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第四节 火电厂对环境的影响及防止措施 火力发电采用的是化石燃料，其化学成分非常 复杂，燃烧产物的排放不可避免会对环境造成污 染，其中常规燃煤电厂的污染最为严重。 按元素分析，煤的成分有碳 (45 ％－ 90 ％ ) 、氢 (1.5 ％－ 6 ％ ) 、氧 (0.5 ％－ 30 ％ ) 、氮 (0.3 ％－ 3.5 ％ ) 、硫 (0.5 ％－ 2 ％ ) ，加上水分 (2 ％－ 50 ％ ) 以及 燃烧后剩下的不可燃灰分 (10 ％－ 50 ％ ) ，其中可燃 成分是碳、氢、硫， 相应的燃烧产物为二氧化碳 ( 不完全燃烧时还
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第四节 火电厂对环境的影响及防止措施 火力发电采用的是化石燃料，其化学成分非常 复杂，燃烧产物的排放不可避免会对环境造成污 染，其中常规燃煤电厂的污染最为严重。 按元素分析，煤的成分有碳(45％－90％)、氢 (1.5％－6％)、氧(0.5％－30％)、氮(0.3％－ 3.5 ％)、硫(0.5％－2％)，加上水分(2％－50％)以及 燃烧后剩下的不可燃灰分(10％－50％)，其中可燃 成分是碳、氢、硫， 相应的燃烧产物为二氧化碳(不完全燃烧时还 有一氧化碳)、水、二氧化硫、三氧化硫)，同时高 温下氮与氧化合生成氮氧化物(主要是NO和NO2)，
而火电厂用的液体燃料(主要是重油、渣油)和 气体燃料(天然气、高炉和焦炉煤气、合成煤气)的 成分与煤相同，只不过水分、灰分低得多。因此， 火电厂生产时的污染排放主要是烟气污染物排放、 灰渣排放、废水排放，其中烟气中的粉尘、硫氧化 物和氮氧化物通过烟囱排入大气，这些一次污染物 通过在大气中的迁移、转化生成二次污染物，会给 环境造成更大的危害。
1．粉尘 燃料在锅炉炉膛内燃烧后，其中所含的灰分一部分(细 小颗粒)随烟气排出炉膛，称为飞灰；另一部分(较大颗粒) 从炉膛下部排出，称为灰渣。国内大多采用固态排渣炉， 飞灰占80％一90％。飞灰表面带有硫酸盐、微量金属和有 机化合物(有些是致癌的物质，增加了毒性)，特别是粒径 小于10μm的粉尘难以沉降，在大气中长时间漂浮(漂尘) 可直接进入人体呼吸器官，造成更大的危害。目前国内粉 尘的排放控制主要是通过除尘器除尘，大机组通常采用静 电除尘，效率在99％以上，但老机组的水膜除尘效果差， 只有95％以下)。 老机组容量不大，粉尘的排放量却很大，通过改装高 效除尘器是减少粉尘的有效措施。
2. 硫氧化物 ( SO2 ) 排烟中主要是SO2，和少量的SO3，它们对人的 眼睛和肺以及植物的叶片带来损伤。浓度高的SO2 造成呼吸系统疾病甚至死亡，使农作物减产或植被 枯萎。在大气中与雾、飘尘等发生化学反应形成硫 酸烟雾，其毒性比SO2大4～20倍，危害性特别大 SO2氧化为SO3与水结合成硫酸雾，会造成酸 雨。酸雨会对环境带来广泛的危害，造成巨大的经 济损失，如： • 酸雨会严重破坏森林生态系统、土壤生态系统和水生生态系统，造成森林枯萎死亡，使森林面积减少；造成
土壤酸化，使土壤贫瘠，农作物减产；造成湖泊酸土壤酸化，使土壤贫瘠，农作物减产；造成湖泊酸 化，使水生生态系统紊乱，影响水生生物的生长和 繁殖。酸雨还会腐蚀破坏建筑物和金属材料等。腐 蚀建筑物和工业设备；破坏露天的文物古迹；损坏 植物叶面，导致森林死亡；使湖泊中鱼虾死亡；破 坏土壤成分，使农作物减产甚至死亡； 目前，我国已成为世界三大酸雨区之一，SO2 污染产生的酸雨危害面积已达国土总面积的30 ％ 全国70.6%的城市地区年均降水PH值低于5.6。中 国二氧化硫排放量超过环境承载量的81%。 下图是我国酸雨两控区的示意图。
酸雨会影响农作物稻子的叶子，同时土壤中的金属元素因被酸雨溶解，造成矿物质大量流失，植物无法获得充足的养分，将枯萎、死亡。酸雨会影响农作物稻子的叶子，同时土壤中的金属元素因被酸雨溶解，造成矿物质大量流失，植物无法获得充足的养分，将枯萎、死亡。
酸雨使土壤酸碱性增强，湖泊酸化，生态环境受损 酸雨使土壤酸碱性增强，湖泊酸化，生态环境受损 酸湖形成，鱼虾难存 土壤酸化，作物减产
酸雨破坏建筑物 酸雨使非金属建筑材料如混凝土、砂浆和灰砂砖等的水泥溶解，出现裂缝，导致建筑物损坏。酸雨使古迹文物面目全非。 酸雨也造成暴露在外的雕像受到侵蚀，这造成文化资产的破坏，令许多人担忧。
酸雨能使文物面目皆非。碑林文字模糊；著名的杭州灵隐寺的“摩崖石刻”近年经酸雨侵蚀，佛像眼睛、鼻子、耳朵等剥蚀严重，面目皆非，修补后，古迹不“古”。碑林、石刻大都由石灰岩雕成，遇到酸雨立即起化学反应，酸碱中和，即被腐蚀。酸雨能使文物面目皆非。碑林文字模糊；著名的杭州灵隐寺的“摩崖石刻”近年经酸雨侵蚀，佛像眼睛、鼻子、耳朵等剥蚀严重，面目皆非，修补后，古迹不“古”。碑林、石刻大都由石灰岩雕成，遇到酸雨立即起化学反应，酸碱中和，即被腐蚀。
在瑞典的9万多个湖泊中，已有2万多个遭到酸雨危害，4千多个成为无鱼湖。美国和加拿大许多湖泊成为死水，鱼类、浮游生物、甚至水草和藻类均一扫而光
我国重酸雨地区四川盆地受酸雨危害的森林面积达28万公顷，占林地总面积的三分之一，死亡面积1.5万公顷，占林地面积6%。同样受酸雨侵袭的贵州省，受危害的森林面积达14万公顷，为四川盆地的二分之一。我国重酸雨地区四川盆地受酸雨危害的森林面积达28万公顷，占林地总面积的三分之一，死亡面积1.5万公顷，占林地面积6%。同样受酸雨侵袭的贵州省，受危害的森林面积达14万公顷，为四川盆地的二分之一。
我国马尾松和华山松对酸雨十分敏感，重庆南山风景区约三万亩马尾松发育不良，虫害频繁；80年代约有一万公顷马尾松枯死，几经防治，毫无效果。 四川万县有华山松97万亩，其中60万亩受到不同程度伤害；而奉节县有九万亩华山松，90% 枯死。四川名胜峨眉山，风景旖丽，全靠山深林秀。但近十年来，冷杉林成片死亡；七里坡接引殿一带，有4%的树木枯死；金顶附近600余亩树林，几乎全部死绝，光秃秃，景观全非。
一九六七年，美国俄亥俄河上的跨河大桥倒塌，死亡人数高达四十六名，调查发现与酸雨侵蚀大桥有关一九六七年，美国俄亥俄河上的跨河大桥倒塌，死亡人数高达四十六名，调查发现与酸雨侵蚀大桥有关
我国制定了相应的大气污染排放标准«火电厂大气污染物排放标准»（GB13223-2003)我国制定了相应的大气污染排放标准«火电厂大气污染物排放标准»（GB13223-2003) 我国 火电厂SO2最高允许排放浓度（mg/m3) 注：I时段指1996年12月31日前建成使用的锅炉；II时段指1997年1月1日-2003年12月31日建成使用的锅炉；III时段指2004年1月1日后。
采取策略：洁净煤技术洁净煤技术是以较少的污染和提高煤炭利用效率为宗旨,也即是煤炭洗选加工,燃烧,转化和烟气净化等技术的总称.采取策略：洁净煤技术洁净煤技术是以较少的污染和提高煤炭利用效率为宗旨,也即是煤炭洗选加工,燃烧,转化和烟气净化等技术的总称. （1）燃烧前净化 (1) 重介质选煤：用密度介于煤与矸石之间的液体作为分选 介质的选煤方法 ●选煤 (2) 跳汰选煤：是我国应用最普遍的常规分选方法，使用跳 汰机 (3) 浮选：依据矿物表面润湿性的差别，分选细粒煤 (0.5mm以下)的选煤方法 (1) 民用型煤：蜂窝煤和煤球 ●型煤 (2) 工业型煤：节煤率可达24%∼27%,烟尘减少排放率 74%∼90%,固硫率56%∼74%
(1) 化学法脱硫:针对煤中有机硫，主要利用 不同的化学反应，包括生物化学反应，将煤 中的硫转变为不同形态硫而使之分离 (2) 微生物脱硫:把煤粉悬浮在含细菌的气泡液 中，细菌产生的酶能促进硫氧化成硫酸盐●燃烧前脱硫技术 (3) 磁力脱硫:将煤粉通过高强度磁场，使弱磁 性物质 FeS2 和硫酸盐等从煤粉中分离出 来，吸集在磁极 体上，然后定期断电去 磁，用水或机械方式除去体上吸集的硫 (4) 煤的气化或液化：使煤中硫 H2S.采用常规方法去硫
（2）燃烧中净化a 煤粉炉内直接喷钙脱硫技术b 循环流化床燃烧(CFBC)脱硫技术 ●燃烧中脱硫 c 增压流化床燃烧(PFBC)脱硫技术d 型煤燃烧技术a 低过量空气燃烧b 空气分级燃烧 c 燃料分级燃烧 ●燃烧中脱硝 e 烟气再循环f 低NOx燃烧器g 流化床锅炉低NOx排放方法h 炉膛喷射脱硝●燃烧中脱硫/脱硝：同时脱硫脱硝的低NOx燃烧器
(3) 燃烧后烟气净化 a 干法烟气脱硫 石灰石/石灰抛弃法 石灰石/石灰石膏法 双碱法 b 湿法烟气脱硫韦尔曼-洛德法 ●烟气脱硫氨肥法 氧化镁法 海水烟气脱硫 c 电子束烟气脱硫 d 脉冲等离子脱硫 e 烟气循环流化床脱硫
目前电厂主要采用燃烧后烟气脱硫（烟气脱硫技术）：目前电厂主要采用燃烧后烟气脱硫（烟气脱硫技术）： 其原理是将烟气排入大气前， 用氢氧化物，氨， 石灰石粉，活性炭，钒触煤等物质吸收或吸附烟气 中的SOx ，使之转化为石膏，硫酸铵，硫酸或硫。 还有可在燃烧过程中加入适量的石灰石等碱性 吸收剂(如炉内喷钙、流化床燃烧技术)来控制排烟 中硫氧化物的含量。
3．氮氧化物(NOx) 排烟中的氮氧化物主要是NO、少量的N02和极 少量N20，通常NOx是指NO及NO2。氮氧化物最重 要的影响是它参与光化学反应，形成光化学烟雾 和吸收电磁波，最后在大气中形成硝酸盐，降低天 空的亮度以及远处物体的反差，并有害于人体身心 健康，特别是呼吸系统。有时候排入大气的NOx 全部转化成硝酸或过氧酰荃硝酸盐，通过沉降进入 生态系统。 一氧化氮对酸雨的形成和生态系统的影响已日 益显著。
NOx是燃料中的有机氮化物和空气中的氮分子在 火焰中及火焰周围的高温区形成的，前者称为“燃 料型”NOx ，后者称为“热力型”NOx 。燃料 NOx的生成与燃料的含氮量和火焰中及其周围的氧 浓度有关，热力型NOx的生成率与燃烧温度和燃烧 区的氧浓度有关。因此，降低燃烧温度和欠氧燃烧 可以减少NOx的生成。目前采用低NOx燃烧技术， 即低过剩空气量、分级送风、分段燃烧等方法以减 少烟气中NOx的含量。或采用流化床燃烧技术，其 燃烧温度低(850～900℃左右)， NOx的生成量比 悬浮燃烧的锅炉低得多。
4．二氧化碳(CO2) 二氧化碳在大气中的寿命为50～200年，被认 为是造成全球气温升高的“温室效应”气体中的主要 气体。目前减少二氧化碳排放技术还处于研究试验 阶段。 根据京都议定书，我国温室气体（CO2）排放的 形势是非常严峻的。因为，一方面，我国一次能源 消费结构以煤炭为主，约占了全部能源消费的四分 之三；与世界能源构成相比，我国煤炭的比重比世 界平均水平高1倍以上。而且根据我国国情，我们 在将来很长时间内还要维持以煤炭为主的能源消费 政策。
众所周知，燃烧化石燃料特别是煤炭是增加大气中众所周知，燃烧化石燃料特别是煤炭是增加大气中 CO2浓度的最主要原因。另一方面，我国的能源利用率比 较低。我国单位国民产值的能耗是发达国家的4～15倍。 这意味着生产同样产值的东西，我们要比工业发达国家多 耗费4～15倍的能源。而多耗费能源就意味着多增加CO2 排放。另外，尽管目前我国人均CO2排放量比较低，但由 于人口基数大，CO2的排放总量并不少。我国1995年的 CO2排放总量已位居世界第2位，仅次于美国。况且我国 目前的人均能源消费量少，仅是发达国家的1/5～1/12。 随着我国经济的快速发展和城市化水平的提高，我国人均 能源消费必将大幅度增长，CO2等温室气体排放也会大幅 度增加，因此将面临CO2排减排的巨大压力。
5．排水热污染 凝汽器的冷却水量非常大(汽轮机的排汽的50～100倍) ，采用直流冷却系统时，冷却水直接取自江、河、湖、 海、水库，排出的水温一般要升高8～10℃，会引起水体 热污染。 6．废水 火电厂除冷却系统排水外，还有补给水化学除盐系统 和凝结水处理系统的酸碱废水、煤场雨排水、灰场排水、 锅炉启动和运行期的化学清洗废液等。废水含有废酸、废 碱、悬浮物、油脂、有机污染物、富营养污染物、微量元 素，排入水体均会造成不同程度的污染。目前，主要通过 废水处理系统加以净化或回收再利用。
7．灰渣 燃煤电厂每天产生的大量灰渣，目前还不能 全部加以综合利用，因此，必须有很大的储灰场。 灰渣中含有硅、铝、铁、钙、镁等多量元素和砷、 铬、镉、铅等微量元素。这些物质经水浸泡和雨 淋，均会不同程度地溶入水中，灰水排入地表水体 或渗入地下水均会污染水体。灰渣的利用方式很 多，并有一定的经济效益，加大灰渣综合利用的力 度是减少灰渣污染最有效的措施。
8．噪声 火电厂是一个噪声源相对集中、噪声辐射量大、 噪声种类繁多的场所，如锅炉排汽噪声高达114— 170dB，不过影响主要在厂区。可以通过对设备的 运行管理、系统的改进、加装隔声罩等方法以降低 噪声。 9．放射性污染 某些煤中含有少量的天然铀、钍以及它们衍生 的放射性物质，通过烟气或废水排入环境，造成污 染。这些放射性物质进入人体，会引起皮炎、白血 病、再生障碍性贫血等严重疾病。减少火电厂排放 污染物能减轻放射性污染的影响。
例如一座2400MW燃煤电厂，每年需消耗约750万t煤，例如一座2400MW燃煤电厂，每年需消耗约750万t煤， 即使以煤中含硫量1％和除尘效率99.5％计，每年排放的 SO2，也有14万t，飘尘0.68万t，NO 7万t，灰渣180万t 左右。另外，还有约55％的热量(相当每年400多万t煤的 燃烧热量)作为废热由循环冷却水带出排放。因此，常规 火电厂对环境的污染相当严重。 我国是以煤为主要一次能源的国家，并且煤炭资源相 对丰富，已探明的煤炭保有储量10070．7亿t，占一次能 源的90％以上，同时常规燃煤火力发电设备技术成熟，在 今后几十年内以燃煤火力发电为主生产电能的方式不会有 太明显的变化。因此，加快洁净煤技术在常规火电机组中 的应用，减少对环境的污染，又符合我国自身能源结构的 特点。
第五节 蒸汽一燃气联合循环 一、燃气轮机基本原理及组成 燃气轮机是以空气及燃气为工质将热能转换为机械能的 旋转式动力机械，其原理类似古老的走马灯(依靠燃气带 动纸人纸马旋转的装置)。图1—27是一个单轴简单的开式 循环燃气轮机的系统原理图。 压气机1从大气吸入空气，将它压缩到规定的压力同时 温度也升高．然后送入燃烧室4；燃料泵3将燃料送入喷嘴 5并喷入燃烧室内，燃料和空气进行混合和燃烧，生成高 温高压的燃气；高温燃气进入透平8膨胀做功，推动透平 转子转动；做功后燃气的温度和压力降低，直接排入大 气。如此，完成从燃料化学能到旋转机械能的能量转换全 过程。
燃气动力循环（布雷顿循环）由四个基本过程组燃气动力循环（布雷顿循环）由四个基本过程组 成： ● 空气在压气机内进行的绝热压缩过程， ● 压缩空气在燃烧室内进行的等压加热(燃烧)过程， ● 燃气在透平内进行的绝热膨胀过程， ● 透平内排出的燃气在大气中进行的等压放热过程。 需要指出的是： ① 压气机出口的空气仅有20％一40％是被送入有效燃烧区6并参与 燃烧过程，即一次空气；而其余的60％。80％的空气是在燃烧有效 区的后面才加入到燃气流中，这部分空气(称二次空气或冷却空气) 和燃烧生成物相混合，使透平的进口温度降低到其规定值。这是因 为要保证燃烧完善与可靠，在燃烧区温度必须保证在1800～2000 0C范围内，但涡轮叶片的耐热性又受金属材料的耐热性的限制。
目前透平进口初温为1260～1427℃。 ② 透平发出的功率约有2／3要消耗在压气机对空气进行压缩上， 只有余下的1／3成为燃气轮机输出的机械功，用来拖动发电机。 压气机、燃烧室和透平是燃气轮机不可缺少的三 大主要部件。 (1)压气机：利用旋转的动叶对空气做功，把输入 转子的机械能转换为空气的压力势能和热能的叶轮 机械。目前应用广泛的是轴流式压气机，由转子 (主轴、叶轮和动叶)、静子(气缸和静叶)、气封和 轴承等主要部件组成。
(2)燃烧室：装于压气机与燃气透平之间，结构非(2)燃烧室：装于压气机与燃气透平之间，结构非 常紧凑。目前主要燃用液体燃料(煤油、柴油、重 油、渣油和原油)或气体燃料(天然气、焦炉煤气、 高炉煤气、液化石油气、炼油厂气和合成煤气)。 燃烧室有使用油或气单一燃料的，也有使用油和气 双燃料的，后者既可以烧油，也可以烧气，或者油 气混烧。 (3)燃气透平：用来驱动压气机和发电机的叶轮机 械，工作原理与汽轮机相似，但工质是具有压力和 温度不可凝结的气体，工质在燃气透平的叶栅中进 行膨胀，将部分热能转换为动能，推动动叶和转子 旋转做功。目前应用最广的是轴流式。
单轴燃气轮机；透平既拖动压气机，同时又拖动外单轴燃气轮机；透平既拖动压气机，同时又拖动外 负荷，三者是共轴的。 分轴燃气轮机；压气机由高压透平(又称压气机透 平)拖动，发电机则由低压透平拖动，这两个转子 是彼此独立的。 与蒸汽轮机相比： ■燃气轮机具有重量轻、体积小、设备简单、启动 快、自动化程度高、单机功率较大(可达300MW等 级)、热效率可达36％～41.7％等特点，因此已 大量应用在电力系统或热电联产电厂。
■燃气轮机燃气温度高、压力低、体积流量很大，■燃气轮机燃气温度高、压力低、体积流量很大， 单机功率比不上汽轮机；燃气透平的焓降小，级数 比汽轮机少；燃气温度高且有腐蚀成分，叶片、转 子和气缸需冷却并采用耐腐蚀材料。 二、燃气一蒸汽联合循环 第一章指出，工质的加热温度越高，放热温度越 低，热效率就越高。目前，燃气轮机的燃气初温已 达1260～1427 0C ，但其放热温度也甚高，一般为 425—600 0C ，致使大量热能随排气进入大气而损 失掉，因而简单循环燃气轮机的净热效率只有35 ％一41％，
目前单纯用燃气轮机驱动发电机的发电装置主 要用于电力调峰或紧急备用电源；而水蒸气动力循 环的初温一般不超过600 0C ，放热温度在30 0C左 右比较接近环境温度。若将燃气轮机的排气余热作 为对蒸汽循环的加热，产生高温高压的蒸汽，送到 汽轮机中去做功，这样，就可以在不多耗燃料的前 提下，额外地获得一部分机械功，使热效率提高。 这就构成燃气一蒸汽联合循环，既有燃气一蒸汽联 合循环的净热效率已达56％～58％，本世纪初有 望超过60％。
常规的联合循环机组主要有余热锅炉型、补燃余热常规的联合循环机组主要有余热锅炉型、补燃余热 锅炉型、增压锅炉型和排气助燃锅炉型4种基本形 式，如图l一28所示。 以上形式中余热锅炉型为主要的发展形式
余热锅炉型联合循环[图1—28(a)]：这是比较简 单、用得最多而且早已成熟的方案。温度高达 425～600 ℃的燃气轮机排气被引到装在其后的余 热锅炉中去加热给水，使其产生蒸汽，送到汽轮机 中去做功。这是以燃气轮机为主，汽轮机为辅的联 合循环。机组的总功率约为燃气轮机功率的1.3～ 1.5倍。汽轮机功率和蒸汽参数取决于燃气轮机的 功率和排气温度。在燃气透平的排气侧可设置旁通 烟囱，这样就可使燃气轮机单独运行。余热锅炉没 有安装补燃设备，无辐射受热面，有自然循环和控 制循环两种型式。
余热锅炉分卧式和立式布置，对流受热面对应作垂余热锅炉分卧式和立式布置，对流受热面对应作垂 直布置和水平布置，使烟气横向冲刷管束，它的结 构简单、造价也低。联合循环中的汽轮机不能单独 工作，一般按滑压方式运行，其蒸汽参数和功率将 随燃气轮机的功率而改变。下图为典型余热锅炉简 图。 目前，余热锅炉型联合循环的净热效率已达56 ％～58％。燃用重质液体燃料时，由于燃气轮机 初温受到限制(一般为1100 0C左右)，净热效率略 低，约50％左右。这种联合循环还可用于对现有 的蒸汽动力发电厂的改造。
余热锅炉型联合循环的缺点 主要是目前只能燃用气体燃料和液体燃 料，发电成本比较高； 其次燃气轮机需要依靠进口，投资成本高 另外在部分负荷运行时效率较低。 其它类型联合循环方式的示意简图如下：
余热锅炉型联合循环的优缺点 ① 净热效率很高 目前已达50％一58％，最终有望达到70％。 ② 单机容量大 单机容量已经达到350MW以上，若采用多台燃气轮机的联合循环，容量可增至1000MW左右，可与目前大容量的汽轮机抗衡。 ③ 建设周期短 一年内可以建成功率为2／3总容量的燃气轮机发电机组，先行发电，两年内可建成整个联合循环。
