燃煤的污染與控制

陳龍

摘 要：煤炭是一種重要的能源，煤燃燒引發的技術和環境問題是全世界共同面臨的難題。煤燃燒機理、煤燃燒過程中污染物的形成、排放和抑制規律、新型煤燃燒技術和低費用的污染控制技術等是煤燃燒領域重點研究的內容。針對煤燃燒對大氣的污染現狀及污染控制技術進行了分析，并提出了污染控制的研究方向。

關鍵詞：燃煤;污染控制;潔凈煤

1 我國煤的地位

地球上的煤炭資源相對充足，分布廣泛且具有經濟優勢，所以早已被作為最重要的燃料使用。我國更是如此，煤炭作為主要能源，占到一次能源消費總量的75%以上。盡管預測到2050年煤炭消費比重將下降到50%左右，但消費的絕對量還是呈增加趨勢，即在相當長的時期內，以煤炭為主的能源結構在我國的地位不會改變，但隨著環保標準越來越嚴格，可再生能源的開發和利用，煤炭在能源構成中所占的比例會有所下降。中國目前已成為世界上最大的煤炭生產國，煤炭產量占世界總產量的三分之一，而且我國還是世界上煤炭出口大國，煤炭出口量占世界總出口量的11%。

2 燃燒產生的污染物

燃燒是物質劇烈氧化而發光、發熱的現象，是人們利用能源的最主要方式。煤燃燒是煤炭利用的主要方式，煤燃燒時會排出大量SOx、NOx、CO2、重金屬、可吸入粉塵等有毒有害物質，還會產生噪聲污染、熱污染和鉛污染等。它們對生態環境造成了嚴重的破壞，妨害著人們的健康，動植物的生長，甚至整個生態的平衡。因此必須對它們加以控制。我國煤炭的消費是直接燃燒，煤炭的直接燃燒造成我國大氣典型的煤煙型污染。

3 燃燒污染的危害

3.1 SO2污染的狀況及危害

我國主要的SO2污染來源有硫酸廠尾氣中排放的SO2、有色金屬冶煉過程排放的SO2、燃煤煙氣中的SO2等三個方面，其中燃煤煙氣中的SO2仍是污染的主要來源。我國煤炭多為高硫煤（含硫量大于2%），其貯量約占煤炭總貯量的20%～25%。在全國煤炭的消費中，占總量約84%的煤炭被直接燃用，燃燒過程中排出大量的SO2，使我國成為三大酸雨區之首。

3.2 CO2的污染現狀及危害

煤炭中質量百分含量最高的元素就是碳元素，在煤炭燃燒時碳完全氧化產生CO2，不完全燃燒則生成CO。其中CO2是造成地球溫室效應的主要原因。由于溫室效應導致了地球溫度上升、兩極冰雪融化、海平面上升、陸地被淹沒等不可估量的損失。大氣的中CO2濃度從1870年的300mL/m3升到了1990年的355mL/m3，增加量為55mL/m3。其中，煤炭燃燒產生的CO2占了絕大數。

3.3 NOx污染的現狀及危害

燃煤過程中生成的氮氧化物，其中NO占90%以上，NO2占5%～10%，而N2O只占1%左右。通常把這幾種氮氧化物稱為NOx。燃煤電站鍋爐是NOx的主要排放源。2000年全國電站鍋爐NOx的平均排放濃度為750mg/m3，NOx排放總量為258.02萬t。據預測到2010年NOx排放總量將比2000年增長136萬t左右。NOx對植物有損害，對動物有致毒作用。大氣中NOx和揮發性有機物在太陽光照射下經過一系列復雜的光化學反應，就會產生毒性很大的光化學煙霧。而且NOx能形成酸雨，造成水污染，還能破壞臭氧層，對全球氣候變化產生極為不利的影響。因此，需提高煤的燃燒效率，控制氮氧化物的排放。

4 綜合防治技術

4.1 NOx控制技術

煤燃燒過程中產生的NOx主要是NO、NO2和少量N2O，其生成量和排放量與煤燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件密切相關。用改變燃燒條件的方法來減少NOx的生成是目前采用最廣的方法，如低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環、低NOx燃燒器，也有在爐膛上部向爐膛噴水蒸汽、噴射二次燃料和噴氨等來還原已生成的NOx，降低NOx排放量。一般情況下低NOx燃燒技術最多只能降低50%的NOx排放量，當要求鍋爐的NOx降低率超過40%才能滿足排放標準時，就必須考慮煙氣脫硝技術，煙氣脫硝技術主要有干式和濕式兩種，干式技術有采用催化劑促進NOx還原反應的選擇性催化脫硫法、電子束照射法和同時脫硫脫硝法等，濕式技術目前主要是利用煙氣脫硫系統在脫硫的同時實現脫硝。但無論那一種煙氣脫硝技術都存在運行費用高的問題，制約了應用。

4.2 SOx控制技術

4.2.1 爐前脫硫

爐前脫硫又稱燃燒前脫硫。煤脫硫技術大致可分為物理法、化學法和生物法。物理法就是利用煤中有機質和黃鐵礦的物理性質的差異來實現硫的分離;化學法是利用不同的化學反應將煤中的硫轉化成不同形態而分離;生物法是利用生物方法來脫硫

4.2.2 爐內脫硫

爐內脫硫又稱燃燒中脫硫。在煤粉燃燒的過程中同時投入一定量的脫硫劑將SO2脫除。目前主要采用常壓循環流化床鍋爐（CFBC）、加壓循環流化床鍋爐（PFBC）等技術。其原理是在煤炭的燃燒過程中摻入脫硫劑，通常為睡灰石之類，使煤炭中的硫（SO2）與脫硫劑中的成分（CaO）反應生成難溶鹽CaSO4而達到固硫的目的。固硫技術主要有型煤固硫技術和流化床燃燒固硫技術。流化床燃燒固硫技術是把煤和吸收劑加入燃燒室內的床層中，從爐底鼓風使床層懸浮，進行燃燒流化形成湍流混合條件，從而將燃燒效率提高到97%～99%;石灰石固硫效率可達70%～90%;還可使NOx生成量大大減少。該方法占地少、投資和運行費用較低，比較適合于中小型火電廠的脫硫。

4.2.3 爐后脫硫

爐后脫硫又稱燃燒后煙氣脫硫。它是目前國內外應用最廣、脫硫效果最好、技術最為成熟的控制SO2的主要技術手段。它的實施能使SO2減排90%以上。煙氣脫硫按脫硫產物的干濕形態可分為干法、半干法和濕法三大類。

4.3 CO2控制技術

①基于CaO碳酸化--煅燒循環的CO2分離技術。它是使用CaO與CO2反應以及生成產物CaCO3的煅燒這個循環過程來捕捉煙氣中的CO2。這種技術可以用于燃燒煙氣中CO2的分離，也可以用于氣化過程中CO2的分離;②O2/CO2循環燃燒技術。針對燃煤電廠特點所發展的CO2減排技術是O2/CO2循環燃燒技術。該技術采用純氧和再循環的煙氣代替空氣進行助燃，是一種既能直接獲得高濃度CO2，又能綜合控制燃煤污染排放的新一代煤粉燃燒技術，有巨大的發展潛力;③化學鏈燃燒技術。該技術具有非常高的能源利用效率，沒有NOx釋放，而且在使用含碳氣體燃料時，燃燒產物僅包含CO2和H2O，只需經過簡單的冷凝就能得到高純度的CO2，從而以較低的能源消耗實現CO2的減排。基于化學鏈燃燒技術對氧載體性能的要求以及使用金屬氧化物作為氧載體時潛在的問題，提出了氧載體材料的新類型-CaSO4，SrSO4，BaSO4，并對其與不同燃料組成的反應系統的熱力學以及動力學特性進行了初步研究。

5 結語

我國一次能源的生產和消費結構以煤炭為主，這種能源格局在相當長時間內不會有大的變化。煤的清潔燃燒技術與污染控制技術是實現節能和滿足環保要求的有效技術措施。煤燃燒理論、污染防治理論、發展新型的CO2分離技術是煤燃燒領域重點研究的內容，其研究成果是煤的清潔燃燒和污染防治技術的理論基礎。我國燃煤電廠應采用高效燃燒技術和發電技術包括增壓流化床燃燒技術、整體煤氣化聯合循環發電技術、蒸汽超臨界參數發電技術等，可提高發電熱效率3%～6%，也是減排硫氧化物的重要技術。同時改造現有固定床技術，推廣流化床技術，發展煤炭地下氣化技術和煤氣化多聯產一體化技術，也可以降低污染物排放。

參考文獻：

[1]周桂銓.重視煤炭環境污染發展潔凈煤技術[J].礦業安全與環保，2003，10.

[2]趙果然，石艷君.低NOx燃燒技術綜述[J].鍋爐制造，2003.

[3]李駿，徐敏，劉豪，等.O2/CO2氣氛下CH4火焰溫度特性的實驗研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2002，10.

[4]張明旭.煤泥水處理[M].徐州：中國礦業大學出版社，2000.