我國燃煤電廠SO3和可凝結(jié)顆粒物控制存在的問題與建議

大氣網(wǎng)訊:摘要：我國煤電超低排放改造已實(shí)現(xiàn)2017年電力行業(yè)煙塵、SO2和NOx排放量僅占排放峰值的7%、9%和11%。燃煤電廠排放的顆粒物有兩種類型:一類是目前我國排放標(biāo)準(zhǔn)中已監(jiān)控的可過濾顆粒物,另一類是我國尚無標(biāo)準(zhǔn)控制的可凝結(jié)顆粒物。應(yīng)通過控制煙氣中的SO3實(shí)現(xiàn)對可凝結(jié)顆粒物的控制,盡快針對燃煤電廠的濕煙氣特點(diǎn),制定SO3監(jiān)測的方法標(biāo)準(zhǔn)和SO3排放標(biāo)準(zhǔn)。充分發(fā)揮現(xiàn)有煙氣治理設(shè)施中的低低溫電除塵器、濕式電除塵器、濕法脫硫?qū)O3的協(xié)同脫除作用,可以將SO3控制在5mg/m3以下。采用煙氣加熱方式消除白色煙羽會增加污染物排放。

截至2018年第三季度末，我國實(shí)現(xiàn)超低排放的煤電機(jī)組達(dá)7.5億kW，占全部煤電機(jī)組的75%以上，已建成全球最大的清潔煤電供應(yīng)體系。煤電超低排放的環(huán)境效益日益顯現(xiàn)：2017年全國火電發(fā)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(yù)，為改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量做出了巨大貢獻(xiàn)。但打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)還未取得根本性勝利，仍是目前的首要任務(wù) 。火電行業(yè)在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，應(yīng)進(jìn)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(jìn)一步治理，如何治理，不僅是一個重要的科學(xué)問題，更是一個重大的現(xiàn)實(shí)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(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，標(biāo)志著燃煤電廠超低排放的正式實(shí)施[5] 。燃煤電廠沒有實(shí)施超低排放改造前，SO2排放標(biāo)準(zhǔn)相對寬松，石灰石-石膏濕法脫硫設(shè)施能夠做到達(dá)標(biāo)排放，但普遍存在石膏雨現(xiàn)象，在人口密集區(qū)還會引起居民糾紛。由于國外濕法脫硫均未出現(xiàn)過石膏雨，屬于國內(nèi)特有現(xiàn)象，主要是由于工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理不當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)》(DB31/963—2016)中，增加了“燃煤發(fā)電鍋爐應(yīng)采取煙溫控制及其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現(xiàn)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(fā)布了《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB33/2147—2018)，出臺了與上海市類似的規(guī)定，強(qiáng)調(diào)位于環(huán)境空氣敏感區(qū)的燃煤電廠應(yīng)采取煙溫控制或其他有效措施消除石膏雨、有色煙羽等現(xiàn)象。

2018年6月，天津市發(fā)布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB12/810—2018)，要求對煙氣進(jìn)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(jié)顆粒物的排放。

2018年，河北省大氣污染防治工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室(以下簡稱“大氣辦”)印發(fā)的《河北省鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅(jiān)方案》、唐山市大氣辦印發(fā)的《唐山市鋼鐵、焦化超低排放和燃煤電廠深度減排實(shí)施方案》、邯鄲市大氣辦印發(fā)的《邯鄲市鋼鐵、焦化、燃煤電廠深度減排攻堅(jiān)方案》、衡水市大氣辦印發(fā)的《關(guān)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(jìn)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(jié)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(yán)格限制在5mg/m3 、25mg/m3 和30mg/m3 ;衡水市明確規(guī)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(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)全市燃煤發(fā)電企業(yè)煙氣綜合治理的通知》，要求燃煤發(fā)電公司盡快進(jìn)行煙氣排放系統(tǒng)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(zhèn)江市人民政府下發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)全市燃煤發(fā)電企業(yè)實(shí)施煙氣綜合治理的通知》，也是采用先冷凝后加熱技術(shù)。

由此可見，上海市出臺地方標(biāo)準(zhǔn)的目的是在超低排放改造過程中一并解決脫硫系統(tǒng)原先存在的石膏雨、有色煙羽問題;天津市的地方標(biāo)準(zhǔn)是要求對煙氣進(jìn)行冷凝處理，進(jìn)一步減少可凝結(jié)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(shí)上，滿足超低排放的燃煤電廠不可能出現(xiàn)石膏雨，否則其顆粒物無法達(dá)到超低排放。

采用先冷凝后加熱的方式對煙氣進(jìn)行治理，其目的都有減少可凝結(jié)顆粒物的需求，但可凝結(jié)顆粒物的測試方法、排放標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)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(jié)顆粒物的定義及二者之間的關(guān)系，明確排放與監(jiān)控要求，這才是政策精準(zhǔn)發(fā)力的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 SO3和可凝結(jié)顆粒物定義及關(guān)系

我國對燃煤電廠顆粒物排放水平的測試，其依據(jù)均源自《固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)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(nèi)外的測試標(biāo)準(zhǔn)中梳理SO3和可凝結(jié)顆粒物的定義，厘清二者之間的關(guān)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(tài)，SO3極易與水結(jié)合形成硫酸，因此煙氣中的SO3全部以H2SO4形式存在 。當(dāng)煙氣溫度低于硫酸蒸汽的露點(diǎn)(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(dǎo)致硫酸霧的出現(xiàn);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(jié)果均與測試方法密切相關(guān)，表1列出了國內(nèi)外SO3的測試方法標(biāo)準(zhǔn)及測試對象。

從表1可以看出，國內(nèi)外對煙氣中SO3的測試方法并不統(tǒng)一，采用不同的測試標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)果存在一定差異，有時可能還相差很大。

2.2 可凝結(jié)顆粒物的定義及測試方法

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

從EPA的定義可以看出，可凝結(jié)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(jié)顆粒物進(jìn)行捕集。

與SO3測試中控制冷凝的方法不同，可凝結(jié)顆粒物采樣系統(tǒng)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(jié)顆粒物前端可根據(jù)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(jié)顆粒物之間的關(guān)系

煙氣中SO3、可凝結(jié)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(jié)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(jìn)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(shí)具有可凝結(jié)顆粒物屬性，即在煙道內(nèi)是蒸汽態(tài)，排入大氣環(huán)境后因冷凝或與其他陽離子發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鹽而成為液態(tài)或固態(tài)顆粒物。盡管不同測試方法的測試對象有所不同，但測試結(jié)果均表明煙氣中的SO3是可凝結(jié)顆粒物中最主要的組成部分，可凝結(jié)顆粒物中的SO2-4占離子總量的比例高達(dá)81.67%，占陰離子總量的比例高達(dá)86.76% 。目前，煙氣中SO3的測試已有在線監(jiān)測儀器，但可凝結(jié)顆粒物的測試尚無在線監(jiān)測技術(shù)。

3 SO3和可凝結(jié)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(huán)保部門尚未對煙氣中的可凝結(jié)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(jié)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(xì)粒子”“超細(xì)顆粒物”等各種概念見諸媒體及相關(guān)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(guān)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(tài)為主，占99.95%以上，氣態(tài)水中不含鹽，只有液態(tài)水溶液中才含有“溶解鹽”，即溶解固形物。由于液態(tài)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(xiàng)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(guān)，而且與水溶液的pH 值密切相關(guān)，如煙氣中未反應(yīng)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(dǎo)致結(jié)果相差很大，如有些測試是直接對煙氣進(jìn)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(jù)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(jié)顆粒物兩類。上述各種“鹽”的分析與測試，本質(zhì)上都屬于這兩類顆粒物。可過濾顆粒物就是目前我國標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒物，對于超低排放燃煤電廠，執(zhí)行的是全世界最低的排放限值10mg/m3。對于可凝結(jié)顆粒物，世界各國均沒有排放標(biāo)準(zhǔn)，主要是通過控制煙氣中SO3來實(shí)現(xiàn)對可凝結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。

3.2 排放要求與監(jiān)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(jié)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(qū)所有文件中均未明確污染物的排放控制要求，更無監(jiān)測方法的相關(guān)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(jiān)測方法標(biāo)準(zhǔn)，各單位開展的監(jiān)測

基本上均屬于研究性監(jiān)測，監(jiān)測方法、監(jiān)測對象尚未統(tǒng)一?？紤]到大氣中的環(huán)境行為，建議監(jiān)測煙氣中以H2SO4形式存在的SO3，無需監(jiān)測被飛灰吸附生成的硫酸鹽。

3.3 現(xiàn)有設(shè)施對SO3協(xié)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(xiàn)了“藍(lán)煙”現(xiàn)象。因?yàn)镾CR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(qiáng)，使得煙羽呈現(xiàn)藍(lán)色。此后，為了控制藍(lán)色煙羽，濕式電除塵器在美國電廠得到應(yīng)用。

對SO3具有明顯協(xié)同減排效果的煙氣治理設(shè)施包括低低溫電除塵器、濕式電除塵器、電袋復(fù)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(shè)施協(xié)同脫除。因此，低低溫電除塵器必須運(yùn)行在酸露點(diǎn)溫度以下，其協(xié)同脫除效果才會明顯，脫除效率可以達(dá)到80%以上。事實(shí)上，現(xiàn)在有不少電廠的低低溫電除塵器運(yùn)行在酸露點(diǎn)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?qū)O3的脫除效果與硫酸小液滴的大小及煙氣流速密切相關(guān)，脫除效率與工藝及參數(shù)密切相關(guān)，如不同工藝的石灰石-石膏濕法脫硫?qū)O3的協(xié)同脫除效率可從16.3%變化到86.9% 。

上海市6個電廠6臺機(jī)組SO3全流程的測試結(jié)果表明，只要充分發(fā)揮好現(xiàn)有煙氣治理設(shè)施協(xié)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(jìn)行冷凝 。煙氣冷凝與濕式電除塵器結(jié)合對SO3的脫除效率可高達(dá)90%，煙氣冷凝與高效除霧器結(jié)合對SO3的脫除效率可高達(dá)75.8%。是否需要采用煙氣冷凝方式進(jìn)一步脫除以SO3為主的可凝結(jié)顆粒物，主要取決于煙氣中SO3濃度的排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 煙氣加熱無法消除藍(lán)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(lán)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(dǎo)致污染物排放量的增加?？梢?，從減少大氣中PM2.5等污染物的角度出發(fā)，不應(yīng)對煙氣進(jìn)行加熱以消除白色煙羽。

藍(lán)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(lán)色煙羽，因?yàn)闊煔庵械腟O3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(dāng)煙氣溫度大于500℃時，煙氣中的SO3才全部以氣態(tài)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(jié)論與建議

燃煤電廠超低排放大幅減少了電力行業(yè)顆粒物、SO2和NOx的排放，為我國大氣環(huán)境質(zhì)量改善做出了巨大貢獻(xiàn)。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(biāo)準(zhǔn)中已監(jiān)控的可過濾顆粒物，另一類是我國尚無標(biāo)準(zhǔn)控制的可凝結(jié)顆粒物。一些報道及研究中關(guān)于煙氣中排放“鹽”偏高的結(jié)果，是由于監(jiān)測方法不當(dāng)，煙氣中可過濾顆粒物、SO2 、NO2、CO2等溶解在凝結(jié)水中并相互反應(yīng)造成的。

燃煤電廠可凝結(jié)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(yīng)生成硫酸鹽。國內(nèi)外不同監(jiān)測方法針對的SO3對象有所不同?，F(xiàn)有煙氣治理設(shè)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(xié)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(lán)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(jié)顆粒物的排放，更不能消除藍(lán)色煙羽。相反，由于能耗增大會增加污染物的排放。

從技術(shù)角度，建議國家盡快針對我國燃煤電廠的濕煙氣特點(diǎn)，抓緊研究濕煙氣中SO3和可凝結(jié)顆粒物的賦存形式、監(jiān)測方法與控制技術(shù)，并進(jìn)行工程示范;系統(tǒng)研究超低排放條件下，現(xiàn)有煙氣治理設(shè)施對煙氣中SO3和可凝結(jié)顆粒物的協(xié)同脫除效果與影響因素，弄清不同治理設(shè)施對SO3和可凝結(jié)顆粒物的脫除機(jī)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(kuò)散規(guī)律及其環(huán)境影響。

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