气体燃煤污染物的生成与减排地球表面气温变化地球表面气温变化燃煤污染物的生成与减排工业革命以前，工业革命以前，COCO2 2含含量极为稳定。工业革量极为稳定。工业革命到命到19591959年，大气中年，大气中的的 C OC O2 2浓 度 从 大 约浓 度 从 大 约280ppm280ppm增加到增加到316ppm316ppm，增加了增加了13%13%。仅在。仅在3434年年就增加到就增加到357ppm357ppm，又，又增加了增加了13%13%，与前两个，与前两个世纪上升的幅度一样世纪上升的幅度一样大
19、。大。燃煤污染物的生成与减排人类活动对大气中人类活动对大气中CO2变化的影响变化的影响燃煤污染物的生成与减排与能源有关的与能源有关的CO2排放的变化排放的变化燃煤污染物的生成与减排化石燃料燃烧化石燃料燃烧CO2排放排放燃煤污染物的生成与减排燃煤污染物的生成与减排年年总量总量煤煤石油石油天然气天然气MtcMtc%Mtc%Mtc%199062051482.99815.881.29199680162581.413817.2111.37199782266180.414818121.4620051,18693278.621318403.3720101,4571,11576.527719654.46中国化
20、石能源中国化石能源CO2排放状况排放状况燃煤污染物的生成与减排燃煤污染物的生成与减排燃煤污染物的生成与减排燃煤污染物的生成与减排 移动船只移动船只释放液态释放液态二氧化碳二氧化碳管道释放二氧化碳管道释放二氧化碳燃煤污染物的生成与减排 NH3+H2O+CO2 NH4HCO3 14+3 12+32 79 每每kg N 吸收吸收12/14=0.9 kg C 植物施肥后植物施肥后,因光合作用因光合作用每每kg N 促促使使草本植物增长草本植物增长 50 kg、木本植物增长、木本植物增长 150 kg，相当于每，相当于每kg N又固定了又固定了1.7 5 kg C用用NHNH3 3吸收吸收COCO2 2
21、生成化肥生成化肥 NHNH4 4HCOHCO3 3燃煤污染物的生成与减排2 2 可吸入颗粒物可吸入颗粒物 PMPM10103 二氧化碳二氧化碳 CO CO2 24 减排减排非常规污染物的若干新方法非常规污染物的若干新方法1 重金属重金属/Hg Hg燃煤污染物的生成与减排 近几年来已开发出多种燃煤发电技术，其中近几年来已开发出多种燃煤发电技术，其中CFBCCFBC、PFBCPFBCCCCC和和IGCCIGCC在国际上得到广泛关注和重点研究及示范在国际上得到广泛关注和重点研究及示范 超临界机组技术是当今世界上一项既成熟又在发展中的超临界机组技术是当今世界上一项既成熟又在发展中的火电技术火电技术 超
22、超临界机组在本世纪将具有广阔的发展前景，配合常超超临界机组在本世纪将具有广阔的发展前景，配合常规烟气脱硫脱硝技术的进一步完善，仍将会组合出高效、规烟气脱硫脱硝技术的进一步完善，仍将会组合出高效、洁净的燃煤发电方式洁净的燃煤发电方式超临界机组是高效洁净煤技术超临界机组是高效洁净煤技术燃煤污染物的生成与减排不同发电方式的技术经济比较不同发电方式的技术经济比较*亚临界亚临界/超临界超临界超临界机组是成熟、先进的技术，在机组的可靠性、可用率、超临界机组是成熟、先进的技术，在机组的可靠性、可用率、热机动性、机组寿命等方面已经可以和亚临界机组媲美；热机动性、机组寿命等方面已经可以和亚临界机组媲美；超超临界
23、机组已经有了商业运行经验。超超临界机组已经有了商业运行经验。发展超临界机组的优势发展超临界机组的优势燃煤污染物的生成与减排1300MW1300MW9 9台台美国美国1200MW1200MW1 1台台俄罗斯俄罗斯1150MW1150MW1 1台台美国美国1000MW1000MW2929台台主要在日本和美国主要在日本和美国800MW800MW 20 20余台余台主要在美国和独联体主要在美国和独联体高参数大容量机组的发展趋势高参数大容量机组的发展趋势p 世界上单机容量最大的机组世界上单机容量最大的机组p 世界上大型火电厂世界上大型火电厂燃煤污染物的生成与减排开发使用耐高温性能良好的钢材开发使用耐高温
24、性能良好的钢材超临界汽水两相的流动特性超临界汽水两相的流动特性超临界锅炉的燃烧技术超临界锅炉的燃烧技术监测、诊断和自动化技术监测、诊断和自动化技术超临界参数的辅机设备超临界参数的辅机设备发展超临界机组面临的技术问题发展超临界机组面临的技术问题燃煤污染物的生成与减排 p 燃料的适应性燃料的适应性发达国家的煤种较为固定发达国家的煤种较为固定切圆燃烧的优势切圆燃烧的优势 W W型炉膛的金属耗量大型炉膛的金属耗量大p 燃烧方式的相应变化燃烧方式的相应变化炉内温度水平升高，热负荷分布不均和偏差炉内温度水平升高，热负荷分布不均和偏差出口烟温偏差出口烟温偏差燃烧器与炉膛的布置燃烧器与炉膛的布置p 安全性安全
25、性结渣与高温腐蚀结渣与高温腐蚀管束应力差管束应力差超临界锅炉机组燃烧关键技术超临界锅炉机组燃烧关键技术燃煤污染物的生成与减排p 锅炉燃烧在线检测和优化控制锅炉燃烧在线检测和优化控制p 基于故障诊断的电站设备状态检修基于故障诊断的电站设备状态检修p 火电厂综合自动化系统火电厂综合自动化系统超临界锅炉机组燃烧关键技术超临界锅炉机组燃烧关键技术燃煤污染物的生成与减排 q 美国联邦能源技术中心与工业界一起正在发展一美国联邦能源技术中心与工业界一起正在发展一种先进的发电系统种先进的发电系统Low Emission Boiler Systemq 基于长期应用的粉煤燃烧技术上，但较之现有的基于长期应用的粉煤
26、燃烧技术上，但较之现有的燃煤电站具有更高的热效率、更好的环境效应和燃煤电站具有更高的热效率、更好的环境效应和较低的发电成本较低的发电成本美国低排放锅炉系统计划美国低排放锅炉系统计划LEBS燃煤污染物的生成与减排q Emissions About 1/12 SO2,1/5 NOx,and 1/3 of the particulate matter required by the New Source Performance Standards(NSPS).q Efficiency 42 to 47 percent total station,net,based on fuel HHV q Cos
27、t of Electricity Produce electricity at costs equal to or less than those of a modern-day coal plant LEBS特点特点燃煤污染物的生成与减排Includes a supercritical steam cycle,a low-NOx,U-fired,slagging combustion system,and a moving-bed copper-oxide flue gas cleanup system for SO2 and NOx control 燃煤污染物的生成与减排燃料燃料燃料燃料反
28、应器反应器CO2,H2O空气空气空气空气反应器反应器N2,O2M(+MO)MO(+M)化学链燃烧技术原理化学链燃烧技术原理燃料燃料MO(金属氧化物金属氧化物)CO2H2O+M(金属金属)燃料侧反应燃料侧反应:M(金属金属)O2(空气空气)MO(金属氧化物金属氧化物)空气侧反应空气侧反应:燃煤污染物的生成与减排化学链燃烧技术研究现状化学链燃烧技术研究现状燃料：燃料：CO，CH4，H2常规氧载体：常规氧载体：Fe2O3，NiO，CoO，CuO/Cu，Mn3O4新的氧载体类型新的氧载体类型CaSOCaSO4 4、SrSOSrSO4 4、BaSOBaSO4 4以金属氧化物作为氧载体技术在大规模应用中必
29、须考虑以金属氧化物作为氧载体技术在大规模应用中必须考虑的一个问题是金属氧化物会进入大气环境，成为新的污的一个问题是金属氧化物会进入大气环境，成为新的污染源。因此，探索新的氧载体物质是一项非常重要的工染源。因此，探索新的氧载体物质是一项非常重要的工作。作。燃煤污染物的生成与减排Los AlamosLos Alamos国家实验室国家实验室(LANL)(LANL)最先提出了一种零排放的煤最先提出了一种零排放的煤制氢制氢/发电技术发电技术将高温蒸气和煤反应生成氢气和将高温蒸气和煤反应生成氢气和COCO2 2，其中，其中H H2 2被用作被用作SOFCSOFC燃燃料，料，COCO2 2则和则和CaOCa
30、O反应生成反应生成CaCOCaCO3 3，然后，然后CaCOCaCO3 3在高温下煅烧为在高温下煅烧为高纯度的高纯度的COCO2 2，其，其CaOCaO则被过程回收利用；释放出来的则被过程回收利用；释放出来的COCO2 2则则和和MgSOMgSO4 4反应生成稳定的可储存的反应生成稳定的可储存的MgCOMgCO3 3矿物。矿物。零排放燃煤发电技术零排放燃煤发电技术燃煤污染物的生成与减排零排放的煤炭发电技术的关键是煤的零排放的煤炭发电技术的关键是煤的无（绝、厌）氧制氢无（绝、厌）氧制氢过程；过程；目标：使煤目标：使煤100%100%气化（气化（H H2 2代替代替H H2 2O O）；将由煤中引入的所有碳全部产生纯的；将由煤中引入的所有碳全部产生纯的COCO2 2气流；气流；完全避免燃烧，因此，避免与煤燃烧过程相关的颗粒物和其他污染物的释放。完全避免燃烧，因此，避免与煤燃烧过程相关的颗粒物和其他污染物的释放。燃煤污染物的生成与减排2022-9-30燃煤污染物的生成与减排
