中國燃煤工業鍋爐二氧化硫污染及其控制
摘要：本文研究我國燃煤工業鍋爐SO2污染的現狀及其控制。研究表明，燃煤工業鍋爐是我國SO2污染的第二大污染源，僅次于燃煤發電廠，控制燃煤工業鍋爐SO2污染，對控制我國大氣環境SO2具有極其重要的意義。應用傳統的控制方法及技術，即旋風除塵器、水膜除塵器及煙氣脫硫技術，很難控制燃煤工業鍋爐的SO2污染，其經濟效益、環境效益和社會效益也很差。研究表明，只有采用清潔燃料，淘汰小鍋爐，采用工業固硫型煤、采用水煤漿、應用循環流化床潔凈燃燒技術和煙氣脫硫技術，才能經濟有效地控制燃煤工業鍋爐SO2污染。
關鍵詞：煤炭；燃煤工業鍋爐；二氧化硫；大氣SO2污染；煙氣脫硫
1引言〔1-3〕
自20世紀80年代初以來，隨著我國經濟持續迅速發展，城市化進程加快，人口不斷增加，煤炭消耗量逐年以3～9%的遞增率大幅度增加，我國大氣環境受到了嚴重污染，其中以SO2和煙塵污染最為嚴重，成為世界上大氣環境污染最嚴重的國家。多年來，我國每年被評價的城市中，1/3以上城市SO2的年日均濃度超過國家大氣質量二級標準。在SO2污染作用下，我國酸雨污染也日趨加重，成為世界上第三大酸雨區。未來煤炭逐年大幅度增加和SO2排放量不斷增加之間的矛盾也不容樂觀。大氣環境SO2嚴重污染，已導致我國地區環境安全問題產生，對人民健康、生態環境、經濟發展和社會進步造成的經濟損失相當可觀。
通過對大氣環境中污染物來源分析表明，我國大氣污染屬于煤煙型污染，其中SO2和煙塵等污染物主要是由煤炭燃燒產生的。煤炭燃燒排放的SO2和煙塵，分別占SO2總排放量的90%和煙塵總排放量的70%，煤炭燃燒排放的CO2，占CO2總排入量的85%，而燃煤工業鍋爐排放的CO2，占煤炭燃燒排放量的30%。可見，控制煤炭燃燒SO2和煙塵的排放量，對控制我國大氣污染具有重要的意義。我國煤炭燃燒排放SO2的主要污染源有燃煤發電廠、燃煤工業鍋爐、燃煤工業窯爐和民用小煤爐，它們排放SO2分別占煤炭燃燒SO2總排放量的40%、25%、5%和20%。可見，控制燃煤工業鍋爐SO2污染，對控制我國大氣SO2污染具有極其重要的意義。燃煤工業鍋爐以其SO2污染控制技術上難度大、經濟上投入多為特點，并形成全社會共同關注的熱點。
多年來，我國大氣污染控制實踐表明，應用傳統的方法，如單純應用除塵和煙氣脫硫技術及設備，燃煤工業鍋爐大氣SO2污染是難以控制的。只有從能源與大氣環境問題入手，采用清潔燃料、淘汰小鍋爐、
采用工業固硫型煤、采用水煤漿、應用循環流化床潔凈燃燒技術和煙氣脫硫一整套科學、綜合防治技術，才能簡便、經濟、有效地防治燃煤工業鍋爐SO2污染。這套防治技術具有燃燒效率高，一般在90%左右；熱效率高，一般在80%以上；排煙煙塵濃度和SO2濃度均可達到《鍋爐大氣污染物排放標準》的要求，大大減少資源浪費，經濟效益、環境效益和社會效益均佳，是我國目前及未來燃煤工業鍋爐SO2污染防治最佳的替代技術。只有采用這套污染綜合防治技術，我國大氣環境污染才能有望得到防治，即使在經濟持續迅速發展的情況下，我國大氣環境污染也是可以防治的，這是過去傳統污染防治技術在本質上不可比擬的。實施這套大氣環境污染綜合防治技術，對我國大氣環境污染防治和我國經濟可持續發展具有重要的意義及深遠的影響。
2中國燃煤工業鍋爐大氣環境SO2污染〔4-7〕
2.1燃煤工業鍋爐是大氣SO2污染的最主要污染源
我國鍋爐工業發展迅速，1949年工業鍋爐年產量只有240蒸t，到1985年年產量已達到82000蒸t，是1949年的342倍。目前全國燃煤工業鍋爐擁有50多萬臺，煤炭年消耗量為3億多t，占全國煤炭消耗總量的30%左右，每年向大氣排放SO2為580萬t，煙塵600多萬t。燃油燃氣的工業鍋爐所占比例甚少，不到10%。
我國燃煤工業鍋爐種類繁多，大約有282種，主要有鏈條爐、往復爐、拋煤機爐、振動爐排爐、下飼爐、人工爐、粉煤爐和沸騰爐等。其中，層燃式鍋排鍋爐占90%，懸燃式鍋爐和沸騰床鍋爐等占10%。層燃式鍋爐中，鏈條爐占2/3，往復爐占1/4。在我國工業鍋爐中，70%以上的為≤4t/h低壓小容量鍋爐。
根據鍋爐設計標準，我國燃煤工業鍋爐是由低壓鍋爐和中壓鍋爐組成的。其中，按容量計，低壓鍋爐構成比例甚高，約占90%。低壓燃煤工業鍋爐是指蒸汽壓力在12kg/㎡以下，容量在60t/h以下，60t/h的燃煤工業鍋爐至今尚未投入生產。40 t/h以下的燃煤工業鍋爐包括：1 t/h，2 t/h，3 t/h，4 t/h ，6t/h，8 t/h，10 t/h，20 t/h，35 t/h和40 t/h，以及1 t/h以下的小鍋爐。中壓燃煤工業鍋爐是指蒸汽壓力為12～25kg/㎡的鍋爐，其容量目前包括75 t/h，110 t/h，130 t/h，220 t/h和410 t/h等。近十幾年來，我國中小型燃煤工業鍋爐SO2污染防治所涉及的鍋爐，即是指中低壓燃煤工業鍋爐。
燃煤工業鍋爐，既是支撐我國我國經濟持續迅速發展、量大面廣的熱能動力設備，又是嚴重污染我國大氣環境、制約我國經濟發展的最重要SO2污染源。
2.2燃煤工業鍋爐的特點
（1） 鍋爐容量小，70%以上的鍋爐容量為小于等于4t/h的低壓小鍋爐，平均單獨容量不到2.5t/h，而美國和日本的平均單獨容量為5～14t/h，最大的高中壓鍋爐可達 400t/h以上。
（2） 鍋爐以燃煤為主，約占鍋爐總容量的90%左右，燃油燃氣的鍋爐很少，不到10%。而國外燃油燃氣的工業鍋爐及商業鍋爐占85～95%以上，鍋爐容量越小，燃油燃氣的比例越高。例如，美國工業鍋爐和商業鍋爐共有130多萬臺，燃煤的僅占5%左右，其他燃柴油和天然氣等。
（3） 鍋爐用煤炭的品質低劣，灰分及硫分含量高。灰分通常高于22%，有時能達到40%以上；硫分一般高于1%，平均為1.7%，有時高達3～5%或更高。而國外工業鍋爐和商業鍋爐燃用煤炭通常為工業固硫型煤和低灰低硫優質煤。
（4） 鍋爐燃燒方式落后，多為層燃式，燃燒效率低，污染物排放強度高。我國鍋爐煙塵排放濃度一般為400mg/m3而國外為50～100 mg/m3。
（5） 鍋爐熱效率低，一般為50～55%，而國外工業鍋爐和商業鍋爐的熱效率為80～85%，相差30%。
（6） 鍋爐煙囪低矮，一般低于30m，含硫煙氣多為低空排放，對城市大氣污染貢獻率高，通常為45～65%。
（7） 鍋爐布局相當分散，遍及全國各地。
（8） 鍋爐煙氣組成復雜，主要含有煙塵、SO2、NOx、CO2、CO、CmHn等。煙氣中SO2濃度很低，一般為0.5～1.5%，凈化難，回收價值低。
（9） 鍋爐煙氣量大、煙氣溫度高、壓力低、含有腐蝕性氣體，凈化操作難度大，費用高。
（10） 鍋爐機械化自動化水平低，管理水平差。
2.3燃煤工業鍋爐SO2污染狀況
我國燃煤工業鍋爐煤炭年消耗量為3億多t。SO2年排放量為580萬t，煙塵年排放量為600萬t。其中，SO2年排放量約占全國SO2年總排放量的28%，居全國第二位。燃煤發電廠煤炭年消耗量為4億多t，SO2年排放量為780萬t，煙塵年排放量為2000多萬t，SO2年排放量約占全國SO2年總排放量的40%，居全國第一位。由于煙囪低矮和布局分散等，燃煤工業鍋爐一向是我國城市中污染貢獻率遠大于燃煤發電廠的最重要的SO2污染源，是制約城市經濟發展的最重要的因素。可見，雖然燃煤工業鍋爐SO2年排放量居第二位，但污染影響卻居第一位，控制燃煤工業鍋爐SO2污染，對控制我國大氣SO2污染，具有極其重要的意義。目前，我國人口為100～200萬的城市，其大氣污染最為嚴重。
未來，我國能源消耗量將會逐年不斷增加。預測2005年為13.3億t標準煤，2010年為15.6億t標準煤，2015年為17.9億t標準煤，2040年為37.5億t標準煤。未來，燃煤工業鍋爐煤炭消耗量與SO2的排放量之間的矛盾更為突出。屆時，中國大氣污染環境SO2污染繼續加重將不可逆轉。因此，削減燃煤工業鍋爐SO2排放量，控制燃煤工業鍋爐SO2污染，是我國環境保護工作的重中之重。
3中國政府對大氣環境SO2污染防治的要求及規定
我國政府對大氣環境SO2污染防治十分重視。近年來，我國政府出臺了一系列防治大氣環境污染的法規、文件、條例及規定等，如《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《大氣環境質量標準》、《鍋爐大氣污染物排放標準》等。其中，《國務院關于酸雨控制區和SO2污染控制區有關問題的批復》（國函〔1998〕5號）明確規定，現有燃煤含硫量大于1%的部門，要在2000年以前采取減排SO2措施，2010年前分期分批建成脫硫設施，或采用其他相應結果的減排SO2措施。
經國務院批準的國家環保總局與有關部門共同編制的《兩控區酸雨和二氧化硫污染防治“十五”計劃》中提出，“十五”期間將投資976億元，實現2005年“兩控區”內二氧化硫排放量比2000年減少20%，酸雨污染程度有所減輕，80%以上城市濃度年均值達到國家空氣環境質量二級標準。“兩控區” 二氧化硫污染防治工程是我國“33211”環境保護重點工程之一。這些法規、文件、條例及規定，對我國大氣環境SO2污染防治，在時間、空間及具體內容上作出了明確的規定和要求，有的寫進了法規，以法律的形式固定下來。認真貫徹和實施這些法規、文件、條例和規定，對防治我國大氣SO2污染將起到積極和重要的作用。
4中國燃煤工業鍋爐大氣SO2污染控制狀況〔6-10〕
在半個多世紀內，我國對燃燒工業鍋爐大氣污染防治進行了消煙除塵和煙氣脫硫。在50～80年代的40年內引進、學習、消化、創新旋風除塵器。在80年代中期，在國內優選出性能較好的11種旋風除塵器，主要用于6t/h以下的燃煤工業鍋爐。由于旋風除塵器除塵效率低，不能滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》的要求，在80~90年代又大力開展了以水膜除塵器為主的濕法除塵。我國大氣煙塵污染基本上有所遏制，國民經濟年產值大幅度增加，但煙塵年排放量并未增加，或增加不多，煙塵年排放量停留在1000～1200萬t。全國50多萬臺燃煤工業鍋爐煙塵控制率在50%以上。應該說，在80～90年代里，我國燃煤工業鍋爐消煙除塵是卓有成效的。但是，與國外發達國家相比較，我國的除塵技術及設備屬于低效、粗放型的。在60～70年代里，國外發達國家完成了優化城市能源構成，燃煤工業鍋爐及商業鍋爐由燃煤改變為燃燒清潔燃料，燃煤工業鍋爐及商業鍋爐應用機械式旋風除塵器、濕式水洗滌除塵器全部淘汰。而在燃油燃煤發電廠，大型集約式電除塵器、袋式除塵器和煙氣脫硫裝置迅速崛起。隨著我國經濟迅速持續發展，燃煤工業鍋爐原來安裝的單管及多管旋風除塵器及水膜除塵器等，因除塵效率低遠遠滿足不了《鍋爐大氣污染物排放標準》的要求。考慮到SO2嚴重污染，研制簡便，經濟高效脫硫除塵一體化的裝置，成為我國市場的需求。
近十幾年來，我國對中小型燃煤鍋爐煙氣脫硫技術專門進行了廣泛地研究及開發，其中包括爐內直接噴射石灰/石灰石和沸騰床石灰石干法煙氣脫硫，鈣堿法、氨堿法、鈉堿法和鎂堿法等濕法煙氣脫硫。研究及開發的煙氣脫硫方法大約有40多種，其中有10余種運行較為穩定，經過近幾年市場經濟技術的淘汰，真正進入市場在中小型燃煤鍋爐上獲得較廣泛應用的也就是幾種，其中旋流板塔脫硫除塵器應用較多。但是，投資費用及運行費用昂貴，很難在燃煤工業鍋爐上推廣應用。一些棘手的技術問題，如運行效率低、腐蝕、結垢、堵塞、二次污染、汽水分離及灰水分離等也未很好地解決，使燃煤工業鍋爐煙氣脫硫發展舉步為艱，其根本原因是中小型燃煤鍋爐和煙氣脫硫成套裝置在經濟技術上不配套，尤如“小馬拉大車”。從終端控制SO2污染，治表不治本，經濟效益和環境效益難以令人滿意。時至今日，50多年過去了，我們并未研究開發出燃煤工業鍋爐簡便、經濟、高效、實用的大氣污染控制技術及設備。
筆者根據國內外燃煤工業鍋爐SO2污染防治的經驗，和對我國20多年來煤炭燃燒造成大氣環境污染安全問題及影響的反思，從能源與大氣環境問題入手，在《燃煤工業鍋爐SO2污染綜合防治對策》研究報告中，對燃煤工業鍋爐SO2污染提出了綜合防治對策。燃煤工業鍋爐SO2污染綜合防治對策的基本原則是：（1）對于燃煤工業鍋爐，尤其是小容量的燃煤工業鍋爐，優先燃燒清潔燃料，從源頭上控制燃料燃燒產生的SO2和煙塵等；（2）煤炭要潔凈利用，即對煤炭進行洗選、加工、成型、氣化、液化等，將污染型的煤炭轉化成清潔的燃料，再用做鍋爐的燃料；（3）采用潔凈燃燒技術，使大氣污染物最少化；（4）對于較大容量的燃煤工業鍋爐（20t/h以上），可適當安裝煙氣脫硫裝置。
從能源與大氣環境問題入手，采用清潔燃料和潔凈煤技術，是燃煤工業鍋爐SO2污染防治的根本措施，以治本為主，兼顧治表，經濟效益和環境效益最佳，人類面對長期難以解決的環境與發展兩大矛盾可以得到解決。
燃煤工業鍋爐SO2污染綜合防治對策是：采用清潔燃料；淘汰小鍋爐；采用工業固硫型煤；應用水煤漿技術；應用循環流化床潔凈燃燒技術；采用煙氣脫硫技術。
5結語
（1）自20世紀80年代初以來，由于我國經濟持續迅速發展，人口不斷增加，城市化進程加快，煤炭年消耗量不斷增加，SO2排放量也不斷增多，我國大氣環境SO2嚴重污染，成為世界上大氣環境SO2污染最嚴重的國家。在SO2嚴重污染作用下，我國同時出現了酸雨嚴重污染，并形成了世界上第三大酸雨區。
（2）研究表明，燃煤工業鍋爐量大面廣，煤炭消耗量大，SO2年排放量大，是我國大氣SO2環境污染的第二大污染源，僅次于燃煤發電廠。但是，對大氣SO2污染貢獻，燃煤工業鍋爐卻遠遠大于燃煤發電廠。因此，控制燃煤工業鍋爐SO2污染具有極其重要的意義，對控制我國酸雨污染也具有重要的意義。
（3）自20世紀50年代起到90年代末，我國在半個世紀內開展了燃煤工業鍋爐煙塵及SO2污染控制研究工作，形成了以旋風除塵器和水膜除塵器為主體及煙氣脫硫的傳統的大氣污染控制技術及設備。但是，研究表明，由于這些大氣污染控制技術及設備的污染控制水平很難達到《鍋爐大氣污染排放標準》的要求，經濟效益、環境效益和社會效益也很差，屬于低效粗放型的大氣污染控制技術及設備。目前及未來，我國煤炭年消耗量迅速持續增加和SO2排放量迅速持續增加，這些低效、粗放型的大氣污染控制技術及設備不可避免被淘汰。研究及開發能滿足《鍋爐大氣污染排放標準》要求的全新的燃煤工業鍋爐大氣污染控制技術及設備，是擺在我們面前刻不容緩的極其重要的任務。
（4）我國能源年消耗量大，構成以煤炭為主，清潔燃料少，煤炭品質不高，灰分高，中硫煤居多。在相當長的時間內，燃煤工業鍋爐以煤炭作燃料的格局根本不會改變。在近20多年來，煤炭燃燒對我國在經濟、環境、社會與人類健康造成的危害相當大，導致大氣環境嚴重污染，經濟發展受到嚴重影響，對社會發展和人類健康極為不利。通過筆者對煤炭燃燒造成大氣環境安全問題的反思，我們在研究及開發大氣污染控制技術及設備時，應考慮目前及未來我國能源以煤炭為主造成大氣環境嚴重污染的事實。從能源以煤炭為主入手，研究及開發一整套科學的、密切結合我國國情的、簡便的、高效的燃煤工業鍋爐綜合污染防治技術及設備。
（5）筆者提出，燃煤工業鍋爐SO2污染綜合防治對策應是：采用清潔燃料；淘汰小鍋爐；應用工業固硫型煤；采用水煤漿；采用循環流化床潔凈燃燒技術和煙氣脫硫。這套綜合防治技術經濟效益好，環境效益佳，社會效益好，是目前及未來燃煤工業鍋爐大氣污染控制理想的替代技術。認真實施這套綜合防治技術，對我國大氣污染防治具有重要的意義和深遠的影響，燃煤工業鍋爐SO2污染有望得到控制，也為我國煤炭利用開辟了廣寬的前景。
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