燃煤工業(yè)鍋爐PM2．5 減排建議

張松松，王中偉，管堅，陳昊羽，杜 謙，高建民

(1．中國特種設備檢測研究院，北京 100029;2．中國能建黑龍江火電一公司，黑龍江 哈爾濱 150090;

3．哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

目前，我國出現(xiàn)大規(guī)模霧霾天氣，部分城市空氣質(zhì)量達到重度污染，而PM2．5是主要污染物之一，由于PM2．5顆粒直徑較小可進入人體肺泡，嚴重危害了居民的身體健康。工業(yè)鍋爐是重要熱能動力設備，截止到2013 年，我國工業(yè)鍋爐數(shù)量已經(jīng)超過63 萬臺，占我國鍋爐總數(shù)量的98%以上，在大氣PM2．5源分析中占有重要比例［1］。

目前許多學者對PM2．5做了大量研究工作，屈成銳等利用ELPI 儀器測試燃燒徐州煙煤的管式爐在不同O2/CO2氣氛下PM2．5的排放特性，發(fā)現(xiàn)PM2．5產(chǎn)生的質(zhì)量濃度在不同的O2/CO2燃燒氣氛下均呈現(xiàn)雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在0．1 ～0．2 μm 處，并隨O2含量的增加有上升趨勢［2］;徐飛、駱仲泱等人對一臺440 t/h 的循環(huán)流化床鍋爐開展測試，發(fā)現(xiàn)靜電除塵器(ESP)前生成的顆粒物PM1、PM2．5的質(zhì)量百分比在加入石灰石添加劑后分別由0． 92%、3.37%下降到0．58%、1．70%，說明石灰石添加劑對顆粒物的凝并和團聚有一定的促進作用［3］。對工業(yè)鍋爐PM2．5產(chǎn)排特性進行深入詳細的研究，減少工業(yè)鍋爐PM2．5的排放，提高我國大氣環(huán)境質(zhì)量有重要意義。

1 PM2．5的危害與成分分析

1．1 PM2．5的危害

PM2．5即空氣動力學直徑小于或等于2．5 μm 的顆粒，由于顆粒粒徑較小可進入人體肺泡，又稱可入肺顆粒物。文獻研究表明PM2．5顆粒比表面積較大，顆粒表面易附著致病病菌，對人體危害程度大于較大顆粒物［4－5］。殷永文等統(tǒng)計了上海市霧霾天氣PM2．5與PM10濃度與醫(yī)院呼吸病就診人數(shù)的相關性，當PM10日均濃度每增加50 μg/m3，呼吸科看病人數(shù)上升3%，兒童呼吸科看病人數(shù)上升0．5%，當PM2．5日均濃度每增加34 μg/m3，呼吸科和兒童呼吸科就診人數(shù)上升比例分別為3．2%和1．9%［6］;PM2．5顆粒屬于飄塵，對可見光散射消光影響較大，當空氣中PM2．5的 濃 度 達 到0． 5 μg/m3時，能 見 度 下 降80.8%，且具有“陽傘效應”，是引起城市霧霾的重要污染物。

我國新執(zhí)行的《環(huán)境控制質(zhì)量標準》已經(jīng)將PM2．5濃度納入空氣質(zhì)量評價標準，部分城市PM2．5監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴重超過二級標準年均值35 μg/m3和日均75 μg/m3的要求，因此減少PM2．5源排放已是一項十分重要的任務。

1．2 PM2．5的成分分析

PM2．5顆?；瘜W成分復雜，幾乎包含元素周期表所有元素，涉及30 000 種以上有機和無機化合物(包括硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、有機物、炭黑、重金屬等)。徐敬等采用離子色譜儀分析北京地區(qū)PM2．5中離子含量，發(fā)現(xiàn)含量較多的為SO42－、NO3－、和NH4

+［7］。清華大學楊復沫等在車公莊和清華園同步采樣并做全樣品分析，發(fā)現(xiàn)含碳組分與水溶性離子質(zhì)量濃度之和超過50%，有機碳、元素碳與PM2．5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)冬季最高、夏季最低的季節(jié)變化規(guī)律［8］。

2 PM2．5源分析

不同城市之間存在氣候、溫度、濕度不同等環(huán)境條件差異，其PM2．5源分析貢獻率也有所不同。黃曉鋒等發(fā)現(xiàn)二次硫酸鹽和硝酸鹽生成、機動車尾氣、生物質(zhì)燃燒是深圳市區(qū)大氣中PM2．5的最主要來源，貢獻率分別為39．3%、26．9%、9．8%，高氯源、重油燃燒、海鹽、揚塵和冶金貢獻率分別在2% ～4%［9］;高申等采用銀子分析法和富集因子法對包頭市東河區(qū)PM2．5來源分析，發(fā)現(xiàn)建筑水泥塵/土壤風沙塵、工業(yè)粉塵/燃煤粉塵的方差貢獻率分別為54． 03%、29.98%［10］。

3 工業(yè)燃煤鍋爐運行現(xiàn)狀及PM2．5產(chǎn)生

3．1 工業(yè)燃煤鍋爐運行狀況

我國大多數(shù)燃煤工業(yè)鍋爐容量較小，單臺平均容量為3．8 t/h，存在部分鍋爐老化嚴重、自動化水平較低、鍋爐負荷裕度過大、燃料匹配性較差、環(huán)保設備落后等特點，鍋爐運行平均熱效率僅為65%，較發(fā)達國家低15 個百分點左右，導致排放的飛灰中含有大量的炭黑粒子［11］，增加了固體不完全燃燒損失與PM2．5一次顆粒物的產(chǎn)生。大量在用工業(yè)鍋爐脫硫脫硝設備落后、脫除效率較低，排放到大氣的SO2、NOx 及VOC 等氣體增加了PM2．5二次顆粒物的排放。

3．2 工業(yè)燃煤鍋爐PM2．5產(chǎn)生狀況

我國燃煤工業(yè)鍋爐以層燃爐和流化床鍋爐為主，存在區(qū)域高強度、低空排放的特點。層燃爐產(chǎn)生的PM2．5以氣化凝結、殘灰粒子及未完全燃燒形成的炭黑粒子等機理生成，粒數(shù)濃度為107個/cm3左右，質(zhì)量濃度一般在200 mg/cm3以下;流化床鍋爐入爐煤顆粒經(jīng)歷一次破碎、二次破碎、磨損等過程產(chǎn)生大量的亞微米顆粒，由于入爐燃料添加的脫硫劑石灰石為氣化凝結形成的細小顆粒物提供了一個可附著的場所，流化床鍋爐產(chǎn)生的PM2．5顆?？偭?shù)濃度偏小為5 ×106個/cm3左右，大顆粒粒數(shù)濃度較大，使得總質(zhì)量濃度偏大在1 000 ～2 000 mg/cm3范圍內(nèi)。

4 不同除塵設備對PM2．5脫除現(xiàn)狀

利用荷電低壓顆粒撞機器在6 臺不同型號的除塵器前、后測試煙氣中PM2．5顆粒的質(zhì)量濃度，結果如表1 所示。

測試方法按照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》GB/T 16157 －1996 和《固定源廢氣監(jiān)測技術規(guī)范》HJ/T 397 －2007 執(zhí)行。由表1 可看出，對PM2．5除塵效率最高的為電袋聯(lián)合除塵器達到99． 83%，布袋除塵器除塵效率為99.81%，除塵效率最低的為管旋風除塵器和水膜除塵器，除塵效率均在50%以下，多管旋風與沖擊水浴復合除塵器除塵效率高于單一水膜除塵器或多管旋風除塵器。目前，我國燃煤工業(yè)鍋爐除塵設備以對PM2．5顆粒脫除效率較低的水膜除塵器和旋風除塵器為主，除塵效率較高的布袋除塵器、電袋聯(lián)合除塵器由于運行成本較高等問題僅在少量鍋爐機組中采用。

表1 不同除塵器PM2．5顆粒質(zhì)量濃度及除塵效率

尾部煙道設立的濕法脫硫裝置(WFGD)對PM2．5有一定的脫除作用，部分顆粒物通過布朗擴散運動、與噴淋液的碰撞和攔截作用被捕集，而霧滴中含有的石灰石顆粒和煙氣中二氧化硫形成的二次顆粒物被干燥和水溶性物質(zhì)結晶析出，除霧器不能將霧滴中的顆粒全部去除，導致WFGD 后亞微米顆粒物粒數(shù)濃度有所升高，PM2．5總質(zhì)量濃度有所下降。

部分鍋爐煙氣凈化裝置尾部加設濕式靜電除塵器(WESP)，可有效脫除煙氣中的細小顆粒物和由SO3形成的硫酸霧，武漢龍凈環(huán)?？萍加邢薰景l(fā)現(xiàn)，WESP 可有效降低PM2．5、氣溶膠顆粒、硫酸霧排放濃度，煙塵排放濃度最低可減少至5 mg/m3［11］。

5 燃煤工業(yè)鍋爐PM2．5減排建議

隨著工業(yè)鍋爐節(jié)能技術監(jiān)督的加強與《鍋爐大氣污染物排放標準》的發(fā)布，新建燃煤工業(yè)鍋爐采用大量新型節(jié)能環(huán)保措施，煙塵排放濃度有了較大的降低。在用燃煤工業(yè)鍋爐技術裝備相對落后，輔機匹配較差，消耗大量燃料的同時增加了飛灰的排放，采用單一老式的機械除塵器已經(jīng)不能滿足新的排放濃度限值80 mg/m3，建議淘汰落后環(huán)保設備，采用多種除塵器聯(lián)合除塵或采用除塵效率較高的靜電除塵器、布袋除塵器、電袋聯(lián)合除塵器，或在煙道尾部加設濕式靜電除塵器進一步除塵。另外也可通過以下措施減少PM2．5的排放:

(1)在用工業(yè)鍋爐系統(tǒng)能效提升具有較大潛力，若將我國燃煤工業(yè)鍋爐平均運行效率提高10 個百分點，每年可節(jié)約6 000 萬t 標準煤，推廣高效節(jié)能環(huán)保裝置在燃煤工業(yè)鍋爐中的改造，提高鍋爐系統(tǒng)自動化水平，完善鍋爐輔機匹配，杜絕“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，加強運行人員培訓管理，提升鍋爐運行熱效率，節(jié)約能源的同時也可顯著減少污染物的排放。

(2)建立地區(qū)煤炭洗、選、配、制備中心，集中調(diào)配燃料，降低煤種雜質(zhì)、灰分、硫含量，減少與鍋爐設計煤種偏差，減少飛灰與NOx、SO2的生成。

(3)安裝脫硫脫硝裝置，提高脫硫脫硝裝置運行效率，降低NOx、SO2排放濃度，減少二次顆粒物的生成。

(4)推廣天然氣等清潔能源的使用，提高高效燃氣鍋爐的市場占有比例，推廣煤改氣工程，降低PM2．5一次顆粒物的產(chǎn)生、排放。

6 結論

(1)PM2．5成分復雜，有機碳、元素碳與水溶性離子含量較高，部分元素與PM2．5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)季節(jié)變化規(guī)律。由于環(huán)境條件的差異，不同城市PM2．5源成分及貢獻率有區(qū)別。

(2)我國燃煤工業(yè)鍋爐運行效率較低、環(huán)保設備落后，增加了一次顆粒物與二次顆粒物的排放。工業(yè)流化床鍋爐產(chǎn)生的PM2．5粒數(shù)濃度較層燃鍋爐低，質(zhì)量濃度較層燃鍋爐高。

(3)電袋聯(lián)合除塵器與布袋除塵器對PM2．5除塵效率較高，水膜除塵器與多管旋風除塵器效率普遍低于50%，多種除塵器聯(lián)合除塵效率高于單種除塵器;濕法脫硫裝置可降低PM2．5質(zhì)量濃度，尾部加設濕式靜電除塵器可進一步降低PM2．5含量。建議采用除塵效率較高的電袋聯(lián)合除塵器、布袋除塵器、靜電除塵器，淘汰單一老式機械除塵器，推廣高效節(jié)能裝備及脫硫脫硝裝置，提高鍋爐運行效率，減少煙塵及NOx、SO2及VOC 氣體的排放，降低PM2．5一次顆粒物的直接排放與二次顆粒物的轉(zhuǎn)化。

(4)提高鍋爐運行效率、提高煤種匹配性、提高脫硫脫硝裝置運行效率、推廣燃氣鍋爐和實施煤改氣工程可減少PM2．5的排放。

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