（动力工程及工程热物理专业论文）基于火用分析方法的环境影响评估的研究.pdf

study of environmental impact assessment based on exergy analysis method a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhang xiaokai supervised by prof. zhang xinming major:power engineering and enginerring thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china april, 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着我国经济的飞速发展，环境污染问题也越来越严重。大量的污染物排放 到自然环境中， 使我们的生活环境遭到了破坏， 对人类的生存和发展带来了挑战。 如何科学、合理并准确地评估污染物对环境的影响，也成为当前学者们研究的热 点，其中有很多学者通过热力学与环境学相结合的方法，对系统的环境影响进行 了评估。 为了量化评估能量转换系统在运行过程中对环境造成的危害程度， 并在评估 环境影响的同时考虑系统对有效能的利用情况， 本文通过研究当前各种环境影响 评估方法，从火用的定义及火用与环境之间的关系出发，分析了以火用参数为指标衡量 污染物对环境影响程度的优越性和局限性。 针对当前环境影响评估的火用分析方法 研究中存在的一些问题， 提出了通过修正计算火用的参考环境中基准物质的状态参 数，从而体现各污染物之间对环境不同影响程度的方法。 建立了基于火用分析的火电厂环境影响评估体系；从“安全”的角度出发，完 善了“安全基准环境”的概念，计算了安全基准环境中环境的基准状态参数，提 出了基准物质的选取原则和方法； 建立了应用于能量转换系统环境影响评估中的 安全基准环境模型； 比较分析了安全基准环境模型与当前其他环境模型之间的差 异。 最后以某电厂三期工程为实例，基于本文建立的安全基准环境模型，用火用 分析方法对该电厂的环境影响进行了计算与评价， 比较分析了不同污染排放物对 环境的影响程度。此外对电厂排烟在局部环境中的扩散过程进行了计算，并分析 了烟气污染物对局部环境影响的规律。 本文的研究可为能量转换部门的环境影响评价及节能减排工作提供理论依 据和工程应用的参考。 关键词关键词：火用 ，能量转换，安全基准环境，环境影响评估，节能减排 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract with the rapid development of chinas economy, the problem of environmental pollution becomes more serious. lots of pollutants are discharged to natural environment and have destructed our living environment. it has been a challenge for the existence and development of humanity. how to assess the impact of pollutants on the environment scientifically and reasonably and accurately, it has became a hot research for researchers also. many of them have assessed the system environmental impaction by combining thermodynamic and environmentalology. in order to quantify the environmental damage of energy conversion system in operating process and evaluate the environmental impact degree, in the meanwhile, considering the system utilization of exergy. in this paper the feasibility, advantages and limitations of exergy as the environmental impact assessment indicators are discussed through the studies of current environmental impact assessment methods, the definition of exergy and the relationship between exergy and environment. in view of the deficiencies existed in current environmental impact assessments of exergy analysis method, the method reflected the different environmental impact degrees of pollutants was proposed by modifying the concentrations of standard substance in reference environment. environmental impact assessment system of exergy analysis method was established. the concept of safety benchmark environment was improved from the view of “security”, the state parameters of safety benchmark environment were concluded, and the selection principle of the benchmark state parameters and benchmark substance were established by the perspective of “safety”. safety benchmark environmental model which was applied in environmental impact assessment of energy conversion system was established. safety benchmark environmental model was contrast with current environmental model. furthermore, according to the safety benchmark environmental model, the environmental impact of pollutants of power plant was assessed with an example. environmental impaction and local environmental impact scope of pollutants were analyzed. the discipline of the local environmental impaction of pollutants was summarized. the study of this paper can provide the theoretical and applied reference for the 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii environmental impact assessment, energy conservation and pollution reduction of the energy conversion department. keywords： exergy, energy conversion, safety benchmark environment; environmental impact assessment; energy conservation and pollution reduction 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 符号表符号表 .vi 1 绪绪 论论 . 1 1.1 火电厂发展概况及其环境问题火电厂发展概况及其环境问题 . 1 1.2 国内外研究现状及意义国内外研究现状及意义 . 2 1.2.1 国内的研究状况 . 2 1.2.2 国外的研究状况 . 4 1.2.3 课题研究的意义 . 6 1.3 课题研究内容课题研究内容 . 6 2 火用火用与环境影响评估的关系与环境影响评估的关系 . 8 2.1 环境影响评估方法环境影响评估方法 . 8 2.1.1 研究现状 . 8 2.1.2 对当前环境影响评估方法的探讨 . 11 2.2 火用火用参数概述参数概述 . 12 2.2.1 火用的定义 . 12 2.2.2 火用的性质 . 13 2.2.3 火用的形式分类 . 14 2.3 火用火用值的计算值的计算 . 15 2.3.1 环境的概念与基准物系 . 15 2.3.2 火用的一般计算式 . 15 2.4 火用火用与环境影响评估与环境影响评估 . 19 2.4.1火用与污染物环境影响的联系 . 19 2.4.2 火用分析方法与环境的关系 . 19 2.4.3 火用分析方法应用于环境影响评估中的优越性和局限性 . 19 2.5 火电厂环境影响评估体系火电厂环境影响评估体系 . 20 2.6 小结小结 . 22 3 安全基准环境模型安全基准环境模型 . 23 3.1 环境与环境模型环境与环境模型 . 23 3.2 基准物系基准物系 . 23 3.3 环境模型环境模型 . 24 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 3.4 安全基准环境安全基准环境 . 27 3.4.1 安全基准环境模型的确立原则 . 28 3.4.2 不同污染物之间环境危害程度的关系 . 29 3.4.3 安全基准环境中温度、压力状态参数的确定 . 30 3.4.4 安全基准环境中基准物系及基准物质浓度的确定 . 30 3.5 小结小结 . 39 4 火用火用分析方法的火电厂环境影响评估计算分析方法的火电厂环境影响评估计算 . 40 4.1 某火电厂三期工程概况某火电厂三期工程概况 . 40 4.2 基于基于火用火用分析方法的环境影响评估分析方法的环境影响评估 . 42 4.2.1 电厂烟气排放物对环境的影响 . 42 4.2.2 固体废渣火用值的计算 . 43 4.2.3 基于安全基准环境模型的环境影响评估与其他方法的比较 . 45 4.3 电厂大气污染物对局部环境影响的分析电厂大气污染物对局部环境影响的分析 . 47 4.3.1 电厂烟气在局部环境中的扩散模式 . 47 4.3.2 电厂烟气对局部环境的影响分析 . 50 4.4 小结小结 . 55 5 总结与展望总结与展望. 56 5.1 总结总结 . 56 5.2 展望展望 . 56 致致 谢谢 . 58 参考文献参考文献 . 59 附附 录录 . 62 作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 62 重庆大学硕士学位论文 符号表 vi 符号表 c 物质的浓度，mg/m3 cp 定压比热容，kj/(mol k) e 物质的火用，kj e 物质的比火用，kj/mol g 生成自由火含，kj/mol h 火含，kj/mol he 有效烟源高度，m h 烟气抬升高度，m h0 太阳高度角，() m 摩尔质量，kg/mol m 污染物单位时间内的排放量，mol/h n 摩尔分数 p 压力，pa q 热量，kj qh 烟气热释放率，kj/s qy 实际排烟率，m3/s q 污染物排放的源强，mg/m3 r 气体常数，j/(mol k) s 熵，kj/k t 温度，k t 时间，h u 烟囱出口处平均风速，m/s u 地面平均风速，m/s v 体积，m3 vm 摩尔体积，l/mol w 功，kj 环境危害系数 相对危害系数 太阳倾角，() 经度，() 化学势，kj/mol 重庆大学硕士学位论文 符号表 vii y 烟气在y轴上的扩散参数 z 烟气在z轴上的扩散参数 纬度，() 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 随着我国经济的快速发展，各项建设取得了巨大的成就，但环境问题也日渐 突出。如何调节经济发展与环境污染问题这两者之间的矛盾，成为我国政府工作 的重点之一。 日益突出的环境问题使得众多学者纷纷投入到这一课题的研究当中。但如何 准确量化评估环境污染问题是研究的难点之一。目前有很多学者将热力学方法与 环境学方法相结合来研究火电厂烟气排放物的环境评价问题。其中涉及到环境影 响评估参考基准环境模型的选取及烟气排放物扩散模型的建立等诸多问题。 1.1 火电厂发展概况及其环境问题 电力行业既是优质清洁能源的创造者，又是一次能源消耗大户和污染排放大 户，因而也是国家实施节能减排的重点领域。中国煤炭资源丰富，探明储量达 4 万亿吨，现年开采量达 14 亿吨，在一次能源中占 70%，故火力发电在中国电源结 构中始终占主要地位。火力发电是现在电力发展的主力军，2009 年 1-12 月，全国 累计火力发电量为 298,142,135.82 万千瓦小时，比上年同期增长了 7.20%。2010 年 1-12 月，全国累计火力发电量为 332,533,363.72 万千瓦小时，比上年同期增长 了 11.74%1。 近几年来，环保节能成为我国电力工业结构调整的重要方向，火电行业在“上 大压小”的政策导向下积极推进产业结构优化升级，关闭大批能效低、污染重的小 火电机组，在很大程度上加快了国内火电设备的更新换代，拉动火电设备市场需 求。 “十二五”期间，国家将有序推进 14 个大型煤炭基地建设，力争“十二五”末， 大型煤炭基地产量占到全国总产量的 90， 基地内大中型煤矿生产能力占到 90。 “十二五”时期， 火电仍然是我国的主力电源， 新开工建设火电规模将达 2.6 亿至 2.7 亿千瓦。其中，2011 年拟新开工火电 8000 万千瓦2。目前我国电煤消费占全国煤 炭产量的一半左右，火电用水占到工业用水的 40%，二氧化硫排放量占到全国排 放量的 54%。我国火电机组供电标准煤耗较国际先进水平高 60 克左右，相当于一 年多消耗煤炭 2.2 亿吨；输电线损率比国际先进水平高 1 个百分点左右，相当于一 年多损失电量近 300 亿千瓦时3。因此，对电力行业而言，发电供电是促进经济发 展，节能减排也是促进经济发展。目前燃煤电厂对环境的影响主要分以下几个方 面： （1）二氧化硫排放。2005 年中国二氧化硫排放总量约为 2500 万吨，成为世 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 界上二氧化硫排放最多的国家。燃煤电厂是二氧化硫排放的主要来源。二氧化硫 对人的呼吸器官和眼膜具有刺激作用，吸入高浓度的二氧化硫可发上喉头水肿和 支气管炎。长期吸入二氧化硫会发生慢性中毒，不仅使呼吸道疾病加重，而且对 肝、肾、心脏都有危害。大气中二氧化硫对植物、动物和建筑物都有危害，特别 是二氧化硫在大气中经阳光照射以及某些金属粉尘(如工业烟尘中氧化铁)的催化 作用，很容易氧化成三氧化硫，与空气中水蒸汽结合即成硫酸雾，严重腐蚀金属 制品及建筑物，并使土壤和江河湖泊日趋酸化。 （2）氮氧化合物排放。2000 年全部火电机组 nox 排放量约为 469 万吨,占全 国工业部门 nox 排放量的 46%4。 火电厂烟气中 nox 的排放浓度和总量普遍超出 目前的国家排放标准。氮氧化合物会产生光化学烟雾、引起温室效应、引发人体 产生病变等。 （3）二氧化碳排放。1990 年至 2003 年间，中国二氧化碳排放量增加了 17 亿 吨，增幅超过 73。全球变暖海平面上升、自然灾害加剧等全球性的环境问题都 与二氧化碳的排放有关。 （4）烟尘排放。烟尘的主要成份是二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙和未 经燃烧的炭微粒等。由于粉尘粒子表面附着各种有害物质，它一旦进入人体，就 会引发各种呼吸系统疾病。 （5）余热排放。燃煤电厂排放的大量废热会对环境造成热污染。 （6）废水排放。2000 年全国火电机组给水排水总量为 15 亿吨，与 1995 年比 废水总量下降了 35%，废水回收利用量增加了一倍。冲灰水是燃煤电厂中废水排 放量最大、污染物超标最严重的废水。 （7）灰渣排放。燃煤电厂生产过程中产生大量的灰渣,灰渣存放需占用大片土 地,并会产生严重的扬尘问题。2000 年全国灰渣排放总量约为 1.8 亿吨，其中综合 利用总量约为 1 亿吨。 1.2 国内外研究现状及意义 1.2.1 国内的研究状况 火用是指在环境条件下，能量中可转化为有用功的最大份额，即在环境条件下， 系统经可逆过程从任意状态变化到与环境相平衡的状态时，作出的最大有用功。 根据火用的定义，可以发现火用与环境的关系是密不可分的，火用是热力学和环境学两 个学科之间紧密联系的一座桥梁。由于火用本身所具有的这种特有的优势，使得越 来越多的学者利用火用分析方法来研究系统对环境的影响程度。 西安交通大学的王彦峰、冯霄5在传统火用分析的基础之上，将火用参数用于排放 物对环境的危害程度的研究，以火用参数来综合评价过程系统的环境影响和资源利 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 用情况。得到环境负效应（ene）和系统负效应（sne）这两个指标来综合评价过 程系统的资源利用性和环境影响性的指标。 引入了效应系数 c1和 c2和环境危害系 数 bi来考虑不同污染物之间的不同危害程度以及环境污染对资源浪费的负效应。 表达式如下： iie bene (1.1) enececsne tot21 (1.2) 式中：ene系统的环境负效应； ei系统的排放污染物中第 i 种组元的物理火用和化学火用； bi系统的排放物中第 i 种组元的环境危害系数； sne系统负效应； etot系统的总火用损失； c1系统总火用损失对资源浪费的效应系数； c2系统对环境污染的效应系数。 华南理工大学的陈清林6-7等把环境看作是稀缺资源，提出了环境效应的火用评 价方法及废物火用费用的估算方法。陈清林等认为污染物的环境影响程度不仅取决 于污染物的火用值，而且取决于该污染物的强度特性，该强度特性是势的定量描述。 按照能量转换、能量回收子系统的火用流变化与污染物对环境的污染特征，建立了 能量系统、环境、火用经济三子系统分析的优化模型并引入了环境损害因子 i 、环 境污染率 i 及环境损害函数的概念。环境损害函数的表达式为： ),( iiii (1.3) 其中 0, 0, 0, 0, ii ii iii iii i xx xx xxx xxx wi wi i e e 式中： i环境损害因子， 表示由于排放物间的强度特性差异对环境的危害程度； i环境污染率，表示排放物的火用值差异对环境的危害程度； xi和 xi第 i 种排放物的强度量及广延量； ewi第 i 种排放物在单位时间内排放的标准火用； wie第 i 种排放物在单位时间内标准火用的排放限值。 华北电力大学的杨勇平8等在传统火用经济学的基础上，提出 “广义子系统” 的概念，将环境成本引入到火用经济学的分析之中，建立了包含环境成本平衡在内 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 的各种经济学平衡。 王辉9在其硕士学位论文中从生态系统可持续发展的角度， 将电厂内外的环境 纳入生态系统中，根据生态火用分为无机火用与有机火用的思路，将电厂能量流动及物 质流动归入无机火用的范畴，把热力系统的能量流动看作生态系统能量变化的一部 分，以生态火用作为计算评价单位，对某电厂进行生态环境影响评价。单位体积的 生态火用表达式如下： n i iiitot cccrte 1 0 , )/(ln (1.4) 式中：r气体常数； t环境温度，k； n组成成分的数量； ci具体单位中第 i 种元素的浓度，mg/m3； ci，0热力学平衡状态下第 i 种组成物的浓度，mg/m3。 为了简化计算引入了权重因子 ， 以单位无机等价物或单位化学火用等价物的形 式表示各种有机物的火用： i n i itot ee 1 (1.5) 潘勇10通过确定磷化工行业中常见物质的标准火用，定义了系统环境影响效应 （sei）为评价生产系统对环境影响程度的性能指标，从火用分析的角度研究磷化工 行业中污染物的环境影响效应 ich n i iwloss eee , 1 )(sei (1.6) 式中：ech,i排放的第 i 种化学物质的化学火用； eloss系统的内部火用损失； ew系统的外部火用损失； i反映第 i 种化学物质的毒性效应的环境危害系数； sei系统环境影响效应。 1.2.2 国外的研究状况 rant11于 1956 年首先提出火用这个热力学参数的概念，并开始用于分析能量系 统。墨西哥石油研究院的 rivero12在其博士论文中将火用分析方法中的能量改进部 分分为三个潜力部分：绝对潜力（irr） 、相对潜力（irr）及环境潜力（efl） ： eflirrpot)1 ( (1.7) 式中：irr系统由于不可逆性损失的火用； 系统的火用效率，即净生成火用和净供应火用之比； efl系统向环境排放的火用 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 在计算中火用值可以反映污染物的热、机械及化学效应，但是无法估计污染物 对生物的毒性效应。因此，rivero 引入了一个反映污染物生物毒性的污染指数 j。 于是得到了“生态火用分析”的改进潜力 potec： j j ec eflpotpot (1.8) 实际计算中，efl 又可以分为非物质排放火用eflk和与排放物相关的废物火用eflj。 结合式（1.7）和（1.8）得到“生态火用分析”的改进潜力 potec： ）（ jjkec 1)1 ( efleflirrpot (1.9) potec值越大，表明系统对环境的危害就越严重。rivero 的这种方法要求必须 定量确定所有排放物的污染因子 j，因此该方法在工程上还未得到应用。 rosen13,14,15等研究了污染物的环境污染成本与污染物标准化学火用之间的关 系。通过将污染物 so2,co,co2,nox，ch4的标准化学火用值与它们相对应的环境污 染成本比较，发现除了 ch4以外其他几种污染物的环境污染成本是随着其标准化 学火用的增加而增加的。由此认为污染物的环境污染成本与其标准化学火用之间确实 存在着某种关系。rosen 等认为物质具有火用是由于该物质与环境处于不平衡的状 态，污染物的火用具有破坏环境的平衡状态的作用，因此污染物的火用可以用来反映 排放物对环境的影响程度，由此可以利用火用对系统的环境影响进行量化评价。 j rgensen16-17首次将火用应用到生态学研究领域。j rgensen 认为火用代表了系统 中所有组成成分的生物化学能，包括系统在组织过程中的能量。通过 20 余年的研 究，j rgensen 给出了火用在生态学之中的数学描述并对火用概念及其作为组织化过程 中衡量能质指标的理论做出了详细的论述，提出火用在生态学中的数学描述： sstnppvttse eq n i iii 0 0 0 ,00 (1.10) 式中：t0、p0、0,c和 t、p、c环境 a0与系统 a 中的温度、压力及化学势能； v系统的体积； ni系统中各化学物质的摩尔分数； s、seq系统的熵及系统与环境达到热平衡时的熵值； i系统中第 i 中组分的化学势。 seager 18-19 等探讨了用混合火用来反映化学排放物的环境影响程度问题，认为 除了核反应过程外，所有化学废弃物的火用都体现在物质或能量形式之中，并提出 了“污染势（pollution potential） ”的概念，用于判断污染物对环境的危害程度。 某化学物质 i 的污染势 i： 0, ln i i i y y rt (1.11) 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 式中：r气体常数； yi污染物中化学物质 i 的摩尔分数； yi,0参考环境中的化学物质 i 的摩尔分数。 seager 认为应用污染势的概念可以比较不同物质、不同类型的环境影响效应， 由此可以把不同污染物的不同环境影响效应由大到小进行排序，并把污染势概念 应用于一些氟氯烃对臭氧层的耗损效应及其温室效应的评价之中。 此外，hellstr m20认为火用分析方法可以作为废水处理厂的可持续性分析的一 种重要工具，并将火用分析方法实际运用于废水处理厂中，分析评估了该厂物质资 源的消耗状况。 mei gong 与 g ran wall21-22 认为排放物的火用是引起环境危害潜能 的一种度量，提出用排放火用作为评估环境影响程度的一个指标，把火用分析方法应 用于生命周期评价之中并以火用作为系统对环境影响的统一指标。finnveden 和 stlund、ayres 和 martinas23-24也提出了将火用应于生命周期评价的观点。 上述这些研究表明火用分析方法在环境科学领域的应用前景是非常广阔的。 1.2.3 课题研究的意义 目前，学者们在对系统环境影响效应的研究中，大量的工作集中于如何量化 工业排放物对环境的影响程度。政府与企业已经提出了很多环境影响评估的方法， 开发出了一批能够量化污染排放物对环境影响程度的指标。从研究进展上看，对 污染物的环境影响效应评价已经由单因素向多因素发展，由只考虑污染物的排放 总量到考虑生物毒性乃至综合考虑污染物的各种环境危害效应。但是在这些评价 方法中并没有给出具体的实施方案及计算方法，一些评价方法对环境危害系数的 选取也带有主观上的随意性，这就给环境影响评估工作带来了不便。 在火用分析方法中由于火用与环境之间的特殊关系，把火用分析方法应用于环境影 响评估中将是一个热点研究课题。火用分析方法的理论已经比较成熟，而且其应用 也越来越广泛。近年来，把火用分析方法与环境学、经济学相结合应用于环境效应 评价之中的研究取得了很大的进步。 另一方面，虽然很多国内外学者将火用分析方法应用于环境影响评估，但许多 研究基本上采用类似“环境危害系数”这样的加权求和的方法，与早期的“当量 方法”并无本质的不同，且导致计算所得排放物总火用值尽管可以反映系统对环境 的危害程度，却偏离了火用参数本来的热力学意义。因此，如何建立一套以火用分析 方法为基础并应用于能量转换与利用系统的环境影响评估，在分析系统对环境危 害的同时评估能源有效利用情况的科学评估体系，是非常有实际意义的。 1.3 课题研究内容 本课题通过比较分析当前以火用作为环境影响评估参数的各种研究方法，进一 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 7 步研究火用应用于环境影响评估的优越性和局限性，结合当前电力行业节能减排政 策，将节能减排与环境影响分析结合起来进行研究。研究主要内容： 1）针对当前环境影响评估研究的各种方法，比较其内容、指导原则及指标体 系； 2）讨论火用参数的热力学意义，论述将其引入环境影响评价的意义，论述火用分 析方法应用于环境影响评估的优越性和局限性； 3）引入安全基准环境的概念；完善安全基准环境的基准状态参数、基准物质 体系的选取原则和方法，并建立适用于火电厂环境影响评估的安全基准环境模型； 4）完善基于火用分析的火电厂环境影响评估模型； 5）以某电厂为实例，在安全基准环境模型的基础上，评价电厂污染排放物对 环境的影响。 重庆大学硕士学位论文 2 火用与环境影响评估的关系 8 2 火用与环境影响评估的关系 2.1 环境影响评估方法 2.1.1 研究现状 目前学者们所研究的环境影响评估方法中，考虑的内容和范围都是不同的。 都有各自的特点。比较典型的环境影响评估方法有以下几种： 分类评价法 e. n. pistikopoulos 等25将系统的污染排放物对环境的影响类型分为六类： 大气污染、水污染、固体废物、温室效应，臭氧层消耗、光化学氧化。系统对环 境影响的评价步骤如下： 1）确定一个比较合适的时间间隔，如生产周期 t，或者用总的生产时间 h 为连续评价系统对环境影响的周期。 2）确定系统向环境中排放的污染物清单，包括系统在生产过程中产生的所 有排放物。 3）根据污染物对环境的影响类型不同，将污染物进行分类。 4）以系统对环境影响的周期为基准，将系统产生的污染物对环境的影响 （elw）进行加和： sodipoigwismdctwmctameigei w (2.12) 式中：eiw表示污染排放物 w 对环境的影响值； gei表示系统生产过程中对环境的总