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有色烟羽分析及可凝结颗粒物管控技术综述

点击数:5438 发布时间:2019-7-8 来源:《环境影响评价》 作者:高境 赵传峰等

摘要: 通过对有色烟羽相关概念的探讨,揭示白烟与蓝烟主要组分间的差异,并重点分析蓝烟的主要组分可凝结颗粒物的特性。基于凝结核活化、增长和碰并沉降的自然机理,提出一种新的可凝结颗粒物去除技术,即云除技术....
摘要: 通过对有色烟羽相关概念的探讨,揭示白烟与蓝烟主要组分间的差异,并重点分析蓝烟的主要组分可凝结颗粒物的特性。基于凝结核活化、增长和碰并沉降的自然机理,提出一种新的可凝结颗粒物去除技术,即云除技术.热力锅炉和电厂的实验测试表明,该云除技术能够有效地去除锅炉排放中的可凝结颗粒物,平均去除率接近70%。该技术对于重金属具有协同去除效应,其中对于重金属汞的去除率可达50%左右。对有色烟羽概念的探讨有助于更为清晰明确地认识和理解可凝结颗粒物,云除技术为电厂、钢厂和热力锅炉等多个行业可凝结颗粒物的管控提供了新的治理手段。

2014 年,国家发改委、原环保部、国家能源局等印发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020 年)》 ,拉开了燃煤电厂实施超低排放的序幕。2015 年8 月29 日修订的《中华人民共和国大气污染防治法》 明确了防治大气污染的目标从原有的“大气污染物的排放总量进行控制”转为“改善大气环境质量”。截至2017 年底,全国已投运的超低排放煤电机组容量达6.4 亿kW,占煤电机组总容量的71%。与2010 年相比,2016 年电力行业烟尘、二氧化硫、氮氧化物的排放量分别下降了88.6%、81.6% 和85.2%。京津冀、长三角、珠三角2017 年的PM2.5 平均浓度与2013 年相比分别下降了39.6%、34.3%、27.7% , 北京市PM2.5 平均浓度下降了34.8%,达到58 μg/m3 ,治理成效显著。但环境空气中PM2.5地面浓度的削减幅度要远小于烟尘、二氧化硫、氮氧化物,尤其是在重污染区域。因此,仅靠电力行业的超低排放远远不能消除雾霾。

就此问题,在国家层面上,《政府工作报告》《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》等文件均明确要求“推动钢铁等行业超低排放改造”;在地方层面上,上海、浙江、天津、河北、江苏等省市先后发文,要求辖区内电力等行业开展有色烟羽治理行动,深度净化排放烟气内作为雾霾前体物之一的可凝结颗粒物。但该行动在实施过程被部分群体简单地认为仅是消除“白烟/湿烟气”的“脱白”行动 ,引发了环保行业内的诸多争议。针对此问题,本文系统性阐述有色烟羽的概念,并就现有可凝结颗粒物管控技术情况进行论述,以期更好地推进可凝结颗粒物治理与管控。

1 有色烟羽及可凝结颗粒物相关概念

有色烟羽泛指视觉上看到的工业锅炉排放出来的有色干湿烟气。其构成较为复杂,包含多种非常规污染物。由于组分不同,有色烟羽有别于较为干净的白雾。需要注意的是,很多工业锅炉排放出来的烟气在烟囱口处多呈现白色,经常被称为白烟。白烟当中既可能含有大量的颗粒物,也可能较为干净,多为含有一定的颗粒物的水滴组成的雾滴。这两种情景使得我们不能简单地把“白烟”归为有色烟羽,或把有烟羽等同为“白烟”。

烟羽:又称烟云(Smoke Cloud)、烟流(SmokePlume),是从工厂烟囱中连续排放出来的烟体,有较明显的拖尾现象,外形呈羽毛状,因而得名。

雾: 是指在接近地球表面的大气中悬浮的由小水滴或冰晶组成的水汽凝结物,是一种常见的现象。

有色烟羽:依照《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试技术要求(试行)》中的定义,燃煤电厂排放烟气在从烟囱口排入大气过程中因温度降低,烟气中部分气态水和污染物会发生凝结,在烟囱口形成雾状水汽,雾状水汽会因天空背景色和天空光照、观察角度等原因发生颜色的细微变化,形成有色烟羽,通常为白色、灰白色或蓝色等颜色,如图1 所示。


白烟:烟气刚出烟囱口,冷却凝结形成的液滴凝结体,呈白色云状,浓淡变化较大,这部分被称为白色烟羽或白烟。如白烟含颗粒物较少,环境温湿度适宜时会很快蒸发消散,不形成明显的拖尾现象。
蓝烟:当烟气内污染物较多时,白烟消散之后还会残留一层淡淡如纱般的烟羽,拖尾明显,在夏日阳光充足时烟羽内的细颗粒物会散射阳光,形成蓝烟。

因为蓝烟含有较高的细颗粒物,可以认为其是真正的烟羽,包含常规粉尘及危害较大的可凝结颗粒物。白烟与蓝烟特征对比如表1 所示。


可凝结颗粒物(Condensable Particulate Matter,CPM):美国环境保护署(EPA)自1983 年开始关注可凝结颗粒物的排放,将其定义为在烟道内条件下为气相物,但从烟道排出后因环境空气中的冷却和稀释,通过冷凝形成固体或液体颗粒物的一类物质 。国内外学术界皆将可凝结颗粒物归为一次颗粒物。

可凝结颗粒物具有如下特征:

(1)粒径小。可凝结颗粒物通常以冷凝核的形式存在,直径多在20 nm 到1 μm,属亚微米颗粒物(PM1 )。在相同质量浓度下,相比常规粉尘,其粒子数浓度、比表面积更大 。

(2)浓度较常规粉尘更大。从质量浓度来看,2014 年上海市环境监测中心测得上海燃煤电厂烟气中可凝结颗粒物排放浓度为21.2 ±3.5 mg/m3 ;

2015年北京市环境保护监测中心测得超低改造后的燃煤电厂常规粉尘排放浓度低于1 mg/Nm3 ,可凝结颗粒物排放浓度在10 mg/Nm3 以上 。考虑到可凝结颗粒物粒径较小,多在1 μm 以下,因此如将质量浓度换算成粒子数浓度,其总量相当可观。

(3)停留时间长且扩散距离远。可凝结颗粒物因其粒径小,难以沉降或直接被雨水冲刷去除,在大气中的停留时间长,且污染扩散距离远 。

(4)毒性较强。利用检测设备获取可凝结颗粒物样本,分析发现其主要分为无机、有机两大类,其中无机组分通常占到总质量的一半以上,主要是硫酸盐,并含有部分硝酸盐、亚硝酸盐、重金属。有机组分通常在30%左右,最高可达60%以上,也是不容忽视的重要组成。这些组分在大气中比表面积大,活性强,易附带重金属、病毒等有毒、有害物质,容易造成较大的健康危害。

(5)可吸湿长大。不同于常规粉尘,可凝结颗粒物的吸湿性更强。当大气相对湿度升高时,亚微米硫酸盐可吸湿长大,从几十纳米增长到几百纳米,粒径增长可达2 ~7 倍。

(6)危害较大。可凝结颗粒物的大量排放既对雾霾的形成产生重要作用,还会改变云的发生、发展、消散过程,从而改变降水格局和地表能量平衡;同样会改变大气热力状态,引发大气静稳状态 ,促进污染加剧,是当前重污染天气频发的成因之一。

值得注意的是,可凝结颗粒物不同于可溶性盐。可溶性盐(Soluble Salts)泛指所有溶于水的盐类,包括易溶盐、中溶盐和难溶盐3 种。在烟气治理领域,可溶性盐多数情况下是指脱硫浆液特别是脱硫塔逃逸的脱硫液滴中的总溶解态固体(Total DissolvedSolids,TDS)。当前燃煤电厂超低排放改造后,要求将液滴逃逸率控制在25 mg/Nm3 (镁离子示踪法)以下,总溶解态固体折算控制在1 mg/Nm3 左右,并不是有色烟羽治理的主要目标。

2 国内外可凝结颗粒物管控技术现状

目前,国内外针对可凝结颗粒物的管控与治理等已经开展了一定研究。对可凝结颗粒物管控主要包含检测和去除两个方面。

2.1 检测技术

准确的检测技术是可凝结颗粒物管控工作的基础。早在1991 年,EPA 就提出了用于可凝结颗粒物检测的方法———Method 202。EPA Method 202 被提出之后,不断有新的可凝结颗粒物检测技术出现,如EPA CTM-039 方法和OTM28 方法、日本质量保证机构的JQA 方法和西班牙塞维利亚大学工程学院的DIQA 方法 。这些方法都是在EPA Method 202 原理基础上改进形成的。

自2014 年起,上海市环境监测中心、北京市环境保护监测中心、中国环境科学研究院也依据我国燃煤烟气特点,各自提出了更适宜我国国情的可凝结颗粒物检测优化方法,并开展了实测应用。

相比成熟丰富的离线检测方法,针对可凝结颗粒物在线监测设备的研发成果相对较少,目前尚未形成应用案例。

2.2 去除技术

依据可凝结颗粒物的特性,其去除技术可以分成如下4 种路线:

(1)冷凝后经一次除尘器去除。可凝结颗粒物的典型去除技术为低低温除尘器,其先将从空预器出来的烟气温度从120 ℃降到80 ℃以下,让可凝结颗粒物主要前体物SO3 凝结析并被碱性粉煤灰吸附,再在后面的除尘器内协同去除,可实现低低温除尘器出口SO3 浓度低于1 ppm。

(2)脱硫后经二次除尘器去除。因可凝结颗粒物粒径很小,常规除雾器对其去除效果较差,又因脱硫后烟气湿度很大,袋式除尘器难以直接应用,国内外多选用湿电除尘器去除脱硫后的可凝结颗粒物。从原理来看,湿电除尘器对可凝结颗粒物应该具有较好的去除效果。事实上,在我国引进该技术时,国外技术方也宣称其对于可凝结颗粒物有70%的去除率。然而,当湿电除尘器投运后,测试结果显示可凝结颗粒物去除率普遍不高。例如,上海长兴岛项目公开数据显示,其湿电除尘器对可凝结颗粒物的去除率仅为3.5%。

(3)脱硫后冷却烟气,促进颗粒物长大,再经二次除尘器去除。为弥补现有湿电除尘器对于亚微米颗粒物去除率低的问题,很多研究提出了在脱硫后对烟气进行冷却,从而利用凝结增长促进颗粒物长大,最后进行二次除尘器的去除。依据此技术路线开发了凝变除湿复合深度净化技术。2014 年,国电常州电厂1#机组应用该技术,湿法脱硫后净烟气经氟塑料换热器冷却2℃,促进可凝结颗粒物的长大,再经湿电除尘器。

(4)脱硫后依据大气物理云内去除机理直接去除。依据亚微米粒子在大气中的云内去除机理,充分利用可凝结颗粒物的冷凝凝结增长、碰并增长、粘性拖曳、热泳团聚等手段,开发了专用于可凝结颗粒物去除的“云除技术”。该技术能够实现对于可凝结颗粒物的高效去除,去除率接近70%。

3 云除技术机理及应用概况

3.1 技术机理

大气中颗粒物主要有两种自净机制:干沉降和湿沉降。干沉降是指颗粒物通过重力沉降、湍流扩散和碰撞等物理传输而被植物、建筑物和地面土壤捕获(表面吸附或吸收)的过程,而湿沉降是指作为云或雾凝结核伴随云滴或雾滴沉降的过程。

湿沉降包括云内清除和云下清除两个阶段。云下清除指的是雨滴在降落过程中,通过惯性碰并过程和布朗扩散作用俘获气溶胶质粒,使之从大气中清除,主要对粗模态颗粒有效。云内清除是指颗粒物充当云凝结核,凝结增长,通过布朗运动、泳移或惯性碰并过程,在云内清除大量颗粒物,主要是半径大于0.1 μm的较大质粒和爱根核,且随着过饱和度的加大,清除率会获得更大提升。

湿法脱硫后的净烟气通常为近饱和湿烟气,可凝结颗粒物多满足凝结核的条件,可依据大气物理中的云内清除机理,结合燃煤烟气脱硫除尘设备的特点,开发出专用于净烟气去除细颗粒物的云除系统,减排可凝结颗粒物、可溶性盐、水分,有效消除蓝烟、白烟。

云除系统主要包括热泳碰并器和水平除雾器,二者在净烟道内串联布置。利用热泳碰并器处理高湿度净烟气,其高密度翅片管结构有利于形成边界层,而且金属翅片导热性能强,作为冷却器,可在翅片表面与净烟气间形成较大的温度梯度,利用热泳力推动可凝结颗粒物向翅片表面沉降。此外,对高湿度净烟气进行降温,会导致水蒸汽凝结,既可以在翅片表面与净烟气间形成蒸汽压梯度,产生蒸汽压梯度力,与热泳力结合,共同推动可凝结颗粒物向翅片表面沉降,同时又可在翅片管外表面形成冷凝水膜,沉降的可凝结颗粒物溶于水膜从而减少二次携带。

净烟气通过热泳碰并器仍会形成一定量的液滴携带,逃逸液滴粒径较大(通常大于20 μm),可在后面的水平除雾器中被拦截,保证高湿度净烟气中的可凝结颗粒物的高效去除。

3.2 应用概况

2016 年12 月,对廊坊某65 t/h 供暖锅炉使用云除系统前后的可过滤颗粒物排放浓度、重金属排放浓度进行检测,检测结果如图2 所示。“云除前”代表云除技术使用前的颗粒物浓度,“云除后”代表经过云除技术后的颗粒物浓度,两者之差为云除系统去除的颗粒物浓度。检测结果显示,云除系统对颗粒物的去除率在46% ~79%,平均去除效率约为61.7%,出口颗粒物浓度在1 mg/Nm3 以下。


云除系统对于重金属同样具有较好的去除效果。如图3 所示,云除技术对于汞的整体去除率可以达到50%以上,主要是气态汞(纳米级细颗粒态汞)。此外,对铬、砷、硒、镉、铅的去除率分别为14.2%、24.3%、48.5%、4.9%、14.5%。研究发现,云除系统对于重金属的去除率与重金属沸点有关,沸点越低,去除率相对越高。


2017 年11 月,云除技术在陕西某发电厂300MW 发电机组进行中试。依照EPA Method 202,检测显示该机组湿法脱硫后的可凝结颗粒物浓度可达20 mg/Nm3 左右,云除系统可以有效地去除可凝结颗粒物,去除率接近70%,其中对于可凝结颗粒物有机组分的去除率(约80%)高于可凝结颗粒物无机组分(约50%),如图4 所示。


综上分析,云除技术对粉尘的去除率可以达到60%以上,对可凝结颗粒物的去除率接近70%,脱汞率可达50%以上。

4 结论与建议

本文详细阐述了烟羽、雾、白烟、蓝烟、有色烟羽、可凝结颗粒物、可溶性盐等概念和相关形成机理,揭示了其差异之处。同时,总结了国内外可凝结颗粒物管控技术现状。此外,以云除技术为例,介绍了当前我国可凝结颗粒物治理技术的发展概况及趋势。

一般来说,可凝结颗粒物浓度高、粒径小、吸附能力强、危害大,是重要的实际大气污染贡献成分。考虑到其浓度值较高,可凝结颗粒物的治理应该成为后超低排放时代重污染区域雾霾治理的工作重点。

为更好地推进可凝结颗粒物治理与管控,建议采取如下具体措施:

(1)在国家层面,尽早出台适合我国国情的可凝结颗粒物的检测标准。

(2)在东部经济发达地区,率先开展电力、钢铁、焦化等行业有色烟羽治理行动,并以可凝结颗粒物或SO3 等特征指标的减排效果作为有色烟羽治理成效的评价指标。

(3)在相关行业协会或技术管理部门收集有色烟羽治理项目信息,及时进行效果检测及技术评估。

(4)以检测、评估结果为基础,适时将可凝结颗粒物或SO3 等特征指标纳入未来超低排放标准体系。

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