燃煤电厂PM2.5减排及检测技术

孙冬冬，王 鑫，李光日，赖云飞

（吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021）

随着我国火电装机容量逐年增加，火力发电厂PM2.5 排放问题越来越受到关注，我国将从2016年1月1日起实施GB 3095—2012《环境空气质量标准》，其中增加了PM2.5的24h平均值和年平均值标准。PM2.5指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm 的颗粒物，其表面吸附大量有毒、有害物质，长期吸入细颗粒物污染空气可造成肺部及其他系统损伤［1－2］。燃煤电厂排放的烟气是我国PM2.5的重要来源之一［3］。电厂煤燃烧产生的烟尘主要来源于煤中灰分，煤粉越细，燃烧后产生的飞灰越细，烟尘中细小颗粒物含量就会越高，PM2.5的含量也随之增高［4］。传统的环保设施对PM2.5的去除能力较弱，不能满足日益严格的环保要求，因此，进一步加强烟气治理设施的改造以控制PM2.5的排放，开展对燃煤电厂PM2.5排放特性和减排治理的研究，对改善我国大气环境质量有着重要意义。

1 除尘设施对PM2.5的脱除效果

1.1 现有除尘设施

PM2.5的粒数浓度取决于PM1.0，更主要取决于PM0.38，也就是说，PM2.5主要由细模态颗粒物组成［5］。目前，我国燃煤电厂环保设施主要有脱硝装置、除尘装置和脱硫装置。除尘装置主要有电除尘器、袋式除尘器和电袋除尘器3种。3 种除尘装置对PM2.5的去除率均达到90%以上，其中袋式除尘器和电袋除尘器对PM2.5的去除率达到98%以上，但除尘器对烟气中组成PM2.5的细模颗粒物PM1.0和PM0.38的去除率不高［6］。

1.2 双极静电凝聚技术

双极静电凝聚技术是近年提出的一种可以提高除尘器除尘效率，降低细微颗粒物排放的技术。所谓双极荷电区就是正负电极相间，气流通过双极荷电区使粉尘颗粒荷不同电荷，然后进入凝聚区，带正电粒子和带负电粒子在湍流运输和静电力作用下碰撞凝聚，小颗粒粗大化变成大颗粒后进入除尘器内部，粗大化的粒子更易于被收集［7］。双极荷电湍流凝聚技术则是对双极电凝聚技术和湍流凝聚技术的有效整合，除了对含尘气体进行荷电处理，还通过扰流技术使带异性电荷的不同粒径粉尘产生速度或方向差异而有效凝聚，更加有利于除尘器收集细微颗粒粉尘，这种技术对粉尘的凝聚效果好于单纯的双极电凝聚技术［8］。

1.3 湿式电除尘技术

根据美国等发达国家治理PM2.5的先进技术和经验，湿式电除尘器对PM2.5的脱除效果良好，可达95%以上。湿式电除尘器的工作原理是：金属放电线在直流高压电的作用下将周围气体电离，荷电粉尘在电场力的作用下向集尘极运动并沉积，水流从集尘板顶部留下，在集尘板形成一层均匀水膜，集尘板上的粉尘被冲刷到灰斗中随水排出。湿式电除尘和干式电除尘技术工作原理相同，都是利用电晕放电使气体电离进而使粉尘荷电并在电场力的作用下，将粉尘从气体中分离出来。不同的是，干式电除尘采用的是机械振打或声波清灰等方式，而湿式电除尘是采用冲刷液冲洗电极。湿式电除尘器避免了高比电阻粉尘及尾部二次飞扬对除尘效果的影响，可达到很高的除尘效率。另外，湿式电除尘器对SO3酸雾和汞等重金属的脱除效果也很好［9］。湿式电除尘技术是当前国际领先的除尘环保技术，在欧美发达国家有数百个项目应用湿式电除尘技术有效去除了烟气中PM2.5粉尘。

湿式电除尘器也存在一些问题：进入实施电除尘器的烟气温度应低于冲刷液饱和温度，否则会使粉尘颗粒干燥形成污染物，因此结构上必须采取良好的防结露措施；在高粉尘浓度或高SOx的条件下，不宜采用湿式电除尘；需要设置废水处理设备；湿式电除尘器的各主要部件需要选取抗腐蚀材料。当湿式电除尘器安装在湿法脱硫装置后时，这些问题均可得到解决［10］。目前大部分燃煤电厂都采用石灰石－石膏湿法脱硫工艺，也为湿式电除尘技术在电厂的应用创造了有利条件。

若采用垂直烟气流与湿法脱硫系统整体式设计的湿式电除尘装置，在传统湿法脱硫装置除雾器位置安装湿式电除尘装置，经过该装置处理后的烟气无需通过提高烟温来防止烟囱腐蚀和“石膏雨”的形成，而采用水平烟气流和垂直烟气流独立设计则需要专门的布置空间。

2 脱硫装置对PM2.5的脱除效果

2.1 石灰石－石膏湿法脱硫技术

燃煤机组脱硫装置一般采用石灰石－石膏湿法脱硫工艺，系统虽然能降低烟气中的粉尘浓度，在某种程度上反而增加超细颗粒物的排放量。这些超细颗粒物是由于烟气中携带的小液滴含有溶解盐和固相物质，烟气经过换热器或采样检测装置加热后析出［11］，因此，建议改善除雾器构造，减小烟气含湿量。湿法脱硫工艺对烟气中的SO2有很高的去除率，但对SO3的去除率不高，主要由于SO3与水反应生成H2SO4气溶胶，这些气溶胶能够穿过脱硫塔喷淋层和除雾器。湿法脱硫装置排烟温度相对较低，使得排烟中的SO3主要以气溶胶形式存在，这些硫酸气溶胶又会和大气中的其他污染物反应生成二次细颗粒物，增加空气中PM2.5的含量［12］。湿法脱硫后再进行湿式电除尘，可有效控制烟气中PM2.5烟尘、汞等重金属和SO3酸雾。

2.2 干法脱硫技术

干法脱硫技术中SO3直接与碱性吸收剂反应，SO3的去除率一般可达90%以上，脱硫后烟气露点也大大降低，烟气中SO3不会生成气溶胶；同时，排烟温度高于烟气水露点温度，也减缓了烟道和烟囱腐蚀，因此，干法脱硫技术对减小烟气中SO3造成的PM2.5空气污染问题效果明显，但干法脱硫技术脱硫效率相对较低，不能满足燃煤电厂烟气脱硫的环保要求。

3 燃煤电厂采样方法

燃煤电厂排放的PM2.5可采用滤膜重量法进行检测，PM2.5一部分来自烟气中的细微颗粒，一部分来自于火电厂燃煤排放到大气中的SOx和NOx，其发生均相或非均相氧化反应生成的硫酸根、硝酸根等形成的水溶性气溶胶，前者又包括直接以固态（或液态）形式排出的超细颗粒物和以气态或蒸汽形式排出的可凝结颗粒物。针对这2 种来源的PM2.5，分别采用直接采样法和稀释采样法。直接采样法可测定一次排放的PM2.5，稀释采样法可测定总PM2.5，二者之差则为可凝结PM2.5［13］。

3.1 直接采样法

燃煤电厂排放PM2.5的直接采样法，是将采样器直接伸入烟道对一次固态颗粒物进行捕集，应用较多的为惯性撞击分级器采样器。当含颗粒物的气体以一定速度从喷嘴内喷出后，颗粒获得了一定的惯性，粒径大于冲击式采样器切割粒径的粒子因惯性大，可以滑过气流而撞击在捕集板上沉积下来；而惯性小的颗粒，将随着气流流线运动，被捕集在滤膜上，实现了不同粒径颗粒物的分离与采集。这种方法是适用于烟气中不含液滴的条件，并且采样温度不高于260℃。惯性撞击分级器一般可将烟气中颗粒物切割为PM2.5、PM10及TSP（总悬浮颗粒物）三个等级，主要通过滤膜前后质量差和采样体积来确定烟气中PM2.5浓度。值得注意的是，滤膜并不能捕集到采集烟气中的全部粉尘，仍然会有粒径极小的颗粒物穿过滤膜。只要滤膜对大于0.38μm的颗粒物有99%以上的截留率，损失的那部分极小的颗粒物就可以忽略不计，因为对PM2.5总质量影响不大［14－15］。

3.2 稀释采样法

稀释采样法是将高温烟气在稀释通道用洁净的空气进行稀释，并冷却到大气环境温度，稀释冷却后的采样气体进入烟气驻留室，停留一段时间后被捕集，模拟烟气排放到大气中放入稀释、冷却、凝结等过程，被捕集的颗粒物包括一次固态颗粒物和一次凝结颗粒物［16］。

4 结束语

我国目前缺乏PM2.5监测方法，应借鉴国外较为成熟的PM2.5测试经验，致力于燃煤电厂排放的PM2.5监测方法研究，开发相关检测仪器，为燃煤电厂PM2.5减排研究提供技术支撑和科学依据。

［1］戴海夏，宋伟民.大气PM2.5的健康影响［J］.国外医学卫生分册，2001，28（5）：299－303.

［2］徐映如，王丹侠，张建文，等.PM10和PM2.5危害、治理及标准体系的概况［J］.职业与健康，2013，29（1）：117－119.

［3］马万军，杜谦，高建民，等.220 MW 煤粉炉PM2.5浓度排放特性的试验研究［J］.节能技术，2014，32（184）：103－107.

［4］刘建忠，范海燕，周俊虎，等.煤粉炉PM10／PM2.5排放规律的试验研究［J］.中国电机工程学报，2003，23（1）：145－149.

［5］张文丽，徐东群，崔九思.空气细颗粒物（PM2.5）污染特征及其毒性机制的研究进展［J］.中国环境监测，2002，18（1）：59－63.

［6］陈其颢，朱林，王可辉，等.PM2.5 标准及火电行业PM2.5主流控制技术［J］.华东电力，2013，41（5）：1124－1126.

［7］郦建国，吴泉明，胡雄伟，等.促进PM2.5凝聚技术及研究进展［J］.环境科学与技术，2014，37（6）：89－96.

［8］柯小民，张丽丽.有效减少PM2.5排放的凝聚型静电除尘技术的试验研究［C］.第14界中国电除尘学术会议论文集，出版地、出版者不详.2011：69－71.

［9］朱家骅，夏素兰，魏文韫，等.湿法除尘技术进展及变温多相流脱除PM2.5的新方法［J］.化工学报，2013，64（1）：155－164.

［10］赵琴霞，陈招妹，周超炯，等.湿式电除尘技术及其在电厂的应用前景探讨［J］.电力科技与环保，2012.28（4）：24－26.

［11］尹连庆，赵浩宁，殷春肖，等.不同类型燃煤锅炉PM2.5产污特性及其控制效果［J］.热力发电，2014，43（7）：110－114.

［12］代旭东，徐晓亮，缪明峰.电厂PM2.5排放现状与控制技术［J］.能源环境保护，2011，25（6）：1－4.

［13］史妍婷，杜谦，高建民，等.燃煤锅炉PM2.5控制现状及改进建议［J］.节能技术，2013，31（180）：345－346.

［14］蒋靖坤，邓建国，李振，等.固定污染源排气中PM2.5采样方法综述［J］.环境科学，2014，35（5）：2018－2024.

［15］师恩洁，朱永宏，樊伟.烟气排放连续监测系统（CEMS）采样技术及PM2.5监测问题的研究.信息化技术与控制工业计量，2013，（1）：21－23.

［16］王铮，薛建明，许月阳，等.燃煤电厂PM2.5超细颗粒物排放测试方法研究［J］.环境工程技术学报，2013，3（2）：133－137.