摘要：近年来我国城市环境空气质量不容乐观，尤其是在污染物排放量相对较大的冬季，再加上不利的气象条件，北京等城市频繁被迫发出红色预警。从源排放角度来看，燃煤特别是原煤散烧和中小锅炉的排放为首要污染源。本文就燃煤锅炉烟气中细颗粒物的排放特征和控制现状进行了分析。
关键词：燃煤锅炉烟气；细颗粒物；排放
一、燃煤锅炉细颗粒物的排放形式
燃煤源排放的细颗粒物根据排放形式可分为直接排放的一次可过滤细颗粒物、在烟气温度下以气态的挥发和半挥发形式存在经稀释冷却形成的可凝结颗粒物以及以气态形式（如SO2、NOx和VOC）排出后经过复杂的大气物理化学过程形成的二次细颗粒物。以沉降炉燃烧设备为研究对象，以中粒径煤粉为试验煤粉，分别在1100、1000和900℃3种温度下，研究PM1.0和PM2.5的排放量，结果表明:在1100℃时，PM1.0和PM2.5的排放量均达到最大值，炉内温度高，生成的细颗粒物相对较多，即高温促进细颗粒物的形成。研究表明:炉温较高的电厂煤粉炉产生的细颗粒物中PM0.38占PM2.5粒数浓度的95%以上，占PM2.5质量浓度比例一般不到5%；循环流化床由于炉温较低，PM0.38粒数浓度大幅降低，占PM2.5不足30%，质量浓度不到1%。说明炉温越高，煤中颗粒物的热应力越大，由气化凝结机制生成的细颗粒物越多。同时有研究表明，燃料反应器温度增加，促进更多的SO2气体生成，即导致二次细颗粒物的前驱物生成，烟气中少量SO2在Fe2O3、V2O5等催化剂作用下转化为SO3，SO3的冷凝温度约为75～85℃，并且对烟气酸露点影响很大，当烟气温度低于酸露点温度时，SO3极易冷凝形成硫酸液滴，硫酸液滴与飞灰中的其他碱性物质反应生成硫酸盐细颗粒物。总之，燃煤锅炉对大气中细颗粒物的贡献不仅与煤的灰分有关，还与煤中硫元素、氮元素等一些可挥发的成分以及燃烧温度、烟气湿度有密切关系。针对一次可过滤细颗粒物，静电除尘器和电-袋复合式除尘器等对其具有一定的去除效果，但对于在烟道中呈气态的一次可凝结颗粒物以及后续在环境中生成的二次细颗粒物，目前的除尘方式很难对其进行有效地去除，而这部分颗粒物富集了大量的有毒元素，因此减少一次可凝结颗粒物和二次细颗粒物前驱物的排放应当作为今后的研究目标。
二、我国燃煤锅炉细颗粒物排放的控制现状及除尘器的技术发展
1、控制现状
截至2015年底，全国在用锅炉数量达63.89万台，其中工业燃煤锅炉约50万台，占78.25%。我国工业燃煤锅炉使用的大气污染控制设施尚待改进，通常颗粒物净化方面主要使用旋风除尘器和湿式除尘器，10th及以上的工业锅炉多采用麻石水膜除尘器，部分循环流化床锅炉使用电除尘器和布袋除尘器。我国电厂燃煤锅炉已普遍使用高效静电除尘器，并在其下游安装湿法脱硫装置。目前，我国燃煤锅炉配备的除尘器对烟气中细颗粒物的去除率为布袋除尘器＞静电除尘器＞水膜除尘器＞旋风除尘器。布袋除尘器和静电除尘器对PM2.5的去除率分别为99.6%、96.75%～99.16%。静电除尘器的除尘效率随颗粒物粒径的减小逐渐下降，对亚微米模态颗粒物的去除率不足90%。水膜除尘器和旋风除尘器对PM2.5去除率较低，分别为37.5%～62.5%和10%～65.1%。传统的除尘方式已很难满足锅炉烟气中PM10尤其是PM2.5的污染控制，除尘后烟气中的细颗粒物浓度仍然很高，经过除尘效率相对较高的静电除尘器+湿法脱硫，PM2.5占颗粒物总排放量的64.1%。考虑到空气质量和人体健康，应加快除尘装置的技术开发，为制订合理的排放标准奠定技术基础。
2、技术发展
近年来，我国工业链条锅炉颗粒物控制方式开始逐步采用脱硫除尘一体化，循环硫化床烟气控制方式多为静电除尘+湿法脱硫或电袋复合除尘器+湿法脱硫。
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我国80%以上的燃煤电厂都配备有静电除尘装置，且多在静电除尘器后安装湿法脱硫装置，部分燃煤电厂在湿法脱硫后安装湿电除尘器。静电除尘器对烟气中的飞灰颗粒物去除率一般可达99.7%。但由于1μm左右的颗粒物处于场荷电和扩散荷电混合区，其荷电能力相对较差，不易被捕获，所以PM2.5尤其是粒径为0.1～1μm的细颗粒物大部分会逃逸。为使静电除尘器对烟气中纳米级颗粒物的去除率增加，国内外大部分火电厂在除尘装置前安装低温省煤器，从而大幅降低排烟温度，使烟气中原有的纳米级颗粒物碰并长大和气态可凝结物质凝结长大。根据GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》（燃煤烟尘控制在30mg m3以下）和现有技术，为提高亚微米模态颗粒物的去除率，通过在静电除尘装置前安装细颗粒物碰并凝聚器，与对照组对比发现，除尘器出口的PM10和PM2.5的质量浓度分别降低了56.2%和50.6%。通过建立脉冲荷电直流收尘的复合除尘系统，大幅提高了对亚微米模态颗粒物的脱除效率。通过采用脉冲荷电直流收尘的复合除尘系统，对小于30nm的超细颗粒物去除率由传统直流放电的15%左右提高到80%以上燃煤锅炉产生的颗粒物具有很宽的粒径范围，可从nm级到100μm级，常规的电除尘器对位于爱根核模态（＜0.08μm）颗粒物的去除率较低。美国、澳大利亚率先成功运行了布袋除尘器，并在不同程度上提高了烟气中细颗粒物的去除率。但事实上，布袋除尘器的使用局限性，如糊袋、烧袋、漏袋和腐蚀、磨损，大大缩小了其使用范围，2007年开始逐步使用布袋除尘器。2008年北京奥运会的举办，以及后续GB13223—2011的颁布，单一采用静电除尘器或布袋除尘器有时并不能满足燃煤电厂颗粒物的排放要求，从而促使电袋复合除尘器在国内得以进一步发展。
综上，不同工业过程产生的颗粒物粒径分布情况不同，不同除尘原理的除尘器对各粒径段的颗粒物捕集效率也各不相同，总体表现为经各级除尘装置后细颗粒物占颗粒物总排放量的比例有所增加。研究表明为进一步控制燃烧过程中细颗粒物的产生，可以通过在煤中添加Ca、Fe、K等无机化学添加剂来改变煤的燃烧过程，从而增加液相过程，减少颗粒物生成。
三、燃煤锅炉烟气中PM10、PM2.5管理政策
目前欧盟以及世界各国对环境空气中PM10特别是PM2.5质量浓度排放标准要求越来越严格，固定污染源作为重要的贡献源，细颗粒物的排放限值应受到足够重视。但目前国内尚无固定污染源PM10、PM2.5的标准采样方法以及相关排放限值。GB16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》只针对烟气中总烟尘标准测试方法进行了相关规定。国外虽已推出固定污染源烟气中PM10、PM2.5的推荐测试方法，但尚未设立固定污染源细颗粒物排放限值，并且相关测试方法是用于建立准确的PM10、PM2.5排放源清单，以了解燃煤锅炉排放的颗粒物对大气环境的实际贡献值。2014年我国环境保护部出台了《大气细颗粒物一次源排放清单编制技术指南》和《大气可吸入颗粒物一次源排放清单编制技术指南》，其中针对一次源分类、可吸入颗粒物和细颗粒物的排放因子的计算方法作了相关规定，但固定污染源PM10、PM2.5排放因子相关参数尚未设立标准测试方法。在有关固定污染源细颗粒物排放测试中，多数使用国内外部分科研机构和仪器公司研制的撞击采样器或稀释通道采样系统。
结束语
为降低燃煤锅炉对大气环境中细颗粒物的贡献，颗粒物控制设备建议参考目前部分“近零排放”燃煤电厂采取的后续控制方式，即低温省煤器、高频电源和湿式静电除尘器协同运用。与此同时，应加快高效除尘设备的技术发展。
参考文献
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[3]刘晓宇. 典型固定燃烧源颗粒物排放特征研究[D].北京:中国环境科学研究院， 2007.
论文作者:刘起超
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/7
标签：颗粒物论文; 烟气论文; 燃煤论文; 除尘器论文; 锅炉论文; 污染源论文; 粒径论文; 《基层建设》2017年第29期论文;