燃煤的污染与控制

陈龙

摘 要：煤炭是一种重要的能源，煤燃烧引发的技术和环境问题是全世界共同面临的难题。煤燃烧机理、煤燃烧过程中污染物的形成、排放和抑制规律、新型煤燃烧技术和低费用的污染控制技术等是煤燃烧领域重点研究的内容。针对煤燃烧对大气的污染现状及污染控制技术进行了分析，并提出了污染控制的研究方向。

关键词：燃煤;污染控制;洁净煤

1 我国煤的地位

地球上的煤炭资源相对充足，分布广泛且具有经济优势，所以早已被作为最重要的燃料使用。我国更是如此，煤炭作为主要能源，占到一次能源消费总量的75%以上。尽管预测到2050年煤炭消费比重将下降到50%左右，但消费的绝对量还是呈增加趋势，即在相当长的时期内，以煤炭为主的能源结构在我国的地位不会改变，但随着环保标准越来越严格，可再生能源的开发和利用，煤炭在能源构成中所占的比例会有所下降。中国目前已成为世界上最大的煤炭生产国，煤炭产量占世界总产量的三分之一，而且我国还是世界上煤炭出口大国，煤炭出口量占世界总出口量的11%。

2 燃烧产生的污染物

燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，是人们利用能源的最主要方式。煤燃烧是煤炭利用的主要方式，煤燃烧时会排出大量SOx、NOx、CO2、重金属、可吸入粉尘等有毒有害物质，还会产生噪声污染、热污染和铅污染等。它们对生态环境造成了严重的破坏，妨害着人们的健康，动植物的生长，甚至整个生态的平衡。因此必须对它们加以控制。我国煤炭的消费是直接燃烧，煤炭的直接燃烧造成我国大气典型的煤烟型污染。

3 燃烧污染的危害

3.1 SO2污染的状况及危害

我国主要的SO2污染来源有硫酸厂尾气中排放的SO2、有色金属冶炼过程排放的SO2、燃煤烟气中的SO2等三个方面，其中燃煤烟气中的SO2仍是污染的主要来源。我国煤炭多为高硫煤（含硫量大于2%），其贮量约占煤炭总贮量的20%～25%。在全国煤炭的消费中，占总量约84%的煤炭被直接燃用，燃烧过程中排出大量的SO2，使我国成为三大酸雨区之首。

3.2 CO2的污染现状及危害

煤炭中质量百分含量最高的元素就是碳元素，在煤炭燃烧时碳完全氧化产生CO2，不完全燃烧则生成CO。其中CO2是造成地球温室效应的主要原因。由于温室效应导致了地球温度上升、两极冰雪融化、海平面上升、陆地被淹没等不可估量的损失。大气的中CO2浓度从1870年的300mL/m3升到了1990年的355mL/m3，增加量为55mL/m3。其中，煤炭燃烧产生的CO2占了绝大数。

3.3 NOx污染的现状及危害

燃煤过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。通常把这几种氮氧化物称为NOx。燃煤電站锅炉是NOx的主要排放源。2000年全国电站锅炉NOx的平均排放浓度为750mg/m3，NOx排放总量为258.02万t。据预测到2010年NOx排放总量将比2000年增长136万t左右。NOx对植物有损害，对动物有致毒作用。大气中NOx和挥发性有机物在太阳光照射下经过一系列复杂的光化学反应，就会产生毒性很大的光化学烟雾。而且NOx能形成酸雨，造成水污染，还能破坏臭氧层，对全球气候变化产生极为不利的影响。因此，需提高煤的燃烧效率，控制氮氧化物的排放。

4 综合防治技术

4.1 NOx控制技术

煤燃烧过程中产生的NOx主要是NO、NO2和少量N2O，其生成量和排放量与煤燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件密切相关。用改变燃烧条件的方法来减少NOx的生成是目前采用最广的方法，如低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器，也有在炉膛上部向炉膛喷水蒸汽、喷射二次燃料和喷氨等来还原已生成的NOx，降低NOx排放量。一般情况下低NOx燃烧技术最多只能降低50%的NOx排放量，当要求锅炉的NOx降低率超过40%才能满足排放标准时，就必须考虑烟气脱硝技术，烟气脱硝技术主要有干式和湿式两种，干式技术有采用催化剂促进NOx还原反应的选择性催化脱硫法、电子束照射法和同时脱硫脱硝法等，湿式技术目前主要是利用烟气脱硫系统在脱硫的同时实现脱硝。但无论那一种烟气脱硝技术都存在运行费用高的问题，制约了应用。

4.2 SOx控制技术

4.2.1 炉前脱硫

炉前脱硫又称燃烧前脱硫。煤脱硫技术大致可分为物理法、化学法和生物法。物理法就是利用煤中有机质和黄铁矿的物理性质的差异来实现硫的分离;化学法是利用不同的化学反应将煤中的硫转化成不同形态而分离;生物法是利用生物方法来脱硫

4.2.2 炉内脱硫

炉内脱硫又称燃烧中脱硫。在煤粉燃烧的过程中同时投入一定量的脱硫剂将SO2脱除。目前主要采用常压循环流化床锅炉（CFBC）、加压循环流化床锅炉（PFBC）等技术。其原理是在煤炭的燃烧过程中掺入脱硫剂，通常为睡灰石之类，使煤炭中的硫（SO2）与脱硫剂中的成分（CaO）反应生成难溶盐CaSO4而达到固硫的目的。固硫技术主要有型煤固硫技术和流化床燃烧固硫技术。流化床燃烧固硫技术是把煤和吸收剂加入燃烧室内的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮，进行燃烧流化形成湍流混合条件，从而将燃烧效率提高到97%～99%;石灰石固硫效率可达70%～90%;还可使NOx生成量大大减少。该方法占地少、投资和运行费用较低，比较适合于中小型火电厂的脱硫。

4.2.3 炉后脱硫

炉后脱硫又称燃烧后烟气脱硫。它是目前国内外应用最广、脱硫效果最好、技术最为成熟的控制SO2的主要技术手段。它的实施能使SO2减排90%以上。烟气脱硫按脱硫产物的干湿形态可分为干法、半干法和湿法三大类。

4.3 CO2控制技术

①基于CaO碳酸化--煅烧循环的CO2分离技术。它是使用CaO与CO2反应以及生成产物CaCO3的煅烧这个循环过程来捕捉烟气中的CO2。这种技术可以用于燃烧烟气中CO2的分离，也可以用于气化过程中CO2的分离;②O2/CO2循环燃烧技术。针对燃煤电厂特点所发展的CO2减排技术是O2/CO2循环燃烧技术。该技术采用纯氧和再循环的烟气代替空气进行助燃，是一种既能直接获得高浓度CO2，又能综合控制燃煤污染排放的新一代煤粉燃烧技术，有巨大的发展潜力;③化学链燃烧技术。该技术具有非常高的能源利用效率，没有NOx释放，而且在使用含碳气体燃料时，燃烧产物仅包含CO2和H2O，只需经过简单的冷凝就能得到高纯度的CO2，从而以较低的能源消耗实现CO2的减排。基于化学链燃烧技术对氧载体性能的要求以及使用金属氧化物作为氧载体时潜在的问题，提出了氧载体材料的新类型-CaSO4，SrSO4，BaSO4，并对其与不同燃料组成的反应系统的热力学以及动力学特性进行了初步研究。

5 结语

我国一次能源的生产和消费结构以煤炭为主，这种能源格局在相当长时间内不会有大的变化。煤的清洁燃烧技术与污染控制技术是实现节能和满足环保要求的有效技术措施。煤燃烧理论、污染防治理论、发展新型的CO2分离技术是煤燃烧领域重点研究的内容，其研究成果是煤的清洁燃烧和污染防治技术的理论基础。我国燃煤电厂应采用高效燃烧技术和发电技术包括增压流化床燃烧技术、整体煤气化联合循环发电技术、蒸汽超临界参数发电技术等，可提高发电热效率3%～6%，也是减排硫氧化物的重要技术。同时改造现有固定床技术，推广流化床技术，发展煤炭地下气化技术和煤气化多联产一体化技术，也可以降低污染物排放。

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