2.8.4 煤炭利用过程产生的环境问题
煤炭利用包括煤炭的燃烧、煤炭的气化与煤炭的液化。煤炭的燃烧属于直接利用，将化学能转化为热能，是目前应用最为广泛的煤炭利用技术；煤炭气化与煤炭液化是以煤炭为原料，分别制备合成气和液体燃料的煤炭间接利用技术。
无论是直接利用的煤炭燃烧，还是间接利用的煤炭气化与煤炭液化，其生产过程中都会产生严重的环境问题。
2.8.4.1 煤炭燃烧过程产生的环境问题
煤炭在燃烧过程中提供了人类所需的热能，同时也向大气中排出了大量的烟尘、硫氧化物、氮氧化物、微量重金属元素及烃类化合物、二英等其他有机物质。在我国，燃煤产生的粉尘和二氧化碳排放量分别约占总排放量的70%和90%。这些烟气排入大气，给工农业生产及人类的生存都带来了很大的危害。
煤炭燃烧过程中排放的污染物主要有烟尘、硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和微量重金属元素等。各种污染物的排放会导致大气污染、水体污染和土壤污染等环境问题。煤炭燃烧过程中环境问题的形成原因及危害如表2-14所示。
表2-14 煤炭燃烧过程中环境问题的形成原因及危害
（1）大气污染
煤炭燃烧过程中的大气污染主要是由煤燃烧过程中产生的烟尘、硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和微量重金属元素以及多环有机化合物等有害物质造成的。
1）烟尘
烟尘是煤炭燃烧过程中与废气同时排出的烟和尘的总称。烟是指废气中夹带的煤炭燃烧过程中产生的固体小颗粒，尘是指煤炭自身所含有的小颗粒无机物，但两者往往无法严格区分。
烟尘按粒径大小分为降尘和飘尘：直径在10μm以上，在飘浮过程中能依靠其自重以较快速度降落到地面上的称为降尘；直径小于10μm的微粒，在空气中可长时间飘浮的称为飘尘。
烟尘的危害主要表现在以下方面：
① 影响环境卫生。降尘对人体的影响不大，但会导致室内外蒙尘，从而对环境卫生产生较大影响。
② 使土壤变质。降尘虽然对人体的影响不大，但积存过多会使土壤变质，造成对植物生存的影响，存在于水中对动物影响也很大。
③ 危害人体健康。飘尘对人体危害较大，主要是通过呼吸道进入人体内部，危害程度取决于粒径的大小及其化学成分，粒径越小，危害越大。烟尘中的炭黑、多环芳烃、苯并芘等可以致癌，还含有汞、铅、铍、钒、铬、砷、镍等对人体有害的痕量元素。
2）硫氧化物
煤炭中含有硫，在煤炭燃烧过程中，煤中所含的硫会与空气中的氧气发生反应而生成硫氧化物，产生的硫氧化物主要有二氧化硫、三氧化硫、硫酸雾和酸性尘等。硫氧化物的危害主要表现在：
① 腐蚀金属。烟气中的SO3与烟气中的水结合生成H2SO4。当温度降低时，硫酸气体将形成硫酸雾，硫酸雾凝结于金属表面，对金属具有强烈的腐蚀作用。
② 形成酸雨。排入大气中的二氧化硫气体在金属飘尘的触媒作用下，也会被氧化成SO3，遇水形成硫酸雾，若被雨水淋落即形成酸雨。硫酸雾凝结于微粒表面，使一些微粒相互黏结，长大成雪片状的酸性尘。另外，当锅炉低负荷运行时，烟气温度低于烟气露点，产生的低温腐蚀硫酸物和未保温的金属烟囱及烟道内的酸蚀金属硫酸盐等脱落成块状或片状物质，随烟气排入大气，也成为酸性尘。
3）氮氧化物
煤中含有的氮元素及空气中所含的氮气在高温燃烧条件下与氧气发生化学反应而生成氮氧化物。氮氧化物（NOx）有NO、NO2、N2O、N2O4、N2O5等形式，但在煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是N2O、NO和NO2。氮氧化物对人体、动植物的生长及自然环境有很大的危害，主要表现在以下方面。
① 危害人体健康。NO具有一定毒性，很容易和血液中的血色素结合，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症。大气中的NO可氧化为毒性更大的NO2。NO2对呼吸器官黏膜有强烈的刺激作用，引起肺气肿和肺癌；在阳光作用下NOx与挥发性有机化合物反应能生成臭氧，臭氧是一种有害的刺激物。NOx参与光化学烟雾的形成，其毒性更强。
② 危害森林和农作物。大气中NOx对森林和农作物的损害是很大的，可引起森林和农作物枯黄，产量降低，品质变劣。NOx还可以生成酸雨和酸雾，对农作物和森林的危害很大。
③ 产生温室效应。NOx也是一种温室气体，大量排放会产生温室效应。
4）二氧化碳
所有炭基燃料燃烧的主要产物就是CO2，煤炭也不另外。煤炭燃烧排放烟道气中的CO2达15%～20%。CO2不是有毒气体，但也存在一些危害性，主要表现在：
① 影响人体舒适感。二氧化碳使空气中的含氧量减少，会使人感到头痛和呼吸短促。
② 产生温室效应。大气中CO2的最大危害是产生温室效应，它能选择性吸收地球表面的低温辐射红外光谱，使大气层温度升高，同时发出较强烈的热辐射，使地球表面得到的总辐射量增加而变暖。
5）微量重金属元素
煤中有多种重金属元素，如As、Cr、Cd、Pb、Hg、Se、Be、Mn、Ni、Ra、U、Th等，这些元素在燃烧过程中有三种变化迁移方式：对高熔点元素，在燃烧中不挥发，所以排入大气中的很少，主要集中在灰渣中；对于易挥发不易冷凝的元素，在燃烧中全部以气态排入大气；对于高温下易挥发、低温易冷凝的元素，易在微粒上富集，形成各种重金属尘。在上述三种方式中，最有害的是重金属尘，其危害主要表现为：
① 直接毒害人体健康。吸附并富集重金属的亚微米级微粒排入大气后，对人体健康毒害很大。例如，吸入铬尘，会引起鼻中隔溃疡和穿孔，增加肺癌发病率；吸入锰尘，会引起中毒性肺炎；吸入镉尘，会引起心肺机能不全。
② 产生二次污染。吸附了重金属的飘尘会促进大气中各种化学反应，产生二次污染。如遇大雨，有些重金属以可溶盐的形式进入地面水和地下水，造成水污染，最终污染食物和饮用水，甚至通过食物链在生物和人体中不断富集，对人体危害更大。
6）多环有机化合物
由于煤是高度复杂的有机物，含有许多环状有机物。当煤热解和不完全燃烧时，都会在烟气中形成微量的多环化合物（POM）。在烟气冷却过程中，煤燃烧产物参与的反应中也会形成POM。煤热解与燃烧中产生的环状结构含氮化合物，如吡啶、吡咯、喹啉和苯基氰等在一定条件下也能形成多环有机物。目前多环有机物的产生及排放机理尚不完全清楚。虽然POM大部分属于非致癌物质，但也有像苯并芘这种强致癌物，即使只有很小量，也对人类存在巨大的危害。POM的产生与煤种以及燃烧方式有关。
（2）水体污染和土壤污染
煤炭燃烧过程中产生的水体污染和土壤污染都是由煤燃烧所产生的灰渣引起的。
灰渣由煤固含的无机物及所含有机物氧化生成的无机物两部分组成。煤的种类不同，灰渣产生量也不同。由于煤炭在燃烧过程中去除了碳，灰渣中杂质的浓度将增高很多倍，经过煅烧与粉碎，有害物质可能变为更容易进入水或空气的形态，如果任意堆放或弃入水体，会对环境造成严重的危害，主要表现为：
1）占用土地资源
大量灰渣的堆放，势必占用大量的土地资源。
2）污染水体和土壤
露天堆放的灰渣在雨水的冲淋下，其中的有害物质进入水体，将对地表水和地下水造成严重污染。地表水作为农业生产的主要灌溉水源，一旦污染会直接造成农作物污染以及影响水体的自净作用，危害水生生物的生存，污染物被水生生物吸收后，能在水生生物中富集、残留，并通过食物链把有毒物质带入家畜及人体中，最终危及人体健康。另外，被污染的地表水还会由于渗流作用而导致土壤污染和地下水污染。
3）污染大气
大量堆放的灰渣被雨水淋湿后，各成分之间会发生化学反应生成有毒气体并排入大气，从而对大气造成污染。这也是火电站释放出的放射性物质比核电站还多的重要原因。
2.8.4.2 煤炭气化过程产生的环境问题
采用煤炭气化工艺生产洁净煤气代替直接烧煤是提高能源质量、减少环境污染的有效途径，但煤气化过程中也会产生污染。煤气化过程中产生的污染主要包括大气污染、水体污染和土壤污染。另外，由于煤气化过程是一个高耗水过程，因此煤气化工程也会对当地的水资源造成严重影响。
煤炭气化过程中环境问题的形成原因及危害如表2-15所示。
表2-15 煤炭气化过程中环境问题的形成原因及危害
（1）大气污染
煤中含有的氧、硫、氮等杂原子在气化过程中会产生包括氧、硫、氮原子的有机和无机化合物，它们成为污染物的概率比一般的烃类化合物要高得多。煤气化工艺不同，产生的污染物数量和种类也不同。例如，鲁奇气化工艺对环境的污染负荷远远大于德士古气化工艺，以褐煤和烟煤为原料产生的污染程度远远高于以无烟煤和焦炭为原料产生的污染物。
气态污染物与气化过程产生的烟尘一同排入大气，就会导致大气污染，其主要危害为：
1）腐蚀设备和管道
气化气中含有的SO3等酸性气体在温度降低时会形成酸雾而凝结于金属表面，对金属材质的设备和管道具有强烈的腐蚀作用。
2）导致酸雨或酸尘
废气中含有的硫氧化物和氮氧化物排入大气，会导致酸雨或酸尘，腐蚀建筑物，危害森林和农作物。
3）产生温室效应
废气中含有的NOx和CO2均属温室气体，大量排放会产生温室效应。
（2）水体污染
煤气化过程产生的废水主要来自发生炉煤气的洗涤和冷却过程，产生的废水量和组成随原料煤种、操作条件和废水系统的不同而变化。在用烟煤和褐煤作原料时，废水的水质相当恶劣，含有大量的酚、焦油和氨等。气化工艺不同，废水中杂质的浓度也大不相同。与固定床相比，流化床和气流床工艺的废水水质比较好。
大量废水的产生与排放，不仅会污染地表水，而且还会由于渗流等作用而使地下水受到污染，从而造成严重的水体污染。
（3）土壤污染
煤是由有机质和无机质两大部分构成的，在加工利用后必然留下矿物质—灰渣。煤气化灰渣是造成土壤污染的最主要原因，其危害表现为：
1）占用土地资源
大量灰渣的堆放，势必占用大量的土地资源。
2）污染土地
露天堆放的灰渣在雨水的冲蚀下，灰渣中含有的无机成分逐渐渗入土地，改变土壤的组织与成分，进而影响土地的种植能力。
（4）水资源短缺
气化过程是一个高耗水过程，而我国煤炭资源丰富的地区正好是水资源匮乏的地区，大量水资源的消耗将导致当地水资源压力加剧，供需矛盾更加突出。
2.8.4.3 煤炭液化过程产生的环境问题
煤炭液化包括煤炭间接液化和煤炭直接液化两种工艺。
煤炭间接液化主要包括煤气化和气体合成两大部分，气化部分的污染与前述的煤炭气化过程相同；合成部分的主要污染物是产品分离系统产生的废水，其中含有醇、酸、酮、醛、酯等有机氧化物。
煤炭直接液化产生大量包括煤中矿物质及催化剂在内的液化残渣，它一般用于气化，因此转为灰渣；废水和废气数量不多，而且都进行处理，主要环境问题是气体和液体的偶尔泄漏以及放空气体仍含有一定量的污染物等。
煤炭液化尚未全面工业化，今后如果建立投产，将会同时建立“三废”治理设施，所以污染物都在厂区内得到处理，这对环境保护是十分有益的。