循环流化床中塑料粉与生物质共燃排放NO_实验研究.pdf

分类号工簋幽 至 U D C 密级 Y 7 8 6 3 0 0 学校代码 1 0 5 6 1 学号i 厄五丽函而 华南理工大学硕士学位论文 循环流化床中塑料粉与生物质共燃 排放N O x 实验研究 董志强 指导教师 马晓茜教授 华南理工大学电力学院 申请学位级别 工学硕士专业名称 工程热物理 论文提交日期 2 0 0 5 0 5论文答辩只期 学位授予单位和日期 华南理工大学 答辩委员A 主席 蔡烟蠡童j 论文评阅人 壑埴立 鼬塑蛊虽 型垒呈 副垫撞 摘要 包括煤在内的各种化石燃料在燃烧过程中会产生大量的污染物 如粉尘 S 0 2 N O x C O 等 这些污染物会对生态环境造成很大的危害 虽然人们对燃烧过程中污染 物的生成与控制做了大量的研究工作 但是由于燃烧过程的复杂性 至今仍有大量的 实际燃烧问题尚未得到解决 因此 加强燃烧过程的理论与实验研究始终具有十分重 要的意义 本文重点研究N O x 的排放规律 首先对燃烧过程中N O x 的生成机理以及低N O x 燃烧技术进行了全面的综述 然后简要介绍了国内外在N O x 生成特性以及低N O x 燃烧 技术方面所做的工作 由于目前使用循环流化床 C F B 燃烧固体废弃物来减少各种污染气体的排放技术 已经成为国内外研究的一个热点 因此本文介绍了循环流化床这一新兴的燃烧技术 在与其他的锅炉燃烧技术进行了对比后 得出了一些循环流化床燃烧技术在燃烧固体 废弃物以及降低大气污染物排放方面所特有的优势 最后 在循环流化床中进行了聚乙烯分别和稻壳 木粉混合燃烧以降低N O x 排放 的实验研究 主要考察了炉内温度 过量空气系数 混合比例对燃料型N O x 排放的影 响 得到了以下一些有意义的结果 在进行单组分物料的燃烧时 在a 相同的情况下 N O 的生成量基本是随着温度的 升高而缓慢增加的 在温度相同的情况下 N O 的生成量是随着a 的增加而减少的 从 流化速度的角度来看 随着流化速度的增大 在温度相同的情况下 N O 的生成量也有 所增加 而相对于N O 来说 N 0 2 的排放量在N O x 中所占的比例很小 并且 随着温 度和a 的降低而迅速降低直至为零 当进行混合物料燃烧时 在a 相同的情况下 其N O x 包括N O N 0 2 的排放规 律和这些物料单独燃烧时是一样的 但N O 的生成量与单独燃烧相比有了不同程度的 下降 并且N 0 2 的生成量取决于物料混合的比例 虽然也有一定程度的减少 但幅度 不是很明显 主要取决于混合物中N 含量的多少 在a 不同的情况下 塑料粉与稻壳混合燃烧 其N O 的排放基本上是按照生物质 在燃烧时的掺混比例由大到小排列的 而塑料粉与木粉混合燃烧时排放规律恰好相 反 随着木粉在混合物中所占比例的增加 N O 的排放量反而减少 各种物料中N 元 素含量的不同以及转化率的不同是造成这些现象的主要原因 由于时间 人力 物力以及研究手段的限制 虽然在固体废弃物共燃方面进行了 大量的实验研究 但是还有一些问题需要进一步的探索 因此 在本文的最后 作者 华南理工大学硕士学位论文 提出了如加强物料细度 炉内停留时间等其他因素的影响研究 对炉内的燃烧过程进 行数值模拟等进一步工作的建议 关键词 循环流化床 共燃 N O 固体废弃物 I I A b s t r a c t A b s t r a c t P o l l u t a n t sf r o mc o m b u s t i o no ff o s s i lf u e ls u c ha sc o a la r eam a j o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s i n c et h e yh a v eb e e ns h o w nt Oc o n t r i b u t et ot h ef o r m a t i o no fa c i da n ds o m ed i s e a s e s A1 0 to f r e s e a r c h e so nt h ec o n t r o lo fn i t r o g e no x i d e sh a sb e e nd o n e h o w e v e r S Of a rm a n yr e a lf l a m e s s t i l lc a n n o tb ed e s c r i b e da n dc a l c u l a t e dp r e c i s e l yb e c a u s eo ft h ec o m p l e xi n t e r a c t i o nb e t w e e n r e a c t i o n d i f f u s i o na n dv o l u m ee x p a n s i o no c c u r r i n gi nc o m b u s t i o n F o rt h i sr e a s o n i ti s a l w a y si m p o r t a n tt od e v e l o pt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sf o rt h ec o m b u s t i o n I nt h i sp a p e r o u rr e s e a r c hi se m p h a s i z e do nt h er e l e a s eo fN O x A tf i r s t w ei n t r o d u c e d t h em e c h a n i s mo f N O xf o r m a t i o ni nc o m b u s t i o na n dt h e1 0 WN O xc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y t h ei n t e m a t i o n a ir e s e a r c hs i t u a t i o n so fl o wN O xb u r n e ra r ea l s oi n t r o d u c e db r i e f l y B e c a u s et h ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fc y c l ef l u i db e d C F B w h i c hi su s e ds o l i dw a s t e m a t e r i a l c a nr e d u c et h ee m i s s i o no fa i rp o l l u t a n t i th a sb e c o m et h er e s e a r c hp o i n ti nt h e w o r l d W ei n t r o d u c e di t a n dt h e na f t e rc o m p a r e dw i t ho t h e rk i n d so fb o i l e r w ec a nd r a wa c o n c l u s i o nt h a tt h et e c h n o l o g yo fc o m b u s t i o ni nC F Bh a ss o m ea d v a n t a g e s s u c ha sr e d u c e t h ee m i s s i o no fa i rp o l l u t a n ta n db u r n i n gS o m ek i n d so fs o l i dw a s t em a t e r i a l A tl a s t w ei n c i n e r a t e dP E r i c eh u l l w o o dm e a la n dt h e i rm i x t u r ei nC F Bi no r d e rt o r e d u c et h ee m i s s i o no fN O x W ep u te m p h a s i so nt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ei nf u r n a c e e X C e S Sa i rc o e f f i c i e n ta n dp r o p o r t i o no fm i x t u r et ot h ee m i s s i o no ff u e lN O x a n dt h e ng o t s o m ec o n c l u s i o n W h e nw eb u r n e dP Eo rr i c eh u l lo rw o o dm e a lr e s p e c t i v e l yi nC F B i nt h es a m e w e f o u n dt h a tt h ee m i s s i o no fN Ow a si n c r e a s e ds l o w l ya l o n gw i t ht h er i s eo ft e m p e r a t u r e I nt h e s a m et e m p e r a t u r e t h ee m i s s i o no fN Ow a sr e d u c e da l o n gw i t ht h er i s eo f i ff l u i ds p e e d w a si n c r e a s e d t h ee m i s s i o no fN Ow a si n c r e a s e dt o oi nt h es a m et e m p e r a t u r e C o m p a r e dw i t h t h ee m i s s i o no fN O t h ep r o p o r t i o no fN O zi nN O xi sv e r ys m a l l a n di tg o tz e r oq u i c k l ya l o n g w i t ht h er e d u c i n go ft e m p e r a t u r ea n d W h e nw eb u r n e dt h em i x t u r eo fP Ea n dr i c eh u l lo rw o o dm e a l i nt h es a m en t h e e m i s s i o no fN O x i n c l u d i n gN Oa n dN O z w a st h es a m et ot h e yb u r n e dr e s p e c t i v e l y b u tt h e e m i s s i o no fN Oi sr e d u c e dm o r eo rl e s sc o m p a r e dw i t hf r o n t a lr e s u l t a n dt h ee m i s s i o no fN 0 2 w a sd e p e n d e do nt h ep r o p o r t i o no fm i x t u r e t h ed e c r e a s ew a sv e r yf e w I nd i f f e r e n t w h e nw eb u r n e dt h em i x t u r eo fP Ea n dr i c eh u l l t h ee m i s s i o no fN O w a sd e p e n d e do nt h ep r o p o r t i o no fr i c eh u l li nm i x t u r e m o r er i c eh u l l m o r eN O O nt h e c o n t r a r y w h e nw eb u r n e dt h em i x t u r eo fP Ea n dw o o dm e a l m o r ew o o dm e a l l e s sN O T h e I l l 华南理丁大学硕士学位论文 r e a s o ni st h a td i f f e r e n tm a t e r i a lh a sd i f f e r e n tNa n dt h er a t eo fc o n v e r s i o ni sa l s od i f f e r e n t w h e nc o m b u s t i o n B e c a u s et h el i m i to ft i m e e x p e r i m e n t a lf a c u l t ya n dr e s e a r c ht e c h n i q u e A l t h o u g hw ed i d m a n ye x p e r i m e n ti nC F B i no r d e rt Or e s e a r c hG O c o m b u s t i o nb e t w e e ns o l i dw a s t em a t e r i a l s t h e r ea r eal o to fq u e s t i o n sn e e dt Oe x p l o r ef u r t h e r S oi nt h el a s to ft h i sp a p e r w et o o ks o m e a d v i c e st ot h ep e o p l ew h oh a v ei n t e r e s ti ni t F o re x a m p l e w ec a nd os o m er e s e a r c ha b o u t f i n e n e s so fm a t e r i a l s s t a n d i n gt i m ei nf u r n a c et ot e s tt h e i ri n f l u e n c eo ft h ee m i s s i o no fN O x a n dw ec a nt a k en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m b u s t i o ni nC F Bo nc o m p u t e r K e yw o r d s c y c l ef l u i db e d C F B C O c o m b u s t i o n N O x s o l i dw a s t em a t e r i a l s I V 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 奎志强日期 2 谚年6 1 月多曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密口 请在以上相应方框内打 4 作者签名 董志镯 导师签名 主鼢 日期 勘多年6 月 日 日期 p 年6 月r 日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 我国的能源问题 第一章绪论 我国改革开放2 0 多年 随着经济快速发展和人民生活水平的稳步提高 能源消费 也不断增加 在过去的2 0 多年里 能源消费翻了一番 已达到约1 5 亿吨标准煤 现 成为仅次于美国的世界第二能源消费大国 1 根据国家的发展战略 未来2 0 年里经济 仍然要保持年均7 2 的快速增长率 人民生活水平进一步提高达到小康 这意味着能 源供应将要先行快速增长 大量能源消耗引起的环境问题也越显突出 我国已成为仅 次于美国的世界第二大温室气体C 0 2 排放国 能源供应与能源消费引起的环境问题将 严重影响社会发展的可持续性 我国的能源问题特点主要有以下几点 1 能源消费总量大 人均能源消费水平低 能源供应相对不足 次级能源是联系初级能源和能源用户的中间纽带 目前主要的次级能源是电能和 液体燃料 因此 可以从电力能源和液体燃料 主要来自石油 来了解我国的能源消费状 况 为保证电力供应 我国持续增加电厂开工建设 然而即使这样我国的电力供应仍 然不能消费需求 2 0 0 3 年中国总体上电力供应缺口超过1 0 0 0 0 M W 预计2 0 0 4 年中国 电力供需缺口在2 0 0 0 0 M W 以上I 1 另外 随着经济高速发展 中国对石油的进口依 赖程度从1 9 9 5 年的7 6 增加到3 2 1 2 0 0 3 年中国石油产量增速放慢 而原油进口量 和消费量则大幅上涨 截至2 0 0 3 年年底 分别同比增长3 1 2 9 和1 1 5 2 目前我国 石油的对外依存度已经超过三分之一 1 预计到2 0 2 0 年 石油的对外依存度可能接近 6 0 一方面是消费总量的持续快速增加 另一方面是国内能源资源的相对贫乏和供 应不足 同时 由于巨大的人口基数 我国人均能源消费水平远低于世界平均水平 这种供需的矛盾将持续地成为制约经济发展的 瓶颈 必须充分地增加能源总量供 应 2 各地区能源生产和消费水平不平衡 农村和偏远地区能源结构有待调整 华南理二L 人学硕士学位论文 我国能源生产和消费存在严重的地域分布不均 西部和北部地区拥有8 0 的能源 资源 而东部和南部地区的能源消费占6 0 t 西气东输 北煤南运的格局给运输带来 巨大的压力 降低了能源利用的安全性和费效比 因此 在能源资源匮乏地区合理开 发可利用能源 如可再生能源或核能 是有必要的 既可减小生产和消费的不平衡 又增加能源的总量供应 我国农村和偏远地区由于经济和技术的落后 仍然大量使用 低质燃料 如秸秆 薪柴和煤炭 2 0 0 0 年三者在农村的消耗比例分别为3 5 2 2 和 3 1 这种状况既不利于提高农村人口的生活水平 也造成较为严重的生态破坏 因 此 在农村和偏远地区因地制宜地开发利用生物质能 太阳能等可再生能源是解决农 村能源问题的有效途径 3 以煤为主的能源结构不利于经济与环境的可持续发展 由于对环境的日益关注 发达国家的初级能源中煤炭比例逐渐降低 而且化石能 源的消费经历 固体燃料一液体燃料一气体燃料 的转化 O E C D 经合组织 国家的油 气消费比例在6 0 以上 而我国的能源消费却仍然以煤炭为主 1 9 9 9 年世界初级能源 消费构成是煤炭2 5 9 石油3 8 6 天然气2 2 9 水电2 5 核电7 5 而同期 我国则为煤炭6 8 0 石油2 3 2 天然气2 2 水电和核电共占6 6 1 这种以煤 为主的低质能源结构带来一系列的问题 空气污染严重 温室气体C 0 2 排放量大 居 民呼吸道和皮肤等疾病发病率增加 煤炭燃烧排放的S 0 2 和N O x 导致了全国3 0 4 0 面积的酸雨污染 间接的经济损失巨大 所以 如果考虑环境生态效益 以煤炭 为主的能源结构发展成本巨大 据估计 我国每年由于大气污染造成的经济损失高达 9 5 0 亿美元 即使煤的气化和液化等洁净煤技术得以开发推广 其经济性也难以与油气 匹敌 可以说 以煤为主的能源结构使得我国社会 经济和环境的可持续发展能力大 大降低 4 能源安全问题 我国的能源安全问题实际上是能源供需矛盾 尤其是除煤以外优质能源供需矛盾的 延伸 石油短缺是能源安全中最为突出的方面 目前我国的石油产量增长缓慢 而需 求增加迅速 国内供应严重不足 1 3 的石油供应来自进口 而且进口量的4 1 5 来自中 东 受地区局势不稳定及运输安全的影晌 石油安全堪忧 能源安全系数是与对外依 存度成反比 与本国的自给能力和军事外交能力成正比 我国的石油对外依存度在未 来的2 0 年将增加到2 3 自给能力逐渐降低 同时军事外交能力很难在短时间内有较 大的提高 难以对国际石油资源进行有力的争夺 并充分保护海外石油供应链 石油 安全问题十分严峻嘲 5 能源利用效率低 在能源相对不足的情况下 我国的能源利用效率却很低 浪费十分严重 目前全 国平均能源利用效率约为3 2 比发达国家低近1 0 考虑开采 运输和加工后 能 源系统的总效率不足1 0 大量的能源在各个环节浪费了 另外 我国是世界上单位 2 第一章绪论 G D P 能耗最高的国家之一 1 U S D G D P 产出的能耗是所有发展中国家平均水平的2 倍 世界平均水平的3 倍多 O E C D t 9 1 国家平均水平的4 5 倍 日本的9 5 倍 这一一方 面说明我国的能源效率急需提高 另一方面也表明我国在节能方面有很大的潜力可以 发掘 对于以上存在的能源问题 国家已经明确提出要制定能源发展战略 此战略不仅 要尽快解决当前的能源问题 还要为未来的能源发展指明方向 对此战略的讨论已逐 渐形成共识 其内容应包括三个方面 l 能源发展战略的目标是要实现能源 经济与环境协调的可持续发展 这就要求 能源供应应该是长期稳定和充足的 并且能源利用具有良好的环境友好性 2 能源发展应遵循节能与优质能源及新能源开发并重的原则 开源节流是解决能 源问题的两个方面 缺一不可 3 市场机制是解决能源问题的必要手段 能源问题的解决既要依赖于能源相关技 术 更要依赖于良好的政策与市场环境 充分利用市场推动能源领域内的投入和技术 进步 针对当前面临的能源问题和未来的能源发展趋势 我国提出了在一定时期内能源 问题的解决仍将以化石能源为中心 从中长期来看 新能源 可再生能源和核能将是 能源发展的重点的措施 这个过程是长期的 它体现了能源将摆脱 资源消耗 型的 消费特征 实现 技术保障 型 近似无限能源资源性和完全环境友好性的消费特 征 在此过程中节能将始终需要同步进行 人无远虑 必有近忧 必须及早准 备 及早确立技术优势 实现我国在能源领域及至经济领域内对发达国家的赶超 应 该说当前我国面临的能源问题既是挑战又是机遇 由于我国人口众多 幅员辽阔 各地的地理经济资源差异较大 以及目前所处的 国际环境给能源问题的解决带来困难 但由于同样的缘由 使我国能源的多样性变得 可能 如果能在解决问题的基础上增强我国在能源领域的技术 产业和市场的优势 必将有力地支持我国的兴国战略 以及中华文明复兴的大计 从科技发展历史看 三 次科技革命都伴随着能源领域的变革 燃煤的蒸汽机技术 燃油的内燃机技术和原子 能技术 虽然目前还难以确定第四次科技革命的端倪 但是可以相信新的能源领域的 变革必然具有两个特征 一是让人类进步彻底摆脱能源的羁绊 即人类将获得相对无 尽的能源资源以及相关的能源利用技术 二是新能源和可再生能源将具有完全的环境 友好性 我国能源的振兴应该是我国科技振兴和国家振兴的重要内容 1 1 2 我国的大气污染现状 大气污染系指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气中 呈现出足够的 浓度 达到了足够的时间 并因此而危害了人体的舒适 健康和人们的福利 甚至危 3 华南理工人学硕士学位论文 害了生态环境 所谓人类活动不仅包括生产活动 而且也包括生活活动如做饭 取 暖 交通等 自然过程包括火山活动 山林火灾 海啸 土壤和岩石的风化及大气圈 中空气运动等 一般说来 由于自然环境所具有的物理 化学和生物机能 即自然环 境的白净作用 会使自然过程造成的大气污染 经过一定时间后自动消除 即使生 态平衡自动恢复 所以可以说 大气污染主要是人类活动造成的 大气污染物的种类很多 主要分为气溶胶状态污染物 包括粉尘 烟 飞灰 雾 黑烟等 气体状态污染物 包括以二氧化硫为主的含硫污染物 以氧化氮和二氧 化氮为主的含氮污染物 碳氧化物 有机化合物 卤素化合物等五类以及各种物质之 间发生反应而形成的二次污染物 表i 一1 为大气污染物的分类表 表1 1 大气污染物分类表 1 o T a b l e1 1L i s to fa i rp o l l u t a n t 污染物 次污染物二次污染物 含硫化合物 S 0 2 H 2 SS 0 3 H 2 S 0 4 M S 0 4 含氮化合物N O N H 3N 0 2 H N 0 3 M N 0 3 碳的化合物 C O C 0 2 无 有机化合物C l C 1 0 化合物 醛 酮 过氧乙酰硝酸酯 0 3 卤素化合物H F H C l 无 我国是全世界少数大气污染最严重的国家之一 污染程度相当于国外五 六十年 代污染最严重时的水平 由于我国的经济发展不平衡性 我国的大气污染主要集中在 城市 由于我国以煤为主的能源结构现状 决定了我国的大气环境污染大多以煤烟型 为主 主要包括T S P S 0 2 N O x 少数大城市属于煤烟与汽车尾气污染并重类型 如 北京 上海 广州等 自1 9 9 7 年以来 虽然城市空气质量恶化的趋势有所减缓 部 分城市空气质量有所改善 但是某些城市的大气污染仍然比较严重 并且北方城市重 于南方城市 根据2 0 0 1 年世界银行发展报告列举的世界上污染最严重的2 0 个城市 中 中国就占了1 6 个 2 0 0 2 年统计的3 4 1 个城市中 达到或优于国家空气质量二级标 准的城市 城市空气质量达到三级标准的城市和空气质量劣于三级标准的城市各占 1 3 t 具体N N O x 来说 据U N E P 项目 能源规划中综合考虑环境因素 研究的初步估算 f 1 2 l p 1 9 9 0 年我国氮氧化物的排放量约为9 1 0 万吨 其中近7 0 来自于煤炭的直接燃烧 电站锅炉煤粉燃烧是其中最主要的部分 目前我国N 0 x 排放量估计在1 0 0 0 多万吨 鉴 于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长 N O x 排放量也将持续增加 据有 关研究的估算 到2 0 1 0 年 我国的N O x 排放量将达至U 2 1 9 4 万吨m 1 表1 2 为我国电站 4 一一 苎 童笪笙 锅炉N O x 的排放情况n 3 表1 2 我国电站锅炉N o x 的排放现状 T a b l e1 2E m i s s i o no fN O xf r o ms t a t i o nb o i l e ri nC h i n a 锅炉类型 N O x 测定值 m g N m 3 液体排渣煤粉炉8 5 0 11 5 0 固体排渣煤粉炉 6 0 0 1 2 0 0 旋风炉1 0 0 0 1 5 0 0 燃油炉6 0 0 1 4 0 0 N O x 排放量的剧增使我国城市大气中的N O x 污染程度加重 1 9 9 7 年在全国3 5 7 个城 市中 N O x 浓度年均值范围为O 0 0 1 0 1 4 0 m g m 3 年均最大值出现在广州市 其中2 9 1 个城市N O x 浓度年均值达到国家二级标准 O 0 5m g m 3 E 占8 1 5 6 6 个城市超二级 标准 占1 8 5 1 9 9 8 年全国3 1 1 个城市 N O x 浓度年均值范围为0 0 0 6 0 1 5 2m g m 3 年均最大值出现在北京市 其中2 5 2 个城市N O x 浓度年均值达到国家二级标准 O 0 5 m g m 3 占8 1 0 5 9 个城市超二级标准 占1 9 O 1 9 9 7 1 9 9 8 年 N O x 浓度年均值 超过国家三级标准 O 1 0m g m 3 的城市有北京 广卅I 和上海三市 根据1 9 9 1 1 9 9 8 年8 个 年度的统计 环境空气中N O x 平均浓度的年度变化趋势不明显 但北京等少数特大城 市的污染有加重的趋势 由于我国N O x 排放量和大气N O x 浓度的快速增加 使我国大气污染的性质发生根 本性的变化 大气氧化性增加 导致一系列的城市和区域环境问题 对人体健康和生 态环境构成巨大的威胁 N O x q b 对人体健康危害最大的是N 0 2 主要是影响呼吸系统 可引起支气管炎和肺 气肿 大气中N O x 和挥发性有机物V O C 达到 定浓度后 在太阳光照射下经过一系列 复杂的光化学反应 就会产生以高浓度0 3 和细颗粒物为特征的光化学烟雾 形成了夏 季城市天空经常出现的蓝色烟雾 由于我国大气v o c 浓度较高 光化学烟雾的产生 主要受N O x 锘l J 约 大气N O x 浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染 光化学烟雾 是 种二次污染 污染区主要位于污染源 城市 下风向3 0 5 0 k m 由于o 和细颗粒 物可以作长距离传输 造成区域性的氧化剂污染和细颗粒物污染 使区域空气质量退 化 减少太阳辐射 气候发生变化 对生态系统造成损害 农作物减产 美国目前由 于0 3 污染使谷物减产l O 以上 估计太阳辐射减少对产量的影响更大 光化学烟雾会 使大气能见度降低 对眼睛 喉咙有强烈的刺激作用 并会产生头痛 呼吸道疾病恶 化 严重的会造成死亡 由于大气氧化性 N O x 在大气中可形成硝酸H N 0 3 和硝酸盐细颗粒物 同硫酸 H 2 S 0 4 年n 硫酸盐细颗粒物一起 发生远距离传输 从而加速了区域性酸雨的恶化 已有 研究表明 H N 0 3 对酸雨的贡献呈增长之势 降水中N 0 3 s 0 4 比值在全国范围内逐渐增 华南理工大学硕士学位论文 加 目前我国已结合对两控区的划分工作 对S 0 2 排放进行了全面控制 但N O x 排放总 量的快速增长 及其大气浓度和氧化性的提高有可能抵消对S 0 4 的控制效果 使酸雨的 恶化趋势得不到根本控制 随着人们对N O x 的危害的认识逐步加深 酸雨 全球气候变化及臭氧层破坏问题 日益引起各国政府的关注 如何控肯r J N O x 排放的各种技术逐渐推出 工业发达国家正 在制定越来越严格的N O x 排放标准 促使工业部门去开发 寻找并利用新技术 以适 应新的更严格的污染物排放标准 从而有力地推动了技术的进步 但由于排放标准的制定是一个复杂的过程 而且在N O x 的排放构成中 固定式排 放源 如发电厂 工业燃烧装置等 起着主要的作用 所以绝大多数国家的立法只限于控 制固定式排放源 表l 一3 为欧盟2 0 0 1 年新的排放标准 当然 由于各国的情况不同 制 定的标准和政策也不一样 表1 4 1 5 较了几个国家的燃煤电站锅炉的N o x 排放标准 在我国 国家环保局于1 9 9 6 年3 月7 日发布了 火电厂大气污染排放标准 G B 1 3 2 2 3 9 6 明确规定 对从1 9 9 7 年1 月1 日起初步设计通过的新 扩 改建火电厂 3 0 0 M W 及以上机组 无论燃用何种煤料 固态排渣煤粉炉N O 排放浓度不得超过 6 5 0 m g m 3 液态排渣煤粉炉不得超过1 0 0 0 m g m 3 1 表1 3 欧盟2 0 0 1 年N O x 排放标准 1 4 1 T a b l e1 3E m i s s i o ns t a n d a r do f N O x f r o mE Ui n2 0 0 1 电厂类型 容量 N o x 排放标准 m g m 3 现有新电厂 5 0 M W6 5 0 5 0 1 0 0 M W4 0 0 将来的新电厂1 0 0 3 0 0 M W 3 0 0 5 0 0 M W2 0 0 5 0 5 0 0 M W 4 5 0 现有电厂 5 0 M w 3 5 0 表1 4 燃煤电站锅炉N O x 排放标准比较旧 T a b l e1 4 C o m p a r i n g o f e m i s s i o ns t a n d a r d o f N O x f r o m t h eb o i l e r o f c o a l f i r e d p o w e r p l a n t 机组容量 新电厂 国家 M w m g N m p p m 德国2 0 09 7 日本 1 1 0 4 1 0 2 0 0 美国 6 0 0 7 5 D2 9 2 3 6 5 G B l 3 2 2 3 1 9 9 6 标准发布至今已有6 年多的历史 现仍在实施中 它对中国大气环境 的污染控制起到了一定的作用 但这个标准总体宽松 如该标准虽然对1 9 9 7 年以后的 部分新建锅炉制定了N O x 排放浓度标准 不过排放限值6 5 0 r n g N m 3 与国外平均值4 0 0 6 第一章绪论 5 0 0 m g N m 3 相比还有一段距离 2 0 0 2 年我国已经开始着手制定新的排放标准 以更好地 实现对坏境的保护 6 l 从上面的论述中可以看出 由于我国特殊的能源结构 以及粗放式的经济发展模 式 大气污染已经到了非常严重的地步 不仅造成了城市环境质量的恶化 还带来经 济运行成本的增加 严重威胁到了任命群众的身体健康 所以 控制大气污染 研究 减少污染的各项技术 已经成了一项关系到未来中国社会和经济发展的关键任务之 1 1 3 我国的固体废弃物利用现状 固体废弃物是指人类在生产 加工 流通 消费以及生活等过程中提取目的组分 后 排放到环境中去的固状或泥状物质 固体废弃物有多种分类方法 按其化学性 质 可分为无机废物 有机废物和放射性废物等 按其危害状况 可分为一般废物和 有害废物 按其形状又可分为固状废物和泥状废物 通常 为了便于管理 可按其来 源分为矿业废物 工业废物 城市固体废物 农业废物和放射性固体废物等五类 我 国从固体废物管理需要出发 将其分为三类进行管理 即工矿业固体废物 有害固体 废物和城市垃圾 包括粪便 固体废弃物在一定条件下会发生物理的 化学的或生物化学的转化或迁移 若处 理不当 不仅会污染大气 水体 土坡和生物 还会危及人体健康 引起各种危害 固体废弃物对环境的污染危害概括起来主要表现在以下几个方面 1 侵占土地 若固体废弃物不加处理利用 需占地堆放 占用了很多耕地 2 污染土壤 废物堆放 其中有害组分容易污染土坡 特别是有害固体废物 能 破坏土壤中的微生物环境 降低土壤的腐蚀分解能力 导致草木不生 3 污染水体 固体废弃物随天然降水和地表径流进入河流湖泊 造成水体污染 4 污染大气 一些有机固体废物在适宜的温度和湿度下被微生物分解 释放出有 害气体 或者在焚烧过程中产生有害气体造成大气污染 5 影响环境卫生 固体废物未经处理随意堆放 严重影响环境卫生 因此 对固体废弃物必须进行妥善地处理 处置及合理利用 这样既可消除固体 废弃物的污染危害 又能为社会创造财富 在环境 社会 经济三方面的效益兼而有 之 达到化害为利的目的 随着世界各国工业化 城市化进程的加快 固体废弃物排放量逐年增加 由此造 成的环境污染已成为全球性公害之一 严重地影响了经济的可持续发展和城市的环境 质量 据估算 美国工业固体废物年排放量为3 4 亿吨 日本为3 2 亿吨 并以每年 3 4 的速度增加 近二十年来我国经济迅速的发展 人口的数量和生活水平都有很 大提高 各种固体废弃物排放量也急剧增加 近年来排放量己达每年8 亿吨 不包括各 华南理工大学硕士学位论文 种生物质 且以每年近1 0 的速度递增 其中 工业固体废物产生量约为6 亿吨左 右 1 9 9 8 年全国城市生活垃圾清运量为1 1 3 亿吨 仅北京市每日垃圾的产生量就达到l 万多吨 且同样里快速增长趋势 预计全国生活垃圾年均增长6 个别城市在1 5 以 上 然而目前城市生活垃圾的处理率只有5 7 3 其中无害化处理和资源化利用率不到 2 大量垃圾运到城郊裸露堆放或简易填埋处置 累计堆存量高达6 6 A 亿吨 占地5 5 万公顷 有2 0 0 多个城市陷入垃圾的包围之中 严重损害城市环境卫生 恶化住区生活 条件 阻碍城市建设发展 尤其是危险废物的排放直接污染地下水和地表水等水资 源 对人体健康和环境造成严重的危害 全国半数以上的地区 2 0 的地下水污染是 由电镀污泥 铬渣等危险废物造成的 大量水井因重金属含量超标而报废 各种危险 废物污染事故每年约有1 0 0 多起发生 造成巨大的经济损失和资源浪费 1 7 1 8 1 q 固体废弃物的处理是一个世界各国都面临的棘手问题 并且在一定程度上被长期 忽视或回避 时至今日 随着人民生活水平的提高 对环境的要求也随之提高 原来 潜在的问题目益显现 固体废弃物对生态环境以及人们生存的威胁也越来越大 由此 而引发的社会矛盾和政治影响逐渐突出 已到了再也不能拖延的时候 况且解决某些 问题的时机已经成熟 关键在于好的技术和措施的配套 如不抓紧机会或再加以回 避 则将贻害子孙 未来损失将不可估计而成为历史的罪人 废旧塑料作为固体废弃物的主要组成部分之一 它所带来的 白色污染 问题也 不容忽视 据统计 我国每年产生的废旧塑料达4 0 0 多万吨 其中只有1 0 加以回收利 用 而2 0 3 0 被焚烧或填埋 6 0 7 0 被堆放 随意丢弃或倒入江河湖海 2 0 1 我国废旧 塑料的构成如表1 5 所示 安全填埋是一种目前我国广泛采用的处理方法 废旧塑料填埋处理后造成的环境 影响是很明显的 一般认为塑料在填埋场不易降解 但是部分塑料中的添加剂可降 解 同时塑料包装上的残留食品等有机物分解 这就会产生渗滤液 会对空气 土壤 和地下水造成污染 而且废旧塑料填理需要占用大量土地口 焚烧是一种目前我国逐渐开始采用的处理方法 2 2 1 但是由于资金和技术等方面的 原因 我国多数焚烧炉的同处理能力在2 0 吨以下l 所以焚烧产生的热量不能用于发 电或供暖 只是作为垃圾烧掉 废旧塑料在低温或不完全燃烧时会产生有毒有害气 体 也会对大气造成污染 废旧塑料的再生利用行业以废旧塑料为原料 以加工再制造新的塑料产品 但是 其在熔炼再生后的性能改变较大 再生制品的使用受到很大的限制 而且生产过程中 会对人体健康产生危害同时产生的废水也会污染河流 8 第一章绪论 表1 5 我国废I N 塑料的构成 1 T a b l e1 5C o m p o n e n to fp l a s t i cw a s t ei nC h i n a 品种比例 品种比例 聚乙烯 5 2 聚苯乙烯 4 聚氯乙稀 2 2 聚酯1 聚丙乙烯 1 5 其他 6 从化学成分上看 塑料主要由c H 等元素组成 它的燃烧会产生较高的热值及化 学能 而且不会生成污染物 我国作为一个塑料的生产和消费大国 废旧塑料对我国 造成的污染己十分严重 如果能对这些废弃的塑料加以利用 不仅可以减少对环境的 污染 而且还有效的利用了这一潜在资源 其经济效益和社会效益都是显而易见的 1 1 4 我国生物质能的利用现状 生物质能源是自然界各种绿色植物通过光合作用将太阳能辐射转换为化学能而固 定下来 储存在植物体内的自然资源能 主要包括树木茎叶 杂草 作物秸秆 人畜 粪便 和有机垃圾等 生物质能是地球上唯一的一种既可贮存又可运输的可再生能 源 是太阳能的一种廉价储存方式 地球上的生物质资源非常丰富 其中陆地上每年 干有机物净产量为1 2 0 0 亿吨 能量总值相当于目前全球总能耗的5 倍以上 我国生物 质的生产量达6 0 亿吨干物质 相当于年耗能量的2 5 倍 单是农作物秸秆就达6 亿吨 约 折合标准煤2 1 5 亿吨 目前 生物质为全世界提供了1 4 的能源 并成为世界上1 5 亿人 口赖以生存的主要能源删 在中国 生物质在能源消耗中更是占着举足轻重的地位 它仅次于煤而成为第二大能源 在全部能源消耗中约d i 2 0 特别是在农村能源消费 中 生物质约占生活用能的7 0 占整个用能的5 0 但是 就全球而言 只有占生物 质总量1 的生物质能被用作能源 且广大发展中国家对生物质的利用手段落后 燃烧 效率低下 很大一部分在收获季节被白白烧掉 浪费了大量能源 也造成了巨大污 染a 因此改变生物质能的转换技术 高效利用生物质能势在必行 生物质能主要具有以下特点 1 可再生性 生物质是唯一的一种即可再生又可储存与运输的能源 这是生物质能源的最主要 的优点之一 开发和利用可再生能源是能源发展的必然趋势 主物质能是自然界各种 绿色植物通过光合作用将太阳能固定下来而生成的 只要合理地加以利用 它将是取 之不尽的 2 洁净 无污染 9 华南理工人学硕士学位论文 生物质是低硫份 低灰分的燃料 并且它几乎不含氮和重金属元素 是非常清洁 的能源 另外 生物质能源在燃烧过程中排放的二氧化碳量与其生长期吸收的二氧化 碳基本相等 考虑到生物质利用过程中消耗电能 运输过程又消耗燃料 所以仍有一 部分二氧化碳排放 但在总体利用过程中 其二氧化碳的排放量仍比矿物燃料少9 0 左右 因此 开发利用生物质能对能源结构的转变及环境保护两方面都有重要意义 3 能量密度低 能量密度低是生物质能源的主要缺点 也是长期以来生物质没有得到合理开发利 用的主要原因 可作能源的生物质收获量大约每年只有1 5 k g t m 2 因此 要想改变生物 质能粗放型利用的局面 必需通过一定的技术将低品位 能量密度低的生物质能转化 成优质能源 4 资源量大 这一点在前面己经作过介绍 在此不在赘述 生物质能要真正成为矿物原料的替代能源 关键是要将其转变成为高品位的能 源 目前生物质能的转换技术主要有以下几种 直接燃烧发电 固型化 沼气气化 热解气化 水解液化 热解液化 直接液化等 在这些转换技术中 生物质直接燃烧发电技术最为成熟 在欧美一些地区已经有 了商业化的应用 美国1 9 9 4 年底在运行的生物质电站装机容量为6 5 0 万k w 年发电量为 4 2 0 亿k w h 2 0 0 0 年有望装机容量达至U 1 2 0 0 万k w 燃用的主要原料为不适宜造纸的木 质废料 稻壳及城市垃圾等 西欧等国的生物质发电技术也很发达 荷兰 法国的生 物质发电厂己运行多年 并取得良好的经济效益 我国的生物质资源非常丰富 应在 缺水 缺煤的地方建设生物质发电厂 如广东 广西两省利用大量废弃蔗渣 以流化 床锅炉和汽轮机的系统发电 既利用废弃的生物质原料防止了环境污染 又补充了枯 水期水力发电量的不足 受到了很好的经济效益 现已装机8 0 0 M W 另外还有少量燃 用稻壳发电站在运行 近年来 西方发达国家又出现了生物质与矿物燃料联合燃烧发 电的新概念 它不仅为生物质和矿物燃料的优化混合提供了机会 同时许多现有的设 备不需太大改动即可投入使用 使整个投资费用降低 另外 大型电厂的可调性大 燃料适应性强 为生物质和煤的混和燃烧提供了保障 并且生物质和煤联合燃烧能使 S