600 MW燃煤机组超净排放特性及烟尘组分特征分析

赵 斌高明非王 振靳姗姗董昌伟

(1.华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山 063210;2.河北省电力勘测设计研究院,河北石家庄 050031)

0 引 言

我国的能源结构决定了煤炭在未来较长一段时间作为主要能源的格局将不会改变[1],大量的煤粉燃烧后产生细颗粒物排放到大气中,这是导致雾霾形成的重要原因。燃煤电站作为大气污染物排放的重要来源,近年来不断对机组升级改造[2],利用污染物协同脱除控制技术,使电站污染物排放能够满足国家严格的大气污染物排放标准[3]。从发展燃煤发电长远的角度看,实施“超净排放”升级改造是电企面对的必然选择。

国内外学者对通过WFGD系统前后的颗粒物特性开展了相应的研究。Meij等[4]研究发现通过ESP和WFGD系统协同脱除烟尘颗粒效率高达99.6%,颗粒物质量浓度可降至＜10 mg/m3,出口烟气颗粒物主要包含石膏及由脱硫液形成的固态颗粒物。王珲等[5]研究了某300 MW机组WFGD系统的除尘效率,灰颗粒粒径＜2.5 μm时除尘效率较低,WFGD系统进、出口的颗粒物形态和构成上都有区别。张军等[6]研究了1 000 MW燃煤机组常规污染物SO2、NOx的脱除特性,同时对SO3、汞及其化合物等非常规污染物的研究发现,现有的污染物脱除设备可以有效协同控制SO3、汞及其化合物,WFGD对两者的脱除效率分别为76.8%、80%。虽然行业领域内诸多学者已经提出了实现燃煤电站烟气污染物超低排放相关技术路线及实现方法[7-11],但每台燃煤机组的颗粒物排放呈现出各自的特性,因此研究不同机组烟气颗粒物的超净排放特性和组分特征十分必要。

由于烟气除尘仅依靠原有的静电除尘器(ESP)不能满足排放要求,目前普遍做法是在除尘装置后加装湿法烟气脱硫(WFGD)系统及烟气调质系统[12]。WFGD系统也称为石灰石-石膏湿法脱硫系统,既具备脱除SO2的能力(脱硫浆液自身对烟气进行了洗涤),也具备脱除烟气颗粒物的能力[13-15]。国内某电厂600 MW机组采用低氮燃烧器、选择性催化还原脱硝(SCR)、ESP、烟气调质及WFGD系统的超净排放工艺路线,对大气污染物(烟尘、NOx、SO2、汞及其化合物等)协同脱除。通过现场采样的烟气颗粒物数据,分析燃煤电厂超低排放机组烟气颗粒物的排放特性及组分特征,为进一步研究烟气污染物排放提供理论支撑。

1 试 验

1.1 试验对象

对国内某电厂600 MW燃煤发电机组进行研究,机组采用HG-2030/17.5-YM9型、亚临界、一次中间再热煤粉锅炉,锅炉最大容量2 030 t/h,通过海水直流冷却。锅炉配套烟气SCR脱硝装置,以尿素为还原剂,尾部烟道配备2台双室五电场静电除尘装置,配备1套双重烟气调质系统,调质剂采用SO3和NH3,其后烟气脱硫系统为石灰石-石膏湿法脱硫装置,采用双喷淋塔结构处理烟气中SOx。

入炉煤质特性分析见表1,飞灰组成见表2。

表1 煤质工业分析Table 1 Proximate analysis of coal %

表2 飞灰组成Table 2 Composition of fly ash

1.2 试验方法

机组运行工况为500～600 MW。试验样本采集点选择在WFGD系统脱硫预洗塔入口的水平烟道(采样点1)和烟囱进口的水平烟道(采样点2),如图1所示。对WFGD系统进、出口烟气总颗粒现场采样,采用非稀释法DGI颗粒物PM2.5分粒径撞击采样器对采样点的颗粒物采样,收集机组脱硫石膏、除尘器飞灰、脱硫剂石灰粉等固体样品。对颗粒物采用称重法分析烟气中的烟尘质量浓度,并依托清华大学分析中心运用电感耦合等离子-质谱法(ICP-MS)分析样品中 Si、Al、S、Ca、Fe、K、Mg、P、Hg等元素含量,依托北京国家有色金属及电子材料分析测试中心运用SEM-EDS和XRD对样品颗粒形貌、成分进行分析,研究脱硫出口颗粒物的主要来源及形貌特征。

图1 颗粒物取样示意Fig.1 Schematic of particulate matter sampling

2 试验结果与分析

2.1 烟尘质量浓度

利用ZR-D09A型低浓度烟尘采样器对不同负荷下WFGD系统进、出口颗粒物采样,将采集样品分别标号,其中1～3号为采样点1处样本,4～6号为采样点2处样本。将样品置于干燥器48 h后称重,通过恒重法分析烟气采样标况体积V对应的颗粒物质量m,通过m/V计算出烟气中总颗粒物的质量浓度,见表3。

表3 不同负荷下WFGD系统进、出口总颗粒物质量浓度Table 3 Particulate matter concentration of import and export for WFGD system under different loads

WFGD系统进口烟气颗粒物平均质量浓度为17.95 mg/Nm3,出口为 4.19 mg/Nm3,脱除效率为76.66%。3组数据在出口处的颗粒物浓度均低于10 mg/Nm3,达到排放标准,因此超净排放机组WFGD系统对烟气总颗粒物具有良好的脱除效果。

2.2 颗粒物分布特性

对烟气总颗粒物样品(TSP)采样,采用非稀释法DGI颗粒物 PM2.5分粒径撞击采样器对 WFGD系统进、出口烟气中 PM2.5、PM1.0、PM0.5、PM0.2及以下细颗粒物分级采样,各采集3组样本,分组称重后,计算各粒径颗粒物平均质量浓度,如图2所示。

图2 WFGD系统进、出口各段细颗粒物质量浓度Fig.2 Mass concentrations of different diameter particles of import and export for WFGD system

WFGD系统进口总颗粒物平均质量浓度为17.95 mg/Nm3,其中 PM2.5及以下的细颗粒物含量较少,占TSP总浓度的10.44%,表明WFGD系统进口主要以大颗粒物为主,且细颗粒物随着粒径变小,其质量浓度占比呈下降趋势。虽然经过WFGD系统脱硫之后的出口烟气TSP质量浓度降至4.19 mg/Nm3,但 PM2.5及以下的细颗粒物在 TSP总浓度占比增至64.68%,表明WFGD系统对大颗粒物具有较好的脱除效果,导致出口烟气中细颗粒物浓度上升,且随着颗粒粒径变小,质量浓度占比呈上升趋势。

2.3 颗粒物形貌特性

通过WFGD系统进、出口烟气总颗粒物TSP在扫描电镜放大5 000倍下观测到的颗粒物形貌特征如图3所示。可以看出:经过WFGD系统前的颗粒物呈不规则球形、链状分布,分散排列,部分区域的颗粒物相互堆叠团聚;而出口处的颗粒物相互堆叠团聚的程度更高,形成致密的不规则团聚体呈团簇状结构,团聚体的体积更小。

图3 颗粒物扫描电镜检测Fig.3 Scanning electron microscopy test of particulate matter

2.4 颗粒物元素

通过SEM-EDS分析颗粒物的元素组成,如图4所示。结果表明:通过WFGD系统的烟气颗粒物主要元素未发生明显变化,均为 Si、Al、S、Ca、Fe、Mg、Na、P、Cl、K、Ti。 其中 Si、Al、S、Ca 为主要元素,占90%以上;经过WFGD系统后的颗粒物中Si、Al含量下降,而 S、Ca、Mg 含量增加,Si、Al是飞灰中的主要元素,而S、Ca、Mg是脱硫浆液的主要元素,烟气通过WFGD系统后颗粒物将携带部分脱硫浆液蒸发,导致原颗粒物中元素含量占比下降,表明烟气经过WFGD系统后,烟气颗粒物携带了部分脱硫浆液物质。

2.5 颗粒物的XRD分析

图4 颗粒物能谱EDS元素含量分布Fig.4 Element content distribution of EDS in particles

通过WFGD系统的细颗粒物的XRD分析表明,采集点1主要成分为Al(Al1.272Si0.728O4.864)、SiO2、Ca3(Si3O9)、Al2O3·54SiO2、Ca2Al2SiO7·8H2O、Ca2Al2SiO6(H2O)6,采集点2脱硫后的颗粒物成分增加了 Ca11.3Al14O32.3、CaSO4·2H2O,几种主要成分的衍射图谱如图5所示。通过对比分析石灰石成分(CaCO3、SiO2)和石膏成分(CaSO4·2H2O、SiO2、Al(SiO4)O)发现,通过WFGD系统的细颗粒物中携带了脱硫剂石灰石、脱硫产物石膏,验证了颗粒物元素分析结果。

图5 颗粒物XRD分析Fig.5 Particle XRD analysis

3 结 论

1)经过WFGD系统的烟尘质量浓度由17.95 mg/Nm3降到 4.19 mg/Nm3,脱除效率为76.66%,PM2.5及以下粒径的细颗粒物占TSP总质量浓度比例由10.44%提高到64.68%,表明WFGD系统对烟尘中大颗粒物有较好的脱除效果,导致出口烟气中的细颗粒物含量上升。

2)通过扫描电镜观察到脱硫后的烟气颗粒物形态由链状结构变化为团簇结构,且体积更小。

3)经过WFGD系统的颗粒物元素成分没有发生改变,Ca、Mg、S 含量略有增加,Si、Al含量有所下降,脱硫后细颗粒物成分中增加了 Ca11.3Al14O32.3、CaSO4·2H2O,部分脱硫浆液产物被携带出来。

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