燃煤電廠PM2.5減排及檢測技術(shù)

孫冬冬，王 鑫，李光日，賴云飛

（吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021）

隨著我國火電裝機(jī)容量逐年增加，火力發(fā)電廠PM2.5 排放問題越來越受到關(guān)注，我國將從2016年1月1日起實施GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其中增加了PM2.5的24h平均值和年平均值標(biāo)準(zhǔn)。PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5μm 的顆粒物，其表面吸附大量有毒、有害物質(zhì)，長期吸入細(xì)顆粒物污染空氣可造成肺部及其他系統(tǒng)損傷［1－2］。燃煤電廠排放的煙氣是我國PM2.5的重要來源之一［3］。電廠煤燃燒產(chǎn)生的煙塵主要來源于煤中灰分，煤粉越細(xì)，燃燒后產(chǎn)生的飛灰越細(xì)，煙塵中細(xì)小顆粒物含量就會越高，PM2.5的含量也隨之增高［4］。傳統(tǒng)的環(huán)保設(shè)施對PM2.5的去除能力較弱，不能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，因此，進(jìn)一步加強(qiáng)煙氣治理設(shè)施的改造以控制PM2.5的排放，開展對燃煤電廠PM2.5排放特性和減排治理的研究，對改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量有著重要意義。

1 除塵設(shè)施對PM2.5的脫除效果

1.1 現(xiàn)有除塵設(shè)施

PM2.5的粒數(shù)濃度取決于PM1.0，更主要取決于PM0.38，也就是說，PM2.5主要由細(xì)模態(tài)顆粒物組成［5］。目前，我國燃煤電廠環(huán)保設(shè)施主要有脫硝裝置、除塵裝置和脫硫裝置。除塵裝置主要有電除塵器、袋式除塵器和電袋除塵器3種。3 種除塵裝置對PM2.5的去除率均達(dá)到90%以上，其中袋式除塵器和電袋除塵器對PM2.5的去除率達(dá)到98%以上，但除塵器對煙氣中組成PM2.5的細(xì)模顆粒物PM1.0和PM0.38的去除率不高［6］。

1.2 雙極靜電凝聚技術(shù)

雙極靜電凝聚技術(shù)是近年提出的一種可以提高除塵器除塵效率，降低細(xì)微顆粒物排放的技術(shù)。所謂雙極荷電區(qū)就是正負(fù)電極相間，氣流通過雙極荷電區(qū)使粉塵顆粒荷不同電荷，然后進(jìn)入凝聚區(qū)，帶正電粒子和帶負(fù)電粒子在湍流運輸和靜電力作用下碰撞凝聚，小顆粒粗大化變成大顆粒后進(jìn)入除塵器內(nèi)部，粗大化的粒子更易于被收集［7］。雙極荷電湍流凝聚技術(shù)則是對雙極電凝聚技術(shù)和湍流凝聚技術(shù)的有效整合，除了對含塵氣體進(jìn)行荷電處理，還通過擾流技術(shù)使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產(chǎn)生速度或方向差異而有效凝聚，更加有利于除塵器收集細(xì)微顆粒粉塵，這種技術(shù)對粉塵的凝聚效果好于單純的雙極電凝聚技術(shù)［8］。

1.3 濕式電除塵技術(shù)

根據(jù)美國等發(fā)達(dá)國家治理PM2.5的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，濕式電除塵器對PM2.5的脫除效果良好，可達(dá)95%以上。濕式電除塵器的工作原理是：金屬放電線在直流高壓電的作用下將周圍氣體電離，荷電粉塵在電場力的作用下向集塵極運動并沉積，水流從集塵板頂部留下，在集塵板形成一層均勻水膜，集塵板上的粉塵被沖刷到灰斗中隨水排出。濕式電除塵和干式電除塵技術(shù)工作原理相同，都是利用電暈放電使氣體電離進(jìn)而使粉塵荷電并在電場力的作用下，將粉塵從氣體中分離出來。不同的是，干式電除塵采用的是機(jī)械振打或聲波清灰等方式，而濕式電除塵是采用沖刷液沖洗電極。濕式電除塵器避免了高比電阻粉塵及尾部二次飛揚對除塵效果的影響，可達(dá)到很高的除塵效率。另外，濕式電除塵器對SO3酸霧和汞等重金屬的脫除效果也很好［9］。濕式電除塵技術(shù)是當(dāng)前國際領(lǐng)先的除塵環(huán)保技術(shù)，在歐美發(fā)達(dá)國家有數(shù)百個項目應(yīng)用濕式電除塵技術(shù)有效去除了煙氣中PM2.5粉塵。

濕式電除塵器也存在一些問題：進(jìn)入實施電除塵器的煙氣溫度應(yīng)低于沖刷液飽和溫度，否則會使粉塵顆粒干燥形成污染物，因此結(jié)構(gòu)上必須采取良好的防結(jié)露措施；在高粉塵濃度或高SOx的條件下，不宜采用濕式電除塵；需要設(shè)置廢水處理設(shè)備；濕式電除塵器的各主要部件需要選取抗腐蝕材料。當(dāng)濕式電除塵器安裝在濕法脫硫裝置后時，這些問題均可得到解決［10］。目前大部分燃煤電廠都采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝，也為濕式電除塵技術(shù)在電廠的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。

若采用垂直煙氣流與濕法脫硫系統(tǒng)整體式設(shè)計的濕式電除塵裝置，在傳統(tǒng)濕法脫硫裝置除霧器位置安裝濕式電除塵裝置，經(jīng)過該裝置處理后的煙氣無需通過提高煙溫來防止煙囪腐蝕和“石膏雨”的形成，而采用水平煙氣流和垂直煙氣流獨立設(shè)計則需要專門的布置空間。

2 脫硫裝置對PM2.5的脫除效果

2.1 石灰石－石膏濕法脫硫技術(shù)

燃煤機(jī)組脫硫裝置一般采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝，系統(tǒng)雖然能降低煙氣中的粉塵濃度，在某種程度上反而增加超細(xì)顆粒物的排放量。這些超細(xì)顆粒物是由于煙氣中攜帶的小液滴含有溶解鹽和固相物質(zhì)，煙氣經(jīng)過換熱器或采樣檢測裝置加熱后析出［11］，因此，建議改善除霧器構(gòu)造，減小煙氣含濕量。濕法脫硫工藝對煙氣中的SO2有很高的去除率，但對SO3的去除率不高，主要由于SO3與水反應(yīng)生成H2SO4氣溶膠，這些氣溶膠能夠穿過脫硫塔噴淋層和除霧器。濕法脫硫裝置排煙溫度相對較低，使得排煙中的SO3主要以氣溶膠形式存在，這些硫酸氣溶膠又會和大氣中的其他污染物反應(yīng)生成二次細(xì)顆粒物，增加空氣中PM2.5的含量［12］。濕法脫硫后再進(jìn)行濕式電除塵，可有效控制煙氣中PM2.5煙塵、汞等重金屬和SO3酸霧。

2.2 干法脫硫技術(shù)

干法脫硫技術(shù)中SO3直接與堿性吸收劑反應(yīng)，SO3的去除率一般可達(dá)90%以上，脫硫后煙氣露點也大大降低，煙氣中SO3不會生成氣溶膠；同時，排煙溫度高于煙氣水露點溫度，也減緩了煙道和煙囪腐蝕，因此，干法脫硫技術(shù)對減小煙氣中SO3造成的PM2.5空氣污染問題效果明顯，但干法脫硫技術(shù)脫硫效率相對較低，不能滿足燃煤電廠煙氣脫硫的環(huán)保要求。

3 燃煤電廠采樣方法

燃煤電廠排放的PM2.5可采用濾膜重量法進(jìn)行檢測，PM2.5一部分來自煙氣中的細(xì)微顆粒，一部分來自于火電廠燃煤排放到大氣中的SOx和NOx，其發(fā)生均相或非均相氧化反應(yīng)生成的硫酸根、硝酸根等形成的水溶性氣溶膠，前者又包括直接以固態(tài)（或液態(tài)）形式排出的超細(xì)顆粒物和以氣態(tài)或蒸汽形式排出的可凝結(jié)顆粒物。針對這2 種來源的PM2.5，分別采用直接采樣法和稀釋采樣法。直接采樣法可測定一次排放的PM2.5，稀釋采樣法可測定總PM2.5，二者之差則為可凝結(jié)PM2.5［13］。

3.1 直接采樣法

燃煤電廠排放PM2.5的直接采樣法，是將采樣器直接伸入煙道對一次固態(tài)顆粒物進(jìn)行捕集，應(yīng)用較多的為慣性撞擊分級器采樣器。當(dāng)含顆粒物的氣體以一定速度從噴嘴內(nèi)噴出后，顆粒獲得了一定的慣性，粒徑大于沖擊式采樣器切割粒徑的粒子因慣性大，可以滑過氣流而撞擊在捕集板上沉積下來；而慣性小的顆粒，將隨著氣流流線運動，被捕集在濾膜上，實現(xiàn)了不同粒徑顆粒物的分離與采集。這種方法是適用于煙氣中不含液滴的條件，并且采樣溫度不高于260℃。慣性撞擊分級器一般可將煙氣中顆粒物切割為PM2.5、PM10及TSP（總懸浮顆粒物）三個等級，主要通過濾膜前后質(zhì)量差和采樣體積來確定煙氣中PM2.5濃度。值得注意的是，濾膜并不能捕集到采集煙氣中的全部粉塵，仍然會有粒徑極小的顆粒物穿過濾膜。只要濾膜對大于0.38μm的顆粒物有99%以上的截留率，損失的那部分極小的顆粒物就可以忽略不計，因為對PM2.5總質(zhì)量影響不大［14－15］。

3.2 稀釋采樣法

稀釋采樣法是將高溫?zé)煔庠谙♂屚ǖ烙脻崈舻目諝膺M(jìn)行稀釋，并冷卻到大氣環(huán)境溫度，稀釋冷卻后的采樣氣體進(jìn)入煙氣駐留室，停留一段時間后被捕集，模擬煙氣排放到大氣中放入稀釋、冷卻、凝結(jié)等過程，被捕集的顆粒物包括一次固態(tài)顆粒物和一次凝結(jié)顆粒物［16］。

4 結(jié)束語

我國目前缺乏PM2.5監(jiān)測方法，應(yīng)借鑒國外較為成熟的PM2.5測試經(jīng)驗，致力于燃煤電廠排放的PM2.5監(jiān)測方法研究，開發(fā)相關(guān)檢測儀器，為燃煤電廠PM2.5減排研究提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

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