（环境工程专业论文）燃煤电厂环境污染物在线监测软件的开发研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文基于对燃煤电厂废气、废水主要污染物及灰渣的来源和其排放后造成的环 境影响的研究，针对主要超标污染物，系统地建立了各污染物质排放计算模型。废 气污染物模型基于传统的计算模型，进而通过物料衡算和煤质分析数据来建立;冲 灰水中污染物浓度计算模型结合国内燃煤电厂冲灰系统的现状，分别研究了干除尘 和湿除尘水力冲灰两种系统，宏观上考虑物料衡算，又适 当的考虑冲灰水中各组分 之间的主要化学作用而建立。 并以此计算模型为核心利用 v b 6. o 开发了 应用于燃煤 电厂污染物在线监测软件，对燃煤电厂的污染物监测和统计工作有重要的意义。 关键词:烬煤电厂，污染物，计算模型，在线监测 ab s tr act inth i s p aper ， a m o d e l fo r c al c u l at i n g c o nt e nt s o f th e m a 1 np o l i u t a n t s ine x b a us t g as 、 wast e w a t e r a n d a s h fromc o a l 一 fi r e d p o w e r p l a n t s w a 名 e s t a b l i s h e d . t 七 e p re d i ctio n o f p o l 1 u t a n t s ine x h aus t g as wasb a s c do ncon ventio nal c a l c u l atin gm o d e l s ， th e nth e m at e ri a l c o n s erv atio n th e o rya n d t hed a t a o f c o a l qual ity w ere u s e d t o b ul l d th e fo rmu l a fo r c al c u l at i n g th e e m i s s i o nso f t h e m ; a c c o rd i ng t o t b e s ta t u s o f a s h 一 fi u s hi n g s y st em i n dom e stic p o w e r p l ants ， 留 h . w a t e r intwod l f 免 r ent t y p e s ded ust ing s y s t e m s ， 1 . e .d ryand w e t d e d u st i n g h y d raul i c fl u s h i n g as h s y s t e m ， weredi s c u s s e d s e p a r a t e lyi n t hep re di c ti o u o fp o l l u t a n t sin a s h 一 w a t e r . n o t 0 n 1 yth em at e ri al c o nserv at in nfo rm ac r o s c o p i c ai c o n s i d e r at i o n ， b uta l s o s e v e ra l c hem i c aire acti o 郎th atpr o b abl y e x i t i na sh 一 w a t e r wer e to o k i ni o ac c o u n t . b as e d o n t h e s e th o u ght s ， w e b ro u g b t o utth e fo rmul a fo r e s ti m at i n g 由e c 0 n c e ntr at i on o f c o nt am i n a n t s i na s h 一 w a t e r . f i n al l ythe mo d e l as th ec o re and u s i n g v bp ro g r a m ， as o n w a r ew a d e v c l o p ed fo ro n l i ue m o ni to ri n gl h epol l ut a i 1 t sfrom c o a l 一 fi re d p o w e r p l an t s ， and w h i c h wil l m a k e gr e ats e n s e . h o u w 七 nj i a ( e n v i ro nme n ta l 幼g i n e e ri n g ) d i r e c t c d b yp r o f. 砚nl i anq i ng ke y wo r d s :c o . 1 一 n redp ow e rp l a n t s ，p o l l u t a n t s ，c a l c u l a t i n gmo d e l s ，o n l i . e 口o ni t o r .塑岁d口 厂目f 月 本人 郑重声明: 此处所提交的硕士 学位论 文 然煤电 厂环境污染物在线 监测软 件的 开发 研究 ， 是本人在华北电力大学 攻读 硕士学 位期间， 在导 师指导 下进行的 研究 工作 和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学 位或证书而使用过的材料。 与 我一同工作的同 志对本研究所做的 任何贡献均己 在论 文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件:学校可以 采用影印、缩印 或 其它复制手段复制并保存学位论文:学校可允 许学位论文被查阅 或借阅;学校 可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、 传播学位论文的 全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后 遵守 此规定 ) 作者签名: 日期 : 导师签名: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪 论 课题背景 电力工业是能源工业的重要组成部分，是推动人类文明及支撑社会经济发 展的 重要基础。据联合国能源统计资料，目 前世界总发电 量中，火电占65% 左右川 。燃 煤发电是我国主要的能源消耗， 2 0 05年， 全国发电 设备容量达到5 亿千瓦左右21 。 这 种长期依赖燃煤发电的能源结构造成了严重的环境污染，燃煤电厂产生的污染 物主 要有粉尘、 s o x 、和 n o x 等，分别占同 类物质总排放量的70%、 90%、 和70%3 。因 此，在我国电力工业清洁、高效地利用煤炭， 走电力增长与环境协调发展的 道路， 是保证国民经济可持续发展和保护环境最主要的课题。 与其他发电方式相比，由 于火力发电是我国的主要电 力生产方式，而且以 煤炭 消费为主，燃煤电厂污染物排放的总量大而且集中。因此，对环境所造成的污染与 破坏相当严重，主要有 ( 1) 大气污染:包括5 仇、n o x 和粉尘等;( 2) 水体污染: 包括冲灰水、 工业污水、 生活污水; ( 3) 固体废物: 包括粉煤灰、脱硫废渣等: ( 4) 噪声:( 5) 电磁辐射等。 这些污染不但损害人民 健康，而且也对电力工业经济的可 持 续发 展 和产 业 升 级产生 影 响 14 。 我国国家环境保护 “ 十五”计划中提出了 “ 加强燃煤电厂环境监督管理”的要 求。同时为了防治环境污染，改善环境质量，节约和综合利用资源、能源，提高国 家环境保护能力151 。我国 环保法律规定了排污收费制度，从而限制各种污染物的排 放量， 提高排污单位的环保意识。目前个别然煤电 厂为了响应国家环保政策，减少 污染排放和降低环境危害，开始对污染物的排放量进行在线监测或者是预测， 关 于燃煤电厂污染物的在线监测仪器主要是 c e ms( 烟气排放连续监测 c o llt i nuo us e 面s s i o n m o n it o d n s s y st em) ， 监测 大 气方 面的 污染 物: 5 0 2 、 n o x 、 烟 尘。 其 它 污 染物 的相关在线监测仪器，燃煤 电厂基本尚未安装，因此，电厂环境污染物的在线 监测系统显得尤为重要。只有安全可靠， 连续， 准确的在线监测系统， 才能及时反 映电厂的污染物是否超标，以便尽快解决。 燃煤电厂污染物排放的监测方法可用人工分析，也可用仪器在线测试。实践证 明，人工测试所需时间长，数据不能及时反映当时的排放情况，不太容易被人们所 接受。 而仪器在线监测虽然可以避免人工测试难以避免的问 题，但资金问题、设备 问题、 验收问题很难解决。目前环境保护已成为 我国最重要的问题，其中水资源问 题尤为重要。处理系统存在以下弊端: 1) 低 效率 的 数 据处 理 技术， 浪费 大 量的 人力 和 物力 。 2) 大量的人工操作处理，静态的数据输出，无法进行加工分析，难于进行现 华北电 力大学硕 士学位论文 状分析和趋势预测。 仪器的在线监测是 目前在线监测方法中比较认同和推广的方法，但许多污染物 质的在线监测仪器存在着弊端，本身价格昂贵而且维护费用高，组建监测系统成本 高，且寿命短，其测量结果与实际结果也有很大的误差。因 此，本文利用污染物计 算模型，开发在线监测软件，结合在线监测仪器对电厂的污染物排放进行监测。 1 . 2 课题的国内外研究现状 目 前，国内外对于污染物在线监测的研究有了一定的 进展，但是大多数都 倾向 于仪器的 在线监测， 通过总结出污染物的排放规律，从而建立计算模型，来实 现在 线监测 目的的不多。 污染源在线监测系统按其被监测对象主要分为大气和废水两大类，该系统是对 所排放的 污染物实施连续监测， 它的特点是实时监控和网络传输。我国从八十年代 中期就开始了污染源在线监测方面的研究和探索，但真正在全国范围内开展此项工 作则始于 “ 九五 ”期间，国家环保总局在全国选择了一些省、市作为试点，对污染 源在线监测进行 了管理和技术方面的有益探索。从全国来看，我国大部分省、市开 展在线 监测的水平不一， 水污染以规范排污口、安装污水流量计居多:大气以安装 烟尘在线监测居多。在所调查的城市中， 北京、上海等城市率先出台了 污染源在线 监测管理方面的措施与办法， 南方城市安装不同类型的c o d 在线监测设备的企业较 多，北方城市安装烟气在线监测设施的 较多，并开始实现联网。 在连续监测设备方 面，由于社会的需求和环境管理部门的需要，使国 外在线监测设备涌入我国，同时 国产监测设备的技术水平也在不断提高16 。 1 . 2 . 1 大气污染物在线监测的研究现状 锅炉燃烧所生成的污染物中， n o x 和5 0 2 对排放量较大， 会造成大量酸雨和臭 氧成破坏，目 前关于这两种污染物的计算模型，国内外都有一定的研究，确定 燃煤 电 厂5 0 2 的排放量通常采用实测法和经 验计算法，实测法是在一定时间内测定5 0 2 的排放浓度( c) 和烟气排放量( q ) ， 二参数之积为5 0 2 的排放量，二参数的测定是在设 备运转良 好的条件下测得;对于n o x 的 在线监测，在线监测仪有利用化学发光法、 红外吸收法、紫外吸收法和定电位电解法制成的，这些仪器不但本身价格昂贵而且 维护费用高，组建监测系统成本高，而且只能进行单参量测量， 而实际燃烧过程和 设备运转情况很难和测定时完全一致， 不能反映整个燃烧过程的排放情况，所以， 实测法与真实排放存在一定的偏差。而烟气排放连续监测系统 ( c e m s) 在国内外 的研究十分流行，它从技术上分为直接测量法、完全抽取法和稀释测量法，这三种 方法在西方发达国家都 行得通，但是到了国内，直接测量法、完全抽取法却遇到了 华北电力大学硕士学位论文 棘手的问题国内高尘、高湿的烟气7l . 经验计算法是另一种可以反映污染物排放量的方法，5 0 2 排放量的经验计算， 国内己 经有了比 较成熟并且被认可的计算模型，许多电力统计部门 都已采用。 n ox 的 排放量受众多因素的影响， 且机理复杂， 传统的 预测 n o x 排放质量浓度的方法是 建立在湍流模型、 气固两相流模型和n ox 生成机理基础上的， 这种方法虽预测结果 较为准确但计算原理复杂，计算量大，并且存在收敛性和稳定性问题，无法实现在 线监测。因此如果能够提出一个经验性或半 经验性公式能在可接受的误差范围内计 算出n o x 的 排放 质 量 浓度 将是 非 常有 价 值的 sl 。 fw an g 等人 通过 锅炉 炉 膛 燃 烧图 像 处 理 技术 结 合神 经网 络 建立n o x 排放 浓 度 预 测模 型 19 ; k an g li利用 灰 色 预 测理 论针对某一加o m w锅炉n o x 排放预测模型， 并 且可以 实现在线监测l0 1 . 利用计算 模型开发在线监测软件， 将会在电力领域得到广泛的且大规模的认可和应用。 但是 由于煤种、 锅炉型号以 及现场环境条件的差异， n o x 和5 o 2 生成的计算模型都有一 定的局限性。 关于痕量及微量元素的排放监测，国内在在线监测仪器方面研究的较少，相对 国外较落后，国外大多数研究致力于仪器的在线监测， 很少通过计算来确定污染物 的排放情况，但是仪器成本较高，并且 由于烟气的流动性 ，排放的痕量、微量有害 元素的质量或浓度较低，所以仪器检测比较困难，误差较大。 1 . 2 . 2 废水污染物在线监测的研究现状 由于水在燃煤电厂的生产过程中， 既担负着传递能量的作用， 同时又担负着冷却 介质的作用， 因此在发电过程中， 水处理占有重要的地位。所以，如何实现电厂排污 水的监督与自 动控制，提高燃煤电厂的经济效益和社会效益，成为当前然煤电厂急 需解决的重要课题。水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互 关系的数学描述， 它既是水环境科学研究的内 容之一， 又是水环境研究的重要工具。 它的 研究涉及到水环境科学的许多基本论问 题和水污染控制的许多实际问 题。它的 发展在很大程度上取决于污染物在水环境中的 迁移、转化和归宿研究的不断深入， 以 及数学手段在水环境研究中 应用程度的不断提高. 水质模型理论上从最初的质量 平衡原理发展到现在的随机理论、灰色理论和模糊理论。燃煤电 厂废水污染指标都 是通过实验室测得， 或者是考虑原水在电 厂使用过程中污染物的累积与张缩倍率， 而忽略其由 于物理化学、生物降解等作用而使污染物浓度降低等因素，预测污染物 排放 浓 度， 但误 差 较大 ， 难以 实 现 在线 监 测11 ， 2 。 目前， 关于嫩煤电厂冲灰水污染物排放预测研究 较少，大多数国内研究的是冲 灰 水 结垢问 题， 污染 物 排 放预 测的 研 究也 多 是 c az+、 5 认 2- 、 c 伪2- 等无 机阴 阳 离 子， 这些研究仅从物质静态溶出浓度、整个流程中 的不同分布考虑，根据物料衡算法计 算污染物的 排放浓度。国 外对冲灰水污染物排放研究侧重于仪器的在线监测方面. 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2 . 3 其它污染物排放监测的研究现状 关于灰渣排放量在线监测研究的很少，多数是根据燃烧理论研究的计算模型， 适合电 力统计工作。 国内外噪声在线监测技术的研究都是侧重于装置、 系统的研究， 利用传感技术、通讯技术和计算机及其网络技术有机结合而构成新型环境噪声监测 系统。目 前，电磁辐射的监测也是通过仪器的 监测实现。 1 . 3 本文的主要研究内容及意义 目前，大多数燃煤电厂在线监测系统属于初级阶段，本文通过对电厂大气污染 物和废水中的污染物在线监测系统的 研究， 掌握污染物的生成过程， 建立计算模型， 开发出系统具有监测和预测效果的管理软件，因此决定所要研究的几个方面: 1) 研究燃煤电厂大气污染物:烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、氟、 重金属的产生机理及影响因素，结合查阅资料，建立排放量的计算模型。 2) 研究燃煤电厂冲灰水水质特征， 选定主要的重金属污染物种类， 根据污染 物的产生过程及流程， 利用物料守恒规律，建立起排放的 计算模型。 3) 研究灰渣排放过程，建立计算模型。 4) 利用v b 语言编程，开发关于污染物排放量及浓度的 监测及预测软件。 本课题所开发的软件具有监测和预测效果，并且可以替代或结合燃煤电厂污染 物在线监测仪器，及时反映燃煤电厂污染物的排放情况，进行系统的管理、统计工 作有重大意义。 1 . 4 课题研究的理论依据 4 . 1 物料衡算理论 物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即 在一个孤立物系中， 不论物质发生任 何变化，它的质量始终不变。 物料衡算法根据质量守恒定律，任何一个化工生产过程都遵循式1 1 : 艺 f = 艺 d + a ( 1 一 1 ) 式中，艺f 一 输入物料质量的总和，k g e d ee 输出 物 料质 量的 总 和， 峪 a 一 积累在过程中的物料质量， k g 此式是物料衡算的 通式，可对总物料或其中某一组成列出 物料衡算式， 进行求 解。物料衡算是研究某一个体系内 进、出 物料量及组成的变化。 所谓体系就是物料 衡算的范围，它可以 根据实际需要人为地选定。体系可以是一个设备或几个设备， 华北电力大学硕士学位论文 也可以是一个单元操作或整个化工过程。 1 . 4 . 2 软测量理论 软测量: 也称软仪表技术， 就是依据易测得变量( 常称为辅助变量或二次变量) ， 依据这些易测过程变量与难以测量的待测过程变量之间的数学关系，通过各种数学 计算和估计方法从而实现对待侧过程变量的测量。 软测量模型的建立: 机理建模的方法:运用化学反应动力学、 物料平衡、能量平衡等原理通过对 过程对象的机理分析，找出不可测的主导变量与可测辅助变量之间的关系，从而实 现某一参数的软测量。 基于回归分析的软测量:传统的回归 分析方法是辨识建模的基本方法。 基于 最小二乘原理为基础的一元和多元线性回归技术已 相当完善，对于辅助变量较少的 情况，一般采用多元性回归中的逐步回归技术可获得较好的软测量模型。对于辅助 变量较多的情况，通常需要借助机理分析，首先获得模型各变量组合的大致框架， 然后采用逐步回归方法获得软测量模型。也可以 采用主元回归分析等方法，对原问 题进行降维处理，然后再进行回归113 。 1 . 4 . 3 划分所需参数 污染物排放量在线监测所需的参数，大致可分为2 种类型，一种是离线检测参 数或者是设计参数，它们都在一个时间段内可作为固定值输入:另一种就是实时的 在线检测数据，这些参数是实时变化的，而这种参数正是实现污染物排放量在线监 测的关键， 它们的 精确与否直接决定了热效率的可信程度1 141。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 燃煤电厂主要污染物及其危害 工业三废及废水废气废渣与噪声、电 磁辐射一起构成了 燃煤电 厂污染的主体。 他们对电厂及其周边的环境有较大的危害，是我国电 力工业可持续发展的一个鱼待 解决的问题。 21 燃煤电厂主要大气污染物及其危害 在火力发电厂的生产过程中，向 大气排放的污染物质有 100 余种， 其中影响较 大的主要污染物质为: 烟尘、 二氧化硫、氮氧化物、气态氟化物及重金属污染。 2 . 1 . 1 烟尘 烟尘是一种气溶胶状物质，它是以一些固体小颗粒或液体分散飘浮在气体之 中. 再生产过程中排放的烟尘，粒径大于 1 0 阿 时，因本身的重力作用，能迅速沉 降至地面，故称为 “ 落尘”，当粒径小于 1 。 呷 时，因能长期飘游在空中而作布朗 运动， 故称为 “ 飘尘” t l ， 1 。 燃煤电厂燃烧系统产生的飘尘的化学组成比 较复杂，其中 有镍、 锡、铬、被、 钒、铅、砷等的有毒化合物， 特别是致癌物质 3 、 4 一 苯并花、本花葱等，通过呼吸 道或皮肤进入人体，引起肺癌或皮肤癌。飘尘的危害程度与尘粒的大小及性质密切 相 关。 在各 种 飘尘中 ， 粒 径在0. 5 5 .0 脚 的飘 尘 对 人体的 危 害 最大115 ， 16 。 2 . 1 . 2 二氧化硫 二氧化硫又名亚硫酸醉， 物色不燃的有毒气体， 有强烈的辛辣、窒息性气味， 遇水会形成具有一定腐蚀作用的亚硫酸。若与空气中的n o z 发生光化学氧化反应， 会迅速转化为三氧化硫，进而与水汽结合形成腐蚀性和刺激性较强的硫酸。大气中 存在的5 0 :、 5 0 3和h z s 伍( 气) 等一般称为硫的氧化物， 它对人类及动植物都是极 为有害的。 二氧化硫的危害大致可分为两 个方面: 一是当5 o 3 与水汽、 烟尘等结合形成硫 酸雾剂硫酸盐后，对人体的危害很大，不仅可引起喉水肿与声带 痉挛而窒息，而且 能导致支气管炎、肺炎、和呼吸道麻痹， 甚至引起肺硬化而致死。二是当大气中的 硫的 氧化 物 形成 酸 雨或 雪 后会 对 工农 业 产 生如 下 不良 影响11 5 。 由于使用大量的煤炭， 我国二氧化硫的 排放量相当大， 而且呈逐年增加的趋势。 198 8 年全国 二氧化硫的总排放量约为 17 0 万t ，1995年我国二氧化硫的排放量已 达 2 3 41 万t 。 世界银行为我国作了简单的 计算， 每年必须投资6 0 亿美元才能把二氧化 硫的排放量稳定在现有的水平上。这样，可以 使农林业免受 2 4 0 亿美元的损失。因 华北电力大学硕士学位论文 此，我国二氧化硫的污染形势相当严峻117 1 。 二氧化硫排放量持续增加是我国的酸雨 污染日 趋严重， 1995 年酸雨污染仅给森林和农作物造成的直接经济损失已 达到 几百 亿元1 1 5 1 . 2 . 1 . 3 氮氧化物 燃烧过程中产生的n o排入大气候，逐渐与大气中的氧或臭氧结合生成n 伍。 在阳光 作用和一定条件下， n 仇和氧或臭氧反应生成 从0( 俗称笑气，其本身就是 一种毒气)。其一系列的反应是比较复杂的， 其含量始终处于变动之中。 大气中的 氮氧化物对人类及其生存的自 然环境有很大的影响，主要体现在对人类健康的影 响、农作物生长及全球大气环境的影响115 】 . 氮氧化物对人体健康的影响:各种污染物源排放的氮氧化物中，绝大部分是 n o ， 其中毒性不是很大， 不过n o在大气中可氧化为n 仇。 n 仇 比较稳定， 其毒性 为n o的4 5 倍.空气中n o z 含量3 .s x lo一( 体积分数)持续 lh，开始对人有影 响;含量为 ( 2 0 5 0) xl0 硒( 体积分数) 时， 对人眼有刺激作用;当含量达到 15 。 x l 。 硒 ( 体积 分数) 时 ， 对 人的 呼 吸器 官 则 有强 烈的 刺激 性。 n o z 参与 光 化学 烟 雾的 形成， 其毒性很强。 据研究， 光化学烟雾具有致癌作用。 在阳光作用下n z o与烃和 臭氧反应，生成烟雾和化合物分别带有刺激性、腐蚀性、能伤害人的眼睛并导致呼 吸系统的疾病。但是，最新的研究表明，一氧化氮参与人的心血管作用， “ 一氧化 氮是心血管系统中传播信号的分子”的研究获 1998 年诺贝 尔生物学及医学奖。 研 究表明， 某些细胞可以产生一氧化氮，这些一氧化氮从细胞中穿出后， 作用于其他 细胞， 并能控制其他细胞的行为。 以后， 科学家陆续发现一氧化氮在神经信号传递、 血压控制、血液流量控制和抵抗感染方面的重要作用，但在大气中的氮氧化物对人 体还是有危害的11 91 。 氮氧化物对森林和农作物生长的影响:大气中的氮氧化物对农业和林业的 损害 也是相当大的，可能引起农作物和森林树木枯黄，农作物产量将低、品质变差，随 着污染物质的扩散可危及广大地区。 n o x 形成酸雨的过程可能 有: 爪胜 + 口 月= 月 胃 矶( 2 一 1 ) 从几+ 从口峥2 1 侧q(2一) 一般认为酸雨对森林和作物生长的影响是破坏作物和树根系统的营养循环，酸 雾与臭氧结合会损害树木的细胞膜破坏光合作用，树木在生长季节结束后，由于酸 雾使数目 从大气中 接受的氮更多，从而降 低抗严寒和抗干早的能力。 氮氧化物对全球气候变化的影响: n z o和c 伍 一样， 会引起温室效应，从而使 地球气温上升，这样会造成全球气候异常，对人类带来灾难性的后果。同时，氧化 亚氮会导致臭氧层的破坏， 同温层中的臭氧对抓和氮特别敏感， 大气中的n z o很稳 华北电 力大学硕士 学位论文 定， 并足以到达同温层， 在光合作用下释放出 氮原子， 而氮原子会参与臭氧的循环， 破坏臭氧分子，导致臭氧层的减少，使较多的紫外线辐射到地面上。研究表明，皮 肤癌、免疫系统的抑制、鲍鱼、水肿和陆上生物系统地损害和聚合物的破坏均可能 与臭氧层的破坏有关1201 . 2 . 1 . 4 碳氧化物 c o和 c o z 是大气污染物中发生量最大的一类污染物， 主要来自 姗料嫩烧和机 动车排气。c o 是一种窒息气体，进入大气后，由于大气的扩散稀释和氧化作用， 一般不会造成危害。但在城市冬季采暖季节或交通繁忙的十字路口，当气象条件不 利于扩散稀释时，c o的浓度有可能达到危害人体健康的水平。 c o z 是无毒气体，但当其在大气中的浓度过高时，使氧气的含量相对减小，对 人便会产生不良影响。地球上浓度的增加，能产生 “ 温室效应”， 据监测，1 8 5 0 年 以 来， 人 类 活动 使大 气中c 伍浓 度由2 80 x l0 一 增 加到19 90年的3 54x l0 汤 一 百 多 年中，全球地面平均温度上升了 0 3 0 .6 ，地球上的冰川大部分后退，海平面上 升了102 0cm : 在今后的 10 0 年内， 大气温度将上升 1 . 5 3 .5 ， 这将导致干早的 发生和许多物种的消失，部分岛国 和沿海城市也会由于极地冰层融化而 被淹没121 。 2 . 1 . 5 氟化物 氟是煤中微量有害元素之一，煤在嫩烧时其中的氟化物将发生分解，大部分以 h f 、 si f 4 等气态污染物形式排入大气。 燃煤电厂燃用大量的煤， 而煤中含氟约为40 30o m g/kg ， 有的 竟 高达1 4 00m 眺9 。 煤燃 烧时 约 有 80 % 以 上的 氟 进 入 烟气中 ， 不 仅 严 重腐蚀锅炉和烟气净化设备 ，而且造成大气氟污染和生态环境的破坏 。若电厂采用 湿式除尘器，绝大部分氟将被水吸收而转入灰水中， 造成水体污染。 燃煤污染物中， 氟化物对动、植物的危害最为严重，h f 对人体的毒性是5 0 2 的20倍，对植物的毒性 是5 0 2 的 加10 0 倍，既 严重危害着人类健康，也给农牧业生产造成了重大的经济损 失。 研究表明，引起世界关注的温室效应与全球气候变暖问题、南极上空臭氧空洞 问 题、 酸雨问 题等， 也都与人为排放氟化物有关。1990年美国“ 清洁大气法修正案” (ca a a ) 将煤中16种微量元素列入189 种 “ 有害大气污染物” 之中，其中氟首当其 冲。19%年我国首次将氟化物列入11种大气环境质量监测有害污染物之列( g b3 0 9 5 一 1 9 9 6 ) ， 并 于1 9 9 7 年 颁布t 大气 污 染物 综 合 排放 标 准( o b 1 6 2 9 7 一 1 9 9 7 ) 122 1 . 2 . 1 . 6 重金属 煤中 含有许多痕量重金属元素，这些痕量元素在煤燃烧过程中会部分或全部挥 发成气态，挥发了的痕量元素蒸气在温度较低的炉膛尾部烟道通过一系列物理、化 学 变 化富 集 在 细微 粒子 表面 123 洲 1。 同时 细微 粒 子不 易 被除 尘器 所 捕获 而 直接 排 入大 华北电力大学硕士学位论文 气， 进入大气的痕量元素对人类健康和环境造成极大的危害，有关这些元素的排放 及控制已经成为燃烧污染防治中的一个新兴而前言的领域。目 前，有关痕量元素排 放的研究工作， 国内 外主要局限于痕量元素在煤中的物理分布和富集规律， 如痕 量元素在煤中的存在形态和在不同粒径的飞灰上的分布及富集规律等，而对排放总 量 和迁 移、 转 化规 律的 研究 却 鲜见 报道 125 1 。 美国 1 9 9 0 年 洁净 空 气法 修正 案 (c a a a ， 1 9 9 0 ) 中确定t1 8 9 种有害污染物，其中 包括1 6 种微量元素: a s 、b e 、c d 、c l 、c o 、 c r 、f 、h g 、 mn 、 n i 、 p 、 pb、s b 、 s e 、th和u ，燃煤是这些元素的主要和部分排 放源， 因此， 燃煤微量元素污染得到国内外的高度重视。 6 。 它们以 亚微米及颗粒形 式存在， 或形成气溶胶微粒， 或呈气状态， 或被吸附在富集在固体和液体颗粒中。 虽 然重金属元素在美中含量极微，常被称作 “ 痕量”物质，但当它们在大气中的浓度 超过一定之后，就会显示出 极大的毒性。它们长时间停留在大气中，不仅影响大气 可见度，而且是暴露在大气中的人群及其它生物受到污染的危害， 还会随着雨水污 染水源和土壤;此外，他们对大气中5 0 2 、 n ox等气体污染物的氧化有催化作用， 进而影响大气酸雨的形成 127 。 22燃煤电厂主要废水污染物其危害 燃煤电厂既是用水大户又是排水大户，燃煤电厂向水体排放工业废水是人为污 染源之一。燃煤电厂排放废水主要有冲灰 ( 渣)水、化学废水、油污水、煤场排水、 地面冲洗水、温排水 ( 清洁水)。在燃煤电厂的各类排水中，汽轮机凝汽器的直接 冷却排水 ( 循环水) 量最大， 可占全厂用水总量的90%以上， 但它一般不按废水处 理。属于废水的主要有厂区排水和灰场排水。厂区排水包括工业废水， 如厂区含油 废水、化学水处理排水、露天煤厂排水、锅炉化学清洗、停炉保护等临时性排水以 及生活废水。灰场排水则是冲灰、冲渣废水。 而冲灰水排放量大，回用率低，排放 的污染物种类繁多，且严重超标，对人类和社会造成严重的危害燃煤电厂中的废水 污染按照污染物的 不同主要有:酸碱污染、悬浮物污染、耗氧废弃物污染以 及冲灰 水中的痕量及微量元素污染。本文主要介绍冲灰水中 污染物污染情况。 2 . 2 . ， 酸碱污染 水中 氢 离 子浓 度 i h+ 可 表示 水的 酸 碱 性， 具 体 可用p h 值作为 指 标: p h 刃时 水 呈中 性， 当p h 7 时 水 呈碱 性。 p h值 越小 酸 性就 越强 ， p h 值 越大 碱 性则 越强 。 我国 污 水 排放 标 准规 定p h 值的 允 许排 放范 围为6 一 9 .0 。 燃 煤电 厂产生的酸碱污染主要是锅炉酸洗，化学除盐系统反洗以及灰水排放。 酸碱 污 染水 体 使水 体p h值 发生 变 化， 破 坏 水体 的 缓冲 作用， 消 灭 抑 制细 菌 及 微生物的生长，妨碍水体自 净，还可以 腐蚀桥梁、船舶、鱼具。另外，酸、碱废水 华北电 力大学硕士学位论文 进入水体也可与水体中的某些矿物质相互作用而产生某些盐类， 从p h值的角度看， 酸碱污染因中和而自 净了， 但产生的盐类又成了水体的污染物， 无机盐的增加能提 高水的 渗透压， 对淡水生物生长有不良 影响11 ” 。 2 . 2 . 2 冲灰水重金属 冲灰水的大量排放对人类环境造成严重的危害，燃煤电厂炉渣和除尘器收集的 飞灰一般都含有活性氧化钙(f c ao) 等碱性物质， 这是灰渣在水力输送过程中，由于 f c ao等 碱性 物 质的 溶出， 使冲灰 水 质 恶 化， p h 值升 高， c 护 十 浓度 增大 ， 同 时 含 有 重金属等污染物质， 其结果是由 灰场排出 冲灰水水质超出国 家规定的 污水综合排 放标准 ( g b 8 9 7 8 一%) 中最高允许排放限 值，这使冲灰水废水成为燃煤电 厂最大的 污染源，不但污染水体，而且电厂必须承担巨额排污和超标费用脚 】 。 目 前我国 燃煤电厂普遍采用水利冲灰，灰水与粉煤灰一起进入储灰场存放。由 于大部分会场属于半闭路循环或半开放式系统， 容易形成以 灰场为中心的地下水反 漏斗.同时灰水中的各种污染物随灰水下身进入地下水中， 对灰场周围地区的地下 水造成污染，污染物进入地下水后在水中迁移、扩散，也将对灰场所在地周围居民 的水源地水质安全造成威胁 。 冲灰水中的主要重金属的危害: 汞:当含汞水排入水体后，在厌气或好气环境中，因某些微生物 的作用，汞能 迅速转化为甲基汞进入食物链，经过逐级富集，汞的 浓度可提高千百万倍。人们通 过饮水和长期食用含高浓度甲基汞的食物，可发生由有机汞中毒引起的 “ 水俱病” 。 锡: 当 锅的 浓 度达0 .2 m 以 l ， 某 些 鱼 类死 亡， 若 人类 长期 饮 用含 锡的 水 与 食 物， 会导致慢性中毒，染上 “ 骨癌病”， 排放标准，0 . l m g 几. 铬:摄入量与人的体重比达到2. s m g 飞 9 时，可发生毒物性肾炎及尿毒症致死， 慢性中毒可出现中毒性肝炎。 砷: 可发生急性中 毒，但多是积累性的慢性中毒，长期饮用0 .2 m gl l以 上含砷 量的水则会慢性中毒。 铅:可对神经系统，造血系统与血管造成毒害并引起病变，发生神经炎、肾炎 等症状. 2 . 3 燃煤电厂灰渣污危害 火力发电厂产生的废渣主要为粉煤灰和炉渣，其数量十分巨大，其存放将会占 用大量空间， 电厂每年对灰场建设和修护投入大量资金。 而且若无有效的防护措施， 它还会对大气、水体和土壤造成损害， 甚至危害人体健康。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 大气污染物、灰渣的产生机理及其计算模型的建立 3 . 1 大气污染物计算模型的建立 燃煤电厂大气污染主要来自煤粉的燃烧过程。根据生物学、化学和地质学方面 的判断，煤是古代植物经过极其复杂的变化过程变来的，由某些结构极其复杂的化 合物组成的可燃混合物。 煤的燃烧之所以会产生大量的废气污染与其化学组成有着 直接的关系。 实测的燃煤电 厂烟尘、 二氧化硫和氮氧化物排放浓度， 必须执行g b 汀16巧7 规 定，燃煤 电厂按过量空气系数折算值 q=1 . 4 进行折算: c = c x ( a ， + a )( 3 一 1 ) 式 中， c 折 算后 的 燃煤电 厂锅 炉 烟尘、 二 氧化 硫 和氮 氧 化物 排放 浓度 ， m g/ m 3 ; c 实测 的 燃煤电 厂 锅炉 烟尘、 二 氧化 硫 和氮 氧 化 物排放 浓 度， m g/ 扩; q实测的过量空气系数: q 规定的过量空气折算系数。 本文所推导的 烟尘、二氧化硫、 氮氧化物的计算模型均是应用于在线监测软件 的开发，因此，所得出的计算结果正是反映了电厂污染物的 排放情况，从而同 样具 有烟气测试的功能。 燃煤 电厂燃料嫩烧产生的气体废弃物排放量的计算是在化学方程式与燃料元 素成分分析数据基础上进行的，且认为废气各组分之间不发生任何化学反应，并近 似地把废气视为理想气体的混合气，因而可按照理想气体方程和道尔顿分压定律计 算。由 于废气污染物的浓度计算是污染物的排放质量与千烟气总排放量的比 值，所 以 烟气量的计算模型对最终由计算得到的污染物的 浓度排放值十分重要。当 缺乏燃 料成分分析、 锅炉热工测试参数时， 可借鉴排放系数粗略估计气体污染物的 排放量。 由于锅炉类型、燃料品种、 运行操作等具体条件不同，部分排放系数值需要结合实 际 进 行 修正， 以 更 符合 实际 。 烟 气量 的 计算 公 式 129 1如 下: 煤粉 燃 烧所 需的 理 论空 气 量刁: 、= 、+ 际.866 压 止 斋 碧 生 ( 3 一 2) 吹 = 0.8 瓮 + 0.7 9 刁 刁= 0 .0 8 5 9 (心 + 0 3 7 5 几) + 0 2 6 5 凡 一 0 .0 3 3 3 凡 实际干烟气量的计算模型: 叹= 纵 + 叹+( a 一 1) 岭 ( 3 一 3 ) ( 3 一 4) ( 3 一 5 ) 华 韭 曳 力 全题些全望丝二一一一一一一一一一一一 几= b 叹( 3 一 6 ) 式中 ，刁 理 论空 气量， n 砂瓜 9 v dr 一 一 实际 千 烟气 量， n 耐勺: v : 每 小时实 际 干 烟气总 量， n 扩/ h ; b 锅炉燃煤消耗量， k g/ h ; 。 实测除尘器出口过量空气系数; c a r 一 - 一 - 燃料收到基碳份 ，%; s a r es 一 一 - 燃料收到基硫份，%; n a r es - 一 一 燃料收到基氮份，%; h a r es 一 - 燃料收到基氢份，%; 0 一燃料收到基氧份，% 。 3 . 1 . 1 烟尘的计算模型 3 . 1 . 1 . 1 烟尘的产生过程 锅炉排出的煤的嫩烧产物 由气体和固体两部分构成。固体部分则是被气体带出 的灰粒于未然尽的煤粒。烟尘可分为以 下几种: ( 1 ) 灰粒:大于76pm的粗颗粒，全部不能通过2 00 目的筛子; ( 2 ) 飞灰:1 7 6 协 m 的颗粒，全部能通过目 的筛子; ( 3 ) 黑烟:小于1 协 m 的颗粒，燃烧过程中未完全燃烧的碳粒子与烟良。 如果煤的可燃物质己百分百燃尽， 烟气中只含有粗细不等的 灰颗粒，烟囱 排烟 呈白 色， ;如果烟气中还含有细微的煤粒和烟良，特别是烟复， 烟囱 则冒黑烟。烟 良是煤的挥发物质在供氧不足是分解生成的碳、 氢、 氧化物， 粒径大多是0 . 0 2 0. 05 p m 范围内。 通常所讲的消除烟尘是指消除 烟囱 黑烟与减少排烟的含尘量。除尘对 象是粒径在0 . 1 一1 0 o 0 p m 范围内的烟尘。 一旦产生黑烟，通常的除尘技术很难消除 的，只有改善燃烧状况，特别是消除气体未完全燃烧， 才能防止黑烟l 5 。 3 . 1 . 1 . 2 烟尘计算模型的建立 燃煤电厂锅炉产生的烟尘主要是灰分，其颗粒十分细小，在废水呈悬浮状态。 而灰分是煤中所含的矿物杂质，主要是碳酸盐、 粘土矿物质及微量的稀土元素等， 在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生产的，一般呈固态。虽然燃煤电 厂产生 的烟尘污染都来自 煤中的矿物质燃烧产生的灰分，但灰份并不是全部都转化为烟尘 了，而且灰分的组成和质量与煤中 矿物质也并不完全相同，实际上还会受到燃烧温 度的影响，因 此，我们在物料衡算法并且考虑不完全燃烧热损失基础上对燃煤电 厂 烟尘排放量进行数学建模时引入了 一些经验参数，并结合了实验的方法利用了一些 煤化验的结果。下面是电厂烟尘排放量模型115 】 : 华北电力大学硕 士学位论文 、 = 命 ， (磊* + 、 ， xl 一 仇 ， 烟尘排放浓度的计算模型: g c。=吧 子 1 0v 几 折算浓度: 叮= 9 式中，g y 一一烟尘排放质量， k 乡 ib ; c y we 一烟 尘排 放 浓度， m 岁n 扩: cy 烟尘 排放 折 算 浓度， m 创 n 扩; q ar，n曰 ee 一燃 料的 收到 基 低电 位 发热 量， e j 瓜 9 : q4 锅炉固 体未完全燃烧热损失，% ; 3 2 7 8 4 纯炭的发热量，k g/ k g ; a a r - - 一 - 燃料的收到基灰分，%: 气飞 灰中 的 含 灰 量占 燃料 总 灰量的 份额 ; 仇 除尘器的除尘效率，%; 。 实测过量空 气系数: k 过量空气过量空气系数折算值，燃煤电 厂取1 . 4 : v 。 排放的干烟气总量，n 扩山， 见式3 一 6 . 其中a ar 、 q ar. ，来自 于 煤 质 分析， b 、 电 、玩 可 根据日 常 运 行数 据 给出， 根据电 厂的实际 运行情况给出，也可根据锅炉类型见表3 一 1 。 ( 3 一 7 ) ( 3 8 ) ( 3 一 9 ) 际可 仓-无 表3 一 1各类锅炉的飞灰含量占 燃料总灰量的份额 炉型 刁 丘 炉型而 手烧炉 链条炉 往复推饲炉 振动炉排 抛煤机炉 0 . 1 5 、 心. 2 5 0 . 1 5 0. 2 5 0 . 2 0 0 . 2 0 0 . 4 0 0 . 25 0. 4 0 沸腾炉 煤粉炉 天然气炉 油炉 0 . 4 0 阅 . 5 0 0 . 7 5 司 . 8 5 0 0 姗煤电 厂可利用上述公式，结合电厂实际 运行情况，将烟尘的折算浓度与国 标 进行比较，即可判断该电 厂烟尘是否超标。 华北电 力大学硕 士学位论文 3 . 1 . 2二氧化硫 ( 5 0 : ) 3 . 1 . 2 . 1 二氧化硫的产生及机理 煤中硫的形态和特性与煤中硫化物的形成有关。根据煤中存在的不同形态硫能 否在空气中燃烧，煤中硫可分为可燃硫和不可燃硫。有机硫、硫铁矿和单质硫都能 在空气中 燃烧，都是可燃硫。在煤炭燃烧过程中不可燃硫残留在煤灰中，所以 又叫 做固定硫。 含硫燃料燃烧火焰的特征是火焰呈蓝色，这种颜色由反应式形成，即: 50 + 0 斗s q( 3 一 1 0 ) 煤粉燃烧时，首先发生热解，析出挥发分，在此过程中，各种不同形态硫亦相 继析出。根据煤中硫化物键能的大小，可以推断不同类型的硫化物开始分解的温度 不同， 如有机硫分解温度为3 00 4 00， 黄铁矿硫为4 00 4 50， 唾吩硫为4 80 5 o 0 ， 硫酸盐硫在 1 10 。 以上130 】 。 当煤在加热速率为 1 0 00幻5 快速热解的条件下， 对无烟煤、烟煤等高阶煤而言， 温度低于 7 00时，析出的硫分很少;但对于煤阶 低的 褐煤等， 析出量则较多，其原因归结为煤中硫分的存在形态与煤阶的关系。低 煤阶煤中， 热不稳定的有机硫官能团较多，如脂肪族的硫醇 ( rsh )、硫醚 ( r s r )以及硫葱 ( rss r ) 。这些形态的有机硫，在相对低的温度下 ( 7 00一8 50) 析出。而芳香烃的硫醚和硫醇在约 9 00时 才会有较高的析出量，至于唾吩类，即 使在 950