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燃煤電廠有色煙羽治理要點分析與環境管理

2019-05-29    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:在研究國內外相關標準的基礎上結合中國燃煤電廠煙氣治理技術發展現狀,分析了排放煙氣中可過濾顆粒物、可凝結顆粒物、溶解性固形物的概念、聯系和區別,明確指出中國燃煤電廠有色煙羽環境管理的關鍵是管控以SO3 為代表的可凝結顆粒物,進而梳理了目前有色煙羽治理環境管理方面存在的問題,提出了可凝結顆粒物環境管理的相關政策建議。
摘 要:在研究國內外相關標準的基礎上結合中國燃煤電廠煙氣治理技術發展現狀,分析了排放煙氣中可過濾顆粒物、可凝結顆粒物、溶解性固形物的概念、聯系和區別,明確指出中國燃煤電廠有色煙羽環境管理的關鍵是管控以SO3 為代表的可凝結顆粒物,進而梳理了目前有色煙羽治理環境管理方面存在的問題,提出了可凝結顆粒物環境管理的相關政策建議。

0引言

截止2018 年3 月,全國已完成超低排放改造的燃煤發電機組容量達700 GW,占煤電總裝機比例約71%,電力行業SO2、NOx、煙塵等常規煙氣污染物排放量大幅降低,為改善中國大氣環境質量做出了巨大貢獻。隨著污染防治認識的深入和環保管理要求的提高,特別是“濕法脫硫導致霧霾”掀起的巨大輿論波瀾,一些潛在問題也日益凸顯, 越來越多的地區又對燃煤電廠“ 有色煙羽”提出了治理要求,進一步補充和延伸了超低排放概念。

本文通過對燃煤電廠煙氣排放多種形態顆粒物及相關國內外標準的研究,提出了有色煙羽治理的關鍵是SO3 等可凝結顆粒物控制,分析了目前有關環境管理政策存在的問題,對完善燃煤電廠有色煙羽環境管理提出了政策建議。

1 燃煤電廠顆粒物種類及相關標準

1.1 顆粒物的種類及形態

燃煤電廠煙氣污染物來源于鍋爐燃燒生成及煙氣治理過程次生,主要包括顆粒物和SO2、NOx、Hg 及其化合物、CO、NH3(脫硝噴氨逃逸)等氣態污染物, 《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)對前4 項污染物分別規定了排放限值,國家也發布了相應的測試方法標準。此外,煙氣中還含有液態霧滴、氣態水等物質,隨脫硫方式及除霧效果、煙氣排放溫度而含量有所不同,國內絕大多數燃煤電廠由于采用濕法煙氣脫硫工藝,排放煙氣為濕煙氣。

在中國,顆粒物的定義是懸浮于排放氣體中的固體和液體顆粒物狀物質,現行的《固定污染源排氣中顆粒物和氣態污染物采樣方法》(GB/T16157—1996)和《固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定 重量法》(HJ 836—2017)等測試標準,均是基于對煙氣中的顆粒物采用濾膜(筒)進行過濾、捕集、烘干、稱重的原理進行測量。

實際上,燃煤電廠排放煙氣中的顆粒物不僅僅包括燃煤產生的煙塵、脫硫脫硝過程中煙氣霧滴中攜帶的未溶硫酸鹽、亞硫酸鹽及未反應吸收劑等可被濾膜過濾的顆粒物(filterable particulatematter,FPM),還會有因粒徑小于采樣濾膜截留直徑故而穿透濾膜逃逸到大氣中并因溫度、壓力、水分等物理狀態改變而形成的顆粒物(不包括SO2、NOx 在大氣環境中發生復雜化學反應生成的二次顆粒物)。一類是美國EPA 定義的可凝結顆粒物(condensable particulate matter,CPM),即在煙道采樣位置處為氣相,穿透濾膜后在大氣中降溫凝結成為液態或固態顆粒物, 主要為SO3 /H2SO4 等分子態或亞微米級氣溶膠態污染物;另一類是溶于穿透濾膜的細微霧滴中的離子態硫酸鹽、亞硫酸鹽、氯鹽等溶解性固形物,離開煙道后在大氣中經稀釋、干燥、降溫、凝結等作用, 失去水分后變成細顆粒物的溶解性固形物。

1.2 國內外測試標準

美國EPA 在2008 年開始將CPM 納入顆粒物排放源強,并于2010 年12 月出臺了 Method 202 修訂案[7],其原理為在捕集FPM 的常規裝置(即Method 5,17 或201A,稱重法)后加裝干式沖擊瓶,煙氣降溫后再由濾膜捕集顆粒物,沖擊瓶吸收和濾膜收集的顆粒物之和即為CPM, 測量示意見圖1。



Method 202 也明確煙氣溫度低于30 ℃ 時不予測量CPM。對于FPM 的測量,Method 17 和201A 明確它們不適用于含有霧滴的濕煙氣,而采樣濾膜前有加熱裝置的Method 5 則適用,因后者在采樣時要求加熱至120±14 ℃ 去除液態水,故存在于霧滴中的溶解性固形物也會失水變為固體顆粒并被濾膜捕集。國內外也有研究表明,上述溶解性固形物也有少量會形成為PM0.3,可直接逃逸出過濾材料的捕集,變為了可凝結顆粒物。

因此,對于燃煤電廠濕煙氣FPM 測試,美國EPA要求采用的Method 5 測試的FPM 結果已包含了中國環境標準中定義的顆粒物及絕大部分溶解性固形物,與Method 202 聯用時測試結果則增加了CPM。按美國EPA 測試標準,溶解性固形物并不是單獨的一種顆粒物形式,而是分布于FPM 及CPM 之中,后兩者完整地構成了EPA 所謂的一次總顆粒物。而中國現行的GB/T 16157—1996 和HJ 836—2017 均沒有考慮CPM 的測量,也沒有強制要求顆粒物采樣時加熱煙氣,導致顆粒物的定義與美國EPA 定義的可過濾顆粒物內涵并不一致,溶解性固形物作為顆粒物的一種形式不包含于可過濾顆粒物中,因此目前中國燃煤電廠顆粒物測試結果缺失了CPM 及溶解性固形物。中國燃煤煙氣中各類顆粒物形態及現行測試標準所得測試結果示意見圖2。



根據文獻對燃煤電廠、供熱鍋爐、工業鍋爐等凈煙氣中顆粒物排放濃度測試的結果表明,煙氣中CPM、溶解性固形物的排放濃度可達濾膜法檢測的FPM 排放濃度的0.7~5.7 倍。目前中國無論是固定源污染物監測或大氣污染管理、控制等方面,均忽視了CPM 及溶解性固形物。

2 燃煤電廠有色煙羽及環境管理現狀

2.1 有色煙羽相關概念

鍋爐燃燒會使燃料中的硫生成SO2 和少量SO3,中國燃煤電廠普遍采用SCR 煙氣脫硝工藝和石灰石–石膏法等濕法煙氣脫硫工藝,SCR 脫硝中的釩鈦系催化劑又會使煙氣中一小部分的SO2 氧化成為SO3,后者在濕法煙氣脫硫系統中因漿液噴淋急劇降溫會冷凝形成SO3/H2SO4 氣溶膠,它們因粒徑微小(主要在0.1 μm 以下)不易被漿液洗滌脫除。這些脫硫后的飽和濕煙氣(約50 ℃)中還含有大量的氣態水及微小霧滴,在煙囪口排入大氣環境的過程中由于溫度降低會繼續發生凝結,在煙囪口形成含有更多霧狀水蒸汽和SO3 氣溶膠的煙羽,其會因天空背景色和天空光照、觀察角度等原因發生顏色的細微變化,即為“有色煙羽”。其中,白色、灰白色煙羽主要是霧狀水蒸汽形成的視覺影響,而藍色煙羽因其含有較高的SO3 等CPM 才更具有污染性環境影響:一是其在大氣中停留時間長,污染擴散距離遠;二是其環境毒性大,是酸雨的主要成分;三是其具有強酸性,極易與大氣中NH3 等發生反應形成硫酸鹽,這是PM2.5 的重要組分。

此外,煙氣攜帶的霧滴中的溶解性固形物也會在大氣中失水變成細顆粒物,這也就是“濕法煙氣脫硫導致霧霾”一說的原因。根據文獻和的研究,這些最終進入大氣中的溶解性固形物的量與霧滴濃度、脫硫副產物溶解度高度相關,采用石灰石–石膏法煙氣脫硫的燃煤電廠溶解性固形物排放濃度明顯低于采用鈉法和鎂法的燃煤供熱鍋爐。石灰石–石膏法脫硫工藝排放煙氣攜帶的霧滴中還會有部分未溶硫酸鈣(石膏)、亞硫酸鈣、碳酸鈣(吸收劑)等可過濾顆粒物,在流速過快、大氣溫度或氣壓較低等不利條件時會發生“石膏雨”現象,近年來環保公司通過采用煙氣協同治理技術,以降低脫硫后煙氣中霧滴含量、減少石膏等的攜帶,來實現顆粒物的超低排放,這也從源頭上降低了 “石膏雨 ”現象的發生。

由于中國濕法脫硫燃煤機組中95% 以上是石灰石–石膏法脫硫工藝,且隨著實現超低排放后霧滴排放濃度的明顯降低,可以認為溶解性固形物不是中國燃煤電廠排放顆粒物的關鍵問題,也可以參考Method 5 解決溶解性固形物測試結果部分缺失的問題;“石膏雨”隨著超低排放實施已在排放源頭上得到了有效抑制,大幅降低了發生的可能性。經過超低排放改造后的中國燃煤機組SO2、NOx 和可過濾顆粒物排放已降至很低水平,但對于大氣環境影響程度遠勝于它們的SO3 卻不包含于顆粒物測試結果中,也無排放限值要求,這才是目前亟待解決的問題,也是消除燃煤電廠有色煙羽的關鍵。

2.2 有色煙羽環境管理現狀

目前,世界上沒有一個國家對有色煙羽提出環保控制要求,但美國已經有22 個州對燃煤電廠煙氣中的SO3 提出了排放限值,其中有14 個州的排放限值低于6 mg/m3;德國沒有單獨針對燃煤電站SO3排放限值的標準,但是有SO2 和SO3 的綜合排放限值為50 mg/m3;日本將SO3/H2SO4 納入顆粒物限值進行控制[18]。近年來在中國電力行業廣泛應用的低低溫電除塵、復合塔脫硫、濕式電除塵等超低排放技術對SO3 具有良好的協同脫除效果,已為全面控制以SO3 為主的CPM 打下良好基礎。

2017 年以來,中國越來越多的省份出臺地方政策或標準,希望通過對有色煙羽進行控制從而改善當地的大氣質量(見表1)。



此外,江蘇省徐州市和連云港市、山西省臨汾市和大同市、浙江省紹興市等地市也提出了燃煤電廠有色煙羽的相關政策要求。

3 有色煙羽環境管理的不足及建議

3.1 目前政策的不足

國內部分省市出臺有色煙羽治理相關政策,說明煙氣中CPM 的環境危害已經引起了地方管理部門的高度重視并采取了措施,對于引導有色煙羽及CPM 的治理有正面意義。但由于對有色煙羽的形成機理、關鍵影響研究不夠深入,這些文件均沒有抓住治理有色煙羽的關鍵是對SO3 等提出管控要求,存在以下不足之處。

(1)治理目標和方向并不明確。如部分省市提出的有色煙羽治理主要目標僅是消除燃煤電廠煙羽的視覺影響,如若采用其所要求的煙氣直接加熱消白技術,并不能減輕燃煤電廠CPM 等的排放,反而造成了設備投資和運行成本增加,考慮加熱煙氣帶來的能源消耗甚至會形成環境負效益。

(2)沒有結合燃煤電廠的實際情況開展工作。如海水脫硫燃煤電廠,排煙溫度通常在30 ℃ 左右,按美國EPA 要求不必考慮煙氣中CPM,除非環境溫度足夠低,一般難見有色煙羽,開展有色煙羽治理和觀測有待商榷; 對于燃煤硫分較低、采用濕式電除塵等措施已有效控制SO3 排放的燃煤電廠,繼續要求其煙氣降溫對于污染減排意義不大;對于采用煙塔合一排放煙氣的燃煤電廠,燃煤煙氣與冷卻塔水汽混合排放,如何有效開展有色煙羽治理和觀測也無法解決。

(3)在基本概念并不清晰的情況下,短時間內大規模要求各行業均進行有色煙羽治理。如前述燃煤電廠普遍采用石灰石–石膏法脫硫,其霧滴中溶解性鹽較少,大規模對其實施治理有待商榷。目前市場上各類技術紛繁蕪雜,治理效果未經科學測試評估,如情況不明就大規模導入,容易造成無效治理和資源浪費。

3.2 完善環境管理政策的相關建議

根據前述國內外有關標準及目前地方有關環境管理標準和政策的分析,對中國完善燃煤電廠有色煙羽環境管理提出以下政策建議。

(1)完善顆粒物定義,建立CPM 檢測標準。

美國EPA 明確規定固定污染源向環境空氣中排放的顆粒物總量應為FPM 與CPM 之和(溶解性固形物分別包含于兩者之中),其發布的Method 5等和Method 202 也分別實現了對兩者的準確測試。而中國現行排放標準和測試標準僅表征的是煙氣中FPM(相比美國FPM 的定義缺少部分溶解性固形物),也不包含CPM,在固定污染源監管上還存有漏洞。

H J 2 0 5 3 — 2 0 1 8 雖然根據中國現行標準體系明確了燃煤電廠排放顆粒物的組分為FPM、CPM和溶解性固形物,但國內現階段缺失CPM 的測試標準,應盡快研究編制發布適合中國國情的固定污染源CPM 測試標準,完善固定污染源環境標準體系。對于溶解性固形物,HJ 836—2017 提出了為保證在濕度較高、煙溫較低的情況下正常采樣,應選擇具備加熱采樣頭固定裝置功能的采樣管,并提出煙氣中水分影響正常采樣時開啟加熱裝置,但該標準并未明確開啟加熱的使用條件,可參考Method 5 強制要求燃煤電廠顆粒物采樣時應開啟加熱到一定條件以改善其測試結果缺失問題。

(2)明確燃煤電廠有色煙羽重點,開展相關政策、技術研究。

參考歐美發達國家經驗,應當明確現階段中國燃煤電廠治理有色煙羽的關鍵就是控制SO3 為代表的CPM。現有超低排放工程實測數據表明,部分項目的SO3 排放濃度仍可達到10 mg/m3 以上,高于美國大部分州和德國的有關標準,若參考國外標準嚴格控制仍需進一步采取治理措施。

應結合燃煤電廠實際情況如煤質、煙氣治理技術、所在區域環境質量等情況,分門別類、因地制宜、有的放矢地研究制定SO3 管理政策,提高政策的科學性實效性, 避免一刀切現象。同時,鑒于目前有色煙羽治理市場上的復雜狀況,可參考國內外相關測試標準,組織開展對各類有色煙羽治理技術示范工程SO3 控制效果的系統測試研究,獲取一手技術、經濟數據,推動具備實用價值、環境經濟可承受的工程技術應用。

(3)開展SO3 對環境空氣質量影響研究,適時修訂國家排放標準。

以示范工程測試為基礎,在京津冀、長三角和“2+26”城市群開展SO3 排放排查研究,建立較準確的排放源清單,并結合氣象數據進行區域環境空氣質量影響模擬,明確燃煤電廠以及如鋼鐵、焦化、化工等其他行業所排放SO3 的影響范圍和影響程度,以此為國家層面出臺相關政策并考慮實施路線圖和時間表提供科學技術支撐。

根據技術可行性和管控必要性研究結果,在《火電廠大氣污染物排放標準》(G B 1 3 2 2 3 —2011)修訂時適時考慮加入SO3 的排放限值,根據中國環境空氣質量現狀,有區域、有條件、有層次地開展燃煤電廠SO3 治理工作,并進一步向鋼鐵、焦化、化工等行業共享和延伸。

4 結語

(1)對國內外標準中顆粒物的定義和測試的差異進行了分析,指出目前中國在固定源污染物監測或大氣污染管理、控制等方面, 均忽視了CPM 及溶解性固形物。

(2)結合超低排放煙氣治理技術發展現狀,明確指出以SO3 為代表的CPM 管控是中國燃煤電廠有色煙羽環境管理的關鍵問題。

(3)系統梳理了國內部分省市有色煙羽治理環境管理政策,指出目前存在治理重點和方向不清、沒有結合燃煤電廠實際全面考慮、短時間內大規模要求各行業均進行治理的科學性存疑等問題。

(4)提出完善顆粒物定義、建立CPM 檢測標準、開展燃煤電廠有色煙羽治理政策及技術研究、開展SO3 對環境空氣質量影響研究、適時修訂國家排放標準的政策建議。

(來源:《中國電力》 作者:莫華 朱杰)

 
 
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