張智博，劉松濤，柳文婷，胡楊林，王 宇，陳傳敏，梅玉倩

(華北電力大學(xué)(保定)環(huán)境科學(xué)與工程系 ，河北 保定 071000)

據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)2016年統(tǒng)計(jì)，煤炭在中國一次能源消費(fèi)中占比約為62.0%，中國成為名副其實(shí)的煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)大國。截止2016，中國發(fā)電裝機(jī)容量16.51億千瓦、發(fā)電量6.02萬億千瓦時(shí)，而其中火電占比分別為65%和70%左右。2016年，每千瓦時(shí)的電量中，有0.66千萬時(shí)是由火電產(chǎn)生的。巨大的煤炭消費(fèi)帶來了一系列環(huán)境問題。近來，霧霾問題給我們帶來了越來越大的挑戰(zhàn)，京津冀的部分污染嚴(yán)重城市年霧霾爆發(fā)天數(shù)甚至達(dá)百天以上，而細(xì)顆粒物PM2.5是霧霾天氣的主要成因[1-2]。在嚴(yán)峻的灰霾天氣的形勢(shì)下，社會(huì)對(duì)近年來國家大力提倡的"超低排放"討論熱烈，認(rèn)為濕法脫硫后的排煙溫度和SO3濃度對(duì)PM2.5的排放影響較大[3]。目前，國內(nèi)外對(duì)濕法脫硫?qū)?xì)顆粒物PM2.5的脫除效率研究較少。李壯[4]等研究了國內(nèi)某660 MW燃煤機(jī)組對(duì)PM2.5的排放特性。研究認(rèn)為，首先濕法脫硫?qū)Ω髁蕉蔚腜M2.5均有增加；其次，當(dāng)脫硫塔除霧器工作不佳時(shí)，PM2.5的排放量會(huì)明顯增加。陳牧[5]研究了濕法脫硫后液滴夾帶現(xiàn)象的成因和對(duì)周邊地區(qū)的危害，并提出了改善煙囪選型以減輕排煙中液滴夾帶現(xiàn)象。而朱法華[6]則認(rèn)為濕法脫硫?yàn)橹袊撵F霾治理做出了卓越貢獻(xiàn)。朱法華的研究顯示，濕法脫硫可減少可過濾性顆粒物和SO3的排放，同時(shí)，濕法脫硫?qū)煔鉂穸鹊脑龃蟛蛔阋杂绊懘髿獾臐穸取?/p>

本文以中國華北地區(qū)的兩個(gè)300 MW燃煤電廠的機(jī)組為研究對(duì)象，采用直接采樣法和稀釋采樣法比較出濕法脫硫前后二次顆粒的情況，并用稀釋采樣法測(cè)試燃煤機(jī)組煙氣中PM2.5經(jīng)過濕法脫硫裝置后排放的PM2.5質(zhì)量濃度和占比，以研究濕法脫硫裝置前后的PM2.5排放特性。

1 煙氣顆粒物采樣方法

1.1 直接采樣方法

常用的直接采樣法利用慣性力或離心力將煙氣中的顆粒物進(jìn)行分級(jí)獲得 PM2.5，然后用收集介質(zhì)收集。主要的采樣器有慣性撞擊分級(jí)器、虛擬慣性撞擊分級(jí)器和旋風(fēng)分級(jí)采樣器。

圖1 采樣器原理示意圖Fig.1 Principle diagram of the sampler

慣性撞擊分級(jí)采樣法的原理如圖1中所示，煙氣通過加速噴嘴加速，然后 90°變向運(yùn)動(dòng)，不同粒徑顆粒物的慣性不同，即跟隨氣流運(yùn)動(dòng)的能力也不相同，小顆粒物容易隨氣流一起變向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入下游，而大顆粒物不容易跟隨氣流變向，從而撞到下方的收集板上[1]。粒徑小于切割粒徑(Dp50)的顆粒物將主要隨氣流進(jìn)入下游，粒徑大于Dp50顆粒物將主要被捕集到收集板上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中顆粒物的分級(jí)。

2009年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了利用慣性撞擊分級(jí)原理采集煙氣系統(tǒng)中 PM10 /PM2.5的標(biāo)準(zhǔn)采樣方法( ISO 23210:2009)。目前用于國內(nèi)固定源采樣的慣性撞擊器多為粒徑分級(jí)更多的分級(jí)器，如PM-10三級(jí)分級(jí)采樣器、5級(jí)的DGI采樣器、十三級(jí)的低壓荷電撞擊器(ELPI)和八級(jí)的 Andersen 慣性分級(jí)采樣器。

1.2 稀釋采樣法

圖2 FPS-4000顆粒物稀釋采樣系統(tǒng)Fig.2 Principle of indirect sampling method

稀釋采樣法的原理是通過一段采樣管將高溫?zé)煔鈴臒煹乐幸?，然后再與不含顆粒物的潔凈空氣混合，經(jīng)稀釋降溫后煙氣溫度接近大氣環(huán)境溫度，最后用常規(guī)大氣顆粒物的采樣方法進(jìn)行測(cè)定。該方法是一種基于大氣環(huán)境的采樣方法，模擬了高溫?zé)煔鈴呐艢饪诔鰜砼c實(shí)際大氣的混合過程，是最接近固定源排放顆粒物在大氣環(huán)境中真實(shí)狀態(tài)的方法。經(jīng)稀釋后采集的PM2.5既包括可捕集 PM2.5，也包括可凝結(jié)PM2.5，因此稀釋采樣方法被認(rèn)為是更準(zhǔn)確的固定源 PM2.5采樣方法，其結(jié)果比直接采樣法測(cè)得的可捕集PM2.5的質(zhì)量濃度高。

稀釋采樣方法的主要裝置稱為稀釋通道，是該方法最關(guān)鍵的部分，主要參數(shù)包括稀釋比、停留時(shí)間和混合段雷諾數(shù)。2013年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了稀釋采樣法的標(biāo)準(zhǔn)(ISO 25597:2013)，該標(biāo)準(zhǔn)是以England等設(shè)計(jì)的便攜式稀釋通道為原型提出的。目前，細(xì)顆粒物稀釋采樣設(shè)備一般采用FPS-4000(Fine Particular Sampler dilution)。圖2是以FPS-4000為例的采樣系統(tǒng)示意圖。

2 測(cè)試系統(tǒng)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本研究選定兩臺(tái)300MW燃煤機(jī)組作為研究對(duì)象。測(cè)試期間，機(jī)組負(fù)荷、燃燒煤種、運(yùn)行條件保持穩(wěn)定，具體機(jī)組參數(shù)如圖1所示。同時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組的脫硝均采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)、除塵采用電除塵(ESP)技術(shù)工藝。

表1 固定源測(cè)試條件情況匯總Table 1 Summary of experimental conditions of stationary sources

本文選定的燃煤電廠脫硫工藝，均采用的是典型的石灰石-石膏(wet flue gas desulfurization，WFGD)濕法脫硫系統(tǒng)，如圖3所示。WFGD系統(tǒng)包含了以下部分：煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、吸收劑制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、排空系統(tǒng)和脫硫廢水處理系統(tǒng)組成。

圖3 石灰石/石灰-石膏濕法脫硫工藝流程圖
Fig.3 Limestone / lime-gypsum WFGD flowchart

2.2 測(cè)試采樣方法

根據(jù)《火電廠煙氣中細(xì)顆粒物 (PM2.5)測(cè)試技術(shù)規(guī)范 重量法》(DL/T1520)標(biāo)準(zhǔn)要求，直接法采樣系統(tǒng)中旋風(fēng)分離器、撞擊器應(yīng)使用加熱包加熱，且加熱溫度為130±10℃，故本實(shí)驗(yàn)對(duì)脫硫前后采用的加熱溫度130℃和120℃。

除塵器出口煙氣溫度通常低于120 ℃而且煙氣中低塵低濕，在該點(diǎn)位的顆粒物采樣難度較低，干擾因素較少，故采用直接采樣法(5級(jí)的DGI采樣器)進(jìn)行樣品采集。在脫硫工藝出口采樣時(shí)，應(yīng)當(dāng)先采用稀釋系統(tǒng)將煙氣稀釋，稀釋后的煙氣濕度降低到露點(diǎn)以下，避免煙氣中水分在采樣膜前的采樣器或者煙槍中發(fā)生冷凝從而導(dǎo)致顆粒物的損失。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 采樣方法的比較

直接采樣法收集到的顆粒物為一次顆粒，而稀釋采樣法可以捕集到一次顆粒和二次顆粒，兩種方法在同一測(cè)點(diǎn)的偏差，可以顯示出二次顆粒在該測(cè)點(diǎn)煙氣中的比重。

由表2可以看出，在脫硫設(shè)施前，直接采樣和稀釋采樣的結(jié)果偏差為0.38 mg/Nm3和0.43 mg/Nm3，說明細(xì)顆粒物中可凝結(jié)的細(xì)顆粒物占比較?。欢摿蚝髢身?xiàng)結(jié)果偏差達(dá)到2.5 mg/Nm3和1.16 mg/Nm3，這說明可凝結(jié)顆粒物在脫硫后的顆粒物占比很大；兩種方法測(cè)得的顆粒物去除效率，直接法最高達(dá)到79.59%，而稀釋法只有45.30%。徐虹等人[10]的研究結(jié)果認(rèn)為大氣中的PM2.5可溶性鹽占比達(dá)30%～50%；燃煤電廠煙氣中二次顆粒占比最高可達(dá)70%。Bangert 等人的研究認(rèn)為，脫硫后煙氣中未與SO2反應(yīng)的CaO/CaCO3在收集到采樣膜前形成了比表面積較大、粘附性較高的多孔結(jié)構(gòu)，這一新生成的多孔結(jié)構(gòu)與煙氣中的SeO2/As4O6等非金屬氧化物再次反應(yīng)，生成微米甚至亞微米級(jí)的顆粒[11-12，15]。

表2 兩種采樣方法的對(duì)比Table 2 Comparison of two sampling methods

綜上所述，脫硫前煙溫一般高于102℃，含濕量較低，采樣條件相對(duì)簡(jiǎn)單，可以采用直接法和稀釋法兩種方法采樣；脫硫后煙氣中二次顆粒增多，應(yīng)采用稀釋法采樣。因此，本研究測(cè)定脫硫前后各粒徑段細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度時(shí)，均采用稀釋法。

3.2 PM2.5排放特性

圖4 300 MW機(jī)組各粒徑段去除效率Fig.4 The removal efficiency of particles in each particle size of 300 MW units

3.3 發(fā)散系數(shù)CD

發(fā)散系數(shù) (coefficient of divergence, CD) 用以驗(yàn)證兩變量之間的相似性，介于0～1之間。CD的值越小，表明兩變量之間的相似性越高，反之則越低[13-14]。CD的計(jì)算公式如下：

式中：j,k——變量，文中j為脫硫前，k為脫硫后；

P——分析元素的數(shù)量；

Xi，j——濃度，mg/Nm3。

圖5分析了兩個(gè)典型燃煤電廠脫硫前后不同粒徑段的相似性。A和B在0.5～1 μm處的CD值分別為0.3044和0.6129，在0.5～1 μm處的CDA明顯高于其它粒徑段。Wongphatarakul等人認(rèn)為當(dāng)CDj,k小于0.3時(shí)，變量j，k的相似性較高；當(dāng)CDj,k值大于0.4時(shí)，j和k的相似性較低[13]。因此兩個(gè)測(cè)試機(jī)組在0.5～1 μm處的CD值與其他粒徑段相比均比較大，這說明0.5～1 μm粒徑段的顆粒物脫硫前后相似性低,；在0.2～0.5μm和 <0.2μm粒徑段內(nèi)的CD值明顯小于0.1，表明脫硫前后這兩個(gè)粒徑段內(nèi)的顆粒物相似度較高。這與之前的分析結(jié)果相一致。

圖5 燃煤機(jī)組的發(fā)散系數(shù)(CD)Fig.5 Divergence coefficient of coal-fired units(CD)

4 結(jié)論

(1)濕法脫硫(WFGD)在高效脫除燃煤煙氣SO2的同時(shí)，還可協(xié)同脫除煙氣中的飛灰顆粒物以及其他有害物質(zhì)。本文用直接采樣和稀釋采樣兩種方法測(cè)得煙氣中的顆粒物的質(zhì)量濃度，脫硫前兩種方法的測(cè)試偏差小于0.43 mg/Nm3，而脫硫后偏差達(dá)到2.56 mg/Nm3，表明濕法脫硫系統(tǒng)增加了煙氣中二次顆粒的比重。

(2)用稀釋采樣方法，測(cè)試了脫硫前后各粒徑段的顆粒物濃度， WFGD對(duì)2.5 μm以下的各粒徑段的顆粒脫除能力不同，脫除效率最低的粒徑段為0.5～1 μm。表明了濕法脫硫過程中，煙氣會(huì)夾帶少量石灰石漿液，對(duì)顆粒物尤其是細(xì)顆粒排放特性造成影響。

(3)燃煤機(jī)組的發(fā)散系數(shù)CD值在0.5～1 μm處均比較大，CDA 達(dá)到0.6129。說明濕法脫硫?qū)?.5～1 μm的顆粒影響最大。

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(本文文獻(xiàn)格式：張智博，劉松濤，柳文婷，等.濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)PM2.5脫除作用的研究[J].山東化工，2018，47(02)：140-143.)