[内容摘要]　本研究报告对我国燃煤工业锅炉SO2污染提出了综合防治对策。其中包括：禁止原煤直接燃烧和淘汰小锅炉；采用清洁燃料；以工业固硫型煤作燃料；应用水煤浆做燃料；应用循环流化床燃烧技术；采用烟气脱硫。认真实施这些对策，可以大幅度削减燃煤工业锅炉SO2的排放量，简便、经济、有效地控制燃煤工业锅炉大气SO2污染，减少SO2对我国大气环境的污染。
　　[关 键 词]　燃煤工业锅炉；煤炭；二氧化硫；清洁燃料；洁净燃烧技术；烟气脱硫

　　1、引言
　　自20世纪80年代初以来，随着我国经济持续迅速发展，城市化进程加快，人口不断增加，煤炭年消耗量逐年以3-9%的递增率大幅度增加，我国大气环境受到了严重污染，其中以SO2和烟尘污染最为严重，成为世界上大气环境污染最严重的国家。在SO2污染作用下，我国酸雨污染也日趋加重，成为世界第三大酸雨区。未来煤炭逐年大幅度增加和SO2排放量的矛盾也不容乐观。大气SO2环境严重污染，已导致我国大气环境安全问题产生，对人民健康、生态环境、经济发展和社会进步造成的经济损失相当可观。

　　2、中国燃煤工业锅炉大气环境SO2污染
　　2.1燃煤工业锅炉是大气SO2污染的最主要污染源
　　燃煤工业锅炉，既是支撑我国经济持续迅速发展、量大面广的热能动力设备，又是严重污染我国大气环境、制约我国经济发展的最重要的SO2污染源。
　　2.2燃煤工业锅炉的特点
　　（1）锅炉容量小，70%以上的锅炉容量为小于等于4T/h的低压小锅炉，平均单台容量不到2.5T/h，而美国和日本的平均单台容量为5-14T/h，最大的高中压锅炉可达400T/h。
　　（2）锅炉以燃煤为主，约占锅炉总容量的90%左右，燃油燃气的锅炉很少，不到10%。而国外燃油燃气的工业锅炉及商业锅炉占85-95%以上，锅炉容量越小，燃油燃气的比例越高。例如，美国工业锅炉和商业锅炉共有130多万台，燃煤的仅占5%左右，其他燃柴油和天然气等。
　　（3）锅炉用煤炭的品质低劣，灰分及硫分含量高。灰分通常高于22%，有时能达到40%以上；硫分一般高于1%，平均为1.7%，有时高达3-5%或更高。而国外工业锅炉及商业锅炉燃用煤炭通常为工业固硫型煤和低灰低硫优质煤。
　　（4）锅炉燃烧方式落后，多为层燃式，燃烧效率低，污染物排放强度高。我国锅炉烟尘排放浓度一般为400mg/m3，而国外为50-100mg/m3。
　　（5）锅炉热效率低，一般为50-55%，而国外工业锅炉和商业的热效率为80-85%，相差30%。
　　（6）锅炉烟囱低矮，一般低于30m，含硫烟气多为低空排放，对城市大气污染贡献率高，通常为45-65%。
　　（7）锅炉布局相当分散，遍及全国各地。
　　（8）锅炉烟气中SO2浓度很低，一般为0.5-1.5%，净化难，回收价值低。
　　（9）锅炉烟气量大、烟气温度高、压力低、含有腐蚀性气体，净化操作难度大，费用高。
　　（10）锅炉机械化、自动化水平低，管理水平差。

　　3、中国燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策
　　笔者根据国内外燃煤工业锅炉SO2污染防治的经验和对我国20多年工业煤炭燃烧造成大气环境污染安全问题及影响的反思，从能源与大气环境问题入手，对燃煤工业锅炉SO2污染提出了综合防治对策。
　　3.1燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策的基本原则
　　（1）对于燃煤工业锅炉，尤其是小容量的燃煤工业锅炉，优先燃烧清洁燃料，从源头上控制燃料燃烧产生的SO2和烟尘等；　　（2）煤炭要洁净利用，即对煤炭进行洗选、加工、成型、气化、液化等，将污染型的煤炭转化成清洁的燃料，再用做锅炉的燃料；（3）采用洁净燃烧技术，使大气污染物最少化；（4）对于较大容量的燃煤工业锅炉（20T/h），可适当安装烟气脱硫装置。
　　从能源与大气环境问题入手，采用清洁燃料和洁净煤技术，是燃煤工业锅炉SO2污染防治的根本措施，以治本为主，兼顾治表，经济效益和环境效益最佳，人类面对长期难以解决的环境与发展两大矛盾得以解决。
　　3.2禁止原煤直接燃烧和淘汰小锅炉控制燃煤工业锅炉SO2污染
　　（1）禁止原煤直接燃烧
　　为了确保锅炉热效率高和大气污染物排放量最小化，燃煤工业锅炉对煤炭（动力煤或燃料煤）的品质有严格的要求，并列入国家标准。煤炭的品质包括：煤炭中C、H、O、N的组成，挥发分（V）、灰分（A）、水分（W）、热值（Q）、煤种、粒度等。然而，由于我国煤炭洗选能力很低，多年来在18%徘徊，燃煤工业锅炉的煤炭品质基本上得不到保证，而是原煤直接散烧。
　　由于优质资源的不断减少和采煤机械化的发展，我国生产的原煤灰分高（＞27%）、硫分高（＞1.7%），今后灰分和硫分都有增加的趋势。试验表明，原煤灰分越高，排烟烟尘浓度越高，例如在其它条件相同下，灰分从21.5%提高到32.5%时，烟尘浓度从1448mg/m3增加到2123mg/m3；原煤硫分愈高，排烟SO2污染也愈高，基本上呈正比例；原煤粒度（≥3mm）增加，烟尘浓度减少，原煤含末量增加，排烟SO2浓度也增多，例如煤炭粒度3mm为100%、70%和40%时，烟尘浓度为425 mg/m3、1284mg/m3和2238mg/m3。原煤经过洗选或筛分，除去大部分煤矸石、灰分和硫分，确保一定的粒度，提高了商品煤的质量，致使锅炉热效率高，SO2和烟尘排放量少，能满足用户对煤炭品质的要求。
　　目前我国燃煤工业锅炉SO2和烟尘严重污染，就是由于高灰高硫的原煤未经洗选筛选直接燃烧和燃烧技术落后造成的。浪费资源、污染环境。禁止原煤直接燃烧，是许多国家控制锅炉SO2污染的根本措施，因而才产生了采用清洁燃料天然气、柴油、工业固硫型煤、水煤浆等用作锅炉的燃料。
　　在我国，为了确保锅炉热效率高，控制锅炉燃烧SO2和烟尘严重污染，也必须从锅炉源头上对燃料做出严格的限制，即禁止锅炉燃烧高灰高硫的原煤。近年来，我国相当一部分城市禁止小容量的锅炉直接烧原煤，如青岛市,在市区内禁止10T/h以下的锅炉烧原煤，北京市在三环以内禁止锅炉直接烧原煤，以油代煤，以气代煤，经济效益和环境效益可佳。在清洁燃料短缺的地区，可采用工业固硫型煤和水煤浆作锅炉燃料，同样也可做到禁止锅炉直接烧原煤。
　　为了确保控制我国大气环境SO2污染，国家有关部门应尽快做出禁止燃煤工业锅炉直接燃烧原煤的决定，并在国内部分城市和地区，如酸雨污染控制区和SO2污染控制区首先贯彻执行，待取得经验后在全国逐步推广执行。当然，相关的配套工作也应展开，如落实清洁燃料来源、生产、运输及供应等。
　　（2）淘汰小锅炉
　　锅炉的热效率和污染物的排放量，不仅和煤炭的品质及燃烧方式有关，而且同锅炉的容量有关。通常在其它条件相同时，锅炉容量越大，锅炉热效率越高，污染物排放量越小。这是由于锅炉容量大，热负荷高，炉膛空间相对较大，烟气停留时间长，煤炭燃尽系数高，热效率高，烟尘排放量少。热效率高，节省了煤炭，也就是减少了烟尘和SO2的排放量。容量愈小的锅炉，燃烧方式也愈落后，燃烧不稳定，燃烧效率低，污染物排放量也愈多。20T/h锅炉的热效率比1T/h锅炉高10左右，前者热效率为50-55%，而后者仅为40-45%，当然后者污染物排放量也要多。为此，淘汰小容量的锅炉，是提高热效率、节约煤炭、减少SO2及烟尘排放量的最简便、最经济的方法。
　　近年来，我国许多城市都采取淘汰小锅炉节约能源和改善大气环境质量，已取得显著的成效。不同城市对小锅炉容量划分也不相同，如北京、上海、广州、大连、太原等城市，将4T/h以下（但不包括4T/h）的小锅炉淘汰，而大量的县级市将1T/h（不包括1T/h）以下的小锅炉淘汰。创造环保模范城市时，淘汰小锅炉和禁止原煤直接燃烧对改善大气环境质量，起到了立竿见影的效果。淘汰小锅炉是指燃煤的小容量锅炉，燃油燃气的小容量锅炉则不属于这个范畴。
　　3.3采用清洁燃料控制燃煤工业锅炉SO2污染
　　3.31清洁燃料概论
　　根据能源在开发、加工、利用过程中，是否对环境造成污染及影响，能源又可分为清洁型能源和污染型能源。太阳能和水、电属于清洁型能源，而煤炭和石油则属于污染型能源。习惯上将在利用过程中对环境造成影响较小的能源也称为清洁型能源或清洁燃料，如天然气、煤制气、优质煤（灰分低于10%，硫分低于0.7%）等。石油是污染型能源，但石油制品，如柴油、液化石油气等，作为燃煤工业锅炉燃料时对环境影响很小，有时说石油是清洁燃料，实际上是指石油制品（柴油、液化石油气等）是清洁燃料。
能源开发、利用中“三废”排放量有多少，和能源消耗量、耗能方式与技术水平、能源种类与品质构成这三类因素有关。各种能源以及不同品质的同类能源，其污染物排放量也有很大的差别，燃烧产生同样能量时的“三废”排放量的差别也很大。
　　3.3.2煤炭、石油和天然气燃烧的影响及评价
　　(1)煤炭、石油和天然气燃烧
　　煤炭燃烧过程中排放出多种污染物，如烟尘、SO2、NOx、CO2、CO、烃类、醛类、痕量金属、放射性物质，以及大量的灰渣。其中痕量元素包括砷、铍、铅、汞及放射性等有毒有害的痕量元素；灰渣由底渣和除尘器收集的飞灰组成。
　　石油和重油燃烧不良时，会产生少量黑烟污染环境。但除了钒等痕量金属元素外，没有其它粉尘排放到大气中，所以比燃煤要干净得多。石油中的硫化物大都残留在重油里，不易脱除，燃烧后变成SO2，但其排放量要比燃煤少得多，油燃烧时还会排放出CO2、NOx、CO、烃类、醛类等污染物。CO2的生成量要比煤炭燃烧时少得多。
　　天然气是一种高热值的清洁燃料，燃烧时产生的污染物很少，基本上可视为洁净燃烧，SO2生成量很少，燃烧时还生成CO2、NOx、CO等。CO2的生成量也比煤炭要少得多。
　　（2）煤炭、原油和天然气燃烧影响评价
　　一座1000MW发电厂采用不同能源时的“三废”排放量如表1所示。由表1可见，装机容量为1000MW的电厂采用煤炭为燃料时，每年排放的烟尘、SO2、废渣为最多，对环境污染危害为最大；以石油油品为燃料时居中；而以天然气为燃料时污染物排放量最少，对环境污染危害最小，近似清洁生产。

表1　采用不同燃料的1000MW电厂的三废排放量

①包括砷、镉、铬、铅、锰、汞、镍、钒
　　装机容量1000MW机组燃煤时安装电除尘器和烟气脱硫装置的投资大约为15亿元，每年环保设备运行费用约1.7亿元，单位SO2脱除费用为408元/T（SO2），脱硫成本为11.98元/MW·h,而SO2和烟尘对生态环境和人体健康的危害还未加考虑。这足以说明以煤为燃料时为了保护环境所要付出的代价相当沉重。可见，以清洁燃料天然气、柴油等为燃料时，成套除尘脱硫设备不需要安装，经济效益和环境效益最佳。
　　3.3.3清洁燃料价格
　　国内外清洁燃料的价格差异较大，本研究报告仅列目前北京市清洁燃料的价格，为了便于比较，其它燃料价格也一并列出。
表2 　北京市主要燃料比价系数

　　由表2可见，清洁燃料天然气、液化石油气、柴油等价格，要比煤炭贵得多，这仅是燃料的基本价格，并没有加入环境污染影响造成的经济损失。如果考虑环境效益和社会效益，燃烧清洁燃料要比燃煤合算得多。
　　3.3.4小锅炉优先燃烧清洁燃料
　　在有条件的地方及部门，燃煤工业锅炉优先采用天然气、柴油等清洁燃料，尤其是小容量的燃煤工业锅炉，更应优先采用清洁燃料，锅炉容量越小，燃烧清洁燃料的比例也越高。采用清洁燃料是燃煤工业锅炉SO2污染防治的最简便、最经济、最有效的措施。
　　3.4采用工业固硫型煤控制燃煤工业锅炉SO2污染
　　在许多地区及部门，天然气、柴油等短缺时，煤炭依然是燃煤工业锅炉的主要燃料，并会长期存在。用作锅炉的煤炭不应该是原煤，而是工业固硫型煤，即采用工业固硫型煤控制燃煤工业锅炉SO2污染。
　　3.4.1工业固硫型煤概况
　　20世纪50年代初，由于 伦敦烟雾事件，英国研究开发了民用及工业用清洁固体燃料—型煤，以防治民用炉灶和工业炉窑烟尘和SO2污染。从此，工业型煤问世，并在许多国家工业炉窑上获得了广泛的应用。80年代中期，美国洁净煤技术研究开发规划出台，作为洁净煤技术的重要内容之一型煤技术，获得进一步的研究及发展。用煤初级净化产品—锅炉型煤，由于节能和大幅度减少烟尘和SO2污染，受到许多国家的青睐。
　　型煤是由原煤粉碎，添加粘结剂、助燃剂、固硫剂后经加工而成的成型清洁燃料。型煤可分为民用型煤和工业型煤。就工业型煤而言，就其加入固硫剂与否，又可分为工业固硫型煤和工来非固硫型煤。工业型煤按加工工艺，可分为冷压成型和热压成型两种。由于冷压成型需要加入粘结剂，且工艺比较简单，又称为粘结成型，在我国获得广泛应用。
　　我国工业固硫型煤技术研究开发较晚，始于80年代初。工业锅炉用型煤研究开发更为缓慢。只是近十几年，为了削减燃煤工业锅炉SO2及烟尘的排放量，国家环保局和国家科委投入大量的人力物力，组织有关单位在北京、杭州、太原、黄石等地，对工业锅炉固硫型煤进行了专门的攻关研究，并取得了可喜的成果。目前我国工业锅炉燃烧型煤后，SO2可减少40-80%，国外可达87%；烟尘排放量可减少50-80%，国外可达80%；NOX和苯并(а)芘的排放量也会减少50%以上，国外也如此；热效率提高15-25%，国外可达20-30%；节约煤炭15-20%，国外可达20-30%；经济效益和环境效益相当可观。我国的工业固硫型煤技术，也步入了国标的先进行列。目前，我国已在20T/h、10T/h、5T/h、6/h、4T/h、3T/h以及1T/h部分锅炉上燃烧工业固硫型煤。锅炉工业型煤年生产能力为2000多万T。
　　3.4.2工业固硫型煤的生产工艺过程及设备和质量指标
　　(1)工业固硫型煤生产工艺。粘结成型型煤的工艺过程如图(略)
　　(2)粘结成型型煤生产的主要设备
　　环式破破碎机(Gj85A-Ⅲ型　　　产量10-15T/h
　　卧式双轴搅拌机(PLT2300型)　 产量15T/h
　　立式搅拌机　　　　　　　　　产量5T/h
　　双辊成型机(MQ11-9型)　　　　产量5T/h
　　双层翻板烘干窑　　　　　　　产量5T/h
　　(3)TY-A型工业锅炉型煤质量指标
　　粒度，　　　　　　　　20×30×40　　　灰分Ay，%　　　14.93
　　全硫Sy，%　　　　　　1.52　　　　　　全水，%　　　　2.47
　　发热量SyQ，cal/kg　　6735　　　　　挥发分Vy， ，%　　17.00
　　Cy，%　　　　　　　　72.89　　　　　 Hy，%　　　　　3.62
　　Ny，%　　　　　　　　1.02　　　　　　Oy，%　　　　　2.17
　　反应活性1000℃　　　　49.7　　　　　孔隙率QDWy，%　　 16.5
　　T1,℃　　　　　　　　　12.7
　　T2,℃　　　　　　　　　13.6
　　T3,℃　　　　　　　　　>1400
　　3.4.3工业固硫型煤的原料煤及粘结剂和固硫齐
　　(1)工业固硫型煤原料的控制指标如下：
　　加入烟煤，%　　　　　　8-12　　　　加入无烟煤，%　　78-82
　　 低位发热量，kcal/kg　　75600　　　　　　 水分，%　　　　 <4
　　粒度　　　　　　　　　　<3mm占80%以上?
　　(2)工业固硫型煤的粘结剂，按化学状态可分为有机、无机、复合三大类，常用粘结剂列于表3。

表3　工业固硫型煤常用粘结剂

　　（3）工业锅炉型煤的固硫剂，按化学组成可分为钙系、钠系及其它三类。表4列出工业固硫型煤常用的固硫剂。固硫剂的加入量视煤的含硫量而定，一般石灰加入量为2-3%。型煤高温燃烧时，煤炭产生的SO2被Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaO、MgO等碱性物质吸收，生成的硫酸盐被固定在炉渣中，削减了煤炭燃烧SO2的排放量。型煤燃烧时热效率高，燃尽率高，反应活性大，为无焰燃烧，大大降低了烟尘的排放量。
　　 表4　工业固硫型煤常用固硫剂

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