中国燃煤工业锅炉二氧化硫污染及其控制
摘要：本文研究我国燃煤工业锅炉SO2污染的现状及其控制。研究表明，燃煤工业锅炉是我国SO2污染的第二大污染源，仅次于燃煤发电厂，控制燃煤工业锅炉SO2污染，对控制我国大气环境SO2具有极其重要的意义。应用传统的控制方法及技术，即旋风除尘器、水膜除尘器及烟气脱硫技术，很难控制燃煤工业锅炉的SO2污染，其经济效益、环境效益和社会效益也很差。研究表明，只有采用清洁燃料，淘汰小锅炉，采用工业固硫型煤、采用水煤浆、应用循环流化床洁净燃烧技术和烟气脱硫技术，才能经济有效地控制燃煤工业锅炉SO2污染。
关键词：煤炭；燃煤工业锅炉；二氧化硫；大气SO2污染；烟气脱硫
1引言〔1-3〕
自20世纪80年代初以来，随着我国经济持续迅速发展，城市化进程加快，人口不断增加，煤炭消耗量逐年以3～9%的递增率大幅度增加，我国大气环境受到了严重污染，其中以SO2和烟尘污染最为严重，成为世界上大气环境污染最严重的国家。多年来，我国每年被评价的城市中，1/3以上城市SO2的年日均浓度超过国家大气质量二级标准。在SO2污染作用下，我国酸雨污染也日趋加重，成为世界上第三大酸雨区。未来煤炭逐年大幅度增加和SO2排放量不断增加之间的矛盾也不容乐观。大气环境SO2严重污染，已导致我国地区环境安全问题产生，对人民健康、生态环境、经济发展和社会进步造成的经济损失相当可观。
通过对大气环境中污染物来源分析表明，我国大气污染属于煤烟型污染，其中SO2和烟尘等污染物主要是由煤炭燃烧产生的。煤炭燃烧排放的SO2和烟尘，分别占SO2总排放量的90%和烟尘总排放量的70%，煤炭燃烧排放的CO2，占CO2总排入量的85%，而燃煤工业锅炉排放的CO2，占煤炭燃烧排放量的30%。可见，控制煤炭燃烧SO2和烟尘的排放量，对控制我国大气污染具有重要的意义。我国煤炭燃烧排放SO2的主要污染源有燃煤发电厂、燃煤工业锅炉、燃煤工业窑炉和民用小煤炉，它们排放SO2分别占煤炭燃烧SO2总排放量的40%、25%、5%和20%。可见，控制燃煤工业锅炉SO2污染，对控制我国大气SO2污染具有极其重要的意义。燃煤工业锅炉以其SO2污染控制技术上难度大、经济上投入多为特点，并形成全社会共同关注的热点。
多年来，我国大气污染控制实践表明，应用传统的方法，如单纯应用除尘和烟气脱硫技术及设备，燃煤工业锅炉大气SO2污染是难以控制的。只有从能源与大气环境问题入手，采用清洁燃料、淘汰小锅炉、
采用工业固硫型煤、采用水煤浆、应用循环流化床洁净燃烧技术和烟气脱硫一整套科学、综合防治技术，才能简便、经济、有效地防治燃煤工业锅炉SO2污染。这套防治技术具有燃烧效率高，一般在90%左右；热效率高，一般在80%以上；排烟烟尘浓度和SO2浓度均可达到《锅炉大气污染物排放标准》的要求，大大减少资源浪费，经济效益、环境效益和社会效益均佳，是我国目前及未来燃煤工业锅炉SO2污染防治最佳的替代技术。只有采用这套污染综合防治技术，我国大气环境污染才能有望得到防治，即使在经济持续迅速发展的情况下，我国大气环境污染也是可以防治的，这是过去传统污染防治技术在本质上不可比拟的。实施这套大气环境污染综合防治技术，对我国大气环境污染防治和我国经济可持续发展具有重要的意义及深远的影响。
2中国燃煤工业锅炉大气环境SO2污染〔4-7〕
2.1燃煤工业锅炉是大气SO2污染的最主要污染源
我国锅炉工业发展迅速，1949年工业锅炉年产量只有240蒸t，到1985年年产量已达到82000蒸t，是1949年的342倍。目前全国燃煤工业锅炉拥有50多万台，煤炭年消耗量为3亿多t，占全国煤炭消耗总量的30%左右，每年向大气排放SO2为580万t，烟尘600多万t。燃油燃气的工业锅炉所占比例甚少，不到10%。
我国燃煤工业锅炉种类繁多，大约有282种，主要有链条炉、往复炉、抛煤机炉、振动炉排炉、下饲炉、人工炉、粉煤炉和沸腾炉等。其中，层燃式锅排锅炉占90%，悬燃式锅炉和沸腾床锅炉等占10%。层燃式锅炉中，链条炉占2/3，往复炉占1/4。在我国工业锅炉中，70%以上的为≤4t/h低压小容量锅炉。
根据锅炉设计标准，我国燃煤工业锅炉是由低压锅炉和中压锅炉组成的。其中，按容量计，低压锅炉构成比例甚高，约占90%。低压燃煤工业锅炉是指蒸汽压力在12kg/㎡以下，容量在60t/h以下，60t/h的燃煤工业锅炉至今尚未投入生产。40 t/h以下的燃煤工业锅炉包括：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以下的小锅炉。中压燃煤工业锅炉是指蒸汽压力为12～25kg/㎡的锅炉，其容量目前包括75 t/h，110 t/h，130 t/h，220 t/h和410 t/h等。近十几年来，我国中小型燃煤工业锅炉SO2污染防治所涉及的锅炉，即是指中低压燃煤工业锅炉。
燃煤工业锅炉，既是支撑我国我国经济持续迅速发展、量大面广的热能动力设备，又是严重污染我国大气环境、制约我国经济发展的最重要SO2污染源。
2.2燃煤工业锅炉的特点
（1） 锅炉容量小，70%以上的锅炉容量为小于等于4t/h的低压小锅炉，平均单独容量不到2.5t/h，而美国和日本的平均单独容量为5～14t/h，最大的高中压锅炉可达 400t/h以上。
（2） 锅炉以燃煤为主，约占锅炉总容量的90%左右，燃油燃气的锅炉很少，不到10%。而国外燃油燃气的工业锅炉及商业锅炉占85～95%以上，锅炉容量越小，燃油燃气的比例越高。例如，美国工业锅炉和商业锅炉共有130多万台，燃煤的仅占5%左右，其他燃柴油和天然气等。
（3） 锅炉用煤炭的品质低劣，灰分及硫分含量高。灰分通常高于22%，有时能达到40%以上；硫分一般高于1%，平均为1.7%，有时高达3～5%或更高。而国外工业锅炉和商业锅炉燃用煤炭通常为工业固硫型煤和低灰低硫优质煤。
（4） 锅炉燃烧方式落后，多为层燃式，燃烧效率低，污染物排放强度高。我国锅炉烟尘排放浓度一般为400mg/m3而国外为50～100 mg/m3。
（5） 锅炉热效率低，一般为50～55%，而国外工业锅炉和商业锅炉的热效率为80～85%，相差30%。
（6） 锅炉烟囱低矮，一般低于30m，含硫烟气多为低空排放，对城市大气污染贡献率高，通常为45～65%。
（7） 锅炉布局相当分散，遍及全国各地。
（8） 锅炉烟气组成复杂，主要含有烟尘、SO2、NOx、CO2、CO、CmHn等。烟气中SO2浓度很低，一般为0.5～1.5%，净化难，回收价值低。
（9） 锅炉烟气量大、烟气温度高、压力低、含有腐蚀性气体，净化操作难度大，费用高。
（10） 锅炉机械化自动化水平低，管理水平差。
2.3燃煤工业锅炉SO2污染状况
我国燃煤工业锅炉煤炭年消耗量为3亿多t。SO2年排放量为580万t，烟尘年排放量为600万t。其中，SO2年排放量约占全国SO2年总排放量的28%，居全国第二位。燃煤发电厂煤炭年消耗量为4亿多t，SO2年排放量为780万t，烟尘年排放量为2000多万t，SO2年排放量约占全国SO2年总排放量的40%，居全国第一位。由于烟囱低矮和布局分散等，燃煤工业锅炉一向是我国城市中污染贡献率远大于燃煤发电厂的最重要的SO2污染源，是制约城市经济发展的最重要的因素。可见，虽然燃煤工业锅炉SO2年排放量居第二位，但污染影响却居第一位，控制燃煤工业锅炉SO2污染，对控制我国大气SO2污染，具有极其重要的意义。目前，我国人口为100～200万的城市，其大气污染最为严重。
未来，我国能源消耗量将会逐年不断增加。预测2005年为13.3亿t标准煤，2010年为15.6亿t标准煤，2015年为17.9亿t标准煤，2040年为37.5亿t标准煤。未来，燃煤工业锅炉煤炭消耗量与SO2的排放量之间的矛盾更为突出。届时，中国大气污染环境SO2污染继续加重将不可逆转。因此，削减燃煤工业锅炉SO2排放量，控制燃煤工业锅炉SO2污染，是我国环境保护工作的重中之重。
3中国政府对大气环境SO2污染防治的要求及规定
我国政府对大气环境SO2污染防治十分重视。近年来，我国政府出台了一系列防治大气环境污染的法规、文件、条例及规定等，如《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《大气环境质量标准》、《锅炉大气污染物排放标准》等。其中，《国务院关于酸雨控制区和SO2污染控制区有关问题的批复》（国函〔1998〕5号）明确规定，现有燃煤含硫量大于1%的部门，要在2000年以前采取减排SO2措施，2010年前分期分批建成脱硫设施，或采用其他相应结果的减排SO2措施。
经国务院批准的国家环保总局与有关部门共同编制的《两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计划》中提出，“十五”期间将投资976亿元，实现2005年“两控区”内二氧化硫排放量比2000年减少20%，酸雨污染程度有所减轻，80%以上城市浓度年均值达到国家空气环境质量二级标准。“两控区” 二氧化硫污染防治工程是我国“33211”环境保护重点工程之一。这些法规、文件、条例及规定，对我国大气环境SO2污染防治，在时间、空间及具体内容上作出了明确的规定和要求，有的写进了法规，以法律的形式固定下来。认真贯彻和实施这些法规、文件、条例和规定，对防治我国大气SO2污染将起到积极和重要的作用。
4中国燃煤工业锅炉大气SO2污染控制状况〔6-10〕
在半个多世纪内，我国对燃烧工业锅炉大气污染防治进行了消烟除尘和烟气脱硫。在50～80年代的40年内引进、学习、消化、创新旋风除尘器。在80年代中期，在国内优选出性能较好的11种旋风除尘器，主要用于6t/h以下的燃煤工业锅炉。由于旋风除尘器除尘效率低，不能满足《锅炉大气污染物排放标准》的要求，在80~90年代又大力开展了以水膜除尘器为主的湿法除尘。我国大气烟尘污染基本上有所遏制，国民经济年产值大幅度增加，但烟尘年排放量并未增加，或增加不多，烟尘年排放量停留在1000～1200万t。全国50多万台燃煤工业锅炉烟尘控制率在50%以上。应该说，在80～90年代里，我国燃煤工业锅炉消烟除尘是卓有成效的。但是，与国外发达国家相比较，我国的除尘技术及设备属于低效、粗放型的。在60～70年代里，国外发达国家完成了优化城市能源构成，燃煤工业锅炉及商业锅炉由燃煤改变为燃烧清洁燃料，燃煤工业锅炉及商业锅炉应用机械式旋风除尘器、湿式水洗涤除尘器全部淘汰。而在燃油燃煤发电厂，大型集约式电除尘器、袋式除尘器和烟气脱硫装置迅速崛起。随着我国经济迅速持续发展，燃煤工业锅炉原来安装的单管及多管旋风除尘器及水膜除尘器等，因除尘效率低远远满足不了《锅炉大气污染物排放标准》的要求。考虑到SO2严重污染，研制简便，经济高效脱硫除尘一体化的装置，成为我国市场的需求。
近十几年来，我国对中小型燃煤锅炉烟气脱硫技术专门进行了广泛地研究及开发，其中包括炉内直接喷射石灰/石灰石和沸腾床石灰石干法烟气脱硫，钙碱法、氨碱法、钠碱法和镁碱法等湿法烟气脱硫。研究及开发的烟气脱硫方法大约有40多种，其中有10余种运行较为稳定，经过近几年市场经济技术的淘汰，真正进入市场在中小型燃煤锅炉上获得较广泛应用的也就是几种，其中旋流板塔脱硫除尘器应用较多。但是，投资费用及运行费用昂贵，很难在燃煤工业锅炉上推广应用。一些棘手的技术问题，如运行效率低、腐蚀、结垢、堵塞、二次污染、汽水分离及灰水分离等也未很好地解决，使燃煤工业锅炉烟气脱硫发展举步为艰，其根本原因是中小型燃煤锅炉和烟气脱硫成套装置在经济技术上不配套，尤如“小马拉大车”。从终端控制SO2污染，治表不治本，经济效益和环境效益难以令人满意。时至今日，50多年过去了，我们并未研究开发出燃煤工业锅炉简便、经济、高效、实用的大气污染控制技术及设备。
笔者根据国内外燃煤工业锅炉SO2污染防治的经验，和对我国20多年来煤炭燃烧造成大气环境污染安全问题及影响的反思，从能源与大气环境问题入手，在《燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策》研究报告中，对燃煤工业锅炉SO2污染提出了综合防治对策。燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策的基本原则是：（1）对于燃煤工业锅炉，尤其是小容量的燃煤工业锅炉，优先燃烧清洁燃料，从源头上控制燃料燃烧产生的SO2和烟尘等；（2）煤炭要洁净利用，即对煤炭进行洗选、加工、成型、气化、液化等，将污染型的煤炭转化成清洁的燃料，再用做锅炉的燃料；（3）采用洁净燃烧技术，使大气污染物最少化；（4）对于较大容量的燃煤工业锅炉（20t/h以上），可适当安装烟气脱硫装置。
从能源与大气环境问题入手，采用清洁燃料和洁净煤技术，是燃煤工业锅炉SO2污染防治的根本措施，以治本为主，兼顾治表，经济效益和环境效益最佳，人类面对长期难以解决的环境与发展两大矛盾可以得到解决。
燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策是：采用清洁燃料；淘汰小锅炉；采用工业固硫型煤；应用水煤浆技术；应用循环流化床洁净燃烧技术；采用烟气脱硫技术。
5结语
（1）自20世纪80年代初以来，由于我国经济持续迅速发展，人口不断增加，城市化进程加快，煤炭年消耗量不断增加，SO2排放量也不断增多，我国大气环境SO2严重污染，成为世界上大气环境SO2污染最严重的国家。在SO2严重污染作用下，我国同时出现了酸雨严重污染，并形成了世界上第三大酸雨区。
（2）研究表明，燃煤工业锅炉量大面广，煤炭消耗量大，SO2年排放量大，是我国大气SO2环境污染的第二大污染源，仅次于燃煤发电厂。但是，对大气SO2污染贡献，燃煤工业锅炉却远远大于燃煤发电厂。因此，控制燃煤工业锅炉SO2污染具有极其重要的意义，对控制我国酸雨污染也具有重要的意义。
（3）自20世纪50年代起到90年代末，我国在半个世纪内开展了燃煤工业锅炉烟尘及SO2污染控制研究工作，形成了以旋风除尘器和水膜除尘器为主体及烟气脱硫的传统的大气污染控制技术及设备。但是，研究表明，由于这些大气污染控制技术及设备的污染控制水平很难达到《锅炉大气污染排放标准》的要求，经济效益、环境效益和社会效益也很差，属于低效粗放型的大气污染控制技术及设备。目前及未来，我国煤炭年消耗量迅速持续增加和SO2排放量迅速持续增加，这些低效、粗放型的大气污染控制技术及设备不可避免被淘汰。研究及开发能满足《锅炉大气污染排放标准》要求的全新的燃煤工业锅炉大气污染控制技术及设备，是摆在我们面前刻不容缓的极其重要的任务。
（4）我国能源年消耗量大，构成以煤炭为主，清洁燃料少，煤炭品质不高，灰分高，中硫煤居多。在相当长的时间内，燃煤工业锅炉以煤炭作燃料的格局根本不会改变。在近20多年来，煤炭燃烧对我国在经济、环境、社会与人类健康造成的危害相当大，导致大气环境严重污染，经济发展受到严重影响，对社会发展和人类健康极为不利。通过笔者对煤炭燃烧造成大气环境安全问题的反思，我们在研究及开发大气污染控制技术及设备时，应考虑目前及未来我国能源以煤炭为主造成大气环境严重污染的事实。从能源以煤炭为主入手，研究及开发一整套科学的、密切结合我国国情的、简便的、高效的燃煤工业锅炉综合污染防治技术及设备。
（5）笔者提出，燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策应是：采用清洁燃料；淘汰小锅炉；应用工业固硫型煤；采用水煤浆；采用循环流化床洁净燃烧技术和烟气脱硫。这套综合防治技术经济效益好，环境效益佳，社会效益好，是目前及未来燃煤工业锅炉大气污染控制理想的替代技术。认真实施这套综合防治技术，对我国大气污染防治具有重要的意义和深远的影响，燃煤工业锅炉SO2污染有望得到控制，也为我国煤炭利用开辟了广宽的前景。
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