（工程热物理专业论文）燃煤电厂可吸入颗粒物排放及控制研究.pdf

摘要 在我国，由于粗放型发展模式及以煤为主的能源结构和低效能源利用方式，使目前我国 煤炭生产与消费量均居世界首位，煤烟型大气污染非常严重；另外，产生的量s 0 2 、n o ；， 使8 1 6 的城市出现酸雨。由于严重的大气污染，个别城市已成为“卫星上看不见的城市” 研究大气污染现状，讨论污染控制和治理方案已经成为迫在眉睫的任务，其中可吸入颗粒物 的排放和控制研究是相当重要的一部分 本文建立了燃煤锅炉烟气小颗粒等速采样系统和实验流程，使用u s e p a m e t h o d5 对燃 煤锅炉实验台混合燃料稳定燃烧排放的烟尘气溶胶进行采样实验；并对循环流化床电厂电除 尘器前后烟尘进行采样实验。测试得到烟尘气溶胶的浓度分布和粒径分布以及p m l o 1 m 2 5 在除尘前后烟尘所占的比例，并求得电除尘器对p m l o 、p m 2 5 、p m l o 的分级除尘效率。 燃煤排放的可吸入颗粒物通常富集各种重金属元素和p a h s 、v o c s 等有机污染物。通过 实验研究，分析了燃煤锅炉烟道中可吸入颗粒物的重金属含量分布、多环芳烃浓度以及颗粒 物的显微结构和微观孔隙特性等方面的物理化学特性，还分析了实验工况的变化对各种痕量 污染物的影响，指出污染物在不同粒径颗粒上的富集规律。同时结合实验室研究，分析了常 规静电除尘器和高压脉冲放电的复合静电除尘器对这些痕量污染物的脱除能力。 声波团聚是对载尘气流进行中间预处理过程以提高传统除尘装置除尘效率的一种方法。 本文搭建了声波团聚飞灰颗粒实验装置，主要研究声压、声波频率、停留时间、烟气温度、 颗粒物浓度等试验参数对煤飞灰微粒声波团聚过程的影响。在激光粒度仪上进行了声波团聚 飞灰颗粒的实验，在线测量飞灰颗粒在声波团聚过程中的粒径分布变化规律。 在高压脉冲放电的条件下，由于比常规直流放电有着更高的放电电压，产生了大量的高 能电子，纳米级颗粒的荷电量有了数量级的提升。本文通过实验分析了脉冲放电电压、电极 反应器形式对各粒径段颗粒特别是纳米级颗粒的荷电规律，证实了纳米级颗粒的荷电量可以 有很大提升。在此基础上，为提高传统除尘器对亚微米级颗粒的脱除效率，本文建立了一种 脉冲预荷电直流收尘的复合式除尘系统，采用较低能耗的高压窄脉冲放电对颗粒物预荷电， 大大提高了亚微米级颗粒的荷电量，结合传统的直流静电除尘器可以大幅提高对亚微米级颗 粒的脱除效率，对小于l i l m 的颗粒脱除效率可以达到9 0 以上主要分析了脉冲荷电的电源 形式和电压等因素对脱除效率的影响，为改造传统静电除尘器提供了理论支持。 n o 是燃烧产生的重要气体污染物之一，脉冲放电与直流放电相结合的新型除尘方式在 有效提高对p m 2 5 脱除效率的同时，还具有氧化n o 的能力高压脉冲放电产生的高能电子 可以产生强氧化性的自由基，对n o 进行氧化，同时还可以直接打断n o 键，游离态的n 原子大部分生成了n 2 分子线筒式放电结构氧化n o 的能力明显优与线板式放电，与除尘 能力具有一致性。氧化效率随着电压的升高而升高，由于一定电压下对n o 的处理量趋于定 值，氧化效率与n o 的初始浓度具有重要的关系，同时也受n o ：浓度的影响。在本文讨论 的反应器中，当脉冲峰值电压达到5 0 k v ，n o 初始体积百分比低于1 0 - 4 时，n o 的氧化率 可以达到9 0 以上氧化产物n 0 2 可以在湿法脱硫设备中脱除 因荷电粉尘凝并过程极为复杂，目前尚无电凝并除尘效率理论计算模型。但在电凝并复 合除尘的工作过程中是先荷电然后进行凝并收尘，凝并和收尘在同一电场区域同时进行于 是，电凝并除尘效率实际上是凝并和收尘的综合除尘效率，只不过静电除尘器所收集的粉尘 的粒度分布已不同于原来气体中粉尘的粒度分布。根据入口处颗粒的粒径分布和荷电量，可 以通过理论计算得出无凝并状态下的收尘效率，将理论值和实际收尘效率对比即可估算带电 颗粒在收尘电场中的凝并效率本文建立了复合除尘系统的理论模型，集合常规除尘器除尘 理论和颗粒在能量场中的凝并理论，分析了颗粒在电场中的运动轨迹，得到了半经验的颗粒 凝并脱除效率公式，在凝并和脱除同时进行的情况下对两种行为的比重进行了分析。结果显 示在高压脉冲荷电直流凝并收尘的复合除尘器中，提高收尘效率的主导因素在于大大提高了 纳米级颗粒的带电量，从而提高了常规直流除尘器对于颗粒的收集效率，而颗粒凝并只有不 到1 0 的影响效果 关键词：颗粒物；p m l o ；p m 2 5 ；燃煤电厂；重金属元素；多环芳烃( p a h s ) ；声凝并；电 凝并；脉冲放电；脱硝；电除尘；e s p a b s t r a c t c o a li st h ep r i m a r ye n e r g ys o u r c ei nc h i n e s ee l e c t r i c a lp o w e ri n d u s t r y c o a lc o m b u s t i o ni s o n eo ft h ei m p o r t a n ts o u e c e so fi n h a l a b l ep a r t i c u l a t e ( p m i o ) e m i s s i o nt ot h ea t m o s p h e r e p m t o ， e s p e c i a l l yp m 2 5h a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n ta i rp o l l u t a n ti no u rc o u n t r ya c c o r d i n gt ot h e e n e r g yc o n s t r u c t i o no fc h i n a i th a sa t t r a c t e dt h ew o r l da t t e n t i o na tp r e s e n t s i z ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e se m i t t e df r o mc o a lf i r e db o i l e rw a sp e r f o r m e da c c o r d i n gt ou s e p am e t h o d5 p a r t i c u l a t es a m p l e sw e r ee x t r a c t e df r o mf l u eg a so fap i l o ts c a l eo 5 m wc o a l c o m b u s t o rt e s tf a c i l i t ya n dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db o i l e r ( c f b ) p o w e rp l a n t su s i n gc a s c a d ei m p a c t o r p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o na n ds e g r e g a t e d p a r t i c u l a t e c o n c e n t r a t i o nw a sm e a s u r e do nb o t l l e x p e r i m e n t s ，t h ef r a c t i o no fp m l o p m 2 5i nf l u eg a sp a r t i c u l a t e si sc a l c u l a t e da tu p s t r e a ma n d d o w n s t r e a mo ft h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ro rb a gh o u s ea n ds i z e - d e p e n d e n tc a p t u r ee f f i c i e n c i e s f o rp m 2 5o ne s pw e r ed e r i v e di nt h et h e s i s p a r t i c l e se m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o na r eu s u a l l ye n r i c h e dt o x i ch e a v ym e t a l sa n do r g a n i c p o l l u t a n t ss u c h a sp a i l s ，v o c s s e v e r a lt o x i ch e a v ym e t a l si n c l u d i n gc d , p b ，n i ，c u c o n c e n t r a t i o ni np a r t i c u l a t e sw a sa n a l y z e d 晰t l la t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t e r ( a a s ) a n dh g w a sa n a l y z e d 、撕吐la t o m i cf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t e r t h er e s u l ts h o w st h ec o n c e n t r a t i o n so f m e d i u mv o l a t i l i t yc da n dp bi n c r e a s ew i md e c r e a s i n gp a r t i c l es i z ea n dt e n d st oe n r i c hi n s u b m i c r o np a r t i c l e s l i m e s t o n ep o w d e ri n j e c t i o ni nt h ep i l o ts c a l ec f bb o i l e rh e l p st oa b s o r b h e a v ym e t a l sg a sa n dr e d u c e sh e a v yc o n c e n t r a t i o ni np a r t i c l e sa n dc h a n g eh gd i s t r i b u t i o n i n c o m b u s t i o np r o d u c t s b o t ht r a d i t i o n a le s pa n dc o m b i n e de s ph a v ea b i l i t yt oc a t c ht h e s e p o l l u t a n t s a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ni sa l la e r o s o lp r e c o n d i t i o n i n gp r o c e d u r et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fc o n v e n t i o n a lp a r t i c l er e m o v a ld e v i c e s a c o u s t i ca g g l o m e r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ed o n ei n t r a v e l i n gw a v ef i e l dw i t hr e d i s p e r s e df l ya s h ，a n de f f e c to fp a r a m e t e r so na g g l o m e r a t i o np r o c e s s e s i si n v e s t i g a t e ds u c ha ss p l ，f r e q u e n c y , t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ea n dd u s tl o a d i n gc o n c e n t r a t i o n p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n sw e r em e a s u r e do nl i n e 、加t 1 1l a s e r p a r t i c l es i z e rm s - 2 0 0 0 p m 2 5e s p e c i a l l yn a n o - p a r t i c l e sc a l lg e th i g h e rc h a r g ea m o u n tu n d e rh i g hv o l t a g ep u l s e d i s c h a r g ec o m p a r e dw i t hd cd i s c h a r g e t h em a i nc o m p o n e n ti np a r t i c l ec a u s i n gt h i sr e s u l ti ss i 0 2 v t oi m p r o v et r a d i t i o n a le l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( e s p ) r e m o v a le f f i c i e n c yo np a r t i c l e ss m a l l e rt h a n lw 珥an e wt y p eo ff r e ep a r t i c l er e m o v a ls y s t e mi ss e tu pb yc o m b i n et r a d i t i o n a le s pa n d p u l s e c h a r g ep r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y h i 曲v o l t a g en a r r o wp u l s ed i s c h a r g ei n c r e a s e st h ec h a r g ea m o u n t o ff i n ep a r t i c l e sa n dm a k e sp a r t i c l e se a s i e rt ob ec a u g h tb yt r a d i t i o n a le s et h ee f f i c i e n c yt o r e m o v a lp a r t i c l e ss m a l l e rt h a nip r nc a nb em u c hh i g h e l t h a nt r a d i t i o n a le s p t h ei n f l u e n c eo f c h a r g ev o l t a g ea n df o r ma r ea n a l y z e dt og i v et h e o r e t i c a l l ys u p p o r tt oi m p r o v et r a d i t i o n a le s e n oi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp o l l u t a n t sd u r i n gc o m b u s t i o n t h ec o m b i n e de l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r ( e s p ) h a sac h a r a c t e ro fd e - n o xw i t ht h ei n c r e a s i n ge f f i c i e n c yo fc a t c h i n gp m 2 5 d u r i n gp u l s ec o r o n ad i s c h a r g e ，t h ef o r m a t i o no fo z o n ea n df l e er a d i c a lh a si m p o r t a n te f l e e to nn o o x i d a t i o n e l e c t r o nw i t hh i g he n e r g yc a na l s ob r e a kn - od i r e c t l ya n dt h ed i s s o c i a t i v enc a l lf o r m n 2 a c c o r d a n tw i t hd u s tc a t c he f f i c i e n c y , l i n e - c y l i n d e rc h a m b e ri sb e t t e rt h a nl i n e - p l a t ec h a m b e r w i t ht h ei n c r e a s eo fv o l t a g e ，t h ed e - n o xe f f i c i e n c yb e c o m e s h i g h e r u n d e rac e r t e nv o l t a g e ，t h e e f f i c i e n c yo fd e - n o xi ss t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fn oa n dn 0 2 i nt h e r e a c t o rd e v e l o p e db yt h i sp a p e r , t h eo x y g e n a t i o ne f f i c i e n c yc a nb eh i g h e rt h a n9 0 w h e nt h e v o l t a g ei s5 0 k va n dt h ei n i t i a ln ov o l u m ep e r c e n t a g ei sl e s st h a n10 4 t h eo x i d a t i o no u t c o m e n 0 2c a l lb ea b s o r b e db yw e tg a sd e s u l p h u r a t i o n ( w g d ) t e c h n o l o g y i nt h ec o m b i n e de s p , p a r t i c l e sa r ec h a r g e df i r s ti nt h ep u l s ee l e c t r i cf i e l da n dt h e ng ot ot h e d cf i e l d a g g l o m e r a t i o na n dc o l l e c t i o nw o r ka tt h es a m et i m ei nd cf i e l d t h et o t a le f f i c i e n c yo f c o m b i n e de s pi si n f l u e n c e db yt h e s et w op r o c e s s e s a c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a la g g l o m e r a t i o n t h e o r y a n de s pt h e o r y , an e wc o m b i n e de s pe f f i c i e n c ym o d e li s s e tu p t h ep r o p o r t i o no ft h i st w o p r o c e s s e si sa n a l y z e db yt h i sm o d e l a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h em a i ni n f l u e n c eo nc o l l e c t i o n e f f i c i e n c yi st h ec h a r g ea b i l i t yo fh i g hv o l t a g ep u l s ep o w e r t h ei n f l u c e no fa g g l o m e r a t i o ni s b e l o w1 0 k e yw o r d s ：p a r t i c l e ，p m l o ，p m 2 5 ，p o w e rp l a n t , h e a v ym e t a l ，p a h s ，a c o u s t i ca g g l o m e r a t i n , e l e c t r i ca g g l o m e r a t i o n ，p u l s ed i s c h a r g e ，d e n o x ，e s p v i 浙江人学硎：究生学位论义独创性声咧 本人j j , f | j j j 所交的乞j f 秒论义址小人n ：手帅指! 手j 、进i ，的仍阿川：作及取衙的l f j ：成 果。除了义。 i 特别加以标汪和敏谢的地方外，沦义- ，4 i 包含0 他人已经发表或撰写过的 研究成果，也小包含为荻f ： 逝姿盘堂或j 他教f 州眯的学f t 或证 s 而使j 】过的材料。 f 朝戈l 刊t ：作的同志刈小研究所做的任何贡献均已台：沦文r 扣作了明确的说明并表示谢 意。 ! 俺沦文竹! 者签名： 互静 签字1 t 其j 3 ： 2 - o 。8年石月f p 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘允许论文破i - l 刈- - ：i ，k 阅。本人授卡义逝姿盘堂可以将学位沦文的 全部或? 孙分内容编入有笑数扔：库进行检索和传播，口j 。以采j 稍影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汀：编学位论文。 ( 保密的学位论文任解密后适用本授权书) 学位论文作行签私： 互粥 导师签私： 铃，j ，：iij f j ：2 护矿8 l 二多jj fd l i 签，j ci tj f j ：2 8d gq i 多j _ j i o f 一1 致谢 作者在读期间，得到了导师岑可法院士和骆仲泱教授的精心指导两位导师治学严谨， 学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔， 置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标， 领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的 道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、以身作则的人格魅力，与无微不至、 感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。一股暖意细水长流，源自内心而又淌遍全 身，岂是三言两语能够说得清，道得明的。我恨我无法用准确生动的语言来淋漓尽致地描述 自己的真实感受，只好将它深深地埋在心底，化作一道虔诚的祝福：岑老师和骆老师合家欢 乐，一生平安。同时，也将祝福送给每一位帮助过我的师长。 我的周围是一群风华正茂的有志青年，终日沉溺学术，偶尔游历山水。指点江山直抒胸 臆，青梅煮酒，纵论英雄。与之朝夕相处，不由然不为之动容，意气风发而高扬起青春的旗 帜，生活的风帆。乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海，他们永远是我高歌猛进的力量之源。 谢谢你们，我亲爱的兄弟姐妹。 我的父母，崇尚知识，热爱生活，对我影响至深，对我的学业也给予了极大的鼓励与支 持。可怜天下父母心，平凡而伟大的亲情为何如此执着，为了几女的前途竟然忘乎所以视自 己于无物? 遇到这样的父母我还能说些什么? 无语问不禁潸然泪下，请恕孩儿未能膝前尽 孝，让你们把心都操碎了古人- x - ：“羊跪乳，鸦反哺。”今后我将竭尽所能，加倍补偿这份 一辈子也还不清的深情。 最后，我要向我的妻子顾韫瑶表达无法形容的谢意是你无怨无悔，用脆弱的双肩肩负 起沉重的负担；是你任劳任怨，用纤细的双手操持着繁琐的家务；是你尽心尽力，用虔诚的 孝心呵护着年迈的父母。嘘寒问暖，儿女情长，使我既无相思之苦，亦无后顾之忧。两耳不 闻窗外事，一心只读圣贤书，得以潜心研究，并写出这篇论文毋庸置疑，它是我们爱的结 晶我愧疚让你做出如此重大的牺牲，承受如此辛酸的苦楚但你始终情比金坚，这在现实 主义盛行且物欲横流的今天是多么难能可贵啊! 回首往事，我欠你实在太多太多，因而现在 更懂得去珍惜这份来之与守之不易的情感。不过，冬天到了春天还会远吗? 请相信我：牛奶 会有的，面包也会有的! 我决不会让你的心血付诸东流，我迟早会给你一个童话般美丽，幸 福而又温馨的港湾。 i 时光如水，日月如梭，诗情画意中的学术之旅行将结束它短暂而充实，轻松而又惬意， 犹如人生旅途划过的一颗璀璨靓丽的流星有太多的事沥沥在目，宛如昨日，记忆犹新有 太多的人音容笑貌，跃然纸上，挥之不去。如余音绕梁三日不绝，又如小酌醇酒，久之弥笃， 真是欲罢不能，难舍难分惟有掩卷长叹：“天下无不散之宴席。” 在论文第二章和第三章的工作中，感谢徐鸿师姐、黄伟师兄和侯全辉师弟的帮助；在论 文第四章、第五章和第六章的工作中，感谢徐飞师弟、赵爽师妹、曹玮师妹的帮助。你们的 全力帮助，是我顺利完成论文的坚实后盾。 最后让我再次祝福你们，敬爱的岑可法院士、骆仲泱教授、方梦翔教授、高翔教授、周 劲松教授、施正伦高工、王勤辉教授、余春江副教授、程乐鸣教授、王树荣副教授、陈永强 师傅，亲爱的徐鸿师姐、黄伟师兄、王涛同学、徐飞师弟、赵爽师妹、侯全辉师弟、曹玮师 妹和c f b 所有一起工作学 - - j 过的同学、朋友。 i i 王鹏 2 0 0 8 年6 月于求是园 1 1 引言 第一章绪论 可吸入颗粒物是通过鼻和嘴进入人体呼吸道的颗粒物总称，大部分来自各种燃烧过程。 因为它十分细小，比表面积较大，通常富集各种有毒有机物和重金属元素( 如砷、硒、铅、 铬、汞等) ，这些多为有毒物质、致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大 在我国，由于粗放型发展模式及以煤为主的能源结构和低效能源利用方式，使目前我国 煤炭生产与消费量均居世界首位，煤烟型大气污染非常严重；另外，产生的量s 0 2 、n o 。， 使8 1 6 的城市出现酸雨。在农村，居民生活燃料的7 0 仍靠烧柴和秸杆，由此造成薪材过 采、植被和森林大面积破坏、土地生产力下降。由于严重的大气污染，个别城市已成为“卫 星上看不见的城市”研究大气污染现状，讨论污染控制和治理方案已经成为迫在眉睫的任 务，其中可吸入颗粒物的排放和控制研究是相当重要的一部分。 1 2 我国的能源结构 目前我国的能源消费结构中煤炭占6 8 ，石油占2 3 4 5 ，天然气仅占3 。到2 0 0 7 年 底我国发电装机已达到7 1 3 2 9 亿千瓦，其中2 0 0 7 年新装机已超过1 亿千瓦，能源资源条件 决定了我国以煤为主的能源消费结构在短期内难以转变，未来煤炭仍将在整个能源过程中发 挥不可替代的作用由此导致污染物排放居高难下：从有关部门的统计来看，全国烟尘排放 量的7 0 、二氧化硫排放量的9 0 、氮氧化物的6 7 、二氧化碳的7 0 都来自于燃煤。除 了能源消费过程中的污染物排放外，能源在开采、炼制及供应过程中，也会产生大量有害气 体，严重影响着大气环境质量，“十五”期间，中国主要污染物排放量原计划到2 0 0 5 年比2 0 0 0 年减少1 0 ，但2 0 0 5 年的统计数据表明，烟尘、化学需氧量等相当一部分污染物的减排量 均未实现预期目标。我国与发达国家相比，每增加单位g d p 的废水排放量要高出4 倍，单 位工业产值产生的固体废弃物要高出1 0 倍以上，大气污染造成的经济损失占g d p 的3 到 7 世界银行发展报告列举的世界污染最严重的2 0 个城市中，中国占了1 6 个，瑞士达沃 斯世界经济论坛公布的“环境可持续指数”，在全球1 4 4 个国家和地区的排序中，中国竟然位 居第1 3 3 位。世界银行根据目前发展趋势预计，2 0 2 0 年中国燃煤污染导致的疾病需付出经 济代价达3 9 0 0 亿美元，占国内生产总值的1 3 ，发达国家在工业化中后期出现的污染公害 已经在我国普遍出现，它不仅导致贫富分化加剧，社会矛盾激化，到2 0 2 0 年以后中国将难 以回避对温室气体排放限制的承诺。 中国已经加入多个国际环境公约，无论国内的环境形势还是国际的环境压力，都使中国 必须承担起与发展水平相适应的国际环境义务。但由于我国对能源活动实施的是一种分散的 多部门管理模式，从而造成能源方面的法律法规不一致，资源重叠和冲突。2 0 0 5 年我国通 过了, - a j 再生能源法，制定了节约能源法、清洁生产促进法、固体废物污染环境防 治法等有关法律，这些法律已经体现了循环经济的发展理念。目前我国正在抓紧启动( 能 源法立法工作，“能源法将涵盖能源资源勘探、研究开发、生产运输、贸易与消费、利用 与节约、对外合作、能源安全与监管等诸多环节。”通过一部全面体现能源战略和政策导向 的基础性法律，强化各级政府的管理职能进一步法制化和规范化，做到有法可依，有章可循。 同时，适时开征燃油税，完善消费税税制，倡导资源节约型的生活方式，逐步推动建筑节能 和交通节能，对公共建筑和民用建筑达不到建筑节能设计规范要求的，不准施工、验收备案、 销售和使用。我们必须以最小的资源代价发展经济，以最小的经济成本保护环境，通过能源 结构的调整和优化，使能源供应从简单满足经济发展的基本需求为目标，转向在满足需求的 基础上重视环境效益的双重目标，实现经济、社会、环境的协调发展。 目前，我国第二产业在g d p 中的比重已跃升至近7 0 ，其中重化工业增加值占到近4 0 ， 这种重化工业带动模式是以“大量生产，大量消费、大量废弃”为特征的。( b p 世界能源统计 2 0 0 5 的数据表明，中国能源消费目前已占世界总量的1 3 6 。另据9 2 0 0 6 中国可持续发 展战略报告对世界5 9 个主要国家的资源绩效水平的调查排序，中国资源绩效居世界倒数 第6 位。由于粗放型的经济增长方式，到2 0 0 5 年底，我国能源消耗总量为2 1 1 亿吨标准煤， 每万元g d p 所消耗能量比“十五”计划指标上升了2 7 ，比“九五”期末上升了7 。我国的 能源利用效率为3 3 ，比发达国家低约l o 个百分点。 综上所述，煤炭是我国电力的主要来源，目前煤炭占我国总能源的6 8 ，一次能源的 7 5 左右，在可预见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源，这决定了在我国的 电力工业中，燃煤火力发电将长期占据主导地位。燃煤电厂产生的污染物主要有可吸入颗粒 物( p m l o ) 、二氧化硫、氮氧化物，有机物和痕量气体元素等n 】。中国的能源结构和资源条 件决定了中国的环境污染是煤烟型污染，因此要控制污染，就必须控制煤炭的直接燃烧和燃 烧后的排放问题。煤的燃烧是大气中可吸入颗粒物的重要来源之一，研究燃煤过程可吸入颗 粒物的排放规律和控制技术是改善大气污染现状的重要手段 2 1 3 可吸入颗粒物的来源及危害 1 3 1 可吸入颗粒物的来源 可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c l e 简称d ) 。可吸入颗粒物可以分为细颗粒和粗颗粒 其中0 - 2 5 9 r n 段的颗粒称为细颗粒p m 2 5 ( f m ef r a c t i o n ) ，2 5 1 0 9 m 称为粗颗粒段( c o a l 恪e f r a c t i o n ) 。可吸入颗粒物的来源分为自然来源和人为来源。其中自然来源包括植物花粉和孢 子、土壤扬尘等，人为源分为固定源和交通运输流动源。固定来源主要是燃料燃烧、工业生 产过程( 如水泥石灰的生产过程) 等。 根据现有的研究结果，我国城市中p m 2 5 大部分来自煤的燃烧过程和汽车的尾气。大气 中颗粒物的典型分布如图1 1 所示，颗粒物在大气环境中呈现双峰分布，最少分布位于空气 动力学直径l 3 9 r n 之问网p m l o 颗粒中粗颗粒质量百分比较大，但细颗粒p m 2 5 数量百分 含量巨大。 a i 呻口d 柙钥证p a r l i c l ed i a m e t a r ( a ) f 舯) 柙c “皤科翰岫 p i 口蜘嘲卜_ 一_ 时期一c p 口奠蕾- = 嗍：冀舢州剥 触蛳阻5 刚t 慧颡_ 图1 1p m 。o 和p m 2 5 相关的大气颗粒物典型粒径分布例 f i 9 1 1p m l oa n dp m 2 5s i z ed i s t r i b u t i o ni na t m o s p h e r e 1 3 2 燃煤电厂排放的小颗粒污染 能源生产过程直接排放了相当数量的固体颗粒，颗粒的排放与锅炉炉型、功率、主要燃 料和除尘分离装置等因素密切相关。各种燃烧技术均有共同的特点：当电厂容量增大时，排 放因子减小，这是因为较大规模的锅炉更易于控制和监控燃烧条件，使燃烧过程更稳定、完 3 譬莹f日0置一譬。|c，。器量 全；其次，较大规模电厂颗粒收集和分离设备更有效和多样，投资也更经济。但小规模的燃 烧方式更值得详细研究，因为其烟囱的排放高度较低，颗粒脱除设备效率较低，而且燃烧不 完全易生成致癌的碳氢化合物。燃煤电厂小颗粒排放的评估，需测试锅炉烟道以及除尘设备 前后烟气的粒径分布，并通过广泛采样以阐明不同燃烧种类和方式产生的细颗粒排放数量和 化学成分 许多现场和实验研究表明煤粉炉燃烧排放的气溶胶为双峰分布，用e l p i 测量电除尘器 后排放烟气的对数质量和数量粒径分布( 图1 2 至图1 5 ) 【4 】，表明细颗粒峰值分另4 在 0 0 5 - 0 i g m 和2 斗m ，e s p 后颗粒物的排放浓度为5 8 8 m g m 3 ，较低的排放浓度是在电除尘 后再安装了一个袋式除尘器所致。p m 2 5 虽占总质量约2 0 ，但占总粒子数的9 9 ，可见小 颗粒质量浓度虽低，但粒子数目剧增，总比表面积也急剧增加，被呼吸系统吸附时危害加深 m a s ss l a t e 醐a i b u f l o n , c o 一 、 。 ? ，- 、 一 j ll ： ， 眦5 图1 2 煤粉炉电厂除尘器后排放颗粒 的质量分布 f i 9 1 2s i z ed i s t r i b u t i o n ( m a s s ) a f t e re s p 4 n u m b e r 妇d 嘲b u t i o n o o 出 图1 3 煤粉炉电厂除尘器后排放颗粒 的数量分布 f i 9 1 3s i z ed i s t r i b u t i o n ( n a m ) a f t e re s p |i歪二璺i譬莹i l暑-互。 冒hehia置晕e量叠誓 p l a , t t e k t 神- d p 珏_ 叼 图1 4 煤粉炉电厂除尘器后排放颗粒 的累积质量分布 f i g l aa c c u m u l a t i v em a s sd i s t r i b u t i o n n 翻_ o h l n _ i k t r 脚i 岬日 图1 5 煤粉炉电厂除尘器后排放颗粒 的累积数量分布 f i 9 1 5a c c u m u l a t i v en u m d i s t h b u t i o n 1 3 3 燃煤电厂排放小颗粒的物理化学组成特性 火力发电厂排放颗粒物中含量较多的组成元素有：c 、s i 、a i 、f e 、c a 、m g 、n a 等， 多为地壳元素，此外含有其它痕量污染物质，但因燃料、燃烧方式、锅炉容量等有很大差异， 各元素所占比例差异较大，生成的产物也多元化【5 】 燃煤排放的可吸入颗粒物尤其是p m 2 5 不同于自然源的尘土等颗粒物，通常富集各种重 金属元素和p a h s 、v o c s 等有机污染物。涉及环保的一个重要问题是燃煤过程中半挥发性 金属( 如a s 、s e 、c d 等) 的排放，这些物质在锅炉的燃烧段挥发，随尾部烟气在冷却段转 化为固相，研究这些金属气固相迁移机理，预测其排放对环境的影响是非常重要的。美国电 力的5 6 来源于燃煤火力发电厂，广泛的现场采样表明金属化合物是燃煤电厂排放的有害 空气污染物之一，除h g 、s e 在烟气中排放较多之外，多数痕量金属排放于飞灰中。燃煤电 厂排放的汞是对公众健康危害最大，美国燃煤电厂每年向大气中排放近5 2 吨的汞，约占人 为排放量的三分之一【6 】，因此而制定了严格的燃煤电厂汞排放法规。 燃煤电厂颗粒物的分级采样分析说明某些金属富集在亚微米飞灰微粒中，如a s ，c o , g e ， m o ，p b ，s b ，s e ，z n 掣7 ，引1 9 9 5 年美国在国家能源技术实验室、化石能源技术中心资助下， 制定了两个阶段历时5 年的研究计划，广泛研究美国燃煤电厂排放的痕量金属排放模型和排 放机理( 图1 6 ) ，对采用各种不同燃烧方式和分布广泛煤种的电厂痕量重金属排放做出精确 5 墨雹毫拿叠三置嚣1-口 的预测【9 1 。由于锅炉内较高的燃烧温度，氧化条件和停留时间，煤粉炉燃烧产生的细颗粒物 中几乎不含元素碳和有机碳，细颗粒主要由灰分和凝结的挥发性物质组成细颗粒主要由 s b 、a s 、b e 、c d 、c r c o 、p b 、m n 、o g 、n i 、和s e 等痕量金属组成，有些元素富集在细 颗粒上如c d 、p b 等 婶酬嚣髹“州 图1 6 煤燃烧中重金属的转化路径 f i 9 1 6h e a v ym e t a lt r a n s f o r md u r i n gc o a l - c o m b u s t i o n s e n i o re ta 1 在1 m w 安装e s p 的a b b 燃烧器实验台用b l p i ( b e m e rt y p el o wp r e s s u r e i m p a c t o r ) 抽取美国燃煤电厂烟道飞灰，将微粒分为1 1 级收集，收集范围为0 0 1 2 5 9 m ， 并利用两组旋风冲击器，第一个c y c l o n ec u t o f f d i a m e t e r 为7 1 l r n ，第二个为2 1 m t ，装置于b l p i 之前，使收集微粒粒子范围降低为0 0 1 4 岬，研究结果显示燃烧温度对亚微米颗粒上微量 元素的成分如a s 、s e 具有显著的影响，显示这些元素在燃烧过程中具有较强的挥发性。 w ：s s e a m e se ta 1 【l o l 对1 7 m w 煤粉炉进行颗粒采样，并作原子活化分析认为：燃烧气化 及随后转化为亚微粒子是煤中s e 的重要气化机理，亚微米飞灰中的c d 、a s 在燃烧段为固 相；较大的超微米颗粒上半挥发性痕量金属的转化机理为金属蒸气在灰粒表面和孔隙内的异 相吸附反应，a s - c a ，s e - - c a , a n dc d - c a 化合物中挥发性元素浓度和c a 浓度的相关性表明了 这一点。 h o w c r 对k e n t u c k y 州的2 1 座燃煤电厂飞灰和底灰，依据燃料含硫量分为4 类分析其成 分，研究发现低硫煤烟道飞灰中总碳成分较高，高硫煤飞灰中c a 、m g 含量较高。比较飞灰 和底灰的成分，发现底灰中f e 、c o 、b a 、s r 、z n 、y b 等元素含量明显高于飞灰中含量1 1 1 。 6 国内赵承美等n 2 荆用电感耦合等离子体发射光谱法( i c p - a e s ) 测定不同粒径飞灰中s e 、 c d 、p b 、c r 和b e 的质量分数，利用原子荧光法( a f s ) 测定a s 的含量，表明随着飞灰粒 径的减小，重金属含量总体上表现出增加的趋势。a s 、s e 、c d 、p b 大部分富集粒径小于2 1 9 m 的颗粒上。刘桂建等m 1 分析了有害微量元素挥发性与燃烧温度、有害元素的赋存状态之阀 的关系，通过不同温度下煤的燃烧实验和微量元素挥发性计算，得出燃烧过程中有害微量元 素的挥发性受燃烧条件的制约，温度越高，则其挥发性越强；微量元素的挥发性与其在煤中 的存在状态有密切的关系，以有机质存在的有害微量元素，燃烧时结构分子已被破坏且易挥 发，以无机态结合的微量元素的挥发性较弱。 郭辛，郑楚光等1 4 1 从3 0 0 m w 燃煤电厂锅炉中进行煤、渣、飞灰取样后，测定了煤和燃 烧产物中砷的含量，研究了电除尘四个电场飞灰中砷含量与粒径的关系，对粒度不同的飞灰 使用逐级化学浸提法研究砷的形态分布，将飞灰分为水可浸出态、可交换态、碳酸盐一表面 氧化物结合态、铁锰结合态及残渣态，探讨了砷在飞灰中的迁移转化机理研究结果表明： 随着飞灰平均粒度降低( 取自增加的电场数) ，各种形态砷的浸出量增加；通过飞灰除尘装 置捕集的砷约为总砷量的5 1 8 ，计算得出从锅炉排除的烟气中砷占4 7 4 但该论文并没 有对烟气中气相中的砷进行直接测定，也没有对烟气中的超细颗粒直接采样和分析其中各种 形态砷含量，因此对燃煤产生超细颗粒物的形成机理和砷迁移转化机理研究不能提供直接、 深入、的试验数据。 自然界的很多自发过程如火山爆发、森林火灾会排放出多环芳烃，但是人类的工业化生 产活动是环境中多环芳烃( p a h s ) 的主要来源燃料的燃烧、冶金、石油冶炼、城市废弃 物焚烧过程、食物烹饪和家用燃料的燃烧是目前多环芳烃主要的污染源。