燃煤污染物的生成与减排.ppt

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1、燃煤污染物的生成与减排,徐明厚,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,姚 洪1987年 华中工学院 动力系 本科1994年 华中理工大学 煤燃烧 硕士研究生、博士研究生(中退)1998-2005 日本 博士、博士后、助教(期间：2001.9 澳大利亚Newcastle 大学;2002.9美国 Pittsburgh大学;2004.5/2005.6 美国Arizona大学;2004.8美国Chicago大学)2005.9 煤燃烧 教授2005.10-11 加拿大Alberta大学研究方向:煤燃烧与气化/生物质燃烧与气化/垃圾处理与焚烧/重金属污染控制/颗粒物.,燃煤排放物,NOx；SOx；粉尘有毒痕量

2、元素可吸入颗粒物（PM10）CO2,报告内容,2 可吸入颗粒物 PM10,3 二氧化碳 CO2,4 减排非常规污染物的若干新方法,1 重金属/Hg,燃煤重金属的污染特点及危害,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,毒性差异大会产生剧毒金属化合物许多重金属有强烈的三致作用,不易生物降解产生毒性效应的浓度低,重金属排放标准（GB16297-1996）,农用粉煤灰中污染物控制标准 GB8173-87,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，2002,煤燃烧后重金属的去向,极易挥发型,如Hg,As等重金属随烟气进入大气,通过干/湿沉降进入地面,危害陆生

3、生态系统易挥发型,如Cr,Cd,Pb,Zn,Cu等重金属燃烧过程中从煤中析出,当烟气冷却时凝结,富集在颗粒上,最终滞留在飞灰中不易挥发的亲岩元素,如Al、Si等一般滞留在底灰中,Electron 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 Hg,

4、1.Elemental mercury(Hg0)Volatile and Insoluble matters2.Biatomic mercury(Hg2+)HgCl2,HgO,HgSO4,etc.Soluble matters3.Organic mercury High toxic matters,Hg2+Vapor,汞在燃烧中的转化,汞在环境中的转化与影响,汞的危害,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它生物,对生态环境的主要影响汞排放到大气、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

5、人类及野生动植物造成很大危害,砷中毒直接伤害人的内脏，最终导致癌变,砷中毒,初步研究结果,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反应机理（反应动力学）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,报告内容,2 可吸入颗粒物 PM10,3 二氧化碳 CO2,4 减排非常规污染物的若干新方法,1 重金属/Hg,TSP：总悬浮颗粒物,小于100mPM10：空气动力学直径小于10m的颗粒物IP：可吸入颗粒物（漂尘）,PM10PM2.5：空气动力学直径小于2.5m的颗粒物，又称可入肺颗粒物,几个定义,TSP(Total Suspended Particulate)PM(Par

6、ticulate Matter)IP(Inhalabe Particulate),Electrostatic Precipitator,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,ESP对粗颗粒的除尘效率可高达99%以上，但对PM10的捕获率不高,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%1.5%,电站煤炭年消耗量/亿吨,3.9,5.4,17.0,发电用煤量,源解析,春季,可吸入颗粒物,颗粒物对城市空气质量的影响,北京市区全年能见度低于4km的天数,颗粒物对大气能见度的影响,研究结论1,燃煤的贡献率 对TSP为33%；对PM10为35%；对PM2.5为35%,不同粒径占T

7、SP的比例(数量)PM10占TSP的82%；PM2.5占TSP的63%,富集特性 颗粒物中Ba、P、As、Cd、Pb等有害物质70%-80%富集在PM10和PM2.5的颗粒物中,1 中国环境科学研究院,微细颗粒的危害：,大颗粒(PM2.5-10)收集于鼻、咽、气管，不可入肺,小颗粒（PM2.5）可入肺富集有毒重金属,对多个城市的调查表明 PM2.5与 神经系统发病率有直接相关性 Dockery et al(1993),N Engl J Med:329(24),1753.,微细颗粒对人体的危害,PM10呈相似的双峰分布，峰值分别在0.1 和4.3m附近。,PM10的粒径分布,研究结论1,1 华中

8、科技大学煤燃烧国家重点实验室,PM10排放浓度变化（1400）,PM10排放浓度变化（63m）,研究结论1,煤粉粒径越小，生成的PM10也越多,随着温度的升高，PM10排放浓度增加 相同温度下，随氧气含量提高，PM10排放浓度明显增加,1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,无机元素化合物在PM中多呈双峰分布，Si、Al是超微米颗粒物的主要组成元素，而亚微米颗粒物多由碱金属、碱土金属的硫酸盐构成。这是由不同的形成机理决定的。,研究结论-无机元素在颗粒物中的分布1,1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,除尘器入口PM10的峰值分别在0.1和3.95m左右，而除尘器出口PM10的峰值分别在0.1和2

9、.36m左右,300MW机组除尘器入口颗粒物质量粒径分布,研究结论1,300MW机组除尘器出口颗粒物质量粒径分布,1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,不同粒径PM10的除尘效率,原因：粒径大于1m的粗颗粒来说，主要是惯性力作用，对于粒径小于0.1m或更小的细颗粒，则是由布朗运动起决定性作用，而粒径为0.11m左右的颗粒为两种作用的过渡区,研究结论1,1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,锅炉B和锅炉C烟气量分别为30万m3/h和15万m3/h，两种除尘器出口处颗粒物排放总量分别为67.66kg/h和50.07kg/h，颗粒物排放量相当巨大。因此，改造目前现有的低效率除尘设备、开发和应用先进除

10、尘设备燃煤电厂大量颗粒物排放显得尤为重要，这也是控制目前我国大气颗粒物污染的有效途径之一。,亚微米颗粒,粗颗粒,结论：亚微米颗粒物中主要为碱金属、硫酸盐；粗颗粒物中难熔氧化物占据主导地位,研究结论300MW锅炉亚微米颗粒和粗颗粒的化学组成1,1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,典型的小雨、中雨和大雨过程对中等尺度气溶胶的湿去除效果均不理想,但都可以有效地湿去除大尺度气溶胶(2m)和小尺度气溶胶(0.01m)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和中等尺度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,研究结论雨强对气溶胶湿去除的影响分析1,1 华中科技大学煤燃

11、烧国家重点实验室,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)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，而稍微不利于大尺度气溶胶的湿沉降启发：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脱除效率,1 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,研究结论雨滴谱对气溶胶湿沉降的影响分析1,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 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 改进燃烧过程控制可吸入颗粒物的形成,可吸入颗粒物控

12、制技术的可能方向,报告内容,2 可吸入颗粒物 PM10,3 二氧化碳 CO2,4 减排非常规污染物的若干新方法,1 重金属/Hg,Source:Energy Information Administration/International Energy Outlook 2000,世界CO2排放状况,海平面上升与陆地淹没 气候带的移动 飓风的加剧 植被的迁徙与物种灭绝 洋流的变化与厄尔尼诺 雨型的改变；,近50年的气候变暖主要由人类使用化石燃料排放的大量CO2等温室气体的增温效应造成的。,全球变暖的影响,（a）自然因素（太阳活动、火山喷发等）的影响（b）人类活动产生的气体和微粒的影响,地球温升和

13、温室气体,地球表面气温变化,地球气候变化是否堪忧？,工业革命以前，CO2含量极为稳定。工业革命到1959年，大气中的CO2浓度从大约280ppm增加到316ppm，增加了13%。仅在34年就增加到357ppm，又增加了13%，与前两个世纪上升的幅度一样大。,人类活动对大气中CO2变化的影响,与能源有关的CO2排放的变化,化石燃料燃烧CO2排放,21世纪温室效应,中国化石能源CO2排放状况,1996年,我国的CO2排放量分布 Mt/年,O2/CO2燃烧方式,CO2的深海处理,移动船只释放液态二氧化碳,管道释放二氧化碳,NH3+H2O+CO2 NH4HCO3 14+3 12+32 79 每kg N

14、 吸收12/14=0.9 kg C 植物施肥后,因光合作用每kg N 促使草本植物增长 50 kg、木本植物增长 150 kg，相当于每kg N又固定了1.7 5 kg C,用NH3吸收CO2生成化肥 NH4HCO3,报告内容,2 可吸入颗粒物 PM10,3 二氧化碳 CO2,4 减排非常规污染物的若干新方法,1 重金属/Hg,近几年来已开发出多种燃煤发电技术，其中CFBC、PFBCCC和IGCC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火电技术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、洁净的燃煤

15、发电方式,超临界机组是高效洁净煤技术,不同发电方式的技术经济比较,*亚临界/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、热机动性、机组寿命等方面已经可以和亚临界机组媲美；超超临界机组已经有了商业运行经验。,发展超临界机组的优势,4800MW俄罗斯的苏尔古特第二电厂 天然气4400MW日本的鹿岛油4320MW波兰的巴尔哈托夫褐煤4110MW加拿大的楠蒂柯克煤3000MW分布在独联体(9)、南非(6)、日本(5)、美国(5)等,1300MW9台美国1200MW1台俄罗斯1150MW1台美国1000MW29台主要在日本和美国800MW 20余台主要在美国和独联体,高参数大容量机组的

16、发展趋势,世界上单机容量最大的机组,世界上大型火电厂,开发使用耐高温性能良好的钢材超临界汽水两相的流动特性超临界锅炉的燃烧技术监测、诊断和自动化技术超临界参数的辅机设备,发展超临界机组面临的技术问题,燃料的适应性发达国家的煤种较为固定切圆燃烧的优势 W型炉膛的金属耗量大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出口烟温偏差燃烧器与炉膛的布置安全性结渣与高温腐蚀管束应力差,超临界锅炉机组燃烧关键技术,锅炉燃烧在线检测和优化控制基于故障诊断的电站设备状态检修火电厂综合自动化系统,超临界锅炉机组燃烧关键技术,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Low Emissi

17、on Boiler System基于长期应用的粉煤燃烧技术上，但较之现有的燃煤电站具有更高的热效率、更好的环境效应和较低的发电成本,美国低排放锅炉系统计划LEBS,EmissionsAbout 1/12 SO2,1/5 NOx,and 1/3 of the particulate matter required by the New Source Performance Standards(NSPS).,Efficiency 42 to 47percent total station,net,based on fuel HHV,Cost of Electricity Produce elect

18、ricity at costs equal to or less than those of a modern-day coal plant,LEBS特点,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,燃料,燃料反应器,CO2,H2O,空气,空气反应器,N2,O2,M(+MO),MO(+M),化学链燃烧技术原理,化学链燃烧技

19、术研究现状,燃料：CO，CH4，H2,常规氧载体：Fe2O3，NiO，CoO，CuO/Cu，Mn3O4,新的氧载体类型CaSO4、SrSO4、BaSO4,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，成为新的污染源。因此，探索新的氧载体物质是一项非常重要的工作。,Los Alamos国家实验室(LANL)最先提出了一种零排放的煤制氢/发电技术将高温蒸气和煤反应生成氢气和CO2，其中H2被用作SOFC燃料，CO2则和CaO反应生成CaCO3，然后CaCO3在高温下煅烧为高纯度的CO2，其CaO则被过程回收利用；释放出来的CO2则和MgSO4反应生成稳定的可储存的MgCO3矿物。,零排放燃煤发电技术,零排放技术原理,零排放的煤炭发电技术的关键是煤的无（绝、厌）氧制氢过程；目标：使煤100%气化（H2代替H2O）；将由煤中引入的所有碳全部产生纯的CO2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。,谢 谢!,