燃煤鍋爐PM2.5控制現(xiàn)狀及改進(jìn)建議

史妍婷，杜 謙，高建民，曹 陽，董鶴鳴，韓 強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

燃煤鍋爐主要為燃煤電廠鍋爐和燃煤工業(yè)鍋爐。在我國的一次能源消耗中，煤炭占到消費(fèi)總量的70%，約有75%的煤炭用于燃燒。在消耗的煤炭中，燃煤電廠鍋爐消耗了約50%，燃煤工業(yè)鍋爐消耗了約20%(全國在用燃煤工業(yè)鍋爐約48萬臺。每年消耗原煤約6.5億噸［1］。)。燃煤鍋爐煤炭的大量消耗，對我國大氣環(huán)境PM2.5污染產(chǎn)生重要影響。

燃煤鍋爐對大氣環(huán)境PM 2.5的貢獻(xiàn)根據(jù)排放形態(tài)可分為兩種:直接排出的一次顆粒物和以氣態(tài)形式如SO2、NOx、和VOC等排放至大氣，通過復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過程形成的二次顆粒物。一次顆粒物中的PM 2.5可分為直接以固態(tài)形式排出的可過濾顆粒和在煙氣溫度狀態(tài)下以氣態(tài)形式排出、在煙羽稀釋和冷卻過程中凝結(jié)成粒子的可凝結(jié)顆粒物［2－3］?？蛇^濾顆粒的形成機(jī)理主要包含殘灰顆粒和氣化凝結(jié)顆粒。殘灰顆粒主要是由燃燒過程中微小煤粒燃燒礦物熔融聚合、焦炭破碎后礦物熔融聚合及外在礦物破碎等途徑形成的［4］。氣化凝結(jié)顆粒物主要由煤燃燒過程中無機(jī)礦物質(zhì)的氣化和隨后的凝結(jié)而形成的，在麻省理工學(xué)院進(jìn)行的一系列研究中證明氣化－凝結(jié)是亞微米顆粒物重要的形成機(jī)理［5－6］。可凝結(jié)顆粒物［7］，通常以冷凝核的形式存在，空氣動力學(xué)直徑小于1 μm，其主要來源是SO3。在鍋爐尾部煙道內(nèi)，SO3與煙氣中的水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時，形成硫酸氣溶膠，即為可凝結(jié)顆粒物。

燃煤鍋爐PM 2.5的控制應(yīng)該是一個綜合治理的過程，即包含一次可過濾顆粒物和一次可凝結(jié)顆粒物的治理，也包含對二次顆粒物前驅(qū)物SO2、NOx、和VOC等的治理。

1 燃煤鍋爐PM 2.5的產(chǎn)生及控制現(xiàn)狀

1.1 PM 2.5一次可過濾顆粒物的產(chǎn)生及控制現(xiàn)狀

為了解燃煤鍋爐一次顆粒物PM 2.5中可過濾顆粒物的產(chǎn)生與控制現(xiàn)狀，作者所在項目組利用二級稀釋系統(tǒng)，采用荷電低壓撞擊器(ELPI)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗。對于燃煤火力發(fā)電行業(yè)，目前進(jìn)行了15臺鍋爐的現(xiàn)場測試，其中煤粉爐11臺，循環(huán)流化床鍋爐4臺。鍋爐機(jī)組容量在200 MW以上。對于熱力生產(chǎn)和供應(yīng)行業(yè)，目前進(jìn)行了16臺燃煤工業(yè)鍋爐的現(xiàn)場測試，其中容量在20 t/h以上的鍋爐12臺，容量在20 t/h以下的鍋爐4臺(容量2 t/h、4 t/h、6 t/h、10 t/h 的鍋爐各一臺)。

試驗過程中，分別對鍋爐后除塵前、除塵后脫硫前和脫硫后三個測點(diǎn)(鍋爐各測點(diǎn)見圖1)進(jìn)行了PM2.5的ELPI現(xiàn)場粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度的在線測試。

圖1 鍋爐各測點(diǎn)的分布示意圖

1.1.1 PM 2.5一次可過濾顆粒物產(chǎn)生情況

(1)電廠燃煤鍋爐的產(chǎn)生情況

實驗結(jié)果表明，煤粉爐產(chǎn)生PM 2.5的粒數(shù)濃度一般在(3～15)×106個/cm3，質(zhì)量濃度一般在250 ～1 000 mg/m3。其中 PM 0.38(0.38 μm 以下的顆粒，主要是由礦物質(zhì)氣化凝結(jié)形成的顆粒物)占PM 2.5顆粒數(shù)比例一般在95%以上，而所占的PM 2.5質(zhì)量比例一般不到5%。循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生PM 2.5的顆粒數(shù)濃度一般在(2～5)×106個/cm3，質(zhì)量濃度一般在1 000～2 000 mg/m3。由于爐溫較低，由氣化凝結(jié)機(jī)理產(chǎn)生的顆粒物量相對較少，PM 0.38占PM 2.5顆粒數(shù)比例一般不到30%，而所占的PM 2.5質(zhì)量比例一般不到1%。

(2)燃煤層燃工業(yè)鍋爐的產(chǎn)生情況

燃煤工業(yè)鍋爐產(chǎn)生PM 2.5的顆粒數(shù)濃度一般在(15～60)×106個/cm3，質(zhì)量濃度一般在50～200 mg/m3。由氣化凝結(jié)機(jī)理產(chǎn)生的顆粒物量相對較大，PM 0.38占PM 2.5顆粒數(shù)比例一般超過99%，而所占的PM 2.5質(zhì)量比例可達(dá)50% ～75%之間。

從燃煤鍋爐產(chǎn)生的情況來看，燃煤層燃工業(yè)鍋爐所產(chǎn)生的PM 2.5的質(zhì)量濃度雖然相對較低，但由氣化凝結(jié)機(jī)理形成的難以脫除的細(xì)顆粒PM 0.38的顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度一般比電廠煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐還高。

1.1.2 PM 2.5可過濾顆粒物的控制現(xiàn)狀

(1)燃煤電廠鍋爐控制現(xiàn)狀

目前，對燃煤電廠PM 2.5一次可過濾顆粒物沒有專門的控制設(shè)備?，F(xiàn)有針對煙塵的控制設(shè)備及濕法脫硫系統(tǒng)對PM 2.5都有一定的脫除作用。燃煤電廠鍋爐對煙塵的控制設(shè)備，目前主要采用電除塵器，部分采用布袋或電袋聯(lián)合除塵器。據(jù)統(tǒng)計到2010年底，電除塵器占94%，袋式或電袋復(fù)合除塵器約占6%。

目前，燃煤電廠所采用的除塵器總塵排放情況差別很大，質(zhì)量濃度從幾～幾百mg/m3。PM 2.5排放濃度差別也非常大，顆粒數(shù)濃度變化從幾萬～幾十萬個/cm3，質(zhì)量濃度從零點(diǎn)幾 ～幾十 mg/m3不等，這些差別主要是因為其采用的除塵設(shè)備效率不同。

自2012年1月1日開始執(zhí)行的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)中規(guī)定，所有燃煤電廠鍋爐的煙塵排放限值為30 mg/m3。對于電除塵器，目前所采用的三電場和四電場電除塵器難以滿足此煙塵排放限值。五電場除塵器總煙塵排放濃度可達(dá)50 mg/m3以下，但一般也難以達(dá)到排放限值。五電場電除塵器要想達(dá)到該排放濃度限值，除綜合考慮濕法脫硫的脫硫效果外，還得持續(xù)改進(jìn)電除塵器技術(shù)。如果電除塵器改進(jìn)后能滿足30 mg/m3的煙塵排放限值，那么PM 2.5的排放質(zhì)量濃度能達(dá)10 mg/m3以下。

布袋除塵器和電袋復(fù)合除塵器對總塵和PM2.5均有良好的除塵效果［8］，總塵排放均能達(dá)到30 mg/m3以下，特別是采用覆膜濾料的布袋除塵器和電袋復(fù)合除塵器總塵能達(dá)到10 mg/m3以下，PM 2.5排放的顆粒數(shù)濃度能達(dá)幾萬個/cm3左右，質(zhì)量濃度能達(dá)到1 mg/m3以下。

燃煤電廠的脫硫系統(tǒng)對PM 2.5也有一定的脫除效果，但受吸收塔上方除霧器的除霧效果影響較大，當(dāng)除霧效果不佳時，PM 2.5排放的顆粒數(shù)和質(zhì)量濃度甚至還可能升高。

對于燃煤電廠，如果所有鍋爐能切實落實30 mg/m3的煙塵排放限值，其排放的一次可過濾顆粒物對大氣環(huán)境的影響，從產(chǎn)生的質(zhì)量濃度來說，相對于二次顆粒物及一次可凝結(jié)顆粒，其影響相對要小一些。但由于一次可過濾顆粒物上富集了大量的有毒元素，對人體危害相對較大。

(2)燃煤工業(yè)鍋爐控制現(xiàn)狀

燃煤工業(yè)鍋爐(一般采用層燃爐)目前采用除塵器多為干式除塵器(如多管除塵器)、濕式除塵器(如水膜除塵器、沖擊水浴除塵器)、干濕聯(lián)合的除塵器。

燃煤工業(yè)鍋爐的這些除塵器對PM 2.5的顆脫除效果差，對PM 2.5的粒數(shù)和質(zhì)量脫除效果一般在40% ～65%之間，所排放的PM 2.5的顆粒數(shù)濃度很大，一般在幾～十幾×106個/cm3，質(zhì)量濃度在幾十mg/m3。

由于燃煤工業(yè)鍋爐數(shù)量大，燃煤消耗大，故工業(yè)鍋爐應(yīng)該成為燃煤鍋爐PM 2.5控制的重點(diǎn)?？紤]到燃煤工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)承受能力較弱，故從工業(yè)鍋爐原煤處理、燃燒控制及煙氣脫除等方面應(yīng)加強(qiáng)PM 2.5控制技術(shù)的研發(fā)，開發(fā)出經(jīng)濟(jì)有效的控制技術(shù)。

1.2 PM 2.5一次可凝結(jié)顆粒物的產(chǎn)生及控制現(xiàn)狀

可凝結(jié)顆粒物是氣態(tài)或蒸汽類物質(zhì)由于溫度、壓力變化而凝結(jié)為固態(tài)或液態(tài)的顆粒物。此類顆粒物微小，主要形成于離開煙囪的煙羽中，美國EPA［9］定義:該物質(zhì)在煙道溫度狀況下處為氣態(tài)，離開煙道后在環(huán)境狀況下降溫數(shù)秒后凝結(jié)成為液態(tài)或固態(tài)。對于燃煤鍋爐的可凝結(jié)顆粒物，其主要來源是SO3。在煤粉爐燃燒過程中，煤中的硫絕大部分轉(zhuǎn)化為SO2，約6% ～7%的SO2會轉(zhuǎn)化為SO3。

目前燃煤鍋爐所采用的除塵措施，無論是靜電除塵器(ESP)，還是布袋除塵器，對于煙道中呈氣態(tài)的PM 2.5一次可凝結(jié)顆粒都無能為力。而燃煤鍋爐現(xiàn)有的半干法脫硫技術(shù)具有較好的脫除效果，如循環(huán)流化床煙氣脫硫(CFB－FGD)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥工藝(SDA)、煙道吸收劑噴入工藝(DSI)、NID等。

1.3 PM 2.5二次顆粒物前驅(qū)物的產(chǎn)生及控制現(xiàn)狀

燃煤鍋爐大氣二次顆粒物的主要前驅(qū)物為SO2與NOx。燃煤鍋爐SO2的原始排放主要與煤中硫含量有關(guān)，一般SO2的原始排放濃度在幾百至幾千mg/m3。而NOx的原始排放濃度一般小于1 000 mg/m3。

針對燃煤電廠鍋爐形成的大氣二次顆粒物的前驅(qū)物SO2與NOx，目前電廠普遍從燃燒前、燃燒中、燃燒后三個方面進(jìn)行控制，基本可以滿足GB13223－2011及總量控制對燃煤電廠SO2與NOx的控制需求，由于燃煤電廠所產(chǎn)生的二次顆粒物所占大氣環(huán)境PM 2.5的貢獻(xiàn)量比例較大，應(yīng)加強(qiáng)對電廠的管理，切實落實對SO2與NOx的控制。

針對燃煤工業(yè)鍋爐形成的大氣二次顆粒物的前驅(qū)物SO2與NOx，目前執(zhí)行的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271－2001)相對較寬松，應(yīng)抓緊對現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的修訂，收緊SO2與NOx的排放濃度限值，并落實排放濃度限值及總量控制要求。

2 PM 2.5控制技術(shù)改進(jìn)建議

2.1 針對一次顆粒物

2.1.1 PM 2.5可過濾顆粒物現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)建議

對于現(xiàn)有電廠除塵器，提高除塵器效率即能提高PM 2.5的脫除效率。如ESP的除塵效率越高，PM 2.5的脫除效率提高越顯著。調(diào)研結(jié)果顯示:ESP除塵效率為99.65%時，PM 2.5的脫除效率為98.4%;而ESP除塵效率提高到99.88%時，PM 2.5的脫除效率為99.26%;ESP除塵效率提高0.23%，PM 2.5的脫除效率提高0.86%。因此盡量提高現(xiàn)有除塵技術(shù)的除塵效率是降低PM 2.5排放的措施之一。

(1)針對電除塵器

對于靜電除塵器，一方面可改進(jìn)電除塵技術(shù)，如采用脈沖高度、寬度及頻率均可調(diào)整的高頻電源技術(shù);采用能將電場的收塵區(qū)與清灰區(qū)分開的移動極板技術(shù);還可采用改進(jìn)極配方式、煙氣調(diào)質(zhì)等技術(shù)。另一方面可發(fā)展更高性能的電除塵技術(shù)［10］，如泛比電阻電除塵器技術(shù)、移動電極電除塵器技術(shù)、薄膜電除塵器技術(shù)、層流電凝聚技術(shù)等。這些也是當(dāng)前國內(nèi)電除塵器技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)。另外繞流式、氣流改向式、膜式、濕式電除塵器也在逐步發(fā)展［11］。

(2)針對布袋除塵器

對于布袋除塵器，其技術(shù)的核心在于濾料，其技術(shù)發(fā)展的核心也在于濾料的改進(jìn)［12］。具有較高過濾效果的濾料需要達(dá)到以下三方面的要求。除塵器的濾袋要采用能適應(yīng)不同工作狀況的優(yōu)質(zhì)濾料，同時也要注意濾料的加工質(zhì)量;要求具有強(qiáng)勁可靠的清灰機(jī)構(gòu)，控制設(shè)備阻力;具有完善合理的自動控制程序，保證除塵設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

美國環(huán)保署的環(huán)境技術(shù)認(rèn)證(Environmental Technology Verification，ETV)項目［12］曾對 ePTFE 覆膜濾料做過各方面的性能檢測，其中的一個檢測指標(biāo)就是PM 2.5的排放，在ETV檢測中，該覆膜濾料的 PM 2.5的出口濃度 0.016 7 mg/m3，低于我國PM2.5大氣環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)值(0.035 mg/m3)，甚至低于設(shè)備所能檢測到的極限值，是所有參檢的同類濾料里排放最低的。

同時，美國GE公司也對三種典型的濾料進(jìn)行了PM 2.5通透性試驗。這三種濾料為PC008(PPS氈料，微焦整理)、RY025(PPS/P84混合纖維，帶PTFE涂層)、QR003(PPS纖維，帶BHA－TEX(ePTFF)覆膜)。GE公司對布袋濾料試驗的結(jié)論為常規(guī)的針刺氈料對于PM 2.5有很好的脫除能力，ePTFF覆膜能極大程度降低可過濾顆粒的排放，對PM 2.5的排放要求很容易達(dá)到。但是運(yùn)行對脫除效率有很大的影響，覆膜濾料應(yīng)始終在一個相對恒定的差壓下運(yùn)行，以免細(xì)顆粒在膜下面的纖維上積聚起來。GE公司建議布袋除塵器可運(yùn)行在一個很窄的差壓窗口(12～25 mm水柱)，新的除塵器在建立起要求的差壓之前，不應(yīng)清灰。

由此可見，采用改進(jìn)的覆膜濾料進(jìn)行工業(yè)煙塵過濾，可有效控制PM 2.5等細(xì)微顆粒物的穿透，無論是在環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)方面，還是在消除PM 2.5等亞微粉塵的污染方面，為人類期望的清潔生產(chǎn)、健康生產(chǎn)都提供了可能。

(3)針對電袋復(fù)合除塵技術(shù)

對于電袋復(fù)合除塵技術(shù)，靜電除塵器后的煙氣中顆粒已經(jīng)很少，加上由于這些顆粒都帶有相同電荷而相互排斥，能在濾袋表面形成更多孔隙和凝并的顆粒層，從而過濾阻力較小，表面清灰容易，脈沖清灰時間增加，能耗降低，并且顆粒帶電又增強(qiáng)了粉塵層和纖維層對細(xì)顆粒的作用。

電袋復(fù)合除塵技術(shù)除了電除塵和袋式除塵各自改進(jìn)技術(shù)外，還需進(jìn)一步改進(jìn)電除塵和袋式除塵器在除塵過程的協(xié)同關(guān)系。

2.1.2 PM 2.5可凝結(jié)顆粒物控制技術(shù)改進(jìn)建議

由于 PM 2.5中一次可凝結(jié)顆粒主要來源是SO3，對于其治理，可以發(fā)展和推廣如下兩項技術(shù):

(1)濕式靜電除塵器(WESP)技術(shù)

WESP技術(shù)實現(xiàn)了高壓靜電除塵器濕化運(yùn)行的突破，對煙氣中的細(xì)微顆粒物和由SO3形成的硫酸霧均有很好的脫除效果，濕式靜電除塵可以發(fā)展為以控制細(xì)顆粒、SO3為目的的專用污控設(shè)備。

武漢龍凈環(huán)?？萍加邢薰荆?3］對現(xiàn)有的除塵技術(shù)進(jìn)行評估后發(fā)現(xiàn)，濕式電除塵器是相對實用高效且經(jīng)濟(jì)可行的控制 PM 2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠、重金屬、有機(jī)污染物的技術(shù)。煙塵排放濃度可達(dá)10 mg/m3甚至5 mg/m3以下。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了一些對電廠濕法脫硫(WFGD)系統(tǒng)前后顆粒物組成成分的研究。王琿等［14］進(jìn)行了濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中細(xì)顆粒物脫除作用的實驗研究，結(jié)果表明:WFGD對總飛灰顆粒物平均有74.5%的脫除效率，但對于粒徑小于2.5 μm的可吸入顆粒物的脫除效率并不高，并且隨著粒徑的減小脫除效率明顯下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，WFGD系統(tǒng)雖然可以有效降低總顆粒物濃度，但在某種程度上反而增加了超細(xì)顆粒物的排放量。

因此，針對濕法脫硫工藝，對一次可凝結(jié)顆粒物脫除效率低，且可能造成一次可凝結(jié)顆粒物排放量增加的問題，目前正在探索的解決方法是采用在吸收塔下游安裝濕式電除塵器，減少硫酸氣溶膠和微細(xì)粉塵的排放。

(2)發(fā)展聯(lián)合脫除技術(shù)

由于燃煤鍋爐現(xiàn)有的半干法脫硫技術(shù)對一次可凝結(jié)顆粒物的形成物SO3具有較好的脫除效果，可考慮濕法煙氣脫硫系統(tǒng)(WFGD)的上游安裝半干法煙氣脫硫系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 脫除一次可凝結(jié)顆粒物的聯(lián)合脫硫除塵系統(tǒng)

2.2 針對大氣二次顆粒物前驅(qū)物

持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展現(xiàn)有脫硫、脫硝技術(shù)及一體化聯(lián)合脫除技術(shù)，或進(jìn)一步研發(fā)新型更高效、節(jié)能經(jīng)濟(jì)型的技術(shù)，以實現(xiàn) SOx、NOx、NH3的進(jìn)一步嚴(yán)格控制。

3 結(jié)論

(1)工業(yè)鍋爐除塵及脫硫脫硝設(shè)備相對落后，應(yīng)該成為PM 2.5控制的重要對象。大力發(fā)展適合工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)承受能力的PM 2.5控制技術(shù)。

(2)覆膜濾料的布袋和電袋除塵器對PM 2.5具有良好的脫除效果。濕法脫硫系統(tǒng)由于吸收塔上部除霧器除霧能力及效果的限制，可能會造成PM 2.5的增加。

(3)對于現(xiàn)有除塵技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)。針對一次可過濾顆粒物，改進(jìn)電除塵技術(shù)(如極配方式的改進(jìn)、煙氣調(diào)質(zhì)、移動電極、高頻電源等)，并發(fā)展更高性能的電除塵技術(shù)(如繞流式、氣流改向式、膜式、濕式電除塵器等)。改進(jìn)袋式除塵技術(shù)(如改進(jìn)濾料等)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)，提高總煙塵脫除效率，以提高PM 2.5的脫除效率。針對一次可凝結(jié)顆粒物，大力改進(jìn)和發(fā)展?jié)袷诫姵龎m技術(shù)、干式脫硫和現(xiàn)有除塵技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)等。

(4)對于未來PM 2.5控制技術(shù)，快速發(fā)展專門針對PM 2.5脫除的煙塵凝聚技術(shù)，實現(xiàn)煙塵凝聚與電除塵相結(jié)合的PM 2.5高效脫除技術(shù)，同時快速研發(fā)PM 2.5燃燒過程中協(xié)同控制技術(shù)及更高性能的新型PM 2.5煙氣脫除技術(shù)。

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