摘要：对上海市8台燃煤机组开展了石膏雨和相关污染物排放监测,考察部分燃煤电厂石膏雨排放对周边居民生活和电厂生产造成的影响。结果表明,采用GGH并加热到一定温度,同时对除雾器进行优化的机组烟尘和可凝结颗粒物浓度均较低,石膏雨沉降和液滴均未检出,无冷凝回流液;虽然装有湿式电除尘器和GGH的机组石膏雨沉降未检出,但液滴浓度较高;仅装有湿式电除尘器的2台机组中1台检出石膏雨沉降;对照机组石膏雨沉降和液滴浓度均较高。建议电厂提升排烟温度,同时采取措施消除烟气中石膏夹带,彻底消除石膏雨,在标准制定时应充分考虑目前燃煤电厂多种污染物排放情况及其对环境的影响,尤其是石膏雨和可凝结颗粒物,制定相应的监测方法和评价体系,将其纳入火电厂排放标准中。
目前我国燃煤机组基本完成了脱硫系统安装，90%以上的脱硫系统采用石灰石石膏湿法脱硫。脱硫出口排烟温度较低，带有饱和水的烟气在排出过程中部分冷凝形成液滴，烟气自烟囱口排出后不能有效的抬升、扩散到大气中，冷凝液滴在烟囱周围落地后有白色固体物残留，形成所谓的石膏雨现象，严重污染电厂及周边地区的环境。
截至目前，上海市共有燃煤机组51台，总装机容量为1507.3万kW，全部装有脱硫系统，采用石灰石石膏湿法脱硫的机组装机容量为1498万kW。近年来，上海市部分燃煤电厂石膏雨排放对周边居民生活及电厂生产产生不良影响，引发的环境信访事件越来越多。作为国际大都市，上海市在积极推进脱硫脱硝等环保工程的同时，也在切实关注这些环保工程带来的后续影响。上海市人民政府于2013年4月8日印发的《上海市2013年节能减排和应对气候变化重点工作安排》中，明确提出“开展燃煤电厂脱硫设施烟气旁路取消和石膏雨治理研究试点项目”，将石膏雨治理提上了日程。
1试验方法
1.1监测项目和机组的选取
燃煤电厂排放的一次颗粒物实质上包括可过滤颗粒物(FPM)与可凝结颗粒物(CPM)，目前国内标准方法中的烟尘实际为FPM，美国EPA对CPM的定义为：该物质在烟道温度状况下在采样位置处为气态，离开烟道后在环境状况下降温数秒内凝结成为液态或固态，此类物质通常以冷凝核的形式存在，空气动力学直径<1μm，属于微细颗粒物。研究表明CPM排放与FPM水平相当[9-10]，燃煤电厂排放的CPM由烟囱排出后，在一定的气象条件下，容易变成颗粒物随石膏雨直接降下。因此，除测量与石膏雨排放密切相关的石膏雨沉降量和液滴浓度外，同时对烟尘和CPM浓度进行监测，此外还对部分机组烟气中冷凝回流液进行收集，测量其pH值和硫酸根浓度。
上海市燃煤电厂主要以装机容量30万kW以上的大机组为主，部分机组针对石膏雨防治已采取一些措施，如烟气换热器(GGH)和湿式电除尘器，测量项目为烟尘、CPM、石膏雨沉降斑点数、石膏雨沉降量、液滴浓度、排烟温度、冷凝回流液pH、冷凝回流液硫酸根浓度，机组情况见表1。其中U2、U4和U6机组均装有GGH，U2机组采用传统的回转式GGH，以热烟气为热源进行换热，U4机组的GGH以水为介质对冷、热烟气进行换热，U6机组采用回热式GGH，以蒸汽为热源对净烟气加热。U3和U5机组仅针对治理设施进行了一些优化，U8机组未采用任何石膏雨防治措施，选为对照机组。监测项目有烟尘、CPM、石膏雨沉降斑点数、石膏雨沉降量、液滴浓度、排烟温度、冷凝回流液pH值、冷凝回流液中SO42-质量浓度。
1.2测量方法
烟尘按照国家标准方法[13]采样，仪器采用青岛崂山应用技术研究所生产的3012H型烟尘采样仪，采样完成后送实验室烘干、称量，根据采用体积计算烟尘浓度，平行采样3次，测定结果取平均值。
CPM按照EPA方法[14]采用3012H烟尘采样仪采样，烟气经冷凝器进入干式冲击瓶，降温后由CPM滤膜再捕集，冲击瓶及滤膜捕集部分之和为CPM，现场采样完成后，冲击瓶内组分立即充入N2吹脱以去除其中溶解的SO2气体;CPM滤膜分别使用水及正己烷萃取，冲击瓶内液体使用正己烷萃取，正己烷萃取液经干燥后残余物至恒重后即为有机组分质量;水溶液经烘干至液体少于10mL后置于室温下干燥至恒重即为无机组分质量，有机组分与无机组分之和为CPM。
石膏雨沉降量测试采用沉降盘采集，沉降盘材质为304不锈钢，摆放时间以24h为周期，通过测量当天的气象条件确定沉降盘的摆放位置，采样完成后送实验室进行称重，经计算获得单位时间内石膏雨沉降至地面的浓度。石膏雨沉降斑点数测试参照石膏雨沉降量测试方法，测试时用秒表计量时间，计算沉降的颗粒数，测试时间以短时间间隔为主，持续5min～10min，前后测试3次，取测量平均值。
烟气液滴浓度在烟囱出口位置进行测量，采用3012H烟尘采样仪和玻璃制液滴捕集装置采样，采样完成后送实验室用重量法测量液滴含量，测试期间共测量3次，取测量平均值。
冷凝回流液由专人采样，采样完成后送交实验室分析pH值和硫酸根质量浓度。
测量期间同时记录湿度、温度、风速、风向等气象参数。
2结果与讨论
2.1烟尘和CPM监测结果
烟尘和CPM排放的监测结果见表2。烟尘监测的结果表明，U3机组排放浓度最高，排放浓度为17.4mg/m3，其他机组排放浓度均未达到10mg/m3;对照机组U8排放浓度仅次于U3机组;使用布袋除尘器的U2机组烟尘排放浓度最低，仅为1.46mg/m3，布袋除尘器的除尘效果好于静电除尘器;装有静电除尘器同时增加湿式电除尘器的机组中U4机组排放浓度较低，仅为2.5mg/m3;另两台机组的排放浓度并不低，可能与湿式电除尘器的运行并未完全优化好有关;烟尘排放浓度较低的还有U6机组，排放浓度为1.63mg/m3，尽管该机组并未装有湿式电除尘器，但由于静电除尘器优化效果较好，其排放浓度也较低。
CPM的监测结果显示8台机组中有7台的CPM排放浓度高于烟尘，排放规律与烟尘一致。U3机组排放浓度最高，为21.9mg/m3，U3机组仅优化烟囱气流，监测结果表明该措施并不能减少CPM排放;对照机组U8排放浓度仅次于U3机组;装有湿式电除尘器的U1和U7机组CPM的测量结果仅次于U3和U8机组，另一台装有湿式电除尘器的U4机组排放浓度则较
低，湿式电除尘器对于CPM的去除仍需进一步研究;装有布袋除尘器的U2机组CPM排放浓度仅为4.33mg/m3;排放浓度最低的为U6机组，其烟尘浓度也为测量机组中最低，该机组仅装有静电除尘器，浓度较低可能与该机组静电除尘器电场数较多及优化效果较好有关。
延伸阅读：
政策 | 《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求（试行）》
2.2液滴和冷凝回流液监测结果
从表2可知，8台测量机组中仅有U2机组未检测出液滴，这主要与该机组采用GGH加热且加热温度较高有关;装有湿式电除尘器的机组液滴浓度较低，U1和U7机组的液滴浓度分别为102mg/m3和64.1mg/m3;U4机组装有湿式电除尘器和GGH，但液滴浓度仍达到264.6mg/m3，这可能是测量结果误差造成的;U5机组装有GGH，但其液滴浓度较高，达到313mg/m3，主要原因在于该机组GGH加热温度并不高;对照机组U8液滴浓度最高。
U4、U6和U7机组由于现场原因未能采集到冷凝回流液，U2机组有GGH加热且加热温度较高无冷凝回流液。在采集到冷凝回流液的4台机组中，pH值最低的为U8机组，其他3台机组的pH值也较低，所有测量机组冷凝回流液的pH值均在2～3之间。4台机组冷凝回流液硫酸根浓度最高的为U8机组，U3和U5机组的浓度也较高，U1机组硫酸根浓度较低，可
能与其脱硫设施的运行情况有关。
2.3石膏雨监测结果
石膏雨排放监测结果见表3。从表3可知，监测的8台机组中，未监测到石膏雨沉降斑点数和沉降量的有3台机组。U1机组未检出石膏雨可能与其装机容量低由此产生的烟气量较小有关;U2和U4机组装有GGH，未检出石膏雨排放，U2机组和U4机组的排烟温度均较高，U2机组使用烟气加热，排烟温度最高，达到105℃，U4机组达到80℃。
在有石膏雨检出的5台机组中，U6机组也装有GGH，由于其排烟温度较低，仅为52℃，未能完全清除石膏雨，然而其石膏雨沉降斑点数和石膏雨沉降量均为检出机组中最低;石膏雨排放浓度较高的为U3和U8机组，U8机组石膏雨沉降斑点数最高，U3机组石膏雨沉降量最大，其中U8为对照机组，未采用任何石膏雨防治措施;U3机组虽对烟囱气流进行优化，却并未对石膏雨排放产生任何去除效果;U7机组石膏雨沉降斑点数和沉降量在测量机组排名居中，虽然U7机组装有湿式电除尘器，但还是能监测到石膏雨沉降，这可能与该机组在湿式电除尘器后并未对烟气加热及湿式电除尘器本身未优化运行有关。
2.4石膏雨治理措施讨论
石膏雨污染是多种因素造成的，其主要是由于石灰石石膏湿法脱硫后，烟气中带有石膏浆液，同时烟气未经GGH加热，烟气中夹带的石膏浆液和冷凝液滴排出烟囱后由于重力作用落下。消除石膏雨需要消除烟气中的石膏夹带，同时提高排烟温度以减少冷凝液滴的形成。U2机组排烟温度最高，优化除雾器，消除烟气中的石膏夹带，在实测过程中并未检测出石膏雨和液滴，同时由于温度较高，一般机组烟囱中存在的冷凝回流液在U2机组中也未检出，烟尘和CPM浓度也较低，基本上消除了石膏雨污染。用该方法防治石膏雨效果最佳，可也存在一些缺陷，一方面用于加热的烟气中SO2浓度较高，容易造成腐蚀和泄漏，另一方面由于加热损失了一部分热量，机组发电标准煤耗也会相应增加。
除U2机组外，U4机组和U6机组也装有GGH，U4机组利用省煤器后的烟气进行加热，以水为介质，加热温度低于U2机组。U4机组的湿式电除尘器消除了夹带的石膏和烟尘，GGH提高了排烟温度，基本消除了石膏雨污染，该机组烟尘和CPM浓度都较低。从实际效果看，采用GGH和湿式电除尘器的U4机组效果较好，虽然排烟温度比U2机组低，液滴也并未完全消除，但该加热方式避免了烟气腐蚀或泄漏的情况发生。U6机组也装有GGH，从排烟温度看加热效果并不好，U6机组排烟温度与未装有GGH的机组相当;从石膏雨排放情况看仍可检测出石膏雨沉降，可沉降量排在所有机组最末位;U6机组的烟尘和CPM排放浓度非常低，这能与该机组除尘设施和脱硫设施设计及优化情况较好有关，由于排烟温度较低，机组液滴浓度较高。从综合效果来看，消除石膏雨需要提升排烟温度，同时通过各种手段消除烟气中夹带的石膏，排烟温度应提升到何种程度，石膏雨治理效果和燃煤电厂运行的经济性如何平衡仍需进一步研究。
装有湿式电除尘器的U1和U7机组的石膏雨监测结果表明，湿式电除尘器对石膏雨排放有去除效果;U1机组未检出石膏雨飘落可能与装机容量较小有关，2台机组烟尘的排放浓度并不高，然而CPM浓度相比其他机组仍较高，湿式电除尘器并未很好的去除CPM;U1和U7机组湿式电除尘器运行时间并不长，进一步优化湿式电除尘器可能会降低CPM浓度。
U3和U5机组并未增加额外的措施应对石膏雨，只对现有设备进行了一些优化，从监测结果看，优化效果并不理想，2台机组仍能检测出石膏雨沉降。U5机组尽管采取了除雾器优化措施，但是液滴浓度仍较高;U3机组的烟尘和CPM浓度较高，U5机组的烟尘和CPM浓度并不高，可能与U5机组污染物治理设施运行情况较好有关。
3结语
燃煤电厂可以采取措施控制石膏雨排放，现有的措施中采用GGH加热到一定温度，同时采取措施消除烟气中石膏夹带的效果最好，可彻底消除石膏雨，然而烟气排放需达到一定温度，排烟温度应如何控制，如何平衡排烟温度和燃煤电厂经济运行仍需进一步研究。湿式电除尘器对石膏雨排放有去除效果，同时去除烟尘和CPM，装有湿式电除尘器的机组仍建议安装GGH，以提高排烟温度，彻底消除石膏雨污染。
燃煤电厂排放的CPM浓度高于烟尘浓度，目前的方法和评价标准仅针对烟尘，国内没有CPM的标准采样方法，建议尽快对烟尘的采样方法进行修订，增加CPM的采样方法和评价标准，使电厂采取措施降低CPM排放。
燃煤电厂石膏雨排放对环境造成影响，而目前火电厂大气污染物排放标准并未制定关于石膏雨的相关标准，建议充分考虑目前燃煤火电厂的多种污染物排放情况及其对环境的影响，制定相应的监测方法和评价体系，将其纳入火电厂排放标准中。
延伸阅读：
政策 | 《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求（试行）》
原标题：燃煤电厂石膏雨污染排放实测
