燃煤机组烟气超低排放改造对细颗粒物的影响

李 壮，张 杨，朱 跃

(华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

近年来，随着雾霾污染问题的突出，细颗粒物对环境的影响引起广泛关注，细颗粒物成因和来源较为复杂，源解析研究表明，燃煤是大气细颗粒物主要来源之一，最高占比可达30%左右[1-2]。燃煤机组作为我国煤炭消费主要用户，研究其环保设施对细颗粒排放影响，特别是分析超低排放改造前、后燃煤机组对大气细颗粒物的贡献，有助于对超低排放改造深刻认识。

目前，已有学者对超低排放下不同环保设施对污染物脱除进行了研究，易玉萍[3]等人研究发现，湿法脱硫协同除尘一体化技术对颗粒物脱除效率在78.6%～87.8%，出口颗粒物浓度低于5mg/m3。莫华等[4]分析5台完成超低排放改造的湿法脱硫装置进、出口SO3实测结果，发现采用旋汇耦合器、托盘等复合塔脱硫工艺对SO3脱除效果优于传统喷淋空塔脱硫工艺。陈奎续[5]研究超净电袋复合除尘技术对劣质煤机组超低排放的适应性。目前，对超低排放前、后燃煤机组对细颗粒物贡献数据对比报道较少，而这些数据对于分析燃煤机组超低排放改造对细颗粒物减排的贡献具有重大意义。本文选取不同容量、不同环保设施的超低排放燃煤机组为研究对象，测试超低排放改造前、后主要污染物排放情况，分析不同环保设施对一次可过滤颗粒物、一次可凝结颗粒以及二次颗粒物的前驱物减排情况。

1 燃煤细颗粒物的形成机理和排放特性

根据煤粉燃烧产生的细颗粒物物理化学性质不同，可将细颗物其主要形成机理分为无机物的气化-凝结机理和焦炭、矿物质颗粒破碎、融化矿物的聚合机理[6]。燃煤机组对大气环境细颗粒物贡献可以分为一次颗粒物和二次颗粒物，一次颗粒物又可以分为一次可过滤颗粒物和一次可凝结颗粒物。一次可过滤颗粒物主要以烟尘、石膏颗粒以及湿烟气中以可溶盐等形式存在的雾滴，可以通过滤筒或滤膜测量方式获得；一次可凝结颗粒物在采样处为气态，在环境工况下降温凝结成为液体或固体的颗粒物[7]，主要由SO3等气溶胶物质组成。燃煤机组对二次颗粒物贡献主要是排入大气中NOx、SO2以及逃逸的氨等气体，进入大气环境后经过复杂的物理、化学变化形成二次颗粒物。

2 燃煤细颗粒物协同脱除措施

燃煤机组超低排放改造大幅度降低NOx、烟尘、SO2同时应注重细颗粒物的协同脱除，如相比传统电除尘器，低低温电除尘器对SO3等细颗粒物具有较高的脱除效率[8]；相比传统WFGD单塔工艺，串联吸收塔工艺对细颗粒物的脱除较高[9]等。超低排放下细颗粒物协同脱除改造措施如表1所示。

表1 超低排放下细颗粒物协同脱除措施

项 目协同措施脱除机理静电除尘器末电场改造末电场改为旋转电极降低二次扬尘,增强对细颗粒物脱除效果低低温除尘器电除尘器前增加低低温换热装置温度降低,析出SO3,增强细颗烟尘团聚作用,提高对一次颗粒物脱除效率电袋复合除尘器超净电袋除尘器增强细颗粒物极化作用,促进细颗粒凝并,高精度滤料提高细颗粒去除效果脱硫塔类型旋汇耦合、托盘、双托盘均布流场,增强传质,提高协同脱除效果脱硫喷淋层及喷嘴高效喷嘴,覆盖率不低于300%提高喷淋密度,增强对细颗粒物的捕集作用除雾器高效三级屋脊式、管束式、冷凝式等除雾器提高细颗粒物拦截效率,降低湿烟气雾滴中携带含盐量,降低细颗粒排放浓度湿式电除尘器加装湿式电除尘器可以实现对气溶胶等细颗物高效率脱除

3 一次可过滤颗粒物减排分析

超低排放下前部干式除尘器提实现了对大粒径颗粒物的高效脱除，而湿法脱硫装置以及湿式电除尘器的改造实现了对细颗粒物有效脱除，湿法脱硫装置注重提高协同除尘能力，进而实现一次可过滤颗粒物的高效脱除，湿式电除尘器对PM2.5等细颗粒有较高的脱除效率。

3.1 湿法脱硫协同除尘效率及出口雾滴含量分析

超低排放改造后，湿法脱硫装置在提高脱硫效率的同时注重提高协同除尘效率，对细颗粒物具有协同脱除作用。湿法脱硫装置通过降低烟气流速、优化塔内流场、配置高效除雾器后，除雾器出口湿烟气雾滴中以盐类等形式存在的一次颗粒物质量浓度有较大幅度降低。

选取机组容量200MW～1000MW的10台燃煤机组为研究对象，脱硫均采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，测试超低排放改造前后脱硫装置除尘效率以及出口雾滴含量(见表2)。从表2可以看出，超低排放改造后，脱硫协同除尘效率有明显提高，烟尘排放浓度具有明显降低。燃煤机组排放烟尘对我国大部分城市细颗粒物平均贡献在10%～30%之间，中小型城市更为突出[2]，按照此比例进行测算，超低排放下燃煤机组排放烟尘对城市细颗粒物贡献在1.4mg/m3以下(最低可达0.3mg/m3)，降幅比例最低68%(机组5)，最高96.46%(机组2)，超低排放改造对环境具有明显改善作用。

3.2 湿式电除尘器对一次可过滤颗粒物脱除分析

超低排放下部分燃煤机组脱硫出口加装湿式电除尘器，湿式电除尘器对细颗粒物，尤其是PM2.5具有较高的脱除效率，同时实现湿烟气雾滴中盐类物质进一步脱除。结果见表3，选取13台配置湿式电除尘器不同容量超低排放机组为研究对象，分别测试其对烟尘、PM2.5以及湿烟气中雾滴的脱除效果。

表2 超低排放前后湿法脱硫装置除尘效率及出口雾滴含量

项 目装机/MW超低排放前烟尘超低排放后烟尘雾滴含量入口/mg·m-3出口/mg·m-3除尘效率/%入口/mg·m-3出口/mg·m-3除尘效率/%超低排放前/mg·m-3超低排放后/mg·m-3机组1200372435.1440.34.588.8377.825.2机组23002028259.417.92.963.2912616.3机组3300201525.008.82.670.4590.318.3机组43004327.835.3523.14.480.95携带浆液19.5机组560011109.0914.03.277.1411625.8机组66001928/28.24.384.75携带浆液18.1机组76005021.457.2028.73.189.207419.7机组86004823.750.6341.23.691.268819.3机组96701787259.5518.63.382.26携带浆液32.1机组101000392535.9027.94.384.597026

表3 超低排放下湿式电除尘器对烟尘、PM2.5以及雾滴脱除分析

项 目装机/MW烟尘PM2.5雾滴入口/mg·m-3出口/mg·m-3脱除效率/%入口/mg·m-3出口/mg·m-3脱除效率/%入口/mg·m-3出口/mg·m-3脱除效率/%机组130014.52.682.0710.51.288.9331.58.772.37机组230013.22.184.099.51.188.9728.48.171.41机组333047.44.690.2830.72.691.6346.29.280.19机组433049.64.890.4023.13.485.5078.514.781.32机组533036.34.487.9224.52.291.1264.411.282.57机组733037.44.288.7716.93.678.7078.514.481.72机组833016.43.081.719.31.683.2873.114.180.73机组933044.94.989.0914.51.987.05103.017.882.72机组1060028.92.989.9013.91.688.1663.214.577.06机组1166038.64.687.9915.72.584.0135.58.376.54机组1266024.62.689.4322.32.091.26114.218.084.21机组1367041.14.090.2718.62.785.7859.110.282.77

从表3可知，湿式电除尘器出口的烟尘浓度为2.1mg/m3～4.9mg/m3，对烟尘脱除效率均在80%以上，主要是湿式电除尘器中荷电后的颗粒物在电场力作用下被捕，采用冲洗清灰方式，提高了其对烟尘的脱除效率；PM2.5质量浓度在1.1～3.6mg/m3，对PM2.5的脱除效率在70%以上。在湿式除尘器作用下，改变了细颗粒物的比电阻，增加了细颗粒物的荷电量，从而对PM2.5具有较高脱除效率[10]。

3.3 超低排放下湿烟气中含盐量减排分析

从表2和表3可知，超低改造前脱硫出口雾滴含量在70～130mg/m3之间，甚至部分脱硫装置出口出现带浆现象，超低排放改造后脱硫出雾滴含量在15～35mg/m3之间，加装湿式电除尘器出口雾滴含量在8～18mg/m3之间，湿式电除尘器对雾滴脱除效率在70%～85%之间，具有明显脱除效果，湿法脱硫装置出口或湿式电除尘器出口湿烟气中以盐类形式存在的颗粒物排放浓度得到了明显降低。

超低排放下湿法脱硫装置采用高效除雾器，除雾器出口雾滴含固量可以降低至7.5%[11]，若按此比例测算，超低排放下湿法脱硫装置出口雾滴含盐量为2.6mg/m3以下(最低可达1.1mg/m3)，加装湿式电除尘器出口烟气中可溶盐含量为1.4mg/m3以下(最低可达0.6mg/m3)，超低排放下燃煤机组排放至大气中可溶盐量处于较低水平。

4 一次可凝结颗粒物减排分析

燃煤机组对大气环境一次可凝结颗粒物贡献主要包括SO3等气溶胶物质，SO3排放至大气环境后形成硫酸盐和亚硫酸盐类细颗粒物，对环境具有较大污染。低低温除尘器以及湿式电除尘器对SO3具有较为明显的脱除效果。

选取已实现烟气超低排放的4台机组为研究对象，测试低低温除尘器对SO3脱除效果(见表4)，低低温除尘器对SO3脱除效率在70%以上，对SO3具有明显脱除效果。主要是在电除尘器前加装低低温换热装置后，烟气温度降低至酸露点以下，析出的硫酸雾被烟尘包裹，在电除尘器中脱除烟尘同时去除烟气中析出的硫酸雾。

选取13台超低排放机组为研究对象，分别测试湿式电除尘器对SO3脱除效果(见表5)，湿式电除尘器入口SO3浓度在14～55mg/m3变化，出口SO3浓度在2.5～10mg/m3变化，SO3脱除效率均在65%上(最高可达91.84%)，分析原因一方面粒径较小的SO3酸雾在电场作用下，SO3酸雾凝并、长大后，被捕集到除尘器极板的液膜进行脱除，另一方面粒径小SO3酸雾沉积在细颗粒表面后可以有效降低比电阻，提高除尘效率同时提高SO3脱除效率[12]。

5 二次颗粒物前驱物减排分析

二次颗粒物主要化学成分为硫酸盐、硝酸盐、铵盐以及二次有机颗粒物[2]。对燃煤机组而言，对二次颗粒物的主要贡献是其排放至大气环境中的NOx、SO2以及逃逸氨等前驱物，在大气环境中经过复杂的物理、化学变化形成硝酸盐、硫酸盐等细颗粒物，造成环境污染。

表4 低低温除尘器对SO3脱除效率

项 目装机/MWSO3浓度/mg·m-3入口出口SO3脱除率/%机组166030.38.571.94机组266037.08.477.30机组360044.210.576.24机组4100026.95.380.30

表5 湿式电除尘器对SO3脱除效果

项 目装机/MWSO3浓度/mg·m-3入口出口SO3脱除率/%机组130016.04.273.75机组230017.34.772.83机组333020.84.180.16机组433030.62.591.84机组533014.83.278.58机组633039.49.575.89机组733019.14.476.96机组833020.42.090.20机组933046.84.690.17机组1033026.68.767.41机组1160034.78.276.28机组1266051.57.286.02机组1367026.75.081.36

燃煤机组排放至大气环境的逃逸氨主要来源于脱硝工艺还原剂。通常脱硝反应后逃逸氨较少，其中部分逃逸氨进入飞灰，部分逃逸氨被湿法脱硫系统吸收，相比于NOx、SO2污染物，进入大气环境中逃逸氨较少。

分别选取7台、11台已实现超低排放不同容量机组为研究对象，对其超低排放改造前后NOx、SO2排放浓度及脱除效率进行测试(见表6和表7)。

超低排放改造前、后NOx排放浓度分别在45～140mg/m3之间、25～45mg/m3之间，NOx降幅比例在41.3%(机组4)以上；超低排放改造前、后SO2排放浓度分别在60～290mg/m3、15～30mg/m3之间，SO2降幅比例在58.1%(机组6)以上。有关研究超低排放下NOx和SO2结果表明[13]：排放至大气环境SO2和NOx可以形成二次细颗粒物，实现超低排放前、后二次PM2.5贡献浓度分别占总贡献浓度的87.4%、91.7%，细颗粒物中二次颗粒物具有较大比例，因此，大幅度降低SO2、NOx二次颗粒物的前驱物对环境改善具有更大效益。

表6 超低排放前后NOx排放浓度对比 mg/m3

表7 超低排放前后SO2排放浓度对比 mg/m3

6 结语

(1)超低排放下湿法脱硫装置协同除尘效率明显提高，出口烟尘浓度降至2.5～4.5mg/m3之间，加装湿式电除尘器后，对PM2.5细颗粒物脱除效率在70%以上。

(2)超低排放下湿法脱硫装置出口雾滴含盐量为2.6mg/m3以下(最低可达1.1mg/m3)，加装湿式电除尘器出口烟气中可溶盐含量为1.4mg/m3以下(最低可达0.6mg/m3)，超低排放下燃煤机组排放至大气中可溶盐量较低。

(3)低低温电除尘器对SO3脱除效率在70%以上，湿式电除尘器对SO3脱除效率在65%以上，采用低低温或湿式电除尘技术对一次可凝结颗粒物具有明显脱除效果。

(4)超低排放改造下二次颗粒物前驱物NOx和SO2降低幅度比例41.3%和58.1%以上，超低排放改造对二次颗粒物减排具有明显效果。

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