超低排放改造后燃煤电厂大气污染物排放特征

摘要：为了解超低排放改造后燃煤电厂大气污染物排放特征，对广东省某“超低排放”电厂燃煤机组开展废气污染物排放监测，分析样品得出各废气污染物排放浓度和颗粒化学组分。结果表明，经超低排放改造后，常规大气污染物浓度总体较低，满足废气达标排放要求；可凝结颗粒物（CPM） 浓度高于可过滤颗粒物（FPM） 浓度，占总颗粒物（TPM） 浓度的92%；废气中水溶性离子主要有SO32-、SO42-、NO3-、Cl- 等酸根阴离子和NH4+、Ca2+ 等阳离子，金属元素主要有Al、Mg、Fe、Zn 等。

关键词：超低排放改造；燃煤电厂；可凝结颗粒物；水溶性离子

基金项目：广东省省级科技计划项目（No.2019B0208006）

煤炭是我国的主体能源，发电用煤占到煤炭消费的50% 左右，且我国以煤为主的能源结构短期难以根本改变，电煤比重还在继续提高[1]，因此降低燃煤电厂污染物排放意义重大。2014 年，我国发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020 年）》（简称《行动计划》），将颗粒物、SO2 和NOx 质量排放浓度限值设为10 mg/m3、35 mg/m3 和50 mg/m3。但由于国内目前对煤电行业“超低排放”实现技术的研究较多，对煤电节能减排升级与改造后污染物排放特征的研究较少，因此需依托《行动计划》开展燃煤电厂燃煤机组废气中SO2、NOx、CO、NH3 和颗粒物等污染物排放监测研究，将颗粒物分为FPM 和CPM 讨论，分析废气中水溶性离子和金属元素分布情况，为燃煤电厂进一步减污降碳提供数据支撑。

在烟道环境下颗粒物中的FPM 可用滤筒或滤膜捕集，而颗粒物中的气相CPM 则可直接离开烟道环境进入空气冷却、稀释，然后冷凝或反应生成液态或固态颗粒物[2]，因此长期以来颗粒物减排主要以研究FPM 排放为主，对CPM 排放的研究较为匮乏。CPM 粒径一般在1～2μm，颗粒表面多孔[3]，易吸附重金属、有机污染物等有毒污染物，且传送距离远，能明显影响能见度，是雾霾的主要成因。由于捕集难度大，因而世界上的许多国家都未将CPM 纳入排放清单[4][5]，导致总颗粒物排放水平被低估。如，我国现行的《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》（GB/T16157-1996），采用“过滤- 捕集- 烘干称重法”对颗粒物测定也是仅针对FPM 的采样与测定，对CPM 排放却没有监管和控制。因此，为使总颗粒物排放评估与测定更加精确，对颗粒物中的CPM 排放、组成特性开展研究十分必要。

1 机组概况

以广东省2017 年完成超低排放改造的某“超低排放”电厂2# 机组为监测对象，以烟煤和煤矸石作为燃料，采用低氮燃烧技术，烟气经脱硝还原剂为尿素的SNCR-SCR 联合脱硝设施、电袋复合式除尘器、单塔双循环石灰石- 石膏湿法脱硫设施、湿式静电除尘器处理后排出。

2 采样与分析方法

SO2、NOx、CO 采用非分散红外吸收法，使用MRU-MGA6 便携式红外烟气分析仪；NH3 采用纳氏试剂分光光度法；FPM、CPM采用冲击冷凝法采样，使用APEX XC-5000颗粒物（烟尘）采样系统；阴阳离子（F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、PO43-、SO32-、SO42-、Li+、Na+、NH4+、K+、Ca 2+、Mg2+）采用离子色谱法，使用赛默飞DIONEX ICS-1100 离子色谱仪和万通930 Compact IC Flex 离子色谱仪； 金属元素（Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Ag、Sn、Cd、Sb、Ba、Hg、Pb、Bi）采用电感耦合等离子体质谱法，使用安捷伦7800 ICP-MS。

3 质量控制与保证

采取系列质量控制与保证措施，确保监测结果可靠。颗粒物采样前用去离子水清洗采样系统，采样前后检查系统气密性，检查校准采样流量；检漏、校准气态污染物现场监测仪器；锡箔纸包好滤筒和石英滤膜用马弗炉500 ℃烘烤4 h 后使用，每类至少采集2 个样品取均值，加采全程序空白。做不少于10% 实验室空白、10% 平行样分析，以及质控样分析。

4 结果分析与讨论

4.1 污染物排放浓度

对废气污染物进行2 d 连续监测，监测频率为3 次/d，监测时间为1 h/ 次。监测结果显示，FPM、SO2、NOx、CO、NH3 平均浓度分别为1.377 mg/m3、20 mg/m3、3 mg/m3、58 mg/m3、0.41mg/m3，符合超低排放标准。通过监测结果比较FPM 与CPM，发现FPM 有机、FPM 无机、CPM 有机、CPM 无机平均浓度分别为0.077 mg/m3、1.3 mg/m3、2.8 mg/m3、13 mg/m3，CPM 浓度约为FPM 浓度的11 倍，CPM 有机+ 无机浓度在总颗粒物浓度中占比达92%，如图1 所示。

4.2 废气化学组分

CPM 和FPM 均主要由无机成分组成，且水溶性离子又是无机成分重要组成部分，因而其也是产生PM2.5 乃至雾霾天气的主要污染物质，不容忽视。同时，水溶性离子因其具有水溶性，会增加某些有毒物质的溶解性，增大其对人体健康的危害[6]。对滤筒、滤膜和冷凝水进行成分分析，将水溶性离子换算成气态浓度，结果如表1 所示。

如图2 所示，发电机组锅炉废气中大部分水溶性离子存在于CPM，主要有SO32-、SO42-、NO3-、Cl- 等酸根阴离子，且浓度分别为3.025 mg/m3、2.18 mg/m3、0.033 mg/m3、0.055 mg/m3， 因此推测CPM 无机的主要生成方式为酸雾冷凝。其中，SO42- 主要源于SO2， 由于SO2 溶于水蒸气会形成SO32-，且部分被释放到大气中的SO32- 又会在大气中发生二次反应转化为SO42-，因此导致发电机组锅炉废气中水溶性离子SO42- 增多；NO3- 来源于烟气中的HNO3 或HNO2 气体；Cl- 来源于煤燃烧成的HCl 气体[7]。阳离子中NH4+、Ca2+ 的浓度较高，浓度分别为0.241mg/m3、0.148 mg/m3，其中NH4+ 源于烟气脱硝逃逸氨，Ca2+ 由石灰石- 石膏湿法脱硫浆液带出。

煤燃烧后，重金属元素吸附于颗粒物或以气态形式排出。由于重金属元素化学性质稳定，较低浓度下仍具有很大毒性，不仅难以降解，还容易在生物体内富集、转化为毒性更大的金属化合物，因而煤燃烧后产生的废气中携带的重金属元素对环境的影响不容忽视[8]。对滤筒、滤膜和冷凝水进行成分分析，将金属元素换算成气态浓度，结果如表2所示。

如图3 所示，燃煤发电机组锅炉废气中金属元素浓度较低，主要有Al、Mg、Fe、Zn等，浓度分别为23.88μg/m3、37.75μg/m3、7.89μg/m3、4.91μg/m3。其中，Al 和Fe 浓度高可能源于Al 和Fe 含量高的煤种，Mg 主要来源于脱硫浆液，Zn 由于沸点低燃烧过程中容易以气态形式排放或分流至灰分中。

5 结束语

综上所述，超低排放改造后广东省某“超低排放”电厂的常规大气污染物浓度总体较低，远低于废气达标排放要求，FPM、SO2、NOx、CO、NH3 平均排放浓度分别为1.377 mg/m3、20 mg/m3、3 mg/m3、58 mg/m3、0.41mg/m3。但废气中的CPM 浓度达15.8 mg/m3， 在总颗粒物浓度中占比达92%。由于目前GB/T16157-1996 仅对FPM 进行测算管控，因此建议通过控制CPM 排放进一步推进颗粒物减排。此外，监测结果显示，燃煤发电机组锅炉废气中水溶性离子主要有SO32-、SO42-、NO3-、Cl- 等酸根阴离子和NH4+、Ca2+ 等阳离子；废气中金属元素主要有Al、Mg、Fe、Zn等，但浓度较低。

参考文献

[1] 单葆国，冀星沛，许传龙，等.近期全球能源供需形势分析及中国能源电力保供策略[J].中国电力，2022，55（10）：1-13.

[2] 裴冰.固定源排气中可凝结颗粒物排放与测试探讨[J].中国环境监测，2010，26（6）：9-12.

[3] CANO M，VEGA F，NAVARRETE B，et al. Characterization of Emissions of Condensable Particulate Matter in Clinker Kilns Using a Dilution Sampling System[J]. Energy amp; Fuels， 2017， 31（8）：7831-7838.

[4] YANG H H， LEE K T， HSIEH Y S， et al. Emission Characteristics and Chemical Compositions of both Filterable and Condensable Fine Particulate From Steel Plants[J]. Aerosol and Air Quality Research，2015，15（4）：1672-1680.

[5] WANG G， DENG J G， MA Z Z， et al. Characteristics of Filterable and Condensable Particulate Matter Emitted From Two Waste Incineration Power Plants in China[J]. Science of the Total Environment，2018，639：695-704.

[6] WANG G H， WANG H， YU Y J， et al. Chemical Characterization of Water-Soluble Components of PM10 and PM2.5 Atmospheric Aerosols in Five Locations of Nanjing， China[J]. Atmospheric Environment，2003，37（21）：2893-2902.

[7] 孙和泰，黄治军，华伟，等.超低排放燃煤电厂可凝结颗粒物排放特性[J].洁净煤技术，2021，27（5）：218-223.

[8] 张月，孙雷，朱传勇，等.济南市不同行业人群PM2.5暴露水平及金属元素健康风险评估[J].环境化学，2022，41（9）：2962-2973.

作者简介

刘雷璐（1994—），女，汉族，湖北孝感人，助理工程师，硕士，主要研究方向为生态环境监测。

加工编辑：冯为为

收稿日期：2024-11-04