火力发电行业的环境污染与水资源利用

沈明忠，韩买良

(中国华电工程（集团）有限公司，北京 100035)

火力发电行业的环境污染与水资源利用

沈明忠，韩买良

(中国华电工程（集团）有限公司，北京 100035)

讨论了电源点建设所面临的环境保护和水资源紧缺的影响，提出根据电源点总体发展和分布，科学制定水资源储备战略思路。建议新的电源点建设可以规划采用城市污水、矿井水等作为火力发电厂项目建设的用水发展方向，海滨电厂可以采用电、热、水一体的建设模式，实现循环经济。

火力发电厂;水资源储备;城市污水;海水淡化;矿井水

1 概述

水是人类生命之源，水资源是人类赖以生存的最宝贵的而且是不可替代的资源。当前水资源紧缺的问题日益突出使人们感到不安，促使人们加强思考，努力在实践的基础上总结并探求水资源工作的理论和方法。电力企业是国民经济的重要组成部分和支柱产业，对促进经济增长、推进技术创新发挥的作用越来越大，成为推动生产力发展、建设和谐社会的重要力量。当前国内电源项目以火力发电为主，很多煤炭资源丰富的地方因水资源匮乏，原始资源型缺水问题日益突出，耗水量多少直接影响到电厂的经济效益，寻求新的水源也迫在眉睫。另外，供水的可靠性对于电厂十分重要，在未来的电厂建设中，必须有一定的可靠并稳定的水资源储备。

2 我国水资源分布及利用情况

水资源主要由地表水和地下水构成，2004—2008年，我国水资源总量整体呈增加趋势，2008年达到27,434亿立方米，其中地表水是主要水资源，2008年，地表水资源量为26,377亿立方米，地下水资源量为8122亿立方米。2008年我国各地区水资源总量分布见图1。

2004—2008年，我国用水总量呈逐年上升趋势，2008年达到5910亿立方米，同比增长1.57%，比2004年的5547.8亿立方米多出约363亿立方米。

2008年，我国农业用水量达到3663.5亿立方米，工业用水量为1397.1亿立方米，生活用水量为729.3亿立方米，生态用水量为120.2亿立方米。农业为我国用水的主要领域。2004—2008年全国用水量变化情况见表1。

图1 2008年我国各地区水资源总量分布

表1 2004—2008年全国用水量变化情况

3 我国水资源的质量状况及主要污染源

3.1 水资源质量状况

2008年对全国10个水资源一级区的主要河流或河段水质状况按全年、汛期、非汛期进行了监测评价，与2007年相比，全年Ⅰ～Ⅲ类水河长比例上升了1.7个百分点，主要超标项目是高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、五日生化需氧量和挥发酚。2008年全国河流水资源质量评价结果见图2。

图2 2008年全国河流全年水质类别比例

从东、中、西地区分布看，我国西部地区河流水质好于中部地区，中部地区好于东部地区，东部地区水质相对较差。

2008年对全国44个重点湖泊的18,356.2平方千米水面进行了水资源质量状况评价，与2007年相比，水质为Ⅰ～Ⅲ类的湖泊个数比例和水面面积比例均有增加。

3.2 主要污染源

2004—2008年我国生活污水排放量呈逐年上升趋势，2008年排放总量达到3,300,290万吨，同比增长6.39%，比2004年多出约690,000万吨。

“十一五”以来，我国工业污水的排放量得到较为有效的控制，2008年工业污水排放量达到2,416,511万吨，同比下降2.03%，与2005年相比，排放量减少约15,000万吨。2004—2008年我国工业废水排放情况见表2。

表2 2004—2008年我国工业废水排放情况

“十一五”期间，工业污水中化学需氧量排放量、氨氮排放量均呈快速下降趋势，2008年分别下降到457.58万吨和29.69万吨。

4 火力发电厂水耗及环境污染情况

4.1 火力发电厂水耗情况

2000年以来，我国火力发电行业环保政策日趋严格，火电行业发电耗水量、排污量逐年递减，单位发电耗水量从2000年的4.1千克/千瓦时下降到2008年的2.8千克/千瓦时，下降比例达到31.71%；单位发电排污量从2000年的1.38千克/千瓦时，下降到2008年的0.6千克/千瓦时，下降比例为56.52%（见图3）。

图3 2000—2008年我国火电单位发电耗水量及排污量变化情况

随着单位发电耗水量及排污量的下降，我国火电耗水量和废水排放量增速下降，2008年耗水量为778,204万吨，同比2007年减少11,447万吨；2008年火力发电废水排放量为166,758万吨，同比减少23,847万吨（见图4）。

图4 2004—2008年我国火力发电厂耗水量及废水排放量变化情况

4.2 火力发电厂的环境污染

在燃煤电厂的生产工艺环节中，煤炭燃烧将会向大气、水体和土壤排放各种污染物质，并对生态环境造成一定影响，主要污染类别包括：大气污染物、水污染物、固体废弃物和噪声。详见表3。

表3 火电厂主要环境污染因素

4.2.1 气体污染及影响

燃煤电厂大气污染物排放主要来源于锅炉，从烟囱高空排放的主要污染物是颗粒物、SO2、NOX、CO和CO2，而重金属、未燃烧的碳氢化合物、挥发性有机化合物等物质的排放量较小。另外，烟气脱硝系统中还原剂液氨/氨气在运行过程中的氨逃逸也会对大气环境产生不良影响。

（1）硫氧化物

硫氧化物排放主要是由于煤中硫的存在而产生的。硫在煤炭中是以无机硫或有机硫的形式存在的，燃烧过程中绝大多数硫氧化物是以SO2的形式产生并排放的。此外还有极少部分被氧化为SO3，SO3会被吸附到颗粒物上，因此SO3会增加细粒子PM10/PM2.5的排放。

（2）氮氧化物

煤炭燃烧过程中排放的NOX是NO和NO2的混合物。NOX的形成主要包括热力型NOX和燃料型NOX，热力型NOX的形成与燃烧温度密切相关，燃料型NOX的形成主要取决于燃料的含N量。我国燃煤电厂煤炭含N量多在2.0%以下。

（3）颗粒物（烟尘）

烟尘排放与锅炉炉型、煤炭灰分及烟尘控制技术有关。由于燃煤电厂多为煤粉炉，也有部分流化床锅炉，这些锅炉产生的飞灰量较大，因此烟尘排放的初始浓度较高（大多在10～30克/立方米之间）。电厂采用的四电场/五电场电除尘器、袋式除尘器和电袋复合式除尘器的除尘效率较高，设计除尘效率一般在99.8%以上。

（4）重金属

重金属排放是由于煤炭中含有重金属成分，大部分重金属（砷、镉、铬、铜、汞、镍、铅、硒、锌、钒）都以颗粒物的化合物（如氧化物）形式排放。而煤中的重金属含量通常比石油和天然气燃料中的重金属含量高几个数量级。

（5）碳氧化物（CO、CO2）

CO是燃烧的中间产物，电厂运行中要尽量减少CO的形成，因为CO含量的增加会带来热效率的损失和腐蚀风险的增加。

燃煤电厂煤炭燃烧产生的主要碳氧化物是CO2，它也是温室气体的主要来源之一。CO2排放与燃料中的含碳量直接相关。

4.2.2 水污染及影响

燃煤电厂会向河流、湖泊及海洋环境排放废水（包括冷却水），这些排放水可能会带来水资源污染问题。废水主要是来源于凝汽器的外排冷却水，主要污染是热污染，另外还有少量的污水，来源于含油污水、输煤系统排水、锅炉酸洗废水、酸碱废水、脱硫废水和生活污水等，主要污染物是有机物、金属及其盐类和颗粒物。

2004—2005年，我国火力发电的废水排放量快速增加，2005年达到202,686万吨，随着单位发电量废水排放量的逐年下降，2006年开始，我国火电废水排放量开始逐步下降，2008年降至166,758万吨，同比2007年减少12.51%（见图3和图4）。

4.2.3 固体废弃物

（1）底灰和炉渣

底灰不可燃，会积存到锅炉底部并保持疏松灰的形式。若燃烧温度超过灰熔点，则以炉渣形式存在。

（2）飞灰

飞灰是随着烟气从锅炉排出的不可燃物质，飞灰经除尘设备去除并收集，同时在锅炉的其他部位（如省煤器和空气预热器）中收集。

（3）脱硫残渣和副产品

烟气脱硫设备会产生脱硫残渣和副产品。如石灰石-石膏湿法脱硫装置会产生石膏副产品，干法脱硫系统会产生未反应的吸收剂（如石灰、石灰石、碳酸钠、碳酸钙）、硫酸盐和飞灰的混合物残渣。

（4）水处理污泥

在电厂补给水处理和废水处理中都会产生水处理污泥，其中废水处理污泥由于含有重金属，属危险废物。

（5）SCR脱硝工艺催化剂

在SCR脱硝工艺中使用的催化剂由于会失效，因此在使用几年后需要定期更换。这些催化剂由于含有重金属，也属危险废物。

5 我国火力发电行业水资源危机及节水降耗工作

目前，包括江苏、山东、浙江、河南、河北、山西、内蒙古等在内的我国主要火电装机省份均属于火电水资源危机严重区域，涉及装机容量达24,658万千瓦，占到总容量的41%（见表4），因此火力发电行业开展节水降耗工作、推广节水技术、发展新水源等任务已经刻不容缓。

表4 严重火电水资源危机区域装机容量及占比

火电厂节水一方面是要促使系统耗水量的减少；另一方面是要使系统的取水量减少。

从取水方面来看，火电建设要充分考虑当地的水源条件，严重缺水地区应大力推广直接空冷、间接空冷等无水冷却技术，同时提高城市中水、矿坑水的利用率；在沿海缺淡水地区，应推广海水直流或海水循环冷却技术，淡水严重匮乏的城市应同时加强海水淡化技术的应用。不同地区火电取水的合理选择见表5。

从减少水耗方面来看，应着重从以下几个方面着手：

（1）大力发展循环用水系统、串联用水系统和回用水系统，提高水的重复利用率；

（2）推广浓缩倍数大于4.0的水处理运行技术，提高循环冷却水的浓缩倍数，实现循环冷却水系统零排放，或使其排污量相当于冲灰水量；

表5 不同地区火电取水的合理选择

（3）推广浓浆成套输灰、干除灰、冲灰水回收利用等节水技术和设备；

（4）推广没有污水外排的水工工艺系统，实现废水零排放；

（5）新上项目要加强节水管理，减少非生产水消耗。

多种节水技术联合使用已经成为火电厂节水技术的发展趋势，但火电厂节水涉及到电厂锅炉、汽轮机、水工、化学、除灰及环保等专业，是一项系统工程，从设计至投运各个环节不但要考虑环境的承受力，也要考虑经济效益，必须做到电力发展与环境保护相协调。所以火电厂节水不能一概而论，需结合每个电厂节水技术的具体情况，合理采用各种节水技术。

6 解决水资源危机的途径

2004年6月16日，国家发改委发布了《关于燃煤电站项目规划和建设有关要求的通知》（发改能源[2004]864号），要求高度重视节约用水，鼓励新建、扩建燃煤电站项目采用新技术、新工艺，降低用水量。对于扩建火电厂项目，应对该火电厂中已投运机组进行节水改造，尽量做到发电增容不增水。在北方缺水地区，新建、扩建火电厂禁止取用地下水，严格控制使用地表水，鼓励利用城市污水处理厂的中水或其它废水。原则上应建设大型空冷机组，机组耗水指标要控制在0.38立方米/秒 . 百万千瓦以下。鼓励沿海缺水地区利用火电厂余热进行海水淡化等。

在过去的5年中，各电力集团公司在基本建设、节能节电、能源替代等方面取得了初步成效。通过全面、持续的节能工作，发电煤耗大幅降低。随着经济和环境的变化，必须清醒地认识到，新的电源点的建设面临电力市场、环境保护和水资源紧缺等因素的影响。为此，要高度重视解决供水问题，才能保证电力建设的顺利发展。供水的可靠性对于火电厂十分重要，在未来的火电厂建设中，必须掌握一定可靠的、稳定的水资源储备。

6.1 发展城市污水作为火力发电厂的水资源战略

当前，很多煤炭资源丰富的地方因水资源匮乏，原始资源型缺水问题日益突出，火电厂寻求新的水源也迫在眉睫。可以规划采用城市污水作为火力发电厂项目建设用水的发展方向，根据电源点的总体发展和分布，既谋现在，更谋长远的科学制定水资源储备战略。例如，积极探索采用BOT形式投资市政水务行业，占领未来宝贵的中水资源，不仅可以作为一个产业获取不低于电力投资的利润，还可以为新建火电厂做好水源储备，为现有火电厂提供经济可靠的备用水源。

因此，如何参考国外成熟可靠的城市污水回用技术以及我国现有的经验，将城市污水回用于火电厂用水量最大的冷却水和冲灰用水部分，必将是今后缓解由于水资源的短缺而制约火电发展的一个很有前途的突破口。另一方面，随着城市规模的不断扩大和人民生活水平的不断提高，大量城市污水外排，既污染了环境，又浪费了资源。城市污水作为新开发的再生水源具有水量大而稳定的特点，是一种比较可靠的水资源，而且水价便宜。尤其是布置在城市周围的火电厂，使用城市污水不需要长距离引水，可以节省大量的引水工程费用。因此，城市再生水再利用具有很好的环境效益、社会效益和经济效益。火电厂应充分利用城市污水处理厂生产的中水和其他技术经济可利用的废水（如矿井涌水），使火电厂原则上做到水的零排放。

未来我国的供水和污水市场需求巨大。国民经济持续快速发展，城镇化水平不断提高，环保力度逐渐加大，水价逐渐理顺，整个水务政策体系逐渐完善，市场机制逐步引入，环境保护的力度加大促进了污水处理行业的发展，水价改革将带来巨大的商机。我国“十一五”规划中明确提出2010年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%，“十一五”期末全国的污水处理率要达到70%。国务院《节能减排综合性工作方案》提出，“十一五”期间新增城市污水日处理能力4500万吨、再生水日利用能力680万吨，实现重点行业节水31亿立方米，新增海水淡化能力90万立方米/天，新增矿井水利用量26亿立方米。

日本、美国将污水回用于电厂冷却领域已有三十年的历史。根据国家“七五”、“八五”科技攻关经验，中水应用已取得重大突破，中水在各集团公司火电厂也得到了普遍应用。例如，邹县电厂四期工程将邹城市污水处理厂的二级排污水和本厂内的生活污水、工业废水集中起来，经按质分项深度处理后用于循环水系统，系统设计水量为10万立方米/天。邹县、潍坊、河西火电厂等中水的利用也为电厂水资源的开发提供了宝贵的经验和进一步发展的前景。

全国污水量及处理率预测见表6。

表6 全国污水量及处理率预测

6.2 发展海水淡化在火力发电厂生产中的应用

对沿海城市和地区，向海洋要水，是解决我国严重缺水问题的必由之路和有效措施之一。海水利用有两种途径，一是直接利用，以海水代替淡水直接作为工业冷却用水和生活杂用水；二是把海水淡化成淡水供生活和工业用水。

目前世界上淡化水日产量达2700万立方米，主要解决饮用水的供应。从经济上看，由于资源的紧缺，淡水的消费价格逐年提高，而海水淡化产水的成本价近年来有所下降，随着天然淡水资源消耗，“水取之不尽”的时代已一去不复返，这也为缺水的沿海地区发展海水淡化产业提供了机遇和市场。海滨火电厂可以采用水电一体的建设模式，并可对外提供淡水以及工业盐等附加产品，没有污染物的排放，可实现循环经济。

6.3 矿井水在火力发电厂中的应用

随着国家对矿井水利用的重视，矿井水越来越多地被利用到火力发电厂中。从国家水利部水资源司关于建设火电项目取水情况的数据来看，矿井水的利用率呈上升趋势。2008—2009年上半年，新建火电厂矿井水的取水审批量和所占比重分别达到4107立方米和1.43%，利用比例均较2006、2007年有所提高。2006—2009年上半年流域及省级行政区审查批复建设火电项目矿井水利用比重见表7。

表7 审查批复建设火电项目矿井水利用比重

目前，河南新乡宝山电厂、右玉坑口电厂、南票劣质煤坑口发电厂、山东济宁运河发电有限公司等电厂的新建工程均开始利用矿井水，但从整体来看，全国矿井水在火力发电厂中的利用比例还很低，我国矿井水年排放量已经超过90亿立方米，其在火力发电中的应用还有很大的发展潜力。

6.4 切实作好火力发电厂水务管理工作

目前国内多数火电厂的水务管理仍较薄弱，运行中对节水管理的要求不高。企业应有相应机构加强对所属火电厂用水、节水以及相关技术改造的指导工作。建议采取一体化的水务统筹管理，甚至对各集团对其火电厂的水务采取产业化的统一管理，坚持持续的节水探索和研究，积极主动地为火电厂提供水务和节水工作的管理、投资、运营及技术人员培训服务。完善火电厂用水考核制度、报告汇总制度、技术监督制度及其它相关标准、规范、管理办法，定期组织火电厂水平衡测试及各用水系统水质分析测试，加强对主要供排水系统的监控调节，使火电厂达到用水合理化和管理科学化。

火电厂水务管理包括规划、设计、施工、运行、维护和技术改造等阶段对水的使用进行全面统筹与管理，即通过对水资源总体的合理规划利用，在各项指标的基础上建立高重复利用率的水平衡系统，并在日常运行中有效控制。水务管理涉及电厂中锅炉、汽轮发电机、灰渣、输煤、给排水、电厂化学等多个专业，是综合技术和生产管理的结合。做好水务管理工作的前提是建立水平衡监测体系，配备必要的水计量关口表计，通过水平衡试验，摸清各系统的用水、排水情况及进出水水质的变化，分析影响节水的各种因素，确定哪些分系统或设施可以减少用水、重复用水，哪些分系统或设施的排水处理后可以回用，优化用水流程，改进废水处理方式，使有限的水资源在火电厂发挥更大的经济和社会效益。

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