煤粉鍋爐煙氣中細顆粒物排放特征與控制綜述

高原 王振平 閆立倉 白世剛 沈小瑞

(陜西煤業新型能源科技股份有限公司神木分公司，陜西 榆林 719300)

0 引言

隨著我國工業化的迅速推進，重工業污染的環境問題逐漸受到人們的普遍關注，特別是以細顆粒物引起的霧霾和光化學污染的大氣環境問題日漸凸顯。細顆粒物是指能夠穩定地懸浮于空氣中，直徑等于或小于2.5μm的顆粒物，通常采用PM2.5和PM1.0表示。細顆粒物吸入過量會引發肺部炎癥以及肺部纖維化，甚至損壞遺傳物質，導致器官癌癥病變等。我國氣象數據表明，2013年以來，各大城市霧霾天數陡增，因此，降低大氣中細顆粒物是各大城市亟需解決的熱點問題。

我國大氣中細顆粒物主要來源于燃煤鍋爐發電與供熱、機動車尾氣排放、混凝材料制備與使用行業等，其中燃煤鍋爐煙氣中細顆粒物的貢獻率最高，貢獻比約占總數的15.5%。盡管近些年針對《鍋爐大氣污染物排放標準》，燃煤鍋爐企業采取了比較嚴格的細顆粒物排放措施，其細顆粒物的貢獻率仍然占據各行業的首位。對燃煤鍋爐煙氣中細顆粒物特征的研究與控制是分析環境影響的基礎，如何降低大氣中的細顆粒物含量需要大量的研究工作。

針對煤粉鍋爐煙氣中細顆粒物控制的實際需要，對現有文獻進行總結，綜述了細顆粒物的測試方法、成分特征與形貌特征以及控制方法等，為可凝結性細顆粒物的去除提供參考。

1 細顆粒物的測試方法

對細顆粒物的濃度測試包括質量濃度和粒數濃度，粒數基排放因子的變化與細顆粒物的濃度變化一致，而與質量濃度的相關性較小[1]。細顆粒物粒數濃度的準確性與鍋爐煙氣的取樣位置和測試方法有關。陸炳等的研究結果表明，在除塵器下載灰所測量的煙塵特征成分不能真實反映鍋爐煙氣中細顆粒物的成分，認為稀釋煙道采樣能夠有效獲得細顆粒物的成分譜[2]。測定凝結性細顆粒物的方法主要有稀釋冷凝法和沖擊能凝法，稀釋冷凝法是將采集的煙氣與干凈空氣混合，使氣態細顆粒物冷凝成固態顆粒物后，通過濾膜進行捕集。沖擊冷凝法采集沖擊冷凝瓶和濾膜對細顆粒物進行收集[3]。馮小瓊等[4]也采用荷電低壓顆粒物撞擊器(ELPI+)和煙槍系統測量了燃煤鍋爐煙氣中細顆粒物的粒徑分布和濃度。而工程實際中，鍋爐煙氣顆粒物的在線檢測數據均低于實驗室測試方法得到的顆粒物的濃度，主要是由于煙氣中的SO2和可溶物溶解在蒸汽霧滴里時，造成了可溶性顆粒物的監測逃逸[1]。

2 細顆粒物的排放特征

燃煤鍋爐煙氣中細顆粒物排放是我國大氣中的PM2.5和PM1.0的主要來源，為了達到有效控制燃煤鍋爐中細顆粒物的排放的目的，需要對其成分特征和形態特征進行系統的研究。

現有文獻中的研究結果表明，燃煤鍋爐細顆粒物除TC和OC外，主要由游離金屬顆粒物和水溶性顆粒物組成，兩者均具可凝結性。游離金屬顆粒物種類與煤種的選取有關，源于煤粉的飛灰中，即元素通過氣化-凝結形成了游離金屬顆粒物，通過痕量元素分析，結果顯示，金屬凝結顆粒物主要為As、Se、Cd、Sb、Hg、Zn和Ni等[5]。燃煤鍋爐濕法脫硫包含單堿法脫硫和雙堿法脫硫，胡月琪等[7]研究結果表明，采用MgO或NaOH脫硫時，Mg2+和Na+是其特征離子，采用碳酸氫銨脫硫劑脫硫時，NH4+和NO3-是其排放的特征離子。石灰與碳酸鈉雙堿法進行脫硫時，Na+與Ca2+同時作為煙氣特征離子。也有關報道稱，2013年之后燃煤鍋爐濕法脫硫取消了煙氣換熱系統(GGH)后，導致了脫硫塔入口煙氣溫度增加至120～160℃，煙羽攜帶的水溶性離子增加以及煙囪高度降低，進而引發大氣中細顆粒物(PM1.0)粒數暴增[1]。由于工業生產中水蒸氣的排放未受限制，鍋爐煙氣中的水溶性離子(NH4+、NO3-、Cl-、SO42-等)通過吸濕、凝結長大成濕態水溶性離子顆粒物，或者以氣溶膠的方式懸浮于大氣中[8-10]。燃燒方式的不同會影響細顆粒物的形狀，煤粉燃燒產生的顆粒物往往呈現粗糙的非球形表面特征[5-6]。

3 SCR脫硝對細顆粒物排放特征的影響

近年來，鍋爐供熱行業普遍采用選擇性催化還原(SCR)技術用于鍋爐煙氣脫硫。SCR脫硝技術是指在催化劑(如V2O5/TiO2)作用下，還原劑NH3在290～400℃下將煙氣中的NO和NO2還原成N2，而催化劑的使用可大大提高還原反應速率。SCR脫硝系統通常安裝在空預器與省煤器之間，因而，其所處理的煙氣中存在大量的堿性燃煤灰分。堿性燃煤灰分可能會與SO3等酸性氣體反應生成硫酸鹽，低溫凝結成水溶性細顆粒物，該細顆粒物可能對鍋爐設備造成腐蝕。而楊林軍等[12]對SCR脫硝煙氣中的細顆粒物排放特征進行了綜述，認為SCR脫硝系統的使用導致煙氣中PM2.5的粒數濃度增多，其中PM2.5主要貢獻者是硫酸(氫)銨鹽，其次是硫酸鹽。并且SCR脫硝過程中催化劑的使用會對影響煙氣中細顆粒物的理化性質，進而導致煙氣脫硫與除塵系統中細顆粒物的排放特征，甚至堵塞空預器等設備。因而，建立SCR脫硝系統與細顆粒物理化性質的變化機制是非常有必要的。張玉華等通過現場測試脫硝系統氨的使用量對煙氣中PM2.5的貢獻率，解果表明，煙氣中PM2.5濃度隨SCR系統中噴氨量的增加而增加，當噴氨量僅為額定值的20%時，可明顯觀察到PM2.5濃度的增加；甚至當噴氨量為額定值的80%時，煙氣中PM2.5的濃度可增加為原來的1倍左右[12]。綜上所述，SCR脫硝技術的使用會引起細顆粒物的排放特征發生明顯變化，這在一定程度上可能抵消NOX減排帶來的有益效果。

4 細顆粒物的控制

對顆粒物的在線監測僅適用于干法煙氣凈化技術，濕法脫硫以及現有的氨法脫硝技術可能會造成凝結性細顆粒物的逃逸，而且改進燃煤鍋爐煙氣中細顆粒物的監測方式，能夠有效監測細顆粒物的逃逸量也是亟待解決的重要問題。近年來，吸附材料干法脫硫技術受到研究者們的普遍關注，其原理是促進材料表面的吸附性或者利用粗顆粒物表面的吸附性減少顆粒物的排放，或者通過吸附來干預凝結性細顆粒的生成。也可利用無機顆粒物的抑制與成長原理，抑制細顆粒物的形成或者是細顆粒物在排出煙道前吸濕生長或凝結成粗顆粒，通過電除塵捕集顆粒物。采用低低溫省煤器技術吸收煙氣熱量，可促使煙道中的可凝結性顆粒物冷凝為固體顆粒物，從而通過降塵出去[13]。有研究表明，電除塵與布袋除塵聯合使用對細顆粒物的捕集明顯，多種除塵器共同除塵優于單一除塵器對細顆粒物的去除效率。煤種與鍋爐的匹配性、脫硫脫硝裝置的運行效率、鍋爐運行效率的提高也可有效降低煙氣中細顆粒物的排放[13]。現今，還未形成系統的細顆粒物排放控制技術，而利用多種控制技術耦合來降低細顆粒物的排放是學者們研究熱點。

5 結語

NH4+、NO3-、Cl-、SO42-等凝結性離子可溶解于蒸汽水霧中，使得細顆粒物的在線監測數據低于實際值。采用稀釋冷凝法和沖擊能凝法可準確反映其粒數濃度，但僅停留于實驗室階段，借鑒兩者共有的冷凝原理，提倡采用低低溫省煤器技術與除塵凈化設備聯用來降低凝結性顆粒物的數量。也可通過膠凝材料、活性炭等干法吸附技術或者利用凝結性細顆粒物的吸濕成長原理來降低燃煤鍋爐煙氣中細顆粒物的排放。