火力發電行業的環境污染與水資源利用

沈明忠，韓買良

(中國華電工程（集團）有限公司，北京 100035)

火力發電行業的環境污染與水資源利用

沈明忠，韓買良

(中國華電工程（集團）有限公司，北京 100035)

討論了電源點建設所面臨的環境保護和水資源緊缺的影響，提出根據電源點總體發展和分布，科學制定水資源儲備戰略思路。建議新的電源點建設可以規劃采用城市污水、礦井水等作為火力發電廠項目建設的用水發展方向，海濱電廠可以采用電、熱、水一體的建設模式，實現循環經濟。

火力發電廠;水資源儲備;城市污水;海水淡化;礦井水

1 概述

水是人類生命之源，水資源是人類賴以生存的最寶貴的而且是不可替代的資源。當前水資源緊缺的問題日益突出使人們感到不安，促使人們加強思考，努力在實踐的基礎上總結并探求水資源工作的理論和方法。電力企業是國民經濟的重要組成部分和支柱產業，對促進經濟增長、推進技術創新發揮的作用越來越大，成為推動生產力發展、建設和諧社會的重要力量。當前國內電源項目以火力發電為主，很多煤炭資源豐富的地方因水資源匱乏，原始資源型缺水問題日益突出，耗水量多少直接影響到電廠的經濟效益，尋求新的水源也迫在眉睫。另外，供水的可靠性對于電廠十分重要，在未來的電廠建設中，必須有一定的可靠并穩定的水資源儲備。

2 我國水資源分布及利用情況

水資源主要由地表水和地下水構成，2004—2008年，我國水資源總量整體呈增加趨勢，2008年達到27,434億立方米，其中地表水是主要水資源，2008年，地表水資源量為26,377億立方米，地下水資源量為8122億立方米。2008年我國各地區水資源總量分布見圖1。

2004—2008年，我國用水總量呈逐年上升趨勢，2008年達到5910億立方米，同比增長1.57%，比2004年的5547.8億立方米多出約363億立方米。

2008年，我國農業用水量達到3663.5億立方米，工業用水量為1397.1億立方米，生活用水量為729.3億立方米，生態用水量為120.2億立方米。農業為我國用水的主要領域。2004—2008年全國用水量變化情況見表1。

圖1 2008年我國各地區水資源總量分布

表1 2004—2008年全國用水量變化情況

3 我國水資源的質量狀況及主要污染源

3.1 水資源質量狀況

2008年對全國10個水資源一級區的主要河流或河段水質狀況按全年、汛期、非汛期進行了監測評價，與2007年相比，全年Ⅰ～Ⅲ類水河長比例上升了1.7個百分點，主要超標項目是高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、五日生化需氧量和揮發酚。2008年全國河流水資源質量評價結果見圖2。

圖2 2008年全國河流全年水質類別比例

從東、中、西地區分布看，我國西部地區河流水質好于中部地區，中部地區好于東部地區，東部地區水質相對較差。

2008年對全國44個重點湖泊的18,356.2平方千米水面進行了水資源質量狀況評價，與2007年相比，水質為Ⅰ～Ⅲ類的湖泊個數比例和水面面積比例均有增加。

3.2 主要污染源

2004—2008年我國生活污水排放量呈逐年上升趨勢，2008年排放總量達到3,300,290萬噸，同比增長6.39%，比2004年多出約690,000萬噸。

“十一五”以來，我國工業污水的排放量得到較為有效的控制，2008年工業污水排放量達到2,416,511萬噸，同比下降2.03%，與2005年相比，排放量減少約15,000萬噸。2004—2008年我國工業廢水排放情況見表2。

表2 2004—2008年我國工業廢水排放情況

“十一五”期間，工業污水中化學需氧量排放量、氨氮排放量均呈快速下降趨勢，2008年分別下降到457.58萬噸和29.69萬噸。

4 火力發電廠水耗及環境污染情況

4.1 火力發電廠水耗情況

2000年以來，我國火力發電行業環保政策日趨嚴格，火電行業發電耗水量、排污量逐年遞減，單位發電耗水量從2000年的4.1千克/千瓦時下降到2008年的2.8千克/千瓦時，下降比例達到31.71%；單位發電排污量從2000年的1.38千克/千瓦時，下降到2008年的0.6千克/千瓦時，下降比例為56.52%（見圖3）。

圖3 2000—2008年我國火電單位發電耗水量及排污量變化情況

隨著單位發電耗水量及排污量的下降，我國火電耗水量和廢水排放量增速下降，2008年耗水量為778,204萬噸，同比2007年減少11,447萬噸；2008年火力發電廢水排放量為166,758萬噸，同比減少23,847萬噸（見圖4）。

圖4 2004—2008年我國火力發電廠耗水量及廢水排放量變化情況

4.2 火力發電廠的環境污染

在燃煤電廠的生產工藝環節中，煤炭燃燒將會向大氣、水體和土壤排放各種污染物質，并對生態環境造成一定影響，主要污染類別包括：大氣污染物、水污染物、固體廢棄物和噪聲。詳見表3。

表3 火電廠主要環境污染因素

4.2.1 氣體污染及影響

燃煤電廠大氣污染物排放主要來源于鍋爐，從煙囪高空排放的主要污染物是顆粒物、SO2、NOX、CO和CO2，而重金屬、未燃燒的碳氫化合物、揮發性有機化合物等物質的排放量較小。另外，煙氣脫硝系統中還原劑液氨/氨氣在運行過程中的氨逃逸也會對大氣環境產生不良影響。

（1）硫氧化物

硫氧化物排放主要是由于煤中硫的存在而產生的。硫在煤炭中是以無機硫或有機硫的形式存在的，燃燒過程中絕大多數硫氧化物是以SO2的形式產生并排放的。此外還有極少部分被氧化為SO3，SO3會被吸附到顆粒物上，因此SO3會增加細粒子PM10/PM2.5的排放。

（2）氮氧化物

煤炭燃燒過程中排放的NOX是NO和NO2的混合物。NOX的形成主要包括熱力型NOX和燃料型NOX，熱力型NOX的形成與燃燒溫度密切相關，燃料型NOX的形成主要取決于燃料的含N量。我國燃煤電廠煤炭含N量多在2.0%以下。

（3）顆粒物（煙塵）

煙塵排放與鍋爐爐型、煤炭灰分及煙塵控制技術有關。由于燃煤電廠多為煤粉爐，也有部分流化床鍋爐，這些鍋爐產生的飛灰量較大，因此煙塵排放的初始濃度較高（大多在10～30克/立方米之間）。電廠采用的四電場/五電場電除塵器、袋式除塵器和電袋復合式除塵器的除塵效率較高，設計除塵效率一般在99.8%以上。

（4）重金屬

重金屬排放是由于煤炭中含有重金屬成分，大部分重金屬（砷、鎘、鉻、銅、汞、鎳、鉛、硒、鋅、釩）都以顆粒物的化合物（如氧化物）形式排放。而煤中的重金屬含量通常比石油和天然氣燃料中的重金屬含量高幾個數量級。

（5）碳氧化物（CO、CO2）

CO是燃燒的中間產物，電廠運行中要盡量減少CO的形成，因為CO含量的增加會帶來熱效率的損失和腐蝕風險的增加。

燃煤電廠煤炭燃燒產生的主要碳氧化物是CO2，它也是溫室氣體的主要來源之一。CO2排放與燃料中的含碳量直接相關。

4.2.2 水污染及影響

燃煤電廠會向河流、湖泊及海洋環境排放廢水（包括冷卻水），這些排放水可能會帶來水資源污染問題。廢水主要是來源于凝汽器的外排冷卻水，主要污染是熱污染，另外還有少量的污水，來源于含油污水、輸煤系統排水、鍋爐酸洗廢水、酸堿廢水、脫硫廢水和生活污水等，主要污染物是有機物、金屬及其鹽類和顆粒物。

2004—2005年，我國火力發電的廢水排放量快速增加，2005年達到202,686萬噸，隨著單位發電量廢水排放量的逐年下降，2006年開始，我國火電廢水排放量開始逐步下降，2008年降至166,758萬噸，同比2007年減少12.51%（見圖3和圖4）。

4.2.3 固體廢棄物

（1）底灰和爐渣

底灰不可燃，會積存到鍋爐底部并保持疏松灰的形式。若燃燒溫度超過灰熔點，則以爐渣形式存在。

（2）飛灰

飛灰是隨著煙氣從鍋爐排出的不可燃物質，飛灰經除塵設備去除并收集，同時在鍋爐的其他部位（如省煤器和空氣預熱器）中收集。

（3）脫硫殘渣和副產品

煙氣脫硫設備會產生脫硫殘渣和副產品。如石灰石-石膏濕法脫硫裝置會產生石膏副產品，干法脫硫系統會產生未反應的吸收劑（如石灰、石灰石、碳酸鈉、碳酸鈣）、硫酸鹽和飛灰的混合物殘渣。

（4）水處理污泥

在電廠補給水處理和廢水處理中都會產生水處理污泥，其中廢水處理污泥由于含有重金屬，屬危險廢物。

（5）SCR脫硝工藝催化劑

在SCR脫硝工藝中使用的催化劑由于會失效，因此在使用幾年后需要定期更換。這些催化劑由于含有重金屬，也屬危險廢物。

5 我國火力發電行業水資源危機及節水降耗工作

目前，包括江蘇、山東、浙江、河南、河北、山西、內蒙古等在內的我國主要火電裝機省份均屬于火電水資源危機嚴重區域，涉及裝機容量達24,658萬千瓦，占到總容量的41%（見表4），因此火力發電行業開展節水降耗工作、推廣節水技術、發展新水源等任務已經刻不容緩。

表4 嚴重火電水資源危機區域裝機容量及占比

火電廠節水一方面是要促使系統耗水量的減少；另一方面是要使系統的取水量減少。

從取水方面來看，火電建設要充分考慮當地的水源條件，嚴重缺水地區應大力推廣直接空冷、間接空冷等無水冷卻技術，同時提高城市中水、礦坑水的利用率；在沿海缺淡水地區，應推廣海水直流或海水循環冷卻技術，淡水嚴重匱乏的城市應同時加強海水淡化技術的應用。不同地區火電取水的合理選擇見表5。

從減少水耗方面來看，應著重從以下幾個方面著手：

（1）大力發展循環用水系統、串聯用水系統和回用水系統，提高水的重復利用率；

（2）推廣濃縮倍數大于4.0的水處理運行技術，提高循環冷卻水的濃縮倍數，實現循環冷卻水系統零排放，或使其排污量相當于沖灰水量；

表5 不同地區火電取水的合理選擇

（3）推廣濃漿成套輸灰、干除灰、沖灰水回收利用等節水技術和設備；

（4）推廣沒有污水外排的水工工藝系統，實現廢水零排放；

（5）新上項目要加強節水管理，減少非生產水消耗。

多種節水技術聯合使用已經成為火電廠節水技術的發展趨勢，但火電廠節水涉及到電廠鍋爐、汽輪機、水工、化學、除灰及環保等專業，是一項系統工程，從設計至投運各個環節不但要考慮環境的承受力，也要考慮經濟效益，必須做到電力發展與環境保護相協調。所以火電廠節水不能一概而論，需結合每個電廠節水技術的具體情況，合理采用各種節水技術。

6 解決水資源危機的途徑

2004年6月16日，國家發改委發布了《關于燃煤電站項目規劃和建設有關要求的通知》（發改能源[2004]864號），要求高度重視節約用水，鼓勵新建、擴建燃煤電站項目采用新技術、新工藝，降低用水量。對于擴建火電廠項目，應對該火電廠中已投運機組進行節水改造，盡量做到發電增容不增水。在北方缺水地區，新建、擴建火電廠禁止取用地下水，嚴格控制使用地表水，鼓勵利用城市污水處理廠的中水或其它廢水。原則上應建設大型空冷機組，機組耗水指標要控制在0.38立方米/秒 . 百萬千瓦以下。鼓勵沿海缺水地區利用火電廠余熱進行海水淡化等。

在過去的5年中，各電力集團公司在基本建設、節能節電、能源替代等方面取得了初步成效。通過全面、持續的節能工作，發電煤耗大幅降低。隨著經濟和環境的變化，必須清醒地認識到，新的電源點的建設面臨電力市場、環境保護和水資源緊缺等因素的影響。為此，要高度重視解決供水問題，才能保證電力建設的順利發展。供水的可靠性對于火電廠十分重要，在未來的火電廠建設中，必須掌握一定可靠的、穩定的水資源儲備。

6.1 發展城市污水作為火力發電廠的水資源戰略

當前，很多煤炭資源豐富的地方因水資源匱乏，原始資源型缺水問題日益突出，火電廠尋求新的水源也迫在眉睫。可以規劃采用城市污水作為火力發電廠項目建設用水的發展方向，根據電源點的總體發展和分布，既謀現在，更謀長遠的科學制定水資源儲備戰略。例如，積極探索采用BOT形式投資市政水務行業，占領未來寶貴的中水資源，不僅可以作為一個產業獲取不低于電力投資的利潤，還可以為新建火電廠做好水源儲備，為現有火電廠提供經濟可靠的備用水源。

因此，如何參考國外成熟可靠的城市污水回用技術以及我國現有的經驗，將城市污水回用于火電廠用水量最大的冷卻水和沖灰用水部分，必將是今后緩解由于水資源的短缺而制約火電發展的一個很有前途的突破口。另一方面，隨著城市規模的不斷擴大和人民生活水平的不斷提高，大量城市污水外排，既污染了環境，又浪費了資源。城市污水作為新開發的再生水源具有水量大而穩定的特點，是一種比較可靠的水資源，而且水價便宜。尤其是布置在城市周圍的火電廠，使用城市污水不需要長距離引水，可以節省大量的引水工程費用。因此，城市再生水再利用具有很好的環境效益、社會效益和經濟效益。火電廠應充分利用城市污水處理廠生產的中水和其他技術經濟可利用的廢水（如礦井涌水），使火電廠原則上做到水的零排放。

未來我國的供水和污水市場需求巨大。國民經濟持續快速發展，城鎮化水平不斷提高，環保力度逐漸加大，水價逐漸理順，整個水務政策體系逐漸完善，市場機制逐步引入，環境保護的力度加大促進了污水處理行業的發展，水價改革將帶來巨大的商機。我國“十一五”規劃中明確提出2010年全國設市城市和建制鎮的污水平均處理率不低于50%，“十一五”期末全國的污水處理率要達到70%。國務院《節能減排綜合性工作方案》提出，“十一五”期間新增城市污水日處理能力4500萬噸、再生水日利用能力680萬噸，實現重點行業節水31億立方米，新增海水淡化能力90萬立方米/天，新增礦井水利用量26億立方米。

日本、美國將污水回用于電廠冷卻領域已有三十年的歷史。根據國家“七五”、“八五”科技攻關經驗，中水應用已取得重大突破，中水在各集團公司火電廠也得到了普遍應用。例如，鄒縣電廠四期工程將鄒城市污水處理廠的二級排污水和本廠內的生活污水、工業廢水集中起來，經按質分項深度處理后用于循環水系統，系統設計水量為10萬立方米/天。鄒縣、濰坊、河西火電廠等中水的利用也為電廠水資源的開發提供了寶貴的經驗和進一步發展的前景。

全國污水量及處理率預測見表6。

表6 全國污水量及處理率預測

6.2 發展海水淡化在火力發電廠生產中的應用

對沿海城市和地區，向海洋要水，是解決我國嚴重缺水問題的必由之路和有效措施之一。海水利用有兩種途徑，一是直接利用，以海水代替淡水直接作為工業冷卻用水和生活雜用水；二是把海水淡化成淡水供生活和工業用水。

目前世界上淡化水日產量達2700萬立方米，主要解決飲用水的供應。從經濟上看，由于資源的緊缺，淡水的消費價格逐年提高，而海水淡化產水的成本價近年來有所下降，隨著天然淡水資源消耗，“水取之不盡”的時代已一去不復返，這也為缺水的沿海地區發展海水淡化產業提供了機遇和市場。海濱火電廠可以采用水電一體的建設模式，并可對外提供淡水以及工業鹽等附加產品，沒有污染物的排放，可實現循環經濟。

6.3 礦井水在火力發電廠中的應用

隨著國家對礦井水利用的重視，礦井水越來越多地被利用到火力發電廠中。從國家水利部水資源司關于建設火電項目取水情況的數據來看，礦井水的利用率呈上升趨勢。2008—2009年上半年，新建火電廠礦井水的取水審批量和所占比重分別達到4107立方米和1.43%，利用比例均較2006、2007年有所提高。2006—2009年上半年流域及省級行政區審查批復建設火電項目礦井水利用比重見表7。

表7 審查批復建設火電項目礦井水利用比重

目前，河南新鄉寶山電廠、右玉坑口電廠、南票劣質煤坑口發電廠、山東濟寧運河發電有限公司等電廠的新建工程均開始利用礦井水，但從整體來看，全國礦井水在火力發電廠中的利用比例還很低，我國礦井水年排放量已經超過90億立方米，其在火力發電中的應用還有很大的發展潛力。

6.4 切實作好火力發電廠水務管理工作

目前國內多數火電廠的水務管理仍較薄弱，運行中對節水管理的要求不高。企業應有相應機構加強對所屬火電廠用水、節水以及相關技術改造的指導工作。建議采取一體化的水務統籌管理，甚至對各集團對其火電廠的水務采取產業化的統一管理，堅持持續的節水探索和研究，積極主動地為火電廠提供水務和節水工作的管理、投資、運營及技術人員培訓服務。完善火電廠用水考核制度、報告匯總制度、技術監督制度及其它相關標準、規范、管理辦法，定期組織火電廠水平衡測試及各用水系統水質分析測試，加強對主要供排水系統的監控調節，使火電廠達到用水合理化和管理科學化。

火電廠水務管理包括規劃、設計、施工、運行、維護和技術改造等階段對水的使用進行全面統籌與管理，即通過對水資源總體的合理規劃利用，在各項指標的基礎上建立高重復利用率的水平衡系統，并在日常運行中有效控制。水務管理涉及電廠中鍋爐、汽輪發電機、灰渣、輸煤、給排水、電廠化學等多個專業，是綜合技術和生產管理的結合。做好水務管理工作的前提是建立水平衡監測體系，配備必要的水計量關口表計，通過水平衡試驗，摸清各系統的用水、排水情況及進出水水質的變化，分析影響節水的各種因素，確定哪些分系統或設施可以減少用水、重復用水，哪些分系統或設施的排水處理后可以回用，優化用水流程，改進廢水處理方式，使有限的水資源在火電廠發揮更大的經濟和社會效益。

Environmental Pollution and Water Resources Utilization in Coal-f i red Power Industry

SHEN Ming-zhong, HAN Mai-liang
(China Huadian Engineering (Group) Co., Ltd, Beijing 100035, China)

The paper discusses the impact of power source construction on environmental protection and water resources shortage, puts forward the strategic considerations in developing water resource reserves in accordance with the overall development and distribution of power source. The paper makes suggestions that the construction of new power source could use urban sewage and mine water for the water use of thermal power plant construction and the seaside power plant could adopt the integrated construction mode for electricity, heat and water so as to realize circular economy.

coal- fi red power plant; water reserves; urban sewage; seawater desalination; mine water

X317

A

1006-5377（2011）01-0043-06