超低排放燃煤电厂一次颗粒物和黑碳实时排放特征

2021-02-05刘晋宏孔少飞冯韵恺牛真真郑淑睿吴方琪姚立全燕莹莹祁士华

地球化学 2021年1期

刘晋宏, 孔少飞, 冯韵恺, 严沁, 覃思, 刘玺, 牛真真, 郑淑睿, 吴方琪, 姚立全, 曾昕, 燕莹莹, 祁士华

(1. 中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质国家重点实验室, 湖北武汉 430074; 2. 中国地质大学(武汉) 环境学院, 湖北武汉 430074)

0 引言

燃煤电厂是大气颗粒物的主要排放源[1-2], 其排放的一次颗粒物及组分对气候变化、人体健康和区域空气污染均产生不利影响[3-4]。作为不完全燃烧的产物, 黑碳(BC, black carbon)是大气颗粒物中的一种强吸光组分, 能降低大气能见度[5], 并危害人体健康[6]。对燃煤电厂排放颗粒物及黑碳的量进行准确估算, 是开展相关气候、环境和健康效应模拟的基础。

前人对燃煤电厂排放一次颗粒物[7-8]和黑碳清单[9-10]已开展了较多研究。生态环境部推荐了燃煤电厂一次颗粒物参考排放因子和BC/PM2.5比值[11], 并被广泛应用[12-13]。当前燃煤电厂清单估算中, 一次颗粒物和组分的排放量仍存在较大不确定性, 其最主要原因是排放因子和组分比值选择的不确定性[14-17], 如文献中报道燃煤电厂细颗粒物(PM2.5)和可吸入颗粒物(PM10)排放不确定性范围分别是−65.43%～62.99%和−26%～30%[17-18]。BC/PM2.5比值在用于黑碳来源识别研究中, 存在不同源排放相应值的重叠[19]; 该比值在应用于黑碳清单构建过程中, 也存在选择的不确定性[20]。因而亟需通过持续的实测研究, 更新和完善燃煤电厂一次颗粒物排放因子和组分比值。

当前有部分学者开展了燃煤电厂一次颗粒物排放特征及污染控制措施对颗粒物去除效率的研究。杨建军等[21]实测获得多个燃煤电厂 PM2.5和PM10的比值和排放因子; 部分研究根据物料平衡法获得燃煤电厂SO2、NOx、颗粒物(PM)和CO2排放因子[18,22,23]; 也有学者通过实测研究了燃煤电厂干式静电除尘器(ESP)[24-28]、湿式静电除尘器(WESP)[29]和湿法烟气脱硫(WFGD)[30]对颗粒物排放及分粒径颗粒物去除效率[7]的影响; Peiet al.[31]实测了上海市3 个燃煤锅炉PM2.5和可过滤颗粒物(filterable particle matter, FPM)的质量浓度和PM2.5/ FPM 比值。前人实测研究缺乏对燃煤电厂一次颗粒物实时排放特征的观测。

近年来随着我国燃煤电厂超低排放改造的推进, 火电行业超低排放改造已经达到 8.1 亿千瓦, 改造比例达到80%[32]。常用的改造类型有优化选择性催化还原装置(SCR)、升级干式静电除尘器、升级湿法烟气脱硫或增加脱硫除尘一体化装置[33]。这些措施和装置会改变燃煤电厂污染物排放特征, 需要通过实测对气排放因子和组分比值予以更新。Chenet al.[8]利用稀释通道采样系统和离线滤膜采样方法, 对某典型超低排放电厂排放 PM2.5、有机碳、和元素碳的质量浓度以及排放因子进行了研究; 阮仁晖等[34]利用荷电低压撞击采样器和离线滤膜采样方法, 研究了不同污染控制措施对某超低排放燃煤电厂排放不同粒径颗粒物的脱除效率; 邓建国等[35]通过离线采样, 分析了某超低排放燃煤电厂污染控制措施对可凝结颗粒物排放的影响和水溶性离子组成。但上述研究未描述超低排放燃煤电厂排放不同粒径颗粒物及颗粒物组分的日变化。有学者利用燃煤电厂连续排放监测系统(CEMS)数据, 分析燃煤电厂烟尘排放的日变化特征。如Liuet al.[33]基于17 个电厂的38 台机组(包括10 种超低排放污染物控制组合)连续排放监测系统数据, 研究指出电厂排放颗粒物具有明显的小时变化; Chenet al.[15]基于上海13 家超低排放燃煤电厂33 台机组连续排放监测系统数据研究表明, 颗粒物排放的日变化特征呈双峰型, 高值出现在09: 00～11: 00 和19: 00～ 21: 00两个时间范围。需要指出的是, 连续排放监测系统数据监测的是烟尘, 但当前文献中对于燃煤电厂排放细颗粒物、亚微米颗粒物及颗粒物组分的在线监测研究尚未见报道, 限制着高时间分辨率一次颗粒物及组分排放清单的构建[15,33]。

综上所述, 亟需对超低排放燃煤电厂不同粒径一次颗粒物及颗粒物组分的排放特征展开实测研究。基于此, 本研究拟采用稀释通道采样方法, 结合在线监测仪器, 选择某典型超低排放燃煤电厂, 对其排放不同粒径颗粒物(PM10、PM2.5和PM1.0)及PM2.5中黑碳开展在线监测, 获得各污染物实时排放质量浓度, 更新各污染物排放因子, 分析PM1.0/PM2.5、PM2.5/PM10和BC/PM2.5比值, 为燃煤电厂大气一次颗粒物和黑碳高时间分辨率排放清单构建提供基础数据支撑。

1 实验与方法

1.1 观测点位和方法

本研究选择的燃煤电厂已实行超低排放技术改造, 采取的污染控制措施包括选择性催化还原装置、干式静电除尘器和石灰石-石膏湿法脱硫装置。该电厂燃煤收到基灰分为 34.7%, 收到基全硫为0.9%, 低位发热量为25.62 MJ/kg。表1 为该电厂基本情况。

图1 为该燃煤电厂工艺流程与采样示意图。测试期间燃料类型及其煤质组成不变, 锅炉负荷、脱硝、除尘及脱硫设施运行正常。采样时烟枪从烟囱检测口进入烟道, 同时将采样口周围密封。采样口距离地面8 m。进气系统由等速采样嘴、采样枪、采样管和干燥器等组成。采样过程中, 采样嘴进口方向与烟气管道气流方向相对, 烟气进入采样嘴的流速与烟道烟气流速一致。该燃煤电厂检测口烟道直径为3.34 m, 烟气流速为(12.1±1.1) m/s。

稀释系统由空气压缩机、过滤器、二级稀释器、停留仓及管路等组成[36]。由于湿法烟气脱硫增加了烟气的相对湿度[37], 实验过程发现烟气中存在大量的水滴。本研究所用Grimm180 颗粒物监测仪利用光散射法原理测定颗粒物浓度, 测定结果受湿度影响较大[38]。在监测过程中, 采用四周装有硅胶的干燥器对烟气进行干燥处理, 已有的冷凝水在干燥器底部被收集, 以使Grimm180 监测仪能够正常运行。如图1 所示, 干燥过程中, 烟气气流不通过硅胶, 尽可能降低管路中的颗粒损失。烟气稀释倍数设定为10 倍, 停留仓用于烟气和清洁空气充分混合, 停留时间约为3.2 s。稀释后的烟气用于监测不同粒径颗粒物和黑碳。监测系统包括Grimm180 颗粒物监测仪、AE-33 型黑碳仪、笔记本电脑以及管路等。

1.2 监测设备

1.2.1 PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度监测

本研究利用德国Grimm180 型颗粒物监测仪实时测定PM10、PM2.5和PM1.0的质量浓度[39-40], 仪器采用光散射原理, 时间分辨率为1 min。因为60%以上相对湿度对光散射法监测颗粒物存在较大影响[41-42], 故实验过程设置干燥器对经过的烟气进行干燥, 保证该设备稳定运行和数据可靠。

1.2.2 黑碳质量浓度监测

利用美国Magee 公司生产的AE-33 型黑碳仪获得黑碳实时排放的质量浓度, 时间分辨率为1 min。设备经自动校准, 设定采样流量为5.0 L/min, 配备PM2.5切割头。两个平行采样通道以不同的加载速率同时收集气溶胶。结合两种平行分析的数据, 消除载荷效应, 通过7 个测定波长通道(370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm 和950 nm), 得到黑碳的测定值。由于在波长880 nm 下黑碳的吸收占主导, 其他气溶胶的吸收可以被忽略[43], 故以在880 nm 下测得的黑碳质量浓度值代表烟气中的黑碳质量浓度[44]。

表1 研究电厂基本信息 Table 1 Basic information of the tested power plant

图1 某燃煤电厂工艺流程与稀释采样示意图 Fig.1 Flowchart of the tested power plant and structure of the dilution sampling system

1.3 污染物排放因子计算

根据实测烟气中各污染物质量浓度、烟气量及燃料消耗量, 通过式(1)和(2)计算获得消耗单位质量煤炭和产生单位能量的污染物排放因子。

式中FE为污染物排放因子, 单位为 kg/t 或kg/(MW·h);ρ为烟气中污染物质量浓度, 单位为mg/m3;Q为标态干烟气量, 单位为m3/h;v为燃料消耗速率, 单位为t/h;W为小时发电量, 单位为MW·h。

2 结果与讨论

2.1 3 种粒径颗粒物排放质量浓度和PM1.0/PM2.5、PM2.5/PM10 比值的日变化

如图2 所示, 该燃煤电厂实时排放PM10、PM2.5和PM1.0的质量浓度平均值分别为(5.0±6.0) mg/m3、(5.0±5.9) mg/m3和(4.9±5.9) mg/m3, 变化范围分别为0.3～28 mg/m3、0.3～27.5 mg/m3和0.3～27.3 mg/m3。

3 种粒径颗粒物排放质量浓度的日变化趋势一致, 在不同时段, 颗粒物排放质量浓度存在变化。以PM2.5为例, 低值时段是每日10: 30～20: 30, PM2.5质量浓度为(0.7±0.5) mg/m3; 高值时段为每日20: 30至次日10: 30, PM2.5质量浓度为(9.0±6.0) mg/m3。燃煤电厂颗粒物排放质量浓度在夜间高于白天, 夜间PM2.5平均质量浓度是白天相应值的12.2 倍。国家尚未制定燃煤电厂PM10、PM2.5和PM1.0的排放标准[45], 因而本研究无法评估所监测的3 个粒径段颗粒物排放是否达标。但此3 个粒径段颗粒物的夜间质量浓度高值可以反映出燃煤电厂在夜间污染物控制效果可能不如白天。虽然观测期间该电厂连续排放监测系统数据显示烟尘质量浓度较为稳定, 数值为(1.85±0.23) mg/m3, 但研究[46]表明依据质量平衡获得的PM 质量浓度略高于连续排放监测系统测试的相应值, 且连续排放监测系统数据存在部分误差[14]或低估现象[47]。由此可见, 电厂各种污染控制措施对于燃煤电厂排放烟尘中细颗粒物和亚微米颗粒物的去除效果并不如粗颗粒物, 且可能存在明显的日变化特征, 需引起重视。

图2 某超低排放燃煤电厂排放PM10、PM2.5 和PM1.0 质量浓度的日变化 Fig.2 Daily variation of mass concentrations for PM10, PM2.5 and PM1.0 from an ultra-low emission coal-fired power plant

如图3 所示, 燃煤电厂排放颗粒物以细粒子和亚微米粒子为主。PM1.0/PM2.5比值为1.00±0.01(范围为0.8～1.0), PM2.5/PM10比值为1.00±0.01(范围为0.8～1.0); 且两个比值稳定, 没有明显的日变化。王润芳等[48]研究了3 个燃煤电厂排放的PM2.5/PM10比值, 分别为0.7、1.0 和1.0, 与本研究结果相近。Zhaoet al.[23]研究表明, 仅设置干式静电除尘器的煤粉炉排放PM2.5/PM10比值为0.5, 可见单一除尘装置对细颗粒物去除效果有限。杨建军等[21]研究得到燃煤电厂排放的 PM2.5/PM10比值为 0.12～0.91, 与本研究相应值存在差异, 这可能与燃煤种类和污染控制措施等不同有关。Suiet al.[7]研究表明, 超低排放燃煤电厂湿式静电除尘器出口 PM2.5/PM10比值接近1, PM1.0/PM2.5比值为0.25; Wuet al.[46]研究表明, 湿法烟气脱硫和湿式静电除尘器出口的PM＞10∶PM2.5～10∶PM2.5质量浓度比值分别为4.6∶2.5∶1 和 3.8∶2.1∶1; 与本研究结果存在差异的可能原因是采样系统的不同, 前两项研究分别使用荷电低压冲击器(ELPI)和两级虚拟冲击采样器, 本研究采用光散射方法监测颗粒物质量浓度。清单编制技术手册中推荐的燃煤电厂排放的 PM2.5/PM10比值仅为0.3[11], 远小于本研究实测所得的PM2.5/ PM10比值(1.0), 也低于文献中部分相应值。因而若采用清单编制技术手册中的 PM2.5/PM10比值构建PM2.5清单, 将低估燃煤电厂细颗粒物的排放。随着燃煤电厂超低排放改造的推进, 在构建燃煤电厂清单时, PM2.5/PM10比值亟需基于更多的实测和最新文献总结予以更新。

2.2 PM2.5 排放质量浓度、排放因子与文献对比

表2 总结了燃煤电厂排放PM2.5质量浓度与排放因子。本研究实测燃煤电厂排放PM2.5质量浓度比杨建军等[21]实测相应值高, 可能原因与电厂锅炉类型和采样时段不同有关(本次研究为逐时连续监测, 文献采样时间为2 h); Peiet al.[31]研究得到的PM2.5质量浓度比本研究相应值低, 可能原因与电厂装机容量不同有关; Chenet al.[8]研究得到的PM2.5质量浓度低于本研究, 可能与其研究的电厂所用燃料为煤和高炉煤气混合燃料有关。前人实测研究[26,29,51]表明, 烟气通过湿法烟气脱硫夹带的泥浆颗粒空气动力学直径范围约为0.05～2.5 μm[7], 排放PM 的质量浓度在15 mg/m3以上[29]。Wanget al.[26]实测了燃煤电厂干式静电除尘器和湿法烟气脱硫后的颗粒物质量浓度, 表明PM2.5的质量浓度和颗粒物通过湿法烟气脱硫后增加; 安装湿式静电除尘器后, 水喷雾对电除尘器的放电和收集电极进行连续清洗可避免反电晕放电和粉尘的夹带[52], PM2.5、PM2.5～10和PM＞10的质量浓度降幅分别为27%～83%、39%～83%和36%～84%。因此王润芳等[48]和赵磊等[49]研究相应值比本研究低近1 个数量级的可能原因在于这两个研究的电厂采用湿式静电除尘器, 对于颗粒物的去除效率更高。

文献中燃煤电厂 PM2.5排放因子变化范围为0.001～2.4 kg/t 或0.002～2 kg/(MW·h), 本研究实测获得的超低排放燃煤电厂PM2.5排放因子为0.03 kg/t 或0.01 kg/(MW·h), 均在上述范围内, 但处于较低水平。由此可见燃煤电厂经过超低排放改造, 基于单位煤耗量或单位发电量的PM2.5排放因子均降低。如表2 所示, 具有相同锅炉类型如粉煤炉的燃煤电厂, PM2.5排放因子存在差异, 可能原因是锅炉额定功率和污染控制措施不同。

2.3 黑碳排放质量浓度和BC/PM2.5 比值的日变化

图3 某超低排放燃煤电厂排放PM1.0/PM2.5 和PM2.5/PM10 比值的日变化 Fig.3 Daily variation of PM1.0/PM2.5 and PM2.5/PM10 ratios for an ultra-low emission coal-fired power plant

表2 燃煤电厂排放PM2.5 质量浓度与排放因子对比 Table 2 Comparison of PM2.5 mass concentrations and emission factors for various coal-fired power plants

图4 某超低排放燃煤电厂排放黑碳质量浓度的日变化 Fig.4 Daily variation of black carbon mass concentrations emitted from an ultra-low emission coal-fired power plant

图4 为本研究实测所得燃煤电厂排放黑碳质量浓度变化。观测期间, 该燃煤电厂排放黑碳的平均质量浓度为(36.6±28.3) μg/m3, 变化范围为 1.4～ 340.9 μg/m3。高值时段是一天中06: 00～12: 00 和14: 30～19: 00 这两个时间范围, 黑碳质量浓度分别为(35.7±14.6) μg/m3和(58.9±54.1) μg/m3; 低值时段是一天中的00: 00～05: 00, 黑碳质量浓度为(24.6± 4.6) μg/m3。高值时段与低值时段的黑碳质量浓度平均值有1.5～2.4 倍的差异。黑碳的形成和排放受燃料添加和燃烧温度的影响[53], 09: 00、10: 00、16: 00、17: 00 和18: 00 等若干时段黑碳的高值可能与该阶段新添加煤以及锅炉燃烧效率有关。

图5 为实测BC/PM2.5比值的日变化特征。观测期间, 该燃煤电厂BC/PM2.5比值平均为0.03±0.04, 变化范围为0.04～0.4。高值时段是10: 00～20: 00, 对应BC/PM2.5比值为0.05±0.04; 低值时段是20: 00至次日10: 00, 对应BC/PM2.5比值为0.01±0.02。高值时段与低值时段BC/PM2.5比值有4.0 倍的差异。Bondet al.[53]指出燃烧过程中不同颗粒成分由不同的机制产生, 黑碳主要受燃烧过程影响, 矿物质排放主要受燃料中矿物含量的影响。因而黑碳的排放量与颗粒物的排放量随燃烧过程会发生变化, 进而导致比值产生变化。

文献中报道的燃煤电厂BC/PM2.5比值的变化范围较大。王毓秀[54]研究得到该比值为0.04～0.08, 郑玫等[55]研究得到该值为0.003。与中国多尺度排放清单模型(multi-resolution emission inventory for China, MEIC)清单[56]中采用的相应值0.002 和清单编制技术手册[11]中推荐值0.002 相比, 本研究实测BC/PM2.5平均值(0.03)为推荐值的 14.9 倍。由此可见现有清单编制技术手册中所用BC/PM2.5值已不能满足当前排放清单构建的需要, 亟需开展基于最新实测数据的更新研究。

图5 某超低排放燃煤电厂排放BC/PM2.5 比值的日变化 Fig.5 Daily variation of BC/PM2.5 ratio for an ultra-low emission coal-fired power plant

2.4 黑碳排放因子与文献对比

表3 对比了本研究实测燃煤电厂黑碳排放因子与文献报道值。实测黑碳排放因子为0.2 mg/kg, 与周楠等[57]研究中的相应值(0.1～1.7 mg/kg)存在差异, 可能原因在于煤消耗量(30～142 t/h)与本研究相应值(117 t/h)不同, 以及燃料组成特性不同。

本次研究黑碳排放因子远低于与 Reddyet al.[58]研究中相应值(77 mg/kg)。Reddyet al.[58]研究的电厂燃煤灰分高(39%)、锅炉类型多样(涵盖多个印度火力发电厂), 这是与本研究相应值对比存在差异的原因。本研究黑碳排放因子也低于刘源等[59]根据1995 年中国火力发电信息采用按使用比例综合后的排放因子值(2.9 mg/kg), 同样与不同年代锅炉类型和污染控制措施等差异有关。Streetset al.[60]综合了文献及除尘措施效率数据, 得到具有不同污染控制措施中国粉煤炉电厂的黑碳排放因子为0.1 mg/kg 和0.8 mg/kg, 并预测2020 年两类中国粉煤炉电厂的黑碳排放因子分别为 0.1 mg/kg 和0.2 mg/kg, 与本研究实测值一致。

3 结论

(1) 实测获得某超低排放燃煤电厂排放PM10、PM2.5和PM1.0的质量浓度分别为(5.0±6.0) mg/m3、(5.0±5.9) mg/m3和(4.9±5.9) mg/m3, 夜间PM2.5质量浓度是白天相应值的 12.2 倍, 需提高夜间的大气污染物控制措施效率; 该电厂排放黑碳平均质量浓度为(36.6±28.3) μg/m3, 白天黑碳质量浓度是夜间的1.5～2.4 倍, 可能与白天燃料添加时段的燃烧效率降低有关。