燃煤鍋爐大氣污染物自動監測達標判定研究

孟煜東MENG Yu-dong

（晉能控股煤業集團環境保護部，大同037007）

0 引言

全球煤炭消耗量約為7700 公噸，煤炭提供了全球約40%的電力。中國的能源結構極大地依賴于煤炭，因為煤炭資源豐富，成本低，而且它提供了一個安全穩定的能源來源。因此，中國的煤炭消費占全國一次能源消費總量的60%以上。2014年，中國的煤炭生產和消費分別占全球煤炭總量的49.6%和50.6%。截至2018年，中國已安裝電力發電裝機容量最大，總裝機容量達936 千兆瓦。由于電力需求的迅速增長，煤炭消耗量預計將會增加。除了常見的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物的排放外，燃煤鍋爐還會產生潛在的高溫微粒污染物。來自燃煤鍋爐的高危險廢物對人類健康和環境造成了極大的危害。

1 燃煤鍋爐的大氣污染物概述

煤燃燒后，煤中的高溫熱釋放物（A，Pb，Hg）濃縮，或吸附在飛灰中，或富集在石膏中，在煤燃燒過程中，高溫熱釋放物濃度通常低于100ppm，相對于顆粒物或氣態污染物（煤煙、酸性氣體、氮氧化物、二氧化硫和二氧化碳），但這些高溫熱釋放物造成非常嚴重的環境損害，難以控制。有研究學者指出，煤燃燒過程中高溫熱釋放物的含量因煤種不同而不同。在煤中，高溫熱釋放物以不同的形式存在，部分與有機物有關，部分與煤的礦物質有關，因此，總高溫熱釋放物是有機和無機煤的總和。

2 燃煤污染物政策控制標準

近年來，中國政府發布了《煤炭節能減排改造升級行動計劃》，規定江蘇、浙江等省份的PM、O2和NOX排放限值分別為5mg/m3、35mg/m3和50mg/m3。為了達到超低能量標準，大多數循環流化床鍋爐都對EP、CR 和WFGD 系統進行了改進，例如，目前在靜電除塵器入口安裝LTE 以積累廢氣產生的熱量，并安裝WEP 以收集超細顆粒和氣溶膠。

高溫污染物排放對生態系統和公共衛生的嚴重負面影響已引起全國的廣泛關注。我國《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）對鉛排放進行了規范，《環境空氣質量標準》（MEP2011，（MEP）2012）也對汞排放進行了限制。隨后，在2000年至2010年期間，更換小型生產設備以及安裝和操作先進的大氣污染治理裝置系統，特別是煙氣脫硫裝置的政策大大降低了燃煤循環發電廠向大氣中排放高溫污染物的最終速率。在中國，對于燃煤鍋爐排放到大氣中的高濃度排放標準，除了汞，沒有其他特定的含汞物質，限值為30mg/m3。1996年，美國國家環境保護局頒布了《空氣污染物綜合排放標準》，將Cr 的排放濃度限制在80mg/m3，Pb 的排放濃度限制在80900mg/m3。

目前，處理PM2.5 問題是最具挑戰性的，因為其形成過程復雜，有多種前體和來源的貢獻。因此，中國的空氣質量管理已經轉變為一種新的模式：與最初側重于單一污染物或單一部門的控制行動不同，空氣質量管理現在已經重新設計，通過區域或國家一級的廣泛協調，減少多個部門的多種前體。最近，中國發起了一系列運動，包括2018年至2020年的短期“藍天防御戰”，以及到2035年的長期“美麗中國”目標。后者要求從根本上改善中國的空氣質量，特別是要求中國所有城市在2035年前將PM2.5年度濃度降至35μg/m3以下（世界衛生組織建議的中期目標-1 水平）。為了實現這一目標，除了采取更加嚴格的管端控制措施外，深入調整產業結構和能源系統的去碳化也是至關重要的。

2014 年，國務院辦公廳發布了《2014-2020年能源發展戰略行動計劃》，要求實施燃煤電廠升級改造方案，并要求現有600MW 以上（空冷機組除外）發電機組在5年內將煤耗降至300g/kWh。對此，國家自然資源保護委員會發布了《2014-2020年節能減排循環發電站升級和重建行動計劃》。新的成套技術標準包括：到2020年，現有的循環流化床發電裝置經過必要的改進后，平均供電煤耗率應≤310g/kWh。其中≥600MWe 機組平均供電煤耗率≤300g/kWh，新建循環流化床鍋爐原則上采用≥600MWe 超臨界機組和1000MWe 級機組設計供電煤耗率≤282 和≤299g/kWh，600MWe 級機組設計供電煤耗≤285 和≤302g/kWh。

3 大氣污染自動監測系統的設計

3．1 系統功能及相關規范

環境空氣監測系統主要用于監測發電廠周圍的環境空氣。該系統應連續自動監測SO2、NOX、CO、TSP 和PM10（mg/Nm3）濃度，以及環境溫度、濕度、風向、風速和氣壓等氣象參數。該系統包括環境空氣監測站（固定變電站）的采樣系統、分析儀和監測裝置、校準系統、數據采集、處理、輸出、顯示和打印系統。

環境空氣監測系統主要包括：①環境空氣的SO2脈沖熒光分析儀、環境空氣的化學發光分析儀、環境空氣的CO分析儀、環境空氣的TSP 監測儀和環境空氣的PM10 監測儀。②自動監測環境溫度、濕度、風向、風速、氣壓等氣象參數的裝置。③自動控制系統，包括風機、過濾隔膜、閥門電纜、取樣管等。④校準系統（包括各種氣體的校準系統、零氣體發生器和動態稀釋校準器）和一瓶標準氣體SO2、一瓶標準NOX和一瓶標準CO。⑤計算機控制系統和DAS，包括數據采集裝置、計算機、打印機、DAS 系統指令、控制軟件和通信軟硬件等。

系統經過合適的設備組裝和設計，具有經濟、合理、先進、自動化程度高、運行可靠、維修方便的優點，在本文設計的環境大氣檢測系統中，二氧化硫分析儀、氮氧化物分析儀、一氧化碳分析儀連接到校準系統，校準系統采用穿透管，連接到各種標準氣體瓶。DAS 系統能同時采集、處理和記錄SO2、NOX、CO、TSP、PM10、溫度、濕度、風向、風速、氣壓等數據。該系統可實現自動在零點和滿點之間工作，并與中央監控站進行通信。這個固定站能夠與中心站進行有線通信。DAS 具有自動零點校準和跨距校準功能。輸出的印刷表格符合中國環保局的要求。氣動傳感器安裝在氣動塔架上，所有分析儀、校準儀、標準氣瓶及其架子、DAS、汽油發電機及空調機均妥善放置在車內或防塵及防震的房間內。分析儀安裝在專用柜內，固定在車內或房間內。所有分析儀均能連續自動監測，并發出高限報警信號。數字輸出應提供儀器狀態。該分析儀能自動補償溫度和壓力，并保持樣品流量恒定。對于NOX的分析，采用氣體滴定法校準換算系數，并提供換算系數軟件。采用自適應信號對響應時間進行優化。

3.2 系統布局

對于系統的氣體抽樣系統，采樣器收集氣體擴散由于梯度建立之間的環境空氣和合適的吸附材料。用于評估空氣質量的擴散取樣測量技術可以提供一種成本效益高的替代方法，用于按照指令的要求進行大規模測量以繪制空氣質量分布圖。原則上，被動取樣是一個完美的工具，用來描述那些預計將超過限值的地區，以及那些需要其他評估方法來符合中國環境保護局的地區。與主動采樣器不同的是，擴散采樣器依靠擴散使污染物與吸附劑接觸。與依賴于泵的主動采樣方法相比，該方法的主要優點是：成本效益高，簡單易行，大型擴散采樣器的潛力不需要任何電源，因此可以在大多數場地測量污染物。然而，由于表觀采樣率低，通常需要至少1 周的采樣時間。取樣系統應符合中國環保局的要求和環境空氣連續監測的等效標準。每個變電站室都有自己的取樣系統和流量控制閥面板內部安裝。所有微粒過濾墊均位于中心位置，便于維修，確保所有樣品/零/跨距氣體流量均能正確通過每臺分析儀的入口端口，從取樣點到測量分析儀的距離最小，以滿足適當的取樣要求。

對于系統的測量傳感器模塊，臺站的設備、位置和類型取決于幾個因素：排放的類型和強度；大氣環境中存在的污染物類型；地方和國際立法要求、標準和準則；初步評估提供的補充資料；人口暴露；臺站的設置；大氣污染的預期趨勢。臺站的類型與宏觀坐標有關，宏觀坐標是用來確定固定臺站所在的位置的。因此，坐標標準和地方立法也影響到每個站安裝的設備類型，這些設備是為測量不同的污染物而設計的。

項目采用日常自動校準檢查?？諝赓|量監測系統將設置為在設定的時間間隔內進行自動校準，通常在每天早上1:00 左右開始。被監測的氣體被注入分析器，并在數據記錄器中記錄在SPAN 報告中。為了驗證氮氧化物分析器的數據，每天進行自動校正檢查，通過引入高濃度的氮氧化物氣體，驗證分析器對“零”和“跨度”的響應。每日校準檢查產生一個實際的零點和實際跨度響應值，存儲在記錄器上的校準文件中。然后使用校準結果創建一個校準因子，該校準因子用于重新分布數據。當分析儀處于自動校準數據可以排除時需要注意的問題。

數據采集和控制中心是實時數據管理功能的核心。它訪問監測站，從中提取數據，并將這些數據組織到數據庫中。它還提供了自動數據驗證、高級數據處理和計算、報告生成和許多其他特性的可能性。任何數據，實時的和歷史的，可以提供給未來進行參考。

除此之外，在使用的過程中需要特別注意用于校準儀器的標準氣體混合物的制備和維護。由于有些分析儀包括內部校準設備，而其他則沒有，因此負責監測網絡的主要實驗室必須熟悉這些技術，以便對數據質量提供持續的保證。此外，臭氧和二氧化氮測量的質量控制是通過氣相滴定法進行的，這種方法可以用來在常規時間基礎上檢查從臭氧和氮氧化物分析儀得出的數據的質量。

4 結束語

綜上所述，本研究所涵蓋的具體領域包括健康影響、未來煤炭生產和消費、中國煤炭中高溫污染物的現狀、選定高溫污染物的化學、控制技術、政策和保障排放控制的行動計劃。本文強調，中國要實現可持續發展，必須建立和推廣高效、清潔的煤炭資源利用途徑。