600 MW燃煤機(jī)組超凈排放特性及煙塵組分特征分析

趙 斌高明非王 振靳姍姍董昌偉

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山 063210;2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河北石家莊 050031)

0 引 言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了煤炭在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間作為主要能源的格局將不會(huì)改變[1],大量的煤粉燃燒后產(chǎn)生細(xì)顆粒物排放到大氣中,這是導(dǎo)致霧霾形成的重要原因。燃煤電站作為大氣污染物排放的重要來源,近年來不斷對(duì)機(jī)組升級(jí)改造[2],利用污染物協(xié)同脫除控制技術(shù),使電站污染物排放能夠滿足國(guó)家嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。從發(fā)展燃煤發(fā)電長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看,實(shí)施“超凈排放”升級(jí)改造是電企面對(duì)的必然選擇。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)通過WFGD系統(tǒng)前后的顆粒物特性開展了相應(yīng)的研究。Meij等[4]研究發(fā)現(xiàn)通過ESP和WFGD系統(tǒng)協(xié)同脫除煙塵顆粒效率高達(dá)99.6%,顆粒物質(zhì)量濃度可降至＜10 mg/m3,出口煙氣顆粒物主要包含石膏及由脫硫液形成的固態(tài)顆粒物。王琿等[5]研究了某300 MW機(jī)組WFGD系統(tǒng)的除塵效率,灰顆粒粒徑＜2.5 μm時(shí)除塵效率較低,WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口的顆粒物形態(tài)和構(gòu)成上都有區(qū)別。張軍等[6]研究了1 000 MW燃煤機(jī)組常規(guī)污染物SO2、NOx的脫除特性,同時(shí)對(duì)SO3、汞及其化合物等非常規(guī)污染物的研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的污染物脫除設(shè)備可以有效協(xié)同控制SO3、汞及其化合物,WFGD對(duì)兩者的脫除效率分別為76.8%、80%。雖然行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)諸多學(xué)者已經(jīng)提出了實(shí)現(xiàn)燃煤電站煙氣污染物超低排放相關(guān)技術(shù)路線及實(shí)現(xiàn)方法[7-11],但每臺(tái)燃煤機(jī)組的顆粒物排放呈現(xiàn)出各自的特性,因此研究不同機(jī)組煙氣顆粒物的超凈排放特性和組分特征十分必要。

由于煙氣除塵僅依靠原有的靜電除塵器(ESP)不能滿足排放要求,目前普遍做法是在除塵裝置后加裝濕法煙氣脫硫(WFGD)系統(tǒng)及煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)[12]。WFGD系統(tǒng)也稱為石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng),既具備脫除SO2的能力(脫硫漿液自身對(duì)煙氣進(jìn)行了洗滌),也具備脫除煙氣顆粒物的能力[13-15]。國(guó)內(nèi)某電廠600 MW機(jī)組采用低氮燃燒器、選擇性催化還原脫硝(SCR)、ESP、煙氣調(diào)質(zhì)及WFGD系統(tǒng)的超凈排放工藝路線,對(duì)大氣污染物(煙塵、NOx、SO2、汞及其化合物等)協(xié)同脫除。通過現(xiàn)場(chǎng)采樣的煙氣顆粒物數(shù)據(jù),分析燃煤電廠超低排放機(jī)組煙氣顆粒物的排放特性及組分特征,為進(jìn)一步研究煙氣污染物排放提供理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究,機(jī)組采用HG-2030/17.5-YM9型、亞臨界、一次中間再熱煤粉鍋爐,鍋爐最大容量2 030 t/h,通過海水直流冷卻。鍋爐配套煙氣SCR脫硝裝置,以尿素為還原劑,尾部煙道配備2臺(tái)雙室五電場(chǎng)靜電除塵裝置,配備1套雙重?zé)煔庹{(diào)質(zhì)系統(tǒng),調(diào)質(zhì)劑采用SO3和NH3,其后煙氣脫硫系統(tǒng)為石灰石-石膏濕法脫硫裝置,采用雙噴淋塔結(jié)構(gòu)處理煙氣中SOx。

入爐煤質(zhì)特性分析見表1,飛灰組成見表2。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析Table 1 Proximate analysis of coal %

表2 飛灰組成Table 2 Composition of fly ash

1.2 試驗(yàn)方法

機(jī)組運(yùn)行工況為500～600 MW。試驗(yàn)樣本采集點(diǎn)選擇在WFGD系統(tǒng)脫硫預(yù)洗塔入口的水平煙道(采樣點(diǎn)1)和煙囪進(jìn)口的水平煙道(采樣點(diǎn)2),如圖1所示。對(duì)WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣總顆?，F(xiàn)場(chǎng)采樣,采用非稀釋法DGI顆粒物PM2.5分粒徑撞擊采樣器對(duì)采樣點(diǎn)的顆粒物采樣,收集機(jī)組脫硫石膏、除塵器飛灰、脫硫劑石灰粉等固體樣品。對(duì)顆粒物采用稱重法分析煙氣中的煙塵質(zhì)量濃度,并依托清華大學(xué)分析中心運(yùn)用電感耦合等離子-質(zhì)譜法(ICP-MS)分析樣品中 Si、Al、S、Ca、Fe、K、Mg、P、Hg等元素含量,依托北京國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心運(yùn)用SEM-EDS和XRD對(duì)樣品顆粒形貌、成分進(jìn)行分析,研究脫硫出口顆粒物的主要來源及形貌特征。

圖1 顆粒物取樣示意Fig.1 Schematic of particulate matter sampling

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煙塵質(zhì)量濃度

利用ZR-D09A型低濃度煙塵采樣器對(duì)不同負(fù)荷下WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口顆粒物采樣,將采集樣品分別標(biāo)號(hào),其中1～3號(hào)為采樣點(diǎn)1處樣本,4～6號(hào)為采樣點(diǎn)2處樣本。將樣品置于干燥器48 h后稱重,通過恒重法分析煙氣采樣標(biāo)況體積V對(duì)應(yīng)的顆粒物質(zhì)量m,通過m/V計(jì)算出煙氣中總顆粒物的質(zhì)量濃度,見表3。

表3 不同負(fù)荷下WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口總顆粒物質(zhì)量濃度Table 3 Particulate matter concentration of import and export for WFGD system under different loads

WFGD系統(tǒng)進(jìn)口煙氣顆粒物平均質(zhì)量濃度為17.95 mg/Nm3,出口為 4.19 mg/Nm3,脫除效率為76.66%。3組數(shù)據(jù)在出口處的顆粒物濃度均低于10 mg/Nm3,達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),因此超凈排放機(jī)組WFGD系統(tǒng)對(duì)煙氣總顆粒物具有良好的脫除效果。

2.2 顆粒物分布特性

對(duì)煙氣總顆粒物樣品(TSP)采樣,采用非稀釋法DGI顆粒物 PM2.5分粒徑撞擊采樣器對(duì) WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣中 PM2.5、PM1.0、PM0.5、PM0.2及以下細(xì)顆粒物分級(jí)采樣,各采集3組樣本,分組稱重后,計(jì)算各粒徑顆粒物平均質(zhì)量濃度,如圖2所示。

圖2 WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口各段細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度Fig.2 Mass concentrations of different diameter particles of import and export for WFGD system

WFGD系統(tǒng)進(jìn)口總顆粒物平均質(zhì)量濃度為17.95 mg/Nm3,其中 PM2.5及以下的細(xì)顆粒物含量較少,占TSP總濃度的10.44%,表明WFGD系統(tǒng)進(jìn)口主要以大顆粒物為主,且細(xì)顆粒物隨著粒徑變小,其質(zhì)量濃度占比呈下降趨勢(shì)。雖然經(jīng)過WFGD系統(tǒng)脫硫之后的出口煙氣TSP質(zhì)量濃度降至4.19 mg/Nm3,但 PM2.5及以下的細(xì)顆粒物在 TSP總濃度占比增至64.68%,表明WFGD系統(tǒng)對(duì)大顆粒物具有較好的脫除效果,導(dǎo)致出口煙氣中細(xì)顆粒物濃度上升,且隨著顆粒粒徑變小,質(zhì)量濃度占比呈上升趨勢(shì)。

2.3 顆粒物形貌特性

通過WFGD系統(tǒng)進(jìn)、出口煙氣總顆粒物TSP在掃描電鏡放大5 000倍下觀測(cè)到的顆粒物形貌特征如圖3所示?？梢钥闯?經(jīng)過WFGD系統(tǒng)前的顆粒物呈不規(guī)則球形、鏈狀分布,分散排列,部分區(qū)域的顆粒物相互堆疊團(tuán)聚;而出口處的顆粒物相互堆疊團(tuán)聚的程度更高,形成致密的不規(guī)則團(tuán)聚體呈團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu),團(tuán)聚體的體積更小。

圖3 顆粒物掃描電鏡檢測(cè)Fig.3 Scanning electron microscopy test of particulate matter

2.4 顆粒物元素

通過SEM-EDS分析顆粒物的元素組成,如圖4所示。結(jié)果表明:通過WFGD系統(tǒng)的煙氣顆粒物主要元素未發(fā)生明顯變化,均為 Si、Al、S、Ca、Fe、Mg、Na、P、Cl、K、Ti。 其中 Si、Al、S、Ca 為主要元素,占90%以上;經(jīng)過WFGD系統(tǒng)后的顆粒物中Si、Al含量下降,而 S、Ca、Mg 含量增加,Si、Al是飛灰中的主要元素,而S、Ca、Mg是脫硫漿液的主要元素,煙氣通過WFGD系統(tǒng)后顆粒物將攜帶部分脫硫漿液蒸發(fā),導(dǎo)致原顆粒物中元素含量占比下降,表明煙氣經(jīng)過WFGD系統(tǒng)后,煙氣顆粒物攜帶了部分脫硫漿液物質(zhì)。

2.5 顆粒物的XRD分析

圖4 顆粒物能譜EDS元素含量分布Fig.4 Element content distribution of EDS in particles

通過WFGD系統(tǒng)的細(xì)顆粒物的XRD分析表明,采集點(diǎn)1主要成分為Al(Al1.272Si0.728O4.864)、SiO2、Ca3(Si3O9)、Al2O3·54SiO2、Ca2Al2SiO7·8H2O、Ca2Al2SiO6(H2O)6,采集點(diǎn)2脫硫后的顆粒物成分增加了 Ca11.3Al14O32.3、CaSO4·2H2O,幾種主要成分的衍射圖譜如圖5所示。通過對(duì)比分析石灰石成分(CaCO3、SiO2)和石膏成分(CaSO4·2H2O、SiO2、Al(SiO4)O)發(fā)現(xiàn),通過WFGD系統(tǒng)的細(xì)顆粒物中攜帶了脫硫劑石灰石、脫硫產(chǎn)物石膏,驗(yàn)證了顆粒物元素分析結(jié)果。

圖5 顆粒物XRD分析Fig.5 Particle XRD analysis

3 結(jié) 論

1)經(jīng)過WFGD系統(tǒng)的煙塵質(zhì)量濃度由17.95 mg/Nm3降到 4.19 mg/Nm3,脫除效率為76.66%,PM2.5及以下粒徑的細(xì)顆粒物占TSP總質(zhì)量濃度比例由10.44%提高到64.68%,表明WFGD系統(tǒng)對(duì)煙塵中大顆粒物有較好的脫除效果,導(dǎo)致出口煙氣中的細(xì)顆粒物含量上升。

2)通過掃描電鏡觀察到脫硫后的煙氣顆粒物形態(tài)由鏈狀結(jié)構(gòu)變化為團(tuán)簇結(jié)構(gòu),且體積更小。

3)經(jīng)過WFGD系統(tǒng)的顆粒物元素成分沒有發(fā)生改變,Ca、Mg、S 含量略有增加,Si、Al含量有所下降,脫硫后細(xì)顆粒物成分中增加了 Ca11.3Al14O32.3、CaSO4·2H2O,部分脫硫漿液產(chǎn)物被攜帶出來。

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