超低排放下燃煤电厂颗粒物排放特征分析研究

李小龙，周道斌，段玖祥，张文杰，李军状，严俊波

国电科学技术研究院，江苏 南京 210046

近年来，以PM10、PM2.5为特征污染物的大气环境问题日益突出，区域复合型大气雾霾污染已引起全社会的广泛关注[1]。PM2.5作为主要大气污染物之一[2]，其排放增多是引起区域性雾霾的主要原因[3]。大气颗粒物源解析结果表明，燃煤对大气细颗粒物的贡献在20%左右，排在污染源贡献的前三位[4-7]。燃煤电厂作为煤炭消费大户，其污染物排放对大气细颗粒物的贡献不容忽视。因此，近年来，国家加大对燃煤电厂大气污染物排放的治理力度。

颗粒物作为燃煤电厂排放的主要大气污染物之一，其排放标准尤为严格。2014年7月，中国史上最严《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)全面施行，燃煤机组颗粒物特别排放限值低至20 mg/m3(文中涉及颗粒物浓度均指基准氧含量6%条件下)[8]。但由于总量控制的严峻形势，东部地区雾霾频发及环保理念的普及，社会对燃煤电厂大气污染物排放提出了更高要求，于是超低排放的概念被提出。随着三部委联合发布《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》(简称“《行动计划》”)[9]，燃煤机组超低排放改造全面展开，且《行动计划》中关于燃煤机组颗粒物超低排放限值降至10 mg/m3，一些地区甚至自主提出5 mg/m3的排放限值。

自最严火电排放标准施行及超低排放改造开展以来，燃煤电厂大气颗粒污染物排放水平大幅降低，对大气环境的改善起到了积极作用。目前，关于超低排放条件下燃煤电厂颗粒物排放特征的研究报道较少，大多是超低排放改造之前的报道[1,7,10]。在当前超低排放条件下，本研究实测典型燃煤电厂湿法脱硫(WFGD)和湿式电除尘器(WESP)进出口烟气中不同粒径颗粒物浓度，分析研究超低排放条件下燃煤电厂颗粒物的排放特征及除尘器后不同净化设备对烟气颗粒物的脱除效果，并计算得到颗粒物排放因子，为今后相关环保政策的施行提供参考依据。

1 研究对象

选取6家经过超低排放改造的典型燃煤电厂的机组作为研究对象，机组容量均在300 MW以上，在机组满负荷且工况和煤质基本稳定的条件下，测试WFGD、WESP进出口不同粒径颗粒物浓度。各电厂机组容量及除尘设备情况见表1(其中满负荷燃煤量、烟气量及除尘器除尘效率由第三方检测报告提供)。试验期间，各电厂燃烧煤质分析参数见表2。6家电厂均安装有电场数至少4个高效电除尘器，各电厂脱硫系统均为WFGD系统，除电厂1无WESP外，其他电厂均有。

表1 6家电厂机组容量及除尘设备情况Table 1 Unit capacity and dust removal equipment of 6 power plants

注：“—”表示相关数据未提供。

表2 6家电厂试验期间煤质分析参数Table 2 Coal analysis parameters of 6 power plants during sampling

注：“—”表示相关数据未提供。

2 测试方法

2.1 相关标准

燃煤电厂烟气颗粒物的采样测定，一般依据《固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法》(GB/T 16157—1996)进行[11]，但该方法对于颗粒物浓度低于50 mg/m3的测定误差较大，且无法分级测定不同粒径细颗粒物浓度。超低排放下，燃煤电厂除尘器出口颗粒物浓度大多低于50 mg/m3，除尘器之后各净化设备出口颗粒物浓度将更低。因此，该测定方法早已不能满足当前国内的监测现状，而有关固定污染源低浓度及细颗粒物的测定标准，国内还在加紧制定中。为应对固定污染源低浓度细颗粒物监测的问题，国内环境检测机构大多依据国外标准，采用进口或国外技术国产化的设备进行采样和测定。

本文有关燃煤电厂烟气中总颗粒物(TPM)及不同粒径细颗粒物的测试方法，以GB/T 16157—1996标准为基础，并主要借鉴于ISO[12-13]和US EPA[14]相关测定标准。

2.2 测定方法

TPM使用3012H-D型烟尘(气)采样仪及配套的低浓度膜法采样枪采样测定，低浓度膜法采样枪示意图如图1所示。使用等速网格法采样，每个测试点进行3次平行采样，采样结束后将采样嘴及石英滤膜整体烘干称重，称重天平精度为0.01 mg，根据测试前滤膜及采样嘴的空白称重和标准状态下采气体积，计算得到颗粒物浓度。

注：1.采样嘴；2.滤膜托架；3.采样管；4.采样枪固定套；5把手；6皮托管。图1 低浓度膜法采样枪示意图Fig.1 Low concentration sampling lance by use of filter membrane

细颗粒物的分粒径测定使用芬兰生产的撞击采样器(DPI)进行采样测试，采样器由一级旋风采样器、三级惯性撞击采样器及后置滤膜构成，DPI采集PM10、PM2.5流程图如图2所示。烟气经过加热采样枪，进入旋风采样器，空气动力学直径(Da)大于10 μm的颗粒物首先被切割分离，然后进入三级撞击采样器，第一级撞击膜收集的为旋风采样器未去除的小部分Da>10 μm的颗粒物，第二级撞击膜收集的为2.5 μm

注：1.加热采样枪；2.旋风采样器(加热)；3.撞击器+滤膜(加热)；4.汽水分离器；5.干燥器；6.流量计；7.采样泵；8压力表。图2 DPI采集PM10、PM2.5流程Fig.2 The flow chart of DPI collecting PM10,PM2.5

3 结果与讨论

3.1 颗粒物测试结果

表3为各电厂WFGD、WESP进出口烟气颗粒物分粒径测试结果。可见，6家电厂脱硫入口TPM、PM10、PM2.5、PM1浓度分别为10.15～21.90、7.29～13.62、4.67～8.45、3.25～3.99 mg/m3；脱硫出口/湿电入口TPM、PM10、PM2.5、PM1浓度分别为2.06～6.50、1.79～5.70、1.49～4.71、0.99～3.04 mg/m3；湿电出口/烟囱入口TPM、PM10、PM2.5、PM1浓度分别为0.75～2.21、0.71～2.12、0.65～1.96、0.51～1.57 mg/m3。由于电厂煤质情况、机组工况、净化设备的差异，不同电厂净化设备前后测定的颗粒物分粒径浓度存在明显差异。

表3 6家电厂TPM、PM10、PM2.5、PM1测试结果Table 3 Determining results of particles in 6 power plants mg/m3

注：“—”表示相关数据未测试或未提供。

分析测试结果发现，6家电厂烟囱入口TPM排放浓度均值为1.69 mg/m3，远低于超低排放限值要求的10 mg/m3或5 mg/m3。此外，烟气经过WFGD、WESP后，各粒径段颗粒物浓度均不同程度降低。

3.2 颗粒物粒径分布与脱除情况

图3为各电厂除尘器后不同净化设备进出口烟气颗粒物分粒径质量浓度百分比分布图。

图3 颗粒物分粒径浓度百分比Fig.3 Mass concentration fractions of particles with different diameters

由图3(a)可知，脱硫入口PM>10质量浓度占TPM比例为28.18%～37.81%，低于PM10占TPM 62.19%～71.82%的比例，这主要是因为燃煤烟气进入脱硫设备之前经过高效电除尘器脱除了大部分大粒径颗粒物，而电除尘器对小粒径颗粒物脱除效率不高引起的[15-16]。另外，脱硫入口PM2.5～10、 PM1～2.5、PM1的占比比较接近。由图3(b)可知，烟气经过WFGD后，脱硫出口/湿电入口PM>10质量浓度百分比大幅降低，同时PM2.5～10的比例也显著下降，而PM1～2.5的比例小幅上升，PM1的比例大幅升高，显然WFGD对PM>2.5的脱除效果优于PM2.5。由图3(c)可知，烟气经过WESP后，湿电出口/烟囱入口PM>2.5继续下降，而PM1～2.5的比例首次出现下降，而PM1的比例则进一步升高，这表明WESP对PM>1脱除效果优于PM1。

如前所述，经超低排放改造后，6家电厂电除尘器效率大多在99.80%以上，烟气经过除尘器脱除了大部分颗粒物，随后经过WFGD、WESP继续除尘，烟气经过二级或三级的除尘设施，保证了较高的总除尘效率，确保了颗粒物排放水平满足超低排放要求。图4为WFGD、WESP对不同粒径颗粒物的脱除效率。由图4可知，WFGD对TPM的脱除效率为59.31%～83.38%，而WESP对TPM的脱除效率为60.71%～78.15%。分析可知，两者的综合除尘效率在85%以上。与其他电厂不同的是，电厂1未使用WESP，而是在除尘器后采用改进版的WFGD技术即脱硫除尘一体化技术，保证脱硫效率的同时满足较高的除尘效率，如图4(a)所示，其对颗粒物的脱除效率达到85%左右，远大于其他电厂的湿法脱硫系统。因此，通过超低排放改造，6家燃煤电厂电除尘器后各环保设施的综合除尘效率大多在85%以上，确保颗粒物排放限值满足超低排放要求。

图4 颗粒物分粒径脱除效率Fig.4 Removal efficiency of particles with different diameters

去掉电厂1的特殊情况，比较了其他电厂WFGD、WESP对颗粒物的脱除效果发现，WESP对不同粒径颗粒物的脱除效率均高于WFGD。从图4可见，不管是WFGD还是WESP，颗粒物粒径越小，其脱除效率越低，这也验证了大多研究所报道的，小粒径颗粒物比大粒径颗粒物更难脱除的观点。

3.3 颗粒物排放因子

根据表3中各电厂颗粒物分粒径浓度排放值，结合表1中各电厂满负荷烟气量、燃煤量、机组负荷数据，计算6家电厂不同粒径颗粒物排放因子，结果见图5。

图5 各电厂颗粒物分粒径排放因子Fig.5 Emission factors of particles with different diameters of power plants

由图5(a)可知，以燃煤量计，各电厂TPM、PM10、PM2.5、PM1的排放因子分别为6.2～19.2、 5.9～17.6、5.4～16.2、4.2～13.0 g/t。由图5(b)可知，以发电量计，各电厂TPM、PM10、PM2.5、PM1排放因子分别为2.5～8.3、2.4～7.1、2.2～6.6、1.7～5.3 g/(MW·h)。此外，从电厂1～电厂6，随着机组容量的增大，颗粒物排放因子总体呈下降趋势。

王圣等[10]研究超低排放改造之前典型燃煤电厂细颗粒物排放特性表明，300 MW以上机组TPM、PM10、PM2.5单位燃煤量排放因子分别为156.1～258.2、142.4～224.8、74.7～121.5 g/t，远高于本文研究所计算得到的燃煤电厂颗粒物排放因子。这说明，通过超低排放改造，燃煤电厂的大气颗粒物污染物排放控制水平得到了较大改善。

与国外相比，GOODARZ[17]研究了加拿大3家燃煤电厂细颗粒物排放特征。结果表明，其单位发电量TPM、PM10、PM2.5排放因子分别为39.0～118.0、28.0～67.0、13.0～16.0 g/(MW·h)，高于本研究计算的燃煤电厂颗粒物排放因子。以本研究的6家电厂燃煤灰分为变量，使用US EPA颁布的《空气污染物排放系数汇编(AP-42)》中颗粒物排放因子计算公式[18]，得到在相同燃煤灰分条件下，美国燃煤发电厂单位燃煤量TPM、PM10、PM2.5的排放因子分别为67.6～203.7、56.3～169.8、33.8～101.9 g/t，同样也高于本研究燃煤电厂颗粒物排放因子。这表明，通过实施超低排放改造，国内燃煤电厂大气颗粒污染物排放因子已远低于西方发达国家，燃煤电厂烟气颗粒物的排放控制水平已处于国际领先水平。

4 结论

1) 实测6家典型燃煤电厂超低排放条件下烟气颗粒物排放情况。结果表明，各电厂TPM、PM10、PM2.5、PM1排放浓度分别为0.75～2.36、0.71～2.12、0.65～1.96、0.51～1.57 mg/m3。TPM排放均值为1.69 mg/m3，远低于超低排放限值10 mg/m3或5 mg/m3。

2) 烟气经除尘器后，脱除了大部分大粒径颗粒物，脱硫入口PM10占TPM的质量比高于60%，而PM>10颗粒物占TPM比例低于40%。烟气经WFGD后，PM>2.5颗粒物比例显著降低，而PM2.5比例大幅上升，表明WFGD对PM>2.5颗粒物有显著脱除效果；而当烟气经过WESP后，PM>1比例显著降低，而PM1比例大幅上升，表明WESP对PM>1有显著脱除效果。

3) 通过超低排放改造，6家燃煤电厂电除尘器之后净化设备的综合除尘效率大多在85%以上，确保了烟气颗粒物的排放水平满足超低排放标准。WESP对烟气颗粒物的脱除效果优于WFGD，但随着颗粒物粒径的减小，2种脱除设备的脱除效率均逐渐降低。

4) 6家燃煤电厂TPM、PM10、PM2.5、PM1单位燃煤量排放因子分别为6.2～19.2、 5.9～17.6、5.4～16.2、4.2～13.0 g/t；单位发电量排放因子分别为2.5～8.3、2.4～7.1、2.2～6.6、1.7～5.3 g/(MW·h)。与国内超低排放改造之前同等级的燃煤电厂相比，6家燃煤电厂颗粒物排放因子显著下降，也远低于西方发达国家燃煤电厂颗粒物排放因子，这表明，超低排放改造之后，国内燃煤电厂颗粒物排放控制水平已处于国际领先水平。

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