霧霾來襲，環(huán)保趨嚴(yán)
2016 年入冬以來，京津冀及周邊地區(qū)重污染天氣持續(xù)多日，環(huán)保部今年初表示“要改善得快，就要加快減少污染物排放量”。而作為我國現(xiàn)階段重要能源，各類污染物排放居前的煤炭(2012 年煤炭燃燒及其他使用環(huán)節(jié) SO2、NOX、煙塵粉排放占比均超過65%，近年各項相關(guān)環(huán)保治理政策法規(guī)相繼出臺，治理力度正逐步加大。
究竟霧霾與煤炭有何關(guān)系?本報告將對此展開梳理。
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煤炭:開采、運輸污染較小，主要源自應(yīng)用
縱觀煤炭整個產(chǎn)業(yè)流程，前端的開采、運輸環(huán)節(jié)污染相對較小，且具備一定的可控性，而終端的利用環(huán)節(jié)對環(huán)境污染最大。具體而言:
煤炭開采對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為對土地資源、水資源的破壞以及對大氣環(huán)境的污染。在煤炭開采過程中，井下大面積采空，形成大量采空區(qū)，容易造成地面沉降;同時，煤炭開采和洗選對水資源造成一定破壞和污染;此外，煤炭開采過程中，礦井瓦斯以及矸石自然釋放的氣體也會產(chǎn)生污染。
而對土地資源的破壞可通過將礦區(qū)中大量固體廢石填埋到塌陷區(qū)域中，再在地表位置填埋土壤的方式加以解決;
水污染占比總體比例不大，2014 年煤炭開采和洗選業(yè)廢水排放量僅占工業(yè)廢水排放量 7.06%，此外廢水污染還可通過在井田內(nèi)河流區(qū)域的兩側(cè)和斷層中預(yù)留防水煤柱的方式有效預(yù)防;瓦斯以及矸石自然釋放的氣體雖有一定污染，不過矸石可被搬至井下成為置換煤炭的充填物，瓦斯則可加以利用以變廢為寶。
我國煤炭資源分布不均決定了“北煤南運、西煤東運”的格局，在煤炭儲、裝、運過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染主要表現(xiàn)為煤塵飛揚。而對運輸車輛覆蓋篷布進行遮擋、并在施工區(qū)域安置灑水設(shè)備，可有效控制此類粉塵污染。
與煤炭開采、運輸相比，煤炭利用對環(huán)境影響最大。我國煤炭消費形式以直接燃燒及焦化等為主，下游包括電力、燃煤鍋爐、鋼鐵、建材及化工等各大領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域也正是我國大氣污染的主要來源。
三大應(yīng)用領(lǐng)域，三大主要污染物
煤主要構(gòu)成元素為碳、氫、氧、氮和硫等，應(yīng)用以燃燒為主，而其中含有的部分礦物質(zhì)如粘土、石膏、碳酸鹽、黃鐵礦等并不能直接燃燒，因此最終產(chǎn)生的污染物主要有三類:SO2、NOX 及礦物質(zhì)分解化合而成的煙塵粉，而這些污染物排放主要集中于電力、燃煤鍋爐及焦化三大領(lǐng)域，其中 2012 年我國 SO2、NOX 及煙粉塵三類污染物排放中，電力、燃煤鍋爐及焦化領(lǐng)域合計占比分別達 76%、54%及 52%。
電力:三類污染物主要來源
煤炭應(yīng)用:燃燒轉(zhuǎn)化為電能
火力發(fā)電，是煤燃燒時產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程。具體而言，煤炭通過電磁鐵、碎煤機送至煤倉間煤斗內(nèi)，進入磨煤機進行磨粉，磨好的煤粉通過空氣預(yù)熱器鼓入的熱風(fēng)被打至粗細(xì)分離器，粗細(xì)分離器將合格的煤粉送至粉倉，最終由給粉機將煤粉打入噴燃器送到鍋爐進行燃燒。
具體生產(chǎn)流程一般包括三步，第一步是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能:在鍋爐中燃燒化石燃料產(chǎn)生熱能，熱能被水吸收變成水蒸氣;第二步是將熱能轉(zhuǎn)化為機械能:高溫蒸汽產(chǎn)生的推力推動汽輪機旋轉(zhuǎn);第三步是將機械能轉(zhuǎn)化為電能:利用汽輪機的旋轉(zhuǎn)引動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，通過切割磁力線來產(chǎn)生電能。
污染:SO2、NOX、煙粉塵并存
火力發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大氣污染物主要有 SO2、NOX、煙塵(懸浮顆粒物)等。其中二氧化硫是大氣主要污染物之一，對人體眼睛、喉嚨有強烈的刺激作用，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)約是二氧化碳的 200-300 倍，電，是造成我國大氣污染和酸雨不斷加劇的主要誘因，燃煤發(fā)電企業(yè)二氧化硫排放占到我國二氧化硫排放總量的 38%左右(2012 年);
氮氧化物不僅會產(chǎn)生光學(xué)煙霧，使大氣能見度降低力領(lǐng)域排放的氮氧化物占全國比重達到 44%(2012 年);煙塵中懸浮顆粒會對人體的呼吸系統(tǒng)造成危害，由于粉塵粒子表面附著各種有害物質(zhì)，它一旦進入人體，就會引發(fā)各種呼吸系統(tǒng)疾病，電力領(lǐng)域排放的煙塵粉占全國的 18%(2012 年)。
不過近年火力發(fā)電量增速呈下滑趨勢，占發(fā)電總比重由 2010 年的 81.34%下滑到 2014年的 75.6%，火電機組裝機容量占全國裝機容量比重由 2011 年的 72.5%下滑至 2015年的 66%，疊加火力發(fā)電平均供電煤耗相比 2011 年下降 4.3%，相應(yīng)的二氧化硫、氮氧化物和煙塵的排放量也相應(yīng)有所控制。
主要污染物來源
SO2:主要產(chǎn)生在燃燒的鍋爐中。煤中有很大一部分硫份是以細(xì)的黃鐵礦(FeS2)晶體的形式存在的，也有一部分是以有機硫形式存在。在燃燒時，無論是有機硫還是無機硫，大部分都轉(zhuǎn)化為 SO2，還有少量 SO3。
NOx:同樣產(chǎn)生在燃燒的鍋爐中。煤燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO，占 90%以上)和二氧化氮(NO2，占 5%~10%)，此外還有少量的氧化二氮(N2O，只占 1%左右)。
煙塵:煙塵主要產(chǎn)生于煤通過輸煤皮帶進入磨煤機-給粉機-鍋爐-燃燒排出煙氣-灰場等各個環(huán)節(jié)?；痣姀S的煤塵一般是含有 10%以下游離二氧化硅的粉塵，國家規(guī)定最高容許排放量濃度為 10mg/m3，塵粒分散度高，直徑小于 5μm 的占 73%。除塵器、干灰輸送系統(tǒng)及粉煤灰等綜合利用作業(yè)場所的粉塵，也是含有 10%~40%的游離二氧化硅的粉塵，塵粒直徑一般在 15μm 以下，5μm 以下的占有相當(dāng)份額。
治理:煙氣脫硫脫硝技術(shù)，聯(lián)合脫硝脫硫技術(shù)
煙氣脫硫技術(shù)
石灰石一石膏濕法脫硫:采用廉價易得的石灰石或石灰作為脫硫吸收劑，石灰石經(jīng)破碎磨細(xì)成粉狀與水混合攪拌制成吸收漿液。當(dāng)采用石灰作為吸收劑時，石灰經(jīng)消化處后加水?dāng)嚢柚瞥晌諠{液。在吸收塔內(nèi)，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的氧化空氣進行化學(xué)反應(yīng)被吸收脫除，最終產(chǎn)物為石膏，脫硫渣石膏可以綜合利用。
循環(huán)流化床鍋爐脫硫工藝:燃料和作為吸收劑的石灰石粉燃燒室中部送入，氣流使燃料顆粒、石灰石粉和灰一起在循環(huán)流化床強烈擾動并充滿燃燒室，石灰石粉在燃燒室內(nèi)裂解成氧化鈣，氧化鈣和二氧化硫結(jié)合成亞硫酸鈣，鍋爐燃燒室溫度控制在 850°C左右，以實現(xiàn)反應(yīng)最佳。
燃煤鍋爐:SO2、煙粉塵排放主要來源
煤炭應(yīng)用:燃燒產(chǎn)生熱能
工業(yè)燃煤鍋爐是以煤炭為燃料的熱能動力設(shè)備。燃煤在爐膛中燃燒釋放熱量，把熱媒水或其它有機熱載體(如導(dǎo)熱油等)加熱到一定溫度(或壓力)，產(chǎn)生蒸汽或者變成熱水。最終達到供應(yīng)開水、采暖和洗浴、供應(yīng)蒸汽、蒸煮和干燥等目的。
在此過程中，為了提高燃料的利用率同時達到國家節(jié)能減排要求，原煤在進入鍋爐前還需要進行配比，經(jīng)過配比的原煤要破碎成粒徑較小的碎塊或者煤粉，最后再送入鍋爐燃燒。
污染:高強度、低空排放
工業(yè)燃煤鍋爐排放污染物以煙粉塵和 SO2 為主。其煙囪相對低矮，具有高強度、低空排放的特點，且布局相對分散，是環(huán)境空氣的重要污染源。 2012 年，我國在用工業(yè)燃煤鍋爐排放煙粉塵 407.3 萬噸，約占全國排放量的 34%，排放二氧化硫 571.8 萬噸，約占全國排放量的 27%;排放氮氧化物 210.4 萬噸，約占全國排放量的 10%。
其中，燃煤鍋爐產(chǎn)生的二氧化硫是我國大氣中二氧化硫最主要的污染源。煤燃燒時，80%的硫轉(zhuǎn)化成污染大氣的二氧化硫。在我國煤炭年總產(chǎn)量中，低、中、高硫煤各占 17%、58%和 25%。其中，低灰低硫優(yōu)質(zhì)煤每年產(chǎn)量較少，主要供出口和特殊行業(yè);高硫煤產(chǎn)量雖僅占全國煤炭產(chǎn)量的 1/ 4 左右, 但燃燒時所造成的二氧化硫污染卻相當(dāng)嚴(yán)重。
焦化:主要污染物 SO2煤炭應(yīng)用:焦煤高溫干餾
煉焦過程將煉焦煤在隔絕空氣條件下加熱到 1000°C左右(高溫干餾)，通過熱分解和結(jié)焦產(chǎn)生焦炭、焦?fàn)t煤氣和煉焦化學(xué)產(chǎn)品。從煉焦?fàn)t出爐的高溫焦炭，還需經(jīng)熄焦、涼焦、篩焦、貯焦等一系列處理。
煉焦煤之所以需要焦化，主要源于高爐對燃料要求較高，具體包括灰低、硫低、強度高、塊度適當(dāng)、氣孔均勻、致密、反應(yīng)性適度、反應(yīng)后強度高等特性。因此天然焦煤必須經(jīng)過配比、預(yù)處理及煉焦等工藝，才能成為合乎要求的高爐焦。高爐焦為礦石熔化提供熱源，同時也是氧化鐵還原成金屬鐵的還原劑。同時，焦炭也作為高爐料柱骨架，具有保證料柱透氣性，使煤氣上升和熔融液體下滴和暢通的作用。
污染:SO2 為主，濕法熄焦污染嚴(yán)重?zé)捊弓h(huán)節(jié)的主要污染物為廢氣、廢水，其中，以 SO2 等為主要成分的廢氣污染較為嚴(yán)重。
廢氣方面，焦化生產(chǎn)過程中排入大氣的環(huán)境污染物主要是煤在干餾、結(jié)焦等化學(xué)加工轉(zhuǎn)化過程中流失于環(huán)境的有害物質(zhì)，主要有煙塵、煤塵、飛灰;結(jié)焦過程中泄漏的粗煤氣，其中主要污染物為苯并芘(BaP，可間接致癌)等化合物、酚、氰、硫氧化物、氯、碳?xì)浠衔锏榷喾N污染物;空氣與焦?fàn)t煤氣燃燒生成的 SO2、NOX、CO2 等;
出焦時灼熱的焦炭與空氣驟然生成的 CO、CO2、NO2 等氣體。煉焦過程中的煤里約 30%~35%的硫會轉(zhuǎn)化成 H2S 氣體，與 NH3 和 HCN 一起形成煤氣中的雜質(zhì)。焦?fàn)t煤氣中 H2S 的含量一般為 5-8g/m3，HCN 含量一般為 1-1.25g/m3，空氣中有 0.1%的 H2S 就能致人死亡，所以焦化煤氣的泄漏對于環(huán)境危害極大。
淘汰下游落后產(chǎn)能、清潔用煤乃長久之計
當(dāng)下煤炭相關(guān)污染治理最直接有效的方式為減量消費。嚴(yán)峻大氣污染形勢之下，鑒于煤炭用量大、污染集中于應(yīng)用領(lǐng)域特性，治理污染最直接有效的方式為減少下游消費，如2017 年京津冀三地政府工作報告中，均提及壓減煤炭消費或關(guān)停相關(guān)使用設(shè)備即為印證。
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