燃煤工业锅炉超低排放改造后微细颗粒物排放特征研究

文-张朋 谭厚章 许鑫玮 张思聪 卢旭超 阮仁晖 刘长海 郝宝川

1 西安交通大学能源与动力工程学院 2 浙江西安交通大学研究院 3 西安市热力总公司雁东供热有限公司

随着环保标准的日益严格，国内燃煤电站全面实施了超低排放改造，大幅降低了污染物的排放。同时国内很多燃煤工业锅炉进行了污染物超低排放改造，相当一部分采用了与燃煤电站锅炉相同的污染物脱除技术，即布袋/静电除尘+湿法脱硫+湿式电除尘。

本研究利用自行设计的微细颗粒物取样系统，对超低排放改造后的燃煤工业锅炉产生和排放的微细颗粒物进行了现场测试采样工作。本实验得到的数据可以帮助深入了解燃煤工业锅炉超低排放改造后微细颗粒物的排放水平，对于准确评估燃煤锅炉对雾霾的贡献具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验对象

本研究选择两台超低排放改造的循环流化床锅炉和链条炉 ，锅炉容量分别为150 t·h-1和100 t·h-1，均采用布袋除尘+湿法脱硫+湿式电除尘。锅炉的基本信息见表1，燃料特性见表2。

表1 锅炉的基本信息概况

表2 燃料特性（收到基）%

1.2 采样系统及测试流程

取样点布置在烟气净化设备前后，锅炉2湿法脱硫塔和湿式电除尘器之间没有取样点。测点位置的选择遵循《固定源废气监测技术规范》和《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》。取样系统如图1所示。为防止烟气中的水蒸汽发生异相成核凝结而导致颗粒物长大，取样枪、切割器、膜托以及它们之间的连接管均加热到100℃。

图1 滤膜法颗粒物取样系统图

实验中具体测试流程如图2所示。用天平和离子色谱仪分别获得颗粒物浓度和水溶性离子组成（包括和等9种离子）。

图2 测试流程图

2 结果与讨论

2.1 炉膛出口微细颗粒物排放特征

如图3所示，锅炉1炉膛出口微细颗粒物的浓度大于锅炉2。这与锅炉燃烧方式不同有关，锅炉1炉内燃烧和气体流动更加剧烈，增加了颗粒之间、颗粒与壁面之间碰撞，导致大颗粒更容易破碎成微细颗粒物，同时颗粒物与气流之间的相对运动十分强烈，导致大量的微细颗粒物被烟气带出炉膛；锅炉2采用层燃燃烧方式，炉内燃烧及气体流动的剧烈程度不如锅炉1，导致锅炉2炉膛出口微细颗粒物浓度低。由图4可知，锅炉2炉膛出口烟气中PM2.5、PM1占PM10的比例要高于锅炉1，这说明锅炉2产生的颗粒物的粒径较小。

图3 炉膛出口微细颗粒物浓度

图4 炉膛出口PM2.5、PM1分别PM10的比例

2.2 烟气净化设备对微细颗粒物排放特征的影响

2.2.1 除尘器对微细颗粒物排放特征的影响

如图5所示，锅炉1的布袋除尘器对PM10、PM2.5、PM1的脱除效率98.12%～99.56%。锅炉2的布袋除尘器对PM10、PM2.5、PM1的脱除效率只能达到90.0%～93.6%。设计布袋除尘器时，通常根据环保标准确定除尘器出口颗粒物浓度，不同炉型燃煤工业锅炉布袋除尘器出口颗粒物浓度的设计值相差不大，循环流化床产生的微细颗粒物浓度远大于层燃炉，导致链条炉的布袋除尘器的除尘效率小于循环流化床锅炉。

图5 除尘器对微细颗粒物的脱除效率

2.2.2 脱硫塔和湿电对微细颗粒物排放特征的影响

湿法烟气脱硫装置不仅能有效减少SO2，还能影响微细颗粒物的浓度。如表3所示，锅炉1脱硫塔对微细颗粒物的脱除效率在17.5%～31.4%，颗粒物粒径越大，脱硫塔的脱除效果越明显。粒径较小的颗粒物一方面很难被脱硫浆液的淋洗作用以及除雾器的拦截作用脱除；另一方面粒径较小的脱硫浆液会在气流的冲刷作用下被携带出来。

锅炉1脱硫塔出口微细颗粒物浓度未出现逆增长，这与所使用的4层喷淋层+2级屋脊式除雾器技术有关。锅炉1的湿式电除尘对3种不同粒径范围的微细颗粒物的脱除效率范围为36.4%～42.9%。锅炉2脱硫塔和湿式电除尘对微细颗粒物的联合脱除效率范围为56.3%～62.8%；锅炉1脱硫塔和湿式电除尘对微细颗粒物的联合脱除效率范围为47.5%～60.8%。可见脱硫塔和湿式电除尘对微细颗粒物的脱除效果较为明显，建议《技术指南》应当补充将脱硫塔和湿式电除尘器对微细颗粒物的脱除效率。

表3 脱硫塔和湿式电除尘对微细颗粒物的脱除效率 %

2.2.3 各测点PM2.5占PM10的比例

如图6所示，烟气从锅炉出口依次经过除尘器、脱硫塔和湿式电除尘器，PM2.5占PM10的比例也在不断增加，各烟气净化设备对粒径较大的颗粒物的脱除效果更为明显。最终锅炉1和锅炉2湿电出口PM2.5占PM10的比例分别为85.2%和88.6%。

图6 各测点PM2.5占PM10的比例

3 PM2.5中水溶性离子组成

SO42-是两台燃煤锅炉产生的PM2.5中含量最为丰富的离子（图7），其占水溶性离子的质量分数分别为58.5%和54.1%。两台锅炉产生的PM2.5中阳离子差异较大，锅炉1中Ca2+的含量最高；而锅炉2中Na+含量最高。锅炉1为循环流化床锅炉，在燃烧时炉膛内添加氧化钙来脱除烟气中的SO2，导致较多的Ca2+排出炉膛；锅炉2燃烧温度低，含钙矿物质不易气化还原，导致Na+含量较高而Ca2+含量较低。锅炉1和锅炉2的炉膛出口测点均位于脱硝系统之后，但锅炉2产生的PM中NH+2.54的质量百分比和浓度要远高于锅炉1，锅炉1采用炉内喷钙脱硫和SNCR脱硝，使得烟气中SO3的浓度较低，导致与脱硝系统逃逸的NH3反应生成的NH4+的量较少。

SO42-和Na+是锅炉1和锅炉2最终排放的PM2.5中最丰富的水溶性离子。与炉膛出口相比，最终排放的SO42-的质量分数有所下降，锅炉1下降更加明显。

图7 PM2.5中水溶性离子组成

4 微细颗粒物的排放因子

由表4可知，控制前两台锅炉微细颗粒物排放因子差别比较大，控制后差别很小，经过烟气净化设备，三种粒径范围的颗粒物排放因子明显降低。

表4 测试锅炉控制前和控制后PM10、PM2.5和PM1的排放因子 kg·t-1

将本研究得到的PM2.5的排放因子与相关文献中的排放因子进行统计，如图8所示。锅炉之间PM2.5的排放因子差别较大，这与燃烧方式、煤质、污染物脱除技术等因素相关。经过超低排放改造后，燃煤工业锅炉的微细颗粒物排放因子显著降低。

图8 燃煤锅炉PM2.5排放因子

5 结论

（1）布袋除尘器对CFB锅炉微细颗粒物的脱除效率可达98.12～99.56%，链条炉炉膛出口微细颗粒物浓度较低，脱除效率仅为90.0%～93.6%。脱硫塔和湿式电除尘对微细颗粒物的联合脱除效率约为50%～60%。《技术指南》中应当补充脱硫塔和湿电两种设备的脱除效率。

（2）气净化设备对大粒径颗粒物的脱除效果明显，两种锅炉最终排放的PM2.5占PM10的百分比为85.2%～88.6%。

（3）炉膛出口PM2.5水溶性离子中SO42-最丰富；最终排放的PM2.5水溶性离子中阴阳离子最丰富的分别为SO42-、Na+。

（4）经过超低排放改造后，燃煤工业锅炉的微细颗粒物排放因子显著降低，两台锅炉PM10、PM2.5和PM1的排放因子分别为0.028～0.033 kg·t-1、0.025～0.028 kg·t-1和 0.014～0.017 kg·t-1。