濕法脫硫系統對PM2.5脫除作用的研究

張智博，劉松濤，柳文婷，胡楊林，王 宇，陳傳敏，梅玉倩

(華北電力大學(保定)環境科學與工程系 ，河北 保定 071000)

據中國電力企業聯合會2016年統計，煤炭在中國一次能源消費中占比約為62.0%，中國成為名副其實的煤炭生產與消費大國。截止2016，中國發電裝機容量16.51億千瓦、發電量6.02萬億千瓦時，而其中火電占比分別為65%和70%左右。2016年，每千瓦時的電量中，有0.66千萬時是由火電產生的。巨大的煤炭消費帶來了一系列環境問題。近來，霧霾問題給我們帶來了越來越大的挑戰，京津冀的部分污染嚴重城市年霧霾爆發天數甚至達百天以上，而細顆粒物PM2.5是霧霾天氣的主要成因[1-2]。在嚴峻的灰霾天氣的形勢下，社會對近年來國家大力提倡的"超低排放"討論熱烈，認為濕法脫硫后的排煙溫度和SO3濃度對PM2.5的排放影響較大[3]。目前，國內外對濕法脫硫對細顆粒物PM2.5的脫除效率研究較少。李壯[4]等研究了國內某660 MW燃煤機組對PM2.5的排放特性。研究認為，首先濕法脫硫對各粒徑段的PM2.5均有增加；其次，當脫硫塔除霧器工作不佳時，PM2.5的排放量會明顯增加。陳牧[5]研究了濕法脫硫后液滴夾帶現象的成因和對周邊地區的危害，并提出了改善煙囪選型以減輕排煙中液滴夾帶現象。而朱法華[6]則認為濕法脫硫為中國的霧霾治理做出了卓越貢獻。朱法華的研究顯示，濕法脫硫可減少可過濾性顆粒物和SO3的排放，同時，濕法脫硫對煙氣濕度的增大不足以影響大氣的濕度。

本文以中國華北地區的兩個300 MW燃煤電廠的機組為研究對象，采用直接采樣法和稀釋采樣法比較出濕法脫硫前后二次顆粒的情況，并用稀釋采樣法測試燃煤機組煙氣中PM2.5經過濕法脫硫裝置后排放的PM2.5質量濃度和占比，以研究濕法脫硫裝置前后的PM2.5排放特性。

1 煙氣顆粒物采樣方法

1.1 直接采樣方法

常用的直接采樣法利用慣性力或離心力將煙氣中的顆粒物進行分級獲得 PM2.5，然后用收集介質收集。主要的采樣器有慣性撞擊分級器、虛擬慣性撞擊分級器和旋風分級采樣器。

圖1 采樣器原理示意圖Fig.1 Principle diagram of the sampler

慣性撞擊分級采樣法的原理如圖1中所示，煙氣通過加速噴嘴加速，然后 90°變向運動，不同粒徑顆粒物的慣性不同，即跟隨氣流運動的能力也不相同，小顆粒物容易隨氣流一起變向運動進入下游，而大顆粒物不容易跟隨氣流變向，從而撞到下方的收集板上[1]。粒徑小于切割粒徑(Dp50)的顆粒物將主要隨氣流進入下游，粒徑大于Dp50顆粒物將主要被捕集到收集板上，從而實現對煙氣中顆粒物的分級。

2009年國際標準化組織提出了利用慣性撞擊分級原理采集煙氣系統中 PM10 /PM2.5的標準采樣方法( ISO 23210:2009)。目前用于國內固定源采樣的慣性撞擊器多為粒徑分級更多的分級器，如PM-10三級分級采樣器、5級的DGI采樣器、十三級的低壓荷電撞擊器(ELPI)和八級的 Andersen 慣性分級采樣器。

1.2 稀釋采樣法

圖2 FPS-4000顆粒物稀釋采樣系統Fig.2 Principle of indirect sampling method

稀釋采樣法的原理是通過一段采樣管將高溫煙氣從煙道中引出，然后再與不含顆粒物的潔凈空氣混合，經稀釋降溫后煙氣溫度接近大氣環境溫度，最后用常規大氣顆粒物的采樣方法進行測定。該方法是一種基于大氣環境的采樣方法，模擬了高溫煙氣從排氣口出來與實際大氣的混合過程，是最接近固定源排放顆粒物在大氣環境中真實狀態的方法。經稀釋后采集的PM2.5既包括可捕集 PM2.5，也包括可凝結PM2.5，因此稀釋采樣方法被認為是更準確的固定源 PM2.5采樣方法，其結果比直接采樣法測得的可捕集PM2.5的質量濃度高。

稀釋采樣方法的主要裝置稱為稀釋通道，是該方法最關鍵的部分，主要參數包括稀釋比、停留時間和混合段雷諾數。2013年國際標準化組織提出了稀釋采樣法的標準(ISO 25597:2013)，該標準是以England等設計的便攜式稀釋通道為原型提出的。目前，細顆粒物稀釋采樣設備一般采用FPS-4000(Fine Particular Sampler dilution)。圖2是以FPS-4000為例的采樣系統示意圖。

2 測試系統與方法

2.1 實驗條件

本研究選定兩臺300MW燃煤機組作為研究對象。測試期間，機組負荷、燃燒煤種、運行條件保持穩定，具體機組參數如圖1所示。同時，兩臺機組的脫硝均采用選擇性催化還原(SCR)技術、除塵采用電除塵(ESP)技術工藝。

表1 固定源測試條件情況匯總Table 1 Summary of experimental conditions of stationary sources

本文選定的燃煤電廠脫硫工藝，均采用的是典型的石灰石-石膏(wet flue gas desulfurization，WFGD)濕法脫硫系統，如圖3所示。WFGD系統包含了以下部分：煙氣系統、SO2吸收系統、吸收劑制備系統、石膏脫水系統、工藝水系統、排空系統和脫硫廢水處理系統組成。

圖3 石灰石/石灰-石膏濕法脫硫工藝流程圖
Fig.3 Limestone / lime-gypsum WFGD flowchart

2.2 測試采樣方法

根據《火電廠煙氣中細顆粒物 (PM2.5)測試技術規范 重量法》(DL/T1520)標準要求，直接法采樣系統中旋風分離器、撞擊器應使用加熱包加熱，且加熱溫度為130±10℃，故本實驗對脫硫前后采用的加熱溫度130℃和120℃。

除塵器出口煙氣溫度通常低于120 ℃而且煙氣中低塵低濕，在該點位的顆粒物采樣難度較低，干擾因素較少，故采用直接采樣法(5級的DGI采樣器)進行樣品采集。在脫硫工藝出口采樣時，應當先采用稀釋系統將煙氣稀釋，稀釋后的煙氣濕度降低到露點以下，避免煙氣中水分在采樣膜前的采樣器或者煙槍中發生冷凝從而導致顆粒物的損失。

3 測試結果與分析

3.1 采樣方法的比較

直接采樣法收集到的顆粒物為一次顆粒，而稀釋采樣法可以捕集到一次顆粒和二次顆粒，兩種方法在同一測點的偏差，可以顯示出二次顆粒在該測點煙氣中的比重。

由表2可以看出，在脫硫設施前，直接采樣和稀釋采樣的結果偏差為0.38 mg/Nm3和0.43 mg/Nm3，說明細顆粒物中可凝結的細顆粒物占比較小；而脫硫后兩項結果偏差達到2.5 mg/Nm3和1.16 mg/Nm3，這說明可凝結顆粒物在脫硫后的顆粒物占比很大；兩種方法測得的顆粒物去除效率，直接法最高達到79.59%，而稀釋法只有45.30%。徐虹等人[10]的研究結果認為大氣中的PM2.5可溶性鹽占比達30%～50%；燃煤電廠煙氣中二次顆粒占比最高可達70%。Bangert 等人的研究認為，脫硫后煙氣中未與SO2反應的CaO/CaCO3在收集到采樣膜前形成了比表面積較大、粘附性較高的多孔結構，這一新生成的多孔結構與煙氣中的SeO2/As4O6等非金屬氧化物再次反應，生成微米甚至亞微米級的顆粒[11-12，15]。

表2 兩種采樣方法的對比Table 2 Comparison of two sampling methods

綜上所述，脫硫前煙溫一般高于102℃，含濕量較低，采樣條件相對簡單，可以采用直接法和稀釋法兩種方法采樣；脫硫后煙氣中二次顆粒增多，應采用稀釋法采樣。因此，本研究測定脫硫前后各粒徑段細顆粒物質量濃度時，均采用稀釋法。

3.2 PM2.5排放特性

圖4 300 MW機組各粒徑段去除效率Fig.4 The removal efficiency of particles in each particle size of 300 MW units

3.3 發散系數CD

發散系數 (coefficient of divergence, CD) 用以驗證兩變量之間的相似性，介于0～1之間。CD的值越小，表明兩變量之間的相似性越高，反之則越低[13-14]。CD的計算公式如下：

式中：j,k——變量，文中j為脫硫前，k為脫硫后；

P——分析元素的數量；

Xi，j——濃度，mg/Nm3。

圖5分析了兩個典型燃煤電廠脫硫前后不同粒徑段的相似性。A和B在0.5～1 μm處的CD值分別為0.3044和0.6129，在0.5～1 μm處的CDA明顯高于其它粒徑段。Wongphatarakul等人認為當CDj,k小于0.3時，變量j，k的相似性較高；當CDj,k值大于0.4時，j和k的相似性較低[13]。因此兩個測試機組在0.5～1 μm處的CD值與其他粒徑段相比均比較大，這說明0.5～1 μm粒徑段的顆粒物脫硫前后相似性低,；在0.2～0.5μm和 <0.2μm粒徑段內的CD值明顯小于0.1，表明脫硫前后這兩個粒徑段內的顆粒物相似度較高。這與之前的分析結果相一致。

圖5 燃煤機組的發散系數(CD)Fig.5 Divergence coefficient of coal-fired units(CD)

4 結論

(1)濕法脫硫(WFGD)在高效脫除燃煤煙氣SO2的同時，還可協同脫除煙氣中的飛灰顆粒物以及其他有害物質。本文用直接采樣和稀釋采樣兩種方法測得煙氣中的顆粒物的質量濃度，脫硫前兩種方法的測試偏差小于0.43 mg/Nm3，而脫硫后偏差達到2.56 mg/Nm3，表明濕法脫硫系統增加了煙氣中二次顆粒的比重。

(2)用稀釋采樣方法，測試了脫硫前后各粒徑段的顆粒物濃度， WFGD對2.5 μm以下的各粒徑段的顆粒脫除能力不同，脫除效率最低的粒徑段為0.5～1 μm。表明了濕法脫硫過程中，煙氣會夾帶少量石灰石漿液，對顆粒物尤其是細顆粒排放特性造成影響。

(3)燃煤機組的發散系數CD值在0.5～1 μm處均比較大，CDA 達到0.6129。說明濕法脫硫對0.5～1 μm的顆粒影響最大。

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(本文文獻格式：張智博，劉松濤，柳文婷，等.濕法脫硫系統對PM2.5脫除作用的研究[J].山東化工，2018，47(02)：140-143.)