超低排放电厂PM,SO2,NOx及汞污染排放特征

宋 畅， 刘 钊， 汪 涛， 安连锁， 张永生

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院, 北京 102206)

超低排放电厂PM,SO2,NOx及汞污染排放特征

宋 畅， 刘 钊， 汪 涛， 安连锁， 张永生

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院, 北京 102206)

针对实施超低排放改造的大港电厂燃煤机组，基于现场在线监测和现场采样数据，探讨了超低排放后烟气中烟尘、二氧化硫、氮氧化物、汞污染物排放特征。研究表明，4台燃煤机组完成超低排放改造后，烟尘、二氧化硫、氮氧化物的排放浓度能够长期分别低于5、35、50mg/m3，达到超低排放要求。3#燃煤机组在汞取样监测期间，煤燃烧及经过污染物控制单元后，57.5%的汞存在于灰中、34.1%的汞存在于石膏中、8.3%的汞从烟囱排出。在汞取样监测期间，FGD脱除二氧化硫效率为97.9%，SCR脱除氮氧化物效率在90%以上。

燃煤机组； 超低排放； 汞； 排放特征

0 引 言

2013年以来，神华集团等国内发电企业针对烟尘(PM)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)等常规污染物提出“近零排放”、“超低排放”等污染物排放要求并开展了工程实施[1-3]。2014年国家发展改革委、环境保护部、国家能源局发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，要求燃煤发电机组接近或达到《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)中燃气轮机发电机组烟气污染物排放浓度限值(即在标准氧含量6%条件下，PM、SO2、NOx排放浓度分别不高于10、35、50 mg/m3)，实现超低排放[4]。从实践来看，目前我国大量燃煤机组实施了超低排放，例如，截至2017年2月底，经国家或地方环境监测单位现场监测，神华集团在全国范围内达到“近零排放”的燃煤机组已达56台，装机容量共计28504MW[5]。研究者从不同的角度对超低排放技术应用开展了探讨，例如，王树民等从技术路线方面探讨超低排放改造技术[1]，史文峥等研究了超低排放技术中各个污染物装置的协同机制[6]，张军等测试了超低排放改造后不同位置典型污染物的排放浓度[7]，王树民等研究了京津冀辽不同等级的部分燃煤机组近零排放实施后PM，SO2，NOx污染物随负荷变化的排放特征[2]。相对而言，目前缺乏超低排放机组长期运行过程中烟气污染物排放特征的研究。

另外，《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)首次针对燃煤电厂烟气给出了汞及其化合物的排放限值，规定燃煤电厂汞及其化合物排放限制为0.03 mg/m3，从法规层面将汞的排放控制提上了日程。汞是煤中的痕量元素，燃烧过程中释放进入大气，并可长时间在大气中停留，造成全球大气汞污染。中国大气汞排放占全球汞排放的25%～40%左右[8,9]，Tian等的研究表明2007年中国燃煤向大气中排放306吨汞[10]。惠霂霖等研究表明2010年我国燃煤电厂汞总输入为272吨，其中101吨排放到大气，占总汞输入的37.3%，进入固体中的汞为167吨，占总汞输入的61.6%[11]。但上述相关数据都是基于燃煤电厂超低排放实施前电厂汞污染排放数据的总结得到的结论。电厂现有常规大气污染物控制设备具有协同脱除汞污染的效果，例如针对NOx脱除的选择性催化还原反应塔(SCR)中的脱硝催化剂对气相零价汞(Hg0)具有催化氧化作用[12-14]，针对PM脱除的静电除尘器(ESP)可有效捕集颗粒汞(HgP)[12,13]，针对SO2脱除的湿式脱硫塔(FGD)能够吸收二价汞(Hg2+)[12,13,15]，也有研究表明脱硫塔内的二阶汞会转化为零价汞并产生二次释放[16]。燃煤电厂超低排放有不同的技术路线[1,6,17]，在超低排放的改造中合理升级优化PM、SO2、NOx常规污染物控制单元能够有效地促进汞污染物的减排[18]。但目前针对超低排放电厂汞污染物现场排放方面研究相对较少。

基于上述现状，本文针对神华国能大港发电厂燃煤发电机组开展研究，考察一段时期内PM,SO2,NOx的排放特征，并基于现场取样分析常规污染物超低排放技术对汞排放的协同作用。

1 现场概况及测试方法

研究中的机组为神华国能大港发电厂燃煤发电机组，大港电厂现有4台328.5MW燃煤发电机组，锅炉为亚临界煤粉炉，2015年前完成了全部机组的超低排放改造，主要包括：

锅炉采用低氮燃烧器将NOx控制在300 mg/m3以下，通过炉外选择性催化还原脱硝装置(SCR)将烟气中的NOx降低至50 mg/m3以下；在静电除尘器(ESP)和空气预热器之间加装低温省煤器将烟温降低至110 ℃，通过三相高效电源静电除尘器将PM排放浓度控制在10 mg/m3以下；石灰石湿法脱硫烟气脱硫装置(FGD)加装三层屋脊差异化布置高效除雾器，将SO2排放浓度控制在35 mg/m3以下，将PM排放控制在5 mg/m3以下。超低排放改造后各污染物控制单元如图1所示。

研究中PM、SO2、NOx监测利用电厂现有在线监测设备，型号信息如表1所示。

表1 在线监测设备信息表

汞污染测试研究中的机组为该电厂3#发电机组，图1中标示出固体、气体和液体采样位置。

图1 污染物控制单元及汞取样位置Fig.1 Pollution control units and locations of Hg sampling

研究中，针对各个烟气污染物控制单元前后开展烟气取样并进行汞测试。由于仪器数量的限制，汞污染现场监测实验分为两天进行，通过3套30B汞取样装置在不同监测位置取样，第一天记为Day1，分别在SCR前、SCR后和ESP前进行气体取样；第二天记为Day2，分别在ESP前、FGD前和FGD后进行气体取样。其中，ESP前的取样点进行重复实验，以考察取样的稳定性。

两天负荷在280～300 MW浮动且变化较小，可认为两天锅炉燃烧工况基本一致，污染物排放情况基本一致，且通过ESP前所得结果进行修正，保证实验结果的一致性。

实验期间同时取固体液体样品，包括给煤机煤样、除尘器灰样、锅炉排渣机渣样、脱硫塔石膏样、工艺水样(FGD进口水样)、脱硫废水样和石灰石样。

实验中汞的烟气取样采用30B吸附法，基于美国EPA Method 30B标准开展，用以测量烟气中的气态总汞浓度。烟气取样仪器为Apex Instruments公司的烟气采汞仪。质控方面，取样过程中30B取样枪中通过A、B两根平行取样管取样。对于汞浓度>1 μg/m3时，相对偏差(RD)≤10%通过；对于汞浓度≤1 μg/m3时，相对偏差(RD)≤20%通过。每根吸附管装填两段活性炭，对于汞浓度>1 μg/m3时，第二段活性炭的穿透率B≤10%；对于汞浓度≤1 μg/m3时，穿透率B≤20%。实验中吸附管中汞含量、煤、灰渣等固体样品中汞含量通过Lumex RA915固体汞分析仪分析，液体样品中汞含量通过Leman Hydra IIA液相汞分析仪分析。

2 结果与讨论

2.1 一段时期内污染物排放特征

研究中统计了2014年1月到2016年9月的煤质情况，在此期间煤质较为稳定，表2为统计期入炉煤的煤质分析，图2给出了入炉煤的灰和硫含量的月平均值及典型日煤质，可以看出，灰含量在15.01%～21.58%之间变动，硫含量在0.33%～0.53%之间变动，统计期内煤质波动幅度较小，煤质相对稳定。

表2煤质分析(收到基)

项目全水分/%灰分/%硫分/%挥发分/%低位热值/MJ·kg-1数值12.8317.190.4326.2220.78

图2 入炉煤中灰及硫含量Fig.2 Ash and sulfur content of coal

超低排放改造后，天津市环境监测中心利用国标称重法、红外法对大港电厂机组开展了污染物监测，结果如表3所示。各燃煤机组PM、SO2、NOx排放浓度低于5、20、40 mg/m3，均低于燃气轮机组大气污染物排放浓度限值，符合超低排放要求。

表3超低排放改造后污染物排放监测浓度

Tab.3 Pollutions emission concentration after ultra-low emission retrofitted

机组编号PM/(mg/m3)SO2/(mg/m3)NOX/(mg/m3)超低排放改造完成时间13.3016.1324.802014.222.2416.5319.202013.1133.279.2733.202014.541.9915.8022.062014.3

表4大港电厂2015年污染物年平均排放浓度

Tab.4 Average pollutions emission concentration of Dagang power plant in 2015

机组编号PM/(mg/m3)SO2/(mg/m3)NOX/(mg/m3)13.7615.0829.5324.5218.3428.0333.439.4136.3444.1914.8429.30

表4列出了大港电厂的4台燃煤机组从2015年1月至2015年12月超低排放改造后SO2，NOX和烟尘排放浓度在线仪表实时均值数据。改造后，4台燃煤机组年平均PM排放浓度为在3.43～4.52 mg/m3，年平均SO2排放浓度为9.41～18.34 mg/m3，年平均NOx排放浓度为28.03～36.34 mg/m3。各燃煤机组PM，SO2，NOx排放浓度基本上低于5、20、40 mg/m3，在线监测数据和天津市环境监测中心现场手动监测数据一致性较好。

图3为大港电厂3#燃煤机组改造后某一个月的污染物排放浓度在线数据，每隔一小时记录一组在线数据。可见PM的排放浓度都基本在4 mg/m3以下，SO2排放浓度大多数在25 mg/m3以下，基本稳定在一个范围内。期间SO2有两个明显的下降区间，主要原因是其负荷下降导致烟气量下降，由140万m3/h减少到约100万m3/h，同时入炉煤硫分突变，原烟气SO2浓度由正常运行的1 100 mg/m3下降到763～990 mg/m3，运行中为保障脱硫设备运行的安全性，脱硫浆液流量维持不变，因此浆液过量明显，从而导致SO2排放浓度较低。NOx排放浓度一般在20～40 mg/m3之间，相对而言NOx波动幅度较大，可能跟负荷变化对烟气温度有较为明显的影响从而导致催化剂脱硝效率下降有一定关系。

2.2 汞排放及分布特征

汞监测期间燃用煤的元素分析及工业分析如

表5所示，可以看出，煤质相对稳定。现场测试过程中负荷在280～300 MW浮动且变化较小，则可认同两天工况一致，结果可做比较。

实验时间内，煤、灰、渣、石灰石及石膏中汞含量如表6所示。数据表明煤中汞含量在61.5 μg/kg，属于汞含量较低的煤种[19]。煤粉在炉膛燃烧后，汞全部释放，大部分存在在于烟气中。烟气中的汞流经后续烟道时，飞灰会对其吸附，从而有一定的富集，数据显示灰中汞含量大概是煤中含量的2倍，约131 μg/kg。炉内燃烧生成的渣中汞含量极低，主要是由于炉膛温度较高，汞无法在渣中稳定存在。石灰石中汞浓度较低，仅为7.9 μg/kg，但由于湿法脱硫过程液相会吸收烟气中的二价汞，使得脱硫石膏中汞含量在250 μg/kg左右。

图3 某月3号机组改造后污染物排放浓度Fig.3 Pollutions emission concentration of 3 # coal-fired unit after ultra-low emission retrofitted

表5 煤样元素分析及工业分析

烟气监测中，汞测量浓度折算为6%基准氧含量排放浓度。不同点位烟气中汞浓度如图4所示，可见脱硝前烟气中汞浓度为5.50 μg/m3，脱硝后烟气中汞浓度为5.23 μg/m3，电厂的脱硝系统并不能实现烟气中汞的脱除，但脱硝系统可催化Hg0向Hg2+转化[12,20]。

表6 固体样品汞含量

SCR到ESP之间烟气汞浓度下降了68%，ESP前烟气中汞的浓度为1.67μg/m3。在SCR和ESP间安装有空气预热器和低温省煤器，空气预热器和低温省煤器可有效降低除尘器入口烟温，图5给出了各测点的采样温度，可见从SCR出口到ESP入口烟气温度降低了200 ℃左右，温度下降有利于促进烟气中飞灰对汞的物理吸附[21,22]，易凝结形成颗粒汞，从而有效降低烟气中汞浓度。

图4 不同位置烟气中汞浓度Fig.4 Hg concentration in flue gas of different locations

图5 采样点位置烟气温度 Fig.5 Gas temperature of different sampling locations

除尘后/脱硫前烟气中汞浓度为0.32 μg/m3，脱硫后汞浓度为0.37 μg/m3，本次测试表明脱硫塔对烟气中汞减排的影响不明显，且还有一定的二次释放。但如果从SCR前算起，脱硝、除尘、脱硫等污染物控制单元使得汞浓度降低了93.3%，具有较高的协同汞脱除效率，但总体上由于煤中汞含量低导致烟气中汞浓度较低，该电厂汞排放值远小于火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2011)中规定的燃煤电厂汞排放限值。

石灰石浆液、石膏浆液和工艺水等液体样品中汞含量如表7所示，可以明显看出，液体样品中汞含量极低。

表7 液体样品汞含量

基于固体及烟气中汞的监测，给出超低排放改造后机组汞分布，结果如表8所示。可见系统中的汞主要来源于燃煤，石灰石的输入占了很小一部分。煤燃烧及经过污染物控制单元后，57.5%的汞存在于灰中，34.1%的汞存在于石膏中，8.3%的汞从烟囱排出。相比文献10研究中燃烧后固体中汞占总汞输入的61.6%，燃煤电厂实施超低排放后，燃煤中的汞更多的转移到固体中。

表8 汞分布

2.3 汞监测期间常规污染物排放及分布特征

汞监测期间采集了部分PM，SO2，NOx污染物控制单元前后的在线排放数据。前面提到，PM主要通过采用低温省煤器、三相电源改造电除尘器以及脱硫塔高效除雾器改造协同降低，该电厂3#机组在FGD前(ESP后)、FGD后装有PM在线监测仪表，图6(1)颗粒物排放浓度表明，经前序低温省煤器及三相电源改造电除尘器共同作用后，FGD入口烟气中PM含量约5 mg/m3左右，FGD后进入烟囱的烟气中PM的含量仅为2.5 mg/m3左右，FGD对PM脱除的效率在50%左右。脱硫主要是通过FGD加装三层屋脊差异化布置高效除雾器，FGD前后在线监测数据表明SO2的浓度由950 mg/m3骤降至20 mg/m3左右，FGD的脱硫效率可达97.9%。NOx的减排通过低氮燃烧和SCR催化实现，机组在SCR入口、出口以及FGD出口装有NOx在线监测仪表，结果表明，低氮燃烧后NOx浓度在300 mg/m3左右，经SCR后降至30 mg/m3左右，浓度明显降低， SCR脱硝效率可达90%以上。同时从监测期间数据来看，污染物排放随负荷变动无明显差异。

图6 汞监测期间机组PM、SO2、NOx浓度变化特征Fig.6 Characteristics of PM, SO2 and NOx concentration during Hg sampling monitoring

3 结 论

基于电厂在线测量及现场取样分析，针对300 MW等级超低排放电厂开展了PM、SO2、NOx及汞污染排放监测研究，主要结论如下：

(1)该电厂燃煤机组采用了低NOx改造、新增低温省煤器、三相电源改造、三层屋脊差异化布置高效除雾器的技术路线，改造后4台燃煤机组PM、SO2、NOx长期平均排放浓度均低于5、20、40 mg/m3，污染物排放浓度波动幅度降低，满足超低排放标准。

(2)汞取样监测期间，燃煤汞含61.5 μg/kg，除尘后/脱硫前烟气中汞浓度为0.32 μg/m3，脱硫塔后汞浓度为0.37 μg/m3。煤燃烧及经过污染物控制单元后，57.5%的汞存在于灰中，34.1%的汞存在于石膏中，8.3%的汞从烟囱排出。石灰石浆液、石膏浆液和工艺水等液体样品中汞含量较低，在0.15～0.37 μg/L。

(3) 试验结果表明，监测的机组脱硫塔对烟气中汞减排的影响不明显，且还有一定的二次释放。但如果从SCR前算起，脱硝、除尘、脱硫等污染物控制单元使得汞浓度降低了93.3%。总体而言，该超低排放锅炉协同脱汞效率较高。

(4) 汞取样监测期间，FGD对PM脱除的效率在50%左右，FGD脱除SO2效率为97.9%，SCR脱除NOx效率在90%以上。最终PM、SO2、NOx的排放可控制在2.5 mg/m3，20 mg/m3和25 mg/m3左右。

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Emission Characteristics of PM,SO2,NOxand Hg of Ultra-low Emission Coal-fired Power Plant

SONG Chang, LIU Zhao, WANG Tao, AN Liansuo, ZHANG Yongsheng

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

This paper, based on on-site monitoring and sampling data in Dagang coal-fired units retrofitted with ultra-low emission, discusses the characteristics of emission of pollutions (PM, SO2, NOx, Hg). The results indicated that the PM, SO2and NOxemission concentrations of 4 renovated coal-fired units were respectively less than 5, 35 and 50mg/m3for a long-standing period, reaching ultra-low emission standard. During mercury sampling monitoring, 57.5% Hg is contained in ash, 34.1% Hg in gypsum and 8.3% Hg emitting from chimney respectively after the coal combustion in 3 # coal-fired unit and pollution process and control unit. Besides, SO2removal efficiency of FGD was 97.9%, NOxremoval efficiency of SCR over 90% during mercury sampling monitoring.

coal-fired power plant; ultra-low emissions; Hg; pollution emission characteristics

base)

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.06.14

X 701

A

1007-2691(2017)06-0093-07

2017-07-06.

国家科技支撑计划项目(2015BAA05B02).

宋畅(1965-)，男，高级工程师，主要从事电力生产技术管理和燃煤电站污染物控制技术及应用研究；刘钊(1988-)，男，工程师，主要从事燃煤电厂污染物控制及废弃物的再利用研究；汪涛(1987-)，男，讲师，主要从事燃煤电站污染物控制技术及应用研究；安连锁(1955-)，男，教授，博士生导师，主要从事热力系统分析优化及燃煤电站污染物控制技术方面的研究；张永生(1975-)，男，副教授，主要从事燃煤电站污染物监测与控制技术方面的研究。