燃煤烟气与PM2.5

1燃煤烟气与PM2.5马果骏2012.62自我介绍马果骏国电环境保护研究院，教授级高工，东南大学兼职教授，联合国WHO援华项目主任，联合国ESCAP组织项目专家，世界银行烟气脱硫项目顾问1983年赴美，作为访问学者在美学习、工作1985年至今从事烟气脱硫脱硝工程和咨询工作参与、负责多个烟气脱硫项目工程•下关电厂、钱清电厂、望亭电厂.......手机：[phone]E-mail:[e-mail]3内容PM2.5的基本概念；燃煤烟气排放与PM2.5；ESP与PM2.5；布袋除尘器与PM2.5；湿式除尘器与PM2.5；可凝结PM2.5的脱除；小结4PM2.5问题将引发一场“空气革命”5PM2.5的定义PM是ParticleMatter的缩写；PM2.5：空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物；空气动力学当量直径：是表述粒子运动的一种假想粒径，其定义为：单位密度（ρ0=1g/cm3）的球体，在静止空气中做低雷诺数运动时，达到与实际粒子相同的最终沉降速度时的直径。6PM2.5与头发丝7PM2.5的形成PM2.5来自于自然和人为的污染源；PM2.5不是一种单一成分的空气污染物，是由大l量不同化学成分组成的一种复杂而又可变的大气污染物；PM2.5的主要成分是硫酸、硫酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵、元素碳（NP）和有机碳（BP）由污染源直接排出的PM2.5成为“一次粒子”；由污染源排出的气态污染物经过冷凝或在大气中发生复杂的化学反应而生成的PM2.5称为“二次粒子”。8环境大气PM粒径分布9PM2.5的组成PM2.5随地域、气候和气象条件的变化很大；为保障2008年北京奥运会空气质量开展的“北京市空气质量达标战略研究”表明，北京市的PM2.5的组成：•29%工业燃煤•15%生物质燃烧•13%二次硫酸盐•10%机动车•9%二次硝酸盐•8%扬尘•16%其它10北京PM2.5主要来源11PM2.5的组成12美国PM2.5的组成13PM2.5对健康的危害PM2.5可被直接进入人体肺泡，又称可入肺颗粒物；PM2.5会引起三种呼吸系统的疾病：•PM2.5作为病毒、病菌的载体，引起感冒、肺结核和肺炎；•PM2.5会引起呼吸系统的过敏，如哮喘病、肺泡炎；•PM2.5会引起免疫力降低，增加肺癌的发生率。14PM2.5对大气能见度的影响大气能见度是有大气中颗粒物对光的散射和吸收决定的；如果完全没有颗粒物，大气分子对光的散射是很小的，能见度可达到100-300km；在极干净的城空气中能见度可以达到30km；当大气能见度下降到10km，大气的相对湿度低于80%时，定义为霾；15PM2.5对大气能见度的影响在大气的气溶胶中，主要是0.1-1.0μ的颗粒的散射降低了物体与背景之间的对比度，造成了能见度的下降；在此范围的PM2.5主要是硫酸盐和硝酸盐；PM2.5对光的吸收主要是炭黑和含有炭黑的颗粒物引起的。炭黑的排放量只占颗粒物排放的0.2-1%，但是其消光效应很强，在某些地方可以是能见度下降一半以上。16PM2.5对大气能见度的影响17PM2.5对大气能见度的影响18PM2.5对大气能见度的影响19燃煤烟气和PM2.5燃煤烟气对PM2.5的贡献，根据地域不同约在10%-25%之间；燃煤烟气排放的特点：•固定点源；•烟气排放量大；•有组织排放；•可控排放；合理推论：燃煤企业又将成为严控“领头羊”。20燃煤烟气和PM2.5由燃煤烟气排放的PM2.5可分为：•可过滤颗粒（一次PM）；机械性颗粒；颗粒较大，1-2.5μ；•可凝结颗粒（二次PM）；气体、蒸汽状态；在环境中生成二次PM可过滤颗粒与可凝结颗粒的比例约为1:3（1:1？）21燃煤烟气PM2.5的控制技术目前没有专门针对PM2.5的控制技术•工业部门现有的、已成熟运行的APC都有脱除PM2.5的能力；•WESP是以控制细颗粒、SO3和Hg为目的的专用APC设备。22ESPESP的脱除效率与颗粒粒径的关系；美国EPA在其“静止源控制技术导则”中对ESP的效率做了如下描述：•静电除尘器可以捕集99%以上的所有粒径的颗粒；•ESP的总体捕集效率一般取决于那些细粒子，尤其是0.2-2μ，的分级捕集效率；•一般来说，ESP最难捕集的是空气动力学直径在0.1-1.0范围的粒子。直径为0.2-0.4μ的粒子的穿透率最大。23ESP无论是ESP还是布袋除尘器，只能脱除可过滤颗粒，对可凝结颗粒无能为力！ESP能有效地脱除PM2.5（98%）；ESP对于粗颗粒粉尘有更高的脱除效率；ESP出口烟气中PM2.5的比例比入口高；ESP的除尘效率越高，PM2.5的脱除效率提高越显著。24ESP表1ESP对各种工业炉烟气PM的总脱除率、PM10和PM2.5脱除效率25ESPESP除尘效率为99.65%时，PM2.5的脱除效率为98.4%；ESP除尘效率提高到99.88%时，PM2.5的脱除效率为99.26%；ESP除尘效率提高0.23%，PM2.5的脱除效率提高0.86%；因此尽量提高ESP除尘效率是降低PM2.5排放的措施之一。26ESP除尘效率与PM2.5排放的关系27改造ESP脱除PM2.5烟气调质（除了SO3调质之外）；提高ESP除尘效率（脉冲电源）；凝并技术:•电凝并（Indigo）•蒸汽凝并•其它凝并技术：磁凝并、声凝并等AdvancedHybridFilter技术；COHPAC（电袋除尘器）WESP湿式电除尘器28Indigo细颗粒控制系统29Indigo细颗粒控制系统Indigo凝并器在澳大利亚开发，目的是为降低燃煤锅炉烟羽的可见度；Indigo包括2部分：双极荷电器和混合区；与ESP不同的是在双极荷电器内有多个交错排列的分别带正负电场的通道，颗粒通过通道后会分别带上正负电荷；在下游的混合区中带异电荷的细颗粒会相互凝并成为大颗粒，这样会更易被ESP脱除。30Indigo细颗粒控制系统31Indigo细颗粒控制系统Crynack(2004)报告在美国Watson电厂的250MW燃煤锅炉上，安装Indigo后PM2.5的排放有所降低；Indigo安装在两条平行烟道中的一个上，以便进行对比；对于美国的西部和东部煤。Indigo都显示了很明显的脱除作用；32Indigo细颗粒控制系统颗粒直径小于5μ的排放降低了2/3；烟气浊度降低2/3；总的烟气颗粒的质量排放降低1/3；没有Indigo通道1μ颗粒的穿透率是15%，而Indigo通道的穿透率是3%；粒径小于2.5μ的颗粒的质量排放降低了75%参见下表33Indigo细颗粒控制系统安装Indigo凝并器后的性能比较A不安装B:安装34AdvancedHybridFilter™35AdvancedHybridFilter™AdvacedHybrid™是一种复合电袋技术；内部结构是ESP构件（放电电极、和多孔极板）与布袋交错排列（如图）；原烟气进入后，大部分粉尘被ESP收集，少部分透过多孔极板后被布袋除尘器收集；除尘器的布袋上有Gore-Tex®涂料涂覆，并采用脉冲吹洗；当布袋在吹洗时飞出的粉尘，会被ESP收集，减少了冲洗时粉尘的排放；Gerbert（2004）报告，在美国BigStone电厂的全容量试验中，除尘效率为99.99%，而原来的ESP的除尘效率为99.5%36WESP干式ESP的问题：•在输入电压电流增加是会产生过多的火花和反电晕，对于燃低硫煤产生的高比电阻飞灰问题更加严重；•ESP在低温下运行可以提高对可凝结颗粒的脱除效率，但是会造成ESP的腐蚀；湿式ESP（WESP）是解决问题的方法之一:•ESP的收集极板表面为液膜；•WESP安装在WFGD与烟囱之间或是在WFGD洗涤塔的顶部37WESP在美国燃煤电厂从1986年开始就使用WESP了，目前已经在1000MW的电厂中运行；Farber（2004）报告WESP的功率密度（2W/acfm）可以达到干式ESP（0.1-0.5W/acfm）的4-20倍；WESP可以非常有效地脱除烟气中的硫酸气溶胶（90%+）。38WESP最新的进展是采用膜式极板•用织物代替金属极板；•优点：水膜分布均匀；不采用合金，价格低廉；利用毛细管现象吸水和除去收集到的颗粒，无需喷淋；•缺点：容易起火39WESP40WESP安装在SSCC水泥窑上的WESP41WESP运行5000小时的结垢情况42WESP运行5000小时后的结垢情况43WESP44WESP45布袋除尘器Lillieblad等（2003）对一个芬兰燃煤电厂的高气布比的布袋除尘器的PM2.5和汞排放进行了测试；布袋材质为有PTFE涂层的PPS（聚苯硫醚），已使用了31,000小时，状况良好；试验结果如表5-2所示。46布袋除尘器47布袋除尘器Lillieblad的测试结果：•布袋除尘器出口的烟气中，PM1.0为3-6%，PM2.5为15-20%，PM10为79-88%；•布袋除尘器出口的颗粒尺寸分布与ESP出口有很大的区别。ESP的出口颗粒分布的平均直径比较大，而且亚微米级的颗粒很少（见图）；•被测试的布袋除尘器的亚微米级颗粒排放的增加是由于布袋的覆膜具有约0.4μ直径的小孔的缘故（见图）48布袋除尘器49布袋除尘器图布袋除尘器收集粗颗粒飞灰的电子显微镜图像注：图中小圆形为布袋覆膜上的小孔，直径为0.4μ50布袋除尘器图布袋除尘器收集的细颗粒飞灰的电子显微镜图像注：细颗粒飞灰呈凝并状态51布袋除尘器Lillieblad的结论是：•在正常的锅炉运行工况下，即使布袋材质已经使用了31,000小时，粉尘排放浓度仍可达到15mg/Nm3；•与ESP相比，布袋除尘器出口飞灰中的PM1.0和PM2.5的份额明显要低，这说明布袋除尘器的，很低的由于覆膜的小孔引起的泄漏，对于排放粉尘浓度的影响很小；•在烟囱排放口的PM1.0、PM2.5和PM10的质量比大约为5%、15%和80%；•布袋除尘器的捕集效率在颗粒直径为0.2-3μ范围内，大约为99.5%。52布袋除尘器美国GE公司对三种典型的滤料进行了PM2.5通透性试验；•PC008：PPS毡料，微焦整理•RY025：PPS/P84混合纤维，带PTFE涂层•QR003：PPS纤维，带BHA-TEX（ePTFF）覆膜53布袋除尘器54布袋除尘器PC008，材质：PPS55布袋除尘器RY025材质：PPS/P84混合纤维，外涂PTFE56布袋除尘器QR033材质:PPS带有BHX-TEX材料的ePTFE覆膜57布袋除尘器三种不同滤料的PM脱除效率58布袋除尘器59布袋除尘器GE对布袋滤料试验的结论：•常规的针刺毡料对于PM2.5有很好的脱除能力，但是运行对脱除效率有很大的影响；建议布袋除尘器运行在一个很窄的差压窗口：12-25mm水柱；新的除尘器在建立起要求的差压之前，不应清灰；60布袋除尘器•ePTFF覆膜能极大程度降低可过滤颗粒的排放，对PM2.5的排放要求很容易达到。覆膜滤料对于异常工况有更大的宽容度；•覆膜滤料应始终在一个相对恒定的差压下运行，以免细颗粒在膜下面的纤维上积聚起来。61布袋除尘器布袋除尘器在燃煤电厂锅炉使用业绩62湿式洗涤除尘器湿式洗涤除尘器主要用在小热电、冶金和石化部门的工业锅炉上；烟气脱硫的湿法洗涤器对于PM2.5的脱除效率不高；这里的讨论主要针对文丘里洗涤器。63湿式洗涤除尘器对于文丘里洗涤器，压降和喉速是除尘效率的关键运行参数；根据文丘里洗涤器的设计曲线，对于平均动力学当量直径为0.5μ的颗粒：•文丘里压降为7.5kPa时，预计除尘效率为97%；•文丘里压降为10kP时，预计的除尘效率为97%；•文丘里压降为12.5kP时，预计的除尘效率为99%；64湿式洗涤除尘器文丘里洗涤器对大于2μ的颗粒的预期除尘效率可达到99.9%；压降为10kPa时，对0.5μ的脱除效率为97%，而对0.1的脱除