超低排放燃煤電廠可凝結顆粒物排放特性

孫和泰，黃治軍，華 偉，石志鵬，段倫博

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102；2.東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

燃煤電廠排放的顆粒物是空氣污染的重要因素[1]。雖然電廠配備的除塵裝置能去除煤燃燒產生的絕大部分顆粒物，但排放煙氣中仍會殘留，且以細顆粒物為主[2]。排入大氣的細顆粒物具有滯留時間長、傳輸距離遠等特點，影響環境[3-4]。大氣中過多細顆粒會降低能見度，引發霧霾[5]；而進入人體的細顆粒則會沉積在肺部，易引發哮喘等[6]。因此，有必要進一步關注燃煤電廠顆粒物排放情況。

長期以來，研究者主要關注燃煤電廠可過濾顆粒物(FPM)的排放，現如今燃煤電廠配備的除塵裝置也主要用來脫除FPM。實際上，煙氣中還存在可凝結顆粒物(CPM)。FPM和CPM之和等于燃煤電廠排放總顆粒物(TPM)[7]。CPM概念最早由美國環保署(EPA)提出，其定義為：在煙道環境下為氣相，但離開煙道進入空氣環境冷卻和稀釋后立即冷凝或反應形成固態或液態顆粒物的物質[8]。由于CPM的特殊性質，目前有關CPM的研究較少，僅有的研究多集中在CPM的排放等級以及成分分析。CORIO和SHERWELL[9]總結了美國多家燃煤電廠CPM排放數據，發現CPM平均排放質量濃度為38.00 mg/m3，占TPM的49%，CPM中無機部分(CPMwj)占比76.60%。裴冰[10]研究了國內多家燃煤電廠，結果顯示CPM平均排放濃度為(21.2±3.5)mg/m3，占TPM的50.7%，CPMwj占比99%。其研究相對較早，燃煤電廠減排措施仍不完善，因此數值相對偏高。而LI等[11]、楊柳等[12]、SONG等[13]和ZHENG等[14]分別調查了不同的超低排放燃煤電廠，結果基本具有一致性，發現超低排放燃煤電廠CPM排放濃度相比普通燃煤電廠低，但CPM在TPM中占比更高，超過了FPM排放濃度。

有關燃煤電廠CPM排放的研究相對較少，尤其是在國家推行超低排放的背景下，超低排放機組現有空氣污染物控制裝置(APCDs)對CPM協同脫除的相關研究仍然匱乏。本文通過分析某燃煤電廠FPM、CPM在煙道不同位置的質量濃度及成分組成，旨在獲得某超低排放燃煤電廠煙氣中FPM、CPM中無機水溶性離子的分布特性，現有APCDs對FPM、CPM的協同脫除效果。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本文試驗對象為國內某臺1 025 t/h(330 MW)煤粉爐，該鍋爐配備了先進的污染物控制裝置，包括SCR、ESP和WFGD。為響應國家的號召，該電廠于2017年進行了超低排放改造：原SCR脫硝系統增加催化劑層；原除塵器進行相應技術改造；WFGD系統增設一級吸收塔，采用雙塔雙循環技術；最后在WFGD系統后加裝濕式電除塵器(WESP)。鍋爐具體的煙氣流程如圖1所示。

圖1 取樣點分布Fig.1 Diagram of sample collection sites

1.2 樣品采集

為研究該電廠CPM排放情況以及WFGD和WESP對其轉化遷移的影響，設置煙氣取樣點分別為WFGD前后以及WESP后。取樣過程在系統連續正常運行條件下進行，且期間鍋爐負荷偏差不超過±5%。煙氣CPM取樣采用美國國家環境保護署推薦的EPA Method 202A，取樣裝置如圖2所示。

圖2 EPA Method 202A 取樣裝置Fig.2 Diagram of sampling device of EPA Method 202A

EPA Method 202A取樣系統主要由內置石英管的鋼制加熱取樣槍、FPM石英濾膜過濾器、FPM過濾器加熱箱、螺旋冷凝管、干式沖擊吸收瓶組、冰浴箱、特氟龍CPM濾膜過濾器、真空管線、真空泵和流量控制臺等組成。采用等速取樣，取樣槍及FPM玻璃過濾器保持在120 ℃以上，以盡可能減少CPM在取樣槍以及FPM過濾裝置中的冷凝損耗。過濾后的煙氣在螺旋冷凝管冷卻后進入沖擊瓶，為減少可溶性氣體在水中溶解產生的誤差，采用干式沖擊瓶，并置于30 ℃的水浴箱中。在沖擊瓶后面設置的CPM濾膜進一步捕集隨煙氣逃逸的CPM。CPM濾膜后設置了一個裝有NaOH吸收液的沖擊瓶和一個裝有硅膠的沖擊瓶用于進一步冷卻干燥煙氣，保證后續采樣泵和氣體流量測量設備正常運行。每次煙氣取樣過程持續1 h，取樣結束后，將濾膜迎氣面對折，置于干凈的膜盒內密封并標記。使用去離子水和正己烷分別潤洗螺旋冷凝管、連接管和干式沖擊瓶得到去離子水洗液和正己烷洗液，將洗液分別密封儲存在干凈的廣口瓶中，并盡快送至實驗室分析。

1.3 樣品分析

對取回的樣品進行分析，具體步驟如圖3所示。首先將FPM濾膜在120 ℃烘箱中烘干并在干燥器中平衡后用十萬分之一天平稱重，采樣前后FPM濾膜的增重即為采集FPM的質量，記為mFPM。同樣，

圖3 樣品分析流程Fig.3 Process of sample analysis

1.4 質量控制

為保證測試結果的準確可靠性，取樣過程中采取了一系列質量控制措施。每次取樣前，使用去離子水以及正己烷清洗整個取樣系統，組裝完成后測試取樣系統氣密性。測試時，每個取樣點進行3次平行取樣。樣品的后續分析過程中均設置空白樣，以保證分析方法的可靠性。平行樣測試結果之間相對標準偏差不大于20%，最終測試結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 CPM、FPM的質量濃度和化學組分

采用EPA Method 202A測得的WFGD前后以及WESP后煙氣中CPM和FPM的實際濃度后，將所有濃度數據折算至6%氧含量、干煙氣標況條件下的數值，具體結果如圖4所示。FPMyj、FPMwj分別為FPM中的有機物和無機物，CPMyj、CPMwj分別為CPM中的有機物和無機物。

圖4 CPM、FPM的質量濃度和化學組分Fig.4 Mass concentration and chemical compositionof CPM and FPM

由圖4可知，CPM在WFGD入口、WFGD出口和WESP出口的質量濃度分別為24.07、12.71和7.72 mg/Nm3。經過WFGD和WESP后，煙氣中CPM的質量濃度都有一定減少，說明WFGD和WESP對CPM有一定的脫除效果。此外，在WFGD入口、WFGD出口和WESP出口處CPM含量已經占據主導地位，在TPM中占比分別為61.83%、53.34%和76.06%。楊柳等[12]研究了超低排放路線下CPM的排放特性，結果表明CPM排放質量濃度為5.53 mg/Nm3，占TPM的72.89%。LI等[11]同樣研究了某超低排放燃煤電廠顆粒物排放情況，發現CPM排放質量濃度為7.90 mg/Nm3，占TPM的83.20%。這些研究結果均與本文一致。可以看出，超低排放燃煤電廠CPM的排放濃度是FPM的2倍以上。而CORIO和SHERWELL[9]和裴冰[10]對未配備超低排放設施的燃煤電廠的研究表明，排放口CPM質量濃度占比約為50%。這主要是因為超低排放改造后，FPM含量大幅度降低，CPM占比加大。因此，對超低排放燃煤電廠而言，CPM的排放不容忽視。

了解CPM的組分構成有利于評估CPM的危害以及研究相應的排放控制技術，因此本次研究測試了CPM的化學成分。由圖4可知，CPM和FPM均主要由無機成分組成。這是因為在燃燒過程中，燃料中大部分有機物質被燒掉，排放的污染物主要為無機物質[15]。但隨著煙氣流動，CPMwj占比逐漸下降，從WFGD入口的69%下降至WESP出口的54%。而已有研究在CPM組分構成上有分歧CORIO和SHERWELL[9]通過研究多家燃煤電廠，得出CPMwj平均占比為76.6%。而LI等[11]與楊柳等[12]對不同超低排放電廠的研究結果顯示，CPMwj占比分別為53.39%和45.60%，與本文結果吻合。造成這種差距的主要原因在于：一方面CORIO的研究較早，煙氣凈化設施效果遠未達到超低排放，煙氣中SO2、SO3、NOx等組分濃度較高，增加了煙道中煙氣組分凝結形成的CPMwj。另一方面其測試過程中采用濕式沖擊瓶，相比干式沖擊瓶增加了SO2等氣體在瓶中的溶解。此外，與FPM相比，CPM中有機成分占比更高。

2.2 CPM、FPM無機水溶性離子分布特性

由圖4可知，經過WFGD和WESP后，CPMwj質量濃度下降趨勢更明顯，而水溶性離子是CPMwj的重要組成部分。因此，研究CPM無機水溶性離子在WFGD、WESP中的轉化過程有利于進一步探究現有煙氣凈化裝置對CPMwj的協同脫除作用。

圖5 CPM無機和FPM無機水溶性離子濃度Fig.5 Concentration of inorganic water-soluble ionin CPM and FPM

圖6 WFGD入口、WFGD出口、WESP出口CPM水溶性離子分布Fig.6 Distribution of inorganic water-soluble ion in CPM inthe WFGD inlet,WFGD outlet and WESP outlet

2.3 現有APCDs對CPM、FPM的脫除效率

為探究現有APCDs對CPM和FPM的脫除效果，計算了WFGD和WESP對CPM和FPM的脫除效率，結果如圖7所示(CPMz、FPMz分別為總CPM和總FPM)。

圖7 APCDs對CPM和FPM的脫除效率Fig.7 Removal efficiency of CPM and FPM by APCDs

由圖7可知，WFGD和WESP對CPM和FPM均有一定的控制作用。WFGD對CPM和FPM的總體脫除效率分別為47.20%和25.17%，而WFGD對CPM的高脫除效率主要體現在對CPMwj的脫除上。如前所述，CPMwj主要為水溶性離子且CPM在煙氣中為氣態，在WFGD中噴淋洗滌作用下，CPMwj中的部分水溶性離子會溶于脫硫漿液而被脫除。而FPMwj雖然也含有水溶性離子，但多與其他物質結合成顆粒態，因此WFGD對CPMwj的脫除效率更高。WESP對CPM和FPM的總脫除效率分別為39.26%和78.15%。經過WESP后，CPMwj和CPMwj均有降低，但降幅僅有FPM的1/2左右。WFGD+WESP對CPM和FPM的聯合脫除效率分別為67.93%和83.65%，與楊柳等[12]研究結果相接近，略高于LI等[11]研究結果。

總之，常規FPM控制技術對CPM也有一定的脫除效果，且對CPMwj的脫除效果更好。但CPM脫除效率仍明顯低于FPM。排放煙氣中，CPM比重占據主導地位。因此，CPM的排放控制還需要其他措施，目前有關這方面的研究仍不足。

3 結 論

1)采用EPA Method 202A對國內某超低排放燃煤電廠進行測試獲得了顆粒物相關排放數據。ESP后煙氣中CPM占主導地位，WFGD入口、WFGD出口和WESP出口的質量濃度分別為24.07、12.71和7.72 mg/Nm3；在TPM中占比分別為61.83%、53.34%和76.06%。CPM和FPM均主要由無機成分組成，但隨著煙氣流動，CPMwj占比逐漸下降，從WFGD入口的69.38%下降至WESP出口的54.40%。

3)WFGD對CPM和FPM的總體脫除效率分別為47.20%和25.17%，且WFGD對CPM的高脫除效率主要體現在對CPMwj的脫除上。WESP對CPM和FPM的總脫除效率分別為39.26%和78.15%。WFGD+WESP對CPM和FPM的聯合脫除效率分別為67.93%和83.65%。結果表明現有APCDs對CPM也有一定脫除效果，但脫除效率仍明顯低于FPM。