燃煤工業(yè)鍋爐超低排放改造后微細顆粒物排放特征研究

文-張朋 譚厚章 許鑫瑋 張思聰 盧旭超 阮仁暉 劉長海 郝寶川

1 西安交通大學能源與動力工程學院 2 浙江西安交通大學研究院 3 西安市熱力總公司雁東供熱有限公司

隨著環(huán)保標準的日益嚴格，國內(nèi)燃煤電站全面實施了超低排放改造，大幅降低了污染物的排放。同時國內(nèi)很多燃煤工業(yè)鍋爐進行了污染物超低排放改造，相當一部分采用了與燃煤電站鍋爐相同的污染物脫除技術，即布袋/靜電除塵+濕法脫硫+濕式電除塵。

本研究利用自行設計的微細顆粒物取樣系統(tǒng)，對超低排放改造后的燃煤工業(yè)鍋爐產(chǎn)生和排放的微細顆粒物進行了現(xiàn)場測試采樣工作。本實驗得到的數(shù)據(jù)可以幫助深入了解燃煤工業(yè)鍋爐超低排放改造后微細顆粒物的排放水平，對于準確評估燃煤鍋爐對霧霾的貢獻具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗對象

本研究選擇兩臺超低排放改造的循環(huán)流化床鍋爐和鏈條爐 ，鍋爐容量分別為150 t·h-1和100 t·h-1，均采用布袋除塵+濕法脫硫+濕式電除塵。鍋爐的基本信息見表1，燃料特性見表2。

表1 鍋爐的基本信息概況

表2 燃料特性（收到基）%

1.2 采樣系統(tǒng)及測試流程

取樣點布置在煙氣凈化設備前后，鍋爐2濕法脫硫塔和濕式電除塵器之間沒有取樣點。測點位置的選擇遵循《固定源廢氣監(jiān)測技術規(guī)范》和《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》。取樣系統(tǒng)如圖1所示。為防止煙氣中的水蒸汽發(fā)生異相成核凝結(jié)而導致顆粒物長大，取樣槍、切割器、膜托以及它們之間的連接管均加熱到100℃。

圖1 濾膜法顆粒物取樣系統(tǒng)圖

實驗中具體測試流程如圖2所示。用天平和離子色譜儀分別獲得顆粒物濃度和水溶性離子組成（包括和等9種離子）。

圖2 測試流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 爐膛出口微細顆粒物排放特征

如圖3所示，鍋爐1爐膛出口微細顆粒物的濃度大于鍋爐2。這與鍋爐燃燒方式不同有關，鍋爐1爐內(nèi)燃燒和氣體流動更加劇烈，增加了顆粒之間、顆粒與壁面之間碰撞，導致大顆粒更容易破碎成微細顆粒物，同時顆粒物與氣流之間的相對運動十分強烈，導致大量的微細顆粒物被煙氣帶出爐膛；鍋爐2采用層燃燃燒方式，爐內(nèi)燃燒及氣體流動的劇烈程度不如鍋爐1，導致鍋爐2爐膛出口微細顆粒物濃度低。由圖4可知，鍋爐2爐膛出口煙氣中PM2.5、PM1占PM10的比例要高于鍋爐1，這說明鍋爐2產(chǎn)生的顆粒物的粒徑較小。

圖3 爐膛出口微細顆粒物濃度

圖4 爐膛出口PM2.5、PM1分別PM10的比例

2.2 煙氣凈化設備對微細顆粒物排放特征的影響

2.2.1 除塵器對微細顆粒物排放特征的影響

如圖5所示，鍋爐1的布袋除塵器對PM10、PM2.5、PM1的脫除效率98.12%～99.56%。鍋爐2的布袋除塵器對PM10、PM2.5、PM1的脫除效率只能達到90.0%～93.6%。設計布袋除塵器時，通常根據(jù)環(huán)保標準確定除塵器出口顆粒物濃度，不同爐型燃煤工業(yè)鍋爐布袋除塵器出口顆粒物濃度的設計值相差不大，循環(huán)流化床產(chǎn)生的微細顆粒物濃度遠大于層燃爐，導致鏈條爐的布袋除塵器的除塵效率小于循環(huán)流化床鍋爐。

圖5 除塵器對微細顆粒物的脫除效率

2.2.2 脫硫塔和濕電對微細顆粒物排放特征的影響

濕法煙氣脫硫裝置不僅能有效減少SO2，還能影響微細顆粒物的濃度。如表3所示，鍋爐1脫硫塔對微細顆粒物的脫除效率在17.5%～31.4%，顆粒物粒徑越大，脫硫塔的脫除效果越明顯。粒徑較小的顆粒物一方面很難被脫硫漿液的淋洗作用以及除霧器的攔截作用脫除；另一方面粒徑較小的脫硫漿液會在氣流的沖刷作用下被攜帶出來。

鍋爐1脫硫塔出口微細顆粒物濃度未出現(xiàn)逆增長，這與所使用的4層噴淋層+2級屋脊式除霧器技術有關。鍋爐1的濕式電除塵對3種不同粒徑范圍的微細顆粒物的脫除效率范圍為36.4%～42.9%。鍋爐2脫硫塔和濕式電除塵對微細顆粒物的聯(lián)合脫除效率范圍為56.3%～62.8%；鍋爐1脫硫塔和濕式電除塵對微細顆粒物的聯(lián)合脫除效率范圍為47.5%～60.8%。可見脫硫塔和濕式電除塵對微細顆粒物的脫除效果較為明顯，建議《技術指南》應當補充將脫硫塔和濕式電除塵器對微細顆粒物的脫除效率。

表3 脫硫塔和濕式電除塵對微細顆粒物的脫除效率 %

2.2.3 各測點PM2.5占PM10的比例

如圖6所示，煙氣從鍋爐出口依次經(jīng)過除塵器、脫硫塔和濕式電除塵器，PM2.5占PM10的比例也在不斷增加，各煙氣凈化設備對粒徑較大的顆粒物的脫除效果更為明顯。最終鍋爐1和鍋爐2濕電出口PM2.5占PM10的比例分別為85.2%和88.6%。

圖6 各測點PM2.5占PM10的比例

3 PM2.5中水溶性離子組成

SO42-是兩臺燃煤鍋爐產(chǎn)生的PM2.5中含量最為豐富的離子（圖7），其占水溶性離子的質(zhì)量分數(shù)分別為58.5%和54.1%。兩臺鍋爐產(chǎn)生的PM2.5中陽離子差異較大，鍋爐1中Ca2+的含量最高；而鍋爐2中Na+含量最高。鍋爐1為循環(huán)流化床鍋爐，在燃燒時爐膛內(nèi)添加氧化鈣來脫除煙氣中的SO2，導致較多的Ca2+排出爐膛；鍋爐2燃燒溫度低，含鈣礦物質(zhì)不易氣化還原，導致Na+含量較高而Ca2+含量較低。鍋爐1和鍋爐2的爐膛出口測點均位于脫硝系統(tǒng)之后，但鍋爐2產(chǎn)生的PM中NH+2.54的質(zhì)量百分比和濃度要遠高于鍋爐1，鍋爐1采用爐內(nèi)噴鈣脫硫和SNCR脫硝，使得煙氣中SO3的濃度較低，導致與脫硝系統(tǒng)逃逸的NH3反應生成的NH4+的量較少。

SO42-和Na+是鍋爐1和鍋爐2最終排放的PM2.5中最豐富的水溶性離子。與爐膛出口相比，最終排放的SO42-的質(zhì)量分數(shù)有所下降，鍋爐1下降更加明顯。

圖7 PM2.5中水溶性離子組成

4 微細顆粒物的排放因子

由表4可知，控制前兩臺鍋爐微細顆粒物排放因子差別比較大，控制后差別很小，經(jīng)過煙氣凈化設備，三種粒徑范圍的顆粒物排放因子明顯降低。

表4 測試鍋爐控制前和控制后PM10、PM2.5和PM1的排放因子 kg·t-1

將本研究得到的PM2.5的排放因子與相關文獻中的排放因子進行統(tǒng)計，如圖8所示。鍋爐之間PM2.5的排放因子差別較大，這與燃燒方式、煤質(zhì)、污染物脫除技術等因素相關。經(jīng)過超低排放改造后，燃煤工業(yè)鍋爐的微細顆粒物排放因子顯著降低。

圖8 燃煤鍋爐PM2.5排放因子

5 結(jié)論

（1）布袋除塵器對CFB鍋爐微細顆粒物的脫除效率可達98.12～99.56%，鏈條爐爐膛出口微細顆粒物濃度較低，脫除效率僅為90.0%～93.6%。脫硫塔和濕式電除塵對微細顆粒物的聯(lián)合脫除效率約為50%～60%。《技術指南》中應當補充脫硫塔和濕電兩種設備的脫除效率。

（2）氣凈化設備對大粒徑顆粒物的脫除效果明顯，兩種鍋爐最終排放的PM2.5占PM10的百分比為85.2%～88.6%。

（3）爐膛出口PM2.5水溶性離子中SO42-最豐富；最終排放的PM2.5水溶性離子中陰陽離子最豐富的分別為SO42-、Na+。

（4）經(jīng)過超低排放改造后，燃煤工業(yè)鍋爐的微細顆粒物排放因子顯著降低，兩臺鍋爐PM10、PM2.5和PM1的排放因子分別為0.028～0.033 kg·t-1、0.025～0.028 kg·t-1和 0.014～0.017 kg·t-1。