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我國燃煤電廠SO3和可凝結顆粒物控制存在的問題與建議
時間:2019-09-26 09:39:28

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截至2018年第三季度末,我國實現超低排放的煤電機組達7.5億kW,占全部煤電機組的75%以上,已建成全球最大的清潔煤電供應體系。煤電超低排放的環境效益日益顯現:2017年全國火電發電量45442億kW· h,是2006年的1.9倍,而火電SO2排放量120萬t,僅為2006年的9%,火電NOx排放量114萬t,僅為2011年的11%,火電煙塵排放量26萬t,僅為2006年的7%。中國燃煤電廠在煙塵、SO2和NOx三大污染物控制方面取得的成就贏得了廣泛贊譽,為改善我國大氣環境質量做出了巨大貢獻。但打贏藍天保衛戰還未取得根本性勝利,仍是目前的首要任務 。火電行業在經濟合理的前提下,應進一步減少大氣污染物排放 。燃煤電廠超低排放后是否需要進一步治理,如何治理,不僅是一個重要的科學問題,更是一個重大的現實問題。

  1 地方政府燃煤電廠深度治理政策

  2015年12月11日,原環境保護部、國家發改委和國家能源局聯合印發了《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》,標志著燃煤電廠超低排放的正式實施[5] 。燃煤電廠沒有實施超低排放改造前,SO2排放標準相對寬松,石灰石-石膏濕法脫硫設施能夠做到達標排放,但普遍存在石膏雨現象,在人口密集區還會引起居民糾紛。由于國外濕法脫硫均未出現過石膏雨,屬于國內特有現象,主要是由于工程設計與運行管理不當造成的。為解決這一問題,上海市在2016年1月29日出臺的《燃煤電廠大氣污染物排放標準》(DB31/963—2016)中,增加了“燃煤發電鍋爐應采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現象”條款,以期在超低排放改造過程中一并解決這一問題。

  2018年9月30日,浙江省發布了《燃煤電廠大氣污染物排放標準》(DB33/2147—2018),出臺了與上海市類似的規定,強調位于環境空氣敏感區的燃煤電廠應采取煙溫控制或其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現象。

  2018年6月,天津市發布《火電廠大氣污染物排放標準》(DB12/810—2018),要求對煙氣進行冷凝,控制排煙溫度,目的是回收煙氣中的水分,減少可凝結顆粒物的排放。

  2018年,河北省大氣污染防治工作領導小組辦公室(以下簡稱“大氣辦”)印發的《河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅方案》、唐山市大氣辦印發的《唐山市鋼鐵、焦化超低排放和燃煤電廠深度減排實施方案》、邯鄲市大氣辦印發的《邯鄲市鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅方案》、衡水市大氣辦印發的《關于衡豐、恒興公司開展有色煙羽“脫白”工作的通知》等均要求對煙氣進行先冷凝后加熱的處理方式,回收煙氣中部分水分、減少可凝結顆粒物排放和消除石膏雨、有色煙羽等。其中,唐山市還將燃煤電廠顆粒物、SO2和NOx的排放要求分別嚴格限制在5mg/m3 、25mg/m3 和30mg/m3 ;衡水市明確規定了排放煙氣中的SO3不高于5mg/m3 。

  2018年,江蘇省徐州市市政府辦公室下發了《關于加快推進全市燃煤發電企業煙氣綜合治理的通知》,要求燃煤發電公司盡快進行煙氣排放系統改造,基本消除石膏雨和有色煙羽,其工藝也是先冷凝后加熱。鎮江市人民政府下發了《關于加快推進全市燃煤發電企業實施煙氣綜合治理的通知》,也是采用先冷凝后加熱技術。

  由此可見,上海市出臺地方標準的目的是在超低排放改造過程中一并解決脫硫系統原先存在的石膏雨、有色煙羽問題;天津市的地方標準是要求對煙氣進行冷凝處理,進一步減少可凝結顆粒物的排放,并不要求消除有色煙羽;其他省份、城市則是在電廠超低排放后,要求電廠對煙氣采用先冷凝后加熱的方式,消滅石膏雨、有色煙羽。事實上,滿足超低排放的燃煤電廠不可能出現石膏雨,否則其顆粒物無法達到超低排放。

  采用先冷凝后加熱的方式對煙氣進行治理,其目的都有減少可凝結顆粒物的需求,但可凝結顆粒物的測試方法、排放標準、監控要求等在所有文件中均未涉及,只有衡水市的文件中要求排放煙氣中SO3濃度不高于5mg/m3 。厘清SO3和可凝結顆粒物的定義及二者之間的關系,明確排放與監控要求,這才是政策精準發力的關鍵點。

  2 SO3和可凝結顆粒物定義及關系

  我國對燃煤電廠顆粒物排放水平的測試,其依據均源自《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T16157—1996),針對的是可過濾顆粒物。下面從國內外的測試標準中梳理SO3和可凝結顆粒物的定義,厘清二者之間的關系。

  2.1 煙氣中SO3的測試方法及測試對象

  濕法脫硫后,煙氣中的水分基本處于飽和狀態,SO3極易與水結合形成硫酸,因此煙氣中的SO3全部以H2SO4形式存在 。當煙氣溫度低于硫酸蒸汽的露點(Dew point)溫度時,硫酸蒸汽冷凝形成硫酸液滴。0.5~3.0μm小粒徑的硫酸液滴會形成硫酸氣溶膠,導致硫酸霧的出現;而粒徑超過10μm的較大的硫酸液滴則會吸附在飛灰顆粒上 。所以,SO3的測試結果均與測試方法密切相關,表1列出了國內外SO3的測試方法標準及測試對象。

  從表1可以看出,國內外對煙氣中SO3的測試方法并不統一,采用不同的測試標準,其測試對象也有所不同。這就造成不同的測試方法獲得的測試結果存在一定差異,有時可能還相差很大。

  2.2 可凝結顆粒物的定義及測試方法

  我國尚無可凝結顆粒物的定義及測試方法,美國EPA Method202對可凝結顆粒物的定義為:在煙道環境內為蒸汽態,離開煙道后在空氣中冷卻、稀釋后經冷凝或反應立刻形成固態顆粒物或液體顆粒物的一類物質,所有可凝結顆粒物都是PM2.5 。

  從EPA的定義可以看出,可凝結顆粒物是混合物。圖1 為EPA Method 202A 采樣流程,采用“控制冷凝+慣性撞擊”的方式對可凝結顆粒物進行捕集。

  與SO3測試中控制冷凝的方法不同,可凝結顆粒物采樣系統中的水浴控制溫度低于30℃,而SO3控制冷凝采樣方法中的水浴控制溫度需維持在75~85℃。另外,可凝結顆粒物前端可根據不同的采樣目的,配置EPA Method 5、Method17或Method201測定可過濾顆粒物。

  2.3 SO3和可凝結顆粒物之間的關系

  煙氣中SO3、可凝結顆粒物的測試方法與測試條件的不同,測試對象就會有所不同,測試結果也會存在一定差異。二者都可以采用控制冷凝、慣性撞擊的方式進行收集,測試對象必然存在交叉。此外,從定義上看,煙氣中的SO3確實具有可凝結顆粒物屬性,即在煙道內是蒸汽態,排入大氣環境后因冷凝或與其他陽離子發生反應生成硫酸鹽而成為液態或固態顆粒物。盡管不同測試方法的測試對象有所不同,但測試結果均表明煙氣中的SO3是可凝結顆粒物中最主要的組成部分,可凝結顆粒物中的SO2-4占離子總量的比例高達81.67%,占陰離子總量的比例高達86.76% 。目前,煙氣中SO3的測試已有在線監測儀器,但可凝結顆粒物的測試尚無在線監測技術。

  3 SO3和可凝結顆粒物控制存在問題

  3.1 控制對象及控制程度模糊

  由于我國對燃煤電廠濕煙氣排放成分缺少足夠的研究,特別是環保部門尚未對煙氣中的可凝結顆粒物給出定義與測試方法,造成煙氣中的成分測試非常混亂,結果千差萬別。例如,煙氣中的“可溶性鹽”“可溶鹽”“溶解鹽”“水溶性離子”“溶解固形物”“溶解性總固體”“超細粒子”“超細顆粒物”等各種概念見諸媒體及相關論文中,甚至得出“濕法脫硫是致霾主因”的謬論 。一些地方政府迫于霧霾治理的壓力,倉促出臺超低排放后煙氣深度治理的相關政策,但對控制對象、控制程度非常模糊。

  排放煙氣中的水汽以氣態為主,占99.95%以上,氣態水中不含鹽,只有液態水溶液中才含有“溶解鹽”,即溶解固形物。由于液態水占比小于0.05%,超低排放條件下煙氣中排放的溶解固形物介于0.15~2mg/m3,一般不超過 mg/m3。

  “可溶性鹽”“溶解鹽”等各種沒有明確定義的項目測試中,測試的都是水溶液中的溶解固形物成分或各種離子濃度之和。水對各種鹽的溶解度不僅與溫度有關,而且與水溶液的pH 值密切相關,如煙氣中未反應的石灰石顆粒,在pH 值為7 的水溶液中基本不溶解,但在pH 值為3 的酸性水溶液中會快速溶解。

  由于測試方法、測試條件各不相同,會導致結果相差很大,如有些測試是直接對煙氣進行冷凝,煙氣中以H2SO4形式存在的SO3、SO2、NO2、CO2等都會溶入水中,造成pH值大幅下降,從而溶解煙氣中的可過濾顆粒物,造成“鹽”濃度明顯偏高。

  根據美國EPA Method202,燃煤電廠煙氣排放的顆粒物有可過濾顆粒物和可凝結顆粒物兩類。上述各種“鹽”的分析與測試,本質上都屬于這兩類顆粒物。可過濾顆粒物就是目前我國標準中的顆粒物,對于超低排放燃煤電廠,執行的是全世界最低的排放限值10mg/m3。對于可凝結顆粒物,世界各國均沒有排放標準,主要是通過控制煙氣中SO3來實現對可凝結顆粒物的控制,美國已有22個州頒布了燃煤電廠SO3地方排放標準。

  3.2 排放要求與監測方法缺失

  在我國所有地方政府出臺的煙氣深度治理政策文件中,盡管表述各不相同,但基本上均提及要控制可凝結顆粒物。非常遺憾的是,除衡水市明確要求煙氣中SO3不高于5mg/m3外,其他地區所有文件中均未明確污染物的排放控制要求,更無監測方法的相關要求。如前文所述,我國目前在國家層面暫無針對燃煤電廠SO3排放的監測方法標準,各單位開展的監測

  基本上均屬于研究性監測,監測方法、監測對象尚未統一。考慮到大氣中的環境行為,建議監測煙氣中以H2SO4形式存在的SO3,無需監測被飛灰吸附生成的硫酸鹽。

  3.3 現有設施對SO3協同治理不夠充分

  燃煤電廠對SO3的治理源于2000年的美國Gavin 電廠,該廠在加裝SCR煙氣脫硝后,出現了“藍煙”現象。因為SCR脫硝增加了煙氣中的SO3濃度,濕煙氣中的SO3以亞微米粒徑的硫酸氣溶膠形式存在,粒徑越小,對于短波長的散射越強,使得煙羽呈現藍色。此后,為了控制藍色煙羽,濕式電除塵器在美國電廠得到應用。

  對SO3具有明顯協同減排效果的煙氣治理設施包括低低溫電除塵器、濕式電除塵器、電袋復合除塵器和濕法煙氣脫硫,只有以硫酸小液滴形式存在的SO3,才易被這些設施協同脫除。因此,低低溫電除塵器必須運行在酸露點溫度以下,其協同脫除效果才會明顯,脫除效率可以達到80%以上。事實上,現在有不少電廠的低低溫電除塵器運行在酸露點溫度以上,對SO3的脫除效率普遍偏低。濕式電除塵器、濕法脫硫對SO3的脫除效果與硫酸小液滴的大小及煙氣流速密切相關,脫除效率與工藝及參數密切相關,如不同工藝的石灰石-石膏濕法脫硫對SO3的協同脫除效率可從16.3%變化到86.9% 。

  上海市6個電廠6臺機組SO3全流程的測試結果表明,只要充分發揮好現有煙氣治理設施協同脫除SO3效果,排放煙氣中的SO3可以做到小于5mg/m3 ,平均值僅為2.29 mg/m3,無需再對煙氣進行冷凝 。煙氣冷凝與濕式電除塵器結合對SO3的脫除效率可高達90%,煙氣冷凝與高效除霧器結合對SO3的脫除效率可高達75.8%。是否需要采用煙氣冷凝方式進一步脫除以SO3為主的可凝結顆粒物,主要取決于煙氣中SO3濃度的排放標準。

  3.4 煙氣加熱無法消除藍色煙羽

  對于滿足超低排放的燃煤電廠,有色煙羽只能是白色煙羽或藍色煙羽。白色煙羽是由煙氣中的水汽冷凝形成的。煙氣加熱可消除白色煙羽,但由于能耗增大會導致污染物排放量的增加。可見,從減少大氣中PM2.5等污染物的角度出發,不應對煙氣進行加熱以消除白色煙羽。

  藍色煙羽是由煙氣中的硫酸霧滴形成的。煙氣加熱不能消除藍色煙羽,因為煙氣中的SO3在200℃以下全部以硫酸氣溶膠,即硫酸霧滴的形式存在,只有當煙氣溫度大于500℃時,煙氣中的SO3才全部以氣態SO3形式存在 ,而燃煤電廠加熱排煙溫度一般都在80℃以下。

  4 結論與建議

  燃煤電廠超低排放大幅減少了電力行業顆粒物、SO2和NOx的排放,為我國大氣環境質量改善做出了巨大貢獻。燃煤電廠濕煙氣排放的顆粒物有兩種類型,一類是目前我國排放標準中已監控的可過濾顆粒物,另一類是我國尚無標準控制的可凝結顆粒物。一些報道及研究中關于煙氣中排放“鹽”偏高的結果,是由于監測方法不當,煙氣中可過濾顆粒物、SO2 、NO2、CO2等溶解在凝結水中并相互反應造成的。

  燃煤電廠可凝結顆粒物中的最主要成分是SO3,全部以硫酸氣溶膠的形式存在,部分會被飛灰吸附反應生成硫酸鹽。國內外不同監測方法針對的SO3對象有所不同。現有煙氣治理設施中的低低溫電除塵器、濕式電除塵器、濕法脫硫等對SO3具有明顯的協同脫除作用,但不同電廠的脫除效率相差較大。燃煤電廠超低排放后的煙羽只能是白色煙羽或藍色煙羽。煙氣加熱可以消除白色煙羽,但不能減少SO3或可凝結顆粒物的排放,更不能消除藍色煙羽。相反,由于能耗增大會增加污染物的排放。

  從技術角度,建議國家盡快針對我國燃煤電廠的濕煙氣特點,抓緊研究濕煙氣中SO3和可凝結顆粒物的賦存形式、監測方法與控制技術,并進行工程示范;系統研究超低排放條件下,現有煙氣治理設施對煙氣中SO3和可凝結顆粒物的協同脫除效果與影響因素,弄清不同治理設施對SO3和可凝結顆粒物的脫除機理;深入研究濕煙氣條件下,有色煙羽的成分、成因、物理特性、擴散規律及其環境影響。

  從管理角度,建議國家盡快明確煙氣中SO3和可凝結顆粒物的定義,出臺固定污染源煙氣中SO3和可凝結顆粒物的監測方法標準;修訂《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011),增加SO3的排放標準限值;地方政府必須依法出臺相關的政策與標準,對煙氣進行治理時必須明確具體的污染物及其治理要求、監控方法;任何非法或背離環境保護目的的所謂煙氣綜合治理政策都應盡快停止執行,堅信減少大氣污染物排放才是治理霧霾的重要手段。


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