張松松，王中偉，管堅(jiān)，陳昊羽，杜 謙，高建民

(1．中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029;2．中國(guó)能建黑龍江火電一公司，黑龍江 哈爾濱 150090;

3．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)

0 前言

目前，我國(guó)出現(xiàn)大規(guī)模霧霾天氣，部分城市空氣質(zhì)量達(dá)到重度污染，而PM2．5是主要污染物之一，由于PM2．5顆粒直徑較小可進(jìn)入人體肺泡，嚴(yán)重危害了居民的身體健康。工業(yè)鍋爐是重要熱能動(dòng)力設(shè)備，截止到2013 年，我國(guó)工業(yè)鍋爐數(shù)量已經(jīng)超過(guò)63 萬(wàn)臺(tái)，占我國(guó)鍋爐總數(shù)量的98%以上，在大氣PM2．5源分析中占有重要比例［1］。

目前許多學(xué)者對(duì)PM2．5做了大量研究工作，屈成銳等利用ELPI 儀器測(cè)試燃燒徐州煙煤的管式爐在不同O2/CO2氣氛下PM2．5的排放特性，發(fā)現(xiàn)PM2．5產(chǎn)生的質(zhì)量濃度在不同的O2/CO2燃燒氣氛下均呈現(xiàn)雙峰分布，峰值分別出現(xiàn)在0．1 ～0．2 μm 處，并隨O2含量的增加有上升趨勢(shì)［2］;徐飛、駱仲泱等人對(duì)一臺(tái)440 t/h 的循環(huán)流化床鍋爐開(kāi)展測(cè)試，發(fā)現(xiàn)靜電除塵器(ESP)前生成的顆粒物PM1、PM2．5的質(zhì)量百分比在加入石灰石添加劑后分別由0． 92%、3.37%下降到0．58%、1．70%，說(shuō)明石灰石添加劑對(duì)顆粒物的凝并和團(tuán)聚有一定的促進(jìn)作用［3］。對(duì)工業(yè)鍋爐PM2．5產(chǎn)排特性進(jìn)行深入詳細(xì)的研究，減少工業(yè)鍋爐PM2．5的排放，提高我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量有重要意義。

1 PM2．5的危害與成分分析

1．1 PM2．5的危害

PM2．5即空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于或等于2．5 μm 的顆粒，由于顆粒粒徑較小可進(jìn)入人體肺泡，又稱可入肺顆粒物。文獻(xiàn)研究表明PM2．5顆粒比表面積較大，顆粒表面易附著致病病菌，對(duì)人體危害程度大于較大顆粒物［4－5］。殷永文等統(tǒng)計(jì)了上海市霧霾天氣PM2．5與PM10濃度與醫(yī)院呼吸病就診人數(shù)的相關(guān)性，當(dāng)PM10日均濃度每增加50 μg/m3，呼吸科看病人數(shù)上升3%，兒童呼吸科看病人數(shù)上升0．5%，當(dāng)PM2．5日均濃度每增加34 μg/m3，呼吸科和兒童呼吸科就診人數(shù)上升比例分別為3．2%和1．9%［6］;PM2．5顆粒屬于飄塵，對(duì)可見(jiàn)光散射消光影響較大，當(dāng)空氣中PM2．5的 濃 度 達(dá) 到0． 5 μg/m3時(shí)，能 見(jiàn) 度 下 降80.8%，且具有“陽(yáng)傘效應(yīng)”，是引起城市霧霾的重要污染物。

我國(guó)新執(zhí)行的《環(huán)境控制質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)將PM2．5濃度納入空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，部分城市PM2．5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)年均值35 μg/m3和日均75 μg/m3的要求，因此減少PM2．5源排放已是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。

1．2 PM2．5的成分分析

PM2．5顆?；瘜W(xué)成分復(fù)雜，幾乎包含元素周期表所有元素，涉及30 000 種以上有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物(包括硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、有機(jī)物、炭黑、重金屬等)。徐敬等采用離子色譜儀分析北京地區(qū)PM2．5中離子含量，發(fā)現(xiàn)含量較多的為SO42－、NO3－、和NH4

+［7］。清華大學(xué)楊復(fù)沫等在車公莊和清華園同步采樣并做全樣品分析，發(fā)現(xiàn)含碳組分與水溶性離子質(zhì)量濃度之和超過(guò)50%，有機(jī)碳、元素碳與PM2．5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)冬季最高、夏季最低的季節(jié)變化規(guī)律［8］。

2 PM2．5源分析

不同城市之間存在氣候、溫度、濕度不同等環(huán)境條件差異，其PM2．5源分析貢獻(xiàn)率也有所不同。黃曉鋒等發(fā)現(xiàn)二次硫酸鹽和硝酸鹽生成、機(jī)動(dòng)車尾氣、生物質(zhì)燃燒是深圳市區(qū)大氣中PM2．5的最主要來(lái)源，貢獻(xiàn)率分別為39．3%、26．9%、9．8%，高氯源、重油燃燒、海鹽、揚(yáng)塵和冶金貢獻(xiàn)率分別在2% ～4%［9］;高申等采用銀子分析法和富集因子法對(duì)包頭市東河區(qū)PM2．5來(lái)源分析，發(fā)現(xiàn)建筑水泥塵/土壤風(fēng)沙塵、工業(yè)粉塵/燃煤粉塵的方差貢獻(xiàn)率分別為54． 03%、29.98%［10］。

3 工業(yè)燃煤鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀及PM2．5產(chǎn)生

3．1 工業(yè)燃煤鍋爐運(yùn)行狀況

我國(guó)大多數(shù)燃煤工業(yè)鍋爐容量較小，單臺(tái)平均容量為3．8 t/h，存在部分鍋爐老化嚴(yán)重、自動(dòng)化水平較低、鍋爐負(fù)荷裕度過(guò)大、燃料匹配性較差、環(huán)保設(shè)備落后等特點(diǎn)，鍋爐運(yùn)行平均熱效率僅為65%，較發(fā)達(dá)國(guó)家低15 個(gè)百分點(diǎn)左右，導(dǎo)致排放的飛灰中含有大量的炭黑粒子［11］，增加了固體不完全燃燒損失與PM2．5一次顆粒物的產(chǎn)生。大量在用工業(yè)鍋爐脫硫脫硝設(shè)備落后、脫除效率較低，排放到大氣的SO2、NOx 及VOC 等氣體增加了PM2．5二次顆粒物的排放。

3．2 工業(yè)燃煤鍋爐PM2．5產(chǎn)生狀況

我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐以層燃爐和流化床鍋爐為主，存在區(qū)域高強(qiáng)度、低空排放的特點(diǎn)。層燃爐產(chǎn)生的PM2．5以氣化凝結(jié)、殘灰粒子及未完全燃燒形成的炭黑粒子等機(jī)理生成，粒數(shù)濃度為107個(gè)/cm3左右，質(zhì)量濃度一般在200 mg/cm3以下;流化床鍋爐入爐煤顆粒經(jīng)歷一次破碎、二次破碎、磨損等過(guò)程產(chǎn)生大量的亞微米顆粒，由于入爐燃料添加的脫硫劑石灰石為氣化凝結(jié)形成的細(xì)小顆粒物提供了一個(gè)可附著的場(chǎng)所，流化床鍋爐產(chǎn)生的PM2．5顆粒總粒數(shù)濃度偏小為5 ×106個(gè)/cm3左右，大顆粒粒數(shù)濃度較大，使得總質(zhì)量濃度偏大在1 000 ～2 000 mg/cm3范圍內(nèi)。

4 不同除塵設(shè)備對(duì)PM2．5脫除現(xiàn)狀

利用荷電低壓顆粒撞機(jī)器在6 臺(tái)不同型號(hào)的除塵器前、后測(cè)試煙氣中PM2．5顆粒的質(zhì)量濃度，結(jié)果如表1 所示。

測(cè)試方法按照《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》GB/T 16157 －1996 和《固定源廢氣監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》HJ/T 397 －2007 執(zhí)行。由表1 可看出，對(duì)PM2．5除塵效率最高的為電袋聯(lián)合除塵器達(dá)到99． 83%，布袋除塵器除塵效率為99.81%，除塵效率最低的為管旋風(fēng)除塵器和水膜除塵器，除塵效率均在50%以下，多管旋風(fēng)與沖擊水浴復(fù)合除塵器除塵效率高于單一水膜除塵器或多管旋風(fēng)除塵器。目前，我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐除塵設(shè)備以對(duì)PM2．5顆粒脫除效率較低的水膜除塵器和旋風(fēng)除塵器為主，除塵效率較高的布袋除塵器、電袋聯(lián)合除塵器由于運(yùn)行成本較高等問(wèn)題僅在少量鍋爐機(jī)組中采用。

表1 不同除塵器PM2．5顆粒質(zhì)量濃度及除塵效率

尾部煙道設(shè)立的濕法脫硫裝置(WFGD)對(duì)PM2．5有一定的脫除作用，部分顆粒物通過(guò)布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、與噴淋液的碰撞和攔截作用被捕集，而霧滴中含有的石灰石顆粒和煙氣中二氧化硫形成的二次顆粒物被干燥和水溶性物質(zhì)結(jié)晶析出，除霧器不能將霧滴中的顆粒全部去除，導(dǎo)致WFGD 后亞微米顆粒物粒數(shù)濃度有所升高，PM2．5總質(zhì)量濃度有所下降。

部分鍋爐煙氣凈化裝置尾部加設(shè)濕式靜電除塵器(WESP)，可有效脫除煙氣中的細(xì)小顆粒物和由SO3形成的硫酸霧，武漢龍凈環(huán)?？萍加邢薰景l(fā)現(xiàn)，WESP 可有效降低PM2．5、氣溶膠顆粒、硫酸霧排放濃度，煙塵排放濃度最低可減少至5 mg/m3［11］。

5 燃煤工業(yè)鍋爐PM2．5減排建議

隨著工業(yè)鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督的加強(qiáng)與《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，新建燃煤工業(yè)鍋爐采用大量新型節(jié)能環(huán)保措施，煙塵排放濃度有了較大的降低。在用燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)裝備相對(duì)落后，輔機(jī)匹配較差，消耗大量燃料的同時(shí)增加了飛灰的排放，采用單一老式的機(jī)械除塵器已經(jīng)不能滿足新的排放濃度限值80 mg/m3，建議淘汰落后環(huán)保設(shè)備，采用多種除塵器聯(lián)合除塵或采用除塵效率較高的靜電除塵器、布袋除塵器、電袋聯(lián)合除塵器，或在煙道尾部加設(shè)濕式靜電除塵器進(jìn)一步除塵。另外也可通過(guò)以下措施減少PM2．5的排放:

(1)在用工業(yè)鍋爐系統(tǒng)能效提升具有較大潛力，若將我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐平均運(yùn)行效率提高10 個(gè)百分點(diǎn)，每年可節(jié)約6 000 萬(wàn)t 標(biāo)準(zhǔn)煤，推廣高效節(jié)能環(huán)保裝置在燃煤工業(yè)鍋爐中的改造，提高鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)化水平，完善鍋爐輔機(jī)匹配，杜絕“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，加強(qiáng)運(yùn)行人員培訓(xùn)管理，提升鍋爐運(yùn)行熱效率，節(jié)約能源的同時(shí)也可顯著減少污染物的排放。

(2)建立地區(qū)煤炭洗、選、配、制備中心，集中調(diào)配燃料，降低煤種雜質(zhì)、灰分、硫含量，減少與鍋爐設(shè)計(jì)煤種偏差，減少飛灰與NOx、SO2的生成。

(3)安裝脫硫脫硝裝置，提高脫硫脫硝裝置運(yùn)行效率，降低NOx、SO2排放濃度，減少二次顆粒物的生成。

(4)推廣天然氣等清潔能源的使用，提高高效燃?xì)忮仩t的市場(chǎng)占有比例，推廣煤改氣工程，降低PM2．5一次顆粒物的產(chǎn)生、排放。

6 結(jié)論

(1)PM2．5成分復(fù)雜，有機(jī)碳、元素碳與水溶性離子含量較高，部分元素與PM2．5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)季節(jié)變化規(guī)律。由于環(huán)境條件的差異，不同城市PM2．5源成分及貢獻(xiàn)率有區(qū)別。

(2)我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率較低、環(huán)保設(shè)備落后，增加了一次顆粒物與二次顆粒物的排放。工業(yè)流化床鍋爐產(chǎn)生的PM2．5粒數(shù)濃度較層燃鍋爐低，質(zhì)量濃度較層燃鍋爐高。

(3)電袋聯(lián)合除塵器與布袋除塵器對(duì)PM2．5除塵效率較高，水膜除塵器與多管旋風(fēng)除塵器效率普遍低于50%，多種除塵器聯(lián)合除塵效率高于單種除塵器;濕法脫硫裝置可降低PM2．5質(zhì)量濃度，尾部加設(shè)濕式靜電除塵器可進(jìn)一步降低PM2．5含量。建議采用除塵效率較高的電袋聯(lián)合除塵器、布袋除塵器、靜電除塵器，淘汰單一老式機(jī)械除塵器，推廣高效節(jié)能裝備及脫硫脫硝裝置，提高鍋爐運(yùn)行效率，減少煙塵及NOx、SO2及VOC 氣體的排放，降低PM2．5一次顆粒物的直接排放與二次顆粒物的轉(zhuǎn)化。

(4)提高鍋爐運(yùn)行效率、提高煤種匹配性、提高脫硫脫硝裝置運(yùn)行效率、推廣燃?xì)忮仩t和實(shí)施煤改氣工程可減少PM2．5的排放。

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