任巖軍,張 錚,何京東,郭鳳艷,趙思嵐4,,王鳴宇,鄧 雙*
1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012 2.清大國華環(huán)境集團(tuán)股份有限公司,北京 100085 3.中國科學(xué)院,北京 100864 4.中國礦業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083
大氣汞污染具有強(qiáng)毒性、遷移性和生物富集性,已在世界范圍引起廣泛關(guān)注[1-2].2013年10月,在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)組織下,國際社會(huì)通過了《關(guān)于汞的水俁公約》(簡稱“《汞公約》”),我國作為首批簽約國簽署了該公約[3].大氣汞污染的重要來源之一是煤燃燒,其中燃煤電廠是大氣汞最重要的來源[4-7].從20世紀(jì)末起,煤炭占我國能源消費(fèi)總量的70%左右,遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家消費(fèi)比重(21%)和世界平均水平(28.6%)[8],而我國煤炭消費(fèi)的70%以上用于燃煤電廠.由此可見,燃煤電廠大氣汞污染控制對(duì)于我國《汞公約》履約和保護(hù)人民身體健康至關(guān)重要.
2011年我國制定了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[9],將汞及其化合物納入其中,并于2015年1月1日開始施行.2012年9月27日國務(wù)院在《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》中明確提出了對(duì)燃煤電廠大氣汞排放的控制.《汞公約》則要求締約方在5~10 a內(nèi),逐步采用最佳可用技術(shù)(BAT)和最佳環(huán)境實(shí)踐(BEP)[3],以有效控制大氣汞污染.近年來,國內(nèi)外學(xué)者在燃煤電廠大氣汞排放量[10-12]、影響因素[13-15]、常規(guī)污染物凈化裝置的協(xié)同控制[16]及專門控制技術(shù)[17-21]等方面開展了大量的研究工作,但這些技術(shù)的適用范圍、成熟度、脫除效果和成本等方面各有優(yōu)劣,必須通過技術(shù)評(píng)估篩選出最佳經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的控制技術(shù),以有效控制我國的大氣汞污染.
國內(nèi)對(duì)于大氣污染物控制技術(shù)評(píng)估的研究主要集中在火電廠脫硫脫硝方面[22],而對(duì)于大氣汞控制技術(shù)的評(píng)估較為鮮見.該研究針對(duì)我國燃煤電廠非常規(guī)污染物大氣汞的特點(diǎn),建立了評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)燃煤電廠大氣汞污染控制技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)估,篩選出最佳控制技術(shù),并初步探討了我國燃煤電廠大氣汞污染的控制對(duì)策.
目前技術(shù)評(píng)估方法主要包括模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度綜合評(píng)價(jià)法和逼近理想解排序法等[22-24],其中,模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用最為廣泛,其最大優(yōu)勢(shì)在于能處理具有模糊性因素較多或定性定量指標(biāo)較復(fù)雜的問題[25-26].專家判定法和層次分析法為指標(biāo)權(quán)重確定的方法;層次分析法是利用系統(tǒng)分析的原理,將人們的思維過程數(shù)學(xué)化和系統(tǒng)化,將定性與定量相結(jié)合,采用多目標(biāo)決策與分析的方法,對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且定性指標(biāo)較多的情況更適用[27].大氣汞為非常規(guī)污染物,其控制技術(shù)包含了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)三方面的脫除效率、對(duì)周圍環(huán)境的影響和技術(shù)成熟等多層次的復(fù)雜評(píng)估因數(shù)和定性指標(biāo).因此,該研究采用模糊綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法或?qū)<遗卸ǚㄏ嘟o合的方法,對(duì)燃煤電廠大氣汞污染控制技術(shù)開展評(píng)估.評(píng)估的主要步驟分別為初步篩選待評(píng)技術(shù)、構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系、量化指標(biāo)、確定各指標(biāo)權(quán)重、計(jì)算待評(píng)技術(shù)得分和綜合分析評(píng)估結(jié)果.
燃煤煙氣中的汞以顆粒態(tài)(Hgp)、氧化態(tài)(Hg2+、Hg+)和元素態(tài)(Hg0)三種形式存在,不同于煙氣中的SO2、NOx和顆粒物,屬于非常規(guī)污染物.顆粒態(tài)汞(Hgp)的可通過ESP (靜電除塵)、FF (布袋除塵)及電袋復(fù)合除塵器等除塵裝置協(xié)同脫除;而氧化態(tài)汞(Hg2+、Hg+)可溶于水,可通過WFGD (濕法脫硫)等煙氣脫硫裝置協(xié)同脫除.因此,燃煤電廠大氣汞控制技術(shù)與煙氣脫硫、脫硝和除塵技術(shù)等常規(guī)污染物控制技術(shù)存在顯著不同,可分為專門控制技術(shù)和協(xié)同控制技術(shù).專門控制技術(shù)是特別針對(duì)汞的控制技術(shù),如活性炭吸附技術(shù)[10,17]、等離子技術(shù)[18]和飛灰吸附技術(shù)[19-21]等;協(xié)同控制技術(shù)主要包括洗選煤、ESP技術(shù)、WFGD技術(shù)以及FF技術(shù)和SCR (選擇性催化還原脫硝)技術(shù)等.燃煤電廠大氣汞控制技術(shù)的汞脫除效率如表1所示.
煙氣凈化協(xié)同控制技術(shù)的汞脫除效率受煤種、燃燒方式和設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)等因素影響較大(見表1).隨著我國燃煤電廠大氣排放標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán),常規(guī)大氣污染物治理設(shè)施不斷升級(jí)改造.截至2017年底,火電廠安裝袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器的機(jī)組容量占全國煤電機(jī)組容量的33.4%以上,其中,袋式和電袋復(fù)合式除塵器分別占8.7%和25.4%,其他為靜電除塵器;全國已投運(yùn)煤電煙氣脫硫機(jī)組容量占全國煤電機(jī)組容量的95.8%,其余為燃燒中脫硫技術(shù)的循環(huán)流化床鍋爐[29].為滿足地方的特殊排放限值,部分地區(qū)現(xiàn)有機(jī)組實(shí)行了超低排放.我國首套超低排放裝置在2014年5月底開始運(yùn)行,并在2020年前對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造,實(shí)現(xiàn)在基準(zhǔn)氧含量6%的條件下,排放的煙塵、SO2和NOx質(zhì)量濃度分別不高于10、35和50 mg/m3.
中國環(huán)境科學(xué)研究院對(duì)河北省某超低排放機(jī)組的測(cè)試結(jié)果表明,采用超低路線〔低氮燃燒器→選擇性催化還原脫硝裝置(SCR)→低溫省煤器→電除塵器→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置(WFGD)→濕式電除塵器→煙囪〕,煙氣凈化裝置HgT(總汞)脫除效率為85.92%,燃煤中汞含量為0.099 mg/kg,排放煙氣中ρ(HgT)為3.05 μg/m3.江蘇省、河北省和重慶市等地區(qū)燃煤機(jī)組超低機(jī)組排放ρ(HgT)為0.65~4.6 μg/m3[28].由此可見,我國燃煤電廠僅安裝常規(guī)煙氣凈化裝置或超低排放煙氣凈化裝置很難達(dá)到發(fā)達(dá)國家的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)〔2016年美國新制定的標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)有機(jī)組排放ρ(HgT)約為1.93 μg/m3,新建機(jī)組排放ρ(HgT)約0.45 μg/m3〕[30].目前,比較公認(rèn)的高效控制技術(shù)是活性炭噴射脫汞技術(shù).至2014年底,美國已有310家電廠安裝了活性炭噴射脫汞系統(tǒng),但其成本較高.如 1 000 MW燃煤電廠如果安裝活性炭噴射煙氣脫汞系統(tǒng),需要大于5美元/kW的建設(shè)成本和0.05美元/kW維護(hù)和運(yùn)行成本[31-32].研究者試圖開發(fā)成本較低的飛灰吸附技術(shù)[19-21],華北電力大學(xué)采用溴化物機(jī)械改性粉煤灰作為汞吸附劑在我國某 1 000 MW超低排放燃煤電廠進(jìn)行了示范,取得了很好的效果[31].還有研究者致力于等離子體法等新技術(shù)的研發(fā)[18].上述汞的專門控制技術(shù)具有很高的脫汞效率(見表1)和一定的工程應(yīng)用前景.
表1 燃煤電廠大氣汞控制技術(shù)的汞脫除效率Table 1 Removal efficiency of atmospheric mercury control technology in coal-fired power plants
該研究根據(jù)我國燃煤電廠的實(shí)際情況和發(fā)達(dá)國家的嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn),選取了洗選煤+煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)(T1)、煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)(T2)、超低排放協(xié)同脫除技術(shù)(T3)、煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)(T4)、超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)(T5)、超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+等離子體技術(shù)(T6)和超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+飛灰吸附技術(shù)(T7)七項(xiàng)技術(shù)及技術(shù)組合開展評(píng)估.
目前國內(nèi)外針對(duì)非常規(guī)污染物控制技術(shù)評(píng)估體系的研究較為鮮見,借鑒其他大氣污染物控制技術(shù)評(píng)價(jià)體系[22,33],并結(jié)合大氣汞污染控制技術(shù)特點(diǎn),在考慮各評(píng)判要素兼顧各指標(biāo)特性的基礎(chǔ)上,建立了三層指標(biāo)體系,共22個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(見圖1).
圖1 燃煤電廠大氣汞污染控制技術(shù)評(píng)估的指標(biāo)體系Fig.1 Index system for evaluating atmospheric mercury pollution control technology in coal-fired power plants
由于不同指標(biāo)的評(píng)估等級(jí)和量綱有所不同,不具有可比性,無法對(duì)不同技術(shù)進(jìn)行綜合比較.因此,該研究首先對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)賦值法量化,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)評(píng)估并賦值.以脫汞單位成本為例,評(píng)估等級(jí)為低、較低、中、較高和高等五檔,賦值依次對(duì)應(yīng)5、4、3、2和1.該研究通過文獻(xiàn)[22-23,33]調(diào)研和20位專家(涉及技術(shù)研發(fā)、技術(shù)評(píng)估和電廠環(huán)保等領(lǐng)域)評(píng)分的方式對(duì)不同控制技術(shù)的某項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦值量化.為了將不同指標(biāo)進(jìn)行比較,將各指標(biāo)原始量化值按式(1)計(jì)算出不同技術(shù)的不同指標(biāo)的分值.
mi=xi/5
(1)
式中:mi為某項(xiàng)技術(shù)第i項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過等級(jí)賦值法后的分值,分值越大,說明該指標(biāo)性能越好;xi為某項(xiàng)技術(shù)的第i項(xiàng)指標(biāo)的原始量化值.計(jì)算得到待評(píng)技術(shù)的各指標(biāo)量化結(jié)果如表2所示.
表2 指標(biāo)量化結(jié)果Table 2 Quantitative values of indicators
注:括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為指標(biāo)量化后分值.
決定評(píng)價(jià)結(jié)果是否合理的一個(gè)重要因素就是各指標(biāo)所占的權(quán)重,權(quán)重?cái)?shù)值的準(zhǔn)確性直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果.該研究采用專家問卷調(diào)查獲得各指標(biāo)權(quán)重(見表3),然后在此基礎(chǔ)上利用層次分析法(AHP)[22]確定各指標(biāo)權(quán)重.
參考專家調(diào)查問卷得到的指標(biāo)權(quán)重值,對(duì)指標(biāo)層構(gòu)造兩兩判斷矩陣,計(jì)算特征向量,并對(duì)每個(gè)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn).根據(jù)判別矩陣運(yùn)算結(jié)果,可計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重值[33].
以環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)3個(gè)一級(jí)指標(biāo)為例,設(shè)環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系矩陣:
(2)
將矩陣歸一化:
(3)
計(jì)算得到最大特征根λmax=3,單位向量[0.600 0,0.200 0,0.200 0]T,驗(yàn)證CR (一致性指標(biāo))=0(<0.1),根據(jù)層次分析法判據(jù),說明構(gòu)建的矩陣具有一致性,構(gòu)建合理.并且環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分別為 0.600 0、0.200 0 和 0.200 0,也符合目前我國政府和人民對(duì)美好環(huán)境的強(qiáng)烈需求.
設(shè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中脫汞單位成本、回收效益和占地面積3個(gè)二級(jí)指標(biāo)的關(guān)系矩陣:
(4)
將矩陣歸一化:
(5)
計(jì)算可得最大特征根λmax=5.835 8,由此計(jì)算CR=2.726 7(>0.1),故不滿足一致性,需重新構(gòu)建矩陣:
表3 燃煤電廠大氣汞控制技術(shù)指標(biāo)權(quán)重專家問卷調(diào)研結(jié)果Table 3 Results of questionnaire survey on the index weight of atmospheric mercury control technology in coal-fired power plants
(6)
將矩陣歸一化:
(7)
計(jì)算可得最大特征根λmax=3.082,單位向量[0.779 4,0.065 3,0.155 3]T,驗(yàn)證CR=0.078 8(<0.1).故滿足一致性,判斷矩陣構(gòu)建合理,該指標(biāo)層占上一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分別為 0.779 4、0.065 3 和 0.155 3.其余矩陣構(gòu)造及判別方法依次類推.
計(jì)算二級(jí)指標(biāo)技術(shù)可靠性的最終權(quán)重值需用上一層指標(biāo)權(quán)重值(技術(shù)指標(biāo))乘以該指標(biāo)值(技術(shù)可靠性)占該層指標(biāo)的權(quán)重值,所得數(shù)值即為該指標(biāo)最終權(quán)重.其他各指標(biāo)計(jì)算方法同理可得,在此不一一贅述.通過層次分析法構(gòu)建矩陣計(jì)算所得的指標(biāo)權(quán)重值如表4所示.
根據(jù)表2中各技術(shù)的指標(biāo)量化值和表4中權(quán)重值,按式(8)計(jì)算得到各技術(shù)的綜合得分(Ei)如表5所示.
(8)
式中,Eij為第j種技術(shù)的具體指標(biāo)層下第i項(xiàng)指標(biāo)的量化值,Di為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重.
由表5可見,各技術(shù)綜合得分順序依次為超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)>煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)>超低排放協(xié)同脫除技術(shù)>洗選煤+煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)>超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+飛灰吸附技術(shù)>煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)>超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+等離子體技術(shù).超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)的綜合評(píng)分最高,為我國控制燃煤電廠大氣汞污染的最佳控制技術(shù),這主要是因?yàn)榫C合評(píng)估過程主要強(qiáng)調(diào)了環(huán)境因素.
為了更加全面地分析評(píng)估結(jié)果,對(duì)權(quán)重的敏感性進(jìn)行了分析.如將環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)3個(gè)一級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重分別調(diào)整為 0.200 0、0.600 0、0.200 0,即主要強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)因素時(shí),各二級(jí)和三級(jí)指標(biāo)權(quán)重按比例隨之變化,綜合評(píng)估結(jié)果見圖2.將專家調(diào)查問卷指標(biāo)權(quán)重值(見表3)用式(8)計(jì)算得到專家判定法綜合評(píng)估結(jié)果,并與采用層次法的綜合評(píng)估結(jié)果進(jìn)行比較(見圖2).由圖2可見,采用專家判定法的評(píng)估結(jié)果與強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)因素層次分析法的評(píng)估結(jié)果一致,洗選煤+煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)組合更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),是我國現(xiàn)階段最佳可用技術(shù)(BAT)和最佳環(huán)境實(shí)踐(BEP).洗選煤是前端控制技術(shù),也是一種協(xié)同控制技術(shù),其經(jīng)濟(jì)上肯定優(yōu)于專門控制技術(shù).超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)和煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)得分也較高(見圖2),僅次于洗選煤+煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù).這些評(píng)估結(jié)果符合我國現(xiàn)階段的實(shí)際情況,表明該研究建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法具有較強(qiáng)的科學(xué)性和合理性.
表4 燃煤電廠大氣汞控制技術(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Indicators weight of atmospheric mercury control technology in coal-fired power plants
表5 燃煤電廠大氣汞污染控制技術(shù)的綜合評(píng)估結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation results of atmospheric mercury pollution control technology in coal-fired power plants
圖2 專家判定法、強(qiáng)調(diào)環(huán)境因素層次分析法和強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)因素層次分析法的綜合評(píng)估結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of technical evaluation results for expert method and AHP which emphasizes environmental and economic factors respectively
據(jù)國家能源局報(bào)道,截至2018年底,我國已有7.5×108kW以上的燃煤機(jī)組(約占全國的70%)完成了超低排放改造.目前,我國燃煤電廠超低排放技術(shù)路線主要有以下三種[34]:技術(shù)路線1,低氮燃燒器→選擇性催化還原脫硝裝置(SCR)→低溫省煤器/煙氣換熱裝置→低低溫電除塵器→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置(WFGD)→低溫省煤器/煙氣換熱裝置→煙囪;技術(shù)路線2,采用干濕配合的方式,低氮燃燒器→選擇性催化還原脫硝裝置(SCR)→干式電除塵器→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置(WFGD)→相變換熱器→濕式電除塵器→煙囪;技術(shù)路線3,低氮燃燒器→選擇性催化還原脫硝裝置(SCR)→電袋除塵器→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置(WFGD)→濕式電除塵器(可選裝)→煙囪.其中,以濕式靜電為核心的技術(shù)路線2有利于協(xié)同脫除汞[34].ZHAO等[35]對(duì)我國某家燃用低硫低氯煤超低排放電廠實(shí)測(cè)結(jié)果表明,濕式電除塵器(WESP)可進(jìn)一步脫除煙氣中約13.63%的汞.神華集團(tuán)某超低排放燃煤機(jī)組的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[36]表明:煙氣凈化裝置協(xié)同脫汞(HgT)效率為75.3%~90.9%,排放ρ(HgT)為0.51~1.45 μg/m3,已接近2016年美國新制定的標(biāo)準(zhǔn);但此機(jī)組燃煤中的w(HgT)僅為0.029~0.049 mg/kg,約為我國煤w(HgT)平均值(0.15~0.2 mg/kg)的20%,這是其具有低汞排放水平的關(guān)鍵.
我國部分燃煤電廠進(jìn)行超低排放改造后,大氣汞排放水平仍達(dá)不到世界先進(jìn)燃煤機(jī)組的協(xié)同控制水平[29,36],這可能是由于燃煤中汞含量較高導(dǎo)致的,因此有必要通過前端控制技術(shù)——洗選煤來提高協(xié)同控制水平.目前,我國燃煤電廠燃煤的洗選率為56%以上,可進(jìn)一步通過提高煤炭的洗選率及洗選技術(shù)的改進(jìn),減低燃煤中汞的含量,以提高燃煤電廠常規(guī)煙氣凈化裝置對(duì)大氣汞的協(xié)同脫除效率,降低煙氣脫汞成本.鑒于我國燃煤電廠具有煤種、運(yùn)行工況和煙氣成分復(fù)雜多變等特點(diǎn),建議現(xiàn)階段我國采用洗選煤+超低排放協(xié)同脫除技術(shù)組合進(jìn)行燃煤電廠大氣汞污染控制.而為了達(dá)到發(fā)達(dá)國家的嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn),則可采用超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù),在大力控制SO2、NOx和顆粒物等常規(guī)污染物的同時(shí),有效控制我國燃煤電廠的大氣汞污染,更好地履行國際《汞公約》和保護(hù)人民身體健康.
a) 建立了三層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包括環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)為一級(jí)指標(biāo)的三層指標(biāo)體系,共22個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),評(píng)估結(jié)果符合目前我國現(xiàn)階段的實(shí)際情況,表明建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)方法具備較強(qiáng)的科學(xué)性和合理性.
b) 超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù)組合綜合評(píng)估得分最高(0.797 0),為最佳控制技術(shù);而洗選煤+煙氣凈化協(xié)同脫除技術(shù)組合具有最佳經(jīng)濟(jì)性,是專家認(rèn)為的最佳可用技術(shù)(BAT)和最佳環(huán)境實(shí)踐(BEP).
c) 建議我國現(xiàn)階段采用洗選煤+超低排放協(xié)同脫除技術(shù)對(duì)我國燃煤電廠大氣汞污染進(jìn)行控制;但為了達(dá)到發(fā)達(dá)國家的嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn),則可采用超低排放協(xié)同脫除技術(shù)+活性炭吸附技術(shù).