第二节 热力环境污染的来源及核算
一、热力发电厂
1.热力发电厂的类型
热力发电厂是生产热能并同时将热能转换为电能的工厂。根据热力发电厂所用能源种类、功能、热机类型、单机容量、电厂总容量、蒸汽参数、服务性质以及电厂位置等因素，可将热力发电厂分成不同的类型，见表1-4。通常将只生产电的热力发电厂称为火电站，既生产热又生产电的热力发电厂称为热电联产电站（cogeneration power plant）。
2.火力发电厂的生产流程
煤炭是世界的主要的能源，更是我国的重要能源形势。燃煤火力发电厂占热力发电厂的绝大多数。以下以燃煤机组为例，介绍热力发电厂的生产流程。燃煤热力发电厂生产的实质是能量转换，即将煤中的化学能通过在锅炉中燃烧转变为蒸汽的热能，然后通过汽轮机的旋转转变为机械能，最后通过发电机转化为所需的电能。图1-2为常规燃煤火力发电厂生产过程示意图。
燃煤火力发电厂包括煤-烟气和汽-水两个主要的子系统，其工作过程如下：
（1）煤-烟气侧工作流程。煤通过输煤传送带送至原煤斗，再经过磨煤机磨成很细的煤粉，煤粉经过排粉风机送入炉膛，和经过空气预热器加热的空气混合燃烧，产生的热量首先传递给水冷壁管，然后随着烟气的流动，传递给过热器、再热器、省煤器、空气预热器，烟气在除尘器中除掉绝大部分飞灰，最后通过引风机送入烟囱排入大气，如图1-3所示。
表1-4 热力发电厂的类型
图1-2 常规燃煤火力发电厂生产过程示意图
（2）汽-水侧工作流程。如图1-4所示，凝结水经低压加热器、除氧器、高压加热器逐级加热后送入位于锅炉尾部烟道内的省煤器中接受烟气加热，然后送入汽包。汽包内的水经下降管送到锅炉下部，经联箱分配到各水冷壁，水冷壁管内的水向上流动，受热后变成汽水混合物，送回汽包，经汽水分离器分离，饱和蒸汽送入到过热器中被加热成过热蒸汽。高温高压的过热蒸汽经主蒸汽管道送到汽轮机内膨胀做功，带动发电机发电。做完功的蒸汽称为乏汽，乏汽在冷凝器内放热凝结成水，乏汽放出的热量由循环冷却水带到环境中。火力发电厂的热效率不高，只有40%左右，大量的热量通过凝汽器散发到环境中。
图1-3 煤-烟气系统工作流程示意图
图1-4 汽-水系统工作流程示意图
3.我国电力生产现状
近年来我国的电力生产呈现如下特点：
（1）装机容量和发电量都处于稳步上升趋势。2014年，全国全口径发电装机容量为13.7×108kW，同比增长8.7%。全国全口径发电量5.55×1012kW·h，同比增长3.6%。另外，全国发电设备利用小时数为4286h（发电设备利用小时数为6000kW及以上电厂统计口径），为1978年以来的年度最低水平，同比降低235h，而且仍有继续下降的趋势。
（2）火力装机容量和发电量占比高，但近年火电发电量出现负增长。2014年，全国全口径火电发电量4.17×1012kW·h，同比下降0.7%，受电力消费需求放缓、非化石能源发电量高速增长等因素影响，火电发电市场萎缩，火电发电量自1974年以来首次出现负增长。即使如此，2014年火电装机容量占总装机容量比重仍高达67.4%，火电发电量占总发电量75.4%。
（3）非化石能源发电装机容量和发电量增幅显著。2014年，非化石能源发电装机容量达到4.5×108kW，占总装机容量比重为33.3%。非化石能源发电量1.42×1012kW·h，占总发电量比重为25.6%，同比增长19.6%。非化石能源发电量占总发电量比重自新中国成立以来首次超过25%。
表1-5和表1-6分别列出了近年来我国发电装机容量和发电量结构。2013年和2014年我国发电装机容量、发电量及构成详见附表1。
表1-5 2010—2014年我国发电装机容量及其构成
表1-6 2010—2014年我国发电量及其构成
二、热力发电厂污染来源
在燃煤热力发电厂生产的各个环节都可能产生不同的环境污染物。这些污染物主要有大气污染、水污染、固废与扬尘污染和噪声污染等4类，主要来源于煤储存及预处理过程、煤燃烧过程、汽轮机发电过程以及水处理过程，涉及煤场、锅炉、汽机、脱硝、脱硫、除尘、水处理等诸多环节。图1-5为燃煤发电厂生产过程中主要的排污节点，具体介绍如下。
1.大气污染（air pollution）
由锅炉煤燃烧过程中产生的烟气，经脱硝装置、除尘设施和脱硫装置后由烟囱排入大气。烟气中的主要污染成分包括烟尘、SO2、NOx、汞及重金属和CO2等。烟气脱硝过程中还存在氨逃逸问题。此外，在煤炭储运、磨制煤粉、锅炉燃烧和气力输灰等环节中也会产生大气污染。因此，燃煤电厂大气污染产生点（简称气产污点）包括煤场、烟囱和脱硝3处。
2.水污染（water pollution）
在蒸汽动力循环中，大量的热量会通过循环水带入环境，从而引发环境水热力污染问题。生产系统中的各项工业废水，锅炉补给水处理系统的酸碱废水、煤场和输煤系统冲洗水、含油废水、脱硫废水、锅炉酸洗废水等，以及厂区的生活污水，主要污染因子有pH值、SS、石油类、COD、BOD5等。水产污点包括煤场径流污水、锅炉清洗废水、锅炉水处理酸碱废水、锅炉排污、脱硫塔、灰场、冷却塔、厂区雨水自排、厂区生活污水和油污水等10处。
图1-5 燃煤发电厂排污节点图
3.固废污染（solid waste pollution）与扬尘污染（dust pollution）
该污染主要涉及燃煤产生的灰渣、脱硫系统产生的废弃物以及煤场装卸过程中的扬尘等。灰渣产污点包括扬尘、飞灰、灰渣和脱硫石膏等4处。
4.噪声污染（noise pollution）
在电厂设备运行过程中，会产生机械设备类运行噪声和电气设备类磁振噪声。噪声主要分布在汽机房、锅炉房、磨煤机、脱硫设备、各类泵房、风机等部位，此外，采用带冷却塔的循环冷却方式时，还有冷却塔噪声。噪声点包括磨煤机、锅炉、汽轮机、冷却塔、脱硫塔和循环水泵房等6处。
综上可知，燃煤热力发电厂污染物包括气态污染物、固态污染物、液体污染物、噪声污染以及热污染等多种形式。其中，气态污染物包括SO2、NOx、重金属（汞等）、NH3、SO3、CO2和多环芳烃（PAH）等；固体污染物包括飞灰、灰渣、脱硫石膏、扬尘（煤粉）和其他固废；液体污染物包括废水、废油等；其他污染物包括噪声、热污染等。
三、热力发电厂污染的核算
热力发电厂通常根据年度进行燃煤量、发电量、供电煤耗以及各类污染排放量的核算。
1.耗煤量
统计燃煤电厂的污染排放规模时，首先需要核查其年度燃煤消耗量。燃煤消耗量（简称耗煤量，coal consumption）是确定燃煤烟气、烟尘、SO2、NOx以及CO2等污染排放量的基础。耗煤量可根据电厂装机容量进行估算，一般燃煤火力发电厂的水煤比在5～7之间，煤质较好时，比值较大，煤质差时比值小。因此可以根据锅炉额定蒸发量及运行小时数估算电厂的年度耗煤量。目前，燃煤火电厂规模都比较大，其年耗煤量都在100万t以上。
2.发电煤耗和供电煤耗
发电煤耗（gross coal consumption rate）又称发电标准煤耗，是指火力发电厂每发1kW·h电能平均耗用的标准煤量，其值按下式计算：
供电煤耗（net coal consumption rate）又称供电标准煤耗，是指火力发电厂每向外提供1kW·h电能平均耗用的标准煤量，其值按下式计算：
供电煤耗是按照电厂最终产品供电量计算的消耗值，是国家对火电厂的重要考核指标。2015年，全国供电煤耗率308g/（kW·h），比2014年全年供电煤耗率318g/（kW·h）下降10g/（kW·h），下降幅度明显。
3.废气量
燃煤电厂产生和排放的废气量特别大。一般情况下，每吨煤燃烧产生的废气量在8500～10500Nm3。
4.烟尘排放量
我国燃煤电厂用煤灰分较高，平均在28%左右。锅炉燃煤机组安装电除尘器的比例超过90%，燃煤机组平均除尘率大97.5%。烟尘排放量可采用实测法和物料衡算法计算。采用物料衡算法时，烟尘产生量和烟尘排放量可通过下式计算：
式中 QA1、QA2——烟尘产生量和烟尘排放量，t；
K1——不同燃烧方式的烟尘产污系数，煤粉炉取0.8~0.9，流化床炉取0.4~0.6；
A——煤炭灰分，%；
B——煤的用量，t；
η——除尘效率。
燃煤电厂为了获得较高的除尘率，一般都采取二级除尘，总的除尘效率η=1-(1-η1)(1-η2)。燃煤电厂中，85%以上的灰分可以离开锅炉，一般只有15%~20%左右的灰分沉降在冷灰斗和尾部烟道中。
【例1-1】 某电厂年耗煤300万t，煤中含炭74%、灰分20%。若煤炭燃烧率为98%，进入除尘器的飞灰80%，除尘器的除尘效率99%。求该厂烟气排放量?
解：烟尘产生量
烟尘排放量
5.SO2排放量
燃煤电厂SO2产生量和排放量也可采用实测法和物料衡算法计算。一般认为，燃煤中的可燃硫平均占80%，燃油中的可燃硫约占100%。则采用物料衡算法的计算公式如下：
SO2产生量
SO2排放量
式中 B1——燃煤消耗量，t；
B2——燃油消耗量，t；
S1——燃煤硫分，%；
S2——燃油硫分，%；
ηSO2——脱硫率。
6.NOx排放量
影响燃煤电厂NOx产生量的因素有煤种、煤中含氮量、炉型（燃烧温度、燃料在炉膛中的停留时间）和反应区的条件（给氧量和挥发分）。烟气中的NOx浓度比SO2低、NOx化学稳定性差、溶解性差，因此从烟气中去除NOx比SO2要克服更多的技术困难。对采用低NOx燃烧技术的燃煤锅炉而言，其NOx浓度可降至400mg/m3以下。
燃煤电厂NOx排放量（QNOx）可采用实测法和物料衡算法计算，物料衡算法如下：
式中 B——消耗的燃煤（燃油）数量，t；
ηS——脱硫设备的脱硫率；
ηN——脱硝设备的脱硝率；
KN——火电工业NOx排放参考系数，查阅相关手册；
KLN——低氮燃烧NOx削减率，一般取0.30，特殊取0.50。
7.CO2排放量
燃煤电厂中CO2有两种产生途径：①煤燃烧产生；②利用石灰石-石膏法脱硫时产生。两种途径的产生量都可采用实测法和物料衡算法计算。物料衡算法如下：
（1）煤中固定碳燃烧产生的CO2。
式中 W1——固定碳燃烧排放CO2量，t；
Wcoal——原煤燃量，t；
Car——燃煤收到基加权平均含碳量，%；
At——锅炉排渣总量，t；
CA——灰渣中的碳元素含量，%；
Qnet,ar——收到基低位发热量，MJ/kg；
Cheat——单位热量碳含量；
R——碳氧化率，由用户提供。可选用省级清单里建议的燃煤锅炉发电平均值98%；
q4——固体未完全燃烧热损失。
(2)脱硫过程产生的CO2。
式中W2——脱硫过程CO2排放量，t；
WCaCO3,in——CaCO3消耗量，t；
MCO2、MCaCO3——CO2、CaCO3摩尔质量，kg/kmol；
WCaCO3,in、Wgypsum,out——石灰石用量、石膏产量，t；
αCaCO3,in、αCaCO3,out——入口、出口CaCO3含量，%。
(3)燃煤电厂总CO2排放量。
四、我国火电行业排污现状
大型热力发电厂的建设是国民经济发展的需要，但要占用大量的土地，耗费大量的一次能源和水资源，还要排放大量的废气、废水和废渣，给环境带来一定的影响。表1-7列出了某2400MW燃煤电厂的资源占用情况。
表1-7 某2400MW燃煤电厂资源占用情况
若以煤的含硫量为1%、除尘效率为99.5%计，年排放各种污染物见表1-8。
表1-8 某2400MW燃煤电厂排放污染物（年排放）
2014年，全国废气中二氧化硫排放量1974.4万t，其中，工业排放量为1740.4万t，火电行业（调查3288家）排放量为683.4万t，占总排放量的34.6%；全国废气中氮氧化物排放量2078.0万t，其中，工业排放量为1404.8万t，火电行业排放量为783.1万t，占总排放量的37.7%；全国废气中烟（粉）尘排放量1740.8万t，其中，工业烟（粉）尘排放量为1456.1万t，火电行业排放量为235.5万t，占总排放量的13.5%。可见，火力发电厂污染物排放占有较大的份额。