煤粉锅炉烟气中细颗粒物排放特征与控制综述

高原 王振平 闫立仓 白世刚 沈小瑞

(陕西煤业新型能源科技股份有限公司神木分公司，陕西 榆林 719300)

0 引言

随着我国工业化的迅速推进，重工业污染的环境问题逐渐受到人们的普遍关注，特别是以细颗粒物引起的雾霾和光化学污染的大气环境问题日渐凸显。细颗粒物是指能够稳定地悬浮于空气中，直径等于或小于2.5μm的颗粒物，通常采用PM2.5和PM1.0表示。细颗粒物吸入过量会引发肺部炎症以及肺部纤维化，甚至损坏遗传物质，导致器官癌症病变等。我国气象数据表明，2013年以来，各大城市雾霾天数陡增，因此，降低大气中细颗粒物是各大城市亟需解决的热点问题。

我国大气中细颗粒物主要来源于燃煤锅炉发电与供热、机动车尾气排放、混凝材料制备与使用行业等，其中燃煤锅炉烟气中细颗粒物的贡献率最高，贡献比约占总数的15.5%。尽管近些年针对《锅炉大气污染物排放标准》，燃煤锅炉企业采取了比较严格的细颗粒物排放措施，其细颗粒物的贡献率仍然占据各行业的首位。对燃煤锅炉烟气中细颗粒物特征的研究与控制是分析环境影响的基础，如何降低大气中的细颗粒物含量需要大量的研究工作。

针对煤粉锅炉烟气中细颗粒物控制的实际需要，对现有文献进行总结，综述了细颗粒物的测试方法、成分特征与形貌特征以及控制方法等，为可凝结性细颗粒物的去除提供参考。

1 细颗粒物的测试方法

对细颗粒物的浓度测试包括质量浓度和粒数浓度，粒数基排放因子的变化与细颗粒物的浓度变化一致，而与质量浓度的相关性较小[1]。细颗粒物粒数浓度的准确性与锅炉烟气的取样位置和测试方法有关。陆炳等的研究结果表明，在除尘器下载灰所测量的烟尘特征成分不能真实反映锅炉烟气中细颗粒物的成分，认为稀释烟道采样能够有效获得细颗粒物的成分谱[2]。测定凝结性细颗粒物的方法主要有稀释冷凝法和冲击能凝法，稀释冷凝法是将采集的烟气与干净空气混合，使气态细颗粒物冷凝成固态颗粒物后，通过滤膜进行捕集。冲击冷凝法采集冲击冷凝瓶和滤膜对细颗粒物进行收集[3]。冯小琼等[4]也采用荷电低压颗粒物撞击器(ELPI+)和烟枪系统测量了燃煤锅炉烟气中细颗粒物的粒径分布和浓度。而工程实际中，锅炉烟气颗粒物的在线检测数据均低于实验室测试方法得到的颗粒物的浓度，主要是由于烟气中的SO2和可溶物溶解在蒸汽雾滴里时，造成了可溶性颗粒物的监测逃逸[1]。

2 细颗粒物的排放特征

燃煤锅炉烟气中细颗粒物排放是我国大气中的PM2.5和PM1.0的主要来源，为了达到有效控制燃煤锅炉中细颗粒物的排放的目的，需要对其成分特征和形态特征进行系统的研究。

现有文献中的研究结果表明，燃煤锅炉细颗粒物除TC和OC外，主要由游离金属颗粒物和水溶性颗粒物组成，两者均具可凝结性。游离金属颗粒物种类与煤种的选取有关，源于煤粉的飞灰中，即元素通过气化-凝结形成了游离金属颗粒物，通过痕量元素分析，结果显示，金属凝结颗粒物主要为As、Se、Cd、Sb、Hg、Zn和Ni等[5]。燃煤锅炉湿法脱硫包含单碱法脱硫和双碱法脱硫，胡月琪等[7]研究结果表明，采用MgO或NaOH脱硫时，Mg2+和Na+是其特征离子，采用碳酸氢铵脱硫剂脱硫时，NH4+和NO3-是其排放的特征离子。石灰与碳酸钠双碱法进行脱硫时，Na+与Ca2+同时作为烟气特征离子。也有关报道称，2013年之后燃煤锅炉湿法脱硫取消了烟气换热系统(GGH)后，导致了脱硫塔入口烟气温度增加至120～160℃，烟羽携带的水溶性离子增加以及烟囱高度降低，进而引发大气中细颗粒物(PM1.0)粒数暴增[1]。由于工业生产中水蒸气的排放未受限制，锅炉烟气中的水溶性离子(NH4+、NO3-、Cl-、SO42-等)通过吸湿、凝结长大成湿态水溶性离子颗粒物，或者以气溶胶的方式悬浮于大气中[8-10]。燃烧方式的不同会影响细颗粒物的形状，煤粉燃烧产生的颗粒物往往呈现粗糙的非球形表面特征[5-6]。

3 SCR脱硝对细颗粒物排放特征的影响

近年来，锅炉供热行业普遍采用选择性催化还原(SCR)技术用于锅炉烟气脱硫。SCR脱硝技术是指在催化剂(如V2O5/TiO2)作用下，还原剂NH3在290～400℃下将烟气中的NO和NO2还原成N2，而催化剂的使用可大大提高还原反应速率。SCR脱硝系统通常安装在空预器与省煤器之间，因而，其所处理的烟气中存在大量的碱性燃煤灰分。碱性燃煤灰分可能会与SO3等酸性气体反应生成硫酸盐，低温凝结成水溶性细颗粒物，该细颗粒物可能对锅炉设备造成腐蚀。而杨林军等[12]对SCR脱硝烟气中的细颗粒物排放特征进行了综述，认为SCR脱硝系统的使用导致烟气中PM2.5的粒数浓度增多，其中PM2.5主要贡献者是硫酸(氢)铵盐，其次是硫酸盐。并且SCR脱硝过程中催化剂的使用会对影响烟气中细颗粒物的理化性质，进而导致烟气脱硫与除尘系统中细颗粒物的排放特征，甚至堵塞空预器等设备。因而，建立SCR脱硝系统与细颗粒物理化性质的变化机制是非常有必要的。张玉华等通过现场测试脱硝系统氨的使用量对烟气中PM2.5的贡献率，解果表明，烟气中PM2.5浓度随SCR系统中喷氨量的增加而增加，当喷氨量仅为额定值的20%时，可明显观察到PM2.5浓度的增加；甚至当喷氨量为额定值的80%时，烟气中PM2.5的浓度可增加为原来的1倍左右[12]。综上所述，SCR脱硝技术的使用会引起细颗粒物的排放特征发生明显变化，这在一定程度上可能抵消NOX减排带来的有益效果。

4 细颗粒物的控制

对颗粒物的在线监测仅适用于干法烟气净化技术，湿法脱硫以及现有的氨法脱硝技术可能会造成凝结性细颗粒物的逃逸，而且改进燃煤锅炉烟气中细颗粒物的监测方式，能够有效监测细颗粒物的逃逸量也是亟待解决的重要问题。近年来，吸附材料干法脱硫技术受到研究者们的普遍关注，其原理是促进材料表面的吸附性或者利用粗颗粒物表面的吸附性减少颗粒物的排放，或者通过吸附来干预凝结性细颗粒的生成。也可利用无机颗粒物的抑制与成长原理，抑制细颗粒物的形成或者是细颗粒物在排出烟道前吸湿生长或凝结成粗颗粒，通过电除尘捕集颗粒物。采用低低温省煤器技术吸收烟气热量，可促使烟道中的可凝结性颗粒物冷凝为固体颗粒物，从而通过降尘出去[13]。有研究表明，电除尘与布袋除尘联合使用对细颗粒物的捕集明显，多种除尘器共同除尘优于单一除尘器对细颗粒物的去除效率。煤种与锅炉的匹配性、脱硫脱硝装置的运行效率、锅炉运行效率的提高也可有效降低烟气中细颗粒物的排放[13]。现今，还未形成系统的细颗粒物排放控制技术，而利用多种控制技术耦合来降低细颗粒物的排放是学者们研究热点。

5 结语

NH4+、NO3-、Cl-、SO42-等凝结性离子可溶解于蒸汽水雾中，使得细颗粒物的在线监测数据低于实际值。采用稀释冷凝法和冲击能凝法可准确反映其粒数浓度，但仅停留于实验室阶段，借鉴两者共有的冷凝原理，提倡采用低低温省煤器技术与除尘净化设备联用来降低凝结性颗粒物的数量。也可通过胶凝材料、活性炭等干法吸附技术或者利用凝结性细颗粒物的吸湿成长原理来降低燃煤锅炉烟气中细颗粒物的排放。