超低排放下燃煤電廠顆粒物排放特征分析研究

李小龍，周道斌，段玖祥，張文杰，李軍狀，嚴(yán)俊波

國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210046

近年來，以PM10、PM2.5為特征污染物的大氣環(huán)境問題日益突出，區(qū)域復(fù)合型大氣霧霾污染已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]。PM2.5作為主要大氣污染物之一[2]，其排放增多是引起區(qū)域性霧霾的主要原因[3]。大氣顆粒物源解析結(jié)果表明，燃煤對大氣細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)在20%左右，排在污染源貢獻(xiàn)的前三位[4-7]。燃煤電廠作為煤炭消費(fèi)大戶，其污染物排放對大氣細(xì)顆粒物的貢獻(xiàn)不容忽視。因此，近年來，國家加大對燃煤電廠大氣污染物排放的治理力度。

顆粒物作為燃煤電廠排放的主要大氣污染物之一，其排放標(biāo)準(zhǔn)尤為嚴(yán)格。2014年7月，中國史上最嚴(yán)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)全面施行，燃煤機(jī)組顆粒物特別排放限值低至20 mg/m3(文中涉及顆粒物濃度均指基準(zhǔn)氧含量6%條件下)[8]。但由于總量控制的嚴(yán)峻形勢，東部地區(qū)霧霾頻發(fā)及環(huán)保理念的普及，社會(huì)對燃煤電廠大氣污染物排放提出了更高要求，于是超低排放的概念被提出。隨著三部委聯(lián)合發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》(簡稱“《行動(dòng)計(jì)劃》”)[9]，燃煤機(jī)組超低排放改造全面展開，且《行動(dòng)計(jì)劃》中關(guān)于燃煤機(jī)組顆粒物超低排放限值降至10 mg/m3，一些地區(qū)甚至自主提出5 mg/m3的排放限值。

自最嚴(yán)火電排放標(biāo)準(zhǔn)施行及超低排放改造開展以來，燃煤電廠大氣顆粒污染物排放水平大幅降低，對大氣環(huán)境的改善起到了積極作用。目前，關(guān)于超低排放條件下燃煤電廠顆粒物排放特征的研究報(bào)道較少，大多是超低排放改造之前的報(bào)道[1,7,10]。在當(dāng)前超低排放條件下，本研究實(shí)測典型燃煤電廠濕法脫硫(WFGD)和濕式電除塵器(WESP)進(jìn)出口煙氣中不同粒徑顆粒物濃度，分析研究超低排放條件下燃煤電廠顆粒物的排放特征及除塵器后不同凈化設(shè)備對煙氣顆粒物的脫除效果，并計(jì)算得到顆粒物排放因子，為今后相關(guān)環(huán)保政策的施行提供參考依據(jù)。

1 研究對象

選取6家經(jīng)過超低排放改造的典型燃煤電廠的機(jī)組作為研究對象，機(jī)組容量均在300 MW以上，在機(jī)組滿負(fù)荷且工況和煤質(zhì)基本穩(wěn)定的條件下，測試WFGD、WESP進(jìn)出口不同粒徑顆粒物濃度。各電廠機(jī)組容量及除塵設(shè)備情況見表1(其中滿負(fù)荷燃煤量、煙氣量及除塵器除塵效率由第三方檢測報(bào)告提供)。試驗(yàn)期間，各電廠燃燒煤質(zhì)分析參數(shù)見表2。6家電廠均安裝有電場數(shù)至少4個(gè)高效電除塵器，各電廠脫硫系統(tǒng)均為WFGD系統(tǒng)，除電廠1無WESP外，其他電廠均有。

表1 6家電廠機(jī)組容量及除塵設(shè)備情況Table 1 Unit capacity and dust removal equipment of 6 power plants

注：“—”表示相關(guān)數(shù)據(jù)未提供。

表2 6家電廠試驗(yàn)期間煤質(zhì)分析參數(shù)Table 2 Coal analysis parameters of 6 power plants during sampling

注：“—”表示相關(guān)數(shù)據(jù)未提供。

2 測試方法

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

燃煤電廠煙氣顆粒物的采樣測定，一般依據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)進(jìn)行[11]，但該方法對于顆粒物濃度低于50 mg/m3的測定誤差較大，且無法分級(jí)測定不同粒徑細(xì)顆粒物濃度。超低排放下，燃煤電廠除塵器出口顆粒物濃度大多低于50 mg/m3，除塵器之后各凈化設(shè)備出口顆粒物濃度將更低。因此，該測定方法早已不能滿足當(dāng)前國內(nèi)的監(jiān)測現(xiàn)狀，而有關(guān)固定污染源低濃度及細(xì)顆粒物的測定標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)還在加緊制定中。為應(yīng)對固定污染源低濃度細(xì)顆粒物監(jiān)測的問題，國內(nèi)環(huán)境檢測機(jī)構(gòu)大多依據(jù)國外標(biāo)準(zhǔn)，采用進(jìn)口或國外技術(shù)國產(chǎn)化的設(shè)備進(jìn)行采樣和測定。

本文有關(guān)燃煤電廠煙氣中總顆粒物(TPM)及不同粒徑細(xì)顆粒物的測試方法，以GB/T 16157—1996標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并主要借鑒于ISO[12-13]和US EPA[14]相關(guān)測定標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 測定方法

TPM使用3012H-D型煙塵(氣)采樣儀及配套的低濃度膜法采樣槍采樣測定，低濃度膜法采樣槍示意圖如圖1所示。使用等速網(wǎng)格法采樣，每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行3次平行采樣，采樣結(jié)束后將采樣嘴及石英濾膜整體烘干稱重，稱重天平精度為0.01 mg，根據(jù)測試前濾膜及采樣嘴的空白稱重和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下采氣體積，計(jì)算得到顆粒物濃度。

注：1.采樣嘴；2.濾膜托架；3.采樣管；4.采樣槍固定套；5把手；6皮托管。圖1 低濃度膜法采樣槍示意圖Fig.1 Low concentration sampling lance by use of filter membrane

細(xì)顆粒物的分粒徑測定使用芬蘭生產(chǎn)的撞擊采樣器(DPI)進(jìn)行采樣測試，采樣器由一級(jí)旋風(fēng)采樣器、三級(jí)慣性撞擊采樣器及后置濾膜構(gòu)成，DPI采集PM10、PM2.5流程圖如圖2所示。煙氣經(jīng)過加熱采樣槍，進(jìn)入旋風(fēng)采樣器，空氣動(dòng)力學(xué)直徑(Da)大于10 μm的顆粒物首先被切割分離，然后進(jìn)入三級(jí)撞擊采樣器，第一級(jí)撞擊膜收集的為旋風(fēng)采樣器未去除的小部分Da>10 μm的顆粒物，第二級(jí)撞擊膜收集的為2.5 μm

注：1.加熱采樣槍；2.旋風(fēng)采樣器(加熱)；3.撞擊器+濾膜(加熱)；4.汽水分離器；5.干燥器；6.流量計(jì)；7.采樣泵；8壓力表。圖2 DPI采集PM10、PM2.5流程Fig.2 The flow chart of DPI collecting PM10,PM2.5

3 結(jié)果與討論

3.1 顆粒物測試結(jié)果

表3為各電廠WFGD、WESP進(jìn)出口煙氣顆粒物分粒徑測試結(jié)果。可見，6家電廠脫硫入口TPM、PM10、PM2.5、PM1濃度分別為10.15～21.90、7.29～13.62、4.67～8.45、3.25～3.99 mg/m3；脫硫出口/濕電入口TPM、PM10、PM2.5、PM1濃度分別為2.06～6.50、1.79～5.70、1.49～4.71、0.99～3.04 mg/m3；濕電出口/煙囪入口TPM、PM10、PM2.5、PM1濃度分別為0.75～2.21、0.71～2.12、0.65～1.96、0.51～1.57 mg/m3。由于電廠煤質(zhì)情況、機(jī)組工況、凈化設(shè)備的差異，不同電廠凈化設(shè)備前后測定的顆粒物分粒徑濃度存在明顯差異。

表3 6家電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1測試結(jié)果Table 3 Determining results of particles in 6 power plants mg/m3

注：“—”表示相關(guān)數(shù)據(jù)未測試或未提供。

分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6家電廠煙囪入口TPM排放濃度均值為1.69 mg/m3，遠(yuǎn)低于超低排放限值要求的10 mg/m3或5 mg/m3。此外，煙氣經(jīng)過WFGD、WESP后，各粒徑段顆粒物濃度均不同程度降低。

3.2 顆粒物粒徑分布與脫除情況

圖3為各電廠除塵器后不同凈化設(shè)備進(jìn)出口煙氣顆粒物分粒徑質(zhì)量濃度百分比分布圖。

圖3 顆粒物分粒徑濃度百分比Fig.3 Mass concentration fractions of particles with different diameters

由圖3(a)可知，脫硫入口PM>10質(zhì)量濃度占TPM比例為28.18%～37.81%，低于PM10占TPM 62.19%～71.82%的比例，這主要是因?yàn)槿济簾煔膺M(jìn)入脫硫設(shè)備之前經(jīng)過高效電除塵器脫除了大部分大粒徑顆粒物，而電除塵器對小粒徑顆粒物脫除效率不高引起的[15-16]。另外，脫硫入口PM2.5～10、 PM1～2.5、PM1的占比比較接近。由圖3(b)可知，煙氣經(jīng)過WFGD后，脫硫出口/濕電入口PM>10質(zhì)量濃度百分比大幅降低，同時(shí)PM2.5～10的比例也顯著下降，而PM1～2.5的比例小幅上升，PM1的比例大幅升高，顯然WFGD對PM>2.5的脫除效果優(yōu)于PM2.5。由圖3(c)可知，煙氣經(jīng)過WESP后，濕電出口/煙囪入口PM>2.5繼續(xù)下降，而PM1～2.5的比例首次出現(xiàn)下降，而PM1的比例則進(jìn)一步升高，這表明WESP對PM>1脫除效果優(yōu)于PM1。

如前所述，經(jīng)超低排放改造后，6家電廠電除塵器效率大多在99.80%以上，煙氣經(jīng)過除塵器脫除了大部分顆粒物，隨后經(jīng)過WFGD、WESP繼續(xù)除塵，煙氣經(jīng)過二級(jí)或三級(jí)的除塵設(shè)施，保證了較高的總除塵效率，確保了顆粒物排放水平滿足超低排放要求。圖4為WFGD、WESP對不同粒徑顆粒物的脫除效率。由圖4可知，WFGD對TPM的脫除效率為59.31%～83.38%，而WESP對TPM的脫除效率為60.71%～78.15%。分析可知，兩者的綜合除塵效率在85%以上。與其他電廠不同的是，電廠1未使用WESP，而是在除塵器后采用改進(jìn)版的WFGD技術(shù)即脫硫除塵一體化技術(shù)，保證脫硫效率的同時(shí)滿足較高的除塵效率，如圖4(a)所示，其對顆粒物的脫除效率達(dá)到85%左右，遠(yuǎn)大于其他電廠的濕法脫硫系統(tǒng)。因此，通過超低排放改造，6家燃煤電廠電除塵器后各環(huán)保設(shè)施的綜合除塵效率大多在85%以上，確保顆粒物排放限值滿足超低排放要求。

圖4 顆粒物分粒徑脫除效率Fig.4 Removal efficiency of particles with different diameters

去掉電廠1的特殊情況，比較了其他電廠WFGD、WESP對顆粒物的脫除效果發(fā)現(xiàn)，WESP對不同粒徑顆粒物的脫除效率均高于WFGD。從圖4可見，不管是WFGD還是WESP，顆粒物粒徑越小，其脫除效率越低，這也驗(yàn)證了大多研究所報(bào)道的，小粒徑顆粒物比大粒徑顆粒物更難脫除的觀點(diǎn)。

3.3 顆粒物排放因子

根據(jù)表3中各電廠顆粒物分粒徑濃度排放值，結(jié)合表1中各電廠滿負(fù)荷煙氣量、燃煤量、機(jī)組負(fù)荷數(shù)據(jù)，計(jì)算6家電廠不同粒徑顆粒物排放因子，結(jié)果見圖5。

圖5 各電廠顆粒物分粒徑排放因子Fig.5 Emission factors of particles with different diameters of power plants

由圖5(a)可知，以燃煤量計(jì)，各電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1的排放因子分別為6.2～19.2、 5.9～17.6、5.4～16.2、4.2～13.0 g/t。由圖5(b)可知，以發(fā)電量計(jì)，各電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1排放因子分別為2.5～8.3、2.4～7.1、2.2～6.6、1.7～5.3 g/(MW·h)。此外，從電廠1～電廠6，隨著機(jī)組容量的增大，顆粒物排放因子總體呈下降趨勢。

王圣等[10]研究超低排放改造之前典型燃煤電廠細(xì)顆粒物排放特性表明，300 MW以上機(jī)組TPM、PM10、PM2.5單位燃煤量排放因子分別為156.1～258.2、142.4～224.8、74.7～121.5 g/t，遠(yuǎn)高于本文研究所計(jì)算得到的燃煤電廠顆粒物排放因子。這說明，通過超低排放改造，燃煤電廠的大氣顆粒物污染物排放控制水平得到了較大改善。

與國外相比，GOODARZ[17]研究了加拿大3家燃煤電廠細(xì)顆粒物排放特征。結(jié)果表明，其單位發(fā)電量TPM、PM10、PM2.5排放因子分別為39.0～118.0、28.0～67.0、13.0～16.0 g/(MW·h)，高于本研究計(jì)算的燃煤電廠顆粒物排放因子。以本研究的6家電廠燃煤灰分為變量，使用US EPA頒布的《空氣污染物排放系數(shù)匯編(AP-42)》中顆粒物排放因子計(jì)算公式[18]，得到在相同燃煤灰分條件下，美國燃煤發(fā)電廠單位燃煤量TPM、PM10、PM2.5的排放因子分別為67.6～203.7、56.3～169.8、33.8～101.9 g/t，同樣也高于本研究燃煤電廠顆粒物排放因子。這表明，通過實(shí)施超低排放改造，國內(nèi)燃煤電廠大氣顆粒污染物排放因子已遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國家，燃煤電廠煙氣顆粒物的排放控制水平已處于國際領(lǐng)先水平。

4 結(jié)論

1) 實(shí)測6家典型燃煤電廠超低排放條件下煙氣顆粒物排放情況。結(jié)果表明，各電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1排放濃度分別為0.75～2.36、0.71～2.12、0.65～1.96、0.51～1.57 mg/m3。TPM排放均值為1.69 mg/m3，遠(yuǎn)低于超低排放限值10 mg/m3或5 mg/m3。

2) 煙氣經(jīng)除塵器后，脫除了大部分大粒徑顆粒物，脫硫入口PM10占TPM的質(zhì)量比高于60%，而PM>10顆粒物占TPM比例低于40%。煙氣經(jīng)WFGD后，PM>2.5顆粒物比例顯著降低，而PM2.5比例大幅上升，表明WFGD對PM>2.5顆粒物有顯著脫除效果；而當(dāng)煙氣經(jīng)過WESP后，PM>1比例顯著降低，而PM1比例大幅上升，表明WESP對PM>1有顯著脫除效果。

3) 通過超低排放改造，6家燃煤電廠電除塵器之后凈化設(shè)備的綜合除塵效率大多在85%以上，確保了煙氣顆粒物的排放水平滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。WESP對煙氣顆粒物的脫除效果優(yōu)于WFGD，但隨著顆粒物粒徑的減小，2種脫除設(shè)備的脫除效率均逐漸降低。

4) 6家燃煤電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1單位燃煤量排放因子分別為6.2～19.2、 5.9～17.6、5.4～16.2、4.2～13.0 g/t；單位發(fā)電量排放因子分別為2.5～8.3、2.4～7.1、2.2～6.6、1.7～5.3 g/(MW·h)。與國內(nèi)超低排放改造之前同等級(jí)的燃煤電廠相比，6家燃煤電廠顆粒物排放因子顯著下降，也遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國家燃煤電廠顆粒物排放因子，這表明，超低排放改造之后，國內(nèi)燃煤電廠顆粒物排放控制水平已處于國際領(lǐng)先水平。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 賀晉瑜,燕麗,雷宇,等.我國燃煤電廠顆粒物排放特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2015, 28(6):862-868.

HE Jinyu, YAN Li, LEI Yu, et al. Emission Characteristics of Particulate Matter from Coal-Fired Power Plants in China[J]. Research of Environmental Sciences, 2015, 28(6):862-868．

[2] 李銘煊,秦?zé)?杭怡春,等.北京市昌平區(qū)某地冬季大氣PM2.5元素污染特征分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2016, 32(3):47-52.

LI Mingxuan, QIN Wei, HANG Yichun, et al. Study on the Pollution Characteristics of Particulate Matter Based on the Characteristic Elements in Changping of Beijing[J]. Environmental Monitoring in China, 2016, 32(3):47-52.

[3] 賀克斌,楊復(fù)沫,段鳳魁,等.大氣顆粒物與區(qū)域復(fù)合污染[M].北京:科學(xué)出版社, 2011： 139-306．

HE Kebin, YANG Fumo, DUAN Fengkui, et al. Atmospheric Particulate Matter and Regional Combined Pollution[M]. Beijing: Science Press, 2011： 139-306.

[4] 王佳.鄭州市PM2.5污染特質(zhì)及其源解析研究[D].鄭州:鄭州大學(xué)，2015： 50-54.

[5] 賈玲玲.北方寒冷地區(qū)大氣顆粒物污染特征及源解析研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014： 11-12.

[6] 王蘇蓉,喻義勇,王勤耕,等.基于PMF模式的南京市大氣細(xì)顆粒物源解析[J].中國環(huán)境科學(xué)，2015, 35(12):3 535-3 542.

WANG Surong, YU Yiyong, WANG Qingeng, et al. Source Apportionment of PM2.5in Nanjing by PMF[J]. China Environmental Science， 2015, 35(12):3 535-3 542.

[7] 趙洪宇,阮海衛(wèi),史晨雪,等.北京市PM2.5理化特性及燃煤對大氣污染的研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程，2015(12):63-68.

ZHAO Hongyu, RUAN Haiwei, SHI Chenxue, et al. Research of Progress of the Physicochemical Characteristics of PM2.5and Atmospheric Pollution During Coal Combustion in Beijing[J].Environmental Engineering, 2015(12):63-68.

[8] 環(huán)境保護(hù)部,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局:火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn):GB/T 13223—2011[S],北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2011.

[9] 國家發(fā)展改革委,環(huán)境保護(hù)部,國家能源局.煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)[Z].北京，2014： 1-16.

[10] 王圣,朱法華,王慧敏,等.基于實(shí)測的燃煤電廠細(xì)顆粒物排放特性分析與研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 31(3):630-635.

WANG Sheng, ZHU Fahua, WANG Huimin, et al. Fine Particle Emission Characteristics from Coal-Fired Power Plants Based on Field Tests [J]. Acta Scientiae circumstantiae， 2011, 31(3):630-635.

[11] 環(huán)境保護(hù)部,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.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[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996.

[12] ISO. Stationary Source Emissions—Determination of Mass Concentration of Particulate Matter (Dust) at Low Concentrations—Manual Gravimetric Method: ISO 12141-2002[S/OL]. [2016-11-10].https://www.iso.org/standard/21011.html.

[13] ISO. Stationary Source Emissions-Determination of PM10/PM2.5Mass Concentration in Flue Gas—Measurement at Low Concentrations by Use of Impactors: ISO 23210-2009 [S/OL]. [2016-11-10]. https://www.iso.org/standard/53379.html.

[14] US EPA. Method 201A-Determination of PM10and PM2.5Emission from Stationary Sources (Constant Sampling Rate Procedure) [S/OL]. [2016-11-10]. https://www.epa.gov/emc/method-201a-pm10-and-pm25-constant-sampling-rate-procedure.

[15] 殷春肖.燃煤電廠PM2.5排放特性及污染控制研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2014：3-4.

[16] 王鵬.燃煤電廠可吸入顆粒物排放及控制研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2008：10-11.

[17] Goodarzi F.2006.The Rates of Emissions of Fine Particles from Some Canadian Coal-Fired Power Plants [J].Fuel，2006,(85):425-433.

[18] US EPA. AP-42: Compilation of Air Pollution Emission Factors [EB/OL]. [2016-11-10]. https://www3.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch01/index.html.