（环境工程专业论文）整体煤气化联合循环发电igcc电站环境影响评价研究.pdf

中文摘要 本文尝试对华能绿色煤电天津i g c c 电站工程进行环境影响评价和清洁生 产、循环经济分析。 在未来相当长的时间内，我国仍将以燃煤发电为主。为实现电力工业可持续 发展，2 0 0 5 年由我国八大电力及投资公司共同发起实施“绿色煤电”计划，以 研究开发、推广以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主，并 进行c 0 2 分离和处理的煤基能源系统。该计划以大幅度提高煤炭发电效率，使煤 炭发电达到c 0 。和污染物的近零排放为目标。其核心关键技术己列入国家中长期 科技发展规划和科技部国家“十一五”8 6 3 计划。华能绿色煤电天津i g c c 电站 工程作为这个计划的第一阶段，具有重要意义和战略地位。 该项目主体工程为2 0 0 0 t d 级干煤粉加压煤气化、合成气净化、燃气轮机低 热值煤气燃烧等关键技术的研究开发、工程放大和系统集成，建成2 5 0 m w 级煤气 化联合循环发电系统。本文从工程分析入手，应用大气扩散模型、水平衡图、噪 声衰减模型、环境风险预测模型等对电站工程运营期的环境大气、水、噪声、固 体废物污染产生及其影响以及环境风险等进行了分析。由于该项目采用创新工 艺，本文尝试用对比研究的方法，对其清洁生产水平进行了先进性分析，并将区 域循环经济产业链的构成与建设项目的评价工作相结合，从环境保护角度促进生 产方式转变和发展。 研究表明，该项目各项污染物达到标准，固体废物全部得到利用或处理，能 够达到环境要求；技术先进，能源利用率高，提出了近期和远期重点发展的循环 经济产业链和改进意见。 关键词：环境影响评价整体煤气化联合循环发电( i g c c )循环经济清洁 生产 a b s t r a c t t h i st h e s i si sa na t t e m p t i n gt od oe n v i r o n m e n ti m p a c ta s s e s s m e n ta n dc l e a r p r o d u c t i o n 、c i r c u l a re c o n o m yr e s e a r c ho nt i a n j i ni g c cp o w e rs t a t i o np r o j e c to f h u a n e n gg r e e nc o a lp o w e rl t d w ee s t i m a t et h a ti na q u i t el o n gt e r mi nt h ef u t u r e ，c h i n aw i l ls t i i lm a i n l yb a s eo n c o a l e n e r g y t bg a i ns u s t a i n 由l ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a le n e l ? g yi n d u s t l y ，e i g h t e n e i i g ya n di n v e s t m e n tc o m p a n i e sg a t h e r e dt o g e t h e rt os e tu pt h e “r e e nc o a lp o w e r ， p l a ni n2 0 0 5 t h i sp r o j e c ti sf o c u so nt h er e s e a r c h ，d e v e l o p m e n t ，p r o m o t i o na n d a p p i i c a t i o no fc o a lb a s e de n e r g ys y s t e mw i t hi n c l u d ec o a lg a s i 6 c a t i o na n dh y d r o g e n p r o d u c t i o n ，h y d r o g e ng a st u r b i n ec o m b i n e dc y c i ep o w e rg e n e r a t i o na n df u e lc e i i p o w e rg e n e r a t i o n ，w i t hc o m b i n e dw i t hc a r b o nd i o x i d es e p a r a t i o na n dd i s p o s i t i o n t h e g o a lo ft h i sp l a ni st 0g r e a t l yi m p r o v et h ee 衢c i e n c yo fc o a lp o w e rg e n e r a t i o na n d r e d u c et h ep o l l u t i o nt on e a r l yz e r o i t sk e yc o r et e c h n o l o g yh a db e i n gi i s to nt h e c o u n 时sm i d d l ea n dl o n gt e mt e c h n o l o g yd e v e l 叩p l a na n d ”11t hf i v e - y e a rp l a n ” 8 6 3p r o 铲帅o fm o st a st h ef i r s ts t a g eo ft h ep l a n ，h u a n e n gg r e e nc o a lt i a n ji n i g c cp o w e rs t a t i o np r 巧e c ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c ea n ds t r a t e g i cp o s i t i o n t h em a i np a r to ft h i sp r o j e c ti s r e s e a r c h ，d e v e l o p m e n t ，i n d u s t 巧e n i a 唱e m e n t ， s y s t e mi n t e 伊a t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g yo f2 0 0 0 们c l a s sd 巧c o a lp r e s s u r i z e d g a s i 6 c a t i o n ，s y n t h e s i sg a sp u r i f i c a t i o n ，a n dl o wc a l o r i f i cv a l u eg a sb u m i n gt u r b i n e c o n s t r u c t2 5 0 m wc l a s si g c cs y s t e m t h i st h e s i si sb a s e do nt h ep r o j e c ta n a l y s i s ， 釉o s p h e r i cd i f r u s i o nm o d e l ，l e v e lb a l a l l c ec h a n ，n o i s er e d u c em o d e l ，e n v i r o n n l e n tr i s k p r o f i l em o d e le t c a r ea p p l i e do nt h ee n v i r o n m e n ta t m o s p h e r e ，w a t e r ，n o i s ea n ds o l i d w a s t ep o l l u t i o na n di t s i m p a c ta s s e s s m e n ta sw e l la se n v i r o n m e n tr i s ki nt h e o p e r a t i n gp e r i o d b e c a u s et h i sp r o j e c tu s e st h ei n n o v a t i o nc r a r ，t h i sa r t i c l ea t t e m p t s w i t ht h ec o n t r a s tr e s e a r c hm e t h o d ，h a sc a r r j e do nt h ea d v a n c e da n a l y s i st oi t sc l e 锄 p r o d u c t i o nl e v e l 1 1 1 i sp r o j e c tu n i f i e s 廿1 er e g i o nc i r c u l a t i o ne c o n o m i c a li n d u s t 叫c h a i n s c o n s t i t u t i o n锄de l a ，舶me n v i r o 啪e n t a l p r o t e c t i o n锄g l ep m m o t i o np o d u c t i o nm e t h o d 咖s f o 珊a t i o na n dd e v e l o p m 翎t b ya n a l y z i n gt h ep r o j e c tw ec o n c l u d et h a t ，i tp o l l u t a n t sh a sr e a c ht h es t a n d a r d s ， s o i i dw a s t ei s 缸l i yr e u s e do rt r e a t e dt om e e te n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s ；i th a s a d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa n dh i g he n e r 科e f 葡c i e n c y i nt h ec o n c l u s i o np a r tw e g i v eo u t t h ei m p r o v e m e n ta d v i c e k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t ，i m p a c ta s s e s s m e n to fi n t e 伊a t e d g a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ( i g c c ) ，c i r c u l a re c o n o m y ，c l e a np r o d u c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签罐澎鼋签字帆矿9 年j 月2 7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有羞数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：参嗳 签字日期：p 3 年，月z7 日 导师签名： 签字隅仂。8 年月可同 第一章绪论 第一章绪论 环境，既是以人类社会为主体的外部世界的总体，也是影响人类生存和发展 的各种自然因素和社会因素的总和。环境影响评价是人们在采取对环境有重大影 响的行动之前，在充分调查研究的基础上，识别、预测和评价该行动可能带来的 影响，按照社会经济发展与环境保护相协调的原则进行决策，并在行动之前制定 出消除或减轻负面影响的措施。 当前环境影响评价的作用越来越受到人们的重视，人们己经认识到环境影响 评价是正确认识经济、社会和环境协调发展的科学方法，是保护环境、实现“预 防为主”方针、控制新污染的有效手段。环境影响评价具有判断、预测、选择和 导向作用，对确保正确的经济发展方向、保护环境与生态等一系列的政策、决策、 规划和重大行动都有十分重要的意义。 本论文所研究的整体煤气化联合循环发电( i g c c ) 电站工程项目。本研究 针对该项目的目标是研究开发、推广以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃 料电池发电为主，并进行c 0 2 分离和处理的煤基能源系统；大幅度提高煤炭发 电效率，使煤炭发电达到c 0 2 和污染物的近零排放；掌握其核心技术、支撑技 术和系统集成技术，形成自主知识产权的“绿色煤电”技术；并使其在经济上可接 受，逐步推广应用，实现煤炭发电的可持续发展。 项目得到了国家发改委、科技部、环保总局、外交部和知识产权局等部委的 大力支持，项目关键技术已列入国家中长期科技发展规划和科技部国家“十一五” 8 6 3 计划，并正在申请列入国家发改委的l g c c 电站工程和高技术产业化专项。 项目还得到了世界银行、亚洲开发银行、亚太清洁发展与气候变化组织、国际几 大环保基金等组织的高度关注；世界最大的煤炭企业美国博地能源公司( p e a b o d y e n e 唧) 已正式表示希望参股绿色煤电有限公司。因此开展该项目建设具有非常 重大的意义。对整体煤气化联合循环发电( i g c c ) 电站工程进行环境影响评价 也势在必行。 1 1 项目建设的必要性 华能绿色煤电天津i g c c 项目是国家发改委、科技部、环保总局、外交部和 知识产权局等部委支持的示范工程项目，其关键技术已列入国家中长期科技发展 规划和科技部国家“十一五”8 6 3 计划，正在申请列入国家发改委的i g c c 电站 工程和高技术产业化专项。项目建设单位为华能绿色煤电有限公司，该公司以中 第一章绪论 国华能集团联合大唐、华电、国电、中电投以及神华集团、国开投、中煤能源集 团八家企业集团发起成立，并制定了“绿色煤电 计划。 “绿色煤电”计划的总体目标是研究开发、推广以煤气化制氢、氢气轮机联 合循环发电和燃料电池发电为主、并进行c 0 2 分离和处理的煤基能源系统；大幅 度提高煤炭发电效率，使煤炭发电达到c o 。和污染物的近零排放；掌握其核心技 术、支撑技术和系统集成技术，形成自主知识产权的“绿色煤电”技术；并使其 在经济上可接受，逐步推广应用，实现煤炭发电的可持续发展。 煤气化发电技术以“先治理后发电”的污染物控制为策略，可有效地控制二 氧化硫、氮氧化物和粉尘等主要污染物的排放。该技术适合利用高硫煤等资源， 并可将煤炭中的硫元素回收再利用。同时煤气化发电技术也可在应对今后的二氧 化碳减排问题时，与传统的燃烧发电技术相比具有更多的技术经济优势。 该项目选址于天津滨海新区化学工业区中的临港工业区，天津滨海新区是国 务院批准的国家综合配套改革试验区。自滨海新区成立以来，其工业总产值超过 天津市的4 3 。滨海化工区是滨海新区确定的八大功能区之一，滨海化工区依 托中石化、中石油、中海油、中化工四大化工集团为基础，以产业聚集为目的， 遵循循环经济理念，分别在大港和临港工业区规划了三片化工区，该化工区规划 建设石油化工、海洋化工、一碳化工、能源综合利用四条循环经济产业链，5 0 条产业链和2 0 0 多个项目。临港工业区在与其它两个化工区原料和产品对接的条 件下，利用港化一体化优势，突出石油化工、盐化工、煤化工相结合的综合化工 产业，同时重点发展四条循环经济产业链，临港工业区公用工程岛是临港工业区 发展循环经济的核心，该公用工程岛以热源厂、海水淡化厂、大型空分系统、污 水处理厂为核心，向化工区提供能源和水源，同时接纳园区污水。公用工程岛包 含水、电、汽、气、盐循环经济产业链，可提供蒸汽、热水、电、再生水、淡化 海水、中水，同时灰渣、高盐浓海水用于建材和制盐。公用工程岛内热源厂和海 水淡化厂相互依托，热源厂向海水淡化厂提供升温海水，海水淡化厂向热源厂提 供净化海水和除盐水作为热源厂的循环冷却水和锅炉补水。公用工程岛内热电厂 采用绿色煤电i g c c 模式，厂内不设铁路、卸煤设施、灰渣场和火炬，完全通过 与天碱搬迁项目共建的方式，实现节约土地、节能降耗、集中污染治理，能形成 经济、社会和环保相协调的发展模式，这个发展模式在2 0 0 7 年3 月1 6 日结束的 滨海化工区规划环评专家评审会得到了专家和政府相关部门的认可，同时也是滨 海化工区建设生态工业园、生态新区的重要保障。因此，从项目的示范性和区域 发展的重要角度分析，华能绿色煤电天津i g c c 电站工程是非常必要的。 第一章绪论 1 2 环境影响评价的历史与现状 中华人民共和国环境影响评价法第一章总则第二条称环境影响评价是指 对规划和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估，提出预防 或者减轻不良环境影响的对策和措施，进行跟踪监测的方法与制度【l 】。环境评价 是环境影响评价和环境质量评价的简称。从本质上说，环境质量评价属于环境影 响评价的范畴【2 j 。 1 2 1 环境评价的产生 环境评价是环境问题发生、发展达到一定阶段以及人类对环境及其价值认识 达到一定程度时产生的。根据目前的认识，环境问题的发生与发展分为三个代表 性阶段：自人类出现至1 8 世纪工业革命为止的早期环境问题阶段；自1 8 世纪工 业革命至1 9 8 4 年南极臭氧空洞发现为止的近代环境问题阶段；自南极臭氧空洞 发现以来的当代环境问题阶段【3 j 。在近现代环境问题阶段，尤其是进入2 0 世纪 5 0 年代以来，世界各地各种公害事件不断出现，环境污染与生态破坏已严重影 响了人类的生存与发展。为了保护环境和建设环境，首先就要客观的认识环境。 为了了解环境自然状况与环境污染程度对人类生存、发展的影响，同时也为了在 认识、治理和保护环境的过程中有共同的语言、方法和指标，环境质量、环境评 价便提上了日程。从2 0 世纪6 0 年代开始，随着环境质量概念的形成，环境评价 工作在世界许多国家逐步全面展开。 1 2 2 环境影响评价的历史演变 环境影响评价( e n v i r o n m e n t a l i m p a c ta s s e s s m e n t ，简称为e i a ) 是指对规划 和建设项目实施后可能造成的环境影响进行分析、预测和评估，提出预防或者减 轻不良环境影响的对策和措施，进行跟踪监测的方法和制度1 4 j 。 随着环境问题的日益严重，首先由发达国家开始进行环境影响评价的研究。 1 9 6 4 年，在加拿大召开的国际环境质量评价会议上，学者们首先提出了“环 境影响评价”的概念 妯】。随后美国于1 9 6 9 年颁布国家环境政策法( n e p a ) 建 立了环境影响评价制度。由于e 1 a 在协调经济发展与环境保护所起到的独特作 用，使得该制度迅速得以推广，成为各国重要的环境管理工具。之后瑞典( 1 9 7 0 ) 、 新西兰( 1 9 7 3 ) 、加拿大( 1 9 7 3 ) 、澳大利亚( 1 9 7 4 ) 、马来西亚( 1 9 7 4 ) 、德国( 1 9 7 6 ) 、 菲律宾( 1 9 7 7 ) 、印度( 1 9 7 8 ) 、泰国( 1 9 7 9 ) 、中国( 1 9 7 9 ) 、印尼( 1 9 7 9 ) 、斯 里兰卡( 1 9 7 9 ) 等国纷纷建立了环境影响评价制度。 3 0 多年来，随着环境污染和生态破坏在全世界的扩大和加重，人类对环境 影响的认识也在逐步加深，环境影响评价制度也经历了不同的发展阶段1 7 j ： 第一章绪论 ( 1 ) 环境影响评价方法论发展阶段( 1 9 7 0 1 9 7 5 ) ，侧重识别、预测和减缓 可能发生的生物物理影响。 ( 2 ) 多尺度环境影响评价阶段( 1 9 7 5 1 9 8 0 ) ，开展社会影响评价、风险评 价、景观影响评价，强调公众参与、替代方案。 ( 3 ) 程序调整阶段( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) ，注重监测、审计、工艺评估及环境纠纷 的解决。 ( 4 ) 可持续发展原则引入阶段( 1 9 8 5 1 9 9 0 ) ，围绕可持续发展战略的三个 主要方面：生态持续性、经济持续性和社会持续性开展了区域环境影响评价、累 积环境影响评价和环境影响评价国际合作。 ( 5 ) 战略环境评价( s t r a t e 鲥ce n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n t 简称s e a ) 阶段， ( 1 9 9 0 至今) 开展战略环境评价，从决策源头控制环境污染和生态破坏。 1 2 3 国内外环境影响评价发展现状 ( 1 ) 国外研究现状 环境影响评价是由许多因子所组成的复杂系统，对各个因子的变化及其作用 要做具体分析，进而评价环境影响，用定性描述和统计得不到满意的结果。环境 影响评价正从定性到定量转变，从单因子到多因子转变，从单纯自然环境向自然 和社会环境转变，从静态分析向动态分析转变，这种变化趋势反映了环境影响评 价研究的思路。 1 9 6 4 年在加拿大召开的国际环境评价质量会议上，提出了环境影响评价概 念。此后，美国在1 9 6 9 年制定了国家环境政策法，在世界范围内率先确立了 环境影响评价制度，依据该法设立的国家环境质量委员会制定的关于实施国家 环境政策法程序的条例( n a t i o n a le n v i r o 衄e n t a lp o l i c ya c t r e g u l a t i o n ； i d 1 e m e n t a t i o no fp r o c e d u r a lp r o v i s i o n s ) 又为其提供了可操作的规范性标 准和程序。受美国这一立法的影响，日本、澳大利亚和欧洲各国也相继建立了环 境影响评价制度。1 9 8 4 年联合国环境规划理事会举行会议建议各国环评专家大 力开展环境影响评价理论与方法的研究。1 9 9 2 年联合国在里约热内卢召开了环 境与发展大会，会议通过的里约环境与发展宣言和2 1 世纪议程中明确 写入了环境影响评价的内容。1 9 9 4 年在加拿大召开了第一届国际环境影响评价 部长级会议，有5 2 个国家和组织机构参加了会议，会议作出了进行环境评价有 效性研究的决议隅。 ( 2 ) 国内发展现状 我国于1 9 7 9 年颁布施行的中华人民共和国环境保护法( 试行) 规定在我 国实行环境影响评价制度。1 9 8 1 年，原国务院环境保护委员会、国家计委和国 家经委联合发布了基本建设项目环境保护管理办法，对环境影响评价的范围、 4 第一章绪论 内容、程序作了具体规定。1 9 8 6 年对基本建设项目环境保护管理办法作了 修订，又颁布了建设项目环境保护管理办法，把评价的范围扩大到所有对环 境有影响的建设项目，并针对评价制度实行几年的情况对评价内容、程序、法律 责任等做出了修改、补充和更具体的规定，从而在我国确立了较为完整的环境影 响评价制度。此外，我国还通过各种具体立法对环境影响评价制度作了规定，如 1 9 8 2 年颁布的海洋环境保护法、1 9 8 4 年颁布的水污染防治法、1 9 8 8 年颁 布的水法、1 9 8 8 年颁布的野生动物保护法等法律中都在各自领域对环境 影响评价制度作了明确规定。 为了进一步加强对建设项目环境保护的管理，1 9 9 8 年国务院审议通过了建 设项目环境保护管理条例，该条例是对1 9 8 6 年的建设项目环境保护管理办法 进行了补充、修改和完善，使其提升为行政法规。为了进一步实施可持续发展战 略，预防因规划和建设项目实施后对环境造成不良影响，促进经济、社会和环境 的协调发展，我国于2 0 0 2 年l o 月2 8 日第九届全国人民代表大会常务委员会第 三十次会议通过了中华人民共和国环境影响评价法，该法从2 0 0 3 年9 月1 日 起实施，至此我国的环境影响评价制度进入了一个新的发展阶段。 1 2 4 环境影响评价的评价方法 在环境影响评价中，选择评价指标是非常关键的，此项工作关系到环境影响 评价与实际是否符合。1 9 7 8 年加拿大环境学家m a r k s o n h e i m 提出了矩阵方法， 其基本思想是对多因素加权计算出所有影响的总评值，优点是从整体上考虑事物 所受影响，但是忽略了每个因素对事物影响的大小程度。澳大利亚环境学者 a t h e n s l o g i n 提出了多个可变复杂的非线性模糊模型，来解决模糊水力模型。墨 西哥数学家c s h a no n 建立了模糊模式识别新构架，提出考虑指标权向量的模糊 模式识别模型，以此确定影响因素鉴别方法。 在评价方法上，美国兰德公司于1 9 6 4 年将德尔斐法用于技术预测，此法是 一种系统分析方法，使专家意见价值判断不断向有益方向发展，给决策者以多种 选择的机会和条件。具体形式是通过围绕某一主题让专家以匿名方式充分发表意 见，并对每一轮意见进行汇编、整理、统计，作为反馈材料再发给每个专家，供 他们作进一步的分析判断，提出新的论证。还有巴特尔指数法是引入评价对象的 变化范围，从o 到l 之间，“0 ”表示最差，“1 ”表示最好。另外，美国环境保护 学者j a n e tr i l e 指出，由于环境保护在全球兴起，大量的评价指标被提出，但大 多数指标之间界限划分不清楚，在此基础上，他对多学科系统环境影响评价指标 进行了探讨一j 。 在国内，中国长江三峡工程开发总公司王儒述在分析了三峡工程对生态环境 的影响后，利用层次分析法构建了环境影响评价体系，定性分析了三峡工程对生 第一章绪论 态环境的不利影响，并且提出环境保护措施0 1 。长江水资源保护科研所蒋固政对 汉江梯级开发环境影响进行了分析，探讨了流域梯级开发对环境的影响，形成了 相应的评价体系i l 。田家华、李堂军分别对矿区和矿产资源开发环境影响因素进 行了系统分析，在工程分析和环境影响识别的基础上，构建了环境影响评价指标 体系，并对评价方法进行了探讨。徐福留对大型水利工程的环境影响进行了分析， 提出了评价指标体系，并用模糊评价方法进行了综合评价【1 2 】。 由于环境影响评价所涉及相关学科的发展，特别是系统工程科学、模糊数学、 灰色系统理论等的发展，使评价指标体系向精确化和定量化方向发展。在这方面 的研究有：中国科学院成都计算机应用研究所袁运祥运用多因素模糊综合评价模 型，在单因子定性分析的基础上，用加权迭加进行总体评价。刘年丰应用灰色模 糊识别模型，对生态环境单因素分别评价的基础上，对生态环境质量进行多因素 综合评价，提出了多级灰色关联模糊评价法l l3 | 。武汉大学谢铁笋副教授，主要从 事水利工程的管理研究，将层次分析法和多目标模糊优选理论相结合，建立了水 利工程模型，该模型运用层次分析法建立指标层次模型，确定指标权重，并在此 基础上，使用多目标模糊优选理论，引入相对隶属度概念，求解各方案最优相对 隶属度，以确定最佳方案1 14 | 。大连理工大学陈守煜教授，主要从事水文水资源与 环境、系统模糊决策和工程模糊集理论的研究，他将模糊识别集合算子和非线性 决策分析方法引入模糊动态规划中，推导出两种求解复杂系统多目标多阶段决策 问题的方法，即级别特征值最小法和阶段模糊识别递推法【1 引。南京大学博士后王 栋，提出最大熵原理，其基本思想是应用工程模糊集理论中的相对隶属度等概念， 综合考虑水环境评价的随机性和模糊性，定义了不同的加权广义权距离来表征待 评价水样与水质标准的差异，建立了相对隶属度模糊优化评价模型。 1 3 国内外燃煤电厂运行及污染状况 1 3 1 国外状况 随着科技的不断发展，国外电力技术发展正向高效率、环保型的方向迈进。 各种分析表明，在发电用一次能源的构成中，以煤为主的局面在相当长的时间内 不会改变。为保持煤电的经济性及环保性，最为成熟的技术应为超临界大容量机 组。此外整体煤气化联合循环技术及增压流化床联合循环技术，作为示范性的环 保型新型高效发电技术将在以后的煤电领域发挥更大的作用。 近年来西欧、美国等国大力发展风力发电，此外对太阳能、生物质能等可再 生能源也加大了开发力度。如德国目前正大力开发诸如太阳能、风能、生物能等 可再生能源，计划到2 0 1 0 年使“生态能源”的发电量占到全国发电总量的1 0 ， 5 0 年后力争使可再生能源成为主要能源。而英国政府也计划到2 0 1 0 年使可再生 6 第一章绪论 能源发电能力达到全国总发电量的1 0 9 6 ，到2 0 2 0 年将达到2 0 9 6 ，其中8 0 9 6 来自风 能。在丹麦有2 万多人从事风电产业工作，其营业额己达到3 0 亿欧元，风力发 电为全国提供了2 0 的电力，这一比例位居世界第一。 大力调整电力结构和能源结构是有效控制火电污染的重要举措。调整电力结 构是各国普通采用的对策之一，主要表现为大力发展核电，因为到2 0 世纪7 0 年 代，一些发达国家可利用的水利资源多已开发完毕。更换发电燃料种类或降低燃 料中的含硫量在美国、日本和英国以得到了广泛采用，用以控制s o 。排放，特别 是在s o 。污染控制的初期阶段。烟气脱硫在美国、日本和德国也都得到不同程度 的采用，其中以德国利用最为普遍，从1 9 8 3 年到1 9 8 8 年的5 年时间里，德国的 火电厂基本上都安装了烟气脱硫装置。因此目前需要通过调整电力结构和能源结 构来控制火电污染。 1 3 2 国内状况 中国为世界最大的煤炭生产国和消费国。1 9 9 5 年全国煤炭消费总量1 2 9 8 g t ，约占一次能源消费的3 4 ，为世界煤炭总消费量的l 4 。煤炭是中国主 要一次能源，丰富而价廉，且煤炭为主的格局在相当长时期内不会改变。困扰中 国持续发展的一个难题是：现有煤炭利用技术多为低效率和高污染的。特别是电 力，以火电为主( 约占8 1 ) ，火电能源以煤为主( 约占9 2 7 ) ，火电动力以传统 的汽轮机为主( 约占9 5 ) ，由此产生三大问题：煤耗高( 1 9 9 4 年为标煤o 4 1 3 k g k w h ) ；有害物排放量大，致使环境生态污染严重；耗水量大，在多数缺水地区与 其它行业争水。随着国民经济的发展，现有约2 1 0 g w 庞大火电网还将成倍扩大， 若不采用先进技术改造现有电站和建设新电站，则能源浪费和环境污染的问题势 必更为严峻。 显然，中国电力只能走洁净煤发电的道路，必须在大幅度提高能源利用率的 同时，解决燃煤造成的日益严重的污染问题。 1 3 3 燃煤电厂在我国造成的污染 我国的煤炭质量低下，大多属于低硫煤和中灰煤，并且对煤炭的预处理水平 很低，大多数消费者仍使用原煤，目前原煤的入洗量仅达2 0 ，其中作为动力煤 经过洗选的比例不到1 0 ，而美国的这一比例为4 5 ，欧洲国家则达到7 5 以上。 另外我国煤炭中灰分的比例也较高，高灰分必然降低煤炭的热值，我国的商品煤 平均热值不到2 1 m j k g ，低于优质煤炭平均热值2 5 以上，我国煤炭的含硫量平 均在1 1 ，西南地区高达4 ，相比之下高出国际平均水平的2 5 4 0 个百分点。 我国煤炭的消费是直接燃烧，这造成我国大气典型的煤烟型污染。据统计， 2 0 0 0 年燃煤排放的s o 。、烟尘、c o 。、n o 。、分别占全国总排放量的比例见表卜1 n 制。 第一章绪论 表卜12 0 0 0 年全国燃煤排放污染物情况 燃煤排放物排放量( 万吨)占全国总排放量( ) s o 。1 9 9 5 9 0 烟尘 1 1 6 57 0 c 0 2 3 0 5 2 0 08 0 n 0 x1 0 1 56 5 煤炭燃烧是我国大气的最大污染源，其所消耗的能量为世界消耗量的8 9 ，而二氧化硫排放总量却占世界排放量的1 5 1 、氮氧化物占1 0 1 、二氧化 碳占1 3 5 1 。 我国目前已对煤燃烧所造成的污染有所重视，并开始进行研究和治理。现阶 段的重点是脱硫、脱硝，下阶段对温室气体c o 。的排放也应予以重视，这不仅对 生态环境的改善有利，也有利于国际形象的提高。 当前我国每年火力发电的煤炭消耗量已超过8 亿吨，电厂烟尘排放量约3 0 0 万吨，占全国工业烟尘排放量的3 5 。其中，粒径小于1 0 微米的烟尘排放量超 过2 0 0 万吨。 据国家环保局统计，目前中国s o 。污染产生的酸雨危害面积已达到国土总面 积的3 0 ，全国年均降水p h 值低于5 6 的城市地区已占全国面积的3 0 ，我国己 成为世界三大酸雨区之一。2 0 0 1 年，我国s 0 。排放总量为1 9 4 8 m t ，其中火力发 电为6 5 3 9 8 万t ；工业烟尘排放总量为1 0 5 9 万t ，其中火力发电烟尘排放量为 2 8 9 7 3 万t 。2 0 0 3 年，全国重点统计的1 1 5 8 家火电厂共消耗燃料煤7 亿吨，占 全国工业燃料煤消耗总量的5 9 6 ；全国火电厂二氧化硫排放量为8 2 6 万吨，占 全国工业二氧化硫排放量的4 6 1 。1 1 5 8 家火电厂装配脱硫设施9 8 6 套，共去除 二氧化硫1 0 1 万吨，去除率仅为1 0 9 。 煤炭燃烧排放的烟气可以直接作用于呼吸系统，诱发和加重慢性阻塞性肺炎 等，也可以间接地作用在其它系统，引起死亡率的增加。由大气污染引起的典型 疾病有：慢性阻塞性肺疾患，肺癌，氟病等。 调整电力结构和能源结构是控制我国燃煤电厂污染的有效措施。我国的水力 资源开发尚有很大潜力，应该积极发展水电。逐渐改变煤炭作为主要燃料的火电 状况，改烧油或气。以目前燃煤电厂占较大比例，并且在今后较长时间内一直如 此的现实情况看，加强燃煤电厂污染控制，提高污染物控制强度，是当前工作的 重点。 第一章绪论 1 4ig c c 电站 1 4 1ig c c 的概念与优点 进入2 1 世纪，许多国家都面临着电力需求持续增长、环保法规日益严格、 资源越来越趋短缺的严峻挑战。各国都在积极寻求高效率、低污染的发电系统与 方式，以适应资源、环境和经济协调持续发展的需求，2 0 世纪7 0 年代的石油危 机对全世界的能源和电力市场产生了重大的影响，人们对煤炭的重要性又有了新 的认识。全球煤炭资源占化石燃料的7 0 以上，煤炭发电势必成为一种主要的和 长远的发电方式，因而开发和利用洁净煤发电技术已经成为共识，包括整体煤气 化联合循环( i g c c ) 增压流化床燃煤联合循环( p f b c c c ) 等新型洁净煤发电技术得 到了很大关注与发展，呈现出广阔的发展前景。 煤气化的历史可以追溯到1 8 世纪末，英国人首次用煤制取人工煤气。到2 0 世纪5 0 、6 0 年代，西方工业国家己在民用和化工行业大规模生产和使用煤气。 从7 0 年代开始，美国、德国等工业发达国家加强了煤气化工艺、设备的研究， 并有计划地开展了i g c c 发电技术的研究、开发与示范。 整体煤气化联合循环( i g c c ) 发电技术是将煤气化技术与高效的联合循环有 机结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与煤气净化系统部分和 燃气一蒸汽联合循环发电系统部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、 煤气冷却净化系统；第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、汽轮 机发电系统。i g c c 的工艺流程如下： 煤经过气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、 粉尘等污染物，成为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室中燃烧，加热 燃气工质以驱动燃气透平做功，燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热 蒸汽驱动汽轮机做功。i g c c 联合循环动力岛较常规的联合循环系统工质和能量 的交换与转换利用更为复杂。 从i g c c 系统集成来分析： ( 1 ) i g c c 系统中联合循环多选用以燃气轮机为主的余热锅炉型联合循环，燃 气轮机性能特性对i g c c 系统性能影响最为显著。 ( 2 ) 根据空分系统在整个系统中的整合程度，空分系统所需的高压空气可以 部分或者全部从燃气轮机压气机抽取。当整体空分程度提高时，高效的压气机代 替空分压缩机提供空分的比例增大，有利于改善系统效率，但也增加了系统运行 的复杂性。空分系统与总系统的整合程度对系统效率的影响是复杂的。主要取决 于空分系统特性及其与其他的系统关联规律。 第一章绪论 ( 3 ) 当空分系统采用高压流程时，产生的氮气具有较高的压能，为了合理利 用这部分能量，在i g c c 联合循环系统中把它增压并用蒸汽饱和后回注到燃气轮 机燃烧室，既能减少烟气中n o x 的含量，又可以增加出功。 ( 4 ) 余热锅炉中产生饱和水，供到气化炉在废锅中吸收高温煤气的显热，产 生 高温高压的饱和蒸汽回到余热锅炉中过热后到蒸汽轮机做功，同时，余热锅 炉还产生蒸汽和热水用来饱和煤气和氮气以及满足气化炉和煤气净化系统的需 求等。 至今，从世界范围看i g c c 技术的发展经历了概念性验证阶段和商业示范阶 段，正在走向商业化应用。与此同时各国学者和工业界都尝试着在i g c c 中应用 更加先进的技术和设备优化其流程参数，从而进一步提高其热力性能，降低排放， 减少投资。i g c c 系统具有以下优点n 8 、1 9 1 ： 高效率且具有提高效率的最大潜力。i g c c 的高效率主要来自联合循环燃 气轮机技术的不断发展，又使它具有了提高效率的最大潜力。现在燃用天然气或 油的联合循环发电系统净效率已达到5 8 ，并可望超过6 0 。随着燃气初温的 进一步提高，i g c c 的净效率能达到5 0 或更高。 煤洁净转化与非直接燃煤技术使它有极好的环保性能。先将煤转化为煤 气，净化后燃烧克服了由于煤的直接燃烧造成的环境污染问题，同时也解决了内 燃式的燃气轮机难以直接燃烧固体燃料的问题，其n 0 x 和s 0 。的排放远低于环境 污染物排放标准，处理量少副产品还可销售利用，能更好地适应本世纪火电发展 的需要。 耗水量少比常规汽轮机电站少3 0 5 0 ，这使它更有利于在水资源紧缺 的地区发挥优势，也适于矿区建设坑口电站。 易大型化单机功率可达到3 0 0 6 0 0 m w 以上。 能够利用多种先进技术使之不断完善。i g c c 是一个由多种技术集成的系 统煤的气化净化技术。燃气轮机技术以及汽轮机技术等的发展都为它的发展提供 了强有力的支撑。 能充分综合利用煤炭资源，适用煤种广，能和煤化工结合成多联产系统， 能同时生产电热燃料气和化工产品。 能广泛共享相关科技成果，有广阔的高新科技产业发展前景。亚临界或 超临界蒸汽参数的i g c c 整体煤气化、湿空气透平循环( i g h a t ) 整体煤气化、燃 料电池联合循环( i g f c _ c c ) 等。 l o 第一章绪论 1 4 2l g c c 在国外状况及发展背景 随着社会生产发展和科技进步，现代火电动力发展呈明显的大型化、一体化 趋势。首先表现在多目标的一体化要求：要同时满足发电、能源高效利用、低污 染、低成本以及少用水等目标，而现有化石燃料锅炉、汽轮机的火电站，难以同 时满足这些要求。其次，表现为能源转换利用过程的总能系统概念：不在于单一 热力循环的优劣，而更重视发展的把不同热力循环有机地结合起来的各种高效的 联合循环。联合循环具有很好的综合性能，因而得到越来越广泛的应用。“大型 火电站以联合循环为主，中小机组热电联供居多”已是许多国家电站发展的主要 格局。尽管很多工业发达国家现在仍以石油和天然气为主要的一次能源，但其储 量极其有限且价格不稳定，因而高度重视丰富而廉价的煤炭，都在大力开发把洁 净燃煤新技术和高效联合循环总能系统相结合的先进发电系统。 世界各国正在开发的先进燃煤联合循环发电系统类型很多，从大型化和商业 化发展来看，目前的技术力量和财力主要放在i g c c 上。现在美国、德国、英国、 日本、荷兰、瑞典、芬兰、印度、意大利、西班牙等国都在开发i g c c 技术。数 十年来，投入大量人力物力，己取得重大进展：建成一批示范工程，跨进商业验 证阶段。 世界第一台工业规模的i g c c 装置( 容量为1 7 0 m w ) 是1 9 7 2 年在德国l u n e n 市k e 儿e r m a n 电厂建成的，完成预定实验后于7 0 年代末停运。德国是煤气化技 术的先驱，以前侧重于化工，后也转向发电。由i 【r u p p k o p p e r s 公司开发的 p r e n f l o 煤气化工艺经工业试验后，现已应用到i g c c 项目。 美国在i g c c 方面进展最为引人注目。8 0 年代起美国能源部牵头执行两大项 目：洁净煤技术计划( c c t ) 和矿物能源研究开发项目( f e r d p ) 。1 9 8 4 年在加 州c 0 0 1 w a t e r 电厂建成世界首套1 2 0 m wi g c c 商业性示范电厂，通过5 年( 1 9 8 4 1 9 8 9 年) 2 7 1 0 0 h 运行考核，表明性能良好、运行可靠，尤其是排放污染很小， 被誉为“世界上最清洁的燃煤电站”。美国另一座i g c c 示范电站位于路易斯安 娜州的l g t i 电厂，电站折算总功率为1 6 1m 1 l ，净效率3 4 2 。从1 9 8 4 年4 月 投运至1 9 9 4 年3 月累计运行3 3 6 3 7 h ，是世界上运行时间最长的i g c c 机组。 英国从7 0 年代初开始研制煤气化工艺，现已开发出b g l 鲁奇炉，并筹建 相应的i g c c 项目。荷兰s h e l l 气化装置在美国h o u s t o n 成功运行1 8 万h ， 1 9 8 9 年在荷兰b u g g e n u m 建造2 5 3 m w i g c c 电站，这是目前世界上容量最大、性 能最好( 净效率4 3 2 ) 的i g c c 装置，1 9 9 4 年3 月投运。 日本政府拨巨款推行相应的国家项目：含洁净煤技术的“日光计划”、“煤 气化联合循环动力系统等，它不仅加入美国冷水工程，还通过n e d 0 大力推行 i g c c 相关研究，完成2 0