超低排放下燃煤電廠顆粒物排放特征分析研究

李小龍，周道斌，段玖祥，張文杰，李軍狀，嚴俊波

國電科學技術研究院，江蘇 南京 210046

近年來，以PM10、PM2.5為特征污染物的大氣環境問題日益突出，區域復合型大氣霧霾污染已引起全社會的廣泛關注[1]。PM2.5作為主要大氣污染物之一[2]，其排放增多是引起區域性霧霾的主要原因[3]。大氣顆粒物源解析結果表明，燃煤對大氣細顆粒物的貢獻在20%左右，排在污染源貢獻的前三位[4-7]。燃煤電廠作為煤炭消費大戶，其污染物排放對大氣細顆粒物的貢獻不容忽視。因此，近年來，國家加大對燃煤電廠大氣污染物排放的治理力度。

顆粒物作為燃煤電廠排放的主要大氣污染物之一，其排放標準尤為嚴格。2014年7月，中國史上最嚴《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)全面施行，燃煤機組顆粒物特別排放限值低至20 mg/m3(文中涉及顆粒物濃度均指基準氧含量6%條件下)[8]。但由于總量控制的嚴峻形勢，東部地區霧霾頻發及環保理念的普及，社會對燃煤電廠大氣污染物排放提出了更高要求，于是超低排放的概念被提出。隨著三部委聯合發布《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(簡稱“《行動計劃》”)[9]，燃煤機組超低排放改造全面展開，且《行動計劃》中關于燃煤機組顆粒物超低排放限值降至10 mg/m3，一些地區甚至自主提出5 mg/m3的排放限值。

自最嚴火電排放標準施行及超低排放改造開展以來，燃煤電廠大氣顆粒污染物排放水平大幅降低，對大氣環境的改善起到了積極作用。目前，關于超低排放條件下燃煤電廠顆粒物排放特征的研究報道較少，大多是超低排放改造之前的報道[1,7,10]。在當前超低排放條件下，本研究實測典型燃煤電廠濕法脫硫(WFGD)和濕式電除塵器(WESP)進出口煙氣中不同粒徑顆粒物濃度，分析研究超低排放條件下燃煤電廠顆粒物的排放特征及除塵器后不同凈化設備對煙氣顆粒物的脫除效果，并計算得到顆粒物排放因子，為今后相關環保政策的施行提供參考依據。

1 研究對象

選取6家經過超低排放改造的典型燃煤電廠的機組作為研究對象，機組容量均在300 MW以上，在機組滿負荷且工況和煤質基本穩定的條件下，測試WFGD、WESP進出口不同粒徑顆粒物濃度。各電廠機組容量及除塵設備情況見表1(其中滿負荷燃煤量、煙氣量及除塵器除塵效率由第三方檢測報告提供)。試驗期間，各電廠燃燒煤質分析參數見表2。6家電廠均安裝有電場數至少4個高效電除塵器，各電廠脫硫系統均為WFGD系統，除電廠1無WESP外，其他電廠均有。

表1 6家電廠機組容量及除塵設備情況Table 1 Unit capacity and dust removal equipment of 6 power plants

注：“—”表示相關數據未提供。

表2 6家電廠試驗期間煤質分析參數Table 2 Coal analysis parameters of 6 power plants during sampling

注：“—”表示相關數據未提供。

2 測試方法

2.1 相關標準

燃煤電廠煙氣顆粒物的采樣測定，一般依據《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)進行[11]，但該方法對于顆粒物濃度低于50 mg/m3的測定誤差較大，且無法分級測定不同粒徑細顆粒物濃度。超低排放下，燃煤電廠除塵器出口顆粒物濃度大多低于50 mg/m3，除塵器之后各凈化設備出口顆粒物濃度將更低。因此，該測定方法早已不能滿足當前國內的監測現狀，而有關固定污染源低濃度及細顆粒物的測定標準，國內還在加緊制定中。為應對固定污染源低濃度細顆粒物監測的問題，國內環境檢測機構大多依據國外標準，采用進口或國外技術國產化的設備進行采樣和測定。

本文有關燃煤電廠煙氣中總顆粒物(TPM)及不同粒徑細顆粒物的測試方法，以GB/T 16157—1996標準為基礎，并主要借鑒于ISO[12-13]和US EPA[14]相關測定標準。

2.2 測定方法

TPM使用3012H-D型煙塵(氣)采樣儀及配套的低濃度膜法采樣槍采樣測定，低濃度膜法采樣槍示意圖如圖1所示。使用等速網格法采樣，每個測試點進行3次平行采樣，采樣結束后將采樣嘴及石英濾膜整體烘干稱重，稱重天平精度為0.01 mg，根據測試前濾膜及采樣嘴的空白稱重和標準狀態下采氣體積，計算得到顆粒物濃度。

注：1.采樣嘴；2.濾膜托架；3.采樣管；4.采樣槍固定套；5把手；6皮托管。圖1 低濃度膜法采樣槍示意圖Fig.1 Low concentration sampling lance by use of filter membrane

細顆粒物的分粒徑測定使用芬蘭生產的撞擊采樣器(DPI)進行采樣測試，采樣器由一級旋風采樣器、三級慣性撞擊采樣器及后置濾膜構成，DPI采集PM10、PM2.5流程圖如圖2所示。煙氣經過加熱采樣槍，進入旋風采樣器，空氣動力學直徑(Da)大于10 μm的顆粒物首先被切割分離，然后進入三級撞擊采樣器，第一級撞擊膜收集的為旋風采樣器未去除的小部分Da>10 μm的顆粒物，第二級撞擊膜收集的為2.5 μm

注：1.加熱采樣槍；2.旋風采樣器(加熱)；3.撞擊器+濾膜(加熱)；4.汽水分離器；5.干燥器；6.流量計；7.采樣泵；8壓力表。圖2 DPI采集PM10、PM2.5流程Fig.2 The flow chart of DPI collecting PM10,PM2.5

3 結果與討論

3.1 顆粒物測試結果

表3為各電廠WFGD、WESP進出口煙氣顆粒物分粒徑測試結果。可見，6家電廠脫硫入口TPM、PM10、PM2.5、PM1濃度分別為10.15～21.90、7.29～13.62、4.67～8.45、3.25～3.99 mg/m3；脫硫出口/濕電入口TPM、PM10、PM2.5、PM1濃度分別為2.06～6.50、1.79～5.70、1.49～4.71、0.99～3.04 mg/m3；濕電出口/煙囪入口TPM、PM10、PM2.5、PM1濃度分別為0.75～2.21、0.71～2.12、0.65～1.96、0.51～1.57 mg/m3。由于電廠煤質情況、機組工況、凈化設備的差異，不同電廠凈化設備前后測定的顆粒物分粒徑濃度存在明顯差異。

表3 6家電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1測試結果Table 3 Determining results of particles in 6 power plants mg/m3

注：“—”表示相關數據未測試或未提供。

分析測試結果發現，6家電廠煙囪入口TPM排放濃度均值為1.69 mg/m3，遠低于超低排放限值要求的10 mg/m3或5 mg/m3。此外，煙氣經過WFGD、WESP后，各粒徑段顆粒物濃度均不同程度降低。

3.2 顆粒物粒徑分布與脫除情況

圖3為各電廠除塵器后不同凈化設備進出口煙氣顆粒物分粒徑質量濃度百分比分布圖。

圖3 顆粒物分粒徑濃度百分比Fig.3 Mass concentration fractions of particles with different diameters

由圖3(a)可知，脫硫入口PM>10質量濃度占TPM比例為28.18%～37.81%，低于PM10占TPM 62.19%～71.82%的比例，這主要是因為燃煤煙氣進入脫硫設備之前經過高效電除塵器脫除了大部分大粒徑顆粒物，而電除塵器對小粒徑顆粒物脫除效率不高引起的[15-16]。另外，脫硫入口PM2.5～10、 PM1～2.5、PM1的占比比較接近。由圖3(b)可知，煙氣經過WFGD后，脫硫出口/濕電入口PM>10質量濃度百分比大幅降低，同時PM2.5～10的比例也顯著下降，而PM1～2.5的比例小幅上升，PM1的比例大幅升高，顯然WFGD對PM>2.5的脫除效果優于PM2.5。由圖3(c)可知，煙氣經過WESP后，濕電出口/煙囪入口PM>2.5繼續下降，而PM1～2.5的比例首次出現下降，而PM1的比例則進一步升高，這表明WESP對PM>1脫除效果優于PM1。

如前所述，經超低排放改造后，6家電廠電除塵器效率大多在99.80%以上，煙氣經過除塵器脫除了大部分顆粒物，隨后經過WFGD、WESP繼續除塵，煙氣經過二級或三級的除塵設施，保證了較高的總除塵效率，確保了顆粒物排放水平滿足超低排放要求。圖4為WFGD、WESP對不同粒徑顆粒物的脫除效率。由圖4可知，WFGD對TPM的脫除效率為59.31%～83.38%，而WESP對TPM的脫除效率為60.71%～78.15%。分析可知，兩者的綜合除塵效率在85%以上。與其他電廠不同的是，電廠1未使用WESP，而是在除塵器后采用改進版的WFGD技術即脫硫除塵一體化技術，保證脫硫效率的同時滿足較高的除塵效率，如圖4(a)所示，其對顆粒物的脫除效率達到85%左右，遠大于其他電廠的濕法脫硫系統。因此，通過超低排放改造，6家燃煤電廠電除塵器后各環保設施的綜合除塵效率大多在85%以上，確保顆粒物排放限值滿足超低排放要求。

圖4 顆粒物分粒徑脫除效率Fig.4 Removal efficiency of particles with different diameters

去掉電廠1的特殊情況，比較了其他電廠WFGD、WESP對顆粒物的脫除效果發現，WESP對不同粒徑顆粒物的脫除效率均高于WFGD。從圖4可見，不管是WFGD還是WESP，顆粒物粒徑越小，其脫除效率越低，這也驗證了大多研究所報道的，小粒徑顆粒物比大粒徑顆粒物更難脫除的觀點。

3.3 顆粒物排放因子

根據表3中各電廠顆粒物分粒徑濃度排放值，結合表1中各電廠滿負荷煙氣量、燃煤量、機組負荷數據，計算6家電廠不同粒徑顆粒物排放因子，結果見圖5。

圖5 各電廠顆粒物分粒徑排放因子Fig.5 Emission factors of particles with different diameters of power plants

由圖5(a)可知，以燃煤量計，各電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1的排放因子分別為6.2～19.2、 5.9～17.6、5.4～16.2、4.2～13.0 g/t。由圖5(b)可知，以發電量計，各電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1排放因子分別為2.5～8.3、2.4～7.1、2.2～6.6、1.7～5.3 g/(MW·h)。此外，從電廠1～電廠6，隨著機組容量的增大，顆粒物排放因子總體呈下降趨勢。

王圣等[10]研究超低排放改造之前典型燃煤電廠細顆粒物排放特性表明，300 MW以上機組TPM、PM10、PM2.5單位燃煤量排放因子分別為156.1～258.2、142.4～224.8、74.7～121.5 g/t，遠高于本文研究所計算得到的燃煤電廠顆粒物排放因子。這說明，通過超低排放改造，燃煤電廠的大氣顆粒物污染物排放控制水平得到了較大改善。

與國外相比，GOODARZ[17]研究了加拿大3家燃煤電廠細顆粒物排放特征。結果表明，其單位發電量TPM、PM10、PM2.5排放因子分別為39.0～118.0、28.0～67.0、13.0～16.0 g/(MW·h)，高于本研究計算的燃煤電廠顆粒物排放因子。以本研究的6家電廠燃煤灰分為變量，使用US EPA頒布的《空氣污染物排放系數匯編(AP-42)》中顆粒物排放因子計算公式[18]，得到在相同燃煤灰分條件下，美國燃煤發電廠單位燃煤量TPM、PM10、PM2.5的排放因子分別為67.6～203.7、56.3～169.8、33.8～101.9 g/t，同樣也高于本研究燃煤電廠顆粒物排放因子。這表明，通過實施超低排放改造，國內燃煤電廠大氣顆粒污染物排放因子已遠低于西方發達國家，燃煤電廠煙氣顆粒物的排放控制水平已處于國際領先水平。

4 結論

1) 實測6家典型燃煤電廠超低排放條件下煙氣顆粒物排放情況。結果表明，各電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1排放濃度分別為0.75～2.36、0.71～2.12、0.65～1.96、0.51～1.57 mg/m3。TPM排放均值為1.69 mg/m3，遠低于超低排放限值10 mg/m3或5 mg/m3。

2) 煙氣經除塵器后，脫除了大部分大粒徑顆粒物，脫硫入口PM10占TPM的質量比高于60%，而PM>10顆粒物占TPM比例低于40%。煙氣經WFGD后，PM>2.5顆粒物比例顯著降低，而PM2.5比例大幅上升，表明WFGD對PM>2.5顆粒物有顯著脫除效果；而當煙氣經過WESP后，PM>1比例顯著降低，而PM1比例大幅上升，表明WESP對PM>1有顯著脫除效果。

3) 通過超低排放改造，6家燃煤電廠電除塵器之后凈化設備的綜合除塵效率大多在85%以上，確保了煙氣顆粒物的排放水平滿足超低排放標準。WESP對煙氣顆粒物的脫除效果優于WFGD，但隨著顆粒物粒徑的減小，2種脫除設備的脫除效率均逐漸降低。

4) 6家燃煤電廠TPM、PM10、PM2.5、PM1單位燃煤量排放因子分別為6.2～19.2、 5.9～17.6、5.4～16.2、4.2～13.0 g/t；單位發電量排放因子分別為2.5～8.3、2.4～7.1、2.2～6.6、1.7～5.3 g/(MW·h)。與國內超低排放改造之前同等級的燃煤電廠相比，6家燃煤電廠顆粒物排放因子顯著下降，也遠低于西方發達國家燃煤電廠顆粒物排放因子，這表明，超低排放改造之后，國內燃煤電廠顆粒物排放控制水平已處于國際領先水平。

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