夏祎旻，吳建群，楊 松，于敦喜，徐明厚

(1.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽(yáng) 515223)

我國(guó)“貧油少氣富煤”的能源結(jié)構(gòu)決定了當(dāng)前及未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一次能源主要以煤炭為主。2018年我國(guó)一次能源利用中煤炭占比為59%[1]。據(jù)BP預(yù)測(cè)，到2040年，煤炭在能源消費(fèi)中的占比仍將大于35%[2]。我國(guó)超過(guò)50%的煤炭在電廠中進(jìn)行燃燒利用，致使NOx、SOx、細(xì)顆粒物(PM2.5：空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm顆粒物)和重金屬等污染物的大量排放，其中PM2.5為我國(guó)當(dāng)前最主要的大氣污染物。PM2.5的排放不僅會(huì)導(dǎo)致霧霾等環(huán)境問(wèn)題，還會(huì)誘發(fā)呼吸道和心臟疾病[3-5]。

雖然我國(guó)在2012年《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》提出大氣PM2.5限值，但至今仍未針對(duì)燃燒源的PM2.5排放制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2015年，國(guó)家環(huán)保部、國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，將電廠煙塵排放質(zhì)量濃度限值降至10 mg/m3，低于美國(guó)(12.3 mg/m3)和歐盟火電煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)(30 mg/m3)，被稱(chēng)為最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。考慮到PM2.5的嚴(yán)重危害以及我國(guó)近年來(lái)在大氣霧霾治理上的大量投入，未來(lái)制定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步限制燃煤電廠PM2.5排放將成為趨勢(shì)[7]。深入了解燃煤電廠污染物控制設(shè)備對(duì)PM2.5排放的影響有利于電廠顆粒物排放的預(yù)測(cè)和控制，也可進(jìn)一步為國(guó)家制定燃燒源PM2.5排放標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

我國(guó)典型燃煤鍋爐的污染物脫除系統(tǒng)主要包括NOx脫除技術(shù)/設(shè)備、除塵設(shè)備和脫硫設(shè)備。其中除塵設(shè)備對(duì)PM2.5排放具有最重要的影響。當(dāng)前我國(guó)90%以上的火電廠都采用靜電除塵器(ESP)作為除塵設(shè)備[8]，雖然ESP的除塵效率可達(dá)99%以上，但其對(duì)PM1脫除效率相對(duì)較低，導(dǎo)致PM2.5在逃逸粉塵中比例高達(dá)90%以上[9]。因此，必須對(duì)傳統(tǒng)的靜電除塵技術(shù)進(jìn)行改造。除了除塵設(shè)備，低NOx燃燒技術(shù)、脫硝和脫硫等環(huán)保技術(shù)/設(shè)備的應(yīng)用也會(huì)對(duì)PM2.5的排放造成影響[10-12]，對(duì)其影響的全面認(rèn)識(shí)是實(shí)現(xiàn)燃煤電廠顆粒物減排的必要條件。而對(duì)開(kāi)發(fā)高效除塵技術(shù)以及全面認(rèn)識(shí)環(huán)保設(shè)備對(duì)PM2.5排放的影響，關(guān)鍵在于對(duì)PM2.5生成機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)?；谝陨戏治?，筆者主要針對(duì)燃煤PM2.5生成機(jī)理、電廠環(huán)保設(shè)備和技術(shù)對(duì)PM2.5排放的影響和高效除塵技術(shù)發(fā)展3個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)分析。

1 燃煤PM2.5生成機(jī)理

煤粉爐中PM2.5在飛灰中的占比為20%～60%，對(duì)PM2.5生成機(jī)理的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)是控制PM2.5生成和排放的理論基礎(chǔ)。經(jīng)典的三模態(tài)理論將生成途徑相似的顆粒物歸為一個(gè)模態(tài)[13]，筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)特征元素示蹤法界定了三模特理論中超細(xì)模態(tài)、中間模態(tài)和粗模態(tài)顆粒物的粒徑范圍，并準(zhǔn)確揭示了其形成機(jī)理[14]。顆粒物3個(gè)模態(tài)粒徑范圍受燃料特性和燃燒條件的影響。一般而言，超細(xì)模態(tài)顆粒物粒徑在0.12 μm以下，粗模態(tài)在0.8 μm以上，中間模態(tài)則位于兩者之間。超細(xì)模態(tài)顆粒物和中間模態(tài)顆粒物是PM2.5的重要組成部分。PM2.5的主要形成機(jī)理可總結(jié)如圖1所示[15]，根據(jù)其形成途徑主要可概括為氣化成核、破碎、異相作用、熔融聚合和凝并聚結(jié)機(jī)理。

圖1 PM2.5生成機(jī)理[15]Fig.1 PM2.5 formation mechanisms[15]

煤中無(wú)機(jī)礦物元素的氣化-凝結(jié)是超細(xì)模態(tài)顆粒物的主要形成機(jī)理[16]。根據(jù)氣化溫度不同可將煤中無(wú)機(jī)元素分為易氣化元素和難氣化元素。易氣化元素Na，K和S的氣化溫度低，在煤熱解階段或燃燒初期大量釋放。難氣化元素Si，Al，Mg，Ca和Fe等的氧化物氣化溫度遠(yuǎn)高于煤粉燃燒溫度(1 500～1 900 ℃)，在中性或氧化性氣氛下氣化不明顯。但還原性氣氛下，難氣化元素氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，并以氣化溫度更低的次氧化物或金屬單質(zhì)形式氣化[17]。當(dāng)無(wú)機(jī)元素蒸氣分壓超過(guò)其飽和蒸氣壓時(shí)，其蒸氣會(huì)通過(guò)均相成核形成納米級(jí)以下的顆粒物[18]。

焦炭和礦物的破碎主要形成中間模態(tài)和粗模態(tài)顆粒物。發(fā)生破碎的原因主要包括熱應(yīng)力和顆粒內(nèi)外壓差產(chǎn)生的一次破碎和顆?？紫稊U(kuò)大而產(chǎn)生的逾滲破碎[19]。其中熱應(yīng)力和顆粒內(nèi)外壓差的變化是無(wú)機(jī)礦物破碎的主要原因，破碎的程度取決于礦物種類(lèi)和燃燒溫度。黃鐵礦等可燃礦物和方解石等碳酸鹽在高溫下易于發(fā)生破碎[20]，但是石英或高嶺土等黏土礦物在鍋爐中不易發(fā)生破碎[21]。逾滲破碎是煤焦的主要破碎途徑，煤焦的逾滲破碎主要取決于其燃燒過(guò)程中大孔的演變[19]。通常較高的揮發(fā)分和溫度會(huì)導(dǎo)致煤焦熱解過(guò)程膨脹更明顯，形成更豐富的大孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致逾滲破碎更明顯。焦炭的逾滲破碎會(huì)抑制內(nèi)在礦的熔融聚合，促進(jìn)內(nèi)在礦向細(xì)顆粒物遷移。

礦物的異相作用、熔融聚合和聚并聚結(jié)是顆粒物的主要長(zhǎng)大形式。異相作用包括氣化組分在小顆粒表面的凝結(jié)和反應(yīng)，是中間模態(tài)顆粒物的主要形成機(jī)理之一[14,19]。異相作用的細(xì)小顆粒主要來(lái)自內(nèi)在礦的直接轉(zhuǎn)化和外在礦的破碎。氣化組分和凝結(jié)核濃度的增加均有利于異相作用的發(fā)生，因此礦物氣化或破碎的加劇均有利于中間模態(tài)顆粒物的生成[19]。熔融聚合通常發(fā)生在煤焦表面。煤焦在鍋爐中的燃燒溫度高于煙氣溫度，甚至可達(dá)2 000 K，高溫度下，煤焦表面大部分礦物會(huì)發(fā)生熔融。如果煤焦不發(fā)生破碎，煤焦表面熔融的礦物隨著碳基質(zhì)的燃盡會(huì)聚合形成一個(gè)煤灰顆粒[22-23]。因此焦炭破碎程度的降低和灰熔融程度的增強(qiáng)均有利于礦物的聚合。聚并是煤灰顆粒碰撞后通過(guò)固相擴(kuò)散或黏性流動(dòng)形成一個(gè)成分均勻的顆粒。顆粒碰撞能發(fā)生凝并的時(shí)間間隔(即凝并時(shí)間)是決定聚并顆粒大小的關(guān)鍵因素，凝并時(shí)間越長(zhǎng)，顆粒生長(zhǎng)粒徑越大[24]。礦物顆粒溫度越高、固相擴(kuò)散性越強(qiáng)、液相黏性越低，則凝并時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)凝并形成的灰粒徑增大到一定程度時(shí)，凝并將難以繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)溫度低至不足以使碰撞顆粒發(fā)生凝并時(shí)，顆粒之間會(huì)發(fā)生燒結(jié)聚結(jié)形成顆粒粒徑大于0.36 μm的聚結(jié)物[25]。礦物的熔融聚合和凝并聚結(jié)的發(fā)生有利于超細(xì)模態(tài)和中間模態(tài)顆粒物向粗模態(tài)顆粒物遷移。

2 氣態(tài)污染物脫除技術(shù)對(duì)PM2.5排放的影響

2.1 脫硝技術(shù)對(duì)PM2.5排放的影響

目前基本所有的燃煤電廠均采用脫硝技術(shù)以實(shí)現(xiàn)煙氣的低NOx排放，常用的脫硝技術(shù)主要包括低NOx燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)。低NOx燃燒技術(shù)主要是通過(guò)使用低NOx燃燒器或改變配風(fēng)使得爐內(nèi)存在局部還原性氣氛并降低爐膛燃燒溫度，達(dá)到同時(shí)降低燃料型NOx和熱力型NOx排放的目的[26]。由PM2.5的生成機(jī)理可知，局部還原性氣氛和燃燒溫度的改變可能導(dǎo)致PM2.5的生成特性發(fā)生變化。LINAK等[10]實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)低NOx分級(jí)燃燒技術(shù)對(duì)煙煤PM1的生成沒(méi)有明顯的影響，但卻顯著促進(jìn)褐煤PM1的生成，筆者將褐煤PM1生成的增加主要?dú)w因于局部燃燒氣氛增強(qiáng)引起的礦物氣化加劇。但是NIELSEN等[27]對(duì)一臺(tái)250 MW和一臺(tái)380 MW機(jī)組顆粒排放的研究發(fā)現(xiàn)，PM1的排放濃度與NOx濃度沒(méi)有明顯的相關(guān)性。筆者團(tuán)隊(duì)[11]對(duì)安裝低NOx燃燒器的鍋爐和采用常規(guī)燃燒器的鍋爐顆粒物排放特性進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)低NOx燃燒器使?fàn)t膛燃燒溫度降低，從而抑制礦物元素的氣化，導(dǎo)致PM0.1的生成濃度降低；同時(shí)發(fā)現(xiàn)低NOx燃燒器產(chǎn)生的局部還原性氣氛會(huì)促進(jìn)礦物熔融，顆粒物聚合更明顯，最終導(dǎo)致PM10向較粗粒徑的飛灰遷移(其中,Dp為顆粒物粒徑，M為顆粒物質(zhì)量)。由以上分析可知關(guān)于低NOx燃燒技術(shù)對(duì)PM2.5生成的影響，中外學(xué)者采用不同的煤種在不同燃燒設(shè)備上的研究結(jié)果并沒(méi)有獲得一致的結(jié)論，未來(lái)需要在典型的燃煤機(jī)組上進(jìn)行更系統(tǒng)的研究，以獲得更普遍的適應(yīng)規(guī)律。

圖2 國(guó)內(nèi)200 MW燃煤鍋爐低NOx燃燒 方式對(duì)顆粒物生成的影響Fig.2 Effect of low-NOx combustion technologies on particulate emissions from two 200 MW coal-fired boilers

目前主要采用的煙氣脫硝技術(shù)為選擇性催化還原法(SCR)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)煙氣經(jīng)過(guò)SCR后，煙氣中的SO2被氧化為SO3，SO3與NH3或堿金屬反應(yīng)生成亞微米硫酸鹽顆粒，導(dǎo)致PM1生成濃度增加[28-30]。這與王超等[31]和劉芳琪等[32]在實(shí)際電廠的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。此外如圖3所示，劉芳琪等[32]還發(fā)現(xiàn)煙氣流經(jīng)蜂窩狀催化劑時(shí)，由于壁面慣性碰撞、攔截可分離脫除部分粗顆粒，同時(shí)，煙氣中的SO2在催化劑作用下部分轉(zhuǎn)化為SO3，與噴入的NH3反應(yīng)生成硫酸銨或硫酸氫銨在顆粒物表面沉積，促使小粒徑顆粒物長(zhǎng)大,最終可使得經(jīng)過(guò)SCR后的煙氣中PM2.5的質(zhì)量濃度降低約10%。

圖3 SCR前后顆粒物質(zhì)量濃度Fig.3 PM concentration before and after SCR

2.2 脫硫技術(shù)對(duì)PM2.5排放的影響

目前，我國(guó)93%以上的燃煤電阻安裝了脫硫裝置，其中石灰石-石膏濕法脫硫(WFGD)占火電脫硫裝置90%以上[33]。WFGD主要是利用石灰石漿液在吸附塔與煙氣中的SO2反應(yīng)從而達(dá)到脫硫的目的[34]。WFGD對(duì)顆粒物排放的影響已獲得較一致的認(rèn)同：一方面，漿液的淋濾可以脫除部分顆粒物；另一方面，煙氣在流經(jīng)石灰石漿液時(shí)可能會(huì)夾帶部分漿液顆粒，導(dǎo)致顆粒物排放濃度增加。MEIJ等[12]研究發(fā)現(xiàn),600 MW電廠安裝WFGD后，煙塵排放量從100 mg/m3大幅降至10 mg/m3，王琿等[35]在國(guó)內(nèi)一臺(tái)300 WM鍋爐上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)WFGD對(duì)煙塵的脫除率可達(dá)到約74.5%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)WFGD淋濾作用對(duì)粗顆粒脫除效率較高，而對(duì)PM2.5脫除效果不明顯,且顆粒物粒徑越小，脫除效果越差，主要有2個(gè)方面原因：① 顆粒物粒徑越小，越容易被煙氣攜帶排放到大氣中；② 濕法脫硫噴淋的細(xì)小漿液液滴及蒸發(fā)形成的石灰石或石膏顆粒會(huì)被煙氣攜帶出吸附塔，導(dǎo)致PM2.5質(zhì)量濃度升高。周科等[36]的研究進(jìn)一步證明了WFGD僅對(duì)超微米顆粒的脫除有效果，并且脫硫塔中Ca和S向亞微米顆粒物的轉(zhuǎn)化會(huì)導(dǎo)致亞微米顆粒物排放質(zhì)量濃度升高。經(jīng)計(jì)算，細(xì)顆粒物中S元素的質(zhì)量濃度增加3.0 mg/m3，Ca元素的質(zhì)量濃度增加1.1 mg/m3，增加的Ca和S元素在脫硫裝置內(nèi)轉(zhuǎn)化為細(xì)微顆粒物，使細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度升高。

3 高效PM2.5減排技術(shù)發(fā)展

目前控制燃煤PM2.5主要通過(guò)強(qiáng)化尾部除塵技術(shù)、煙氣預(yù)處理技術(shù)、從燃燒源頭上降低PM2.5生成3條技術(shù)路線，其在實(shí)現(xiàn)PM2.5減排上具有相互協(xié)同的關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際電廠PM2.5排放效果及經(jīng)濟(jì)效益采用一種或多種技術(shù)。需要注意的是煙氣預(yù)處理技術(shù)和源頭控制PM2.5技術(shù)均需要依靠尾部除塵設(shè)備對(duì)飛灰進(jìn)行捕集。

3.1 尾部除塵強(qiáng)化技術(shù)

尾部除塵強(qiáng)化技術(shù)是電廠目前進(jìn)一步降低顆粒物排放最常用的技術(shù)手段，主要包括高頻電源除塵技術(shù)、濕電除塵技術(shù)以及電袋復(fù)合除塵技術(shù)等。表1為3種除塵技術(shù)在國(guó)內(nèi)燃煤電廠應(yīng)用情況。

表1 高效除塵設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

高頻電源除塵技術(shù)與ESP除塵機(jī)理相似，區(qū)別在于高頻電源除塵裝置的工作電源頻率一般為20～50 kHz，遠(yuǎn)高于工頻電除塵裝置的工作電源頻率50 Hz[37]。高頻電源具有更大的電暈功率，因此具有更強(qiáng)的荷電能力，靜電除塵效率也會(huì)相應(yīng)提高；同時(shí)靜電除塵器能耗降低。上海外高橋某電廠進(jìn)行高頻電源靜電除塵改造后,煙塵減排率達(dá)59.5%，電除塵器能耗降低71.7%[38]。臺(tái)山某電廠對(duì)2臺(tái)1 000 MW機(jī)組的靜電除塵器進(jìn)行高頻電源改造后,除塵器的除塵效率從99.65%升至99.78%。但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程發(fā)現(xiàn)高頻電源靜電除塵器無(wú)法避免除塵器振打時(shí)的二次揚(yáng)塵，機(jī)組快速升負(fù)荷和高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)粉塵排放短暫超標(biāo)等問(wèn)題[39]。同時(shí)，高頻電源實(shí)際運(yùn)行效果受煤質(zhì)(對(duì)中低比電阻和高濃度的煤灰效果較佳)影響，因此在進(jìn)行高頻電源改造時(shí)必須配合其他除塵改造措施[40]。

濕式靜電除塵器(WESP)與ESP工作原理的不同之處在于ESP通過(guò)振打清灰，而WESP為連續(xù)水膜沖刷清灰，避免了反電暈和二次揚(yáng)塵問(wèn)題[41]。在高濕環(huán)境下，煙氣相對(duì)濕度易接近飽和甚至過(guò)飽和，此時(shí)水汽可能在顆粒表面發(fā)生異相凝結(jié)從而促進(jìn)顆粒長(zhǎng)大，達(dá)到提高除塵效率的目的。如圖4所示，WESP常作為煙氣凈化最后一個(gè)環(huán)節(jié)，安裝在WFGD后，高效捕集高濕煙氣中的PM2.5[42-43]。截至2017年，WESP在我國(guó)煤電中的裝機(jī)量達(dá)到13.3%[44]。雒飛等[45]和司小飛等[46]分別對(duì)300 MW和680 MW燃煤機(jī)組增加WESP后顆粒物排放質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示W(wǎng)ESP出口煙塵均達(dá)到10 mg/Nm3以下的超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。XU等[43]分析了某300 MW機(jī)組WESP對(duì)PM2.5的脫除效果，發(fā)現(xiàn)WESP對(duì)PM2.5具有較佳的控制效果，其對(duì)PM2.5脫除效率可達(dá)70%～94%。CHANG等[47]和MONTGOMERY等[48]的研究發(fā)現(xiàn)WESP不僅對(duì)顆粒物有高效捕集效果，對(duì)煙氣中SO3和重金屬汞同樣有很好的脫除作用。優(yōu)化后的濕式除塵技術(shù)對(duì)SO3酸霧的脫除效率可達(dá)99.2%，對(duì)元素態(tài)的汞脫除效率可達(dá)90%。但WESP投資費(fèi)用較高，其噴水過(guò)程會(huì)導(dǎo)致煙氣溫度降低，在采用不間斷噴水時(shí)需要加裝煙氣再熱裝置，同時(shí)WESP需要消耗水，不適合在缺水地區(qū)使用。

圖4 國(guó)內(nèi)1 000 MW燃煤鍋爐WESP系統(tǒng)[43]Fig.4 Sketch of the 1 000 MW power stations equipped with WESP system23

復(fù)合式除塵技術(shù)是將2種傳統(tǒng)除塵設(shè)備串聯(lián)或?qū)⒁环N除塵設(shè)備嵌入到另一種設(shè)備中，以達(dá)到提高除塵效率的目的，2種除塵設(shè)備在除塵效果上相互促進(jìn)，而非簡(jiǎn)單的相互疊加[8]。電袋除塵技術(shù)是目前電廠最常用的復(fù)合除塵技術(shù)，截至2017年，電袋除塵在國(guó)內(nèi)燃煤電廠裝機(jī)量已達(dá)25.4%[44]。該技術(shù)是將靜電除塵器和布袋除塵器進(jìn)行耦合，通過(guò)前端靜電除塵器將大量的飛灰去除(可高達(dá)90%)，減少后端布袋除塵器數(shù)量，同時(shí)經(jīng)靜電除塵器荷電后的顆粒物更易于被布袋除塵器捕集，電袋復(fù)合除塵對(duì)PM2.5的脫除效率可達(dá)98%～99%，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電袋除塵器結(jié)構(gòu)示意[9]Fig.5 Schematic of electrical bag composite precipitator[9]

電袋除塵技術(shù)除塵效率受煤灰比電阻影響較小，因此對(duì)煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)[49-50]。聶孝峰等[51]對(duì)3臺(tái)300 MW機(jī)組和1臺(tái)135 MW機(jī)組電袋除塵器除塵效率進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電袋除塵器對(duì)PM2.5脫除效率均達(dá)到了99.7%以上，對(duì)總汞的脫除效率達(dá)到了70%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)靜電除塵器對(duì)汞的脫除效率(在45%左右)。黃煒等[52]提出通過(guò)合理的調(diào)節(jié)極板距離和荷電電壓，選擇合適的布袋加工工藝和材料能夠進(jìn)一步提高電袋除塵器的除塵效率。沙角C電廠采用優(yōu)化的超凈電袋除塵器后，可使得除塵器出口總塵質(zhì)量濃度降至約3.7 g/Nm3，除塵效率達(dá)到99.97%(表1)。然而電袋除塵器存在濾袋容易破損，濾袋易在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生直通、滲透和針孔等問(wèn)題，通常布袋的壽命在2 a左右，一個(gè)濾室中只要有一個(gè)布袋發(fā)生損壞就會(huì)對(duì)整體工作效率產(chǎn)生極大的影響。通過(guò)合理的布置濾袋和選擇濾袋材料可以有效的延長(zhǎng)濾袋壽命。

上述幾種尾部強(qiáng)化除塵技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，需結(jié)合實(shí)際合理選擇，其中電袋復(fù)合除塵器比較適用于現(xiàn)役電除塵器提效改造。

3.2 煙氣預(yù)處理技術(shù)

煙氣預(yù)處理技術(shù)是對(duì)進(jìn)入除塵設(shè)備中的煙氣進(jìn)行預(yù)處理，使得后續(xù)除塵設(shè)備對(duì)顆粒物脫除效率進(jìn)一步提高,主要包括團(tuán)聚技術(shù)和低低溫省煤器技術(shù)。

3.2.1團(tuán)聚技術(shù)

團(tuán)聚技術(shù)指采用一定的技術(shù)手段使PM2.5通過(guò)物理或化學(xué)作用長(zhǎng)大成較大顆粒后再加以脫除，目前主流的團(tuán)聚技術(shù)有化學(xué)團(tuán)聚、湍流團(tuán)聚、蒸汽相變團(tuán)聚、聲波團(tuán)聚等。

化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)通過(guò)高壓空氣將化學(xué)藥劑配制而成的團(tuán)聚劑噴入煙氣中，細(xì)顆粒物與團(tuán)聚劑發(fā)生碰撞后團(tuán)聚長(zhǎng)大。張軍營(yíng)研究團(tuán)隊(duì)[53-56]和楊林軍研究團(tuán)隊(duì)[57-58]對(duì)此開(kāi)展了一系列工作，研究表明化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)僅對(duì)燃燒后煙氣進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)鍋爐燃燒沒(méi)有影響，化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)的提出為細(xì)顆粒物排放控制開(kāi)辟了一條新途徑。劉勇等[57-58]研究了不同團(tuán)聚劑對(duì)顆粒物團(tuán)聚效果的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)高分子團(tuán)聚劑效果優(yōu)于無(wú)機(jī)團(tuán)聚劑，同時(shí)通過(guò)組合不同團(tuán)聚劑、添加潤(rùn)濕劑和降低比電阻等手段可增加化學(xué)團(tuán)聚效果，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的團(tuán)聚劑在典型運(yùn)行工況條件下可使電除塵器對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效率提高40%以上。郭沂權(quán)等[56]結(jié)合數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了團(tuán)聚劑化學(xué)和物理特性、流量、物化液滴直徑等因素對(duì)化學(xué)團(tuán)聚效果的影響，將各因素耦合模擬，得到最優(yōu)結(jié)果并應(yīng)用于2臺(tái)340 MW工業(yè)燃煤機(jī)組，發(fā)現(xiàn)ESP后顆粒物濃度降低61.7%，WFGD后顆粒物濃度降低50%?；瘜W(xué)團(tuán)聚技術(shù)與濕式靜電除塵器技術(shù)的運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)，但前者投資費(fèi)用僅為后者的一半[56]。雖然化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但加入的化學(xué)團(tuán)聚劑有可能增加除塵器的工作負(fù)荷，開(kāi)發(fā)高效廉價(jià)的團(tuán)聚劑仍是今后研究的趨勢(shì)。

湍流技術(shù)指在除塵器前加裝湍流聚并器，不同慣性的顆粒在湍流中產(chǎn)生速度梯度，加劇彼此間碰撞，從而促進(jìn)團(tuán)聚。湍流技術(shù)原理和設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)成本低且易于與其他除塵設(shè)施結(jié)合，因此具有較好的應(yīng)用潛力,其關(guān)鍵在于聚并器的設(shè)計(jì)。2002年澳大利亞Indigo公司開(kāi)發(fā)了湍流聚并器[59]，通過(guò)邊狀、圓柱形和Z形渦片產(chǎn)渦裝置形成小尺度湍流，加劇細(xì)顆粒碰撞機(jī)率。米建春等[60-61]設(shè)計(jì)了包含大渦段和小渦段2部分的湍流聚并器，前部分的大渦段由大渦片構(gòu)成，主要使煙塵產(chǎn)生大尺度分流；后部分的小渦段主要包含矩形、鋸齒形、梯形3種渦片，主要用于產(chǎn)生小尺度湍流。劉忠等[62]通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)聚并器內(nèi)流速越大、渦片越多則湍流越劇烈，顆粒團(tuán)聚效果越好，但同時(shí)系統(tǒng)的阻力也會(huì)增大，且湍流對(duì)顆粒聚并效果存在最優(yōu)值，當(dāng)湍流增大到一定程度后聚并效果將不再增加。陳冬林等[63]在某300 MW燃煤電廠中對(duì)加裝聚并器前后ESP出口煙塵質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)加裝聚并器后ESP出口煙塵質(zhì)量濃度由103.935 mg/m3降至77.595 mg/m3，煙塵減排量達(dá)到25.34%。目前，湍流技術(shù)實(shí)際應(yīng)用較少，且聚并效果受煙氣流速和溫度影響，對(duì)煙氣流速較小、溫度較低工況效果較差，存在使用局限性。

蒸汽相變聚并是在飽和蒸汽中，蒸汽以顆粒物為凝結(jié)核在顆粒物表面凝結(jié)形成液滴，顆粒物碰撞后在表面液滴作用下團(tuán)聚長(zhǎng)大，可通過(guò)在煙氣中加入水蒸氣或采用濕空氣產(chǎn)生飽和蒸汽實(shí)現(xiàn)。楊林軍等[64]利用濕法脫硫后高濕煙氣特性提出將蒸汽相變器安裝在濕法脫硫尾部，以提高WFGD系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒的脫除效率，其技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 濕法脫硫中協(xié)同脫除PM2.5技術(shù)路線示意[64]Fig.6 Schematic of WFGD combined with removal of PM2.5

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于NH3·H2O脫硫劑，當(dāng)蒸汽添加量由0.02 kg/m3變化至0.08 kg/m3時(shí)，WFGD對(duì)細(xì)顆粒物脫除效率由43%提高至78%?？紤]到蒸汽相變聚并器對(duì)粒徑在3 μm以下的顆粒物團(tuán)聚效果較差，熊桂龍等[65]采用撞擊流與蒸汽相變結(jié)合的方法強(qiáng)化煙氣中細(xì)顆粒的團(tuán)聚，使細(xì)顆粒脫除效率由35%增加至65%。蒸汽相變技術(shù)的運(yùn)行效率和成本對(duì)煙氣流量和溫度較敏感，目前還未見(jiàn)該技術(shù)在實(shí)際燃煤電廠中應(yīng)用或示范，缺乏其在實(shí)際電廠復(fù)雜煙氣條件下的運(yùn)行效果數(shù)據(jù)。

聲波團(tuán)聚技術(shù)是指顆粒物在高能量密度的聲場(chǎng)中，被介質(zhì)夾帶而產(chǎn)生振動(dòng)，不同粒徑的顆粒物振幅和速度不同，導(dǎo)致顆粒物相互運(yùn)動(dòng)、碰撞，從而發(fā)生凝并團(tuán)聚現(xiàn)象。聲波團(tuán)聚機(jī)理主要有同相凝并機(jī)理、流體力學(xué)作用和湍流擴(kuò)散、湍流慣性[66-67]等。自18世紀(jì)末，KONIG[68]首先提出聲場(chǎng)挾帶細(xì)顆粒理論后，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。TIWARY R等[69]忽略重力沉降、布朗運(yùn)動(dòng)和聲致湍流的影響提出了聲波凝并的數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)聲強(qiáng)為150～160 dB、頻率為1～2 kHz、停留時(shí)間為2～4 s時(shí)，模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且平均粒徑為0.2 μm 的微粒經(jīng)聲波團(tuán)聚后 粒徑可擴(kuò)大10倍。GALLEGO-JUREZ J A等[70]進(jìn)行了高頻(10,20 kHz)聲波團(tuán)聚中試實(shí)驗(yàn)，煙氣量為2 000 m3/h，煙氣溫度為150 ℃，含塵質(zhì)量濃度為1～5 g/m3，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒數(shù)質(zhì)量濃度減少40%。張光學(xué)等[71-72]發(fā)現(xiàn)聲波團(tuán)聚可使PM2.5脫除效率由80%提到約 97%，且最佳聲波頻率在1 400 Hz左右。此外，張光學(xué)等[73]運(yùn)用光學(xué)探究了頻率、聲功率及初始質(zhì)量濃度對(duì)超細(xì)液滴氣溶膠團(tuán)聚效果的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)頻率6 kHz、聲強(qiáng)為148 dB時(shí)，液滴顆粒發(fā)生快速團(tuán)聚，質(zhì)量濃度減少99%。雖然聲波團(tuán)聚已有近百年的研究歷史，但其耗能較大，且會(huì)產(chǎn)生噪聲危害。據(jù)報(bào)道[74]，目前國(guó)內(nèi)只有青島某300 MW機(jī)組上投運(yùn)使用聲波團(tuán)聚技術(shù)，排放質(zhì)量濃度低于10 mg/m3。今后聲波團(tuán)聚技術(shù)還需在有效降低能耗、研制高溫環(huán)境下能長(zhǎng)期使用且能量轉(zhuǎn)換效率高的聲源等方面努力。

目前外加條件下團(tuán)聚長(zhǎng)大技術(shù)的研究大都側(cè)重團(tuán)聚效率，對(duì)這些團(tuán)聚現(xiàn)象的成因機(jī)制還需更深入的研究。經(jīng)濟(jì)性上，化學(xué)團(tuán)聚與蒸汽相變技術(shù)的應(yīng)用前景較為廣闊，特別適合與WFGD系統(tǒng)改造相結(jié)合。

3.2.2低低溫電除塵器

低低溫電除塵技術(shù)工藝流程如圖7所示，通過(guò)在靜電除塵器前加裝低溫省煤器，使煙氣溫度降到露點(diǎn)(通常為90 ℃左右)以下，降低飛灰的比電阻，提高除塵效率；同時(shí)凝結(jié)在顆粒物表面的SO3液膜有利于顆粒物團(tuán)聚，提高對(duì)顆粒物的捕集能力。此外還能進(jìn)一步回收煙氣中的余熱并協(xié)同脫除煙氣中的SO3[75]。20世紀(jì)70年代澳大利亞Liddell電廠首次將低低靜電除塵技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用[76]；日本三菱重工于1997開(kāi)始推廣應(yīng)用低低溫電除塵技術(shù)，成功將除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度降低到30 mg/m3以下。截至2017年底，低低溫電除塵技術(shù)在我國(guó)燃煤電廠中的裝機(jī)量已達(dá)14.3%[44]。WANG等[77]對(duì)國(guó)內(nèi)一臺(tái)安裝低低溫電除塵器的600 MW燃煤機(jī)組進(jìn)行顆粒物采樣，發(fā)現(xiàn)低溫省煤器開(kāi)啟后顆粒物排放濃度明顯降低，PM1和PM2.5減排效率達(dá)60%～70%。胡建強(qiáng)等[78]發(fā)現(xiàn)某1 000 MW燃煤機(jī)組經(jīng)低低溫電除塵系統(tǒng)改造后，除塵效率可提高99.9%以上，除塵器出口煙氣質(zhì)量濃度為20 mg/m3，配合WFGD使用后，煙氣出口質(zhì)量濃度可降至5 mg/m3以下。由于低溫省煤器將煙氣溫度降低至露點(diǎn)以下，低溫省煤器及除塵設(shè)備均存在沾污堵灰及腐蝕等問(wèn)題，因此解決換熱器沾污及腐蝕問(wèn)題是低低溫電除塵器進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用的必要前提。

圖7 典型的低低溫電除塵器工藝[69]Fig.7 Schematic of typical low-low temperature ESP

3.3 燃燒源頭控制技術(shù)

無(wú)論是尾部除塵強(qiáng)化技術(shù)還是煙氣預(yù)處理技術(shù)，均屬于燃燒后顆粒物控制技術(shù)，雖能有效降低顆粒物的排放量，卻無(wú)法消除傳統(tǒng)除塵設(shè)備在粒徑范圍0.1～1.0 μm處存在的穿透窗口問(wèn)題，并且這些技術(shù)的應(yīng)用會(huì)增加系統(tǒng)的投資成本，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。因此有學(xué)者提出一種從燃燒源頭上控制PM2.5生成的方法，即利用礦物與PM2.5前驅(qū)體發(fā)生交互反應(yīng)從而阻斷前驅(qū)體向PM2.5遷移。該方法相比于燃燒后PM2.5強(qiáng)化脫除技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：① 可選擇性降低在除塵設(shè)備中穿透率較高的超細(xì)模態(tài)和中間模態(tài)顆粒物的生成，解決穿透窗口問(wèn)題；② 可基于礦物反應(yīng)或吸附特性，抑制特定毒性元素向PM2.5遷移；③ 無(wú)需額外增加設(shè)備，運(yùn)行成本較低，使用靈活。

3.3.1混煤燃燒技術(shù)

混煤燃燒技術(shù)主要通過(guò)將不同礦物特性的煤粉進(jìn)行混配，加劇顆粒物生成過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、異相作用和聚合等，從而促進(jìn)顆粒物長(zhǎng)大，減少PM2.5的生成。WANG等[79]對(duì)2種Ca含量不同的煤進(jìn)行不同比例的混配燃燒實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混燒后PM10生成量低于單一煤加權(quán)平均計(jì)算得到的顆粒物理論生成量，證明煤粉的混燒可實(shí)現(xiàn)顆粒物的減排。ZHOU等[80]在沉降爐上研究不同比例褐煤與煙煤混燒對(duì)顆粒物PM1的控制效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)褐煤與煙煤質(zhì)量比例為7∶3時(shí)，PM1的控制效果最好，生成質(zhì)量濃度約減少38%，并將最終PM1生成量降低的主要原因歸結(jié)為褐煤燃燒生成的細(xì)顆粒中的Ca,Fe元素與煙煤中的硅鋁酸鹽粗灰顆粒發(fā)生交互反應(yīng)。徐少波等[81]基于某電廠的配煤方案，將3種煙煤分別與一種褐煤進(jìn)行混燒，發(fā)現(xiàn)在合適的混配比例下，PM2.5的生成可明顯減少，主要的機(jī)理是交互反應(yīng)形成的具有熔融表面的硅鋁酸鹽對(duì)細(xì)顆粒的液相捕集;同時(shí)進(jìn)一步提出當(dāng)灰中Fe2O3與CaO的物質(zhì)的量比接近1時(shí)，PM2.5減排效果最明顯。張平安等[82]考慮多種礦物交互作用，提出了基于煤灰化學(xué)成分混煤燃燒控制顆粒物生成的指導(dǎo)原則，即：SiO2/Al2O3=1～3，(MgO+CaO+Fe2O3)/(MgO+CaO+Fe2O3+SiO2+Al2O3)≈0.25為最有利于液相物質(zhì)生成和顆粒團(tuán)聚發(fā)生的礦物組成。在該指導(dǎo)原則下，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)模態(tài)顆粒物最高減排68.7%，中間模態(tài)顆粒物減排13.2%。雖然目前大多數(shù)電廠采用混煤作為燃料，但有關(guān)實(shí)際鍋爐燃燒復(fù)雜流場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)顆粒物生成的影響、液相組分對(duì)鍋爐灰沉積問(wèn)題的影響等方面仍需進(jìn)一步評(píng)估。

3.3.2添加劑

添加劑控制方法主要通過(guò)外加礦物來(lái)阻斷顆粒物前驅(qū)體向PM2.5遷移，從化學(xué)反應(yīng)和物理液相捕集2方面減少PM2.5的生成。

化學(xué)反應(yīng)機(jī)理主要通過(guò)外加礦物與無(wú)機(jī)礦物元素蒸氣反應(yīng)，從而減少氣相產(chǎn)物向PM2.5遷移。主要有硅基或硅鋁基礦物及鈣基礦物等添加劑。其中硅基和硅鋁基主要與堿金屬蒸氣反應(yīng)，以高嶺土添加劑與Na蒸氣為例，反應(yīng)機(jī)理如式(1)～(4)所示。鈣基吸附劑主要與含S或Cl氣體反應(yīng)，以方解石與SO2反應(yīng)為例，反應(yīng)機(jī)理如式(5)，(6)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

物理液相捕集主要通過(guò)外加礦物與煤中礦物反應(yīng)，增加煤灰中液相比例，從而對(duì)異相反應(yīng)形成的細(xì)顆粒核或已形成的PM2.5顆粒物進(jìn)行捕集。主要有鈣基、硅鋁基和鎂基等添加劑。實(shí)際上，化學(xué)反應(yīng)吸附氣相無(wú)機(jī)礦物后，添加劑表面易產(chǎn)生液相低溫共熔體，從而進(jìn)一步促進(jìn)添加劑的液相捕集。因此添加劑控制PM2.5生成的機(jī)理通常會(huì)同時(shí)包括化學(xué)反應(yīng)和物理捕集。但2種作用機(jī)理受溫度影響特性不同，化學(xué)吸附發(fā)生在某溫度區(qū)間段，溫度太低化學(xué)反應(yīng)速率較慢，溫度太高顆粒表面易燒結(jié)或發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致添加劑失效；對(duì)于液相捕集，溫度升高礦物顆粒表面熔融液相更明顯，故捕集效果也更明顯。

目前研究較多的添加劑包括硅基、鈣基、鎂基、鈦基添加劑等[83-86]，其特性見(jiàn)表2。

表2 不同添加劑特性

硅鋁基添加劑由于材料來(lái)源廣、經(jīng)濟(jì)性較高、對(duì)PM2.5控制效果較佳而備受關(guān)注。徐義書(shū)等[6]在沉降爐中對(duì)8種硅鋁基進(jìn)行篩選實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高嶺土對(duì)PM2.5的生成具有良好的控制效果，減排效率可達(dá)22%。其隨后在1 000 MW燃煤機(jī)組中對(duì)高嶺土控制PM2.5生成效果進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)添加高嶺土后ESP出口PM1降低約35%，PM2.5降低約36%，證明高嶺土對(duì)PM2.5具有良好的控制效果，其控制機(jī)理包含添加劑對(duì)堿金屬蒸氣的化學(xué)捕集以及對(duì)細(xì)顆粒的液相捕集[83]。為進(jìn)一步提高硅鋁基添加劑對(duì)PM2.5的脫除能力，學(xué)者們[87-88]采用鹽酸高錳酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸鋁和鹽酸等溶液以及肼對(duì)硅鋁基添加劑進(jìn)行改性。改性后的硅鋁基添加劑比表面積及活性官能團(tuán)增加，使得其對(duì)堿金屬蒸氣吸附能力提高13%～41%，具體提升效果取決于改性方法及原樣特性。

值得注意的是添加劑對(duì)不同特性煤種的適應(yīng)性存在局限性，大部分礦物添加劑成本較高。故考慮到吸附劑的經(jīng)濟(jì)性與廣泛適用性，仍然需要開(kāi)發(fā)研究更多、更有效的顆粒物吸附劑來(lái)應(yīng)對(duì)實(shí)際電站不同的需求。此外關(guān)于添加劑利用率、成本、對(duì)粉煤灰性質(zhì)的影響等方面也是今后需關(guān)注的地方。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展高效除塵技術(shù)是我國(guó)燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放的必經(jīng)之路。靜電除塵器是我國(guó)火電廠最常用的除塵設(shè)備，其對(duì)燃煤煙氣中粗顆粒物的收集效率可達(dá)99.9%以上，但對(duì)質(zhì)量濃度不高、數(shù)量濃度較高的PM2.5存在穿透窗口問(wèn)題。在節(jié)能減排與環(huán)境污染的雙重壓力下，采用單一的除塵措施已無(wú)法滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)?；诖瞬⒔Y(jié)合PM2.5生成機(jī)理，3條高效除塵技術(shù)路線應(yīng)運(yùn)而生。其中尾部強(qiáng)化除塵技術(shù)與煙氣預(yù)處理技術(shù)均屬于燃燒后控制，雖具有較好的減排效果，但如何維持系統(tǒng)長(zhǎng)期高效的穩(wěn)定運(yùn)行、降低投資成本仍有待進(jìn)一步研究?；陟o電增強(qiáng)的多機(jī)理復(fù)合除塵技術(shù)耦合團(tuán)聚技術(shù)是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，以濕法脫硫系統(tǒng)應(yīng)用蒸汽相變技術(shù)為例，其不僅可高效脫除細(xì)顆粒物，還可協(xié)同脫除金屬汞、SO3等污染物，具有較好的應(yīng)用前景。近年來(lái)以爐內(nèi)添加高嶺土(硅鋁基添加劑)為代表的燃燒源頭控制PM2.5生成技術(shù)不斷受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，該技術(shù)具有減排效果佳、無(wú)需額外增加設(shè)備、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，硅鋁基添加劑改性后可進(jìn)一步提升脫除效率，將為今后定向控制PM2.5生成提供一條新途徑。