（环境科学专业论文）大型燃煤电厂二氧化硫产排污系数的研究.pdf

南京信息工程人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e ss 0 2p r o d u c t i o na n de m i s s i o nf a c t o ri nc o a l f i r e du n i t sw h i c h s c a l ea r eg r e a t e rt h a no re q u a lt o2 0 0 m w t h r o u g ht h ed a t am e a s u r e da n dc o l l e c t e di n2 0 0 7 ， c o u n t i n gt h es o p r o d u c t i o na n de m i s s i o nf a c t o r f i r s t l yu s i n gt h et h e o r yo fs e n s i t i v i t ya n a l y s i s w i t hn nm o d e la n dp a r t i a lc o r r e l a t i o na n a l y s i so nt h es t u d yo fs 0 2p r o d u c t i o na n de m i s s i o n f a c t o r a n da n a l y z i n gt h ei m p a c to fu n i ts i z e ，c o n v e r s i o ns u l f u ri nc o a la n dp o w e rl o a dr a t e ， d i s c u s s i n gc o n s u m p t i o no fs t a n d a r dc o a lf o rp o w e rg e n e r a t i o na n dt h ec o n v e r s i o nr a t eo fc o a l ， c o n v e r s i o ns u l f u ri nc o a li st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r ，t h e ni st h eu n i ts i z ea n dt h ep o w e rl o a d r a t e s 0 2p r o d u c t i o nf a c t o ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fc o n v e r s i o ns u l f u ri nc o a l ；a n dr e d u c e s w i t ht h ei n c r e a s eo fu n i ts i z e ；t h ec o n v e r s i o nr a t eo fc o a lh a sl i t t l ee f f e c tt ot h es 0 2 p r o d u c t i o n f a c t o r a l s o ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec o n v e r s i o nr a t eo fc o a l r e s e a r c hs h o w st h a tt h el a r g e rt h e u n i ta n dt h ep o w e rl o a dr a t e ，t h eh i g h e rt h ec o n v e r s i o nr a t eo f c o a l g i v i n go u ta m e n d m e n td a t a o ft h ec o n v e r s i o nr a t eo fc o a l ，t h er e c o m m e n d a t i o no ft h ec o n v e r s i o nr a t eo fc o a li so 8 6 - 0 9 3 a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lo p e r a t i o no fc h i n a sc o a l - f i r e dp o w e rp l a n t s ，t h ep o w e rl o a dr a t ew i l lb e d i v i d e di n t ot h r e ei n t e r v a l s ：m o r et h a n9 0 ，7 0 9 0 a n d5 0 7 0 t h er e c o m m e n d a t i o 璐 o ft h ec o n v e r s i o nr a t eo fc o a li nt h r e ei n t e r v a l sa r ea sf o l l o w s ：6 0 0 m wu n i ts i z ew e r eo 9 2 o 9 1 a n d0 9 0 ；3 0 0 m wu n i ts i z ew e r e0 9 2 ，0 91 a n do 8 8 ；2 0 0 m ww e r eo 9 0 0 8 8a n d0 8 6 ； i0 0 0 m wu n i ts i z ei s0 9 3i nt h ei n t e r v a lo fm o r et h a n9 0 o f p o w e rl o a dr a t e t h er e s u l t so ft h i ss t u d yh a v ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e ，a n dp r o v i d eab a s i sd a t af o r e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：s u l f u rd i o x i d e ，p r o d u c t i o na n de m i s s i o nf a c t o r 。c o a l f i r e d 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 名：垃 日期：丝剑 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。又冬 作者签名：杏世 日期：狸q 仝正2 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 进入2 1 世纪，我国电力快速发展。从2 0 0 0 年到2 0 0 7 年，我国电力平均年增1 2 8 ， 比我国5 0 多年来电力平均增长速度高1 1 个百分点左右。其中2 0 0 6 年、2 0 0 7 年两年平均 增速1 4 5 ，2 0 0 7 年达1 5 6 的新高峰。2 0 0 7 年我国火电厂装机容量为5 5 4 亿k w ，约占 全国总容量的7 7 7 3 ；发电量为2 6 9 8 0 亿k w h ，把我国电力增长推向本周期的顶峰，到 达了拐点。但是我国总体用电水平仍然不高，2 0 0 7 年我国人均用电量只有2 4 7 0k w h ，不 到世界平均水平的7 5 ，只有日本的1 4 或美国的1 7 ；人均生活用电只有2 7 1k w h ，生 活用电只占总电量的1 1 ，仍处于较低的水平。中国电力还要随着经济社会的发展而不断 发展，人均生活用电还将有一个大的提高，我国的电力还将有大的发展，并可能会保持相 当长时间。 2 0 0 2 年 - 2 0 0 7 年我国火电行业装机容量、发电量均呈不断增长的趋势。近6 年火电装 机容量变化见表1 1 。 表1 1 近6 年火电装机容量变化情况 电力行业是国民经济和社会发展的物质基础，同时也是一次能源一煤炭消耗和环境 污染控制的重点行业。我国电力生产以火电为主，全国发电量中火电的比例达8 0 左右， 而煤电约占火力发电量的9 5 。2 0 0 5 年，中国电力生产总量为2 4 7 4 7 亿k w h ，其中火 力发电为2 0 1 8 0 亿k w h ，所占比重达8 1 5 ：燃煤发电占绝对主导地位，电力工业消耗 煤炭约ll 亿吨，占中国煤炭产量2 1 9 亿吨的5 0 以上。预计2 0 1 0 年和2 0 2 0 年燃煤发 电机组容量将分别增加到5 5 亿k w 和6 6 亿k w ，发电用煤将分别达到1 3 4 亿屯和1 7 3 亿吨引。 南京信息工程大学硕士学位论文 大量的煤炭燃烧带来了严重的环境问题，使燃煤电厂成为我国主要的工业污染源。 我国二氧化硫排放量与煤消耗量有密切关系，全国燃煤电厂排放的二氧化硫占工业 排放量的5 6 ，随着燃煤量的增加，燃煤排放的二氧化硫也将不断增长。2 0 0 5 年我国二 氧化硫排放总量高达2 5 4 9 万吨，居世界第一，比2 0 0 0 年增加了2 7 。预测到2 0 1 0 年 和2 0 2 0 年，我国二氧化硫产生量将分别达到3 5 0 0 万吨和4 3 5 0 多万吨，其中电力行业二 氧化硫产生量将分别达到2 3 0 0 万吨和3 0 0 0 万吨幢1 。 燃煤电厂产生的大气污染物对周围地区的空气环境质量造成影响，其中的二氧化硫 在一定条件下可形成酸雨。二氧化硫和酸沉降污染已经对我国的自然资源、生态系统、 材料、能见度和公众健康构成了威胁，严重影响社会经济发展和人民群众的正常生活。 如果燃煤电厂排放的大气污染物得不到有效控制，将直接影响到我国大气环境质量的改 善和电力行业的可持续发展。因此，削减和控制燃煤电厂二氧化硫污染，是我国能源和 环境保护部门面临的严峻挑战巾1 。 为全面落实科学发展观，切实加强环境监督管理，提高科学决策水平，实现国民经 济和社会发展第十一个五年规划纲要确定的主要污染物排放总量减少1 0 的目标，国务 院决定从2 0 0 8 年1 月1 日始开展第一次全国污染源普查。产排污系数是全国污染源普查工 作的核心内容之一，也是决定普查成果科学性、有效性的关键所在。 1 2 产排污系数及其在电力行业的应用 1 2 1 产排污系数的介绍哺1 1 2 1 1 概念 ( 1 ) 产污系数：即污染物产生系数，是指在典型工况生产条件下，生产单位产品( 使 用单位原料) 所产生的污染物量。 ( 2 ) 排污系数：即污染物排放系数，是指在典型工况生产条件下，生产单位产品( 使 用单位原料) 所产生的污染物量经污染治理设施削减或直接排放到环境中的污染物量， 后者的量值与产污系数相同。 产排污系数包括原始产排污系数和综合产排污系数。原始产排污系数是指单个企业 在典型工况生产条件下，通过实测或物料衡算或调查得到的单位产品所产生或排放的原 始污染物量。综合产排污系数是在原始产排污系数的基础上根据机组规模或煤质等情况 加以分类统计所得的产排污系数，以此来了解某种发电规模或煤质水平的整体情况。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 在本次调研中的情况详见第五章中二氧化硫产排污系数的计算。 1 2 1 2 作用 产排污系数在综合考虑影响行业污染物产生和排放量的各种因素，包括产品、工艺、 规模、原材料，以及末端治理技术设备等不同因素组合的基础上，结合大量数据，基本 上反映了相应行业污染物产生和排放客观规律，可作为环境管理的重要基础数据，提高 我国的环境管理和环境决策水平。 产排污系数科学、定量地描述了企业在单元活动中的排污量，是环境科学中最基础 的参数之一，它代表的是一种测定、调查和统计结果的平均量。企业可以直接利用产排 污系数测算污染物的产生量和排放量，对大量缺乏检测能力的中小企业提供了便利，同 时节约了检测资金。产排污系数适用于区域性或行业性环境规划中计算行业污染物产生 总量或排放总量，或者估算其预测值。 1 2 2 产排污系数在电力行业的应用 产排污系数应用在电力行业上即表现为发电绩效标准( g e n e r a t i o np e r f o r m a n c e s t a n d a r d ，g p s ) 。在美国，发电厂的排放标准传统上是以每单位燃料热值所产生的排放量 来衡量的。但是，这种不统一的以燃料投入为依据的标准已经产生了一些预想不到的负 面影响：促进了一些高排放低效率工厂的建立，鼓励了一些效率低下工厂的继续运营， 造成污染防治的困难。为控制大气环境污染，提高环境空气质量，促进电力行业的可持 续发展，美国对电厂大气污染物排放标准提出了一项新举措发电绩效标准( g p s ) ， 它的含义是以火电厂单位发电量所排放的污染物作为基准的污染物排放标准，通常以 g k w h 或l b k w h 的形式表示。这就是基于产排污系数而制定的更加合理有效的标准。 发电绩效标准( g p s ) 根据单位发电量所排放的污染物数量制定，由于发电量对电 厂来说是一种产出，所以也称基于产出的绩效标准。与热值标准相比，发电绩效标准只 是规定单位电量的排放值，没有规定电厂使用的燃料和采用何种技术，有利于促进电厂 提高发电效率，促进清洁能源使用和从环境角度为电厂提供相对公平的竞争环境。 1 2 2 1 国外的应用情况“1 6 卜n 2 1 ( 1 ) 美国 g p s 即发电绩效标准( g e n e r a t i o np e r f o r m a n c es t a n d a r d ，g p s ) ，也叫排放绩效标准 ( e m i s s i o np e r f o r m a n c es t a n d a r d ，e p s ) ，起源于美国麻萨诸塞州。1 9 9 6 年底，美国v e r m o n t 公众服务委员会在报告中推荐使用以电力产出为依据的排放绩效标准。同样的观点也出 3 南京信息工程大学硕士学位论文 现在州电力重组法案的提案中。同时，美国环境保护局也开始探索用基于产出的排放绩 效标准来控制污染物的排放。到1 9 9 7 年，在州电力重组动议的背景下，美国东北部各州 环境和电力监管机构，环保主义者和其他利益相关者一起讨论发电绩效标准的潜在作用。 1 9 9 7 年末，麻省立法通过了包括发电绩效标准的电力重组法修正案。1 9 9 8 年4 月康 涅狄格( c o n n e c t i c u t ) 州立法通过了一项提倡建立发电绩效标准的议案。同年，新泽西 州在它的重组法案中通过了发电绩效标准的修正案。 1 9 9 9 年的清洁能源法案要求通过统一的以产出为基础的排放绩效标准，对所有的矿 物燃料电厂实行全国范围内的污染物排放控制。 根据美国环保局制定的关于污染物排放总量控制计划要求，马萨诸塞州于1 9 9 9 年 1 1 月制定了一项降低n o x 排放的新举措，即n o x 配额交易计划。作为联邦计划的一部 分，其目的是限制计划区域内n o x 的排放。 美国s 0 2 排污权交易计划成功的实施，进一步鼓励了政策制定者用市场方法来解决 美国区域性空气质量问题。继酸雨计划之后，又推出了n o x 的预算项目。通过与美国环 保局合作，在光化学烟雾影响严重的州，以s 0 2 排污权交易计划为模式，设立了n o x 排 污权交易计划。本计划的实施，使1 9 9 9 年和2 0 0 0 年期间n o x 排放减少了2 4 万吨。 ( 2 ) 瑞典 瑞典能源行业的n o x 收费是利用绩效方法促进清洁能源发展的一个范例。瑞典从 1 9 9 2 年开始实施n o x 收费，征收的排污费按企业生产有用能源比例返还给缴纳排污费 的企业。该制度对削减n o x 排放和提高能源效益方面产生刺激，单位能源生产排放n o x 低的工厂能够获得效益，排放量较高的工厂将是净支出。这种按生产有效能源返还排污 费的方式收到了很好的效果，使n o x 从2 0 世纪8 0 年代末的2 5 万吨减少到1 9 9 2 年的 1 5 万吨。瑞典的n o x 收费虽然与发电绩效标准在形式上有所不同，但它们都是基于产 出的有效能源来控制污染物排放量，基本原理都是相同的。 1 2 2 。2 国内的研究与应用 我国一些学者从1 9 8 0 年代开始，就对电力行业污染物排放系数进行了研究。 姚彤等人n 副在1 9 8 0 年4 月份起，在火电厂燃煤锅炉上进行了十次二氧化硫排放系 数的测定工作，并初步整理出煤粉炉和旋风炉在正常燃烧工况下，燃用不同煤种时， s 0 2 排放系数的选取方法和选用范围，提出了s 0 2 排放量的简便计算公式。在他们的研 究中，对锅炉s 0 2 排放系数的定义是：锅炉排烟中s 0 2 含量，( 折算成相应的硫量) 与 4 南京信息工程大学硕士学位论文 燃料带进锅炉的总硫量之比值。徐正中引通过煤中硫在燃烧过程中排放率的实验研究， 得出硫排放率与飞灰中钙、镁、铝、铁含量的加权值有很好的相关性，建立了燃煤硫 排放系数与灰中碱性物含量的关系式及图表。邝俊侠，龙涛等人u 副以广州市为研究对 象，得出一套适用于各种燃料及不同燃烧方式的排放系数。另外有不少关于利用排放 绩效方法控制s 0 2 和n o x 污染的研究n 们吖2 5 1 ， 并通过一定的经济手段来实现排放绩效 标准的应用。 1 9 9 2 年，在国家环保局和电力工业部科技司的指导下，电力部南京电力环保研究所 的朱林，姚彤等人，与有关单位联合，在两年的时间内完成了“电力工业污染源控制研 究”的课题，通过研究燃煤电厂生产工艺对环境的影响评价和对污染及治理现状的调查， 得到了燃煤电厂主要污染物产排污系数，并对污染治理技术进行了筛选评价。 我国在修订火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 训时，根据引入了g p s 的相关理念，来控制火电厂的污染物排放他0 1 。g p s 在美国得到了成功的应用，目前，国 内许多学者正在研究如何将g p s 应用于中国的环境管理体制幢1 。目前，利用排放绩效机 制控制电力s 0 2 排放主要在浙江、江苏、山东和山西进行了试点。这些地区主要利用排 放绩效方法评估电力s 0 2 排放绩效现状、利用排放绩效分配电力s 0 2 排放量以及制定电 力行业s 0 2 排放绩效标准等。这些试点为全国电力行业实施排放绩效机制积累了经验。 1 2 3 电力行业产排污系数研究的重要性 为了有利于加强对火电厂和整个电力行业的污染控制和鼓励清洁能源的开发、使用， 电力行业需要建立起与其污染控制相适应的控制机制。 目前对于电厂，有三种排放标准浓度标准、热值标准和发电绩效标准。 浓度标准是根据现有的最佳实用技术制定的标准，以此来鼓励发电企业淘汰落后生产 工艺，使用现有的最佳技术。但是一般情况下i 以技术为基础的标准不利予鼓励技术进步， 这是因为该标准不能产生不断的动力来刺激企业采取更好的技术；同时浓度标准与总量控 制的联系不紧密，即使所有的电厂都达到技术标准，但有可能出现排放总量超过总量控制 目标的情况。 热值标准根据电厂发电所耗煤的热值来制定污染物排放标准，也称为以投入为基础的 排放标准。但该标准未能考虑电厂的能源使用效率和排污强度，不利于促进电厂采用先进 技术及设备米提高发电效率，并会引起资源浪费。 发电绩效标准根据单位发电量所排放的污染物数量制定，由于发电量对于电厂来说是 5 南京信息工程火学硕上学位论文 一种产出，所以也称之为基于产出的绩效标准。与热值标准相比较，发电绩效标准只是规 定单位电量的排放值，没有要求电厂使用何种燃料和采用何种技术，因此有利于促进电厂 提高发电效率，促进清洁能源使用，并从环境角度为电厂提供相对公平的竞争环境比1 。 与以往标准相比，发电绩效标准最大的特点为： ( 1 ) 有利于促进电厂采用清洁能源发电、改进技术、提高机组效率。g p s 是以单位发 电量所排放的污染物为基准，以产出为依据，要求电厂将单位电力产出的污染物排放强度 降到最小，从而明显的提高效率而不考虑燃料的使用、电厂的建设年限和建设地点等方面 的因素，迫使一些工艺落后、污染严重的企业进行技术改造，鼓励电厂采用新型清洁设备， 这对步入竞争市场的电力工业是非常重要的。 ( 2 ) 从浓度控制到总量控制。g p s 弥补了以燃料输入为依据的高排放、低效率电厂运 行的不足，超越了环境目标总量控制和环境容量总量控制的概念，从而实现了改善环境质 量和发展绿色电力经济的双赢目标，使电力行业的环境管理迈上了一个新的台阶。 ( 3 ) 从命令控制到市场控制，创造了一个公平竞争的平台。由发电绩效标准形成的 s 0 2 排污许可证交易( 详见第五章) 是一项有效地市场手段，它授予二氧化硫排污单位一 定数量的二氧化硫许可权。大型企业通常可以削减比环保要求更多的s 0 2 排放量，而将剩 余配额或存储用于新建项目或在市场出售；需削减s 0 2 排放量的企业，可不采取昂贵的削 减措施而购买其他企业剩余配额以达到控制目的，从而以较低的社会总成本事先规划的控 制目标1 。 1 2 4 二氧化硫产排污系数研究的意义 二氧化硫是燃煤电厂排放的主要大气污染物，全面、准确地掌握其排放量，了解其 污染程度，是制定排放标准，以及监督标准执行情况所必不可少的环节，也是进而采取 治理措施所必需的一项基础工作。 当前，在全国各电厂普遍开展实测排烟中二氧化硫的工作，还受到一定客观条件的 限制。因此，测定出一系列锅炉的s 0 2 产排污系数，用物料平衡的方法，由燃料消耗量 和燃料的全硫含量及挥发分含量，来计算s 0 2 的排放量是有现实意义的。特别是对新建 燃煤电厂前期工作中估算污染物排放量，预断环境影响，具有一定的使用价值n 3 1 。 本次调研所研究的基于单位发电量的燃煤电厂s 0 2 产排污系数，可以作为衡量一个 国家燃煤发电工艺水平高低的标准。生产同样的电能，产排污系数越低，说明燃煤发电 的有效利用率和末端治理技术水平越高。根据此系数，可以掌握我国大型燃煤电厂s 0 2 6 南京信息工程大学硕士学位论文 的整体排放情况，有利于了解污染物排放现状并进行趋势预测，对国家制定s 0 2 排放绩 效标准( g p s ) 和总量控制目标提供基础数据和技术支持。作为企业来讲，可以直接根据 生产条件和产排污系数计算s 0 2 的排放量。 1 3 本文研究目的、路线及主要内容 1 3 1 研究目的 目前我国燃煤电厂通过燃用低硫煤、采用脱硫装置等措施，已经取得了很好的二氧化 硫排放控制效果，但形势还是非常严峻的。国家要想有计划的控n - - - 氧化硫排放量，确定 未来的总量控制目标，必须了解当前我国二氧化硫排放现状，无论是对电力行业还是其他 二氧化硫排污企业。对所有的污染源进行在线监测或实际检测显然是不切实际，耗资严重 且工作量太大。但是每个企业或行业的产品量是容易统计的，因此最科学便捷的了解污染 物排放情况的方法就是掌握生产单位产品所排放的污染物，即制定出不同污染源的产排污 系数，这样就便于通过简单的计算了解某个企业或行业产生及排放的污染物情况。 这样就需要针对各行业制定出一系列的产排污系数，为此第一次全国污染源普查中， 开展了包括电力行业在内的各个行业的“污染源产排污系数核算项目”。 近年来我国火电建设普遍采取了大力发展高参数、大容量机组，改造和关停1 0 0 m w 及以下规模的小火电机组的战略措施，主要采用单机容量2 0 0 m w 以上的高参数、高效率、 调峰性能好的机组，促进更大范围的资源优化配置。鉴于这种发展趋势，本次调研针对 2 0 0 m w 以上的大型燃煤电厂二氧化硫产排污系数进行研究。 1 3 2 研究路线 作者于2 0 0 7 年7 月起，参与了中国环境科学研究院“第一次全国污染源普查工业 污染源产排污系数核算项目”中的“火力发电行业产排污系数核算课题”以及相关的后续 研究工作。该课题是国家为了全面落实科学发展观，切实加强环境监督管理，提高科学决 策水平，实现国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要确定的主要污染物排放总量 减少1 0 的目标，国务院决定从2 0 0 8 年1 月1 日始开展第一次全国污染源普查。 本文的研究路线见图1 1 。首先在了解了该项的目的和要求，并学习掌握火力发电工艺 流程、产污环节及污染物排放情况之后，确定了本文的研究方向和内容，将研究对象定位 为大型燃煤电厂二氧化硫产排污系数。为了使本文数据更能反应最新的情况，作者决定只 采用2 0 0 7 年现场实测数据和调查数据，因此选取了一些具有代表性的电厂机组作为实测或 7 南京信息工程大学硕士学位论文 调查对象。经过大量基础知识的学习和现场检测培训，和项目组人员一起到选定的电厂进 行现场检测或收集数据资料。然后对所收集资料进行校核验证，符合规律的数据直接采用， 不符合的数据需要重新收集或舍弃。本次调研收集数据共1 2 2 组，其中实测机组数5 9 组， 调查6 3 组；经验证校核之后舍弃l l 组，实际采用1 0 9 组，包括实测的5 8 组和调查数据 5 1 组。在数据验证的过程中，发现一个普遍的现象，通过分析解决了该问题。最后对所有 可用数据进行计算与分析，得出二氧化硫产排污系数结果，并讨论了某些因素对结果的影 响。 图1 - 1 本文研究技术路线 分析 1 3 3 主要研究内容 本文针对2 0 0 m w 以上的大型燃煤电厂s 0 2 产排污系数进行研究，通过现场实测和收 8 南京信息工程大学硕士学位论文 集调查的数据资料，探讨s 0 2 产排污系数，并分析各因素对其的影响，同时研究了发电标 准煤耗以及煤中硫的转化率k 的取值。 9 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章燃煤发电工艺及二氧化硫的产生与排放 2 1 燃煤发电工艺流程 我国火电机组绝大多数为燃煤发电机组。燃煤发电机组的原料为煤，产品是电，主要 由锅炉、汽机、发电机以及有关辅助设备、配电装置等组成。燃料在锅炉中燃烧放热，将 给水加热成蒸汽，蒸汽在汽轮机内膨胀使热能转换为转子转动的机械能，再通过发电机转 换成电能，再由配电装置分配传给用户或输入地区电力网。汽轮机排汽进入凝汽器被冷凝 成水，又凝结水泵经低压加热器送入除氧器，再经给水泵通过高压加热器送回锅炉，借以 实现连续不断地生产电能。根据汽轮机的型式，汽轮机发电厂又可分为凝汽式电厂和热电 厂两类。前者只向用户供给电能，进入汽轮机的蒸汽基本上都排入凝汽器凝结；后者除供 给电能外还利用汽轮机排汽或中间级抽汽向用户供热。后一生产方式也称热电联产。 与污染物产生、排放直接相关的是燃烧系统。燃烧系统由输煤、磨煤、粗细分离、排 粉、给粉、锅炉、除尘、脱硫等组成。煤是由皮带输送机从煤场，通过电磁铁、碎煤机然 后送到煤仓间的煤斗内，再经过给煤机进入磨煤机进行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器 来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉( 不合格的煤粉送回磨煤机) ， 经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧，将煤的化学能转换成 热能。烟气经过除尘设备除尘后，再送至脱硫装置脱硫，最后经过末端治理的烟气经引风 机送到烟囱排入大气。炉渣和除下来的煤灰可外运供综合利用，剩余部分可通过多种方式 输送至灰场心羽。 燃煤发电厂生产工艺流程见图2 1 。 l o 否螺桐h钆州臻罨翟鲻蝼繁 ：匾 钗窄掣孙二i二匿扑k踺h面妲慢惺 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 燃煤二氧化硫的产生 煤中硫按其燃烧特性，分成可燃硫及不可燃硫。可燃硫主要为黄铁矿硫、有机硫，它 在锅炉中燃烧，主要产生s 0 2 ，并伴有少量s 0 3 形成。可燃硫通常占煤中全硫含量高达9 0 ， 它是造成电力生产危害的主要有害物；煤中不可燃硫主要为硫酸盐硫，它一般赋存于粉煤 灰及炉渣中幢引。 ( 1 ) 煤中硫的形态 煤中硫含量变化范围很大。我国煤中含硫量为o 2 8 0 ，其中含硫量超过2 0 的 高硫煤约占2 0 。我国南方尤其是西南地区的煤含硫量很高。按煤中硫存在形态通常分为 无机硫和有机硫两大类：无机硫的主要存在形态是黄铁矿硫( f e s 2 ) ，颗粒尺寸较小，在煤 中通常呈独立相弥散分布，此外煤中还存在少量其他形态的无机硫，如硫酸盐硫、白铁矿 ( f e s ) 、闪锌矿( z n s ) 、黄铜矿( c u f e s 2 ) 及元素硫：有机硫主要有硫茂( 噻吩) ，约占有 机硫的6 0 ，它是煤中最普遍的含硫有机物，其余的有机硫有硫醇类r - s h ( r 表示碳氢基) 、 硫醚类r - s r 、硫蒽类等。全硫含量在0 5 以下的煤，多数以有机硫为主，主要来自原始 植物中的蛋白质。全硫含量大于2 0 的高硫煤，绝大多数情况下硫的赋存形态都以无机硫 为主，而且绝大部分以黄铁矿硫形态存在，也有少数以白铁矿硫形态存在。根据分析，低 硫煤中主要是有机硫，约为无机硫的8 倍；高硫煤中主要为无机硫，约为有机硫的3 倍。 一般i 隋况下，煤中硫大约有6 0 7 0 为硫铁矿，3 0 4 0 属有机硫，只有少数特殊高硫 煤中的硫是以有机硫为主。 ( 2 ) 原煤硫化合物燃烧过程中的分解 煤燃烧主要包括干燥脱水、热解脱挥发分、挥发分和焦炭燃烧等步骤。无论是无机硫 还是有机硫的氧化反应，均为气固多相反应，其反应步骤如下：气流中的氧气通过颗粒 表面的气膜向颗粒扩散；氧和固相颗粒进行气固表面反应；反应生成的s 0 2 通过气膜 向气流扩散。煤燃烧过程中硫的分解及形态变化主要与温度有关，此外燃烧气氛及添加剂 也有定影响。根据煤中硫化物键能的大小，可以推知不同类型的硫化物开始分解的温度 不同。如脂肪硫分解温度为3 0 0 - 4 0 0 ，黄铁矿硫为4 0 0 一- 4 5 0 c ，噻吩硫为4 8 0 5 0 0 ， 硫酸盐硫在1 1 0 0 * c 以上。在温度较低的情况下，脂肪硫由于热不稳定的有机硫官能团较多， 如硫醇、硫醚等，因此较易分解，而热稳定性较高的含芳香烃的有机硫如噻吩等分解温度 要高。另外普遍认为，低温时有机硫比黄铁矿硫析出困难，因为煤的燃烧及各种硫化合物 的分解是同时进行的，过程较复杂，会相互影响。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 煤燃烧过程中影响硫化合物分解析出的因素 在高氧气浓度下，由于氧气充分，大量煤颗粒可以在同一时间内与足够的氧气接触反 应，所以燃烧比较剧烈。因此在氧气充分的情况下硫的析出速度加快，以s 0 2 的形式析出。 在低氧气浓度下，由于氧气相对缺乏，仅有部分煤颗粒与氧气接触，降低了燃烧程度。虽 然温度的升高能够加速反应的进行，但是因为氧气不足，使得燃烧反应仍较平缓，燃烧反 应的时间也因此延长。在这种还原气氛下，原煤中的硫绝大部分会以h 2 s 形式析出，此外 还有少量的c o s 、c s 2 等，这些气体遇空气后会被氧化成s 0 2 。钙基材料的加入不仅可以 在煤燃烧过程中起到固硫的作用，还可以促进煤燃烧过程中s 0 2 的释放乜4 1 。 2 3 燃煤电厂二氧化硫控制技术 燃煤电厂锅炉在燃烧时产生大量的二氧化硫。控制二氧化硫的技术基本可分为三大类： 燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫膪副。 ( 1 ) 燃烧前脱硫 燃烧前脱硫就是在煤燃烧前脱出一部分硫。主要有以下方法： 物理法燃前脱硫的物理方法主要有摇床法、重介质法、旋流器法、浮选法和高梯 度磁选法。物理法一般只能脱除煤粒表面的无机硫，其脱硫效果通常仅能脱除煤中含硫量 的2 0 - - - 4 0 。 化学法燃烧前脱硫的化学方法主要是氧化法，可脱除大部分无机硫和相当多的有 机硫。但该方法成本高，反应条件严格，一般仅用于对煤质要求很高的一些领域。 ( 2 ) 燃烧中脱硫 在火力发电行业大机组中，目前普遍采用的脱硫方法为燃烧中脱硫及燃烧后脱硫。在 煤燃烧过程中加入石灰石或白云粉作脱硫剂，c a c 0 3 、m g c 0 3 受热分解生成c a o 、m g o ， 与烟气中s 0 2 反应生成硫酸盐，随灰分排出。 在我国，采用煤燃烧过程脱硫的技术主要有两种：一是型煤固硫；二是循环流化床燃 烧脱硫技术。 型煤固硫 其原理为：将不同的原料经筛分后按一定的比例配煤，粉碎后同经过预处理的粘结剂 和固硫剂混合，经机械设备挤压成型及干燥，即可得到具有一定强度和形状的成品工业固 硫型煤。 该方法适用于工业炉窑。 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 循环流化床燃烧脱硫技术 循环流化床锅炉( c f b c ) 是利用高温除尘器使飞出的物料又返回炉膛内循环利用的流 化燃烧方式。在多物料循环流化床中将石灰石等廉价的原料与煤粉碎成同样的细度。与煤 在炉中同时燃烧，在8 0 0 - - - 9 0 0 c 时，石灰石受热分解出c 0 2 ，形成多孔的c a o ，与s 0 2 反应生成硫酸盐，到达脱硫目的。主要的脱硫剂为石灰石和白云石，石灰石更为普遍。循 环流化床燃烧技术在火力发电行业中有所应用，最大规模的循环流化床技术已应用于 3 0 0 m w 机组中。 ( 3 ) 燃烧后脱硫啪1 燃煤后脱硫( f g d ) 即烟气脱硫，是指通过使用物理的或化学的方法，将煤炭燃烧后 所产生的烟气中的二氧化硫转化成固体或液体，使其从排放的烟气中分离出来，从而达到 脱硫的目的。燃煤后脱硫( f g d ) 是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫技术，世界 各国开发的烟气脱硫技术达2 0 0 多种，但商业应用的不超过2 0 种。 烟气脱硫目前仍被视为控制燃煤烟气二氧化硫污染的主要手段，一般可分为干法、半 干半湿法及湿法等。 干法 干法烟气脱硫，一般是指用粉状或粒状吸收剂、吸附剂或催化剂，在干燥状态下吸收、 吸附通过烟气中的二氧化硫，并在干燥状态下使脱硫产物再生或处理，从而达到脱硫目的 的方法。 干法烟气脱硫后的排烟温度较高，有利于烟气扩散。但其反应速度较慢，脱硫效率不 如湿法高。且设备庞大，建设费用高，动力消耗大。 干法烟气脱硫在工业上应用的有活性氧化锰吸收法及活性碳吸附法等。值得重视的是 新技术的不断开发和应用，如日本于1 9 7 0 年代开发的氨电子束照射法等，为干法烟气脱硫 开辟了新的应用前景。 半干半湿法 所谓半干半湿法兼有干法和湿法的一些特点。有脱硫剂在干燥状态下脱硫，在潮湿状 态下再生利用的；也有在湿状态下脱硫，在干燥状态下处理脱硫产物的。 湿法烟气脱硫 湿法烟气脱硫是采用容易与二氧化硫进行反应的化合物，溶解于水形成悬浊液，作为 吸收剂来洗涤去除烟气中的二氧化硫。脱硫吸收和脱硫副产物的再生、处理均是在湿状态 下进行。 1 4 南京信息工程大学碗十学位论文 2 4 燃煤电厂二氧化硫的排放及控制现状 2 0 0 2 年以来，火电行业通过实行燃用低硫煤、关停小火电机组和烟气脱硫等措施，对 火电行业二氧化硫排艘的控制取得了突破性进展。到2 0 0 6 年底，火电行业烟气脱硫机组的 装机容量已超过l5 亿k w ，约占全国燃煤机组装机容量的3 3 0 。2 0 0 i 2 0 0 7 年全国火电 机组装机容量及s 0 2 排放情况见表2 - 1 。 表2 l2 0 0 卜2 0 0 7 年全国及火电二氧化硫捧放情况 全国二氧化冀排放量 j 9 4 7 819 2 6 62 1 5 872 2 5 4 92 5 4 9 32 5 8 882 4 6 8 1 ( 万吨) 火电i ：篙i 箬占全 ”an s”，。m “ 一 ：s “十五”期间，国家出台了一系列法规和政策，促进了燃煤电厂二氧化硫减排。通过 荧停小火电机组、换烧低硫煤、节能降耗和推进烟气脱硫等综舍措施二氧化硫排放量控 制取得重要进展。但是，国家“十五”期间环境保护计划指标并没有全部实现，二氧化硫 排放量由2 0 0 0 年的1 9 9 5 万吨增加到2 0 0 5 年的2 5 4 9 万吨，增加了2 78 ，来能完成削减 1 0 的控制目标。火电二氧化硫排放仍是全国二氧化硫排放的主要来源，如图2 - 2 所示。 圈2 _ 22 0 0 12 0 0 7 年全国及火屯二氧化硫捌放盘 南京信息工程大学硕上学位论文 进入“十一五”以来，火电厂烟气脱硫设施建设及投运速度明显加快，电力二氧化硫 排放量的增长势头得到有效遏制。2 0 0 6 年，全国新增7 0 0 0 多万k w 的脱硫装机容量，超 过前十年投运的脱硫机组装机容量的总和，脱硫装机容量达到1 2 亿多k w ，占全国煤电总 装机容量的比例由2 0 0 0 年的2 上升到2 0 0 6 年的3 0 以上，形成了5 0 0 多万吨的削减能 力诬7 1 。2 0 0 7 年底，我国火电厂烟气脱硫装机容量超过2 7 亿k w ，约占火电装机总容量的 5 0 。2 0 0 8 年底，我国火电厂烟气脱硫装机容量超过3 7 9 亿k w ，约占煤电装机总容量的 6 6 。 由图2 3 可见，2 0 0 1 、一2 0 0 7 年，在全国火电总装机容量增加了1 2 倍的情况下，电力 二氧化硫排放量仅增加了0 6 倍，说明脱硫工作还是很有成效的，但同时形势也是严峻的。 电力s 0 2 控制是一项涉及法规、政策、经济、技术等方面极其复杂的系统工程，需用综合 性的措施进行解决昭引。 l ! ! 盔皇垫塑鳖垫查篓! 丛生三墨些堕堡垫重j 图2 - 32 0 0 1 - 2 0 0 7 年我国火电机组装机容量及火电二氧化硫排放量 1 6 訾 r v 嘲 挺 蜷 撂 基 旃 | i 脚 孓 0 0 0 o 0 0 0 o o 0 0 o 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 6 5 4 3 2 1喀巾rv嘲饰墨禁哥葚印孓 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章数据的现场实测、调查及验证校核 3 1 数据获取途径及原则 在了解项目的总体要求并确定了本文研究方向之后，有针对地选择了一些具有代表性 的电厂燃煤机组，对其进行现场实测或者收集调查数据作为项目的数据资料来源。其中燃 煤机组的选择原则包括：要涉及到各种规模的机组，且在条件允许的情况下，每种规模机 组的数量相当；机组的地域覆盖性要广，使数据具有普遍性。 随后到各选定的电厂进行现场实测或调查来进行数据资料的收集，并对所有数据进行 验证校核。为了使数据更加能反映近年我国火电行业二氧化硫的产排情况，以及针对本文 的研究内容，只采用了2 0 0 7 年对2 0 0 m w 及以上机组固态排渣煤粉炉的相关数据作为研究 对象。 数据获取原则：与s 0 2 的产生排放量相关的燃煤量，煤种，煤质分析，机组运行负荷， 脱硫措施，脱硫装置进出口s 0 2 的浓度、烟气流量、烟气含氧量、含湿量、温度、大气压 等数据必须齐全。对所有机组的资料填表( 附录中表2 ) ，便于最后的统计计算。所收集的 数据基本上为小时平均值，同时，数据处理二氧化硫浓度及烟气量均为标干、6 氧含量状 态下的数据，以便统标准进行运算比较，其中，检测出来的二氧化硫浓度为标准状态下 的数据，将其折算成6 氧含量的折算公式为： 一c 赐击 式中：c 触折算后6 氧含量的二氧化硫浓度，m g m 3 ； c s o s 折算前二氧化硫的浓度，m g m 3 ； x 0 姻气中氧的体积百分数，即含氧量，； 烟气量数据折算成标准状态干烟气的流量，折算公式为： 瓯= q 罴镒( 1 以) 式中：瓯标准状态下干烟气流量，1 3 1 ； 曰。大气压力，p a ； 1 7 南京信息工程大学硕士学位论文 p 悃气静压，p a ； t 烟气温度，： 以。烟气中水分含量体积百分比，。 3 2 现场实测过程 为了便于测试，本次调研采用的是车载仪器所需检测仪器都是安装在车内的，测试 时将检测车( 见图3 - 1 ) 开到发电机组脱硫装置附近，便于对脱硫前后烟道内的烟气进行检 测。选好检测点并开设采样孔之后，用连接到检测仪器上的采样管在采样点取样，在机组 发电负荷基本稳定的条件下，- - + 时内每黼1 0 分钟进行一次检测同时记录数据，检测完成 后取平均值作为小时平均值。关于现场检测的图片见附录中附图3 。 32 1 检测条件及布点 罔3 - i 检测车 32 ll 检测条件 ( 1 ) 检测期间，锅炉负荷稳定在要求负荷左右，最大波动幅度不超过5 。 ( 2 ) 检测期间，燃烧煤种、煤质基本不变、燃料配比不变。 ( 3 ) 检测期间，锅炉没有投油枪助燃、没有吹灰和打焦。 ( 4 ) 检测期间，高压供电系统、以及低压控制系统基本正常运行。 ( 5 ) 检测期间气力输灰系统运行可靠。 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 6 ) 性能检测开始前对c e m s 的s 0 2 分析仪、0 2 分析仪、温度计、烟气流量计、浊度仪 等仪表进行标定。 3 2 1 2 检测布点 根据电厂实际情况和固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法 ( g b t 1 6 1 5 7 1 9 9 6 ) 啪1 的规定执行： 为安全起见，采样位置应避开对测试人员操作有危险的场所。采样位置优先选择在垂 直管段，避开烟道弯头和断面急剧变化的部位。采样位置设置在距弯头、阀门、变径管下 游方向不小于6 倍直径，和距这些部件上游方向不小于3 倍直径处。对矩形烟道，其当量 直径d = 2 a b ( a + b ) ，式中a 、b 为边长。 在选定的测定位置上开设采样孔，其内径不小于4 0 m m ，管长不大于5 0 r a m ，使用完毕 后用盖板、管堵或管塞封闭。采样孔位置及测定点位置如图2 2 所示。 样孔 ( a ) 圆形烟道检测点及采样孔位置 ( b ) 正方形烟道检测点及采样孔位置( c ) 矩形烟道检测点及采样孔位置 图3 - 2 烟道检测点及采样孔位置图示 ( 1 ) 圆形烟道：将烟道分成适当数量的等面积同心环，各测点选在各环等面积中心线 上呈垂直和相交的两条直径线的交点上。采样点的数量视