燃煤污染物的生成与减排

燃煤污染物的生成与减排徐明厚华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室姚洪•1987年华中工学院动力系本科•1994年华中理工大学煤燃烧硕士研究生、博士研究生(中退)•1998-2005日本博士、博士后、助教(期间：2001.9澳大利亚Newcastle大学;2002.9美国Pittsburgh大学;2004.5/2005.6美国Arizona大学;2004.8美国Chicago大学)•2005.9煤燃烧教授•2005.10-11加拿大Alberta大学研究方向:煤燃烧与气化/生物质燃烧与气化/垃圾处理与焚烧/重金属污染控制/颗粒物…..华中科技大学煤燃烧国家重点实验室燃煤排放物•NOx；SOx；粉尘•有毒痕量元素•可吸入颗粒物（PM10）•CO2华中科技大学煤燃烧国家重点实验室报告内容2可吸入颗粒物PM103二氧化碳CO24减排非常规污染物的若干新方法1重金属/Hg华中科技大学煤燃烧国家重点实验室燃煤重金属的污染特点及危害重金属不会因燃烧而消除煤燃烧析出的重金属形态、价态多变,毒性差异大会产生剧毒金属化合物许多重金属有强烈的三致作用,不易生物降解产生毒性效应的浓度低华中科技大学煤燃烧国家重点实验室重金属排放标准（GB16297-1996）华中科技大学煤燃烧国家重点实验室农用粉煤灰中污染物控制标准GB8173-87华中科技大学煤燃烧国家重点实验室煤中重金属的一般含量范围＊＊燃煤痕量元素的排放与控制，郑楚光，徐明厚等著，2002华中科技大学煤燃烧国家重点实验室煤燃烧后重金属的去向极易挥发型,如Hg,As等重金属随烟气进入大气,通过干/湿沉降进入地面,危害陆生生态系统易挥发型,如Cr,Cd,Pb,Zn,Cu等重金属燃烧过程中从煤中析出,当烟气冷却时凝结,富集在颗粒上,最终滞留在飞灰中不易挥发的亲岩元素,如Al、Si等一般滞留在底灰中华中科技大学煤燃烧国家重点实验室Hg0VaporElectronStaticPrecipitator(ESP)33.3%(Solid)SO2Scrubber36.0%(Liquid)Smokestack30.6%(Gas)Pulverizedcoalflame0.1%(Solid)Coal（Service：Yokoyama,T.etal.:CRIEPIRep.,No.ET91002(1991)）PartitionratioofHg1.Elementalmercury(Hg0)→VolatileandInsolublematters2.Biatomicmercury(Hg2+)→HgCl2,HgO,HgSO4,etc.Solublematters3.Organicmercury→HightoxicmattersHg2+Vapor汞在燃烧中的转化华中科技大学煤燃烧国家重点实验室汞在环境中的转化与影响华中科技大学煤燃烧国家重点实验室汞的危害对人体的主要影响对中枢神经系统造成损害，其接触方式有呼吸吸入，皮肤吸附，食物摄入等人体汞中毒一般来自于食用受汞污染的鱼类和其它生物对生态环境的主要影响汞排放到大气、水体、土壤中，在环境中循环，通过食物链引起生物圈中汞的蓄积，对人类及野生动植物造成很大危害华中科技大学煤燃烧国家重点实验室砷中毒直接伤害人的内脏，最终导致癌变砷中毒华中科技大学煤燃烧国家重点实验室初步研究结果燃烧后绝大部分汞存在于烟气和飞灰中，少部分存在于底灰中反应机理（反应动力学）在加入石灰石之后，汞排放会降低*＊浙江大学热能工程研究所华中科技大学煤燃烧国家重点实验室报告内容2可吸入颗粒物PM103二氧化碳CO24减排非常规污染物的若干新方法1重金属/Hg华中科技大学煤燃烧国家重点实验室TSP：总悬浮颗粒物,小于100µmPM10：空气动力学直径小于10µm的颗粒物IP：可吸入颗粒物（漂尘）,PM10PM2.5：空气动力学直径小于2.5µm的颗粒物，又称可入肺颗粒物几个定义TSP(TotalSuspendedParticulate)PM(ParticulateMatter)IP(InhalabeParticulate)华中科技大学煤燃烧国家重点实验室ElectrostaticPrecipitator燃煤电站是最重要的工业污染源之一大量细颗粒排入大气ESP对粗颗粒的除尘效率可高达99%以上，但对PM10的捕获率不高华中科技大学煤燃烧国家重点实验室我国燃煤锅炉颗粒物排放量大约是电厂所用煤粉量的1.2%－1.5%048121620199420002005电站煤炭年消耗量/亿吨3.95.417.0发电用煤量华中科技大学煤燃烧国家重点实验室中国环境科学研究院北京1997夏季PM10未知源12％海盐2％建筑材料4％汽车尾气41％尘土21％煤飞灰21％北京1997冬春季PM10未知源14％海盐1％建筑材料4％汽车尾气32％尘土13％煤飞灰36％上海1999年平均PM2.5同济大学未知源13％重油燃烧3％煤飞灰21％汽车尾气18％二次颗粒物16％尘土29％源解析83%SO2优5%12%春季可吸入颗粒物优SO2NO255%12%2%31%冬季颗粒物对城市空气质量的影响华中科技大学煤燃烧国家重点实验室60150180203050100150200250天数50年代70年代80年代1994年北京市区全年能见度低于4km的天数颗粒物对大气能见度的影响华中科技大学煤燃烧国家重点实验室研究结论1燃煤的贡献率对TSP为33%；对PM10为35%；对PM2.5为35%不同粒径占TSP的比例(数量)PM10占TSP的82%；PM2.5占TSP的63%富集特性颗粒物中Ba、P、As、Cd、Pb等有害物质70%-80%富集在PM10和PM2.5的颗粒物中1中国环境科学研究院华中科技大学煤燃烧国家重点实验室微细颗粒的危害：大颗粒(PM2.5-10)•收集于鼻、咽、气管，不可入肺小颗粒（PM2.5）•可入肺•富集有毒重金属对多个城市的调查表明PM2.5与神经系统发病率有直接相关性Dockeryetal(1993),NEnglJMed:329(24),1753.微细颗粒对人体的危害华中科技大学煤燃烧国家重点实验室PM10呈相似的双峰分布，峰值分别在0.1和4.3μm附近。0.010.11100501100℃1250℃1400℃mg/m3Dp(um)PM10的粒径分布研究结论11华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室PM10排放浓度变化（1400℃）PM10排放浓度变化（63µm）研究结论1煤粉粒径越小，生成的PM10也越多随着温度的升高，PM10排放浓度增加相同温度下，随氧气含量提高，PM10排放浓度明显增加1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室无机元素化合物在PM中多呈双峰分布，Si、Al是超微米颗粒物的主要组成元素，而亚微米颗粒物多由碱金属、碱土金属的硫酸盐构成。这是由不同的形成机理决定的。0.11100200040006000800010000AL2O31100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.11100200040006000800010000SiO21100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.111001000020000300004000050000SO31100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.11100100200300400500600P2O51100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.1110010002000300040005000600070008000Na2O1100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.11100100200300400500Fe2O31100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.111001002003004005006007008009001000K2O1100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)0.1110-1000100200300400500CaO1100℃1250℃1400℃μg/m3Dp(um)研究结论--无机元素在颗粒物中的分布11华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室除尘器入口PM10的峰值分别在0.1和3.95μm左右，而除尘器出口PM10的峰值分别在0.1和2.36μm左右300MW机组除尘器入口颗粒物质量粒径分布研究结论1300MW机组除尘器出口颗粒物质量粒径分布1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室不同粒径PM10的除尘效率原因：粒径大于1μm的粗颗粒来说，主要是惯性力作用，对于粒径小于0.1μm或更小的细颗粒，则是由布朗运动起决定性作用，而粒径为0.1－1μm左右的颗粒为两种作用的过渡区研究结论11华中科技大学煤燃烧国家重点实验室锅炉B和锅炉C烟气量分别为30万m3/h和15万m3/h，两种除尘器出口处颗粒物排放总量分别为67.66kg/h和50.07kg/h，颗粒物排放量相当巨大。因此，改造目前现有的低效率除尘设备、开发和应用先进除尘设备燃煤电厂大量颗粒物排放显得尤为重要，这也是控制目前我国大气颗粒物污染的有效途径之一。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室其它16.55％难熔性氧化物19.58％碱金属氧化物43.25％SO320.62％其它2.40％难熔性氧化物83.58％碱金属氧化物6.51％SO37.51％亚微米颗粒粗颗粒结论：亚微米颗粒物中主要为碱金属、硫酸盐；粗颗粒物中难熔氧化物占据主导地位研究结论—300MW锅炉亚微米颗粒和粗颗粒的化学组成11华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室典型的小雨、中雨和大雨过程对中等尺度气溶胶的湿去除效果均不理想,但都可以有效地湿去除大尺度气溶胶(2μm)和小尺度气溶胶(0.01μm)3种降雨类型对大尺度气溶胶的湿去除效果均依次好于小尺度气溶胶和中等尺度气溶胶对于任何尺度的气溶胶,雨强的增加将有利于它的湿沉降研究结论—雨强对气溶胶湿去除的影响分析11华中科技大学煤燃烧国家重点实验室华中科技大学煤燃烧国家重点实验室在降雨量一定的情况下，对于对数正态雨滴尺度谱的(人工喷淋)降雨过程，雨滴几何平均尺度越小，或者雨滴几何标准偏差越小，越有利于小尺度和中等尺度气溶胶的湿沉降，而稍微不利于大尺度气溶胶的湿沉降启发：对于人工喷淋装置，在喷水量一定的情况下，通过调整喷淋设备，使得水滴越小和越均匀，将有利于提高可吸入颗粒物的脱除效率1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室研究结论—雨滴谱对气溶胶湿沉降的影响分析1华中科技大学煤燃烧国家重点实验室燃烧烟气中可吸入颗粒物源的脱除技术光、热、电、声、化学吸附、过滤等技术的改进与组合大气中可吸入颗粒物的清除技术室内可吸入颗粒物的清除技术改进燃烧过程控制可吸入颗粒物的形成可吸入颗粒物控制技术的可能方向华中科技大学煤燃烧国家重点实验室报告内容2可吸入颗粒物PM103二氧化碳CO24减排非常规污染物的若干新方法1重金属/Hg华中科技大学煤燃烧国家重点实验室国家CO2排放(Mtc)1990199720102020美国1345148017871979中国62082214572091前苏联1034646728875日本274297331354全世界58366175814610,009Source:EnergyInformationAdministration/InternationalEnergyOutlook2000世界CO2排放状况华中科技大学煤燃烧国家重点实验室海平面上升与陆地淹没气候带的移动飓风的加剧植被的迁徙与物种灭绝洋流的变化与厄尔尼诺雨型的改变；近50年的气候变暖主要由人类使用化石燃料排放的大量CO2等温室气体的增温效应造成的。全球变暖的影响华中科技大学煤燃烧国家重点实验室（a）自然因素（太阳活动、火山喷发等）的影响（b）人类活动产生的气体和微粒的影响地球温升和温室气体华中科技大学煤燃烧