循環流化床鍋爐排放顆粒物中水溶性離子研究*

馬 咸 吳建會 張裕芬 孫英明 梁丹妮 馮銀廠

(南開大學環境科學與工程學院，國家環境保護城市空氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津 300071)

循環流化床鍋爐(CFB)廣泛應用于發電、供暖和工業生產中[1]，是大氣顆粒物的重要排放源。近年來，大量CFB加裝了脫硫裝置以控制SO2的排放[2]。然而，脫硫裝置在降低顆粒物和SO2排放的同時，會改變顆粒物構成和模態分布，進而影響其消光作用[3-5]。顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽等水溶性物質是使可見光散射的主要成分[6]。但國內外對煙氣中顆粒物的水溶性離子特征特別是模態分布研究仍相當有限。本研究利用靜電低壓撞擊器(ELPI+)采集CFB中煙氣的顆粒物樣品，并分析其水溶性離子組成及模態粒徑分布。

1研究方法

1.1 樣品采樣與分析

選擇3臺CFB(分別為CFB(a)、CFB(b)、CFB(c))進行煙氣中的顆粒物樣品采集。3臺CFB均采用非選擇催化還原(SNCR)脫硝技術，未安裝除霧器，其他基本情況見表1。CFB(a)和CFB(c)燃煤摻雜20%(質量分數，下同)石灰石，CFB(b)燃煤摻雜20%～30%污泥。

利用顆粒物采樣系統在每臺CFB的煙道中采集煙氣中粒徑為0.006～10.000 μm的顆粒物樣品，其中粒徑為0.006～0.040 μm的顆粒物未檢出。圖1為顆粒物采樣系統示意圖。根據3012H型煙氣分析儀測得的煙氣流速、煙氣溫度等參數選取等速采樣頭[7-8]。ELPI+可裝載不同粒徑段的鋁膜或Teflon膜采集顆粒物樣品。煙氣經過旋風除塵后進入稀釋通道，利用經過過濾、加熱的潔凈空氣按煙氣與空氣體積比為1∶8稀釋煙氣。稀釋通道可在一定程度上反映污染源排放的真實情況[9]。加熱器對稀釋通道和旋風除塵管路進行加熱，以避免煙氣溫度在管路中迅速下降而使煙氣中的水蒸氣凝結，從而影響顆粒物樣品的采集。單次采樣時間為6～8 h，每次采集不同粒徑段的膜樣品，共計84組樣品。顆粒物濃度均使用基準含氧量6%(體積分數)進行轉化[10]。測得的標準化質量濃度(c’，mg/m3)通過式(1)可轉換得到顆粒物質量濃度。

表1 CFB基本情況

注：1)均為質量分數。

c’=dc/d(lgD)

(1)

式中：c為顆粒物質量濃度，mg/m3；D為顆粒物粒徑，μm。

圖1 顆粒物采樣系統示意圖Fig.1 The sampling system for particulate matter

1.2 質量控制

采樣前Teflon膜和鋁膜均進行60 ℃恒溫干燥2 h，以去除表面的有機雜質和水分。采樣膜稱量前均置于恒溫((20.0±2.0) ℃)、恒濕(50%±5%)的室內平衡72 h至恒量。

2 結果與討論

2.1 煙氣中不同粒徑顆粒物的濃度分布

3臺CFB煙道出口顆粒物標準化質量濃度粒徑分布譜如圖2所示。PM10、PM2.5和PM1可通過圖2積分得到。由于CFB(a)和CFB(c)的除塵方式和脫硫方式相同，因此這兩臺CFB的顆粒物濃度粒徑分布譜基本相似。CFB(a)和CFB(c)的PM10質量濃度分別為29.71、23.40 mg/m3，PM2.5質量濃度分別為4.32、1.78 mg/m3，PM1質量濃度分別為0.05、0.04 mg/m3。CFB(b)的PM10、PM2.5和PM1質量濃度分別為3.38、2.17、0.68 mg/m3。CFB(a)和CFB(c)的PM2.5質量濃度分別占各自PM10的14.54%、7.61%，CFB(b)的PM2.5質量濃度占PM10的64.20%。這可能是由于CFB(b)的袋式除塵器比靜電除塵器對大粒徑顆粒物有更高的除塵效率[12-13]。

圖2 顆粒物標準化質量濃度粒徑分布譜Fig.2 Size distribution of particulate matter standard mass concentration

Table 2 Mass percentage of water-soluble ions in particulate matter %

2.2 顆粒物中的水溶性離子分析

顆粒物中水溶性離子的質量分數如表2所示。3臺CFB的PM10中水溶性總離子質量分數基本相同。CFB(b)的PM2.5中水溶性總離子質量分數為60.07%，較CFB(a)和CFB(c)中分別高2.86、3.67百分點。CFB(b)的PM1中水溶性總離子質量分數為61.33%，與SIPPULA等[14]2974-2982的研究結果相近，高于CFB(a)和CFB(c)，可能是由于煙氣經雙堿濕法技術脫硫裝置后煙氣溫度較低、濕度較高，易凝結成超細顆粒物[15-18]。

圖3 CFB(a)中水溶性離子的模態粒徑分布Fig.3 Mode distribution of water-soluble ions in CFB(a)

圖4 CFB(b)中水溶性離子的模態粒徑分布Fig.4 Mode distribution of water-soluble ions in CFB(b)

圖5 CFB(c)中水溶性離子的模態粒徑分布Fig.5 Mode distribution of water-soluble ions in CFB(c)

3 結 論

(1) CFB(a)、CFB(b)、CFB(c)的PM10質量濃度分別為29.71、3.38、23.40 mg/m3，PM2.5質量濃度分別為4.32、2.17、1.78 mg/m3，PM1質量濃度分別為0.05、0.68、0.04 mg/m3。

(2) 3臺CFB的PM10中水溶性總離子質量分數基本相同。CFB(b)的PM2.5和PM1中水溶性總離子質量分數高于CFB(a)和CFB(c)。

(4) 3臺CFB的顆粒物中水溶性離子大都呈現雙模態粒徑分布，包括超細粒子模態和粗粒子模態。

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