IEA-河北/山东省清洁用煤节能减排研讨会

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1 IEA-河北/山东省清洁用煤节能减排研讨会
京津冀地区雾霾与能源清洁利用 清华大学 姚强 2015年1月13-16日 济南、石家庄

2 内容 大气污染之源：煤炭燃烧 大气污染控制之策 化石燃料燃烧PM2.5的控制

3 滕飞，煤炭总量控制的协同效益研究 ——煤炭的真实成本 2012 ，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会，2014.11.17，北京

4 滕飞，煤炭总量控制的协同效益研究 ——煤炭的真实成本 2012 ，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会，2014.11.17，北京

5 王金南，大气环境容量约束下的中国，煤炭消费总量控制，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会，2014.11.17，北京

6 中国历史煤炭消费量与年均灰霾天数 煤炭消费总量控制，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会， ，北京

7 中国煤炭使用过程中的SO2、NOx和烟粉尘排放量占比
煤炭消费总量控制，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会， ，北京

8 煤炭使用对中国大气污染物排放量的占比（%）
煤炭消费总量控制，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会， ，北京

9 通过情景分析得到的煤炭使用对各省PM2.5浓度的贡献百分比
煤炭消费总量控制，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会， ，北京

10 煤炭使用对中国东部8个重要省份PM2.5年均浓度的贡献
省份 基于情景分析的结果 贡献区间 北京 % %～54% 天津 % %～60% 河北 % %～62% 上海 % %～63% 江苏 % %～63% 浙江 % %～65% 广东 % %～57% 山东 % %～64% 煤炭消费总量控制，“煤炭消费总量控制与能源结构转型”国际研讨会， ，北京

11 APEC Blue 说明什么 源头减排是关键！ 这次的PM2.5的浓度下降大约30%以上。 这表明北京 2017年的目标 要在这样的条件
下实现

12 雾霾成因分析是大气污染控制的关键 雾霾日 清洁日 胡敏，973课题年度总结会，2014.1.20
识别出一次来源和区域性发生的二次化学转化，这是大气复合污染控制的关键，也是认识气候变化的基础。 胡敏，973课题年度总结会，

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14 可能的减排目标 目前 (80-100ug/m3) 35ug/m3目标(2030年) 15ug/m3目标(2050) 10ug/m3目标 来源
比例（%） 浓度(ug/m3) 浓度 减排比例 燃煤 20-22 16-21 6-7 70% 3-4 2-3 移动源 20-25 16-23 10-12 50% 周边燃煤 8-10 60% 其他工业源 15-16 12-14 4-5 1-2 扬尘 10-16 生活等 5 30% 农业等 总量 80-100 34-40 15-20 10-15

15 全国 2013年全国平均70.1ug/m3,如果按年天累计总计：2.46亿吨；按全国2200（NOx)+2100(Sox)+1200(Pm2.5)+2500(VOC)+(NH3),考虑转化率等因素，大数为10000万吨总量，即大约在大气中的平均停留时间为2.5天 如果要降到35ug/m3，即要减少一半。5000万吨排放量。 达到15ug/m3,要减少78.5%。2150万吨 10ug/m3,要减少85%。1500万吨。

16 内容 大气污染约束 大气污染控制之策 化石燃料燃烧PM2.5的控制研究

17 达到国际同等水平的结构减排分析 非化石能源11%（今年有望达到） 天然气 % 油 % 煤 % 同等控制水平下： SO2减少60% NOx增加10% VOC增加10% 一次颗粒物减少60% 总体排放量减少仅为20%。

18 能源消费结构改善 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。

19 煤的消费结构变化（40亿吨煤），万吨 用煤量（亿吨） SO2 NOx PM 可能转化PM 发电（2011） ～20 913 948 155
2016 发电（2015） ～22 795 735 120 1650 发电（达标） 22 220 66 696 钢铁 6.4 640 192 32 1254 水泥 5.6 560 224 28 1173 其他民用 4 580 100 20 1026 化工 2 ~ 总排放量 40 2000 736 146 4150

20 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

21 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

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24 预测与监控 天气因素不可控，但可以提前预报并采取措施 建立相应的预警机制，在预报的基础上，最好提前一天减下来。
加强环保执法，精细化环保法规，在严重污染期加强处罚力度 上述措施需区域联动

25 改变发展观 重新审视“发展是硬道理”这一发展观，要强调科学发展观，可持续发展观的根本理念。 北京市应该停止发展。
考虑北京功能的减少，中国应该出现政治、文化、经济多功能的分散，转变政府的职能。 控制北京市建设速度与人口。实现人口和零增长 改变公众的消费、出行、住宿和饮食等生活习惯

26 公布病情和死亡率\污染源 全国各大城市可以每天公布主要与污染相关的呼吸道疾病和心脏病的发病率日报
每日公布主要排放源的每天各主要污染物的排放总量、单位产品耗量等。并明确是否符合环保标准要求的情况

27 公众关系 加强非政府组织和其他公共媒体在环境保护中的特殊作用的分析 利用新型媒体实现快速的信息传播 加强与非政府组织和非盈利机构的合作
加强科学的普及 科学家要改变模棱两可和谨小慎微的做法，只强调未知的问题和进一步需要研究的东西的提出，而要加强对已有知识的传播和宏观的把握。

28 京津冀地区 平均浓度为103.6ug/m3; 按21.71万平方公里计算，平均2.5天停留时间算为年排放量为328.5万吨

29 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VI PM 35 24 12 6 1.2 HC+NOx 240 120 84 42 30

30 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 吨（按排放浓度为 mg/m3计，平均脱硫率达到90-95%），氮氧化物约 吨（排放浓度为 mg/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 吨，应该在15-20%左右。目前控制水平如何，值得研究。

31 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 吨，氮氧化物约 吨，烟尘大约 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 吨 河北：2.7亿吨标煤，每天90吨，排放的二氧化硫约 吨，氮氧化物约 吨，烟尘大约 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 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

32 减排之路 煤的比例每年降1-2%，到2025-2030年降到50%以上，到2050年降到30%左右 油：保持18%左右
天然气：2020年增加到10%以上，2030年后增加到15%。 非化石能源：2020年：15-18% 2030年25-30%，2050年35-45% 污染控制： 控制一次颗粒物 控制二次颗粒物的前体物

33 内容 大气污染约束 大气污染控制之策 化石燃料燃烧PM2.5的控制研究

34 化石燃料燃烧排放PM2.5源头控制技术的基础研究(2013CB228500)
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

35 项目的基本思想：思路 大气环境 形成-转化-排放-控制 灰霾、健康、环境、气候 （成核、聚并、 转化、长大） 移动燃烧源 固定燃烧源
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） 形成-转化-排放-控制 灰霾、健康、环境、气候 烟气脱硫 烟气 脱硝 现在让我们来认真考察一下化石燃料颗粒物从形成-转化-排放的全过程。总体上来讲，化石燃料主要有以煤燃烧为主的固定源和以汽柴油燃烧为主的移动源，整体上讲在高温下，发生了复杂的物理化学变化形成以矿物为主的颗粒物和以碳质为主的碳烟颗粒，从燃烧室高温逐步降温通过各种控制设备，继续变化和转化，最终进入到大气，颗粒物和气态污染物发生成核、聚并、化学转化和长大，最终形成灰霾天气，对人体健康、环境和气候产生影响，我们思想是要将污染物在排入大气之前，在形成与排放控制两个方面开展相关的研究工作。

36 四个关键科学问题 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 3.细颗粒物聚并、长大及与气态污染物转化机理
即： 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 2.碳质细颗粒物形成及湍流耦合快速氧化机理

37 1. 煤中矿物质迁徙、转化形成细颗粒物的规律及调控机制
燃烧条件：气氛、温度、氧量 吸附剂、添加剂 (2) 燃烧方式调整控制炉内细颗粒物生成 (3) 燃烧过程中非均相反应和物理吸附抑制细颗粒物生成 煤+煤 煤+生物质 细颗粒物 重金属 具体来讲，包括通过。。。。通过控制燃烧气氛如。。。。。通过加入。。。。。。。通过研究 相互作用。。。。。 (1) 燃料矿物组分调配减少细颗粒物生成的机制 (4) 细颗粒物与有毒元素的相互作用与联合脱除

38 2.燃烧过程碳质颗粒物形成与快速氧化 (1) 高温高压条件下碳质颗粒物形成机理 (2)含碳质细颗粒物的湍流涡团破碎与混合强化机理
(3)碳质细颗粒物快速氧化的燃烧条件 缸内喷雾燃烧过程中碳烟分布 具体来讲，主要要研究。。。。。。。。针对固体燃料的碳质颗粒物形成，还要特别研究碳质与矿物质的相互作用以及针对性的氧化机理 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 H F e i A l a M g N t c . 焦油 气体成分 CH 4 2 O etc .) 挥发分燃烧 碳燃烧 碳烟 (4)碳质细颗粒物氧化反应动力学及关键基团研究

39 3. 细颗粒物聚并长大及与气态污染物转 化机理及控制方法
电凝并、声团聚、水汽相变和化学团聚对细颗粒物聚并脱除的促进作用和影响机制 城市点长期观测和区域点的加强观测观测到强大气氧化性条件下气态污染物向细粒子的转化以及细粒子的混合态演变和吸湿性增强 有机物 一次排放 PM 气态前体物 相变 在强化脱除方面，也是开展两个方面的研究，就形成了研究内容三： 其中关键是一是要增加颗粒之间的碰撞频率，二是要提高颗粒物粘附性，这就包括如在电、声作用下的碰撞频率的提高，如化学、相变等提高颗粒的粘附性。 要在电、声等作用下，增加这个聚并图的意思是：任何颗粒都有一定的自然电荷，但是通过布置不同的电场，可以获得不同的电荷与颗粒接触，从而强化其聚并，此外一些颗粒通过外加声波的作用，可以增强碰撞，也可以通过喷入絮凝剂，来增强碰撞后的粘附作用(主要发生化学作用的化学键力或部分物理范畴的液桥力)，总之，这部分科学问题，一定要明晰，电和声其实都是增加的碰撞几率，电是long-range interaction来增大捕捉半径capture radius，而声则是局部流场的变化，这是collision的问题，化学聚并则是改变了adhesion本身。 建立了“准实际”大气烟雾箱模拟实验平台 ，揭示了光解速率常数是影响颗粒物老化 过程的关键因素，为源排放颗粒物与气态 污染物的共同去除提供了借鉴 获取多因素作用下细颗粒物声团聚和化学团聚的影响规律以及PM2.5颗粒核化凝结特性

40 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
开发源排放颗粒物采样装置（2套）和实验室测评系统；现场测试10个电厂或其他固定源；搭建实际燃煤烟气多功能试验平台并开展PM2.5转化与增强脱除研究 扩散 撞击 静电力 另一个方面就是要针对单一场作用不能脱除细颗粒的问题，将利用不同场的不同行为和作用规律，研究在。。。。。。。。 微米颗粒单纤维沉积、微米颗粒与表面的相互作用的AFM测量、PM2.5脱除技术的实验研究与中试、过滤介质结构特性对细颗粒物质量排放、数量排放及粒径分布的影响规律、研究过滤压降和微观颗粒层结构的关联、不同烟气湿度下颗粒荷电和迁移规律研究 移动源纳米催化剂的性能优化准则及高活性催化剂开发；新型过滤介质应用方案及表面修饰技术实验研究；真实发动机及整车排气条件下催化剂对排气中多种污染物的协同脱除

41 一、利用不同燃料矿物组分之间的交互作用，可有效减少细颗粒物生成
潜在控制技术方向 一、利用不同燃料矿物组分之间的交互作用，可有效减少细颗粒物生成

42 褐煤&半焦混烧颗粒物大幅度下降 呼伦贝尔褐煤&半焦 混烧
褐煤单独燃烧产生的PM0.1质量是半焦单独燃烧的~1.6倍，而亚微米颗粒质量二者相当， 微米级颗粒质量褐煤是半焦的~1.3倍； 两组混烧工况在三个粒径范围内的质量均只有两组单独燃烧的工况的一半左右

43 矿物调配减少颗粒物排放总量 煤种调配后PM1、PM2.5、PM10总量比较
混煤比例为SX:YN=3:2时，PM2.5和PM10的生成量均是最少的。从电厂控制颗粒物生成的角度，混煤比例SX:YN=3:2为最优的配煤方案。

44 二、高温条件下硅铝酸盐通过液相捕集控制PM2.5 生成的新机理

45 高岭土对不同形态Na的作用 高岭土对PM0.5的控制能力要强于对PM0.5-10；
NaCl-form coal 和 NaAc-form coal 燃烧时，高岭土对PM2.5 的控制作用 高岭土对PM0.5的控制能力要强于对PM0.5-10； 空气燃烧下，高岭土对NaAc-form煤PM的控制优于NaCl-form煤，氧/燃料燃烧下趋势相反； 不同燃烧气氛下，NaCl-form 煤和NaAc-form 煤PM生成量不同，PM与高岭土碰撞效率的差异导致控制效果的差异。

46 钠铝硅酸盐对PM2.5的捕获作用 添加Na-Al-Si前后H-form煤PM2.5颗粒物排放浓度对比 使用Na-Al-Si添加剂与煤粉进行混烧，发现该添加剂能够通过液相捕集作用有效的减少H-form煤燃烧过程中PM2.5的生成。

47 钠铝硅酸盐对PM2.5的捕获作用 机理分析 化学吸附 液相捕集

48 三、探索了不同团聚方式下细颗粒物聚并长大效果及其影响因素

49 不同化学团聚剂下细颗粒物化学团聚长大效果
分析高分子聚合物作为团聚剂使颗粒聚合长大机理； 对电厂PM2.5控制进行可行性研究； 浓度提高，增加团聚剂分子，增大碰撞概率，增强团聚效果，经济性考虑，浓度不宜过大； 温度升高，分子活性增强，分子运动加剧，增强团聚效果； 湖南耒阳发电厂烟道1 电站烟道团聚示意图 不同种类化学团聚剂团聚效果

50 不同源细颗粒物核化凝结长大特性 温度/℃ 速度/(m/s) 入口浓度/(cm-3) /μm 40 0.21 3.03E+08 2.005
建立激光测试技术，发现水汽核化凝结大幅度形成大颗粒；颗粒特性、环境湿度、温度对凝结有影响。 该方向可望用于脱硫塔后部细颗粒脱除 温度/℃ 速度/(m/s) 入口浓度/(cm-3) /μm 40 0.21 3.03E+08 2.005 6.05E+08 1.759 0.42 1.51E+08 0.540 0.381 0.2μm 卷烟移动源颗粒 2.0μm 5.4μm 单一成分颗粒 燃生物质电厂飞灰 燃煤电厂飞灰

51 四、研究了细颗粒物在不同荷电条件下的荷电特性及高效脱除

52 不同电压配合形式下分级颗粒数目比例（锯齿线）
细颗粒物荷电特性研究-双极荷电 通过PIV光学检测结合ELPI在线检测方法，研究不同放电参数和电极布置方式下颗粒的凝并和收集特性，发现不同电压匹配可以增强细颗粒聚并。 双极性电凝并过程示意图 离子风涡流 双极荷电能增强细颗粒物有效凝并 52 不同电压配合形式下分级颗粒数目比例（锯齿线）

53 基于脉冲放电电凝并的细颗粒物高效脱除研究
利用脉冲放电电负性气体加强PM2.5荷电和颗粒团聚； 脉冲放电+直流收尘可以实现细颗粒物高效脱除； 含氧量对颗粒荷正负电临界粒径影响 0.5μm 利用电负性气体研究 强化细颗粒荷电 0.1μm 荷电临界粒径，最优参数 > 90% 含氧量对颗粒脉冲电凝并效率影响 基于脉冲放电电凝并 高效脱除细颗粒物 荷电特性影响，烟气影响 53

54 五、获得SCR和WFGD中PM2.5的转化规律，提出了基于汽相变和化学团聚增强燃煤烟气PM2.5脱除的方法

55 脱硝和脱硫增加细颗粒的排放 脱硝之后，细颗粒物（≤1μm）浓度上升 脱硫之后，细颗粒物（≤1μm）浓度上升。
Plant A 电厂 A 电厂 A 脱硝后，颗粒物中 NH4+ SO42- 浓度明显升高，形成硫酸铵、硫酸氢铵气溶胶

56 增强电除尘和WFGD脱除PM2.5 应用化学团聚技术：在电除尘器入口烟气中喷入团聚剂溶液可使电除尘出口颗粒物浓度降低30%以上；脱硫液中添加化学团聚剂可使脱硫系统出口细颗粒物浓度降低40%左右 应用水汽相变技术：通过脱硫塔入口烟气温湿度调节和WFGD系统的过程优化，并在湿法脱硫净烟气中注入适量湿空气，可使PM2.5排放浓度降低40-50%左右 应用化学团聚增强电除尘脱除PM2.5 添加湿空气增进PM2.5脱除的性能 56

57 信心来自于大家的关注 雾霾污染是一个复杂的污染 治理雾霾的核心是源头控制 要重视二次颗粒物的形成的一次来源：SO2、NOx、VOC和NH3
燃煤仍是重点，但电站已经不是重点 从大点源到量广面大的小点源和面源的控制 从粗放到精细的控制 从单一控制到多元、多场的控制

58 Special acknowledgment to
感谢颗粒与燃烧课题组团队 李水清 教授，主要从事颗粒动力学、颗粒过滤基础、煤富氧燃烧以及生物质燃烧积灰等研究。已完成和在研国家自然科学基金5项，国际合作项目多项。 Special acknowledgment to 宣小平博士、黄斌博士 赵香龙博士、岳勇博士 孙旭光博士、彭科博士 张小峰博士、王世昌博士 王珲博士、孟忠伟博士 徐晓光博士、何百磊博士 徐海卫博士、龙正伟博士 柳冠青博士、唐君实博士 王宇博士、熊刚博士 张易扬博士、吴宁博士 方朝钢博士、卢智恒博士 张志昊博士、李庚达博士 宋蔷 副教授，主要从事燃烧污染物（氮氧化物和颗粒物）形成和排放控制技术的研究。承担863重大项目课题、科技攻关课题、自然科学基金、国际合作和企业合作等项目。 卓建坤 讲师，主要从事生物质先进发电技术、固体废弃物低温热解技术应用基础研究和示范，开展国家工程研究中心的基地建设和团队建设。

59 希望人类与地球同命运 We are with the Earth 谢谢！(Thanks)