燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的排放特征和控制現(xiàn)狀

武亞鳳，陳建華*，鐘連紅，張國(guó)寧

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100012 2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037

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燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的排放特征和控制現(xiàn)狀

武亞鳳1，陳建華1*，鐘連紅2*，張國(guó)寧1

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京 100012 2.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037

從來源解析的角度來看，燃煤鍋爐是我國(guó)環(huán)境空氣中細(xì)顆粒物的主要一次排放源之一。為了解和掌握我國(guó)燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的排放特征和控制現(xiàn)狀，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外已有研究成果中燃煤鍋爐煙氣細(xì)顆粒物的粒徑譜分布特征、組分特征、排放形式及可能的影響因素；綜述了目前我國(guó)除塵裝置對(duì)燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的去除率及其針對(duì)性的技術(shù)改進(jìn)狀況；對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外固定污染源排放的管理現(xiàn)狀以及細(xì)顆粒物的采樣方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。針對(duì)目前研究和管理過程中存在的不足，提出以下建議：1)從源頭控制的角度對(duì)燃煤鍋爐產(chǎn)生和排放的細(xì)顆粒物粒徑分布及形成機(jī)制進(jìn)一步加強(qiáng)研究，將減少燃煤鍋爐一次可凝結(jié)顆粒物和二次細(xì)顆粒物前驅(qū)物的排放作為今后的研究目標(biāo)；2)加強(qiáng)區(qū)域性燃煤鍋爐煙氣細(xì)顆粒物組分特征的研究；3)加快高效除塵技術(shù)的發(fā)展，尤其應(yīng)大力發(fā)展工業(yè)燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)實(shí)用細(xì)顆粒物控制技術(shù)；4)對(duì)細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物粒數(shù)濃度的研究和管理政策給予足夠的重視；5)建議相關(guān)管理部門制訂合理的固定污染源細(xì)顆粒物標(biāo)準(zhǔn)采樣方法和排放限值。

燃煤鍋爐；細(xì)顆粒物；粒徑分布；組分特征；控制現(xiàn)狀；采樣方法

近年來我國(guó)城市環(huán)境空氣質(zhì)量不容樂觀，尤其是在污染物排放量相對(duì)較大的冬季，再加上不利的氣象條件，北京等城市頻繁被迫發(fā)出紅色預(yù)警。從源排放角度來看，燃煤特別是原煤散燒和中小鍋爐的排放為首要污染源[1]。

我國(guó)燃煤鍋爐主要包括工業(yè)燃煤鍋爐和電廠燃煤鍋爐。其中工業(yè)燃煤鍋爐以10 t/h及以下的小容量鍋爐為主，其量大面廣，呈單臺(tái)鍋爐容量小的鍋爐島效應(yīng)[2]，給實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)管、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)帶來一定困難。目前我國(guó)電廠燃煤鍋爐多以“上大壓小”的政策進(jìn)行建設(shè)，部分新建電廠燃煤鍋爐后續(xù)采用國(guó)際先進(jìn)的低低溫靜電除塵加高效脫硫除塵裝置，更好地實(shí)現(xiàn)電廠顆粒物低濃度排放。但從機(jī)組規(guī)模影響來看，單臺(tái)容量在300 MW以上的燃煤機(jī)組仍是細(xì)顆粒物的主要貢獻(xiàn)源。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)表明[3]，2011—2014年我國(guó)煙(粉)塵排放量分別為1 278.83萬(wàn)、1 235.77萬(wàn)、1 278.14萬(wàn)和1 740.75萬(wàn)t，可見2014年我國(guó)煙(粉)塵排放量驟然增加。重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)[4]，2010年我國(guó)煙(粉)塵排放量為1 446.1萬(wàn)t，已遠(yuǎn)超出環(huán)境承載能力，然而2014年的排放量不降反升。2014年北京市PM2.5來源解析表明，在本地污染貢獻(xiàn)中燃煤源占22.4%，排第二[5]，從某種程度上反映了我國(guó)對(duì)工業(yè)企業(yè)燃煤鍋爐顆粒物的排放管理力度仍不夠。因此，控制燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的排放對(duì)控制我國(guó)大氣環(huán)境污染和制訂科學(xué)合理的治理措施具有極其重要的意義。

近10多年，科研人員開始逐步從空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分級(jí)角度去分析燃煤鍋爐產(chǎn)生和排放特定粒徑段下顆粒物粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度，可更好地分析除塵器針對(duì)不同粒徑段顆粒物的脫除效率。為從源頭控制角度科學(xué)合理地改善環(huán)境空氣質(zhì)量，筆者從粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度2個(gè)角度綜述了燃煤鍋爐產(chǎn)生和排放的不同粒徑段顆粒物粒徑譜分布特征、燃煤鍋爐排放的細(xì)顆粒物組分特征以及燃煤鍋爐細(xì)顆粒物的排放形式和可能的形成機(jī)制；目前我國(guó)除塵裝置對(duì)燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的捕集效率及其技術(shù)發(fā)展；國(guó)內(nèi)外針對(duì)固定污染源特別是燃煤鍋爐排放煙氣中PM2.5、PM10排放管理政策以及固定污染源煙氣細(xì)顆粒物的采樣方法。

1 燃煤鍋爐細(xì)顆粒物的產(chǎn)生和排放特征

1.1 粒徑分布特征

國(guó)內(nèi)外針對(duì)燃煤鍋爐產(chǎn)生和排放的PM10、PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度譜分布已有初步研究成果：PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度呈單峰分布，質(zhì)量濃度峰值一般分布在粒徑為0.08～0.25 μm，粒數(shù)濃度峰值一般出現(xiàn)在0.04～0.30 μm[6]。但也有部分現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，燃煤鏈條爐排放的PM2.5質(zhì)量濃度在大于1 μm處出現(xiàn)第2個(gè)峰值，即呈雙峰分布[7]，針對(duì)此現(xiàn)象目前尚無(wú)科學(xué)合理的解釋，僅假設(shè)性地進(jìn)行了初步推斷。目前普遍認(rèn)為燃煤鍋爐產(chǎn)生和排放的PM10質(zhì)量濃度呈雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在亞微米模態(tài)和粗模態(tài)。亞微米模態(tài)顆粒物主要是無(wú)機(jī)物通過氣化凝結(jié)機(jī)理形成；粗模態(tài)顆粒物主要通過破碎及后續(xù)的灰塵顆粒物表面凝聚形成[8]。但部分燃煤工業(yè)鍋爐測(cè)試結(jié)果表明，在亞微米模態(tài)或粗模態(tài)粒徑段沒有出現(xiàn)明顯峰值，目前對(duì)此的解釋為測(cè)量技術(shù)的限制[7-8]。另外，有學(xué)者在研究煤粉爐產(chǎn)生的顆粒物分布特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，PM10質(zhì)量濃度譜出現(xiàn)三峰分布，但形成機(jī)制尚不明確[9-11]。Ehrlich等[12]對(duì)德國(guó)部分地區(qū)不同工業(yè)過程進(jìn)行了排放測(cè)試以確定廢氣中PM10、PM2.5、PM1.0分布情況，結(jié)果表明：70%的工廠以及鍋爐排放的總顆粒物中PM10占90%以上；PM2.5占50%～90%；在熱工業(yè)過程，PM1.0占總顆粒物的20%～60%。我國(guó)針對(duì)不同類型、不同噸位燃煤鍋爐出口PM1.0、PM2.5、PM10占總顆粒物比例的研究較少，研究結(jié)果也不盡相同。

1.2 組分特征

細(xì)顆粒物是燃煤鍋爐排放的一種大氣污染物，作為其組成部分——元素、水溶性離子、OC/EC等對(duì)大氣環(huán)境和人體健康均產(chǎn)生一定的影響。Cheng等[13]采用掃描電子顯微鏡(SEM)與X射線能量色散分析儀對(duì)燃煤鍋爐產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明：顆粒物富含的主要元素為Si、S、K、Ca、Ti和Fe；其中Ca元素通常以CaO的形式存在；Fe元素主要以Fe3O4、Fe2O3以及γ-Fe2O3的形式存在。Zhang等[14]研究表明：燃煤電廠排放的顆粒物中主要的化學(xué)成分包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO；一般Fe2O3、CaO、MgO、P2O5更容易富集于細(xì)顆粒物中，而SiO2、Al2O3、Na2O相對(duì)易富集于粗顆粒物中。事實(shí)上CaO、MgO的濃度與燃煤種類密切相關(guān)[15]。Natusch等[16]研究表明：一些痕量重金屬元素，如As、Sb、Cd、Cr、Pb、Ni、Se、Ti和Zn等優(yōu)先富集于燃煤電廠排放的細(xì)顆粒物中，而這些攜帶有毒重金屬的細(xì)顆粒物相對(duì)容易穿透常規(guī)的顆粒物控制裝置，從而排放到大氣環(huán)境中。以鋁元素〔富集因子(EF)=1〕作為參考元素，根據(jù)在細(xì)顆粒物中的EF可以將痕量元素分為3類：EF=1，包括Nb、Sr、Fe、Rb等；EF>1，包括Pb、Mo、As、Zn、Sb、Cu等；EF<1，包括Zr。其中EF>1表示該痕量元素在細(xì)顆粒物中具有富集性[17-18]。

馬召輝等[25]研究表明：北京市電廠燃煤鍋爐排放的PM2.5中OC所占比例為8.56%，燃煤供熱工業(yè)鍋爐排放的PM2.5中OC相對(duì)較高，約占11.00%，這2類燃煤源排放的PM2.5中EC所占比例均相對(duì)較低，為0.1%～1.0%；其他城市如Colorado、Texas、杭州的電廠燃煤鍋爐排放的PM2.5中OC所占比例分別為2.6%、10.3%和3.4%，EC所占比例分別為1.17%、2.75%和6.70%；Colorab、Texas城市燃煤供熱工業(yè)鍋爐排放的PM2.5中OC所占比例分別為2.24%和62.85%，EC所占比例分別為8.08%和2.72%?？梢姴煌瑓^(qū)域同一類燃煤源排放的PM2.5中化學(xué)組分差異較大。

1.3 排放形式

2 我國(guó)燃煤鍋爐細(xì)顆粒物排放的控制現(xiàn)狀及除塵器的技術(shù)發(fā)展

2.1 控制現(xiàn)狀

截至2015年底，全國(guó)在用鍋爐數(shù)量達(dá)63.89萬(wàn)臺(tái)，其中工業(yè)燃煤鍋爐約50萬(wàn)臺(tái)，占78.25%[32]。我國(guó)工業(yè)燃煤鍋爐使用的大氣污染控制設(shè)施尚待改進(jìn)，通常顆粒物凈化方面主要使用旋風(fēng)除塵器和濕式除塵器，10 th及以上的工業(yè)鍋爐多采用麻石水膜除塵器[33]，部分循環(huán)流化床鍋爐使用電除塵器和布袋除塵器。我國(guó)電廠燃煤鍋爐已普遍使用高效靜電除塵器，并在其下游安裝濕法脫硫裝置[34-35]。目前，我國(guó)燃煤鍋爐配備的除塵器對(duì)煙氣中細(xì)顆粒物的去除率為布袋除塵器>靜電除塵器>水膜除塵器>旋風(fēng)除塵器[6]。布袋除塵器和靜電除塵器對(duì)PM2.5的去除率分別為99.6%[36]、96.75%～99.16%[37]。靜電除塵器的除塵效率隨顆粒物粒徑的減小逐漸下降，對(duì)亞微米模態(tài)顆粒物的去除率不足90%[38]。水膜除塵器和旋風(fēng)除塵器對(duì)PM2.5去除率較低，分別為37.5%～62.5%和10%～65.1%[6-7,9]。傳統(tǒng)的除塵方式已很難滿足鍋爐煙氣中PM10尤其是PM2.5的污染控制，除塵后煙氣中的細(xì)顆粒物濃度仍然很高，經(jīng)過除塵效率相對(duì)較高的靜電除塵器+濕法脫硫，PM2.5占顆粒物總排放量的64.1%[36]?？紤]到空氣質(zhì)量和人體健康，應(yīng)加快除塵裝置的技術(shù)開發(fā)，為制訂合理的排放標(biāo)準(zhǔn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

以燃煤電廠為例，不同電廠采用的除塵設(shè)備及除塵效率見表1。采用多電場(chǎng)靜電除塵器的原因是燃煤電廠排煙量較大，單電場(chǎng)靜電除塵器容易造成收塵板過載，而影響除塵效果。除塵器進(jìn)出口PM10粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布見圖1和圖2。

表1 部分電廠燃煤鍋爐除塵效率[39]2

圖1 不同電廠除塵器進(jìn)出口PM10粒數(shù)濃度分布[39]4Fig.1 Number size distribution of PM10 at the inlet and outlet of the dust removers

圖2 不同電廠除塵器進(jìn)出口PM10質(zhì)量濃度分布[39]4Fig.2 Mass size distribution of PM10 at the inlet and outlet of the dust removers

從表1、圖1和圖2可以看出，靜電除塵器和布袋除塵器對(duì)總顆粒物的去除率較高，對(duì)細(xì)顆粒物的去除率相對(duì)較低；各電廠排放的粒徑小于1 μm的顆粒物經(jīng)除塵裝置后其粒數(shù)濃度呈不同下降趨勢(shì)，但布袋除塵器對(duì)該粒徑段顆粒物的去除率較靜電除塵器更高。

對(duì)比圖1和圖2可知，除塵器出口細(xì)顆粒物的質(zhì)量濃度已相對(duì)較低，但其粒數(shù)濃度卻很高。為進(jìn)一步了解除塵器前后細(xì)顆粒物的粒數(shù)濃度變化，易紅宏等[39]對(duì)電廠3電除塵器前后PM1.0、PM2.5、PM10的粒數(shù)濃度進(jìn)行在線測(cè)試分析，結(jié)果表明：除塵前后PM1.0、PM2.5、PM10粒數(shù)濃度降幅均偏小，由107cm-3量級(jí)降到106cm-3；除塵后PM1.0、PM2.5粒數(shù)濃度分別占PM10的比例有所增加。而在環(huán)境受體中，從粒數(shù)濃度角度分析，超細(xì)顆粒物(粒徑小于100 nm)是城市大氣顆粒物的主體，北京城市大氣中超細(xì)顆粒物的粒數(shù)濃度(粒徑3～100 nm)占顆粒物(粒徑3 nm～10 μm)的76%[40]。因此，只關(guān)注固定污染源排放的總顆粒物質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，針對(duì)細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物，粒數(shù)濃度更能反映其排放對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人體健康的危害程度[41]。

另外，不同除塵設(shè)備不同影響因素共同作用下，一般在粒徑為0.1～1 μm內(nèi)會(huì)出現(xiàn)除塵效率最低點(diǎn)[6,39,42-43]，即顆粒物穿透率最高點(diǎn)[44]。如隋建才等[45]采用三電場(chǎng)靜電除塵器和水膜除塵器分別對(duì)100和50 MW的燃煤鍋爐所排放的煙氣進(jìn)行污染控制，結(jié)果表明，在粒徑為0.1～1 μm內(nèi)除塵率相對(duì)較低，水膜除塵器在此粒徑范圍內(nèi)的除塵率約為50%。

2.2 技術(shù)發(fā)展

近年來，我國(guó)工業(yè)鏈條鍋爐顆粒物控制方式開始逐步采用脫硫除塵一體化，循環(huán)硫化床煙氣控制方式多為靜電除塵+濕法脫硫或電袋復(fù)合除塵器+濕法脫硫。

我國(guó)80%以上的燃煤電廠都配備有靜電除塵裝置，且多在靜電除塵器后安裝濕法脫硫裝置，部分燃煤電廠在濕法脫硫后安裝濕電除塵器。靜電除塵器對(duì)煙氣中的飛灰顆粒物去除率一般可達(dá)99.7%[46]，但由于1 μm左右的顆粒物處于場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電混合區(qū)，其荷電能力相對(duì)較差，不易被捕獲[47]，所以PM2.5尤其是粒徑為0.1～1 μm的細(xì)顆粒物大部分會(huì)逃逸。為使靜電除塵器對(duì)煙氣中納米級(jí)顆粒物的去除率增加，國(guó)內(nèi)外大部分火電廠在除塵裝置前安裝低溫省煤器，從而大幅降低排煙溫度，使煙氣中原有的納米級(jí)顆粒物碰并長(zhǎng)大和氣態(tài)可凝結(jié)物質(zhì)凝結(jié)長(zhǎng)大。根據(jù)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[48](燃煤煙塵控制在30 mgm3以下)和現(xiàn)有技術(shù)，為提高亞微米模態(tài)顆粒物的去除率，Chen等[49]通過在靜電除塵裝置前安裝細(xì)顆粒物碰并凝聚器，與對(duì)照組對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除塵器出口的PM10和PM2.5的質(zhì)量濃度分別降低了56.2%和50.6%。王鵬等[50]通過建立脈沖荷電直流收塵的復(fù)合除塵系統(tǒng)，大幅提高了對(duì)亞微米模態(tài)顆粒物的脫除效率。通過采用脈沖荷電直流收塵的復(fù)合除塵系統(tǒng)，對(duì)小于30 nm的超細(xì)顆粒物去除率由傳統(tǒng)直流放電的15%左右提高到80%以上。

燃煤鍋爐產(chǎn)生的顆粒物具有很寬的粒徑范圍，可從nm級(jí)到100 μm級(jí)，常規(guī)的電除塵器對(duì)位于愛根核模態(tài)(<0.08 μm)顆粒物的去除率較低。美國(guó)、澳大利亞率先成功運(yùn)行了布袋除塵器，并在不同程度上提高了煙氣中細(xì)顆粒物的去除率[51]。但事實(shí)上，布袋除塵器的使用局限性，如糊袋、燒袋、漏袋和腐蝕、磨損，大大縮小了其使用范圍[52]。2000—2010年我國(guó)發(fā)電廠燃煤機(jī)組排放控制技術(shù)分布見圖3[36]。從圖3可以看出，靜電除塵+濕法脫硫逐年增加，2007年開始逐步使用布袋除塵器。2008年北京奧運(yùn)會(huì)的舉辦，以及后續(xù)GB 13223—2011的頒布，單一采用靜電除塵器或布袋除塵器有時(shí)并不能滿足燃煤電廠顆粒物的排放要求，從而促使電袋復(fù)合除塵器在國(guó)內(nèi)得以進(jìn)一步發(fā)展[53-54]。

圖3 2000—2010年全國(guó)燃煤電廠排放控制技術(shù)分布[36]3Fig.3 Distribution of emission abatement technologies in coal-fired power plants during 2000-2010

綜上，不同工業(yè)過程產(chǎn)生的顆粒物粒徑分布情況不同，不同除塵原理的除塵器對(duì)各粒徑段的顆粒物捕集效率也各不相同，總體表現(xiàn)為經(jīng)各級(jí)除塵裝置后細(xì)顆粒物占顆粒物總排放量的比例有所增加。研究表明[55]，為進(jìn)一步控制燃燒過程中細(xì)顆粒物的產(chǎn)生，可以通過在煤中添加Ca、Fe、K等無(wú)機(jī)化學(xué)添加劑來改變煤的燃燒過程，從而增加液相過程，減少顆粒物生成。

3 燃煤鍋爐煙氣中PM10、PM2.5管理政策

目前歐盟以及世界各國(guó)對(duì)環(huán)境空氣中PM10特別是PM2.5質(zhì)量濃度排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，固定污染源作為重要的貢獻(xiàn)源，細(xì)顆粒物的排放限值應(yīng)受到足夠重視。但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)固定污染源PM10、PM2.5的標(biāo)準(zhǔn)采樣方法以及相關(guān)排放限值。GB 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》只針對(duì)煙氣中總煙塵標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定[56]。國(guó)外雖已推出固定污染源煙氣中PM10、PM2.5的推薦測(cè)試方法，但尚未設(shè)立固定污染源細(xì)顆粒物排放限值，并且相關(guān)測(cè)試方法是用于建立準(zhǔn)確的PM10、PM2.5排放源清單，以了解燃煤鍋爐排放的顆粒物對(duì)大氣環(huán)境的實(shí)際貢獻(xiàn)值[57-58]。2014年我國(guó)環(huán)境保護(hù)部出臺(tái)了《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》和《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南》，其中針對(duì)一次源分類、可吸入顆粒物和細(xì)顆粒物的排放因子的計(jì)算方法作了相關(guān)規(guī)定，但固定污染源PM10、PM2.5排放因子相關(guān)參數(shù)尚未設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法[59-60]。在有關(guān)固定污染源細(xì)顆粒物排放測(cè)試中，多數(shù)使用國(guó)內(nèi)外部分科研機(jī)構(gòu)和儀器公司研制的撞擊采樣器或稀釋通道采樣系統(tǒng)。

4 固定污染源排放PM10、PM2.5的采樣方法

固定燃燒源排放出的一次顆粒物由2部分組成：1)直接以固態(tài)形式排放出來的可捕集顆粒物；2)在煙氣溫度下以氣態(tài)形式排出，在煙羽的稀釋冷卻過程中形成的一次可凝結(jié)顆粒物。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)這2類顆粒物排放測(cè)試所使用的采樣方法包括直接采樣法和稀釋采樣法。

4.1 直接采樣法

直接采樣法是指將采樣器直接伸入煙道中，在煙氣溫度下等速抽取一定量的煙氣，使其通過收集介質(zhì)，并將特定粒徑段下的顆粒物捕集在收集介質(zhì)上[61]。常規(guī)的直接采樣方法只能采集到一次可捕集顆粒物，如美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)的EPA Method 17(顆粒物采樣)、Method 201A[62](PM10采樣)、EPA OTM027[63]和ISO 23210:2009[57]等。Lu等[64]研究表明，燃煤電廠煙氣脫硫入口處可凝結(jié)顆粒物占總顆粒物的23.7%?？梢娍赡Y(jié)顆粒物對(duì)固定污染源一次顆粒物排放具有不可忽略的貢獻(xiàn)。US EPA推出了EPA 202[62]及EPA OTM28[65]方法，可用于測(cè)試一次可凝結(jié)顆粒物，測(cè)試原理為煙氣經(jīng)過過濾介質(zhì)捕集可過濾顆粒物后的氣體以鼓泡的形式穿過沖擊罐中的水，硫酸霧、半揮發(fā)性有機(jī)物等排放到大氣中，可冷凝的物質(zhì)被捕集于水中，該方法一般與EPA 201A聯(lián)用可同時(shí)捕集一次可過濾顆粒物和一次可凝結(jié)顆粒物。但該方法的缺陷為SO2等一些排到大氣中不可凝結(jié)的氣體也被捕集到水中并轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，從而造成正偏差。EPA 201A和EPA 202及ISO 23210:2009適用條件為煙氣中不含液滴?？傊?，直接采樣法的優(yōu)點(diǎn)為采樣器直接伸入煙道，可避免顆粒物在采樣管道中的損失；缺點(diǎn)為無(wú)法捕集到可凝結(jié)顆粒物和二次細(xì)顆粒物，從而大大低估了固定污染源對(duì)大氣環(huán)境中顆粒物濃度的實(shí)際貢獻(xiàn)值。

4.2 稀釋采樣法

稀釋采樣法通過煙氣與零空氣在稀釋腔內(nèi)均勻混合來模擬煙氣排放到大氣中稀釋擴(kuò)散、冷卻凝結(jié)過程。該方法捕集到的顆粒物既包括可過濾顆粒物也包括直接采樣法捕集不到的可凝結(jié)顆粒物以及部分二次顆粒物，更好地模擬了煙氣排放到大氣中真實(shí)的混合過程。該方法能很好地獲得源排放數(shù)據(jù)和顆粒物形態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)局地及區(qū)域顆粒物源解析研究和健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)際上相對(duì)較為成熟的稀釋采樣方法為2013年ISO通過的固定源排放煙氣中PM10和PM2.5稀釋采樣法(ISO 25597：2013)[58]。該稀釋采樣系統(tǒng)通常在稀釋停留室后方配備1個(gè)PM2.5旋風(fēng)采樣器，作為備用顆粒物過濾器，其系統(tǒng)見圖4。

1—PM10旋風(fēng)器；2—PM2.5旋風(fēng)器；3—加熱采樣管；4—采樣口；5—皮托管；6—溫度傳感器；7—流量計(jì)；8—稀釋空氣發(fā)生裝置；9—流量計(jì)；10 —調(diào)節(jié)閥；11—布?xì)饪装澹?2—混合室；13—停留室；14—旁路閥；15—大流量風(fēng)機(jī)；16—PM2.5旋風(fēng)器；17—濾膜；18—冷凝水裝置；19—流量計(jì)；20—調(diào)節(jié)閥；21—采樣泵。圖4 稀釋采樣系統(tǒng)Fig.4 Dilution sampling train

從圖4可以看出，該方法利用PM10-PM2.5雙級(jí)旋風(fēng)采樣器去除煙氣中已經(jīng)存在的粒徑大于2.5 μm的固態(tài)顆粒物；經(jīng)過稀釋冷卻后，原有的粒徑小于2.5 μm的固態(tài)顆粒物可能會(huì)因?yàn)槟Y(jié)碰并而長(zhǎng)大老化，部分以氣態(tài)形式存在的物質(zhì)，由于溫度降低冷凝碰并附著在顆粒物上形成顆粒物態(tài)物質(zhì)。PM2.5旋風(fēng)器用來去除后續(xù)生成的粒徑大于2.5 μm

的顆粒物。ISO對(duì)稀釋采樣系統(tǒng)做出明確規(guī)定：稀釋比至少為20∶1；稀釋后濾膜處溫度不高于42 ℃；相對(duì)濕度小于70%；稀釋停留時(shí)間不小于10 s。煙氣與潔凈空氣混合程度可以通過測(cè)量停留室內(nèi)橫截?cái)嗝鍯O2或其他痕量氣體的分布情況驗(yàn)證，要求稀釋采樣系統(tǒng)橫斷面直徑上至少取4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。周楠等[66]通過測(cè)定某一橫斷面溫度廓線來研究煙氣與潔凈空氣的混合程度。但稀釋采樣法的缺點(diǎn)為煙氣經(jīng)過采樣管，由于熱泳現(xiàn)象，顆粒物損失嚴(yán)重；而且其儀器體積龐大，給現(xiàn)場(chǎng)操作帶來一定困難。

國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)在借鑒國(guó)外稀釋通道研究參數(shù)的基礎(chǔ)上逐步開發(fā)了自己的煙道氣稀釋采樣系統(tǒng)，并成功用于外場(chǎng)觀測(cè)，測(cè)試了PM10、PM2.5的排放因子、OCEC組成、元素組成等重要數(shù)據(jù)[66-69]，并逐步規(guī)范化固定污染源采樣方法。近年來，清華大學(xué)自主研發(fā)的稀釋系統(tǒng)配套ELPI+顆粒物采樣器已用于電廠燃煤鍋爐的實(shí)際測(cè)試。

4.3 部分國(guó)家和地區(qū)推薦采樣方法

部分國(guó)家和地區(qū)固定污染源PM10和PM2.5推薦采樣方法見表2。其主要目的是建立準(zhǔn)確的源清單，并非為了制定固定污染源PM10、PM2.5排放限值。

表2 部分國(guó)家和地區(qū)PM10和PM2.5推薦采樣方法

5 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)部分燃煤鍋爐細(xì)顆粒物的特殊粒徑分布形成機(jī)制尚不明確，加之細(xì)顆粒物對(duì)大氣的實(shí)際貢獻(xiàn)形式具有多變性，對(duì)降低固定污染源顆粒物排放帶來很大困難。建議將減少燃煤鍋爐一次可凝結(jié)顆粒物和二次細(xì)顆粒物前驅(qū)物的排放作為今后的研究目標(biāo)。另外，不同區(qū)域同一類燃煤源排放的細(xì)顆粒物中化學(xué)組分差異較大，建議完善不同區(qū)域細(xì)顆粒物中化學(xué)組分本地化源成分譜，為受體模型顆粒物來源解析提供更為準(zhǔn)確的源成分譜。

(2)無(wú)論是傳統(tǒng)的旋風(fēng)除塵器和水膜除塵器還是高效的靜電除塵和脫硫一體化裝置，對(duì)燃煤鍋爐排放煙氣中細(xì)顆粒物特別是亞微米模態(tài)顆粒物的去除率都相對(duì)較低，因此燃煤鍋爐仍是環(huán)境空氣中細(xì)顆粒物的主要來源之一。

(3)只關(guān)注固定污染源排放的總顆粒物質(zhì)量濃度還遠(yuǎn)不夠，針對(duì)細(xì)顆粒物和超細(xì)顆粒物，粒數(shù)濃度更能反映其排放對(duì)生態(tài)環(huán)境以及人體健康的危害程度。

(4)為降低燃煤鍋爐對(duì)大氣環(huán)境中細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)，顆粒物控制設(shè)備建議參考目前部分“近零排放”燃煤電廠采取的后續(xù)控制方式，即低溫省煤器、高頻電源和濕式靜電除塵器協(xié)同運(yùn)用。與此同時(shí)，應(yīng)加快高效除塵設(shè)備的技術(shù)發(fā)展。

(5)建議相關(guān)管理部門制訂合理的固定污染源細(xì)顆粒物標(biāo)準(zhǔn)采樣方法和排放限值。

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Emission characteristics and control status of fine particles emitted from coal-fired boilers

WU Yafeng1, CHEN Jianhua1, ZHONG Lianhong2, ZHANG Guoning1

1.Research Institute of Environmental Standard, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China

Coal-fired boiler is one of the primary sources of ambient fine particulate matter in China in terms of source apportionment. In order to understand the emission characteristics and control status of fine particles emitted from coal-fired boilers, some relevant research findings both at home and abroad were summarized systematically, including the size distribution characteristics, component characteristics, emission forms and possible influencing factors of the fine particles. The removal efficiency of fine particles of current dedustors for the flue gas from coal-fired boilers as well as corresponding technical improvements on the dedustors was reviewed. Recent management situation of stationary pollution sources and sampling methods of fine particles both at home and abroad were summarized. Aiming at existing deficiency of research and management, several suggestions are proposed. Firstly, the research should be strengthen on the size distribution characteristics and formation mechanism of fine particles generated and emitted from coal-fired boilers from the point of view of source control, targeting the reduction of the emission of primary condensable particles and the precursors of secondary fine particles. Secondly, the study on component characteristics of fine particles from local coal-fired boilers should be strengthened. Thirdly, the development of efficient dedusting technologies should be accelerated, especially focusing on the affordable control technologies of fine particles for industrial coal-fired boilers. Fourthly, great attention should be paid to the study and management policy of the number concentration of fine particles and superfine particles. Finally, it is suggested that the standard sampling methods and emission limit of fine particles from stationary sources should be formulated by relevant administrative departments.

coal-fired boiler; fine particle; size distribution; component characteristics; control status; sampling method

2016-10-31

國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201309046，201509010)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21277132)；北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院院基金項(xiàng)目(2013-B-02)

武亞鳳(1991—)，女，碩士，主要從事燃煤固定污染源細(xì)顆粒物研究，1135936652@qq.com

*責(zé)任作者：陳建華(1970—)，女，研究員，博士，主要從事大氣環(huán)境化學(xué)和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)研究，chenjh@craes.org.com 鐘連紅(1967—)，女，副研究員，碩士，主要從事大氣污染研究，zhonglianhong@cee.cn

X701

1674-991X(2017)03-0268-10

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.039

武亞鳳，陳建華，鐘連紅，等.燃煤鍋爐煙氣中細(xì)顆粒物的排放特征和控制現(xiàn)狀[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(3):268-277.

WU Y F, CHEN J H, ZHONG L H, et al.Emission characteristics and control status of fine particles emitted from coal-fired boilers[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):268-277.