摘要：针对某1000MW燃煤机组超低排放示范工程,开展污染物现场测试及排放特性分析研究。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。测试结果表明,通过燃煤电站超低排放技术改造可显著降低大气污染物排放水平,各污染物控制单元对常规污染物实现高效控制,非常规污染物通过现有污染物控制单元实现高效协同脱除。以测试的1号机组为例,测试期间,总排放口处烟尘、SO2、NOx平均排放浓度分别为1.1、13.38、31.75mg/m3,Hg及其化合物、PM2.5、液滴及SO3平均排放浓度分别为1.65μg/m3、0.29、6.95、2.92mg/m3。SO2、NOx排放绩效分别为0.0397、0.0942(kW˙h),污染物排放远优于国际平均排放水平。100%负荷条件下,SCR、ESP、WFGD、WESP分别实现SO3的脱除效率为-27.1%、21.8%、76.8%及73.9%,WFGD对Hg的协同脱除效率达到80%。
0引言
近年来，我国雾霾天气频发，大气污染物排放形势日趋严峻[1-5]，2013年我国SO2、NOx及烟尘排放量分别为2043.9、2227.4和1278.1万吨[6]，燃煤电厂是大气污染物的排放大户。自2011年，新版《火电厂大气污染物排放标准》、《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》等多项政策的颁布，明确要求东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(PM<10mg/m3@6%O2，SO2<35mg/m3@6%O2，NOx<50mg/m3@6%O2)[7]，处于长三角重点区域的浙江省最新公布的《浙江省大气污染防治行动计划》中明确规定，2017年底前，所有新建、在建火电机组必须采用烟气清洁排放技术，现有600MW以上火电机组基本完成烟气清洁排放技术改造，达到燃气轮机组排放标准要求。
目前国内外对烟气污染物的深度脱除及协同控制开展了大量的研究[8-16]，污染物的排放控制也不仅仅关注常规污染物[14]，非常规污染物[15-17]也开始重视。欧美日等发达国家部分电厂已实现燃煤烟气主要污染物排放指标达到超低排放指标(PM<10mg/m3，SO2<35mg/m3，NOx<50mg/m3@6%O2)[18]。日本碧南电厂1000MW机组采用分级燃烧技术和新型燃烧器、SCR脱硝、干式静电除尘器(ESP)、湿法烟气脱硫(WFGD)及湿式静电除尘(WESP)实现了烟尘、SO2及NOx排放浓度分别为3mg/m3、30mg/m3及25mg/m3[19-20]。国内一些企业、高校提出的燃煤电厂烟气污染物超低排放的指标及概念，并对不同的技术路线开展探索，在国内也有部分燃煤电厂的单项污染物排放值达到了超低排放限值，但污染物脱除技术的应用研究层次不高，非常规污染物协同控制特性尚无明确定论，因此开展超低排放燃煤电厂污染物排放特性分析及研究十分必要。
本文针对2台1000MW超低排放机组，机组均采用低氮燃烧器、SCR、ESP、WFGD及WESP的工艺路线，对机组常规污染物(烟尘、NOx和SO2)、非常规污染物(PM2.5、SO3、Hg、液滴等)浓度及脱除效率进行测试，并通过现场测试数据分析燃煤电厂超低排放机组不同污染物控制系统对污染物的脱除效果及多种污染物协同控制效果及排放特性。
1研究方法
1.1仪器及方法
本文测试内容及项目所涉及的测试方法及仪器设备见表1。
烟气污染物测试依据固定污染物烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法(附录D)(HJ/T76—2007)、《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157—1996)、燃煤电厂烟气气态总汞的测定-吸附管法作业指导书(ZHJZ/JF115—2013)、《固定污染源废气汞的测定冷原子吸收分光光度法》(暂行)(HJ543——2009)。SO2、NOx采用德图350烟气分析仪，烟尘采用崂应3012H型烟尘采样仪，SO3采用化学吸收法，液滴测试采样采用冷凝法，检测仪器采用微电脑烟尘平行采样仪和S型皮托管、原子吸收分光光度计。
细颗粒物测量采用芬兰Dekati公司的DGI细颗粒物采样仪，该采样仪将烟气中细颗粒物分为四级，切割粒径分别为2.5、1、0.5和0.2μm，现场实际测量时，为保证测量的准确性，在采样枪、DGI采样仪外均加装加热装置，用于排除液滴、冷凝水滴对测量精度的影响。
测点分别设在各机组SCR进出口、ESP进出口、WFGD进出口、WESP进口及烟囱入口，分别对不同污染物控制装备进出口污染物浓度进行测试，涉及采样方法见表1，采样后所有样品送至实验室进行称量并开展相关分析。
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1.2试验煤质
为保证试验结果准确，试验期间负荷稳定，变化范围±5%，煤质稳定，对测试期间1号、2号机组入炉煤质进行分析，结果如表2所示。
2研究结果分析
2.1燃煤电厂烟气污染物排放
1号、2号机组烟囱入口污染物排放浓度测量结果见表3。由于机组入炉煤质差异，如表2所示，1号机组入炉煤含硫量、汞含量、灰分分别为0.35%、22.1ng/g、11.94%，2号机组入炉煤含硫量、汞含量、灰分分别为0.75%、244ng/g、16.13%，另外机组环保岛污染物控制设施设计/建造有所差异，导致2台机组烟气中污染物排放浓度差别较大，但均可达到燃煤电厂烟气污染物超低排放限值，并达到多种污染物协同控制的目的。
图1为机组SO2、NOx排放绩效与美国先进电厂[21]对比，由图可知，1号、2号机组SO2排放绩效分别为0.0397g/(kW˙h)、0.0237g/(kW˙h)，与美国最清洁电厂(coffeenpowerplant)排放绩效接近，并远低于美国平均SO2排放绩效1.81g/(kW⋅h)(4lbs/(MW˙h))，1号、2号机组NOx排放绩效分别为0.0942g/(kW˙h)、0.0612g/(kW˙h)，美国最清洁电厂(MorgantownPowerPlant)NOx排放绩效为0.154g/(kW˙h)，并远低于美国平均排放绩效，机组污染物排放基本达到国际先进水平。
燃煤电站超低排放技术改造可以显著降低大气污染物排放水平，采用低氮燃烧、SCR、ESP、WFGD及WESP的工艺技术路线是可行的。
2.2非常规污染物排放脱除特性
根据1号机组测试结果，对非常规污染物排放及脱除特性进行分析。
2.2.1三氧化硫
燃煤电厂烟气中SO3是造成烟道腐蚀和空预器堵塞的重要原因，对电厂的正常运行造成影响[22]，煤电厂排放的SO3主要来源于两方面：一方面是燃煤过程中约0.5%~1.5%的硫份会被氧化成SO3;另一方面是在SCR脱硝过程中，在催化剂作用下会将烟气中1%左右的SO2转化为SO3。本文对烟气中SO3的协同脱除特性开展研究。
图2为不同负荷下污染物控制装备对SO3的脱除效果，结果表明，污染物控制装备的协同作用可以实现SO3的高效控制，烟囱入口SO3平均浓度为3.07mg/m3。100%负荷工况条件下，SCR、ESP、WFGD、WESP分别实现SO3的脱除效率为−27.1%、21.8%、76.8%及73.9%。75%负荷条件下，锅炉出口SO3浓度低于100%负荷，一方面由于不同负荷测试时间不同，工况、煤种都有变化，另一方面，由于负荷条件下锅炉燃烧温度下降，抑制了SO3的生成。由图还可以得到，WFGD对SO3协同控制效果较好，可以实现SO3的高效控制。
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2.2.2颗粒物PM
燃煤电站是可吸入颗粒物的重要来源，PM2.5作为PM10中粒径较小的部分，对人体健康和大气环境的危害更为突出，在PM10中所占比重越高，污染越严重，是人们重点关注和研究的热点[23-24]。污染物控制装备对PM10以上的颗粒物脱除效率较高，相比对PM2.5的脱除效率较低。图3为脱硫前、后，烟囱入口颗粒物浓度测试结果，测试结果表明，WFGD及WESP对PM2.5都具有脱除效果，100%负荷条件下，湿法烟气脱硫、湿式静电除尘对PM2.5脱除效率分别为73.0%、57.2%，WESP由于颗粒物入口浓度较低对超细颗粒物的效果不明显。由图还可知，WFGD入口时PM2.5占比为68.5%，WESP出口PM2.5占比为86.8%，经过WFGD及WESP细颗粒物比例提高。
2.2.3汞及其化合物
燃煤电站机组原有污染物控制装备都具有一定的协同脱汞能力，SCR没有直接脱除Hg的能力，但可以通过氧化烟气中气态Hg，在后续湿法烟气脱硫工艺中实现汞的高效协同脱除，结果显示，机组在100%、75%负荷工况条件下，SCR进口Hg浓度平均值分别为17.74、20.65μg/m3(煤种含汞量约192~278ng/g)，其出口Hg排放浓度分别为1.655、.175μg/m3，远低于《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)规定的30μg/m3限值标准，SCR催化剂可实现71.4%汞转化率，WFGD能去除80%左右的气态二价汞。
3结论
1)1号机组SO2、NOx排放绩效分别为0.0397、0.0942g/(kW˙h)，2号机组SO2、NOx排放绩效分别为0.0237、0.0612g/(kW˙h)，机组污染物排放基本达到国际先进水平。
2)1号机组在测试期间，烟囱入口污染物烟尘、SO2、NOx浓度分别为1.1、13.38、31.75mg/m3，Hg及其化合物浓度为1.65μg/m3，PM2.5浓度为0.29mg/m3，液滴浓度为6.95mg/m3，SO3浓度为2.92mg/m3，常规污染物可以通过各污染物控制单元实现高效控制，非常规污染物可以通过协同控制实现高效控制。
3)WFGD及WESP对PM2.5都具有脱除效果。测试结果表明，100%负荷条件下，WFGD及WESP对PM2.5的脱除效率分别为73.0%、57.2%，WESP由于颗粒物入口浓度较低对超细颗粒物的效果不明显。
4)电厂SO3一方面来源于锅炉燃烧产生，另一方面来源SCR催化氧化产生，现有的污染物控制装备可以实现SO3的协同高效控制，100%负荷条件下锅炉出口SO3浓度为48.5mg/m3，经过SCR后SO3增加13.15mg/m3，ESP、WFGD及WESP对SO3的脱除效率分别为21.8%、76.8%及73.9%。
5)电厂原有污染物控制装备都具有一定的系统脱汞能力，SCR实现了71.4%汞转化率，在后续WFGD中去除80%左右的汞及其化合物。
延伸阅读：
原标题：某1000MW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
