燃煤电厂煤粉炉及CFB锅炉PM2.5产生及排放特性的现场实验研究
2015-10-15赵志锋杜谦赵广播高建民董鹤鸣曹阳韩强苏利鹏苑鹏飞
赵志锋，杜谦，赵广播，高建民，董鹤鸣，曹阳，韩强，苏利鹏，苑鹏飞
燃煤电厂煤粉炉及CFB锅炉PM2.5产生及排放特性的现场实验研究
赵志锋1，杜谦1，赵广播1，高建民1，董鹤鸣1，曹阳2，韩强3，苏利鹏1，苑鹏飞1
（1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001；2东北电力科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110000；3华电电力科学研究院，浙江杭州 310030）
采用稀释采样方法对一台220 MW煤粉炉(锅炉A)及一台300 MW的CFB锅炉(锅炉B)电袋复合式除尘器前后PM2.5进行现场采样。通过ELPI测定PM2.5的粒径分布；采用SEM分析PM2.5的显微结构；采用EDX及ICP-OES分别对分级PM2.5中次量及痕量元素含量进行了检测。结果表明，锅炉A和B除尘前后对应的PM2.5粒数及质量浓度分布均不同；锅炉A和B产生的PM2.5分别以较为光滑球形和不规则形状为主，锅炉A除尘后PM2.5呈表面粗糙球形，锅炉B除尘后PM2.5单颗粒形貌特征不变；锅炉A和锅炉B产生的PM2.5除尘前后在各粒径段中Si、Al、Fe、Ca和Mg含量基本一致，As、Cd和Se含量随着粒径的减小而增大；除尘后锅炉A产生PM2.5中As和Se含量增加，且在亚微米PM2.5中As和Se含量的增加更明显，锅炉B除尘后PM2.5中As和Se含量基本不变。
PM2.5；煤粉炉；CFB；粒径分布；电袋复合式除尘器；显微结构；次量及痕量元素
引 言
PM2.5是空气动力学直径小于或等于2.5mm的大气颗粒物，其对人体健康存在严重危害[1-2]，对自然环境也存在一定影响[3]。我国若干城市大气中PM2.5源解析结果显示[4-7]，有14.4 %～18.8 %的PM2.5来源于燃煤。我国煤炭消费量80 %源于原煤直接燃烧，直接燃烧的原煤中又以燃煤电厂耗煤为主[8]。因此，有效控制燃煤电厂锅炉PM2.5排放对大气PM2.5浓度的有效控制是必要的。根据已有的研究结果可知[9-16]，国内外已有燃煤电厂锅炉PM2.5排放特性现场实验相关研究对象多为飞灰或PM10，PM2.5的排放特性的研究多包含于其中，针对PM2.5的研究并未很好展开；已有燃煤电厂多采用静电或布袋除尘器，采用电袋复合式除尘器的较少。基于上述情况，本文针对装配电袋复合式除尘器的煤粉炉和CFB锅炉除尘前后烟气中PM2.5的产排特性进行系统的现场实验研究，为燃煤电厂PM2.5排放的治理提供数据参考。
1 实验部分
1.1 实验对象
锅炉及除尘器概况如表1所示，锅炉A和锅炉B所装配的均为串联式电袋复合式除尘器。采样点布置如图1所示。锅炉A和锅炉B均燃用杂煤，燃煤工业及元素分析如表2所示；煤灰成分分析见表3。
表1 锅炉及除尘器概况Table 1 General situations of boilers and precipitators
① COHPAC = compact hybrid particulate collector.
表2 燃煤工业及元素分析
表3 煤灰成分分析Table 3 Ash analysis of fuel coal/%(mass)
1.2 采样系统及方法
PM2.5采样测试系统如图2所示。本采样系统依据预测速等速采样原则，根据烟道烟气流速、温度、压力及湿度选取合适的等速采样探头。通过ELPI和两台PM2.5采样器并联于二级稀释器(精度为5%)后进行采样。
采用TH-880F型自动烟尘烟气分析仪测定烟气流速、温度、压力及湿度，除尘器A和B前后烟气参数如表4所示。
表4 除尘器A和除尘器B前后烟气参数Table 4 Parameters of flue gas before and after COHPAC-A and COHPAC-B
ELPI可分级采集空气动力学直径为0.03～10mm的气溶胶颗粒，每一级对应的颗粒粒径如表5所示。
表5 ELPI的分级测试范围Table 5 Particle size range of ELPI
1.3 分析测试
PM2.5的分析测试项目如表6所示。
表6 测试仪器数据分析Table 6 Analytical testing apparatuses
① AL — aluminum foil, aluminum foils were coated with a thin layer of Apiezon-L grease.
② PC — polycarbonate membrane.
③ PTFE — polytetrafluoroethylene membrane.
1.4 实验数据的可重现性
为检验本PM2.5采样系统采样结果的可重现性，选取锅炉A出口处为取样点，在锅炉负荷、煤种、给煤量基本相同且锅炉本身燃烧状况稳定的情况下，采用该系统进行20、30、35 min的连续测试，所得结果见图3，可见采样测试结果的可重现性可以满足现场实验要求。
2 实验结果及分析
2.1 除尘前后PM2.5粒数及质量浓度分布特性
由图4知，除尘器A前PM2.5粒数浓度呈双模态分布，两个模态所对应峰值分别在0.12mm和0.76mm处。根据已有理论[8]，细模态通过气化凝结机理形成，粗模态通过焦炭的破碎、表面灰的凝结及外在矿物质破碎机理形成。除尘器B出口PM2.5粒数呈单模态分布，在0.48mm处存在一个峰值。除尘器A前PM2.5质量浓度呈单模态分布，在0.2mm处存在一个峰值，除尘器B前PM2.5质量浓度分布无明显峰值存在。除尘器A和B前PM2.5粒数及质量浓度分布特征存在明显差异是由不同的燃烧温度和燃烧方式造成的[17]。
除尘器A和B后PM2.5的粒数及质量浓度明显下降，但分布趋势并没有显著变化，说明除尘过程对PM2.5整体具有显著的脱除作用，但并未对PM2.5的浓度分布趋势有显著影响。
2.2 PM2.5分级除尘效率
如图5所示，除尘器A和B对PM2.5的分级除尘效率均高于99.6%，说明电袋复合式除尘器可以有效脱除PM2.5；PM2.5的分级除尘效率在0.1～1mm之间相对较低，这与已有实验研究结论是一致的[18]。在电袋复合式除尘器中，颗粒物会在电场力、惯性碰撞、拦截、布朗扩散、重力及镜像力作用机制下表现出不同的动力学特征而被除尘器捕集，各种机制单独作用时单纤维除尘效率分别记为ESP、I、R、D、G和E。根据已有理论研究[19-24]，结合除尘器运行及设计参数，通过理论计算得到除尘器对应的ESP、I、R、D、G和E。根据Tien[25]的黏结效率理论，计算得到在多种机制共同作用下单纤维对PM2.5分级脱除效率S。由于除尘器A和B呈现相似规律，故仅列出除尘器A中各种作用机理对PM2.5的分级脱除效率，见图6。由图6可知，当p>1mm时，I和R≫D、G和E，说明PM2.5中的超微米颗粒的脱除主要靠惯性碰撞和拦截两种作用；p<0.1mm时,D、R和E≫G和I，说明PM2.5中的超细颗粒的脱除主要靠布朗扩散、拦截和镜像力3种作用；0.1mm
2.3 PM2.5的形貌特征
如图7所示，除尘器A前后和除尘器B前后PM2.5的单颗粒形貌总体分别呈现球形和不规则形状。
除尘器A前后超微米和亚微米PM2.5单颗粒形貌存在差异，说明电袋复合除尘过程对煤粉炉产生的PM2.5形貌是存在一定影响的。煤粉炉燃烧过程中温度较高，颗粒会熔融，在表面张力作用下呈现球形；烟气中含有较多气相元素成分，这些成分随烟气经过锅炉烟道及除尘器过程中会发生成核及团聚，成核及团聚作用产生的超细颗粒会通过自身较强的布朗扩散及镜像力作用在除尘过程中被已有的颗粒捕集，呈现出除尘后超微米颗粒表面粘连许多细小颗粒的形貌特征。亚微米颗粒由于其自身具有更大比表面积，对超细颗粒吸附能力更强，在除尘前表面就有超细颗粒存在；除尘过程中，镜像力作用加剧了超细颗粒向亚微米颗粒的表面沉积，同时气相元素被亚微米颗粒表面吸附，将亚微米颗粒表面捕集的超细颗粒覆盖后形成粗糙态。
除尘器B前后超微米和亚微米PM2.5总体形貌特征相似。这是因为CFB锅炉炉膛温度一般为800～900℃，灰中无机组分不会熔融，颗粒基本保持破碎后原形态；金属元素绝大部分不会蒸发。CFB锅炉出口烟气中只含有少量气相元素成分，因此烟气经过锅炉出口烟道及除尘器过程中气相元素成分向颗粒相的转化作用被抑制。
2.4 PM2.5的元素组成
如图8所示，除尘器A前PM2.5中元素可以被分为两类：①浓度与粒径无关(Si、Al、Fe、Ca和Mg)；②随粒径减小浓度增大(As、Cd、Se)。Si、Al、Fe、Ca和Mg在PM2.5中不同粒径颗粒上的浓度基本均一，无明显富集现象，说明在燃烧温度约为1400℃的炉膛中，这些元素只有少量蒸发，主要经过了煤焦破碎和表面矿物熔融聚合的物理过程[26]；元素As、Cd和Se在PM2.5中不同粒径颗粒上的浓度随着粒径的减小而增加，在小颗粒上有明显的富集趋势，说明这些元素为挥发性元素，在燃烧过程中一部分进入气相，这部分元素会有一部分在燃烧后区的降温过程中通过成核、凝结、凝聚过程形成亚微米颗粒，或是通过异相凝结、表面反应被已存在颗粒吸附[27]。
除尘器A前后大多数元素在PM2.5中不同粒径颗粒上的浓度基本一致，除As和Se外，这是因为As和Se均为易挥发性元素，在除尘器后烟气中仍有As和Se以气相存在，经过除尘器及其尾部烟道进一步的降温过程，这部分气相As和Se被已存在颗粒吸附，由于越小的颗粒其比表面积越大，更容易吸附这些挥发性元素[8]，因此在除尘器A出口亚微米颗粒中随颗粒粒径变小，颗粒中As和Se的含量较除尘器A入口有更明显的增加，富集趋势更加显著。
如图9所示，除尘器B前PM2.5中元素可以被分为3类：①元素浓度与粒径无关(Si、Al、Fe、Mg)；②随粒径减小元素浓度减小(Ca)；③随粒径减小元素浓度增大(As、Cd、Se)。Si、Al、Fe、Mg、As、Cd、Se的浓度分布规律与除尘器A前PM2.5中对应元素分布规律相似；Ca分布规律与除尘器A入口处Ca分布规律明显不同，在0.029～0.154mm颗粒中Ca浓度随粒径减小而减小，其余各级颗粒中Ca的浓度分布较为均一，说明锅炉B燃烧产生的PM2.5中Ca在较大颗粒区间存在富集，这可能是锅炉B采用的石灰石干式脱硫工艺所使用石灰石在炉内破碎后进入PM2.5所致。
除尘器B出口处PM2.5中As和Se的浓度分布与入口处一致，在各粒径范围均无明显差异，这是因为CFB锅炉炉膛温度较低。As和Se在燃烧过程中不能充分气化进入气相，因此烟气中气相As和Se的含量少，在经过除尘器及尾部烟道的降温过程中，As和Se的异相凝结作用受到抑制，导致As和Se在除尘器B出口处亚微米颗粒中的富集趋势不变。
3 结 论
锅炉A和B出口PM2.5粒数及质量浓度分布特征的明显差异是由于不同的燃烧温度和燃烧方式造成的。电袋复合式除尘器除尘过程对PM2.5具有明显的脱除作用，但对PM2.5的浓度分布趋势无显著影响。
电袋复合式除尘器对0.1～1mm的颗粒的分级除尘效率相对较弱，与理论计算结果一致。
锅炉A和B产生的PM2.5典型形貌分别为球形和不规则形状。相比于除尘前PM2.5，除尘器A后PM2.5颗粒表面由于吸附了气相元素及超细颗粒变得粗糙；除尘器B前后PM2.5的形貌特征基本相同。
除尘器A和B前后，Si、Al、Fe和Mg在PM2.5中不同粒径颗粒上的浓度基本均一；As、Cd和Se在较小颗粒中存在富集趋势；由于锅炉B采用石灰石干式脱硫，PM2.5中较大颗粒Ca含量增加。除尘器A后PM2.5中As、Cd和Se浓度增加，且增加趋势随粒径减小而增大；除尘器B后则无此现象。
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Field experimental research on PM2.5generation and emission characteristics of pulverized coal and CFB boilers in power plants
ZHAO Zhifeng1，DU Qian1，ZHAO Guangbo1，GAO Jianmin1，DONG Heming1，CAO Yang2，HAN Qiang3，SU Lipeng1，YUAN Pengfei1
（School of Energy Science and EngineeringHarbin Institute of TechnologyHarbinHeilongjiangChina;Northeast Electric Power Research Institute CoLtd.ShenyangLiaoningChina;Huadian Electric Power Research InstituteHangzhouZhejiangChina
A dilution sampling method was used to collect PM2.5before and after COHPACs (compact hybrid particulate collector) generated by a pulverized coal boiler (boiler A) and a circulating fluidized bed boiler (boiler B) with installed capacities of 220 MW and 300 MW, respectively. Particle size distributions (PSDs) of PM2.5were analyzed by ELPI; individual microstructures of PM2.5were analyzed by SEM (scanning electron microscopy); concentrations of minor elements in PM2.5were analyzed by EDX (energy-dispersive X-ray analysis) and concentrations of trace elements in PM2.5were analyzed by ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy). The distribution characteristics of number and mass concentration of PM2.5at the corresponding sampling positions of two boilers were different. Most of the PM2.5before and after COHPAC-A (boiler A’s) were spherical; most of the PM2.5before and after COHPAC-B (boiler B’s) were irregular in shape; the PM2.5after COHPAC-A were with relatively uneven surface, PM2.5microstructures before and after COHPAC-B were similar; mass fraction size distributions of Si, Al, Fe, Ca and Mg in PM2.5before and after the two COHPACs were similar; mass fraction size distributions of As, Cd and Se in PM2.5before and after the two COHPACs increased with decreasing size; mass fraction size distributions of As and Se in submicron PM2.5after COHPAC-A were higher than those before COHPAC-A, but mass fraction size distributions of As and Se in PM2.5before and after COHPAC-B were correspondingly nearly the same.
PM2.5; pulverized coal boiler; CFB; particle size distribution; COHPAC; microstructure; minor and trace elements
date：2014-08-20.
ZHAO Zhifeng，zhaozhifeng198211@163. com
10.11949/j.issn.0438-1157.20141262
X 513
A
0438—1157（2015）03—1163—08
国家环保公益性行业科研经费专项项目（201009006）。
联系人及第一作者：赵志锋（1982—），男，博士研究生。
supported by the Special Fund for Environmental Protection Research in Public Interest(201009006).
2014-08-20收到初稿，2014-11-19收到修改稿。
