超低排放燃煤電廠可凝結(jié)顆粒物排放特性

孫和泰，黃治軍，華 偉，石志鵬，段倫博

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；2.東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

燃煤電廠排放的顆粒物是空氣污染的重要因素[1]。雖然電廠配備的除塵裝置能去除煤燃燒產(chǎn)生的絕大部分顆粒物，但排放煙氣中仍會(huì)殘留，且以細(xì)顆粒物為主[2]。排入大氣的細(xì)顆粒物具有滯留時(shí)間長、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，影響環(huán)境[3-4]。大氣中過多細(xì)顆粒會(huì)降低能見度，引發(fā)霧霾[5]；而進(jìn)入人體的細(xì)顆粒則會(huì)沉積在肺部，易引發(fā)哮喘等[6]。因此，有必要進(jìn)一步關(guān)注燃煤電廠顆粒物排放情況。

長期以來，研究者主要關(guān)注燃煤電廠可過濾顆粒物(FPM)的排放，現(xiàn)如今燃煤電廠配備的除塵裝置也主要用來脫除FPM。實(shí)際上，煙氣中還存在可凝結(jié)顆粒物(CPM)。FPM和CPM之和等于燃煤電廠排放總顆粒物(TPM)[7]。CPM概念最早由美國環(huán)保署(EPA)提出，其定義為：在煙道環(huán)境下為氣相，但離開煙道進(jìn)入空氣環(huán)境冷卻和稀釋后立即冷凝或反應(yīng)形成固態(tài)或液態(tài)顆粒物的物質(zhì)[8]。由于CPM的特殊性質(zhì)，目前有關(guān)CPM的研究較少，僅有的研究多集中在CPM的排放等級(jí)以及成分分析。CORIO和SHERWELL[9]總結(jié)了美國多家燃煤電廠CPM排放數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CPM平均排放質(zhì)量濃度為38.00 mg/m3，占TPM的49%，CPM中無機(jī)部分(CPMwj)占比76.60%。裴冰[10]研究了國內(nèi)多家燃煤電廠，結(jié)果顯示CPM平均排放濃度為(21.2±3.5)mg/m3，占TPM的50.7%，CPMwj占比99%。其研究相對(duì)較早，燃煤電廠減排措施仍不完善，因此數(shù)值相對(duì)偏高。而LI等[11]、楊柳等[12]、SONG等[13]和ZHENG等[14]分別調(diào)查了不同的超低排放燃煤電廠，結(jié)果基本具有一致性，發(fā)現(xiàn)超低排放燃煤電廠CPM排放濃度相比普通燃煤電廠低，但CPM在TPM中占比更高，超過了FPM排放濃度。

有關(guān)燃煤電廠CPM排放的研究相對(duì)較少，尤其是在國家推行超低排放的背景下，超低排放機(jī)組現(xiàn)有空氣污染物控制裝置(APCDs)對(duì)CPM協(xié)同脫除的相關(guān)研究仍然匱乏。本文通過分析某燃煤電廠FPM、CPM在煙道不同位置的質(zhì)量濃度及成分組成，旨在獲得某超低排放燃煤電廠煙氣中FPM、CPM中無機(jī)水溶性離子的分布特性，現(xiàn)有APCDs對(duì)FPM、CPM的協(xié)同脫除效果。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本文試驗(yàn)對(duì)象為國內(nèi)某臺(tái)1 025 t/h(330 MW)煤粉爐，該鍋爐配備了先進(jìn)的污染物控制裝置，包括SCR、ESP和WFGD。為響應(yīng)國家的號(hào)召，該電廠于2017年進(jìn)行了超低排放改造：原SCR脫硝系統(tǒng)增加催化劑層；原除塵器進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)改造；WFGD系統(tǒng)增設(shè)一級(jí)吸收塔，采用雙塔雙循環(huán)技術(shù)；最后在WFGD系統(tǒng)后加裝濕式電除塵器(WESP)。鍋爐具體的煙氣流程如圖1所示。

圖1 取樣點(diǎn)分布Fig.1 Diagram of sample collection sites

1.2 樣品采集

為研究該電廠CPM排放情況以及WFGD和WESP對(duì)其轉(zhuǎn)化遷移的影響，設(shè)置煙氣取樣點(diǎn)分別為WFGD前后以及WESP后。取樣過程在系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行條件下進(jìn)行，且期間鍋爐負(fù)荷偏差不超過±5%。煙氣CPM取樣采用美國國家環(huán)境保護(hù)署推薦的EPA Method 202A，取樣裝置如圖2所示。

圖2 EPA Method 202A 取樣裝置Fig.2 Diagram of sampling device of EPA Method 202A

EPA Method 202A取樣系統(tǒng)主要由內(nèi)置石英管的鋼制加熱取樣槍、FPM石英濾膜過濾器、FPM過濾器加熱箱、螺旋冷凝管、干式?jīng)_擊吸收瓶組、冰浴箱、特氟龍CPM濾膜過濾器、真空管線、真空泵和流量控制臺(tái)等組成。采用等速取樣，取樣槍及FPM玻璃過濾器保持在120 ℃以上，以盡可能減少CPM在取樣槍以及FPM過濾裝置中的冷凝損耗。過濾后的煙氣在螺旋冷凝管冷卻后進(jìn)入沖擊瓶，為減少可溶性氣體在水中溶解產(chǎn)生的誤差，采用干式?jīng)_擊瓶，并置于30 ℃的水浴箱中。在沖擊瓶后面設(shè)置的CPM濾膜進(jìn)一步捕集隨煙氣逃逸的CPM。CPM濾膜后設(shè)置了一個(gè)裝有NaOH吸收液的沖擊瓶和一個(gè)裝有硅膠的沖擊瓶用于進(jìn)一步冷卻干燥煙氣，保證后續(xù)采樣泵和氣體流量測量設(shè)備正常運(yùn)行。每次煙氣取樣過程持續(xù)1 h，取樣結(jié)束后，將濾膜迎氣面對(duì)折，置于干凈的膜盒內(nèi)密封并標(biāo)記。使用去離子水和正己烷分別潤洗螺旋冷凝管、連接管和干式?jīng)_擊瓶得到去離子水洗液和正己烷洗液，將洗液分別密封儲(chǔ)存在干凈的廣口瓶中，并盡快送至實(shí)驗(yàn)室分析。

1.3 樣品分析

對(duì)取回的樣品進(jìn)行分析，具體步驟如圖3所示。首先將FPM濾膜在120 ℃烘箱中烘干并在干燥器中平衡后用十萬分之一天平稱重，采樣前后FPM濾膜的增重即為采集FPM的質(zhì)量，記為mFPM。同樣，

圖3 樣品分析流程Fig.3 Process of sample analysis

1.4 質(zhì)量控制

為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，取樣過程中采取了一系列質(zhì)量控制措施。每次取樣前，使用去離子水以及正己烷清洗整個(gè)取樣系統(tǒng)，組裝完成后測試取樣系統(tǒng)氣密性。測試時(shí)，每個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行3次平行取樣。樣品的后續(xù)分析過程中均設(shè)置空白樣，以保證分析方法的可靠性。平行樣測試結(jié)果之間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于20%，最終測試結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 CPM、FPM的質(zhì)量濃度和化學(xué)組分

采用EPA Method 202A測得的WFGD前后以及WESP后煙氣中CPM和FPM的實(shí)際濃度后，將所有濃度數(shù)據(jù)折算至6%氧含量、干煙氣標(biāo)況條件下的數(shù)值，具體結(jié)果如圖4所示。FPMyj、FPMwj分別為FPM中的有機(jī)物和無機(jī)物，CPMyj、CPMwj分別為CPM中的有機(jī)物和無機(jī)物。

圖4 CPM、FPM的質(zhì)量濃度和化學(xué)組分Fig.4 Mass concentration and chemical compositionof CPM and FPM

由圖4可知，CPM在WFGD入口、WFGD出口和WESP出口的質(zhì)量濃度分別為24.07、12.71和7.72 mg/Nm3。經(jīng)過WFGD和WESP后，煙氣中CPM的質(zhì)量濃度都有一定減少，說明WFGD和WESP對(duì)CPM有一定的脫除效果。此外，在WFGD入口、WFGD出口和WESP出口處CPM含量已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，在TPM中占比分別為61.83%、53.34%和76.06%。楊柳等[12]研究了超低排放路線下CPM的排放特性，結(jié)果表明CPM排放質(zhì)量濃度為5.53 mg/Nm3，占TPM的72.89%。LI等[11]同樣研究了某超低排放燃煤電廠顆粒物排放情況，發(fā)現(xiàn)CPM排放質(zhì)量濃度為7.90 mg/Nm3，占TPM的83.20%。這些研究結(jié)果均與本文一致?？梢钥闯觯团欧湃济弘姀SCPM的排放濃度是FPM的2倍以上。而CORIO和SHERWELL[9]和裴冰[10]對(duì)未配備超低排放設(shè)施的燃煤電廠的研究表明，排放口CPM質(zhì)量濃度占比約為50%。這主要是因?yàn)槌团欧鸥脑旌?，F(xiàn)PM含量大幅度降低，CPM占比加大。因此，對(duì)超低排放燃煤電廠而言，CPM的排放不容忽視。

了解CPM的組分構(gòu)成有利于評(píng)估CPM的危害以及研究相應(yīng)的排放控制技術(shù)，因此本次研究測試了CPM的化學(xué)成分。由圖4可知，CPM和FPM均主要由無機(jī)成分組成。這是因?yàn)樵谌紵^程中，燃料中大部分有機(jī)物質(zhì)被燒掉，排放的污染物主要為無機(jī)物質(zhì)[15]。但隨著煙氣流動(dòng)，CPMwj占比逐漸下降，從WFGD入口的69%下降至WESP出口的54%。而已有研究在CPM組分構(gòu)成上有分歧CORIO和SHERWELL[9]通過研究多家燃煤電廠，得出CPMwj平均占比為76.6%。而LI等[11]與楊柳等[12]對(duì)不同超低排放電廠的研究結(jié)果顯示，CPMwj占比分別為53.39%和45.60%，與本文結(jié)果吻合。造成這種差距的主要原因在于：一方面CORIO的研究較早，煙氣凈化設(shè)施效果遠(yuǎn)未達(dá)到超低排放，煙氣中SO2、SO3、NOx等組分濃度較高，增加了煙道中煙氣組分凝結(jié)形成的CPMwj。另一方面其測試過程中采用濕式?jīng)_擊瓶，相比干式?jīng)_擊瓶增加了SO2等氣體在瓶中的溶解。此外，與FPM相比，CPM中有機(jī)成分占比更高。

2.2 CPM、FPM無機(jī)水溶性離子分布特性

由圖4可知，經(jīng)過WFGD和WESP后，CPMwj質(zhì)量濃度下降趨勢更明顯，而水溶性離子是CPMwj的重要組成部分。因此，研究CPM無機(jī)水溶性離子在WFGD、WESP中的轉(zhuǎn)化過程有利于進(jìn)一步探究現(xiàn)有煙氣凈化裝置對(duì)CPMwj的協(xié)同脫除作用。

圖5 CPM無機(jī)和FPM無機(jī)水溶性離子濃度Fig.5 Concentration of inorganic water-soluble ionin CPM and FPM

圖6 WFGD入口、WFGD出口、WESP出口CPM水溶性離子分布Fig.6 Distribution of inorganic water-soluble ion in CPM inthe WFGD inlet,WFGD outlet and WESP outlet

2.3 現(xiàn)有APCDs對(duì)CPM、FPM的脫除效率

為探究現(xiàn)有APCDs對(duì)CPM和FPM的脫除效果，計(jì)算了WFGD和WESP對(duì)CPM和FPM的脫除效率，結(jié)果如圖7所示(CPMz、FPMz分別為總CPM和總FPM)。

圖7 APCDs對(duì)CPM和FPM的脫除效率Fig.7 Removal efficiency of CPM and FPM by APCDs

由圖7可知，WFGD和WESP對(duì)CPM和FPM均有一定的控制作用。WFGD對(duì)CPM和FPM的總體脫除效率分別為47.20%和25.17%，而WFGD對(duì)CPM的高脫除效率主要體現(xiàn)在對(duì)CPMwj的脫除上。如前所述，CPMwj主要為水溶性離子且CPM在煙氣中為氣態(tài)，在WFGD中噴淋洗滌作用下，CPMwj中的部分水溶性離子會(huì)溶于脫硫漿液而被脫除。而FPMwj雖然也含有水溶性離子，但多與其他物質(zhì)結(jié)合成顆粒態(tài)，因此WFGD對(duì)CPMwj的脫除效率更高。WESP對(duì)CPM和FPM的總脫除效率分別為39.26%和78.15%。經(jīng)過WESP后，CPMwj和CPMwj均有降低，但降幅僅有FPM的1/2左右。WFGD+WESP對(duì)CPM和FPM的聯(lián)合脫除效率分別為67.93%和83.65%，與楊柳等[12]研究結(jié)果相接近，略高于LI等[11]研究結(jié)果。

總之，常規(guī)FPM控制技術(shù)對(duì)CPM也有一定的脫除效果，且對(duì)CPMwj的脫除效果更好。但CPM脫除效率仍明顯低于FPM。排放煙氣中，CPM比重占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，CPM的排放控制還需要其他措施，目前有關(guān)這方面的研究仍不足。

3 結(jié) 論

1)采用EPA Method 202A對(duì)國內(nèi)某超低排放燃煤電廠進(jìn)行測試獲得了顆粒物相關(guān)排放數(shù)據(jù)。ESP后煙氣中CPM占主導(dǎo)地位，WFGD入口、WFGD出口和WESP出口的質(zhì)量濃度分別為24.07、12.71和7.72 mg/Nm3；在TPM中占比分別為61.83%、53.34%和76.06%。CPM和FPM均主要由無機(jī)成分組成，但隨著煙氣流動(dòng)，CPMwj占比逐漸下降，從WFGD入口的69.38%下降至WESP出口的54.40%。

3)WFGD對(duì)CPM和FPM的總體脫除效率分別為47.20%和25.17%，且WFGD對(duì)CPM的高脫除效率主要體現(xiàn)在對(duì)CPMwj的脫除上。WESP對(duì)CPM和FPM的總脫除效率分別為39.26%和78.15%。WFGD+WESP對(duì)CPM和FPM的聯(lián)合脫除效率分別為67.93%和83.65%。結(jié)果表明現(xiàn)有APCDs對(duì)CPM也有一定脫除效果，但脫除效率仍明顯低于FPM。