智能电网中化石燃料燃烧源头控制PM25的基础研究

化石燃料燃烧源头控制PM2.5的基础研究2目 录一、

雾、霾、PM2.5污染有多严重二、PM2.5污染的来源三、PM2.5污染的控制方向四、

PM2.5控制的基础研究五、结束语TSP：空气动力学直径小于100µm;

总悬浮颗粒物PM10：

空气动力学直径小于10µm;PM2.5：空气动力学直径小于2.5µm;可吸入颗粒物可入肺颗粒物0PM0.16凝聚物42810TSP0.010.1

1颗粒空气动力学直径

(µm)10相对浓度细颗粒粗颗粒PM10PM2.5超细颗粒1 大气颗粒物的分类大气中各种颗粒物的粒径范围PM2.5PM10100

m1

m

m

10

m

mH2

O2

CO

CO2SO2等气体分子可吸入颗粒物

PM10纳米级超细粉预混火焰的烟炱风沙香烟等烟雾内燃机烟炱面粉，煤粉等静电除尘后的粉煤灰,冶炼灰等海风携带盐病毒细菌人呼吸道中沉积的颗粒燃烧升华后的凝结微粒地面扬尘网络数据（西直门北）网络图片（西城区某住宅区）51月9日08点1月12日08点北京2013年1月12日重污染过程一天增加浓度最高达到200-400ug/m3.按北京市区面积为16807.8*10**6m2污染带正常在0-500m高度内变化不大，而从500米到1600米直线下降，所以平均厚度可以为1000m.即一天的积累的值大约总量（PM2.5)

:3360-6720吨！PM2.5对人体的作用<1

m9-10

m6-9

m5-6

m3-5

m2-3

m1-2

m9-10

µm6-9

µm5-6

µm3-5

µm2-3

µm1-2

µm<1

µm

可入肺

富含有毒物质：有毒痕量元素:As,Cr,

Pb,等

有毒有机物：多环芳烃等

碳烟

硫

三致效应：

致癌

致畸

致突变Long-term

averageconcentrationsoffine

particle

airpollution

were

associated

withmortality

rates,controlling

forindividual-levelriskfactors

across

six

UScities哈佛六个城市的研究结果潘小川、李国星、高婷等，危险的呼吸：PM2.5的健康危害和经济损失评估研究,中国环境科学出版社，2012.129PM2.5的健康危害和经济损失评估研究2010年早死亡人数经济损失（亿元）城市北京上海广州西安总计早死人数2349298017157267770经济损失18.623.713.65.861.710细颗粒物（PM2.5）在PM10中质量浓度超过50

“PM2.5”成为公众的词汇，环保压力巨大。新标准：2012年江苏达标率下降25.7%，从89.9%下降到64.2%，雾霾天增加到138天。截至2012年底，京津冀、长三角、珠三角等重点区域以及直辖市、省会城市和计划单列市共74个城市建成符合空气质量新标准的监测网并开始监测。按照新标准对二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物评价结果表明，地级以上城市达标比例为40.9%，下降50.5个百分点；环保重点城市达标比例为23.9%，下降64.6个百分点。11细颗粒物是区域大气复合污染的核心污染物4003503002502001501005001 3 5 7 9 11

13

15

17

19

21

23

25日期27

29

31API1 3 5 7 9 11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31日期武汉

南京

合肥

上海400350300250200150100500API北京天津石家庄0.20.20.10.10.01

2

3

4

5

6

7

8

910

11

12

13

14

15

16

17

18

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20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31日期（2002年1月）0.30.3PM1

0

Concentration

(mg/m3

)ZhuhaiGuangzhouShenzhen首要污染物频度细颗粒物不仅本身严重污染环境，同时还在复合污染形成的非均相反应中起关键作用。12污染严重程度如何讲都不过份目 录一、

雾、霾、PM2.5污染有多严重二、PM2.5污染的来源三、PM2.5污染的控制方向四、

PM2.5控制的基础研究五、结束语污染源（人为、自然）+扩散条件（气象条件）问题：为什么搞不清楚来源？方法一：源排放清单+扩散模型方法二：受体模型（化学质量平衡法）16化石燃料燃烧是我国PM2.5的重要来源2011年发表的排放清单，截止到2005年我国人为活动造成的

PM2.5一次排放量中,使用化石燃料的固定源排放超过60%，而移动源占3.0%，但增长很快，大城市已达到10%左右。全国人为源大气PM2.5排放贡献清单来自雷宇、贺克斌和Streets

DG等,

Atoms.

Chem.

Phys.,

2011，11,931-954根据对我国大气PM2.5的初步调查，北京、广州、柳州、云岗等地的浓度都超过100g/m3而细颗粒物污染主要来自于各种燃烧过程：煤的燃烧、汽车等移动燃烧源、生物质燃烧、垃圾焚烧等，占有70%以上1990-2005年全国人为源大气颗粒物排放量（贺克斌，2008）北京市PM2.5排放源解析18来自

2011年北京市环保局发布数据化石燃料燃烧是我国PM2.5的重要来源上海市PM2.5排放源解析来自

2012年上海市环保局发布数据工业源PM2.5成分中，40～75％的重金属来自化石燃料燃烧，超过

50％的黑碳来自化石燃料燃烧以北京为例，一次排放对PM2.5的贡献率夏季不低于50%，秋冬季高达70%城市的一次排放中主要来源是燃煤、机动车等化石燃料燃烧北京的汽车保有量520万辆，总耗油量在630万吨左右，以每天2万吨计（100ppm)：二氧化硫的排放量为4吨左右，应该不是主要问题，问题是硫对于其他污染物有影响。总体上讲假设每天行驶有2.4*10**8，即2.4亿公里。NOx和HC总量在100吨左右，对这个阶段的PM贡献率应在10%以下。当然汽车还有一个是提供了扬尘。这也值得研究，早期王玮的研究表明，交通扬尘的平均负荷为3.82g/m2欧I欧II欧III欧IV欧V欧VIPM35241261.21.2HC+NOx24012084423030北京燃煤总量为2300万吨/年，即冬天多，每天消费量约为10万吨，排放的二氧化硫约100-200吨（按排放浓度为100-

200mg/m3计，平均脱硫率达到90-95%），氮氧化物约200-400吨（排放浓度为200-

400mg/m3计），烟尘大约50-100吨（50-100mg/m3)，考虑二次颗粒形成的复杂性，考虑50%的转化率，并且考虑重量的增加，大约总量贡献在400-800吨，应该在15-

20%左右。目前控制水平如何，值得研究。河北与天津燃煤天津：7000万吨，每天20万吨，排放的二氧化硫约200-400吨，氮氧化物约400-800吨，烟尘大约100-200吨，考虑二次颗粒形成的复杂性，考虑50%的转

化率，并且考虑重量的增加，大约总量贡献在800-1600吨河北：2.7亿吨标煤，每天90吨，排放的二氧化硫约900-1800

吨

，

氮

氧

化

物

约

1800-3600

吨

，

烟

尘

大

约450-900吨，考虑二次颗粒形成的复杂性，考虑50%

的转化率，并且考虑重量的增加，大约总量贡献在

3600-7200吨河北的面积为18.88万km2，负荷：143吨/km2

北京1.64万km2，140吨/km2

天津1.19万km2，586吨/km2一次颗粒物还是二次颗粒物？初步测量表明，本次污染物颗粒物二次颗粒物高达80-90%。平常的污染也是在50%以上。主要成分为：硫酸盐、硝酸盐、挥发性有机物和氨盐。一看就知道谁是二次源的主要贡献了。还有一个问题是挥发性有机物（VOC)？目 录一、雾、霾、PM2.5污染有多严重二、PM2.5污染的来源三、

PM2.5污染的控制方向四、

PM2.5控制的基础研究五、结束语可能的减排方向目前35ug/m3目标15ug/m310ug/m3(80-100ug/m3)(2030年)目标目标(2050)来源比例浓度浓度减排浓度浓度（%）(ug/m3)比例燃煤20-2216-216-770%3-42-3移动源20-2516-2310-1250%3-42-3周边燃煤20-2516-238-1060%3-42-3其他工业源15-1612-144-570%2-31-2扬尘10-1610-124-550%2-31-2生活等4-552-330%1-21-2农业等4-552-330%1-21-2总量80-10034-4060%15-2010-15出路在何方？根本出路：改变发展观政策出路：改变能源结构法律出路：加强执法技术出路：源头控制技术应急出路：清洁调度例一：清洁调度从安全调度到节能调度再到清洁调度发电企业实现清洁调度，建立相应的清洁调度机制和技术手段，实现在预测基础上的清洁调度：不是基于成本，而是基于污染物排放的调度方式例二：能源结构改善的重点是消费结构的变化明确控制我国化石能源、特别是煤炭的每年的消费总量是关键所在。至今为止，我国历年来总的耗煤量为400亿吨，而到2050年前我国还需要耗煤量大约1600亿吨（以每年40亿吨计），不控制可能还要高，这是无论如何无法承受的。是否可将我国煤炭的消费总量控制在40亿吨/年？增加可再生能源比例，增量部分主要依靠清洁能源来实现？煤炭的消费结构：发电、炼焦、煤化工。减少工业及民用煤的使用。例三：燃煤污染控制强化脱硝装置的建设（易）、投运（难），迅速控制NOx的排放总量。继续实现脱硫装置的建设，提高效率与比例。如果按40亿吨煤炭消费量计，按1%含硫量计，排放量将达到7200万吨，考虑到其他行业的排放，要实现90%的总体效率，才能实现实现720万吨的控制数。加强中小锅炉和工业窑炉的燃煤污染排放的控制力度，改用清洁燃料或其他有效措施强化新的污染控制技术的基础研究、开发与应用目 录一、雾、霾、PM2.5污染有多严重二、PM2.5污染的来源三、PM2.5污染的控制方向四、

PM2.5控制的基础研究五、结束语清华大学、北京大学、浙江大学、华中科技大学、天津大学、东南大学、上海交通大学、中国矿业大学和中国环境科学研究院燃烧源可吸入颗粒物(PM10)的形成与控制技术的基础研究2002-2008化石燃料燃烧排放PM2.5源头控制技术的基础研究2013-2017国内源头控制PM2.5的基础研究32第一个973的主要成果研究对象：研究重点：可吸入颗粒物（PM10）行为规律取得的主要研究成果：1. 燃烧源可吸入颗粒物的物理化学特征2. 燃烧过程可吸入颗粒物的形成机理与途径3. PM10在不同外部条件下的运动规律4. 形成了移动源和固定源PM10控制的重点技术并在实际应用中取得了成效331. 颗粒物的研究难点在于PM2.5，重点是源头控制2. 单一物理和化学作用难以高效脱除PM2.5，需寻求多场协同作用的脱除方法3. PM2.5与气态污染物的复杂非均相反应和相互作用是多种污染物联合脱除的基础4. 在行为规律研究基础上要加强控制规律的研究研究难点与重点研究方向形成-转化-排放-控制34拟解决的关键科学问题：学术思想DPF移动燃烧源（以内燃机为例）固定燃烧源（以燃煤锅炉为例)大气环境（成核、聚并、转化、长大）灰霾、健康、环境、气候烟气脱硫烟气脱硝35拟解决的关键科学问题：学术思想第一个关键技术途径：减少PM2.5的形成第二个关键技术途径：增强PM2.5的脱除主

要

学

术

思

想

：

解

决

减

少

PM2.5

生

成

和

控

制

PM2.5排放两个技术途径中的关键科学问题，

实现从源头上控制化石燃料PM2.5的形成和排放拟解决四个关键科学问题1.煤中矿物质迁徙、转化的细颗粒物形成及非均相反应机制362.

碳

质

细

颗

粒

物

形

成及

湍

流

耦

合

快

速

氧

化机理3.

细

颗

粒

物

聚

并

、

长大

及

与

气

态

污

染

物

转化机理拟解决的关键科学问题4.细颗粒物在多场作用下多相流动中迁移、沉积和分离机制371.煤中矿物质迁徙、转化形成细颗粒物的规

律及调控机制

煤+煤 煤+生物质(1)

燃

料

矿

物

组

分

调配

减

少

细

颗

粒

物

生

成的机制吸附剂、添加剂(3)

燃

烧

过

程

中

非

均相

反

应

和

物

理

吸

附

抑制细颗粒物生成燃烧条件：气氛、温度、氧量(2)燃烧方式调整控制炉内细颗粒物生成重金属细颗粒物(4)

细颗粒物与有毒元

素的相互作用与联合脱除38(1)

高温高压条件下碳质颗粒物形成机理(3)碳质细颗粒物快速氧化的燃烧条件(2)含碳质细颗粒物的湍流涡团破碎与混合强化机理2.燃烧过程碳质颗粒物形成与快速氧化(4)碳质细颗粒物氧化反应动力学及关键基团研究(5)固体燃料燃烧中碳质细

颗粒物与矿物质相互作用和氧化机理内在矿物质煤粉颗粒有机键连接的成灰物质CO

Na-

(K,

S,

P

)挥发分析出分解C

O-,OH-Fe,Si,Al,Ca,Mg,Na,K,etc.焦,

油,气体成分(CH4,

CO2,CO,

H2Oetc.)挥发分析出挥发分燃烧碳燃烧碳烟缸内喷雾燃烧过程中碳烟分布393.细颗粒物聚并长大及与气态污染物转化机理

及控制方法

增加碰撞频率和提高颗粒的粘附性以实现细颗粒物的聚并和长大细颗粒物与气态污染物（NOx，SO2，VOCs，NH3）复杂的相互转化相变N

H

4N

O

32

S

O

4E

CO

HPM

2

.

5有机物H

N

O

3H

2

S

O

4H

H

2

H

一次排放2S

ON

H

3PM2.5气态前体物40发展多场作用下多相流理论，利用多种物理化学机制联合作用4.细颗粒物在多场作用下的迁移、沉积及分

离过程高效脱除

扩散撞击静电力41逃逸粉尘性质示范工程改进建议过程核心参数尺度放缩准则细颗粒沿程变化参数的分级影响现场测试例一：电除尘器控制PM2.5变工况实验理论+模拟分级效率分级荷电量提升细颗粒捕获效率?42静电除尘器荷电特性>2

μm的颗粒，直接荷电（场致荷电）<0.2

μm的颗粒，扩散荷电0.1-2

μm的颗粒，荷电效果欠佳ELectrical

Mobility

vs

dp1dp

(um)0.010.1100.1110Diffusion

charging

Field

Charging

Combined

Charging43现有ESP存在的问题设计基础资料不准确锅炉负荷变化煤质变化锅炉设备状态不良振打清灰制度不合理比集尘面积下降趋进速度下降设备磨损腐蚀比电阻反电晕二次扬尘44解决方案除尘器进出口烟道及除尘器CFD模拟优化加装导流板、气流均布板和改造烟道气流分布板45强化末电场对细颗粒的控制现役主力电除尘器中PM2.5逃逸的原因，关注逃逸粉尘的性质(粒径分布、浓度、荷电量等)；测试烟气降温、双区、间歇供电等电除尘新技术对细颗粒捕获的影响；烟气条件(露点以上、高湿度)→ELPI测试条件(露点以下、低湿度)的采样方法。减少颗粒数目、荷电量沿程损失，

道负压。平衡烟电厂机组负荷除尘器操作测试位置国电南浦670MW超临界双区关停末电场ESP出口神华坑口大唐宁德135MW循环流化床600MW煤粉炉间歇供电低温关停末电场调整入口烟温ESP入口、出口ESP出口46关停末电场对粒径1μm以下的颗粒荷电量影响很小；关停末电场对粒径1μm以上的颗粒影响比较明显，提高50%以上。南浦电厂关闭末电场基本会增高1倍左右的小颗粒排放；坑口电厂关闭末电场没有明显影响。双区常规末电场86kV强迁移、弱荷电末电场57kV影响权重大电晕风减弱电迁移速度增强荷电有效捕获不明显增比集尘面积效果不明显47例二：干法和湿法静电除尘结合石膏雨烟气脱硫烟气脱硝开发燃煤电站新型湿式电除尘技术与装备，满足更严格的PM2.5控制要求48副产物湿式电除尘干法和湿法静电除尘结合的新技术49实验系统实物图50沿程效率泄饱尚鬼篓墨天15kV不浪簧旧症12.5kV不浪簧旧症51锅炉排烟温度偏高除尘效率脱硫耗水量锅炉效率降低烟温的迫切性脱硫效率排烟温度偏高的危害例三：电除尘低温化（低低温电除尘技术）烟温降低后烟气特性有哪些变化？烟尘比电阻降低，粉尘荷电性能提高烟气体积流量降低，电场风速降低单位烟气体积中粉尘质量浓度提高烟气中颗粒及气体分子热运动能力减弱反电晕减弱，供电方式调整气流分布变化，流场精细化调整电晕封闭，供电调整，高频电源气体击穿电压提高，粉尘驱进速度提高电除尘前端烟尘特征？如何实现余热利用？粉尘浓度高含SO3等腐蚀性气体防粉尘磨损防低温腐蚀53135MW

CFB锅炉机组低低温除尘器改造135MW

CFB锅炉机组烟气余热回收系统烟气温度从143℃降低到106℃54除尘效率提高明显

除尘器除尘效率提高了0.02%，电除尘器的烟尘排放浓度从79.02mg/Nm3下降到28.5

mg/Nm3

影响因素：比电阻、驱进速度工作电压、比电晕功率对除尘效率改善分析与评估：

与普通电除尘扩容提效方案对比，低低温电除尘改造后实际比集尘面积节省约25.8%；

相当于可节省一个常规电除尘电场，从而节省占地、利于除尘提效改造。参数处理烟温（℃）比集尘面积（m2/m3/s）除尘效率（%）出口含尘浓度（mg/Nm3）备注电除尘改造前14510399.3056实测值低低温电除尘改造（增加余热利用降温装置、CFD气流分布调整、电除尘电控升级及本体维护）95117.899.7420.24实测值普通电除尘扩容改造提效方案145148.299.7420.24按0.5次方公式计算对比结论与普通电除尘扩容提效方案对比，低低温电除尘改造后实际比集尘面积节省约25.8%>

97%56例四：大型化电袋串级复合除尘器脱除PM2.5机组除尘器前PM2.5（mg/Nm3）除尘器后PM2.5（mg/Nm3）PM2.5脱除效率（%）A电厂2×1000

MW2653.032.7699.89？B电厂600

MW829.612.198.5C电厂600

MW1414.7411.1099.2D电厂300

MW685.113.298.1E电厂135

MW631.612.298.1800-1000

mg/m357

国内ESP改造的主流技术

但存在着受场地限制、引风机压头、袋磨损以及易受外界条件影响等问题流体力学设计和两场配合是关键例五：多场耦合的紧密式