史妍婷,杜 謙,高建民,曹 陽(yáng),董鶴鳴,韓 強(qiáng)
(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)
燃煤鍋爐主要為燃煤電廠鍋爐和燃煤工業(yè)鍋爐。在我國(guó)的一次能源消耗中,煤炭占到消費(fèi)總量的70%,約有75%的煤炭用于燃燒。在消耗的煤炭中,燃煤電廠鍋爐消耗了約50%,燃煤工業(yè)鍋爐消耗了約20%(全國(guó)在用燃煤工業(yè)鍋爐約48萬(wàn)臺(tái)。每年消耗原煤約6.5億噸[1]。)。燃煤鍋爐煤炭的大量消耗,對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境PM2.5污染產(chǎn)生重要影響。
燃煤鍋爐對(duì)大氣環(huán)境PM 2.5的貢獻(xiàn)根據(jù)排放形態(tài)可分為兩種:直接排出的一次顆粒物和以氣態(tài)形式如SO2、NOx、和VOC等排放至大氣,通過(guò)復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過(guò)程形成的二次顆粒物。一次顆粒物中的PM 2.5可分為直接以固態(tài)形式排出的可過(guò)濾顆粒和在煙氣溫度狀態(tài)下以氣態(tài)形式排出、在煙羽稀釋和冷卻過(guò)程中凝結(jié)成粒子的可凝結(jié)顆粒物[2-3]??蛇^(guò)濾顆粒的形成機(jī)理主要包含殘灰顆粒和氣化凝結(jié)顆粒。殘灰顆粒主要是由燃燒過(guò)程中微小煤粒燃燒礦物熔融聚合、焦炭破碎后礦物熔融聚合及外在礦物破碎等途徑形成的[4]。氣化凝結(jié)顆粒物主要由煤燃燒過(guò)程中無(wú)機(jī)礦物質(zhì)的氣化和隨后的凝結(jié)而形成的,在麻省理工學(xué)院進(jìn)行的一系列研究中證明氣化-凝結(jié)是亞微米顆粒物重要的形成機(jī)理[5-6]??赡Y(jié)顆粒物[7],通常以冷凝核的形式存在,空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于1 μm,其主要來(lái)源是SO3。在鍋爐尾部煙道內(nèi),SO3與煙氣中的水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽。當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時(shí),形成硫酸氣溶膠,即為可凝結(jié)顆粒物。
燃煤鍋爐PM 2.5的控制應(yīng)該是一個(gè)綜合治理的過(guò)程,即包含一次可過(guò)濾顆粒物和一次可凝結(jié)顆粒物的治理,也包含對(duì)二次顆粒物前驅(qū)物SO2、NOx、和VOC等的治理。
為了解燃煤鍋爐一次顆粒物PM 2.5中可過(guò)濾顆粒物的產(chǎn)生與控制現(xiàn)狀,作者所在項(xiàng)目組利用二級(jí)稀釋系統(tǒng),采用荷電低壓撞擊器(ELPI)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。對(duì)于燃煤火力發(fā)電行業(yè),目前進(jìn)行了15臺(tái)鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,其中煤粉爐11臺(tái),循環(huán)流化床鍋爐4臺(tái)。鍋爐機(jī)組容量在200 MW以上。對(duì)于熱力生產(chǎn)和供應(yīng)行業(yè),目前進(jìn)行了16臺(tái)燃煤工業(yè)鍋爐的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,其中容量在20 t/h以上的鍋爐12臺(tái),容量在20 t/h以下的鍋爐4臺(tái)(容量2 t/h、4 t/h、6 t/h、10 t/h 的鍋爐各一臺(tái))。
試驗(yàn)過(guò)程中,分別對(duì)鍋爐后除塵前、除塵后脫硫前和脫硫后三個(gè)測(cè)點(diǎn)(鍋爐各測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1)進(jìn)行了PM2.5的ELPI現(xiàn)場(chǎng)粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度的在線測(cè)試。
圖1 鍋爐各測(cè)點(diǎn)的分布示意圖
1.1.1 PM 2.5一次可過(guò)濾顆粒物產(chǎn)生情況
(1)電廠燃煤鍋爐的產(chǎn)生情況
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,煤粉爐產(chǎn)生PM 2.5的粒數(shù)濃度一般在(3~15)×106個(gè)/cm3,質(zhì)量濃度一般在250 ~1 000 mg/m3。其中 PM 0.38(0.38 μm 以下的顆粒,主要是由礦物質(zhì)氣化凝結(jié)形成的顆粒物)占PM 2.5顆粒數(shù)比例一般在95%以上,而所占的PM 2.5質(zhì)量比例一般不到5%。循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生PM 2.5的顆粒數(shù)濃度一般在(2~5)×106個(gè)/cm3,質(zhì)量濃度一般在1 000~2 000 mg/m3。由于爐溫較低,由氣化凝結(jié)機(jī)理產(chǎn)生的顆粒物量相對(duì)較少,PM 0.38占PM 2.5顆粒數(shù)比例一般不到30%,而所占的PM 2.5質(zhì)量比例一般不到1%。
(2)燃煤層燃工業(yè)鍋爐的產(chǎn)生情況
燃煤工業(yè)鍋爐產(chǎn)生PM 2.5的顆粒數(shù)濃度一般在(15~60)×106個(gè)/cm3,質(zhì)量濃度一般在50~200 mg/m3。由氣化凝結(jié)機(jī)理產(chǎn)生的顆粒物量相對(duì)較大,PM 0.38占PM 2.5顆粒數(shù)比例一般超過(guò)99%,而所占的PM 2.5質(zhì)量比例可達(dá)50% ~75%之間。
從燃煤鍋爐產(chǎn)生的情況來(lái)看,燃煤層燃工業(yè)鍋爐所產(chǎn)生的PM 2.5的質(zhì)量濃度雖然相對(duì)較低,但由氣化凝結(jié)機(jī)理形成的難以脫除的細(xì)顆粒PM 0.38的顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度一般比電廠煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐還高。
1.1.2 PM 2.5可過(guò)濾顆粒物的控制現(xiàn)狀
(1)燃煤電廠鍋爐控制現(xiàn)狀
目前,對(duì)燃煤電廠PM 2.5一次可過(guò)濾顆粒物沒(méi)有專門的控制設(shè)備。現(xiàn)有針對(duì)煙塵的控制設(shè)備及濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)PM 2.5都有一定的脫除作用。燃煤電廠鍋爐對(duì)煙塵的控制設(shè)備,目前主要采用電除塵器,部分采用布袋或電袋聯(lián)合除塵器。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2010年底,電除塵器占94%,袋式或電袋復(fù)合除塵器約占6%。
目前,燃煤電廠所采用的除塵器總塵排放情況差別很大,質(zhì)量濃度從幾~幾百mg/m3。PM 2.5排放濃度差別也非常大,顆粒數(shù)濃度變化從幾萬(wàn)~幾十萬(wàn)個(gè)/cm3,質(zhì)量濃度從零點(diǎn)幾 ~幾十 mg/m3不等,這些差別主要是因?yàn)槠洳捎玫某龎m設(shè)備效率不同。
自2012年1月1日開(kāi)始執(zhí)行的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定,所有燃煤電廠鍋爐的煙塵排放限值為30 mg/m3。對(duì)于電除塵器,目前所采用的三電場(chǎng)和四電場(chǎng)電除塵器難以滿足此煙塵排放限值。五電場(chǎng)除塵器總煙塵排放濃度可達(dá)50 mg/m3以下,但一般也難以達(dá)到排放限值。五電場(chǎng)電除塵器要想達(dá)到該排放濃度限值,除綜合考慮濕法脫硫的脫硫效果外,還得持續(xù)改進(jìn)電除塵器技術(shù)。如果電除塵器改進(jìn)后能滿足30 mg/m3的煙塵排放限值,那么PM 2.5的排放質(zhì)量濃度能達(dá)10 mg/m3以下。
布袋除塵器和電袋復(fù)合除塵器對(duì)總塵和PM2.5均有良好的除塵效果[8],總塵排放均能達(dá)到30 mg/m3以下,特別是采用覆膜濾料的布袋除塵器和電袋復(fù)合除塵器總塵能達(dá)到10 mg/m3以下,PM 2.5排放的顆粒數(shù)濃度能達(dá)幾萬(wàn)個(gè)/cm3左右,質(zhì)量濃度能達(dá)到1 mg/m3以下。
燃煤電廠的脫硫系統(tǒng)對(duì)PM 2.5也有一定的脫除效果,但受吸收塔上方除霧器的除霧效果影響較大,當(dāng)除霧效果不佳時(shí),PM 2.5排放的顆粒數(shù)和質(zhì)量濃度甚至還可能升高。
對(duì)于燃煤電廠,如果所有鍋爐能切實(shí)落實(shí)30 mg/m3的煙塵排放限值,其排放的一次可過(guò)濾顆粒物對(duì)大氣環(huán)境的影響,從產(chǎn)生的質(zhì)量濃度來(lái)說(shuō),相對(duì)于二次顆粒物及一次可凝結(jié)顆粒,其影響相對(duì)要小一些。但由于一次可過(guò)濾顆粒物上富集了大量的有毒元素,對(duì)人體危害相對(duì)較大。
(2)燃煤工業(yè)鍋爐控制現(xiàn)狀
燃煤工業(yè)鍋爐(一般采用層燃爐)目前采用除塵器多為干式除塵器(如多管除塵器)、濕式除塵器(如水膜除塵器、沖擊水浴除塵器)、干濕聯(lián)合的除塵器。
燃煤工業(yè)鍋爐的這些除塵器對(duì)PM 2.5的顆脫除效果差,對(duì)PM 2.5的粒數(shù)和質(zhì)量脫除效果一般在40% ~65%之間,所排放的PM 2.5的顆粒數(shù)濃度很大,一般在幾~十幾×106個(gè)/cm3,質(zhì)量濃度在幾十mg/m3。
由于燃煤工業(yè)鍋爐數(shù)量大,燃煤消耗大,故工業(yè)鍋爐應(yīng)該成為燃煤鍋爐PM 2.5控制的重點(diǎn)??紤]到燃煤工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)承受能力較弱,故從工業(yè)鍋爐原煤處理、燃燒控制及煙氣脫除等方面應(yīng)加強(qiáng)PM 2.5控制技術(shù)的研發(fā),開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)有效的控制技術(shù)。
可凝結(jié)顆粒物是氣態(tài)或蒸汽類物質(zhì)由于溫度、壓力變化而凝結(jié)為固態(tài)或液態(tài)的顆粒物。此類顆粒物微小,主要形成于離開(kāi)煙囪的煙羽中,美國(guó)EPA[9]定義:該物質(zhì)在煙道溫度狀況下處為氣態(tài),離開(kāi)煙道后在環(huán)境狀況下降溫?cái)?shù)秒后凝結(jié)成為液態(tài)或固態(tài)。對(duì)于燃煤鍋爐的可凝結(jié)顆粒物,其主要來(lái)源是SO3。在煤粉爐燃燒過(guò)程中,煤中的硫絕大部分轉(zhuǎn)化為SO2,約6% ~7%的SO2會(huì)轉(zhuǎn)化為SO3。
目前燃煤鍋爐所采用的除塵措施,無(wú)論是靜電除塵器(ESP),還是布袋除塵器,對(duì)于煙道中呈氣態(tài)的PM 2.5一次可凝結(jié)顆粒都無(wú)能為力。而燃煤鍋爐現(xiàn)有的半干法脫硫技術(shù)具有較好的脫除效果,如循環(huán)流化床煙氣脫硫(CFB-FGD)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥工藝(SDA)、煙道吸收劑噴入工藝(DSI)、NID等。
燃煤鍋爐大氣二次顆粒物的主要前驅(qū)物為SO2與NOx。燃煤鍋爐SO2的原始排放主要與煤中硫含量有關(guān),一般SO2的原始排放濃度在幾百至幾千mg/m3。而NOx的原始排放濃度一般小于1 000 mg/m3。
針對(duì)燃煤電廠鍋爐形成的大氣二次顆粒物的前驅(qū)物SO2與NOx,目前電廠普遍從燃燒前、燃燒中、燃燒后三個(gè)方面進(jìn)行控制,基本可以滿足GB13223-2011及總量控制對(duì)燃煤電廠SO2與NOx的控制需求,由于燃煤電廠所產(chǎn)生的二次顆粒物所占大氣環(huán)境PM 2.5的貢獻(xiàn)量比例較大,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電廠的管理,切實(shí)落實(shí)對(duì)SO2與NOx的控制。
針對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐形成的大氣二次顆粒物的前驅(qū)物SO2與NOx,目前執(zhí)行的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13271-2001)相對(duì)較寬松,應(yīng)抓緊對(duì)現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的修訂,收緊SO2與NOx的排放濃度限值,并落實(shí)排放濃度限值及總量控制要求。
2.1.1 PM 2.5可過(guò)濾顆粒物現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)建議
對(duì)于現(xiàn)有電廠除塵器,提高除塵器效率即能提高PM 2.5的脫除效率。如ESP的除塵效率越高,PM 2.5的脫除效率提高越顯著。調(diào)研結(jié)果顯示:ESP除塵效率為99.65%時(shí),PM 2.5的脫除效率為98.4%;而ESP除塵效率提高到99.88%時(shí),PM 2.5的脫除效率為99.26%;ESP除塵效率提高0.23%,PM 2.5的脫除效率提高0.86%。因此盡量提高現(xiàn)有除塵技術(shù)的除塵效率是降低PM 2.5排放的措施之一。
(1)針對(duì)電除塵器
對(duì)于靜電除塵器,一方面可改進(jìn)電除塵技術(shù),如采用脈沖高度、寬度及頻率均可調(diào)整的高頻電源技術(shù);采用能將電場(chǎng)的收塵區(qū)與清灰區(qū)分開(kāi)的移動(dòng)極板技術(shù);還可采用改進(jìn)極配方式、煙氣調(diào)質(zhì)等技術(shù)。另一方面可發(fā)展更高性能的電除塵技術(shù)[10],如泛比電阻電除塵器技術(shù)、移動(dòng)電極電除塵器技術(shù)、薄膜電除塵器技術(shù)、層流電凝聚技術(shù)等。這些也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)電除塵器技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)。另外繞流式、氣流改向式、膜式、濕式電除塵器也在逐步發(fā)展[11]。
(2)針對(duì)布袋除塵器
對(duì)于布袋除塵器,其技術(shù)的核心在于濾料,其技術(shù)發(fā)展的核心也在于濾料的改進(jìn)[12]。具有較高過(guò)濾效果的濾料需要達(dá)到以下三方面的要求。除塵器的濾袋要采用能適應(yīng)不同工作狀況的優(yōu)質(zhì)濾料,同時(shí)也要注意濾料的加工質(zhì)量;要求具有強(qiáng)勁可靠的清灰機(jī)構(gòu),控制設(shè)備阻力;具有完善合理的自動(dòng)控制程序,保證除塵設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。
美國(guó)環(huán)保署的環(huán)境技術(shù)認(rèn)證(Environmental Technology Verification,ETV)項(xiàng)目[12]曾對(duì) ePTFE 覆膜濾料做過(guò)各方面的性能檢測(cè),其中的一個(gè)檢測(cè)指標(biāo)就是PM 2.5的排放,在ETV檢測(cè)中,該覆膜濾料的 PM 2.5的出口濃度 0.016 7 mg/m3,低于我國(guó)PM2.5大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值(0.035 mg/m3),甚至低于設(shè)備所能檢測(cè)到的極限值,是所有參檢的同類濾料里排放最低的。
同時(shí),美國(guó)GE公司也對(duì)三種典型的濾料進(jìn)行了PM 2.5通透性試驗(yàn)。這三種濾料為PC008(PPS氈料,微焦整理)、RY025(PPS/P84混合纖維,帶PTFE涂層)、QR003(PPS纖維,帶BHA-TEX(ePTFF)覆膜)。GE公司對(duì)布袋濾料試驗(yàn)的結(jié)論為常規(guī)的針刺氈料對(duì)于PM 2.5有很好的脫除能力,ePTFF覆膜能極大程度降低可過(guò)濾顆粒的排放,對(duì)PM 2.5的排放要求很容易達(dá)到。但是運(yùn)行對(duì)脫除效率有很大的影響,覆膜濾料應(yīng)始終在一個(gè)相對(duì)恒定的差壓下運(yùn)行,以免細(xì)顆粒在膜下面的纖維上積聚起來(lái)。GE公司建議布袋除塵器可運(yùn)行在一個(gè)很窄的差壓窗口(12~25 mm水柱),新的除塵器在建立起要求的差壓之前,不應(yīng)清灰。
由此可見(jiàn),采用改進(jìn)的覆膜濾料進(jìn)行工業(yè)煙塵過(guò)濾,可有效控制PM 2.5等細(xì)微顆粒物的穿透,無(wú)論是在環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)方面,還是在消除PM 2.5等亞微粉塵的污染方面,為人類期望的清潔生產(chǎn)、健康生產(chǎn)都提供了可能。
(3)針對(duì)電袋復(fù)合除塵技術(shù)
對(duì)于電袋復(fù)合除塵技術(shù),靜電除塵器后的煙氣中顆粒已經(jīng)很少,加上由于這些顆粒都帶有相同電荷而相互排斥,能在濾袋表面形成更多孔隙和凝并的顆粒層,從而過(guò)濾阻力較小,表面清灰容易,脈沖清灰時(shí)間增加,能耗降低,并且顆粒帶電又增強(qiáng)了粉塵層和纖維層對(duì)細(xì)顆粒的作用。
電袋復(fù)合除塵技術(shù)除了電除塵和袋式除塵各自改進(jìn)技術(shù)外,還需進(jìn)一步改進(jìn)電除塵和袋式除塵器在除塵過(guò)程的協(xié)同關(guān)系。
2.1.2 PM 2.5可凝結(jié)顆粒物控制技術(shù)改進(jìn)建議
由于 PM 2.5中一次可凝結(jié)顆粒主要來(lái)源是SO3,對(duì)于其治理,可以發(fā)展和推廣如下兩項(xiàng)技術(shù):
(1)濕式靜電除塵器(WESP)技術(shù)
WESP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓靜電除塵器濕化運(yùn)行的突破,對(duì)煙氣中的細(xì)微顆粒物和由SO3形成的硫酸霧均有很好的脫除效果,濕式靜電除塵可以發(fā)展為以控制細(xì)顆粒、SO3為目的的專用污控設(shè)備。
武漢龍凈環(huán)保科技有限公司[13]對(duì)現(xiàn)有的除塵技術(shù)進(jìn)行評(píng)估后發(fā)現(xiàn),濕式電除塵器是相對(duì)實(shí)用高效且經(jīng)濟(jì)可行的控制 PM 2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠、重金屬、有機(jī)污染物的技術(shù)。煙塵排放濃度可達(dá)10 mg/m3甚至5 mg/m3以下。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了一些對(duì)電廠濕法脫硫(WFGD)系統(tǒng)前后顆粒物組成成分的研究。王琿等[14]進(jìn)行了濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)煙氣中細(xì)顆粒物脫除作用的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:WFGD對(duì)總飛灰顆粒物平均有74.5%的脫除效率,但對(duì)于粒徑小于2.5 μm的可吸入顆粒物的脫除效率并不高,并且隨著粒徑的減小脫除效率明顯下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),WFGD系統(tǒng)雖然可以有效降低總顆粒物濃度,但在某種程度上反而增加了超細(xì)顆粒物的排放量。
因此,針對(duì)濕法脫硫工藝,對(duì)一次可凝結(jié)顆粒物脫除效率低,且可能造成一次可凝結(jié)顆粒物排放量增加的問(wèn)題,目前正在探索的解決方法是采用在吸收塔下游安裝濕式電除塵器,減少硫酸氣溶膠和微細(xì)粉塵的排放。
(2)發(fā)展聯(lián)合脫除技術(shù)
由于燃煤鍋爐現(xiàn)有的半干法脫硫技術(shù)對(duì)一次可凝結(jié)顆粒物的形成物SO3具有較好的脫除效果,可考慮濕法煙氣脫硫系統(tǒng)(WFGD)的上游安裝半干法煙氣脫硫系統(tǒng),如圖2所示。
圖2 脫除一次可凝結(jié)顆粒物的聯(lián)合脫硫除塵系統(tǒng)
持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展現(xiàn)有脫硫、脫硝技術(shù)及一體化聯(lián)合脫除技術(shù),或進(jìn)一步研發(fā)新型更高效、節(jié)能經(jīng)濟(jì)型的技術(shù),以實(shí)現(xiàn) SOx、NOx、NH3的進(jìn)一步嚴(yán)格控制。
(1)工業(yè)鍋爐除塵及脫硫脫硝設(shè)備相對(duì)落后,應(yīng)該成為PM 2.5控制的重要對(duì)象。大力發(fā)展適合工業(yè)鍋爐經(jīng)濟(jì)承受能力的PM 2.5控制技術(shù)。
(2)覆膜濾料的布袋和電袋除塵器對(duì)PM 2.5具有良好的脫除效果。濕法脫硫系統(tǒng)由于吸收塔上部除霧器除霧能力及效果的限制,可能會(huì)造成PM 2.5的增加。
(3)對(duì)于現(xiàn)有除塵技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn)。針對(duì)一次可過(guò)濾顆粒物,改進(jìn)電除塵技術(shù)(如極配方式的改進(jìn)、煙氣調(diào)質(zhì)、移動(dòng)電極、高頻電源等),并發(fā)展更高性能的電除塵技術(shù)(如繞流式、氣流改向式、膜式、濕式電除塵器等)。改進(jìn)袋式除塵技術(shù)(如改進(jìn)濾料等)、電袋復(fù)合除塵技術(shù),提高總煙塵脫除效率,以提高PM 2.5的脫除效率。針對(duì)一次可凝結(jié)顆粒物,大力改進(jìn)和發(fā)展?jié)袷诫姵龎m技術(shù)、干式脫硫和現(xiàn)有除塵技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)等。
(4)對(duì)于未來(lái)PM 2.5控制技術(shù),快速發(fā)展專門針對(duì)PM 2.5脫除的煙塵凝聚技術(shù),實(shí)現(xiàn)煙塵凝聚與電除塵相結(jié)合的PM 2.5高效脫除技術(shù),同時(shí)快速研發(fā)PM 2.5燃燒過(guò)程中協(xié)同控制技術(shù)及更高性能的新型PM 2.5煙氣脫除技術(shù)。
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