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燃气与燃煤电厂主要污染物排放估算分析 * 张辉贾思宁范菁菁 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206 摘要 SO2、 NOx 和 CO2是燃气和燃煤电厂排放的主要大气污染物， 以三种污染物排放估算方法为基础， 比较了几种机 组容量下， 燃气机组和燃煤机组污染物的排放量。结果表明 燃气电厂因其在环境保护方面的显著优越性， 是解决电 站环境污染的重要出路。 关键词 燃气机组; 燃煤机组; 大气污染物; 排放估算 THE MAJOR POLLUTANTS ESTIMATE ANALYSIS OF GAS AND COAL POWER PLANTS Zhang HuiJia SiningFan Jingjing Energy Power and Mechanical Engineering Institute of NCEPU，Beijing 102206，China AbstractSO2，NOx and CO2are the major air pollutants in the gas and coal power plants． Based on the estimate of discharge of three kinds of pollutants， it was compared the emissions of pollutants in gas-fired units and coal-fired units of several unit capacities． The results show that the gas power plant by virtue of its significant advantages in environmental protection， is an important way to solve the environmental pollution of power plant． Keywordsgas-fired unit;coal-fired unit;air pollutants;emissions estimate * 华北电力大学博士基金; 北京市环保局标准制定项目。 0引言 国内的许多学者对我国火电厂 CO2、 NOx 和 SO2 排放量计算方法进行了深入的研究， 文献［ 1］基于碳 燃烧反应的质量平衡和设备运行参数， 导出了 CO2 排放量的计算公式， 并在简化后制成了线算图。文献 ［ 2］ 导出了锅炉二氧化碳排放量的计算公式， 揭示了 二氧化碳排放量与锅炉有效热量， 锅炉效率、 锅炉品 质、 锅炉热效率之间的数量关系。文献［ 3］依靠烟气 分析和燃料特性系数的研究， 通过对燃烧机理分析和 基于统计规律的建模， 得出了燃煤电站锅炉温室气体 二氧化碳排放量的预测量。文献［ 4］从火电厂燃料 燃烧的基本特性出发， 阐述了氮氧化物的产生机理， 文献［ 5］ 对 NOx 形成机理进行分析的基础上， 系统地 收集和研究了国内外 NOx 污染控制技术动态， 评价 火电厂不同工况条件下 NOx 的排放水平， 并综合考 虑火电机组特点、 煤质特点、 技术水平， 建立了火电行 业 NOx 排放清单。文献［ 6］阐述了气体燃料燃烧生 成 NOx 的三种类型， 即热力型、 快速型和燃料型。文 献［ 7］ 说明地面燃气 － 蒸汽循环的电厂， 以天然气为 燃料时， 其主要氮氧化物的生成是热力型的， 即随着 燃烧温度的增加， NOx 排放量增加。 无论燃煤电厂还是燃气电厂，NOx、 SO2和 CO2 均为主要的污染物排放， 但是燃料的差异以及燃煤电 厂锅炉与燃气电厂燃气轮机的差异， 使得污染物的具 体排放情况有所差异。 1燃气机组与燃煤机组氮氧化物排放比较 1. 1燃煤电厂排放的氮氧化物 由于 NOx 生成机理复杂， 受到炉型、 装机容量、 燃烧工况、 燃料等多种因素影响， 且空气中的 N2参与 了 NOx 的形成， 因此对 NOx 的排放不能简单地根据 物料平衡进行计算 ［5］。本文采用的是实测法即通过 实际测量烟道气的排放量和烟气中 NOx 浓度， 以此 来计算 NOx 排放量。计算公式为 MNOx QCNOx 1 式中 MNOx为燃煤 燃气 电厂 NOx 排放量; Q 为烟气 排放量 烟气量为标准状态值 ; CNOx为标准状态下排 放的 NOx 质量浓度。 影响燃煤机组 NOx 排放量的有 4 个主要因素 是否采用脱硝设备、 煤种、 燃烧方式、 负荷变化。以文 95 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 献［ 5］ 为基础整理得出不同煤种、 不同机组容量未脱 硝前 NOx 排放量的平均值， 如表 1 所示。目前我国 燃煤机组的脱硝率一般在 70 ～ 90 ， 所以脱硝率 选取 80 作为标准来算得燃煤机组脱硝后的 NOx 排 放量， 如表 2 所示。 表 1不同机组容量下燃煤机组未脱硝前 NOx 的排放量 mg/m3 机组容 量 /MW 烟煤 切圆燃烧墙式燃烧 无烟煤 切圆燃烧墙式燃烧 2002 353. 4412 460. 93 856. 8565 067. 316 3002 322. 0782 297. 3793 016. 4914 278. 567 6001 706. 0251 893. 0883 766. 245 表 2脱硝前后不同机组容量的燃煤机组 NOx 的平均排放量 mg/ kWh 机组容 量 /MW 烟煤 切圆燃烧墙式燃烧 无烟煤 切圆燃烧墙式燃烧 200470. 6882492. 18771. 37131013. 463 300464. 4156459. 4758603. 2982855. 7134 600341. 205378. 6175753. 2491 1. 2燃气电厂排放的氮氧化物 燃气电厂主要燃料为天然气， 是在燃气轮机的燃 烧室里燃烧的， 由于燃机产品基本被国际四大制造商 垄断， 而他们各自都积极发展低 NOx 技术， 目前各厂 商 NOx 排放水平基本相当。虽然 E 级和 F 级燃机排 放烟气量不同， 但 NOx 排放浓度大致相同， 根据电厂 燃机机组 NOx 的设计排放浓度， 采用 50 ～ 60 mg/m3 排放浓度范围对燃气机组的 NOx 排放量进行计算。 通过收集北京太阳宫、 京丰和东莞樟洋燃气电厂的设 计数据， 并以其为计算基础得到 E、 F 级燃气机组设 计 NOx 排放量 脱硝率选取 80 ， 见表 3、 表 4。 表 3E 级燃气机组设计 NOx 排放量 机组容量 /MW 燃机烟气 量 / m3h － 1 NOx 排放浓 度 / mgm － 3 NOx 排放 量/ mgkW －1h－1 单台燃机联合循环脱硝前脱硝后脱硝前脱硝后 100 ～ 190200 ～ 400 1. 2 106～ 1. 3 10650 ～ 6010 ～ 12 705. 6 ～ 756 150. 1 ～ 151. 2 表 4F 级燃气机组设计 NOx 排放量 机组容量 /MW 燃机烟气 量 / m3h － 1 NOx 排放浓 度 / mgm － 3 NOx 排放 量/ mgkW －1h－1 单台燃机联合循环脱硝前脱硝后脱硝前脱硝后 250 ～ 300400 ～ 8002. 0 106～ 2. 1 10650 ～ 6010 ～ 12 250 ～ 32050 ～ 64 根据表 1表 4 绘制了 200 ～ 600 MW 燃煤机组 与 E 级、 F 级燃气机组每度电 NOx 的排放量范围见 图 1。由图 1 可以看出 NOx 的排放量随着机组容量 的增大而逐渐减少。脱硝前， 燃煤机组的 NOx 排放 量相当于燃气机组的 NOx 排放量 6 倍 ～ 10 倍;80 脱硝后， 燃煤机组的 NOx 排放量大大降低， 与燃气机 组未脱硝前的情况相当， 但仍高于燃气机组的 NOx 排放量。与常规燃煤电厂相比， 采取脱硝技术的燃气 电厂对环境的危害要小得多。 图 1200 ～ 600 MW 燃煤机组与 E 级、 F 级燃气机组 NOx 的排放量 2燃气机组与燃煤机组二氧化硫排放比较 2. 1燃煤电厂排放的二氧化硫 燃煤电厂排放的二氧化硫主要是煤在燃烧过程 中， 所有的可燃硫受热从煤中析出氧化生成。本文采 用的是实测法即通过实际测量烟道气的排放量和烟 气中 SO2浓度， 计算公式为 MSO2 QCSO2 2 式中 MSO2为燃煤 燃气 电厂 SO2 排放量; Q 为烟气 排放量 本文烟气量均为标准状态值 ; CSO2为标准状 态下排放的 SO2质量浓度。 影响燃煤机组 SO2排放量有三个主要因素 是否 采用脱硫设备、 煤种、 负荷变化。本文以文献［ 5］中 不同机组容量、 不同煤种的烟气量为基准， 估算了燃 煤电厂 SO2的平均排放量 表 5表 6 。 表 5燃煤机组未脱硫时 SO 2排放量 mg/ kWh 机组容量 /MW烟煤 无烟煤 2008 232. 9416 003. 642 3007 289. 7905 428. 581 6005 523. 53 972. 695 06 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 表 6燃煤机组 90脱硫后 SO 2排放量 mg/ kWh 机组容量 /MW烟煤 无烟煤 200823. 294600. 364 300728. 98542. 858 600552. 35397. 270 2. 2燃气电厂排放的二氧化硫 燃气电厂的二氧化硫是由天然气中极其微量的 硫化氢 H2S 与氧气反应产生的， 反应式为 H2S 2 3 O2 H2O SO2 3 选取陕甘宁天然气 H2S 的含量为 0. 0002 ， 来计算燃气机组的 SO2排放量 表 7 。 表 7E、 F 级燃气机组 SO 2排放量 mg/ kWh 燃气轮机 机组等级 机组容量 /MW 单台燃机联合循环 气耗率 SO2排放量 E100 ～190200 ～400151558 ～14851255. 8 ～56. 7 F250 ～300400 ～800110431 ～135564. 841. 6 ～51. 0 根据表 5表 7 绘制了 200 ～ 600MW 燃煤机组 与 E 级、 F 级燃气 机组每度电 SO2的排 放 情 况 见 图 2。由图 2 可看出 与常规燃煤电厂相比， 采取了 SO2排放控制措施的燃煤电厂对环境的危害要小得 多。燃煤机组与燃气机组 SO2的排放量都随着机组 容量的增大而减少。相对于燃煤电厂， 燃气电厂的 SO2排放量几乎为零。 图 2200 ～600MW 燃煤机组与 E 级、 F 级燃气机组 SO 2的排放量 3燃气机组与燃煤机组二氧化碳排放比较 3. 1燃煤电厂排放的二氧化碳 目前燃煤电厂排放的二氧化碳， 主要包括了煤完 全燃烧产生的二氧化碳和脱硫过程产生的二氧化碳。 3. 1. 1煤燃烧产生的二氧化碳 在电厂实际的发电过程中， 碳的燃烧可按完全燃烧 反应计算 ［1 ］， 锅炉产生的飞灰中往往还夹杂着小部分 碳， 应将其扣除， 故可以得到煤燃烧产生的二氧化碳 WCO2 Wcoal C 100 MWCO2 MWC 1 － CA 100 CC 100 4 式中 WCO2是煤炭燃烧排放 CO2 量; C 是燃煤平均含 碳量; MWCO2是二氧化碳的摩尔质量; MWc 是碳的摩 尔质量; CA是燃煤平均灰分; Cc 是飞灰含碳量; Wcoal 是燃料消耗量。 我国的煤炭资源以烟煤为主， 故本文选用烟煤作 为计算煤种， 根据文献［ 9］中多个电厂不同机组容量 的具体数据， 得出不同容量燃煤机组的平均燃料消耗 量， 通过统计所得的不同容量燃煤机组燃料的平均消 耗量， 求得不同容量的燃煤机组每小时产生的二氧化 碳量和每度电二氧化碳的排放量 表 8 。 表 8不同容量燃煤机组 CO 2产生量 机组容 量 /MW 机组小时耗 煤量 / t h － 1 煤燃烧排放的 CO2量 / t h － 1 每度电 CO2的排放 量 / gkW － 1h－ 1 600219. 68467. 127778. 545 300122. 26260. 78869. 267 20093. 274198. 953994. 765 3. 1. 2脱硫过程产生的二氧化碳 截至 2009 年底， 烟气脱硫机组容量占煤电机组 的比例约 78 ［10］， 目前我国燃煤电厂大都采用的是 烟气脱硫技术 FGD ， 而石灰石 /石膏湿法烟气脱硫 技术的应用占据了 90 以上。 SO2在吸收塔内的反应比较复杂， 其原理可用以 下总反应式表达 SO2 CaCO3 s 1 /2O2 g 2H2O l→ CaSO4H2O s CO2 g 5 由式 5 反应式可知， CO2的产生量可通过 SO2去除 率计算得到 SECO2 WSO2 MWCO2 MWSO2 6 式中 SECO2是吸附剂 CO2净释放量; MWCO 2是 CO2 的 摩尔 质 量; MWSO2是 SO2的 摩 尔 质 量; WSO 2 是 SO2 去除量。 根据表 5 算得的燃煤机组 SO2排放量， 进而得到 燃煤机组脱硫后 CO2的排放量 表 9 。 16 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 表 9脱硫前后每度电 CO 2的排放量 g/ kWh 机组容 量 /MW 脱硫前 CO2 的排放量 脱硫过程 CO2 的产生量 脱硫后 CO2 的排放量 600778. 5453. 418781. 963 300869. 2674. 511873. 778 200994. 7655. 094999. 859 3. 2燃气电厂排放的二氧化碳 目前我国的燃气电厂大都采用的是天然气发电 技术。由于我国“西气东输” 工程的完工， 故选用陕 甘宁天然气作为计算气种， 其成分见表 10。 表 10陕甘宁天然气成分 CH4C2H6C3H8H2SCO2H2O 95. 94940. 90750. 13670. 00023. 0000. 0062 天然气燃烧产生的二氧化碳量为 W1 CO2 WCH4 MWCO2 MWCH4 W2 CO2 2WC2H6 MWCO2 MWC2H6 W3 CO2 3WC3H8 MWCO2 MWC3H            8 7 式中W1 CO2为 CH4完全燃烧排放的 CO2量;W 2 CO2为 C2H6完全燃烧产生的 CO2量;W3 CO2为 C3H8完全燃 烧产生的 CO2量;WCH 4 为天然气中 CH4的消耗量; MWCO2为 CO2的摩尔质量 ;MWCH4为 CH4的摩尔质 量;WC2H6为 天 然 气 中 C2H6 的 消 耗 量;MWC2H6为 C2H6的 摩 尔 质 量;WC3H8为 C2H6的 摩 尔 质 量; MWC3H8为 C3H8的摩尔质量。 本文分别选取了 “一拖一” 、 “二拖一” E 级燃气 轮机和“一拖一” 、 “二拖一” F 级燃气轮机， 其联合循 环机组的主要性能参数 表 11 。求得 E 级、 F 级不 同装机方案联合循环机组每发一度电的 CO2排放量 表 12 。 表 11不同装机方案联合循环机组的主要参数 电厂名称 燃气轮机 机组等级 联合循 环容量 / MW 热耗率 / kJ kW －1 h －1 联合 循环 率 / 计算气耗率 / m3 kW －1 h －1 海南洋浦燃机 电厂 E235699 149. 80. 199 金华燃机电厂E3756 87052. 40. 195 华能上海石洞 口燃机电厂 F4006 27257. 40. 178 北京太阳宫燃 气电厂 F7805 047600. 145 表 12E 级、 F 级燃气机组不同装机方案每度电 CO 2排放量 燃气轮 机机组 等级 机组容 量 /MW 气耗率 / m3 kW －1 h－1 气耗率/ g kW －1 h－1 每度电 CO2排放量/ g kW －1 h－1 E单台燃机 100 ～ 190 联合循环 200 ～ 400 0. 199 ～ 0. 195 151. 558 ～ 148. 512 408. 60 ～ 400. 88 F单台燃机 250 ～ 300 联合循环 400 ～ 800 0. 17 ～ 0. 144 135. 564 8 ～ 110. 431 365. 925 ～ 298. 20 根据表 9 和表 12 绘制了 200 ～ 600MW 燃煤机组 与 E 级、 F 级燃气机组每度电 CO2的排放量见图 3。 增加脱硫装置会使燃煤电厂的 CO2排放量增加。燃 煤机组与燃气机组 CO2的排放量都随着机组容量的 增大而减少， 这主要是因为机组容量越大， 电厂的效率 越高， 生产单位电力所需的燃料减少。每生产一度电 燃气电厂 CO2的排放量比起燃煤电厂可降低 60 左 右， 这是由于天然气的单位热值含碳量比煤要低 40 左右， 而燃气电厂的循环效率又比燃煤机组高出许多。 图 3200 ～ 600MW 燃煤机组与 E 级、 F 级燃气机组 CO 2的排放量 4结论 在不同机组容量情况下， 对燃煤机组与燃气机组 的 CO2、 NOx、 SO2的排放量进行对比分析。结果表 明 CO2、 NOx、 SO2排放量随机组容量的增大而减少; 脱硫和脱硝技术能显著降低火电厂 NOx、 SO2的排放 量。同容量的燃气机组 NOx 排放量仅为燃煤机组的 下转第 30 页 26 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 2． 3． 2对 NH 4 － N 的去除 本研究进水为源高新技术区的生活污水， 所以 NH 4 － N 含量均较高。从图 5 可以看出 不同的进水 浓度， 其出水浓度变化不大， 出水相对稳定， 但其去除 率有比较明显的波动， 最高去除率可达 98． 8 。 图 5NH 4 － N 进出水浓度及去除率 2． 4A2O-人工湿地组合工艺对 TP 的去除效果 人工湿地系统 TP 的去除作用主要包括填料的 物理作用、 化学作用和微生物的同化作用以及植物的 摄取作用 ［4］。从图 6 可知 各系统出水 TP 均低于进 水， 说明系统对 TP 具有去除作用， 其最高去除率可 达 96． 87 。 3结论 1 A2O -人工湿地组合工艺对污水中有机物有较 好的深度处理效果， 其 BOD5、 COD 的去除率分别达 95 和 91 以上， 最高去除率分别达 98 和 94 ， 基 本达 GB 189182002 一 级 A 标 准， 地 表 水 Ⅲ 类 标准。 图 6 TP 进出水浓度及去除率 2 A2O-人工湿地组合工艺对污水中总氮、 氨态 氮、 总磷有较好的深度处理效果， 其去除率分别可达 97． 4 、 97． 7 和 95． 06 以上， 为其他污水处理厂 的氮、 磷深度处理提供了参考和借鉴。 参考文献 ［1］国家环保总局． 2004 年中国环境状况公报［M］． 北京 国家环 保总局， 2005 22- 29． ［2］孙久振， 刘志军， 贾西成． 人工湿地系统在二级污水处理厂尾 水深度处理中的应用［J］． 中国高新技术企业， 2009 21 121- 122． ［3］贺锋， 吴振斌， 成水平， 等． 复合垂直流人工湿地对氮的净化效 果［J］． 中国给水排水， 2004， 20 10 18- 21． ［4］朱彤． 人工湿地污水处理系统应用研究［J］． 环境科学研究， 1991， 5 4 17- 22． 作者通信处刘雯510650广东省广州市长兴路 243 号 902 房 E- maillazliu 163． com 2011 － 10 － 08 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 62 页 15 ， 但燃煤电厂经过脱硝后 NOx 排放量与燃气机 组未脱硝前的排放量相当。燃气电厂 SO2排放量很 少， 这与燃煤电厂有较大区别。同容量的燃气机组 CO2排放量仅为燃煤机组的 38 ～ 40 。通过这些 数据表明， 燃气电厂相较燃煤电厂在环境保护方面具 有明显的优越性， 是解决电站环境污染的重要出路。 参考文献 ［1］房靖华， 赵玉兰， 曾涛方． 燃煤锅炉的 CO2排放计算和讨论 ［J］． 煤炭转化， 1999， 22 1 63- 66． ［2］梅国栋， 韩瑞国． 锅炉二氧化碳的排放计算及其减少途径［J］． 城市环境与城市生态， 2000， 13 4 52- 54． ［3］刘焕章， 常太华， 刘吉臻， 等． 电站锅炉温室气体排放量的计算 ［J］． 热能动力工程， 2007， 22 6 665- 668． ［4］任建兴， 翟晓敏， 傅坚刚， 等． 火电厂氮氧化物的生成和控制 ［J］． 上海电力学院学报， 2002， 18 3 19- 23． ［5］刘志强． 中国火电行业氮氧化物的排放量估算研究［D］． 北京 华北电力大学， 2007． ［6］岑可法， 姚强． 燃烧理论与污染控制［M］． 北京 机械工业出版 社， 2004． ［7］焦 树 建． 燃 气-蒸 汽 联 合 循 环［M］． 北 京 机 械 工 业 出 版 社， 2006． ［8］GB 132232003 燃煤电厂二氧化碳排放量统计计算方法［S］． ［9］中国环保产业协会． 污染源普查实际监测数据［R］． 北京 中国 环保产业协会， 2009． 作者通信处张辉102206北京市昌平区北农路 2 号华北电力大 学能动学院 电话 010 80798725 E- mailhuizhang ncepu． edu． cn 2011 － 11 － 02 收稿 03 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期