燃煤电厂烟气多污染物深度测试研究

虞上长，白亮，李文华，吴金

(1.浙江浙能温州发电有限公司，浙江 乐清 325602；2.昊姆(上海)节能科技有限公司，上海 201108；3.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800)

2016年我国煤炭消费3.78×109t，约占世界煤炭消费总量的50%。我国煤炭消费中用于发电的比例占49%。2017年，我国发电装机容量共计1 777.03 GW，其中火电装机1 106.04 GW，火电装机约占总装机容量的62%[1]，燃煤电厂等工业排放的颗粒物等污染物是造成雾霾天气的重要原因之一。迫于严峻的环境形势，GB 13221—2011《燃煤电厂大气污染物排放标准》将我国燃煤电厂烟尘排放质量浓度(以下简称“浓度”)的最低限值降低至30 mg/m3，重点地区为20 mg/m3。2013年12月至2014年8月，浙江省、山西省、广州市出台了更为严格的政策，要求烟尘排放限值5 mg/m3。2014年9月至2015年12月，国家全面实施超低排放，要求烟尘排放限值10 mg/m3。截至2018年12月，河北、上海、河南、浙江和山东5个省市出台或将出台超低排放地方强制性标准，要求燃煤电厂、钢厂等均实施超低排放限值。

随着燃煤电厂、钢厂等工业烟气超低排放实施[2-9]，国内对燃煤电厂烟气污染物的深度脱除乃至趋零排放及非常规污染物(如SO3、Hg等)也开始重视。2015年，在燃煤电厂超低排放实施之初，中国环境保护产业协会电除尘委员会就组织出版了《燃煤电厂烟气超低排放技术》，对燃煤电厂烟气超低排放技术进行了系统性的阐述[2]。郦建国[3]、孙雪丽[4]等系统性地阐述了燃煤电厂颗粒物超低排放技术路线选择原则，并分析了中国火电大气污染防治现状及挑战，燃煤电厂大气污染防治技术处于国际领先水平，烟尘、SO2、NOx三大常规污染物排放浓度实现了燃煤发电与燃气发电基本同等清洁，但中国火电环保在CO2控制、常规大气污染物进一步减排、湿法脱硫(wet flue gas desulphurisation，WFGD)对生态环境的影响、危险废弃物脱硝催化剂的处置、非常规污染物的控制、烟气治理设施的运行优化等方面仍然面临诸多挑战，为超低排放的顺利实施及向其他行业拓展提供了借鉴。郭滢等[5]通过数值模拟的手段，研究了电凝聚器与电除尘器(electrostatic precipitator，ESP)耦合使用时对流场的影响，保证了ESP对细颗粒物(PM2.5)及总尘的脱除效果。李德波等[6]基于300～1 050 MW煤粉锅炉及300 MW循环流化床锅炉的工程案例，分析了火电厂超低排放技术路线关键技术与工程应用，理论密切联系工程实践，验证了超低排放优化技术路线的可行性。王树民等[7]分析了三河电厂实现“近零排放”的关键技术，包括采用低低温ESP以提高PM2.5的除尘效率、利用脱硫除尘一体化技术提高脱硫系统的协同除尘性能、通过湿式静电除尘器实现PM2.5的深度控制等，为燃煤电厂实现极低污染物排放提供借鉴。张军等[8]针对某1 000 MW燃煤机组超低排放电厂烟气污染物排放测试及其特性分析，对关键常规污染物、非常规污染物的脱除效率进行实测，并分析得到其排放特征及排放绩效。闫克平等[9]等综述了近年来国内外电除尘技术发展与应用情况，并对未来电除尘技术的发展方向进行了展望；文章基于某600 MW机组，机组配套低氮燃烧器、选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)脱硝装置、烟气冷却器、低低温ESP、石灰石-石膏WFGD装置、湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP)和烟气再热器，对不同设备出口及总排口开展烟气常规污染物(颗粒物、SO2、NOx)及非常规污染物(SO3、Hg)的深度测试研究，分析烟气各污染物的协同控制效果及排放特性。刘含笑等[10]通过现场实测和文献调研相结合的方式，对目前燃煤电厂SO3排放特征进行较全面的表征，排放浓度为0.3～22.7 mg/m3，按10 mg/m3和5 mg/m3排放限值考核，达标率分别为89.8%、66.7%，对现有除尘、脱硫设备及新技术的SO3脱除能力进行定量分析。蔡天忠等[11]对中国燃煤电厂烟气Hg控制需求进行了分析，并阐述了国内外燃煤电厂烟气Hg控制技术现状和烟气中Hg的采样及测定方法，为燃煤电厂烟气中Hg治理提供借鉴。

本文对某600 MW机组不同设备出口及总排口开展烟气常规污染物(颗粒物、SO2、NOx)及非常规污染物(SO3、Hg)进行深度测试研究，旨在分析烟气各污染物的协同控制效果及排放特性。

1 研究方法

各烟气污染物的测点位置如图1所示，共布置7个测点。各测点的测试项目及使用仪器见表1。对于各测点的矩形烟道，将烟道断面分成若干个等面积小矩形，使小矩形相邻两边之比接近于1。每个小矩形的中心都作为采样点，如图2所示，采样点数目的计算方法符合GB/T 13931—2017《电除尘器 性能测试方法》的相关规定。

对于颗粒物测定，符合GB/T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》、GB 13931—2017等国内标准及ISO 12141—2002《Stationary source emissions — Determination of mass concentration of particulate matter (dust) at low concentrations — Manual gravimetric method》标准测试要求，测试过程开展空白试验[12]；对于高浓度烟尘环境(测点3)，采用国产滤筒采样；对于低浓度烟尘环境(测点4—6)，采用一体化采样头(配滤膜)。采样前后，均需对滤筒(膜)作恒重和称重，用电子天平(精度0.01 mg)进行称重。

图1 电厂烟气协同治理技术路线测点位置Fig.1 Measurement points of technical route for gas cooperative management in power plant

表1 各测点的测试项目及使用仪器Tab.1 Test items and instruments at each test point

图2 采样点布置Fig.2 Sampling point layout

对于SO2、NOx测定，采用Testo 350型烟气分析仪，仅在总排口进行测定，测试方法符合HJ 629—2011《固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法》、HJ/T 76—2007《固定污染源排放烟气连续监测系统技术要求及检测方法》等标准的规定。

对于PM2.5测定，采用DEKATI公司研制的重量法测试仪器PM-10，通过惯性分离原理，将颗粒物分为PM10、PM2.5、PM1三个等级[13]，测定方法参照ISO 23210—2009《Stationary source emissions — Determination of PM10/PM2,5 mass concentration in flue gas — Measurement at low concentrations by use of impactors》的相关规定。ESP出口采用电子低压撞击器(electrical low pressure impactor，ELPI)测定颗粒物的粒径分布。

对于SO3测定，采用控制冷凝法进行采样，借鉴低浓度测试方法[7]，采样后数据采用Hach DR5000分光光度计进行硫酸根离子分析。测定方法参照GBT 21508—2008《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》、DL/T 998—2006《石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置性能验收试验规范》等相关规定。

烟气中Hg分为元素Hg、Hg2+和颗粒Hg[14-20]，暂不测定颗粒Hg，对于烟气中的元素Hg和Hg2+测定，采用lumex RA-915M型测汞仪进行分析，测试方法参照EPA Method 30B《Determination of total vapor phase mercury emissions from coal-fired combustion sources using carbon sorbent traps》的相关规定。

2 测试工况条件

试验期间为85%额定负荷，且机组负荷稳定(变化范围±5%)，煤质稳定，试验期间煤质分析数据见表2。机组锅炉为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣，煤粉燃烧器为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器。

表2 试验期间煤质分析(质量分数)Tab.2 Analysis of coal quality during the test

3 测试结果及分析

3.1 烟气各污染物排放数据

经测试，烟气中颗粒物、SO2、NOx、PM2.5、SO3、Hg的排放浓度分别为1.5 mg/m3、15.4 mg/m3、28.3 mg/m3、0.93 mg/m3、0.2 mg/m3、7.2 μg/m3，颗粒物、SO2、NOx排放满足燃煤电厂烟气超低排放要求，Hg排放满足GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求。

该机组SO2、NOx的排放绩效分别为0.033 4 g/kWh、0.097 2 g/kWh，与美国电厂的排放绩效平均水平对比如图3所示。可以看出，该机组SO2、NOx的排放绩效均远低于美国电厂平均水平[21])。

图3 污染物排放绩效对比Fig.3 Contrast of achievement effect of pollutant emission

3.2 颗粒物各级脱除效率测定

烟气冷却器将ESP入口烟气温度降低至约90 ℃，分别测定低低温ESP进出口、WFGD出口及WESP出口颗粒物浓度，测定结果如图4所示。低低温ESP入口颗粒物浓度为10.5 g/m3，低低温ESP出口、WFGD出口及WESP出口颗粒物浓度分别为12.8 mg/m3、6.5 mg/m3、1.5 mg/m3，低低温ESP、WFGD、WESP对颗粒物的脱除效率分别为99.88%、49.2%、76.9%。关闭烟气冷却器后ESP入口烟气温度约为130 ℃，此时ESP、WFGD、WESP对颗粒物的脱除效率分别为99.51%、32.1%、81.5%，脱除效率对比如图5所示。烟气冷却器投运后，ESP、WFGD对颗粒物的脱除效果均有明显提升，主要是因为烟气冷却器投运后，ESP入口飞灰工况比电阻降低(如图6所示)，ESP出口颗粒物的平均粒径增加(如图7所示)。另外，烟气温度降低后烟气量减少、击穿电压升高、粉尘性质改善等也会大幅提高ESP的除尘效率[22]。

3.3 PM2.5各级脱除效率测定

分别测定低低温ESP进出口、WFGD出口及WESP出口PM2.5浓度，测定结果如图8所示。低低温ESP入口PM2.5浓度为504 mg/m3，低低温ESP出口、WFGD出口及WESP出口PM2.5浓度分别为6.8 mg/m3、3.8 mg/m3、0.93 mg/m3，低低温ESP、WFGD、WESP对PM2.5的脱除效率分别为98.65%、44.1%、75.5%，如图9所示。WFGD对PM2.5的捕集主要依靠喷淋浆液滴的惯性捕集，浆液滴在脱硫塔内下落过程中表面会包裹一层气膜，对于跟随性较好(斯托克斯数较小)的小粒径颗粒而言，其与浆液滴的碰撞几率并不高，因此WFGD对PM2.5的脱除效率仅为44.1%。对于WESP而言，一方面会有喷淋液滴对细颗粒的惯性捕集，同时湿电场强化了PM2.5的荷电特性，电除尘性能大幅提高，且相关文献表明，在湿电场中存在明显的PM2.5团聚现象[23-24]，因此WESP对PM2.5具有较好的脱除效果。

图4 颗粒物浓度(烟气冷却器开启)Fig.4 Particle concentration (FGC on)

图5 颗粒物脱除效率Fig.5 Particle removal efficiency

图6 不同温度时飞灰工况比电阻Fig.6 Ash condition resistivity at different temperature

图7 不同温度时ESP出口平均粒径Fig.7 Average particle size at outlet of ESP at different temperature

图8 PM2.5浓度Fig.8 PM2.5 concentration

图9 PM2.5脱除效率Fig.9 Removal efficiency of PM2.5

3.4 SO3各级脱除效率测定

燃煤烟气中SO3来源主要有两种：一种是在炉膛燃烧过程中，煤中的硫分氧化形成，另一种是在SCR脱硝过程中，催化剂将部分SO2氧化成了SO3。分别测定SCR脱硝进出口、低低温ESP进出口、WFGD出口及WESP出口SO3浓度，测定结果如图10所示，SCR脱硝入口SO3浓度为9.6 mg/m3，SCR脱硝出口、烟气冷却器出口、低低温ESP出口、WFGD出口及WESP出口SO3浓度分别为14.8 mg/m3、1.5 mg/m3、1.3 mg/m3、1.0 mg/m3、0.2 mg/m3。低低温ESP系统(烟气冷却器+低低温ESP)、WFGD、WESP对SO3的脱除效率分别为91.2%、23.1%、80.0%，如图11所示。关闭烟气冷却器，此时ESP入口烟气温度约为130 ℃，SO3主要以气态形式存在，低低温ESP系统对其脱除效率较低，经测试仅为19.8%。低低温状态下，SO3以酸雾形式存在，会被粉尘吸附(碱金属中和)后被后级除尘设备高效脱除[25]。

图10 SO3浓度Fig.10 SO3 concentration

图11 SO3脱除效率Fig.11 Removal efficiency of SO3

3.5 Hg各级脱除效率测定

燃煤烟气各污染物脱除设备均具有一定的协同脱汞能力。分别测定SCR脱硝进出口、低低温ESP出口、WFGD出口及WESP出口元素Hg、Hg2+浓度，测定结果如图12所示。SCR脱硝入口元素Hg、Hg2+浓度分别为11.5 mg/m3、2.1 mg/m3，SCR脱硝出口元素Hg、Hg2+浓度分别为7.2 mg/m3、5.9 mg/m3，SCR虽然对Hg没有直接脱除能力，但可实现元素Hg向Hg2+的转化[26-28]，转化率约为37.4%。烟气冷却器、低低温ESP、WFGD及WESP对元素Hg均没有明显脱除效果，WFGD、WESP对Hg2+的脱除效率分别为83.1%、77.8%。值得注意的是，GB 13221—2011要求的气态总Hg排放限值为30 μg/m3，是非常宽松的要求，而美国的排放限值为1.5 μg/m3。目前中国超低排放指标中颗粒物、SO2、NOx指标均优于美国，唯有Hg的排放指标相对宽松，届时极有可能对Hg提出更严苛的排放要求，如对标美国Hg排放限值，该机组还需要额外增设烟气脱Hg装置。

图12 Hg浓度Fig.12 Hg concentration

4 结论

本文针对某600 MW机组，对不同设备出口及总排口开展烟气常规污染物(颗粒物、SO2、NOx)及非常规污染物(SO3、Hg)进行深度测试研究，得出以下结论：

a)试验条件下，颗粒物、SO2、NOx排放浓度分别为1.5 mg/m3、15.4 mg/m3、28.3 mg/m3，满足超低排放要求，Hg排放浓度为7.2 μg/m3，满足国家标准要求。

b)低低温ESP、WFGD、WESP对颗粒物的脱除效率分别为99.88%、49.2%、76.9%，满足设计要求。

c)低低温ESP、WFGD、WESP对PM2.5均有明显的脱除效果，脱除效率分别为98.65%、44.1%、75.5%。

d)烟气中的SO3在低低温ESP系统中绝大多数被脱除，脱除效率达91.2%，WFGD、WESP进一步脱除残余的SO3，脱除效率分别为23.1%、80.0%。

e)SCR脱硝可实现元素Hg向Hg2+的转化，转化率约为37.4%；WFGD、WESP对Hg2+的脱除效率分别为83.1%、77.8%。

f)低低温ESP除了具有较高的除尘效率外，还兼具90%以上的SO3脱除效果；WFGD具有将近50%的协同除尘效果；WESP对颗粒物、PM2.5、SO3、Hg均具有较高的脱除效果。