燃煤电厂的污染控制及环境影响.ppt

燃煤电厂PM2 5的污染控制及环境影响 环境工程 目录 一 我国燃煤电厂现状二 燃煤电厂发电流程三 燃煤电厂产污环节四 燃煤电厂主要污染物五 燃煤电厂对环境的影响六 燃煤电厂PM2 5排放控制技术七 除尘器对PM2 5的控制改进研究八 展望 一 我国燃煤电厂现状 随着工业化进程的加快 社会经济水平的提高 电力工业也得到迅猛发展 截至2013年底 全国发电总装机容量12 46亿千瓦 其中以煤炭燃料为主的火电为7 85亿千瓦 占我国总发电量的63 是保证社会经济发展的关键因素 可见 燃煤电厂仍为我国主要的电厂模式 而煤炭所耗费的成本也占到发电总成本的一半以上 燃煤电厂特点是高污染排放且影响范围广 在地区污染贡献评价往往居于首位 在粉煤灰的储存和运输过程中 也产生了一定的对生态效益和社会影响的不良影响 可见 燃煤电厂与社会 经济 环境的方方面面紧密相关 为了实现可持续发展 我国制定了很多相关环境保护的政策 进而燃煤电厂的环境污染问题逐渐成为人们关注的焦点 因此 在发电厂运营过程中 如何降低对环境的影响 及时采取切实可行的污染防治措施成了当前我国燃煤电厂迫切需要解决的问题 二 燃煤电厂发电流程 燃煤发电所利用的原料煤 作为一种化学燃料 会随着使用最终转化为电能 首先是原料运送 煤从煤码头运送至干煤棚再运至煤斗 为提高燃煤效率 大多采取燃烧煤粉的方法 因此 煤首先发送到煤破碎机破碎成块 然后送去进行煤粉磨碎 再随着热风被送入锅炉的炉内燃烧 同时 锅炉会产生噪声 煤粉燃烧后最终会进入除尘器 从烟尘器出来的烟气经过脱硫装置脱硫后 在引风机的作用下通过烟囱排入大气 在煤燃烧后到达灰锅炉下面的炉渣斗 进入灰机 终成灰场或外卖 同时 从除尘器分离出的干灰也进入灰渣场或用于外卖 在省煤器中 烟道燃气进入顶部的鼓锅炉 煤粉燃烧释放的热量高 到达滚筒后汽化成水蒸汽与冷壁连接后 饱和蒸汽进入过热器 饱和的蒸汽继续吸热 当具有很高的温度和压力时 就成为过热蒸汽 管道进入汽轮机后 热能转化为动能 在这个时候 汽轮机的运行会产生较大的噪音 当动能传递给发电机 会将动能转变为电能 发电机在产生噪音的同时 将电传递给用户 三 燃煤电厂产污环节 根据传统的燃煤电厂工艺流程 煤储存 输送 煤燃烧 发电的过程都可能会对环境造成污染 综合看来 主要的排污环节可以分为以下几个 1 燃煤的贮存及输送过程 2 燃油的贮存及输送过程 由于油罐脱水 在存储燃料时或者输送过程中 可能会产生少量含油污水 3 燃烧过程 燃煤电厂的燃烧过程 包括燃煤的粉碎过程 锅炉燃烧过程中 燃烧产生的烟气通过除尘和脱硫装置从烟囱排入大气 污染气体包括碳的氧化物 硫氧化物 氮氧化物 废水包括碱性废水 净化废水 锅炉脱硫废水和锅炉清洗废水 4 化学水处理过程 为了确保电厂的正常运行 需要提供质量合格的工业用水进行处理 在处理过程中会产生一定量的酸碱废水 5 外排冷却水过程 蒸汽从汽轮机排汽口的下部排出 进入冷凝器 形成冷却水 6 发电过程 7 除灰渣过程 在这个过程中 会产生大量的灰和灰水 在装载 运输和储存过程 如果管理人员的管理疏忽或不利的天气条件 可能会产生粉尘 如若造成贮灰场冲灰水渗漏会对地下水产生污染 四 燃煤电厂主要污染物 1大气污染物烟尘 二氧化硫 氮氧化物都伴随着电厂的运营而产生 这些污染物的产生的多少与所燃煤的消耗量和燃烧方式以及所采用的净化措施的效率有关 煤粉炉烟气PM2 5主要由两部分组成 一部分为表面光滑形状规则的球形粒子 另一部分为形状不规则的块状粒子 炉膛温度高 无论是气化凝结机理形成的细微颗粒物还是残灰粒子在炉膛内多呈熔融状态 在表面张力的作用下球化 多形成球形粒子 而不规则块状颗粒主要来自未熔或部分熔融的矿物 以石英和黏土矿物为主 石英颗粒的熔点较高 因此在灰中多保持原来的多角状外形 而黏土矿物熔点比石英低 燃烧时部分熔融 形成不规则颗粒 循环流化床锅炉 CFB 产生的颗粒物多呈不规则形状 具有较大的表面积 由于CFB燃烧温度低于煤粉炉 气化凝结的颗粒物少 主要为残灰粒子 且多为未熔或部分熔融矿物 2废水污染物燃煤电厂排放的废水是一种人为的污染源 主要有灰水 化学酸碱废水 洗煤废水 含油废水 煤场脱硫水 暖水 清水 和其他工业废水 其中 直接冷却水排放的冷凝器 接近10 104m3 h 占比火电厂用水总量的90 但一般不作为废水处理 冲灰水有排放量大 污染最为严重和循环使用率低的特点 针对冲灰水存在的问题 发电厂主要用于干灰 浓浆输灰 等一系列的贮灰场排水回收和处理措施 目前现有的技术已经对冲灰水进行了较好的处理 因此一般污水主要是指厂区排水和灰场排水 燃煤电厂的除灰方式在首选干除灰或水力除灰的方式 目的是使灰水使用后回收再利用 形成一个有效的循环模式 3噪声污染噪声污染是局部性的和无后效性的 当噪声源的声输出停止后 污染立即消失 不留下任何残余物质 因此 防治噪声有三种途径 第一可以从控制声源上入手 对主要声源装设消声器 对轴流风机进气和排气口安装设微孔消声器 可降低10 30分贝 对个别噪声大的部位采取隔声措施 第二可以通过控制声的传播途径来防治噪声 例如最后用隔声板来对炉膛 风道共振引起的噪声进行降噪处理 大约可以降低10 20分贝 dB 第三可以通过对接收者进行保护来减少噪声产生的危害 如进行厂区绿化工作 4固体废弃物污染固体废弃物主要是工业废渣和生活垃圾 工业废渣主要为粉煤灰和炉渣 电厂采用正压相干的方法 去除煤灰工艺和压力水冲灰工艺从而输送和分离出煤灰 煤灰产量的多少和电厂燃煤量和燃烧效率息息相关 另外它们的存放会占用大量的空间 电厂每年对灰场建设和修护需要投入大量资金 如果没有有效的预防措施 这将造成一些损害 影响到空气 水 土壤和人类健康 五 燃煤电厂对环境的影响 1大气环境影响分析近段时间 雾霾天 频发 全国的大部分地区笼罩在一篇迷茫之中 PM2 5浓度居高不下 引起人们的恐慌 煤炭的燃烧也会增加大气中PM2 5的含量 煤炭燃烧的过程中产生的SO2 会导致酸雨 进而可能影响植物以及水中生物的生长发育 造成叶面伤害与坏死 同时对金属有强烈的腐蚀作用 大气中SO2浓度过大对人体的危害很大 会刺激呼吸系统 不仅可能使气喘病人痉挛 还可能诱发支气管炎 气管炎 肺炎 甚至引起肺硬化而致死 氮氧化物是燃煤燃烧产生的 通过一系列的光化学反应形成光化学烟雾 另外NOX也是形成酸雨的主要物质 原料煤炭在燃烧时会产生大量的二氧化碳 进而导致引起温室效应 2水环境影响分析燃煤电厂用水量和排水量都很大 向水体排放工业废水是人为污染源之一 种类有很多 但相对而言产生危害最大的是冲灰水 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 按照污染物 燃煤电厂废水污染主要包括 pH值 重金属污染等 1 酸碱污染 由于锅炉酸洗 化学除盐系统和灰水反冲洗过程 排放污水可能引起酸碱失衡 中国的污水排放标准 允许排放量的pH值范围为从6到9 太酸或碱会影响水的pH值 杀死细菌和微生物的生长 防止水的净化 对淡水生物生长产生影响 另外 还会腐蚀桥梁 船舶 鱼具 2 重金属污染 冲灰水中的主要重金属有很多 如汞 镉 铬 砷 铅等 如果人们摄取这些元素过量 都会引起疾病的发生 3 声环境影响分析燃煤电厂的气动噪声主要源于机械 各类风机和管道 另外 水塔造成的声音混响也不容忽视 此外 燃煤发电厂对在噪声环境中的工作人员有不良影响 应该定期对接触噪声的工人进行检查 4生态环境影响分析电厂对生态环境的影响主要体现在以下方面 1 土壤污染 煤炭燃烧产生的氮氧化物排放到大气形成酸雨 形成过程如 NO2 OH HNO3N2O5 H2O 2HNO3酸雨可能会导致土壤中渗入具有污染的物质 妨碍农作物和树根系统的营养循环 进而使农作物和森林的生长受到影响 如果酸雾和臭氧结合 对植物的细胞内细胞膜有破坏作用 从而降低植物的抗寒抗旱能力 使得农作物产量变低 品质变差 另外 还会恶化了土壤侵蚀状况 导致土壤和减少的数量和质量下降 影响当地的农业生产 燃煤中的氮氧化物燃煤中含有重金属元素如氟 虽然含量很少 但会随着燃烧排向大气 在大气中的浓度超过一定值之后 就会显示出极大的毒性 长时间停留在大气中 会随着雨水污染水源和土壤 电厂的建设会改变所占用地土地的利用方式并且关乎土壤质量的退化 例如 中国耕地资源较少的西部地区 特别是耕地生产力特别差 一旦被占领 很难在短期内恢复 这将直接影响到当地的农业生产 甚至社会的稳定 2 生物多样性 燃煤电厂对生物资源的影响包括植被盖度的变化 还会对生物包括动物的多样性受到威胁 电厂对敏感生态环境一旦破坏 也有可能会连锁影响到到一系列其它的环境问题 5社会经济环境影响分析随着电厂的的蓬勃发展 也会对电厂所处地区的社会经济将得到很大的带动作用 包括当地交通 邮电 和城镇化进程 加快当地社会经济的发展步伐 同时 根据电厂周围居住居民对于电厂的满意度可知电厂的生产运行对周围居住环境带来一定积极和消极的双重影响 六 燃煤电厂PM2 5排放控制技术 1除尘设备技术分析根据本试验所采集的数据可得出测试燃煤电厂锅炉除尘设备对PM2 5的脱出效率如下表 燃煤电厂锅炉经过除尘器后 PM2 5总粒数浓度和总质量浓度明显下降 粒数浓度由几 几十百万个 cm3降至几万 二十多万个 cm3 质量浓度由几百mg m3降至零点几至几十mg m3 1 静电除尘器电除尘器优点 能处理高温烟气 除尘器阻力小 维护费用低 可获得较高除尘效率 对一般性能的烟尘 只要有足够的收尘面积 通常可达到99 以上的除尘效率 缺点 粉尘性质 化学成分和颗粒级配 和烟气参数 烟气量 烟气温度 烟气化学组成 严重影响除尘效率 由于除尘机理的限制 除尘效率按指数曲线变化 后级电场的收尘量少 即对大量细颗粒物的收集效率不高 电除尘的关键步骤是粉尘荷电 在电晕电场中存在两种荷电机理 一种是电场荷电 即静电力使离子做定向运动 粒子碰撞离子荷电 另一种是扩散荷电 即离子扩散令粒子荷电 离子的热能决定该过程 粒子的荷电过程主要由粒径决定 大于0 5 m的微粒以电场荷电为主 小于0 15 m的微粒以扩散荷电为主 而在0 15 m 0 5 m的粒子 是两种荷电机理都要考虑 徐鸿等在研究燃煤电厂除尘装置时通过实验得出其对微粒的控制效率规律 电除尘器对粒径10 m以上颗粒很容易捕集 但对5 m以下颗粒捕集效率急剧下降 对PM2 5的捕集效率更低 从而导致相当数量的细颗粒排放到大气环境中 有以上研究结果可知 静电除尘器对PM2 5的脱除效果较差 主要原因是粉尘荷电对0 1 m左右的细微颗粒效果很差 导致对PM2 5的脱除效果不好 2 袋式除尘器袋式除尘器优点 烟尘排放浓度低 袋式除尘器采用过滤式 只要滤料有足够的密集度 易实现烟尘低排放 除尘效率基本上不受烟尘性质的影响 即烟气量 烟气温度 烟气含尘浓度的波动对排放量影响不大 国内燃煤电厂袋式除尘器存在的问题 1 大型袋式除尘器入口烟气量的平衡调整 在燃煤电厂锅炉中 袋式除尘器都存在较高的进风烟气量 一般有4个通道仓室 有些除尘器4个通道的烟气流量是不平衡的 主要是由于进口烟道没有安装风量调节阀 造成各通道仓室负荷不均 缩短局部滤袋使用寿命 袋式除尘器与静电除尘器一样 不能过分依赖除尘器风量的自然平衡 进口烟气流量的调节非常重要 2 清灰系统设计存在先天缺陷 相比钢铁 水泥 化工等行业 我国燃煤电厂袋式除尘器的应用历史较短 环保要求日益提高 越多燃煤电厂开始采用袋式除尘器 到目前为止据不完全统计 10万以上燃煤锅炉机组大约发展了200多台袋式除尘器 其中已经运行的将近130台 3 气流的均匀分布和清灰系统技术高低严重造成除尘器设备的工程质量及使用中出现的酸结露问题 令人担忧的是国内燃煤电厂袋式除尘器设备的制造和安装质量问题 a 设备漏风漏水漏雨 b 除尘器花板变形 倾斜 严重 袋口密封不严 滤袋袋底相互接触磨损 c没有做好保温 因赶工期而投入运行 造成除尘布袋酸结露的隐患 这普遍存在于国内静电除尘器改造为袋式除尘器项目中 d 除尘器入孔门因密封不严 保温不够而导致的酸结露情况 e 除尘滤袋袋头和袋底出现结露 因为这两个部分为双层滤料缝制 气流不流通 易导致烟气结露而形成球形粉尘颗粒挂袋的情况 f 脉冲喷吹管的制造或安装质量问题 易损伤滤袋袋口 g 工人在安装滤袋时 随意踩踏滤袋袋口 易损伤滤袋 袋式除尘器总的说除尘效果是不错的 尤其是相对电除尘器对细颗粒物的脱除来说 但它的使用寿命较短 设备投资大 消耗钢材多 安装工作量也大 同时袋式除尘器比电除尘器阻力高 能耗大 它约比三电厂除尘器高20 30 随着国家对环保要求的提高 电厂更多要燃用低硫煤 其灰的比电阻值比较高 使用电除尘器的费用由此增大 另一方面 滤袋的质量 袋式的设计及运行水平的提高 传统滤袋的使用寿命已大为延长 3电袋联合除尘电袋复合除尘器是一种集静电除尘与布袋除尘两种除尘技术于一体较为先进的除尘设备 如图4 2所示 电袋除尘器就是充分利用静电除尘器第一电场除尘效率较高的特性 将第一电厂作为一级除尘单元 剩余烟气由第二级除尘单元布袋进行吸附 这样可大大降低布袋除尘的负荷 并且适当加大过滤速度 减小除尘压降 这样也能使得布袋除尘器的整体规模有所降低 可以说电袋复合除尘器充分利用了布袋除尘器对粒径较小颗粒物捕集效率高的特点和荷电粉尘的过滤除尘机制优势 更好地捕集细微颗粒 烟气的流过路径 进口烟道 进口烟箱 静电除尘区 布袋除尘区 净气室 出口烟道 风机 近几年来 国内有关的企业和科研院所相继开展了电袋复合除尘技术的研究与开发 主要着重于前电后袋串联式及其改进型的研究开发 在实际燃煤电厂应用的实例也日趋增多 电袋联合除尘器主要技术特点 机理科学 技术可靠先进 除尘效率稳定且比单独的电除尘和袋除尘效率高 对微细粉尘的脱除效率高 运行阻力低 滤袋寿命长 结构紧凑 投资和运行费用低 七 除尘器对PM2 5的控制改进研究 1 静电除尘器的改进方法1 改变荷电形式静电除尘器对颗粒的捕集就是通过颗粒荷电后被电极吸附而后脱除 静电除尘器对大颗粒物的去除效率高 而对PM2 5捕集效率较低 但实验表明 通过改变荷电形式可大大提高静电除尘器对PM2 5的捕集能力 采用低能耗的高压窄脉冲放电 可大大增加亚微米级颗粒的荷电量 与传统直流静电除尘结合 将提高静电除尘器对亚微米级颗粒的捕集能力 2 改机械振打为冲刷液冲洗 即湿式静电除尘器所谓改机械振打为冲刷液冲刷就是将普通的干式电除尘器改为湿式电除尘器 WESP WESP技术的捕集机理与干式电除尘器的捕集机理相同 但是WESP采用冲刷液冲洗电极 使粉尘转化为泥浆状进而清除 而电子稳定程序系统 ESP 则是采用机械振打清除极板积灰 随着清灰技术的改进 WESP避免了二次扬灰 不仅保证低排放 而且能有效捕集PM2 5的细微颗粒 二恶英 SOX 重金属和碱性氯化物颗粒 一般将WESP安装在湿法烟气脱硫 WFGD 之后 不仅能够去除逃逸的细微颗粒 而且还可以脱除SOX雾滴等有害物质 烟气经WESP后 排放量可降低到5mg m3以下 同时 SO3的去除效率也高达90 可对流冷却降低烟气温度 促进冷凝 可以有效降低烟囱出口处酸雾和细微颗粒的排放 WESP也可以较好地捕集细微 潮湿 黏性或高比电阻粉尘 并且由于被捕集的粉尘和水之间有黏着力 因此不存在粉尘收集后的再次扬尘 在WESP运行时 会出现电晕抑制现象 SO3蒸汽与烟气水分作用可形成酸雾 严重抑制运行时WESP的电晕电流 基于过去在WESP使用中获得的经验 目前电晕抑制问题已经解决 为保证极板表面水膜平整光滑 避免 死区 和粉尘堆积 WESP采用高强度 高抗腐蚀性合金材料制成的合金极板 WESP的包覆板选用玻璃纤维加强的塑料 FRP 来包覆铅和由其包裹的内件 提高了WESP的寿命 其次 可以通过超细雾化喷嘴在较低压力下优质雾化 迅速传递液滴与热量 使细微颗粒有效的进行浸润而进行凝结作用 来保证极板表面水膜分布均匀 WESP目前已在国外电厂得到应用 其常用的布置方式是烟气垂直流与WFGD系统整体式布置 成本和运行费用是最低的 占地面积也很小 这种电厂除尘布置方式既弥补了除尘器细微颗粒物的排放 又解决了脱硫后PM2 5增加的问题 2 电袋联合除尘器的改进方法1 根据运行情况控制布袋除尘器的清灰方式和频率目前国内电厂为了到达国家排放标准低于30mg m3而对静电除尘进行技术研究 主要是采用 前电后袋 式除尘器 COHPAC 但应用中还有不少关键技术问题未解决 造成了静电收集区和布袋过滤区的协同作用难以长期维持 国内两个电厂改造为COHPAC 排放浓度28mg m3左右 由于布袋除尘器对PM2 5的捕集效率与其运行方式密切相关 通过一次尘捕集二次尘 当滤袋富集较多烟尘颗粒时 布袋除尘器对微小颗粒的捕集效果更为明显 布袋除尘器正常工作时 0 1 m 0 5 m的颗粒捕集效率是低于90 的 0 5 m 1 5 m的颗粒捕集效率大于90 然而 当过度清灰后 对PM2 5的颗粒捕集效率则会降低到30 以下 因此 对于布袋除尘器来说 提高脱除PM2 5的效率 关键是要控制好清灰方式和频率 2 电场与滤袋交错排列先进混合型除尘器 AHPC 是目前关注较高的除尘技术 在除尘器内安装电场通道和滤袋通道使电场与滤袋交错排列 首先烟气被导向电场通道 大部分粉尘在通道中去除 而携带少量粉尘的气体通过多孔极板流向滤袋 自此将剩余粉尘除去 滤袋脉冲清灰时 部分尘块经多孔极板回流 电除尘区将其捕集 减少粉尘重返滤袋几率 同样 未落入灰斗的粉尘在收尘极板振打清灰时被滤袋捕集 同时 多孔极板还能保护滤袋免受放电的破坏 改进后对0 01 m 50 m粒径范围内颗粒物的捕集效率高达99 99 滤袋的气布比是一般脉冲布袋除尘器的3倍 很大程度减少布袋数量 而且电除尘部分的部件也减少很多 不仅可以减少投资 而且滤袋清灰频率低于普通滤袋 从而滤袋寿命延长 也降低了维修费用 经研究发现 经布袋除尘器排放的粉尘中PM2 5颗粒约占13 而经改造后的电袋除尘器烟气粉尘中PM2 5颗粒仅占4 左右 事实证明电场和布袋的交替排布可以有效的去除PM2 5 在国外已有大量应用 对于电袋除尘器的滤袋方面 目前主要是解决滤袋寿命问题 滤袋破损有机械破损和化学腐蚀两种情况 我们一方面需要降低烟气中的含尘浓度 尤其是对含SiO2和含Al2O3较高的粉尘 另一方面 寻找适合于锅炉烟气的滤料 实践表明 PPS是一种较好的滤料 此外 PPS加PTFE覆膜和PPS P84复合滤料也是很好的方案 2 电除尘器前加设预处理装置目前人们对细颗粒物排放控制的关注越来越广泛 为去除细微颗粒 在烟气经过传统除尘器以前增设一个预处理阶段 目的是将细颗粒物通过物理或化学作用转化成为大颗粒后再去除 这样除尘效果更好 因此团聚技术应运而生 超细颗粒团聚促进技术主要有电团聚 磁团聚 声团聚 湍流边界层团聚 热团聚 光团聚和化学团聚等 国外对这一方面研究比较全面 而国内只对其中某些方法进行了比较系统的研究 微粒聚合器技术工作原理 利用微粒凝聚技术 先将含尘气体进行分列荷电处理 使相邻两列的烟气粉尘带上不同极性电荷 然后将带异