燃煤的污染與控制

陳龍

摘 要：煤炭是一種重要的能源，煤燃燒引發(fā)的技術(shù)和環(huán)境問題是全世界共同面臨的難題。煤燃燒機理、煤燃燒過程中污染物的形成、排放和抑制規(guī)律、新型煤燃燒技術(shù)和低費用的污染控制技術(shù)等是煤燃燒領(lǐng)域重點研究的內(nèi)容。針對煤燃燒對大氣的污染現(xiàn)狀及污染控制技術(shù)進行了分析，并提出了污染控制的研究方向。

關(guān)鍵詞：燃煤;污染控制;潔凈煤

1 我國煤的地位

地球上的煤炭資源相對充足，分布廣泛且具有經(jīng)濟優(yōu)勢，所以早已被作為最重要的燃料使用。我國更是如此，煤炭作為主要能源，占到一次能源消費總量的75%以上。盡管預(yù)測到2050年煤炭消費比重將下降到50%左右，但消費的絕對量還是呈增加趨勢，即在相當長的時期內(nèi)，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)在我國的地位不會改變，但隨著環(huán)保標準越來越嚴格，可再生能源的開發(fā)和利用，煤炭在能源構(gòu)成中所占的比例會有所下降。中國目前已成為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，煤炭產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的三分之一，而且我國還是世界上煤炭出口大國，煤炭出口量占世界總出口量的11%。

2 燃燒產(chǎn)生的污染物

燃燒是物質(zhì)劇烈氧化而發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象，是人們利用能源的最主要方式。煤燃燒是煤炭利用的主要方式，煤燃燒時會排出大量SOx、NOx、CO2、重金屬、可吸入粉塵等有毒有害物質(zhì)，還會產(chǎn)生噪聲污染、熱污染和鉛污染等。它們對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞，妨害著人們的健康，動植物的生長，甚至整個生態(tài)的平衡。因此必須對它們加以控制。我國煤炭的消費是直接燃燒，煤炭的直接燃燒造成我國大氣典型的煤煙型污染。

3 燃燒污染的危害

3.1 SO2污染的狀況及危害

我國主要的SO2污染來源有硫酸廠尾氣中排放的SO2、有色金屬冶煉過程排放的SO2、燃煤煙氣中的SO2等三個方面，其中燃煤煙氣中的SO2仍是污染的主要來源。我國煤炭多為高硫煤（含硫量大于2%），其貯量約占煤炭總貯量的20%～25%。在全國煤炭的消費中，占總量約84%的煤炭被直接燃用，燃燒過程中排出大量的SO2，使我國成為三大酸雨區(qū)之首。

3.2 CO2的污染現(xiàn)狀及危害

煤炭中質(zhì)量百分含量最高的元素就是碳元素，在煤炭燃燒時碳完全氧化產(chǎn)生CO2，不完全燃燒則生成CO。其中CO2是造成地球溫室效應(yīng)的主要原因。由于溫室效應(yīng)導(dǎo)致了地球溫度上升、兩極冰雪融化、海平面上升、陸地被淹沒等不可估量的損失。大氣的中CO2濃度從1870年的300mL/m3升到了1990年的355mL/m3，增加量為55mL/m3。其中，煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2占了絕大數(shù)。

3.3 NOx污染的現(xiàn)狀及危害

燃煤過程中生成的氮氧化物，其中NO占90%以上，NO2占5%～10%，而N2O只占1%左右。通常把這幾種氮氧化物稱為NOx。燃煤電站鍋爐是NOx的主要排放源。2000年全國電站鍋爐NOx的平均排放濃度為750mg/m3，NOx排放總量為258.02萬t。據(jù)預(yù)測到2010年NOx排放總量將比2000年增長136萬t左右。NOx對植物有損害，對動物有致毒作用。大氣中NOx和揮發(fā)性有機物在太陽光照射下經(jīng)過一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，就會產(chǎn)生毒性很大的光化學(xué)煙霧。而且NOx能形成酸雨，造成水污染，還能破壞臭氧層，對全球氣候變化產(chǎn)生極為不利的影響。因此，需提高煤的燃燒效率，控制氮氧化物的排放。

4 綜合防治技術(shù)

4.1 NOx控制技術(shù)

煤燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要是NO、NO2和少量N2O，其生成量和排放量與煤燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件密切相關(guān)。用改變?nèi)紵龡l件的方法來減少NOx的生成是目前采用最廣的方法，如低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器，也有在爐膛上部向爐膛噴水蒸汽、噴射二次燃料和噴氨等來還原已生成的NOx，降低NOx排放量。一般情況下低NOx燃燒技術(shù)最多只能降低50%的NOx排放量，當要求鍋爐的NOx降低率超過40%才能滿足排放標準時，就必須考慮煙氣脫硝技術(shù)，煙氣脫硝技術(shù)主要有干式和濕式兩種，干式技術(shù)有采用催化劑促進NOx還原反應(yīng)的選擇性催化脫硫法、電子束照射法和同時脫硫脫硝法等，濕式技術(shù)目前主要是利用煙氣脫硫系統(tǒng)在脫硫的同時實現(xiàn)脫硝。但無論那一種煙氣脫硝技術(shù)都存在運行費用高的問題，制約了應(yīng)用。

4.2 SOx控制技術(shù)

4.2.1 爐前脫硫

爐前脫硫又稱燃燒前脫硫。煤脫硫技術(shù)大致可分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理法就是利用煤中有機質(zhì)和黃鐵礦的物理性質(zhì)的差異來實現(xiàn)硫的分離;化學(xué)法是利用不同的化學(xué)反應(yīng)將煤中的硫轉(zhuǎn)化成不同形態(tài)而分離;生物法是利用生物方法來脫硫

4.2.2 爐內(nèi)脫硫

爐內(nèi)脫硫又稱燃燒中脫硫。在煤粉燃燒的過程中同時投入一定量的脫硫劑將SO2脫除。目前主要采用常壓循環(huán)流化床鍋爐（CFBC）、加壓循環(huán)流化床鍋爐（PFBC）等技術(shù)。其原理是在煤炭的燃燒過程中摻入脫硫劑，通常為睡灰石之類，使煤炭中的硫（SO2）與脫硫劑中的成分（CaO）反應(yīng)生成難溶鹽CaSO4而達到固硫的目的。固硫技術(shù)主要有型煤固硫技術(shù)和流化床燃燒固硫技術(shù)。流化床燃燒固硫技術(shù)是把煤和吸收劑加入燃燒室內(nèi)的床層中，從爐底鼓風(fēng)使床層懸浮，進行燃燒流化形成湍流混合條件，從而將燃燒效率提高到97%～99%;石灰石固硫效率可達70%～90%;還可使NOx生成量大大減少。該方法占地少、投資和運行費用較低，比較適合于中小型火電廠的脫硫。

4.2.3 爐后脫硫

爐后脫硫又稱燃燒后煙氣脫硫。它是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣、脫硫效果最好、技術(shù)最為成熟的控制SO2的主要技術(shù)手段。它的實施能使SO2減排90%以上。煙氣脫硫按脫硫產(chǎn)物的干濕形態(tài)可分為干法、半干法和濕法三大類。

4.3 CO2控制技術(shù)

①基于CaO碳酸化--煅燒循環(huán)的CO2分離技術(shù)。它是使用CaO與CO2反應(yīng)以及生成產(chǎn)物CaCO3的煅燒這個循環(huán)過程來捕捉煙氣中的CO2。這種技術(shù)可以用于燃燒煙氣中CO2的分離，也可以用于氣化過程中CO2的分離;②O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)。針對燃煤電廠特點所發(fā)展的CO2減排技術(shù)是O2/CO2循環(huán)燃燒技術(shù)。該技術(shù)采用純氧和再循環(huán)的煙氣代替空氣進行助燃，是一種既能直接獲得高濃度CO2，又能綜合控制燃煤污染排放的新一代煤粉燃燒技術(shù)，有巨大的發(fā)展?jié)摿?③化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。該技術(shù)具有非常高的能源利用效率，沒有NOx釋放，而且在使用含碳氣體燃料時，燃燒產(chǎn)物僅包含CO2和H2O，只需經(jīng)過簡單的冷凝就能得到高純度的CO2，從而以較低的能源消耗實現(xiàn)CO2的減排?；诨瘜W(xué)鏈燃燒技術(shù)對氧載體性能的要求以及使用金屬氧化物作為氧載體時潛在的問題，提出了氧載體材料的新類型-CaSO4，SrSO4，BaSO4，并對其與不同燃料組成的反應(yīng)系統(tǒng)的熱力學(xué)以及動力學(xué)特性進行了初步研究。

5 結(jié)語

我國一次能源的生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)以煤炭為主，這種能源格局在相當長時間內(nèi)不會有大的變化。煤的清潔燃燒技術(shù)與污染控制技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能和滿足環(huán)保要求的有效技術(shù)措施。煤燃燒理論、污染防治理論、發(fā)展新型的CO2分離技術(shù)是煤燃燒領(lǐng)域重點研究的內(nèi)容，其研究成果是煤的清潔燃燒和污染防治技術(shù)的理論基礎(chǔ)。我國燃煤電廠應(yīng)采用高效燃燒技術(shù)和發(fā)電技術(shù)包括增壓流化床燃燒技術(shù)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、蒸汽超臨界參數(shù)發(fā)電技術(shù)等，可提高發(fā)電熱效率3%～6%，也是減排硫氧化物的重要技術(shù)。同時改造現(xiàn)有固定床技術(shù)，推廣流化床技術(shù)，發(fā)展煤炭地下氣化技術(shù)和煤氣化多聯(lián)產(chǎn)一體化技術(shù)，也可以降低污染物排放。

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