600 MW燃煤機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.華北理工大學冶金與能源學院,河北唐山 063210;2.河北省電力勘測設計研究院,河北石家莊 050031)

0 引 言

我國的能源結構決定了煤炭在未來較長一段時間作為主要能源的格局將不會改變[1],大量的煤粉燃燒后產生細顆粒物排放到大氣中,這是導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,近年來不斷對機組升級改造[2],利用污染物協同脫除控制技術,使電站污染物排放能夠滿足國家嚴格的大氣污染物排放標準[3]。從發展燃煤發電長遠的角度看,實施“超凈排放”升級改造是電企面對的必然選擇。

國內外學者對通過WFGD系統前后的顆粒物特性開展了相應的研究。Meij等[4]研究發現通過ESP和WFGD系統協同脫除煙塵顆粒效率高達99.6%,顆粒物質量濃度可降至＜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顆粒物。王琿等[5]研究了某300 MW機組WFGD系統的除塵效率,灰顆粒粒徑＜2.5 μm時除塵效率較低,WFGD系統進、出口的顆粒物形態和構成上都有區別。張軍等[6]研究了1 000 MW燃煤機組常規污染物SO2、NOx的脫除特性,同時對SO3、汞及其化合物等非常規污染物的研究發現,現有的污染物脫除設備可以有效協同控制SO3、汞及其化合物,WFGD對兩者的脫除效率分別為76.8%、80%。雖然行業領域內諸多學者已經提出了實現燃煤電站煙氣污染物超低排放相關技術路線及實現方法[7-11],但每臺燃煤機組的顆粒物排放呈現出各自的特性,因此研究不同機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)系統及煙氣調質系統[12]。WFGD系統也稱為石灰石-石膏濕法脫硫系統,既具備脫除SO2的能力(脫硫漿液自身對煙氣進行了洗滌),也具備脫除煙氣顆粒物的能力[13-15]。國內某電廠600 MW機組采用低氮燃燒器、選擇性催化還原脫硝(SCR)、ESP、煙氣調質及WFGD系統的超凈排放工藝路線,對大氣污染物(煙塵、NOx、SO2、汞及其化合物等)協同脫除。通過現場采樣的煙氣顆粒物數據,分析燃煤電廠超低排放機組煙氣顆粒物的排放特性及組分特征,為進一步研究煙氣污染物排放提供理論支撐。

1 試 驗

1.1 試驗對象

對國內某電廠600 MW燃煤發電機組進行研究,機組采用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臺雙室五電場靜電除塵裝置,配備1套雙重煙氣調質系統,調質劑采用SO3和NH3,其后煙氣脫硫系統為石灰石-石膏濕法脫硫裝置,采用雙噴淋塔結構處理煙氣中SOx。

入爐煤質特性分析見表1,飛灰組成見表2。

表1 煤質工業分析Table 1 Proximate analysis of coal %

表2 飛灰組成Table 2 Composition of fly ash

1.2 試驗方法

機組運行工況為500～600 MW。試驗樣本采集點選擇在WFGD系統脫硫預洗塔入口的水平煙道(采樣點1)和煙囪進口的水平煙道(采樣點2),如圖1所示。對WFGD系統進、出口煙氣總顆粒現場采樣,采用非稀釋法DGI顆粒物PM2.5分粒徑撞擊采樣器對采樣點的顆粒物采樣,收集機組脫硫石膏、除塵器飛灰、脫硫劑石灰粉等固體樣品。對顆粒物采用稱重法分析煙氣中的煙塵質量濃度,并依托清華大學分析中心運用電感耦合等離子-質譜法(ICP-MS)分析樣品中 Si、Al、S、Ca、Fe、K、Mg、P、Hg等元素含量,依托北京國家有色金屬及電子材料分析測試中心運用SEM-EDS和XRD對樣品顆粒形貌、成分進行分析,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 試驗結果與分析

2.1 煙塵質量濃度

利用ZR-D09A型低濃度煙塵采樣器對不同負荷下WFGD系統進、出口顆粒物采樣,將采集樣品分別標號,其中1～3號為采樣點1處樣本,4～6號為采樣點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況體積V對應的顆粒物質量m,通過m/V計算出煙氣中總顆粒物的質量濃度,見表3。

表3 不同負荷下WFGD系統進、出口總顆粒物質量濃度Table 3 Particulate matter concentration of import and export for WFGD system under different loads

WFGD系統進口煙氣顆粒物平均質量濃度為17.95 mg/Nm3,出口為 4.19 mg/Nm3,脫除效率為76.66%。3組數據在出口處的顆粒物濃度均低于10 mg/Nm3,達到排放標準,因此超凈排放機組WFGD系統對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 WFGD系統進、出口煙氣中 PM2.5、PM1.0、PM0.5、PM0.2及以下細顆粒物分級采樣,各采集3組樣本,分組稱重后,計算各粒徑顆粒物平均質量濃度,如圖2所示。

圖2 WFGD系統進、出口各段細顆粒物質量濃度Fig.2 Mass concentrations of different diameter particles of import and export for WFGD system

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

2.3 顆粒物形貌特性

通過WFGD系統進、出口煙氣總顆粒物TSP在掃描電鏡放大5 000倍下觀測到的顆粒物形貌特征如圖3所示。可以看出:經過WFGD系統前的顆粒物呈不規則球形、鏈狀分布,分散排列,部分區域的顆粒物相互堆疊團聚;而出口處的顆粒物相互堆疊團聚的程度更高,形成致密的不規則團聚體呈團簇狀結構,團聚體的體積更小。

圖3 顆粒物掃描電鏡檢測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。結果表明:通過WFGD系統的煙氣顆粒物主要元素未發生明顯變化,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;經過WFGD系統后的顆粒物中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系統后顆粒物將攜帶部分脫硫漿液蒸發,導致原顆粒物中元素含量占比下降,表明煙氣經過WFGD系統后,煙氣顆粒物攜帶了部分脫硫漿液物質。

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系統的細顆粒物的XRD分析表明,采集點1主要成分為Al(Al1.272Si0.728O4.864)、SiO2、Ca3(Si3O9)、Al2O3·54SiO2、Ca2Al2SiO7·8H2O、Ca2Al2SiO6(H2O)6,采集點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。通過對比分析石灰石成分(CaCO3、SiO2)和石膏成分(CaSO4·2H2O、SiO2、Al(SiO4)O)發現,通過WFGD系統的細顆粒物中攜帶了脫硫劑石灰石、脫硫產物石膏,驗證了顆粒物元素分析結果。

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

3 結 論

1)經過WFGD系統的煙塵質量濃度由17.95 mg/Nm3降到 4.19 mg/Nm3,脫除效率為76.66%,PM2.5及以下粒徑的細顆粒物占TSP總質量濃度比例由10.44%提高到64.68%,表明WFGD系統對煙塵中大顆粒物有較好的脫除效果,導致出口煙氣中的細顆粒物含量上升。

2)通過掃描電鏡觀察到脫硫后的煙氣顆粒物形態由鏈狀結構變化為團簇結構,且體積更小。

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

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