虞上長(zhǎng)，白亮，李文華，吳金

(1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 樂(lè)清 325602；2.昊姆(上海)節(jié)能科技有限公司，上海 201108；3.浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800)

2016年我國(guó)煤炭消費(fèi)3.78×109t，約占世界煤炭消費(fèi)總量的50%。我國(guó)煤炭消費(fèi)中用于發(fā)電的比例占49%。2017年，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量共計(jì)1 777.03 GW，其中火電裝機(jī)1 106.04 GW，火電裝機(jī)約占總裝機(jī)容量的62%[1]，燃煤電廠等工業(yè)排放的顆粒物等污染物是造成霧霾天氣的重要原因之一。迫于嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)，GB 13221—2011《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》將我國(guó)燃煤電廠煙塵排放質(zhì)量濃度(以下簡(jiǎn)稱“濃度”)的最低限值降低至30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)為20 mg/m3。2013年12月至2014年8月，浙江省、山西省、廣州市出臺(tái)了更為嚴(yán)格的政策，要求煙塵排放限值5 mg/m3。2014年9月至2015年12月，國(guó)家全面實(shí)施超低排放，要求煙塵排放限值10 mg/m3。截至2018年12月，河北、上海、河南、浙江和山東5個(gè)省市出臺(tái)或?qū)⒊雠_(tái)超低排放地方強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，要求燃煤電廠、鋼廠等均實(shí)施超低排放限值。

隨著燃煤電廠、鋼廠等工業(yè)煙氣超低排放實(shí)施[2-9]，國(guó)內(nèi)對(duì)燃煤電廠煙氣污染物的深度脫除乃至趨零排放及非常規(guī)污染物(如SO3、Hg等)也開始重視。2015年，在燃煤電廠超低排放實(shí)施之初，中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電除塵委員會(huì)就組織出版了《燃煤電廠煙氣超低排放技術(shù)》，對(duì)燃煤電廠煙氣超低排放技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述[2]。酈建國(guó)[3]、孫雪麗[4]等系統(tǒng)性地闡述了燃煤電廠顆粒物超低排放技術(shù)路線選擇原則，并分析了中國(guó)火電大氣污染防治現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)，燃煤電廠大氣污染防治技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，煙塵、SO2、NOx三大常規(guī)污染物排放濃度實(shí)現(xiàn)了燃煤發(fā)電與燃?xì)獍l(fā)電基本同等清潔，但中國(guó)火電環(huán)保在CO2控制、常規(guī)大氣污染物進(jìn)一步減排、濕法脫硫(wet flue gas desulphurisation，WFGD)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響、危險(xiǎn)廢棄物脫硝催化劑的處置、非常規(guī)污染物的控制、煙氣治理設(shè)施的運(yùn)行優(yōu)化等方面仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，為超低排放的順利實(shí)施及向其他行業(yè)拓展提供了借鑒。郭瀅等[5]通過(guò)數(shù)值模擬的手段，研究了電凝聚器與電除塵器(electrostatic precipitator，ESP)耦合使用時(shí)對(duì)流場(chǎng)的影響，保證了ESP對(duì)細(xì)顆粒物(PM2.5)及總塵的脫除效果。李德波等[6]基于300～1 050 MW煤粉鍋爐及300 MW循環(huán)流化床鍋爐的工程案例，分析了火電廠超低排放技術(shù)路線關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用，理論密切聯(lián)系工程實(shí)踐，驗(yàn)證了超低排放優(yōu)化技術(shù)路線的可行性。王樹民等[7]分析了三河電廠實(shí)現(xiàn)“近零排放”的關(guān)鍵技術(shù)，包括采用低低溫ESP以提高PM2.5的除塵效率、利用脫硫除塵一體化技術(shù)提高脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵性能、通過(guò)濕式靜電除塵器實(shí)現(xiàn)PM2.5的深度控制等，為燃煤電廠實(shí)現(xiàn)極低污染物排放提供借鑒。張軍等[8]針對(duì)某1 000 MW燃煤機(jī)組超低排放電廠煙氣污染物排放測(cè)試及其特性分析，對(duì)關(guān)鍵常規(guī)污染物、非常規(guī)污染物的脫除效率進(jìn)行實(shí)測(cè)，并分析得到其排放特征及排放績(jī)效。閆克平等[9]等綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外電除塵技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況，并對(duì)未來(lái)電除塵技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望；文章基于某600 MW機(jī)組，機(jī)組配套低氮燃燒器、選擇性催化還原法(selective catalytic reduction，SCR)脫硝裝置、煙氣冷卻器、低低溫ESP、石灰石-石膏WFGD裝置、濕式電除塵器(wet electrostatic precipitator，WESP)和煙氣再熱器，對(duì)不同設(shè)備出口及總排口開展煙氣常規(guī)污染物(顆粒物、SO2、NOx)及非常規(guī)污染物(SO3、Hg)的深度測(cè)試研究，分析煙氣各污染物的協(xié)同控制效果及排放特性。劉含笑等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和文獻(xiàn)調(diào)研相結(jié)合的方式，對(duì)目前燃煤電廠SO3排放特征進(jìn)行較全面的表征，排放濃度為0.3～22.7 mg/m3，按10 mg/m3和5 mg/m3排放限值考核，達(dá)標(biāo)率分別為89.8%、66.7%，對(duì)現(xiàn)有除塵、脫硫設(shè)備及新技術(shù)的SO3脫除能力進(jìn)行定量分析。蔡天忠等[11]對(duì)中國(guó)燃煤電廠煙氣Hg控制需求進(jìn)行了分析，并闡述了國(guó)內(nèi)外燃煤電廠煙氣Hg控制技術(shù)現(xiàn)狀和煙氣中Hg的采樣及測(cè)定方法，為燃煤電廠煙氣中Hg治理提供借鑒。

本文對(duì)某600 MW機(jī)組不同設(shè)備出口及總排口開展煙氣常規(guī)污染物(顆粒物、SO2、NOx)及非常規(guī)污染物(SO3、Hg)進(jìn)行深度測(cè)試研究，旨在分析煙氣各污染物的協(xié)同控制效果及排放特性。

1 研究方法

各煙氣污染物的測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示，共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試項(xiàng)目及使用儀器見表1。對(duì)于各測(cè)點(diǎn)的矩形煙道，將煙道斷面分成若干個(gè)等面積小矩形，使小矩形相鄰兩邊之比接近于1。每個(gè)小矩形的中心都作為采樣點(diǎn)，如圖2所示，采樣點(diǎn)數(shù)目的計(jì)算方法符合GB/T 13931—2017《電除塵器 性能測(cè)試方法》的相關(guān)規(guī)定。

對(duì)于顆粒物測(cè)定，符合GB/T 16157—1996《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 13931—2017等國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及ISO 12141—2002《Stationary source emissions — Determination of mass concentration of particulate matter (dust) at low concentrations — Manual gravimetric method》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，測(cè)試過(guò)程開展空白試驗(yàn)[12]；對(duì)于高濃度煙塵環(huán)境(測(cè)點(diǎn)3)，采用國(guó)產(chǎn)濾筒采樣；對(duì)于低濃度煙塵環(huán)境(測(cè)點(diǎn)4—6)，采用一體化采樣頭(配濾膜)。采樣前后，均需對(duì)濾筒(膜)作恒重和稱重，用電子天平(精度0.01 mg)進(jìn)行稱重。

圖1 電廠煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Measurement points of technical route for gas cooperative management in power plant

表1 各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試項(xiàng)目及使用儀器Tab.1 Test items and instruments at each test point

圖2 采樣點(diǎn)布置Fig.2 Sampling point layout

對(duì)于SO2、NOx測(cè)定，采用Testo 350型煙氣分析儀，僅在總排口進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試方法符合HJ 629—2011《固定污染源廢氣二氧化硫的測(cè)定非分散紅外吸收法》、HJ/T 76—2007《固定污染源排放煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

對(duì)于PM2.5測(cè)定，采用DEKATI公司研制的重量法測(cè)試儀器PM-10，通過(guò)慣性分離原理，將顆粒物分為PM10、PM2.5、PM1三個(gè)等級(jí)[13]，測(cè)定方法參照ISO 23210—2009《Stationary source emissions — Determination of PM10/PM2,5 mass concentration in flue gas — Measurement at low concentrations by use of impactors》的相關(guān)規(guī)定。ESP出口采用電子低壓撞擊器(electrical low pressure impactor，ELPI)測(cè)定顆粒物的粒徑分布。

對(duì)于SO3測(cè)定，采用控制冷凝法進(jìn)行采樣，借鑒低濃度測(cè)試方法[7]，采樣后數(shù)據(jù)采用Hach DR5000分光光度計(jì)進(jìn)行硫酸根離子分析。測(cè)定方法參照GBT 21508—2008《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》、DL/T 998—2006《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定。

煙氣中Hg分為元素Hg、Hg2+和顆粒Hg[14-20]，暫不測(cè)定顆粒Hg，對(duì)于煙氣中的元素Hg和Hg2+測(cè)定，采用lumex RA-915M型測(cè)汞儀進(jìn)行分析，測(cè)試方法參照EPA Method 30B《Determination of total vapor phase mercury emissions from coal-fired combustion sources using carbon sorbent traps》的相關(guān)規(guī)定。

2 測(cè)試工況條件

試驗(yàn)期間為85%額定負(fù)荷，且機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定(變化范圍±5%)，煤質(zhì)穩(wěn)定，試驗(yàn)期間煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2。機(jī)組鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器。

表2 試驗(yàn)期間煤質(zhì)分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Analysis of coal quality during the test

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 煙氣各污染物排放數(shù)據(jù)

經(jīng)測(cè)試，煙氣中顆粒物、SO2、NOx、PM2.5、SO3、Hg的排放濃度分別為1.5 mg/m3、15.4 mg/m3、28.3 mg/m3、0.93 mg/m3、0.2 mg/m3、7.2 μg/m3，顆粒物、SO2、NOx排放滿足燃煤電廠煙氣超低排放要求，Hg排放滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

該機(jī)組SO2、NOx的排放績(jī)效分別為0.033 4 g/kWh、0.097 2 g/kWh，與美國(guó)電廠的排放績(jī)效平均水平對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯觯摍C(jī)組SO2、NOx的排放績(jī)效均遠(yuǎn)低于美國(guó)電廠平均水平[21])。

圖3 污染物排放績(jī)效對(duì)比Fig.3 Contrast of achievement effect of pollutant emission

3.2 顆粒物各級(jí)脫除效率測(cè)定

煙氣冷卻器將ESP入口煙氣溫度降低至約90 ℃，分別測(cè)定低低溫ESP進(jìn)出口、WFGD出口及WESP出口顆粒物濃度，測(cè)定結(jié)果如圖4所示。低低溫ESP入口顆粒物濃度為10.5 g/m3，低低溫ESP出口、WFGD出口及WESP出口顆粒物濃度分別為12.8 mg/m3、6.5 mg/m3、1.5 mg/m3，低低溫ESP、WFGD、WESP對(duì)顆粒物的脫除效率分別為99.88%、49.2%、76.9%。關(guān)閉煙氣冷卻器后ESP入口煙氣溫度約為130 ℃，此時(shí)ESP、WFGD、WESP對(duì)顆粒物的脫除效率分別為99.51%、32.1%、81.5%，脫除效率對(duì)比如圖5所示。煙氣冷卻器投運(yùn)后，ESP、WFGD對(duì)顆粒物的脫除效果均有明顯提升，主要是因?yàn)闊煔饫鋮s器投運(yùn)后，ESP入口飛灰工況比電阻降低(如圖6所示)，ESP出口顆粒物的平均粒徑增加(如圖7所示)。另外，煙氣溫度降低后煙氣量減少、擊穿電壓升高、粉塵性質(zhì)改善等也會(huì)大幅提高ESP的除塵效率[22]。

3.3 PM2.5各級(jí)脫除效率測(cè)定

分別測(cè)定低低溫ESP進(jìn)出口、WFGD出口及WESP出口PM2.5濃度，測(cè)定結(jié)果如圖8所示。低低溫ESP入口PM2.5濃度為504 mg/m3，低低溫ESP出口、WFGD出口及WESP出口PM2.5濃度分別為6.8 mg/m3、3.8 mg/m3、0.93 mg/m3，低低溫ESP、WFGD、WESP對(duì)PM2.5的脫除效率分別為98.65%、44.1%、75.5%，如圖9所示。WFGD對(duì)PM2.5的捕集主要依靠噴淋漿液滴的慣性捕集，漿液滴在脫硫塔內(nèi)下落過(guò)程中表面會(huì)包裹一層氣膜，對(duì)于跟隨性較好(斯托克斯數(shù)較小)的小粒徑顆粒而言，其與漿液滴的碰撞幾率并不高，因此WFGD對(duì)PM2.5的脫除效率僅為44.1%。對(duì)于WESP而言，一方面會(huì)有噴淋液滴對(duì)細(xì)顆粒的慣性捕集，同時(shí)濕電場(chǎng)強(qiáng)化了PM2.5的荷電特性，電除塵性能大幅提高，且相關(guān)文獻(xiàn)表明，在濕電場(chǎng)中存在明顯的PM2.5團(tuán)聚現(xiàn)象[23-24]，因此WESP對(duì)PM2.5具有較好的脫除效果。

圖4 顆粒物濃度(煙氣冷卻器開啟)Fig.4 Particle concentration (FGC on)

圖5 顆粒物脫除效率Fig.5 Particle removal efficiency

圖6 不同溫度時(shí)飛灰工況比電阻Fig.6 Ash condition resistivity at different temperature

圖7 不同溫度時(shí)ESP出口平均粒徑Fig.7 Average particle size at outlet of ESP at different temperature

圖8 PM2.5濃度Fig.8 PM2.5 concentration

圖9 PM2.5脫除效率Fig.9 Removal efficiency of PM2.5

3.4 SO3各級(jí)脫除效率測(cè)定

燃煤煙氣中SO3來(lái)源主要有兩種：一種是在爐膛燃燒過(guò)程中，煤中的硫分氧化形成，另一種是在SCR脫硝過(guò)程中，催化劑將部分SO2氧化成了SO3。分別測(cè)定SCR脫硝進(jìn)出口、低低溫ESP進(jìn)出口、WFGD出口及WESP出口SO3濃度，測(cè)定結(jié)果如圖10所示，SCR脫硝入口SO3濃度為9.6 mg/m3，SCR脫硝出口、煙氣冷卻器出口、低低溫ESP出口、WFGD出口及WESP出口SO3濃度分別為14.8 mg/m3、1.5 mg/m3、1.3 mg/m3、1.0 mg/m3、0.2 mg/m3。低低溫ESP系統(tǒng)(煙氣冷卻器+低低溫ESP)、WFGD、WESP對(duì)SO3的脫除效率分別為91.2%、23.1%、80.0%，如圖11所示。關(guān)閉煙氣冷卻器，此時(shí)ESP入口煙氣溫度約為130 ℃，SO3主要以氣態(tài)形式存在，低低溫ESP系統(tǒng)對(duì)其脫除效率較低，經(jīng)測(cè)試僅為19.8%。低低溫狀態(tài)下，SO3以酸霧形式存在，會(huì)被粉塵吸附(堿金屬中和)后被后級(jí)除塵設(shè)備高效脫除[25]。

圖10 SO3濃度Fig.10 SO3 concentration

圖11 SO3脫除效率Fig.11 Removal efficiency of SO3

3.5 Hg各級(jí)脫除效率測(cè)定

燃煤煙氣各污染物脫除設(shè)備均具有一定的協(xié)同脫汞能力。分別測(cè)定SCR脫硝進(jìn)出口、低低溫ESP出口、WFGD出口及WESP出口元素Hg、Hg2+濃度，測(cè)定結(jié)果如圖12所示。SCR脫硝入口元素Hg、Hg2+濃度分別為11.5 mg/m3、2.1 mg/m3，SCR脫硝出口元素Hg、Hg2+濃度分別為7.2 mg/m3、5.9 mg/m3，SCR雖然對(duì)Hg沒有直接脫除能力，但可實(shí)現(xiàn)元素Hg向Hg2+的轉(zhuǎn)化[26-28]，轉(zhuǎn)化率約為37.4%。煙氣冷卻器、低低溫ESP、WFGD及WESP對(duì)元素Hg均沒有明顯脫除效果，WFGD、WESP對(duì)Hg2+的脫除效率分別為83.1%、77.8%。值得注意的是，GB 13221—2011要求的氣態(tài)總Hg排放限值為30 μg/m3，是非常寬松的要求，而美國(guó)的排放限值為1.5 μg/m3。目前中國(guó)超低排放指標(biāo)中顆粒物、SO2、NOx指標(biāo)均優(yōu)于美國(guó)，唯有Hg的排放指標(biāo)相對(duì)寬松，屆時(shí)極有可能對(duì)Hg提出更嚴(yán)苛的排放要求，如對(duì)標(biāo)美國(guó)Hg排放限值，該機(jī)組還需要額外增設(shè)煙氣脫Hg裝置。

圖12 Hg濃度Fig.12 Hg concentration

4 結(jié)論

本文針對(duì)某600 MW機(jī)組，對(duì)不同設(shè)備出口及總排口開展煙氣常規(guī)污染物(顆粒物、SO2、NOx)及非常規(guī)污染物(SO3、Hg)進(jìn)行深度測(cè)試研究，得出以下結(jié)論：

a)試驗(yàn)條件下，顆粒物、SO2、NOx排放濃度分別為1.5 mg/m3、15.4 mg/m3、28.3 mg/m3，滿足超低排放要求，Hg排放濃度為7.2 μg/m3，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

b)低低溫ESP、WFGD、WESP對(duì)顆粒物的脫除效率分別為99.88%、49.2%、76.9%，滿足設(shè)計(jì)要求。

c)低低溫ESP、WFGD、WESP對(duì)PM2.5均有明顯的脫除效果，脫除效率分別為98.65%、44.1%、75.5%。

d)煙氣中的SO3在低低溫ESP系統(tǒng)中絕大多數(shù)被脫除，脫除效率達(dá)91.2%，WFGD、WESP進(jìn)一步脫除殘余的SO3，脫除效率分別為23.1%、80.0%。

e)SCR脫硝可實(shí)現(xiàn)元素Hg向Hg2+的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化率約為37.4%；WFGD、WESP對(duì)Hg2+的脫除效率分別為83.1%、77.8%。

f)低低溫ESP除了具有較高的除塵效率外，還兼具90%以上的SO3脫除效果；WFGD具有將近50%的協(xié)同除塵效果；WESP對(duì)顆粒物、PM2.5、SO3、Hg均具有較高的脫除效果。