超低排放改造后燃煤電廠大氣污染物排放特征

摘要：為了解超低排放改造后燃煤電廠大氣污染物排放特征，對(duì)廣東省某“超低排放”電廠燃煤機(jī)組開(kāi)展廢氣污染物排放監(jiān)測(cè)，分析樣品得出各廢氣污染物排放濃度和顆?；瘜W(xué)組分。結(jié)果表明，經(jīng)超低排放改造后，常規(guī)大氣污染物濃度總體較低，滿(mǎn)足廢氣達(dá)標(biāo)排放要求；可凝結(jié)顆粒物（CPM） 濃度高于可過(guò)濾顆粒物（FPM） 濃度，占總顆粒物（TPM） 濃度的92%；廢氣中水溶性離子主要有SO32-、SO42-、NO3-、Cl- 等酸根陰離子和NH4+、Ca2+ 等陽(yáng)離子，金屬元素主要有Al、Mg、Fe、Zn 等。

關(guān)鍵詞：超低排放改造；燃煤電廠；可凝結(jié)顆粒物；水溶性離子

基金項(xiàng)目：廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2019B0208006）

煤炭是我國(guó)的主體能源，發(fā)電用煤占到煤炭消費(fèi)的50% 左右，且我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期難以根本改變，電煤比重還在繼續(xù)提高[1]，因此降低燃煤電廠污染物排放意義重大。2014 年，我國(guó)發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》（簡(jiǎn)稱(chēng)《行動(dòng)計(jì)劃》），將顆粒物、SO2 和NOx 質(zhì)量排放濃度限值設(shè)為10 mg/m3、35 mg/m3 和50 mg/m3。但由于國(guó)內(nèi)目前對(duì)煤電行業(yè)“超低排放”實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究較多，對(duì)煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造后污染物排放特征的研究較少，因此需依托《行動(dòng)計(jì)劃》開(kāi)展燃煤電廠燃煤機(jī)組廢氣中SO2、NOx、CO、NH3 和顆粒物等污染物排放監(jiān)測(cè)研究，將顆粒物分為FPM 和CPM 討論，分析廢氣中水溶性離子和金屬元素分布情況，為燃煤電廠進(jìn)一步減污降碳提供數(shù)據(jù)支撐。

在煙道環(huán)境下顆粒物中的FPM 可用濾筒或?yàn)V膜捕集，而顆粒物中的氣相CPM 則可直接離開(kāi)煙道環(huán)境進(jìn)入空氣冷卻、稀釋?zhuān)缓罄淠蚍磻?yīng)生成液態(tài)或固態(tài)顆粒物[2]，因此長(zhǎng)期以來(lái)顆粒物減排主要以研究FPM 排放為主，對(duì)CPM 排放的研究較為匱乏。CPM 粒徑一般在1～2μm，顆粒表面多孔[3]，易吸附重金屬、有機(jī)污染物等有毒污染物，且傳送距離遠(yuǎn)，能明顯影響能見(jiàn)度，是霧霾的主要成因。由于捕集難度大，因而世界上的許多國(guó)家都未將CPM 納入排放清單[4][5]，導(dǎo)致總顆粒物排放水平被低估。如，我國(guó)現(xiàn)行的《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》（GB/T16157-1996），采用“過(guò)濾- 捕集- 烘干稱(chēng)重法”對(duì)顆粒物測(cè)定也是僅針對(duì)FPM 的采樣與測(cè)定，對(duì)CPM 排放卻沒(méi)有監(jiān)管和控制。因此，為使總顆粒物排放評(píng)估與測(cè)定更加精確，對(duì)顆粒物中的CPM 排放、組成特性開(kāi)展研究十分必要。

1 機(jī)組概況

以廣東省2017 年完成超低排放改造的某“超低排放”電廠2# 機(jī)組為監(jiān)測(cè)對(duì)象，以煙煤和煤矸石作為燃料，采用低氮燃燒技術(shù)，煙氣經(jīng)脫硝還原劑為尿素的SNCR-SCR 聯(lián)合脫硝設(shè)施、電袋復(fù)合式除塵器、單塔雙循環(huán)石灰石- 石膏濕法脫硫設(shè)施、濕式靜電除塵器處理后排出。

2 采樣與分析方法

SO2、NOx、CO 采用非分散紅外吸收法，使用MRU-MGA6 便攜式紅外煙氣分析儀；NH3 采用納氏試劑分光光度法；FPM、CPM采用沖擊冷凝法采樣，使用APEX XC-5000顆粒物（煙塵）采樣系統(tǒng)；陰陽(yáng)離子（F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、PO43-、SO32-、SO42-、Li+、Na+、NH4+、K+、Ca 2+、Mg2+）采用離子色譜法，使用賽默飛DIONEX ICS-1100 離子色譜儀和萬(wàn)通930 Compact IC Flex 離子色譜儀； 金屬元素（Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Ag、Sn、Cd、Sb、Ba、Hg、Pb、Bi）采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，使用安捷倫7800 ICP-MS。

3 質(zhì)量控制與保證

采取系列質(zhì)量控制與保證措施，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠。顆粒物采樣前用去離子水清洗采樣系統(tǒng)，采樣前后檢查系統(tǒng)氣密性，檢查校準(zhǔn)采樣流量；檢漏、校準(zhǔn)氣態(tài)污染物現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器；錫箔紙包好濾筒和石英濾膜用馬弗爐500 ℃烘烤4 h 后使用，每類(lèi)至少采集2 個(gè)樣品取均值，加采全程序空白。做不少于10% 實(shí)驗(yàn)室空白、10% 平行樣分析，以及質(zhì)控樣分析。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 污染物排放濃度

對(duì)廢氣污染物進(jìn)行2 d 連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為3 次/d，監(jiān)測(cè)時(shí)間為1 h/ 次。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，F(xiàn)PM、SO2、NOx、CO、NH3 平均濃度分別為1.377 mg/m3、20 mg/m3、3 mg/m3、58 mg/m3、0.41mg/m3，符合超低排放標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果比較FPM 與CPM，發(fā)現(xiàn)FPM 有機(jī)、FPM 無(wú)機(jī)、CPM 有機(jī)、CPM 無(wú)機(jī)平均濃度分別為0.077 mg/m3、1.3 mg/m3、2.8 mg/m3、13 mg/m3，CPM 濃度約為FPM 濃度的11 倍，CPM 有機(jī)+ 無(wú)機(jī)濃度在總顆粒物濃度中占比達(dá)92%，如圖1 所示。

4.2 廢氣化學(xué)組分

CPM 和FPM 均主要由無(wú)機(jī)成分組成，且水溶性離子又是無(wú)機(jī)成分重要組成部分，因而其也是產(chǎn)生PM2.5 乃至霧霾天氣的主要污染物質(zhì)，不容忽視。同時(shí)，水溶性離子因其具有水溶性，會(huì)增加某些有毒物質(zhì)的溶解性，增大其對(duì)人體健康的危害[6]。對(duì)濾筒、濾膜和冷凝水進(jìn)行成分分析，將水溶性離子換算成氣態(tài)濃度，結(jié)果如表1 所示。

如圖2 所示，發(fā)電機(jī)組鍋爐廢氣中大部分水溶性離子存在于CPM，主要有SO32-、SO42-、NO3-、Cl- 等酸根陰離子，且濃度分別為3.025 mg/m3、2.18 mg/m3、0.033 mg/m3、0.055 mg/m3， 因此推測(cè)CPM 無(wú)機(jī)的主要生成方式為酸霧冷凝。其中，SO42- 主要源于SO2， 由于SO2 溶于水蒸氣會(huì)形成SO32-，且部分被釋放到大氣中的SO32- 又會(huì)在大氣中發(fā)生二次反應(yīng)轉(zhuǎn)化為SO42-，因此導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組鍋爐廢氣中水溶性離子SO42- 增多；NO3- 來(lái)源于煙氣中的HNO3 或HNO2 氣體；Cl- 來(lái)源于煤燃燒成的HCl 氣體[7]。陽(yáng)離子中NH4+、Ca2+ 的濃度較高，濃度分別為0.241mg/m3、0.148 mg/m3，其中NH4+ 源于煙氣脫硝逃逸氨，Ca2+ 由石灰石- 石膏濕法脫硫漿液帶出。

煤燃燒后，重金屬元素吸附于顆粒物或以氣態(tài)形式排出。由于重金屬元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，較低濃度下仍具有很大毒性，不僅難以降解，還容易在生物體內(nèi)富集、轉(zhuǎn)化為毒性更大的金屬化合物，因而煤燃燒后產(chǎn)生的廢氣中攜帶的重金屬元素對(duì)環(huán)境的影響不容忽視[8]。對(duì)濾筒、濾膜和冷凝水進(jìn)行成分分析，將金屬元素?fù)Q算成氣態(tài)濃度，結(jié)果如表2所示。

如圖3 所示，燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐廢氣中金屬元素濃度較低，主要有Al、Mg、Fe、Zn等，濃度分別為23.88μg/m3、37.75μg/m3、7.89μg/m3、4.91μg/m3。其中，Al 和Fe 濃度高可能源于Al 和Fe 含量高的煤種，Mg 主要來(lái)源于脫硫漿液，Zn 由于沸點(diǎn)低燃燒過(guò)程中容易以氣態(tài)形式排放或分流至灰分中。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，超低排放改造后廣東省某“超低排放”電廠的常規(guī)大氣污染物濃度總體較低，遠(yuǎn)低于廢氣達(dá)標(biāo)排放要求，F(xiàn)PM、SO2、NOx、CO、NH3 平均排放濃度分別為1.377 mg/m3、20 mg/m3、3 mg/m3、58 mg/m3、0.41mg/m3。但廢氣中的CPM 濃度達(dá)15.8 mg/m3， 在總顆粒物濃度中占比達(dá)92%。由于目前GB/T16157-1996 僅對(duì)FPM 進(jìn)行測(cè)算管控，因此建議通過(guò)控制CPM 排放進(jìn)一步推進(jìn)顆粒物減排。此外，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐廢氣中水溶性離子主要有SO32-、SO42-、NO3-、Cl- 等酸根陰離子和NH4+、Ca2+ 等陽(yáng)離子；廢氣中金屬元素主要有Al、Mg、Fe、Zn等，但濃度較低。

參考文獻(xiàn)

[1] 單葆國(guó)，冀星沛，許傳龍，等.近期全球能源供需形勢(shì)分析及中國(guó)能源電力保供策略[J].中國(guó)電力，2022，55（10）：1-13.

[2] 裴冰.固定源排氣中可凝結(jié)顆粒物排放與測(cè)試探討[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2010，26（6）：9-12.

[3] CANO M，VEGA F，NAVARRETE B，et al. Characterization of Emissions of Condensable Particulate Matter in Clinker Kilns Using a Dilution Sampling System[J]. Energy amp; Fuels， 2017， 31（8）：7831-7838.

[4] YANG H H， LEE K T， HSIEH Y S， et al. Emission Characteristics and Chemical Compositions of both Filterable and Condensable Fine Particulate From Steel Plants[J]. Aerosol and Air Quality Research，2015，15（4）：1672-1680.

[5] WANG G， DENG J G， MA Z Z， et al. Characteristics of Filterable and Condensable Particulate Matter Emitted From Two Waste Incineration Power Plants in China[J]. Science of the Total Environment，2018，639：695-704.

[6] WANG G H， WANG H， YU Y J， et al. Chemical Characterization of Water-Soluble Components of PM10 and PM2.5 Atmospheric Aerosols in Five Locations of Nanjing， China[J]. Atmospheric Environment，2003，37（21）：2893-2902.

[7] 孫和泰，黃治軍，華偉，等.超低排放燃煤電廠可凝結(jié)顆粒物排放特性[J].潔凈煤技術(shù)，2021，27（5）：218-223.

[8] 張?jiān)?，孫雷，朱傳勇，等.濟(jì)南市不同行業(yè)人群PM2.5暴露水平及金屬元素健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].環(huán)境化學(xué)，2022，41（9）：2962-2973.

作者簡(jiǎn)介

劉雷璐（1994—），女，漢族，湖北孝感人，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-11-04