燃煤機組煙氣超低排放改造對細顆粒物的影響

李 壯，張 楊，朱 躍

(華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

近年來，隨著霧霾污染問題的突出，細顆粒物對環(huán)境的影響引起廣泛關注，細顆粒物成因和來源較為復雜，源解析研究表明，燃煤是大氣細顆粒物主要來源之一，最高占比可達30%左右[1-2]。燃煤機組作為我國煤炭消費主要用戶，研究其環(huán)保設施對細顆粒排放影響，特別是分析超低排放改造前、后燃煤機組對大氣細顆粒物的貢獻，有助于對超低排放改造深刻認識。

目前，已有學者對超低排放下不同環(huán)保設施對污染物脫除進行了研究，易玉萍[3]等人研究發(fā)現(xiàn)，濕法脫硫協(xié)同除塵一體化技術對顆粒物脫除效率在78.6%～87.8%，出口顆粒物濃度低于5mg/m3。莫華等[4]分析5臺完成超低排放改造的濕法脫硫裝置進、出口SO3實測結果，發(fā)現(xiàn)采用旋匯耦合器、托盤等復合塔脫硫工藝對SO3脫除效果優(yōu)于傳統(tǒng)噴淋空塔脫硫工藝。陳奎續(xù)[5]研究超凈電袋復合除塵技術對劣質煤機組超低排放的適應性。目前，對超低排放前、后燃煤機組對細顆粒物貢獻數(shù)據(jù)對比報道較少，而這些數(shù)據(jù)對于分析燃煤機組超低排放改造對細顆粒物減排的貢獻具有重大意義。本文選取不同容量、不同環(huán)保設施的超低排放燃煤機組為研究對象，測試超低排放改造前、后主要污染物排放情況，分析不同環(huán)保設施對一次可過濾顆粒物、一次可凝結顆粒以及二次顆粒物的前驅物減排情況。

1 燃煤細顆粒物的形成機理和排放特性

根據(jù)煤粉燃燒產(chǎn)生的細顆粒物物理化學性質不同，可將細顆物其主要形成機理分為無機物的氣化-凝結機理和焦炭、礦物質顆粒破碎、融化礦物的聚合機理[6]。燃煤機組對大氣環(huán)境細顆粒物貢獻可以分為一次顆粒物和二次顆粒物，一次顆粒物又可以分為一次可過濾顆粒物和一次可凝結顆粒物。一次可過濾顆粒物主要以煙塵、石膏顆粒以及濕煙氣中以可溶鹽等形式存在的霧滴，可以通過濾筒或濾膜測量方式獲得；一次可凝結顆粒物在采樣處為氣態(tài)，在環(huán)境工況下降溫凝結成為液體或固體的顆粒物[7]，主要由SO3等氣溶膠物質組成。燃煤機組對二次顆粒物貢獻主要是排入大氣中NOx、SO2以及逃逸的氨等氣體，進入大氣環(huán)境后經(jīng)過復雜的物理、化學變化形成二次顆粒物。

2 燃煤細顆粒物協(xié)同脫除措施

燃煤機組超低排放改造大幅度降低NOx、煙塵、SO2同時應注重細顆粒物的協(xié)同脫除，如相比傳統(tǒng)電除塵器，低低溫電除塵器對SO3等細顆粒物具有較高的脫除效率[8]；相比傳統(tǒng)WFGD單塔工藝，串聯(lián)吸收塔工藝對細顆粒物的脫除較高[9]等。超低排放下細顆粒物協(xié)同脫除改造措施如表1所示。

表1 超低排放下細顆粒物協(xié)同脫除措施

項 目協(xié)同措施脫除機理靜電除塵器末電場改造末電場改為旋轉電極降低二次揚塵,增強對細顆粒物脫除效果低低溫除塵器電除塵器前增加低低溫換熱裝置溫度降低,析出SO3,增強細顆煙塵團聚作用,提高對一次顆粒物脫除效率電袋復合除塵器超凈電袋除塵器增強細顆粒物極化作用,促進細顆粒凝并,高精度濾料提高細顆粒去除效果脫硫塔類型旋匯耦合、托盤、雙托盤均布流場,增強傳質,提高協(xié)同脫除效果脫硫噴淋層及噴嘴高效噴嘴,覆蓋率不低于300%提高噴淋密度,增強對細顆粒物的捕集作用除霧器高效三級屋脊式、管束式、冷凝式等除霧器提高細顆粒物攔截效率,降低濕煙氣霧滴中攜帶含鹽量,降低細顆粒排放濃度濕式電除塵器加裝濕式電除塵器可以實現(xiàn)對氣溶膠等細顆物高效率脫除

3 一次可過濾顆粒物減排分析

超低排放下前部干式除塵器提實現(xiàn)了對大粒徑顆粒物的高效脫除，而濕法脫硫裝置以及濕式電除塵器的改造實現(xiàn)了對細顆粒物有效脫除，濕法脫硫裝置注重提高協(xié)同除塵能力，進而實現(xiàn)一次可過濾顆粒物的高效脫除，濕式電除塵器對PM2.5等細顆粒有較高的脫除效率。

3.1 濕法脫硫協(xié)同除塵效率及出口霧滴含量分析

超低排放改造后，濕法脫硫裝置在提高脫硫效率的同時注重提高協(xié)同除塵效率，對細顆粒物具有協(xié)同脫除作用。濕法脫硫裝置通過降低煙氣流速、優(yōu)化塔內(nèi)流場、配置高效除霧器后，除霧器出口濕煙氣霧滴中以鹽類等形式存在的一次顆粒物質量濃度有較大幅度降低。

選取機組容量200MW～1000MW的10臺燃煤機組為研究對象，脫硫均采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，測試超低排放改造前后脫硫裝置除塵效率以及出口霧滴含量(見表2)。從表2可以看出，超低排放改造后，脫硫協(xié)同除塵效率有明顯提高，煙塵排放濃度具有明顯降低。燃煤機組排放煙塵對我國大部分城市細顆粒物平均貢獻在10%～30%之間，中小型城市更為突出[2]，按照此比例進行測算，超低排放下燃煤機組排放煙塵對城市細顆粒物貢獻在1.4mg/m3以下(最低可達0.3mg/m3)，降幅比例最低68%(機組5)，最高96.46%(機組2)，超低排放改造對環(huán)境具有明顯改善作用。

3.2 濕式電除塵器對一次可過濾顆粒物脫除分析

超低排放下部分燃煤機組脫硫出口加裝濕式電除塵器，濕式電除塵器對細顆粒物，尤其是PM2.5具有較高的脫除效率，同時實現(xiàn)濕煙氣霧滴中鹽類物質進一步脫除。結果見表3，選取13臺配置濕式電除塵器不同容量超低排放機組為研究對象，分別測試其對煙塵、PM2.5以及濕煙氣中霧滴的脫除效果。

表2 超低排放前后濕法脫硫裝置除塵效率及出口霧滴含量

項 目裝機/MW超低排放前煙塵超低排放后煙塵霧滴含量入口/mg·m-3出口/mg·m-3除塵效率/%入口/mg·m-3出口/mg·m-3除塵效率/%超低排放前/mg·m-3超低排放后/mg·m-3機組1200372435.1440.34.588.8377.825.2機組23002028259.417.92.963.2912616.3機組3300201525.008.82.670.4590.318.3機組43004327.835.3523.14.480.95攜帶漿液19.5機組560011109.0914.03.277.1411625.8機組66001928/28.24.384.75攜帶漿液18.1機組76005021.457.2028.73.189.207419.7機組86004823.750.6341.23.691.268819.3機組96701787259.5518.63.382.26攜帶漿液32.1機組101000392535.9027.94.384.597026

表3 超低排放下濕式電除塵器對煙塵、PM2.5以及霧滴脫除分析

項 目裝機/MW煙塵PM2.5霧滴入口/mg·m-3出口/mg·m-3脫除效率/%入口/mg·m-3出口/mg·m-3脫除效率/%入口/mg·m-3出口/mg·m-3脫除效率/%機組130014.52.682.0710.51.288.9331.58.772.37機組230013.22.184.099.51.188.9728.48.171.41機組333047.44.690.2830.72.691.6346.29.280.19機組433049.64.890.4023.13.485.5078.514.781.32機組533036.34.487.9224.52.291.1264.411.282.57機組733037.44.288.7716.93.678.7078.514.481.72機組833016.43.081.719.31.683.2873.114.180.73機組933044.94.989.0914.51.987.05103.017.882.72機組1060028.92.989.9013.91.688.1663.214.577.06機組1166038.64.687.9915.72.584.0135.58.376.54機組1266024.62.689.4322.32.091.26114.218.084.21機組1367041.14.090.2718.62.785.7859.110.282.77

從表3可知，濕式電除塵器出口的煙塵濃度為2.1mg/m3～4.9mg/m3，對煙塵脫除效率均在80%以上，主要是濕式電除塵器中荷電后的顆粒物在電場力作用下被捕，采用沖洗清灰方式，提高了其對煙塵的脫除效率；PM2.5質量濃度在1.1～3.6mg/m3，對PM2.5的脫除效率在70%以上。在濕式除塵器作用下，改變了細顆粒物的比電阻，增加了細顆粒物的荷電量，從而對PM2.5具有較高脫除效率[10]。

3.3 超低排放下濕煙氣中含鹽量減排分析

從表2和表3可知，超低改造前脫硫出口霧滴含量在70～130mg/m3之間，甚至部分脫硫裝置出口出現(xiàn)帶漿現(xiàn)象，超低排放改造后脫硫出霧滴含量在15～35mg/m3之間，加裝濕式電除塵器出口霧滴含量在8～18mg/m3之間，濕式電除塵器對霧滴脫除效率在70%～85%之間，具有明顯脫除效果，濕法脫硫裝置出口或濕式電除塵器出口濕煙氣中以鹽類形式存在的顆粒物排放濃度得到了明顯降低。

超低排放下濕法脫硫裝置采用高效除霧器，除霧器出口霧滴含固量可以降低至7.5%[11]，若按此比例測算，超低排放下濕法脫硫裝置出口霧滴含鹽量為2.6mg/m3以下(最低可達1.1mg/m3)，加裝濕式電除塵器出口煙氣中可溶鹽含量為1.4mg/m3以下(最低可達0.6mg/m3)，超低排放下燃煤機組排放至大氣中可溶鹽量處于較低水平。

4 一次可凝結顆粒物減排分析

燃煤機組對大氣環(huán)境一次可凝結顆粒物貢獻主要包括SO3等氣溶膠物質，SO3排放至大氣環(huán)境后形成硫酸鹽和亞硫酸鹽類細顆粒物，對環(huán)境具有較大污染。低低溫除塵器以及濕式電除塵器對SO3具有較為明顯的脫除效果。

選取已實現(xiàn)煙氣超低排放的4臺機組為研究對象，測試低低溫除塵器對SO3脫除效果(見表4)，低低溫除塵器對SO3脫除效率在70%以上，對SO3具有明顯脫除效果。主要是在電除塵器前加裝低低溫換熱裝置后，煙氣溫度降低至酸露點以下，析出的硫酸霧被煙塵包裹，在電除塵器中脫除煙塵同時去除煙氣中析出的硫酸霧。

選取13臺超低排放機組為研究對象，分別測試濕式電除塵器對SO3脫除效果(見表5)，濕式電除塵器入口SO3濃度在14～55mg/m3變化，出口SO3濃度在2.5～10mg/m3變化，SO3脫除效率均在65%上(最高可達91.84%)，分析原因一方面粒徑較小的SO3酸霧在電場作用下，SO3酸霧凝并、長大后，被捕集到除塵器極板的液膜進行脫除，另一方面粒徑小SO3酸霧沉積在細顆粒表面后可以有效降低比電阻，提高除塵效率同時提高SO3脫除效率[12]。

5 二次顆粒物前驅物減排分析

二次顆粒物主要化學成分為硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽以及二次有機顆粒物[2]。對燃煤機組而言，對二次顆粒物的主要貢獻是其排放至大氣環(huán)境中的NOx、SO2以及逃逸氨等前驅物，在大氣環(huán)境中經(jīng)過復雜的物理、化學變化形成硝酸鹽、硫酸鹽等細顆粒物，造成環(huán)境污染。

表4 低低溫除塵器對SO3脫除效率

項 目裝機/MWSO3濃度/mg·m-3入口出口SO3脫除率/%機組166030.38.571.94機組266037.08.477.30機組360044.210.576.24機組4100026.95.380.30

表5 濕式電除塵器對SO3脫除效果

項 目裝機/MWSO3濃度/mg·m-3入口出口SO3脫除率/%機組130016.04.273.75機組230017.34.772.83機組333020.84.180.16機組433030.62.591.84機組533014.83.278.58機組633039.49.575.89機組733019.14.476.96機組833020.42.090.20機組933046.84.690.17機組1033026.68.767.41機組1160034.78.276.28機組1266051.57.286.02機組1367026.75.081.36

燃煤機組排放至大氣環(huán)境的逃逸氨主要來源于脫硝工藝還原劑。通常脫硝反應后逃逸氨較少，其中部分逃逸氨進入飛灰，部分逃逸氨被濕法脫硫系統(tǒng)吸收，相比于NOx、SO2污染物，進入大氣環(huán)境中逃逸氨較少。

分別選取7臺、11臺已實現(xiàn)超低排放不同容量機組為研究對象，對其超低排放改造前后NOx、SO2排放濃度及脫除效率進行測試(見表6和表7)。

超低排放改造前、后NOx排放濃度分別在45～140mg/m3之間、25～45mg/m3之間，NOx降幅比例在41.3%(機組4)以上；超低排放改造前、后SO2排放濃度分別在60～290mg/m3、15～30mg/m3之間，SO2降幅比例在58.1%(機組6)以上。有關研究超低排放下NOx和SO2結果表明[13]：排放至大氣環(huán)境SO2和NOx可以形成二次細顆粒物，實現(xiàn)超低排放前、后二次PM2.5貢獻濃度分別占總貢獻濃度的87.4%、91.7%，細顆粒物中二次顆粒物具有較大比例，因此，大幅度降低SO2、NOx二次顆粒物的前驅物對環(huán)境改善具有更大效益。

表6 超低排放前后NOx排放濃度對比 mg/m3

表7 超低排放前后SO2排放濃度對比 mg/m3

6 結語

(1)超低排放下濕法脫硫裝置協(xié)同除塵效率明顯提高，出口煙塵濃度降至2.5～4.5mg/m3之間，加裝濕式電除塵器后，對PM2.5細顆粒物脫除效率在70%以上。

(2)超低排放下濕法脫硫裝置出口霧滴含鹽量為2.6mg/m3以下(最低可達1.1mg/m3)，加裝濕式電除塵器出口煙氣中可溶鹽含量為1.4mg/m3以下(最低可達0.6mg/m3)，超低排放下燃煤機組排放至大氣中可溶鹽量較低。

(3)低低溫電除塵器對SO3脫除效率在70%以上，濕式電除塵器對SO3脫除效率在65%以上，采用低低溫或濕式電除塵技術對一次可凝結顆粒物具有明顯脫除效果。

(4)超低排放改造下二次顆粒物前驅物NOx和SO2降低幅度比例41.3%和58.1%以上，超低排放改造對二次顆粒物減排具有明顯效果。

[1]王蘇榮,喻義勇,王勤耕,等.基于PMF模式的南京市大氣細顆粒物源解析[J].中國環(huán)境科學,2015,35(12):3535～3542.

[2]胡敏倩,彭劍飛,等.我國大氣顆粒物來源及特征分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2011(5):15-19.

[3]易玉萍,朱法華,張文杰,等.特高硫煤SO2超低排放技術評估[J].中國電力,2017,50(3):4-37.

[4]莫 華,朱 杰,黃志杰,等.超低排放下不同脫硫技術脫除SO3效果測試于分析[J].中國電力,2017,50(3):46-49.

[5]陳奎續(xù).超凈電袋復合除塵技術對劣質煤的適應性分析[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2017(4):28-32.

[6]徐明厚,于敦喜,劉偉. 燃煤可吸入顆粒物的形成與排放[M]. 北京:科學出版社,2009.

[7]裴 冰.燃煤電廠可凝結顆粒物的測試于排放[J].環(huán)境科學,2015,5(36):1544-1549.

[8]胡 斌,劉 勇,任 飛,等.低低溫電除塵器協(xié)同脫除細顆粒物與SO3實驗研究[J].中國電機工程學報,2016,36(16):4319-4325.

[9]潘丹萍,吳 昊,鮑靜靜,等.電廠濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中細顆粒物及SO3酸霧脫除作用研究[J].中國電機工程學報,2016,36(16):4356-4361.

[10]彭澤宏,樓 波,孫超凡.含濕量對電除塵器內(nèi)PM2.5除塵效率的影響規(guī)律研究[J].電站系統(tǒng)工程, 2015,31 (2): 41-43.

[11]張 軼,趙 紅,石 峰,等.脫硫除霧器對煙塵排放影響的研究[J].廣州化工,2014,17:108-109,208.

[12]雒 飛,胡 斌,吳 昊,等．濕式電除塵對PM2.5/SO3酸霧脫除特性的試驗研究[J].東南大學學報, 2017, 47 (1): 91-97.

[13]王臨清,朱法華,趙秀勇.燃煤電廠超低排放的減排潛力及其PM2.5環(huán)境效益[J].中國電力,2014,11(47):150-154.