利用现有环保设备降低火电厂PM_（2.5）颗粒排放的方法.pdf

甘m姗 I 八 J ． 牡r 1 几 上 ∞Tm I丁 旧 位陂， 口[山由r _ _n k∞ 蚺 曲I L l 亡 ⋯ 利用现有环保设备降低火 电厂 PM 2 ．5颗粒排放的方法 高玮 ， 叶勇健 华东 电力设计 院，上海2 0 0 0 6 3 摘要大 气中的P M2 颗粒对人体健康有长期 的不利影响，越来越 受到 关注。火电厂P M 颗粒排放 占全社会 总量的1 0 ％，减排P M， 十 分必要 。袋式除尘器通过选择合理的烟 气除尘方式，静 电除尘器通过选 用合适的电 源，都可实现对烟 气中P M 捕捉率达到9 0 ％。利用蒸汽相变原理对湿法脱硫工艺流程加以改进可使吸 收塔对 烟 气中P M2 5 颗粒的脱除率达到5 0 ％ 2 上。同时，降低 - NO x 和S O x 的排放也是 火电厂减少P M2 5 颗粒排放的有 效和 必要 措 施 。 关键词火电厂；P M2 5 颗粒；除尘；脱硫 ；脱硝 。 中图分类号 T M6 2 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 9 9 1 3 2 0 1 2 0 2 0 0 2 7 0 5 De c r e a s i n g o f PM 2 ．5 Emi s s i o n f r o m Th e r ma l P o we r P l a n t b y Ex i s t i n g En v i r o n me n t a l Pr o t e c t i o n Fa c i l i t i e s GA 0We i ． Y EY o n g - j i a n E a s t C h i n a E l e c t r i c P o we r D e s i g n I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 6 3 ，C h i n a Ab s t r a c t P M2 5 i n a i r wh i c h i s h a r mf u l t o t h e h e a l t h h a s b e e n d r a wi n g mo r e a t t e n t i o n ． T h e P M2 5 e mi s s i o n f r o m t h e r ma l p o we r p l a n t s c o v e r s a b o u t 1 0 ％ o f t o t a l o u t p u t b y h u ma n a c t i v i t i e s ． I t i s n e c e s s a r y t o d e c r e a s e t h e t h e r ma l p o we r p l a n t e mi s s i o n o f P M2 5 ． T h e b a g fil t e r , wh i c h s h a l l b e p r o p e r l y o p e r a t e d ，a n d t h e ES P , wh i c h s h a l l b e s e l e c t e d wi t h p r o p e r p o we r f a c i l i t i e s ， h a v e h i g h PM2 5 r e mo v a l r a t e u p t o 9 0 ％． T h e s c r u b b e r o f FGD， wh i c h s h a l l b e i mp r o v e d b a s e d o n t h e o ry o f h e t e r o g e n e o u s c o n d e n s a t i o n ，c o u l d r e mo v e mo r e t h a n 5 0 ％ PM2 5 ． Be s i d e s ， me a s u r e me n t s S U C h a s d e c r e a s i n g e mi s s i o n o f NOx a n d S Ox a r e e f f e c t i v e a n d n e c e s s a ry t o r e d uc e P M 2 5 o u t p u t fro m p o we r pl a n t ． K e y wor d s t h e rm a l p o we r p l a n t ， P M2 5 ； d u s t r e mo v a l ； F GD； De NO ． P M， 颗粒是指大气环境 中动力学直径小于 2 ． 5 u 1T I 的细微颗粒物，在大气 中的P M， 颗粒 中 大部分是直径小于 1 ． 0 1． t 1 1 3 的更为细小 的颗粒 。 与较粗的大气颗粒物相 比，P M， 粒径 小，含有 大量 的有毒、有害物质 ，且在大气 中的停留时 间长 、输送距离远 ，因而对人体健康和大气环 境质量 的影响更大 。这种细微颗粒物被人体通 过呼吸吸入后，可在人体呼吸道、肺部 以及血 液中常 时间停留，不能通过咳嗽等方式被人体 排出。有研究表明，颗粒物不仅带来呼吸系统 疾病，还会对心血管系统、免疫系统、生育系 统、神经系统、遗传系统造成影响 。同时，这 收稿日期2 0 1 2 0 2 ． 2 0 作者简介 高玮 1 9 7 0 ． ，女，上海人，高级工程师 ，从事火力发 电厂设计工作 。 2 0 1 2 E g O 4 N第 2 期 ．2 7 种 细微颗粒物还造成大气的能见度下降，容易 形成 “阴霾”天气，给交通运输、城市景观带 来极大的负面影响。 P M， 颗 粒主要是人 为活 动引起 的，比如 汽车的排放、燃煤烟气排放等 。 自然现象如风 沙扬尘形成的一般为直径大于P M 。 颗粒 。据统 计，我国 白1 9 9 0 年 以来大气 中P M， 颗粒的平均 浓度呈不断上升趋势 ，年总排放从 1 9 9 0 年的约 9 1 0 t 上升 U 2 o o 5 年的超过1 ． 2 1 0 t f 图1 。其 中火电厂的排放水平在 1 1 0 t 左右 ，约在总排 放量 的l 0 ％ 图2 * D 图3 1 。图2 表 明，火 电厂的烟 尘排放中大部分是P M 颗粒 ，且P M 颗粒所 占 比例逐年提高，这与近年来火电行业大力推行 高效除尘技术 ，全行业平均除尘效率不断上升 的趋势是相对应的。虽然，火 电行业P M， 的排 放量在所有行业 中排名第三，但是其排放总量 仍不可忽视 。随着 国内对大气中P M， 颗粒 的关 注程度不断上升，相关部 门正在酝酿在空气质 量标准中增 J [ I P M， 指标，火电厂应对P M， 的减 排应有相应措施。 1 9 9 0 1 9 9 3 1 9 9 6 1 9 9 9 2 o 0 2 2 O O 6 Y e a r 图1 1 9 9 0 年2 0 0 5 年我国P M2 颗粒的总排放量 iP 5■_ P № ．5 - { O一 F 1 B●一 8 臼n 骞 I 。 翻1 p 1 0 9 0 1 9 璺 3 1 竹 6 t 9 孽 季 2 0 0 2 2 0 0 S V明 r 图2 1 9 9 0 年2 0 0 5 年我国火电厂P M 颗粒的总排放量 2 8 ． 2 0 1 2 0 4 g第 2 期 0漉-嘲薄 ■翼豫隧意辣 -僚蕙 ∞砖 ■箍痰 疆拳程 -锵性 D蔑胄 l 璧翱质 D熙爿 l 熊爆 _工| II 傅曩 1 9 9 D 1 瞄 ’ 9 9 6 1 9 9 9 抛抛 5 电力能 、 昼 r 图3 1 9 9 0 年2 0 0 5 年 我国各行业P M 颗粒的排放量比较 l P M， 颗粒的形成 P M， 颗粒在大气 中主要 以水溶性离子气溶 胶 的形式存在 ，其中硫酸盐、硝酸盐和氨盐是 其重要的组成部分。比如，硫酸根、硝酸根和 氨根离子通过一些化学反应 如夏季光化学反应 或者S O * D NO 的均相和非均相氧化反应 生成 二次粒子硫酸盐 、硝酸盐和氨 盐。因此，许 多 研究中，以测定上述离子 的质量浓度谱分布来 表征P M， 颗粒污染特征。比如 ，通过对北京市 大气颗粒的测定发现，上述三者总量 占到水溶 性离子的8 5 ％。北京冬季采暖期S O 污染严重， P M 质量浓度冬季最高，晚春 、夏天和早秋最 低 。又如 ，汽车尾气的排放污染物 中含有大量 的氮氧化物 ，在大气中被氧化成硝酸盐 ，是形 成P M， 的重要来源 。据统计，北京市区煤炭燃 烧产生 的P M 颗粒 占2 5 ． 6 ％，汽车尾气产生的 P M， 颗粒 占5 9 ． 7 ，然而北京郊区煤炭燃烧产 生的P M， 颗粒 占4 8 ． 6 ％，汽车尾气产生的P M， 颗粒 仅 占l 8 ． 5 ％ ，见 表 1 。 表1 北京市城区和郊区P M 来源分布 可见 ，P M 颗粒 的来源 可分为两部 分 ， 一 部分是汽车发动机燃烧、煤炭燃烧过程中形 成的微小颗粒，可称为一次P M ． 颗粒 ，另一部 分是大气中的硫酸根 、硝酸根和氨根离子通过 化学反应 生成的微小颗粒，可称为二次P M 颗 粒。两种形式的P M 颗粒在大气 中相互作用 ， 不断进行化学、物理反应 ，使污染物成分变得 十分复杂 。 蛳 矾 栅 珊 麟 僦 帆 ∞ ∞ 筋 ∞ 怡 伯 5 O 一 目一一 一 莒s呈 0 3 0 0 0 0 S 4 3 2 0 一 co 晶 ￡ 甘 蛐l 几 L 2除尘 、脱硫、脱硝系统与降低火 电厂P M， 排放的关系 我 国现役 火 电厂 基本 上都 配备 了除尘 设 备 。我 国火电厂燃煤锅炉烟气除尘技术经历 了 由初级到高级的发展过程 。除尘器的选用 由初 期 的旋风除尘器、多管除尘器 、水膜除尘器到 2 0 世纪8 O 年代起广泛应用的静电除尘器。发展 至 今 ， 国产 静 电除尘器 技术 水平 已达到 国际 先进水平 。2 0 0 0 年 以来 ，随着袋式除尘器滤袋 材料性能 的改善，开始推广采用袋式除尘器和 电袋 除尘器。截至 U 2 0 0 8 年底，我 国燃煤 电厂 1 2 5 MW以上容量机组布袋及 电袋除尘器 已有9 7 台机组投入运行 ，其 中布袋 除尘器6 5 台，机组 总容量1 4 7 5 5 MW ，约占2 0 0 8 年底火 电装机容量 的2 ． 5 ％。 大气粉尘颗粒物中P M 的浓度与P M 。 的浓 度有较强的正相关性。根据北京市的监测数据， 两者的相关系数达No ． 8 5 。可见，通过降低火 电 厂烟尘排放可减少一次P M， 颗粒的排放。 我 国从2 0 0 3 年起新建 电厂基本上 同步配套 烟气脱硫设施 ，同时在现 役火 电厂中大规模实 施烟气脱硫 改造 。截止2 0 1 0 年底 ，火 电厂 已签 订合 同的脱硫技改及新建工程的总容量达6 ． 3 5 7 亿 千瓦 ， 占2 0 1 0 年底火 电装机容量 的9 0 ％， 其 中 已投运 的脱硫 工程容量为4 ． 6 6 4 亿 千瓦 ， 占2 0 1 0 年底火 电装机容量的6 6 ％。其 中，石灰 石 一石膏湿法烟气脱硫系统 占投运容量 的9 0 ％ 以上 。 近年来，火 电新建机组一般 同步配套锅炉 低氮 燃烧装 置及 炉后烟气 脱硝设施 以S CR工 艺 为主1 。截至2 0 1 0 年 ， 己投运 的安装S CR脱 硝 工艺 的机组容量 达到4 1 0 7 k W 以上 。预计 “ 十二五 ”期 问内新增的脱硝装置的火电机组 将至少达到 2 ． 7 1 0 k W。 一 方面 ，火电厂排放 的P M， 一部分来 自于 烟气 中的粉尘 。除尘器 效率的提高能降低P M， 的排放 。湿法烟气脱硫 系统中烟气通过湿法脱 硫塔 的过程中，能通过脱硫浆液对烟气的洗涤 作用 降低烟气 中的含尘量 。工程上一般取脱硫 塔 的除尘效率为5 0 ％。但是 ，通 常情况下脱硫 塔除去的大部分是大颗粒烟尘。 实验表明，烟 尘通过脱硫塔烟尘颗粒 的粒径分布 向小颗粒方 向迁移， P M2 5 和P M 。 的质量比由入 口的0 ． 4 3 4 增 加到 出 口的0 ． 7 6 4 。 另一方面 ，火 电厂排放到大气 中的P M 并 不是完全从烟气粉尘 中产生。相当一部分是火 电厂排放到大气的S O S D NO 在大气中生成的硫 酸根、硝酸根和氨根离子等形成酸性水溶胶 。 最新的火 电厂大气污染物排放标准 GB 1 3 2 2 3 2 0 1 1 规定，NO 排放 限制为1 0 0 2 0 0 mg ／ Nm ， S O ， 排放 限值为5 0 2 0 0 mg ／ Nm ，烟尘的排放 限值 为2 0 3 0 mg ／ Nm。 。因此，由火电厂排放 的S O 和NO 而形成的二次P M 与烟尘中的一 次P M 总量相当。 因此 ，降低 火 电厂排放P M⋯总量 的首要 措施是提高 除尘、脱硫 、脱硝等环保设备的效 率 ，尤其是减少S O 5 D NOx 的排放 。同时，如 何利用现有 的除尘 、脱硫 设备并进行适当的改 进 ，以提高它们对P M 的脱除效率 ，是值得研 究的课题 。 3袋式除尘器运行方式对P M 颗粒 的捕捉效率的影响 袋式除尘器通过滤袋对烟气 中的颗粒物进 行捕捉的方式可类 比于滤网。滤袋织物 的孔径 很小，烟尘经过滤袋时大于滤袋孔径 的烟尘颗 粒无法通过滤袋，而被滤袋捕捉 。同时滤袋上 附着的烟尘颗粒也起到滤 网的作用 ，实现一次 尘捕捉二次尘 。附着在滤袋上的烟尘颗粒更为 紧密 ，微观上这些紧密排列的烟尘阻挡和干扰 了细小颗粒 在滤袋 中的布 朗运动，使得大量的 细小颗粒被滤袋 阻挡 。因此袋式除尘器烟尘排 放量很低 ，一般小于5 0 mg ／ Nm。 ，绝大 部分 的 P M， 可以被袋式除尘器捕捉。 袋式 除尘器对 小颗 粒灰 尘的捕捉 能力 与 其运行方式有很大关系 。通过一次尘捕捉二次 尘对于小颗粒 的收尘作用更为明显 。当滤袋附 着较多的烟尘颗粒时，袋式除尘器对小颗粒的 收尘效果明显提高 。袋 式除尘器正常工作时， 0 ． 1 la m～0 ． 5 ta i n 的颗粒收尘效率略低于9 0 ％， 0 ． 5 m～1 ． 5 u m的颗粒收尘效率大于9 0 ％ 图4 ， 而当过度清灰后，对P M 颗粒的收尘效率则降 低到3 0 ％以下 。因此 ，对于袋式除尘器提高烟 气中P M， 脱除的效率，合理的清灰方式和频率 是其中的关键因素。 2 0 1 2 0 4 ,g第 2 期 ．2 9 姗- 嘲嘲 发 电设计 利用现有环保设备降低火电厂P M 颗粒排放的方法 图4袋式除尘器除尘效率与颗粒粒径的关系 4提高静电除尘器去除P M 颗粒效 率的方法 静 电除尘器对 颗粒 的捕捉 ，无论其 粒径 大小 ，都是通过使颗粒荷 电后被 电极吸附的方 式。通常认 为，静电除尘器对于大颗粒烟尘的 捕捉 能力 强，而对于P M 颗粒 的除尘效率较 低。但是，实验证明，通过变化静 电除尘器的 荷 电形式可大 大提高静 电除尘器 对P M 的捕 捉能力 。采用低能耗 的高压窄脉冲放电对粉尘 颗粒物预荷 电，可大大增加了亚微米级颗粒的 荷 电量 ，结合传统的直流静 电除尘 ，将提高静 电除尘器对亚微米级颗粒 的脱除效率 。对小于 1 la m颗粒的脱 除效率可达9 0 ％，图5 表示 了不 同种类的电源对微小颗粒的捕捉率的影响。 除 尘 效 窒 粉 尘 粒径t a n 图5静电除尘器除尘效率与电源的关系 S提高湿法脱硫去除P M， 效率的方法 湿法脱硫吸收塔能够脱除烟气中的部分颗 粒 ，吸收塔对烟气颗粒的去除率与烟气颗粒 的 大小和质量有较大关系。吸收塔对于P M 颗粒 的去除效率低，但是对于P M ～P M 的颗粒 ，除 尘效率可达5 0 ％～8 0 ％。因此，通过增加P M 3 0 ． 2 0 1 2 0 4 g第 2 期 颗粒的尺寸和质量 的方法 ，可使得难 以被捕捉 的P M， 颗粒变成易于捕捉的大颗粒。 利用蒸汽相变原理可促进P M， 颗粒增大。 蒸汽相变是指在过饱和蒸汽环境中，水蒸气 以 微小颗粒为凝结核 ，并发生相变，形成粒径较 大 的含尘 液滴 ，并 同时产 生扩 散泳和 热泳效 应 ，促使含尘液滴迁移运动 ，相互碰撞接触并 长大。长大后的液滴可通过惯性碰撞机理加以 捕捉。因此 ，如果在吸收塔 内实现过饱和蒸汽 环境，则可以P M 颗粒为凝结核 ，并使水蒸汽 发生相变，使P M， 颗粒直径长大，质量增加。 实验结果表 明，在过饱和水蒸汽状态下 ，当可 凝结水汽质量浓度为1 O 2 0 g ／ m 、P M， 颗粒的 数量为5 1 0 个／ c m 时， P M， 颗粒可在 l O O ms 内 快速长大到P M ～ P M 。对湿法脱硫工艺稍作 改进，即可实现在吸收塔 内过饱和环境下 ，提 高对P M， 颗粒的脱除效率。 吸收塔 内的烟气含湿量与吸收塔入 口烟气 参数和塔内烟气与浆液的接触程度相关 。通过 计算机数值模拟，图6 表示 了不同的塔进 口烟气 参数条件下 ，沿塔高度方 向上 ，直至塔 出口的 各位置的烟气参数。我们发现 ，烟气 的湿度随 着烟气 向塔 出口方 向而增加。相 同条件下 ，塔 进 口烟气温度越低 ，塔 出口的烟气湿度越大 ； 塔进 口烟气湿度越大，塔 出口烟气湿度越大。 曲线 1 的进 口烟气参数条件下，吸收塔 内直至出 口烟气均处在未饱和区。曲线2 的进 口烟气参数 条件下，烟气在接近塔出 口出达到了饱和 。曲 线3 、4 、5 的进 口烟气参数条件下 ，烟气在塔的 中、下部即达到了饱和状态。 烟气含湿量 图6吸收塔各种进口烟气参数条件下， 塔内烟气参数塔高沿变化曲线 图6 中各 曲线进 口烟气参数见表1 。 I | m删几 L 发 电设计 利用现有环保设备降低火电厂P M 颗粒排放的方法 衄 Ⅱ 噼嘲蛐 表1图6 中各曲线进口烟气参数 曲线1 9 0 8 曲线 2 8 0 2 0 曲线3 8 0 3 0 曲线4 8 0 4 0 曲线 5 9 0 5 0 图6中 曲线 1 反 映 了 吸 收 塔 常 见 的烟 气 条 件 ， 即在 吸收塔 出 口的烟 气处在 接近饱 和 状 态 ，烟 气 的温 度 为4 5℃～ 5 0℃ ，湿 度 为 9 0 ％9 5 ％。这种状态 与饱和状态 的差距非常 小。图7 反映了两种接近饱和状态点a 和a 绝对 湿度分别为9 0 ％ H 9 5 ％ ，通过降低温度 1 ～2 ℃ 可达到饱和状态点b 和b ， ；或者增加烟气 的含湿 量 ，向l k g 干烟气 中加入0 ． 0 1 ～O ． 0 2 k g 水蒸汽 ， 也可达到饱和点c ． 和c ， 。 含 湿 量 k g 口烟气温度 降低2 ～3 ℃，实现烟气处于过饱和 状态。或者在吸收塔 中段喷入适当饱和蒸汽， 每k g 干烟气喷入0 ． 2 k g 饱和蒸汽，使得烟气达到 过饱和状态 。 以上方法实施简单，对现有湿法脱硫系统 稍作改进即能实现 ，使得吸收塔对P M， 颗粒的 脱除率达到5 0 ％以上。 6小结 减少火电厂P M， 排放应首先降低火电厂烟 尘、S O 和N 0 的排放。通过降低火电厂烟尘颗 粒总量的排放即直接减少火 电厂一次P M， 的排 放。通过降低火 电厂S O S W NO 的排放，减少以 硫酸根、硝酸根等转化为水溶性P M， 颗粒的数 量，降低火 电厂二次P M， 的排放 。 同时，火 电厂减排P M， 颗粒可 以通过对现 有的除尘、脱硫等环保设备加 以改进 的手段得 以实现 。通过适 当的袋式除尘器运行方式，改 进静 电除尘器的电源 ，以及利用蒸汽相变原理 对湿法脱硫工艺流程加 以改进提高这些设备对 烟气中P M 颗粒的脱除能力。 参考文献 [ 1 ]He K e b i n ， L e i Y u ． An t h r o p o g e n i c E mi s s i o n s o f P M 图7吸收塔出口烟气参数与饱和烟气参数的关系 [ 2 ] 通过对塔 内烟气参数 的分析，我们可以找 到2 种途径使得 吸收塔 内烟气达 到饱和状态 。 方法一 ，塔入 口调节 增加吸收塔进 口的烟气 含湿 量 。使得脱硫塔进 口的烟 气参数为 图6 中 的2 ，3 ，4 ，5 点。在脱硫塔与 引风 机f 或增压 风机 间的烟 道上设置烟气湿 度调节 段 。在烟 气湿度调节段中喷入粒径为2 0 m～ 3 0 la I n 的 微粒水雾 ，利用烟气热量使得水汽化 ，烟气湿 度增加 到3 O ％～4 0 ％。温度较 高的烟气在脱硫 塔 内与 低温 的循环 浆液 逆 向接 触 ，烟气被 冷 却 ，在吸收塔 的上部达到过饱和状态 。过饱和 水汽 以P M 为凝 结核发生相变 ，使得P M， 颗 粒增大 ，被浆液、除雾器捕获 。方法二 ，塔 内 调节适 当提高液汽 比，使得吸收塔喷淋层进 a n d I t s Ke y Ch e mi c a l Co mp o n e n t s i n C h i n a Hi s t o r i c a l T r e n d s a n d F u t u r e P r o j e c t i o n[ R 】 Ch a n Y C， S i mp s o n R W ， M c t a i n s h G H， Vo wl e s P D ， e t c ．Ch a r a c t e r i z a t o n o f c h e m i c a l s p e c i e s i n P M2 ． 5 a n d P M1 0 a e r o s o l s i n B r i s b a n e ， A u s t r a l i a[ J ] ． A t mo s p h e ri c E n v i r o n me n t ， 1 9 9 7 ， 3 1 ． Ya o X i a o ho n g， Ch a n Ch a k K ， Fa ng M i n g， e t c ． T h e wa t e r s o l u b l e i o n i c c o mp o s i t i o n o f P M 2 ． 5 i n S h a n g h a i a n d B e i j i n g ， Ch i n a [ J ] ． At mo s p h e r i c E n v i r o n me n t ， 2 0 0 2 ， 3 6 ． He Ke b i n， Ya n g Fu m o， M a Yo ng l i a ng， e t c ． T h e c h a r a c t e r i s t i c o f P M2 ． 5 i n B e i j i n g ， C h i n a [ J 1 ． A t mo s p h e r i c E n v i r o n me n t ， 2 0 0 1 ， f 3 5 ． 王玮 ，等 ． 中国P M2 ． 5 污 染状 况和污 染特 性研 究 [ J ] ．环境科学研究 ， 2 0 0 0 ， 1 3 ． 胡敏，等．北京冬、夏季颗粒物及其离子成分质量 浓度谱分布[ J ] ．环境科学，2 0 0 5 ，2 6 ， 4 ． 郝吉明，等．大气污染控制工程【 M] ．北京高等 教育出版社，1 9 8 9 ． 王鹏，等．复合式静电除尘器脱除电厂排放P M2 ． 5 研究[ J ] ．环境科学学报，2 0 0 7 ， 1 1 ． 2 0 1 2 5 0 4 ,E J 第 2 期 ．3 1