燃煤烟气污染物深度控制技术研究

燃煤烟气污染物深度控制技术研究与应用高翔教授浙江大学能源工程学系能源清洁利用国家重点实验室国家环境保护燃煤大气污染控制工程技术中心2014年8月煤燃烧是造成中国大气污染的主要原因之一世界第一煤炭消费国，2012年消费35.15亿吨(约占全球50%)。燃煤过程排放了大量的烟尘，SO2，NOx，Hg等多种烟气污染物，造成了严重的大气污染问题。大陆“十二五”减排约束性指标：SO2减排8%、NOx减排10%。汞控制规划：2015年比2007年减排15%。国务院发布大气污染防治行动计划:到2017年，PM10比2012年下降10%；重点区域PM2.5减排率:京津冀鲁25%，长三角20%，珠三角15%。世界和中国大陆一次能源消费结构（来源：BP能源统计2013）区域性大气复合污染继续加剧城市空气质量整体污染严重环保部与31省(区、市)签大气污染防治责任书中国大陆煤炭消费占一次化石能源消费的74.46%,是主要的一次化石能源；电力、钢铁及建材等主要用煤行业煤炭消费占煤炭总消费量的65.8%。煤炭消费情况（2011年）一次化石能源消费比例各行业煤炭消费比例煤虽然使用水电、核电、风电和太阳能等新能源可有效地减少污染物排放，但短期内发展潜力有限。2013年总发电量(Generation):53975.9亿千瓦时火电(ThermalPower)发电量42358.7亿千瓦时，约占78.5%;水电(Hydropower)发电量9116.4亿千瓦时，约占16.9%;核电(NuclearPower)发电量1106.3亿千瓦时，约占2.0%;风电(WindPower)、太阳能(SolarPower)等其他发电量共约占2.6%.2013年末发电总装机容量(totalinstalledcapacity):124738万千瓦火电(ThermalPower)装机容量86238万千瓦，约占69.1%;水电(Hydropower)装机容量28002万千瓦，约占22.4%;核电(NuclearPower)装机容量1461万千瓦，约占1.2%;并网风电(WindPower)装机容量7548万千瓦，约占6.1%;并网太阳能(SolarPower)装机容量1479万千瓦，约占1.2%数据来源：国家统计局，2014年2月24日可再生能源短期内发展潜力有限能源消费、污染物排放是造成大面积雾霾重要原因大陆单位面积SO2排放情况（2012）大陆单位面积烟尘排放情况（2012）大陆单位面积NOx排放情况（2012）平均：1.29吨/平方公里平均：2.21吨/平方公里平均：2.44吨/平方公里大陆单位面积煤炭消费情况（2011）平均：446.88吨/平方公里NASA的Terra卫星拍摄2013年12月7日北京上海厚厚的雾霾从北京趋近上海延伸约1200公里中国主要用能行业污染物排放情况(2012年)2012年大陆SO2、NOx和烟(粉)尘排放2117.6万吨、2337.8万吨和1234.3万吨，其中SO2的90.3％、NOx的70.9％、烟尘的83.4％来自火电、钢铁、建材等主要用能行业排放【环境统计年报(2012年)】2012年主要大气污染物排放比例【2012年环境统计年报】0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%二氧化硫氮氧化物烟(粉)尘其他非金属矿物制品业黑色金属冶炼及压延加工业电力、热力生产和供应业2012年重点行业主要大气污染物排放占工业源排放比例【2012年环境统计年报】颗粒物在达到最新污染物排放标准的情景下，工业锅炉的SO2、NOx和PM的吨煤排放强度远高于燃煤电站锅炉。煤炭集中用于污染治理情况较好的燃煤电站，并实行超低排放，其他散烧煤炭用天然气替代，提高燃煤烟气污染物治理水平。煤炭消费行业分散，治理难度大工业锅炉：锅炉大气污染物排放标准（征求意见稿）(2013年8月2日)；燃煤电站锅炉：火电大气污染物排放标准（GB13223-2011）；2012年，中国大陆电力行业耗煤量约占煤炭总消耗量的一半，但仍远低于2010年美国的92％、德国的80％。2005-2011年中美电煤消费及占煤炭消费的比例对比煤炭消费行业分散，治理难度大分用途煤炭消费结构的国际比较OECD国家数据是2010年,中国是2009年；“其他”包括供热、制气、煤炭转换、液化、能源部门自用及损失等.典型耗煤OECD国家多地实施“煤改气”工程单纯“煤改气”能源安全面临挑战2013年天然气表观消费量1676亿立方米（同比增长13.9%），进口量530亿立方米，对外依存度达到31.6%。中缅天然气管线2013年10月开通，年输气能力为120亿立方米中亚天然气管道2012年10月年输气能力达到300亿立方米。2013年9月中土元首签署联合宣言约定到2016年底实现输气能力达到650亿立方米中俄东线管道对中国的年供气量确定为380亿立方米主要是从非洲、中东、澳洲通过海上运输将原油、LNG等送至东部沿海一带我国四大油气战略通道完成主要用能行业点源地理位置分布调研，共收集整理了约17793家企业主要用能行业点源分布图主要固定污染点源分布行业点源数资料来源6MW及以上燃煤电厂19682011电力工业统计资料汇编重点大中型钢铁企业82中国钢铁工业年鉴2012水泥生产企业28992013-2014中国水泥企业大全主要有色金属冶炼企业4100全国有色金属行业名录石化生产企业8744化工生产贸易企业名录2012年，我国人均装机容量约为0.845kW，低于发达国家人均装机容量1kW的水平。目前我国平均每人每年耗电约3646kWh，而发达国家的这一数据普遍在8000kWh左右，美国更是高达1.5万kWh左右。中国电力行业现状截至2012年底，全国发电装机容量达到11.4亿千瓦（火电约占71.5%）。2012年各省份火电机组全口径装机容量（数据来源：中国电力行业年度发展报告2013）中国近年来发电装机情况（数据来源：电力工业统计资料汇编2011，中国电力行业年度发展报告2013）010000200003000040000500006000070000江苏山东内蒙古广东河南山西浙江河北安徽辽宁福建新疆陕西贵州湖北上海湖南黑龙江宁夏吉林甘肃江西四川广西云南天津重庆北京海南青海西藏单位：MW2012年底统计调查范围内火电机组容量结构图中国电力行业现状2012年我国火电行业排放SO2883万吨、NOx948万吨、PM151万吨，分别占全国总排放量的41.7%、40.6%、12.2%。（数据来源：中电联）2012年火电供电标煤耗为325克/吨标煤，较2005年和2000年分别下降45克/吨标煤和67克/吨标煤。2012年火电行业PM、SO2、NOx的排放绩效分别为0.39克/千瓦时、2.26克/千瓦时、2.4克/千瓦时。010020030040050019901991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012单位：克/千瓦时0123456720052006200720082009201020112012单位：克/千瓦时PMSO2NOx中国近年来供电标煤耗变化情况历年火电污染物排放绩效变化情况（数据来源：电力工业统计资料汇编2011，中国电力行业年度发展报告2013）上海(3362kW/km2)天津(982kW/km2)江苏(576kW/km2)浙江（461kW/km2）山东（443kW/km2）北京（365kW/km2）河南（321kW/km2）山西（321kW/km2）中国各省单位国土面积火电装机容量中国各省单位人均火电装机容量（数据来源：中国电力行业年度发展报告2013，中国统计年鉴2013）单位国土面积火电装机容量前八位:宁夏(2.53kW/人)内蒙古(2.42kW/人)山西(1.39kW/人)新疆（1.01kW/人）上海（0.89kW/人）江苏（0.88kW/人）浙江（0.86kW/人）天津（0.79kW/人）单位人均火电装机容量前八位:分区域火电装机容量(2012年)燃煤电站分布不均,高密度地区减排压力很大统计了2011年全国6MW及以上燃煤电厂1968家的机组脱硫、脱硝情况、原煤消耗量、投产日期等运行信息。建立2011年底全国6MW及以上燃煤电厂GIS经纬图。浙江省电厂分布华电国际电力股份有限公司玉环电厂（2006年11月建成投产）•纬度:28.1483；经度:121.2312•装机容量：4×1000MW•2011年发电量：2676830万千瓦时•2011年利用小时数：6692小时•2011年厂用电率：4.3%•2011年发电标准煤耗：276gce/kWh•2011年供电标准煤耗：288gce/kWh•2011年发电耗用原煤量：10840726吨•烟气脱硫方式：石灰石-石膏湿法•烟气脱硝方式：SCR•二氧化硫排放：约8781吨（2011年测算值）中国钢铁行业现状2012年粗钢产量7.17亿吨，占全球46.3%(国家统计局)黑色金属冶炼及压延加工业消耗中国约16.92%的能源(中国能源统计年鉴2012)黑色金属冶炼及压延加工业SO2、NOx、烟（粉）尘的排放量分别为240.6万吨、97.2万吨和181.3万吨，分别占总排放总量的11.4%、4.2%和14.7%（数据来源：2012年环境统计年报）；二恶英排放约占总排放量的1/3数据来源：中国统计年鉴2013主要建材产品水泥（22.1亿吨）、平板玻璃（7.5亿重量箱）、陶瓷砖（96亿平方米）、卫生陶瓷（1.61亿件）等产量多年居世界第一位（2012年数据，中国统计年鉴2013）非金属制品行业排放SO2199.8万吨、NOx274.2万吨、PM255.2万吨，分别占中国大陆总排放的9.4%、11.7%、20.7%（2012年数据，2012年环境统计年报）中国建材行业现状1980-2012年中国水泥和平板玻璃产量情况2012年中国各省水泥和平板玻璃产量情况（数据来源：中国统计年鉴2013）（数据来源：中国统计年鉴2013）中国工业锅炉61.03万台，其中燃煤工业锅炉52.7万台，年耗煤量7.2亿吨工业锅炉平均容量小，容量低于35t/h锅炉台数占95%以上工业锅炉排放烟尘160.1万吨，SO2718.5万吨，NOx271万吨340个地级以上城市工业锅炉概况（2010年全国污染源普查数据）数据来源：锅炉大气污染物排放标准（征求意见稿）编制说明；《中国电器工业年鉴》0153045201020112009200820072001总蒸发量[万吨]1996历年工业锅炉总蒸发量55.04%0.46%12.53%0.11%0.46%13.99%2.98%0.56%13.87%燃煤无烟煤其他煤种煤粉水煤浆油气生物质电余热利用工业锅炉分类占比情况（按燃料分）中国工业锅炉现状能否借鉴美国工业锅炉能源结构模式？美国工业锅炉年耗能约6500TBtu(相当于2.34亿吨标煤)；使用天然气的锅炉数量最多，占总台数的约80%，占总容量的约51%。6000050000400003000020000100000120000010000008000006000004000002000000CoalOilGasWoodBy-Product/Other锅炉台数，台锅炉容量，MMBtu/hrEnergyandEnvironmentalAnalysis,Inc：CharacterizationoftheU.S.Industrial/CommercialBoilerPopulation，2005.05燃气锅炉污染物排放中国环境科学研究院环境标准研究所的姚芝茂等对全国北京市、上海市、新疆自治区、重庆市等17个地区的64台小型燃用天然气锅炉进行调研。NOx排放分布如下图所示，经计算获得NOx排放浓度的算术平均值为243mg/m3据调查我国燃用天然气锅炉NOx排放浓