劉晉宏, 孔少飛, 馮韻愷, 嚴 沁, 覃 思, 劉 璽, 牛真真, 鄭淑睿, 吳方琪, 姚立全, 曾 昕, 燕瑩瑩, 祁士華

(1. 中國地質大學(武漢) 生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074; 2. 中國地質大學(武漢) 環(huán)境學院, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

燃煤電廠是大氣顆粒物的主要排放源[1-2], 其排放的一次顆粒物及組分對氣候變化、人體健康和區(qū)域空氣污染均產生不利影響[3-4]。作為不完全燃燒的產物, 黑碳(BC, black carbon)是大氣顆粒物中的一種強吸光組分, 能降低大氣能見度[5], 并危害人體健康[6]。對燃煤電廠排放顆粒物及黑碳的量進行準確估算, 是開展相關氣候、環(huán)境和健康效應模擬的基礎。

前人對燃煤電廠排放一次顆粒物[7-8]和黑碳清單[9-10]已開展了較多研究。生態(tài)環(huán)境部推薦了燃煤電廠一次顆粒物參考排放因子和BC/PM2.5比值[11], 并被廣泛應用[12-13]。當前燃煤電廠清單估算中, 一次顆粒物和組分的排放量仍存在較大不確定性, 其最主要原因是排放因子和組分比值選擇的不確定性[14-17], 如文獻中報道燃煤電廠細顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)排放不確定性范圍分別是?65.43%～62.99%和?26%～30%[17-18]。BC/PM2.5比值在用于黑碳來源識別研究中, 存在不同源排放相應值的重疊[19]; 該比值在應用于黑碳清單構建過程中, 也存在選擇的不確定性[20]。因而亟需通過持續(xù)的實測研究, 更新和完善燃煤電廠一次顆粒物排放因子和組分比值。

當前有部分學者開展了燃煤電廠一次顆粒物排放特征及污染控制措施對顆粒物去除效率的研究。楊建軍等[21]實測獲得多個燃煤電廠 PM2.5和PM10的比值和排放因子; 部分研究根據(jù)物料平衡法獲得燃煤電廠SO2、NOx、顆粒物(PM)和CO2排放因子[18,22,23]; 也有學者通過實測研究了燃煤電廠干式靜電除塵器(ESP)[24-28]、濕式靜電除塵器(WESP)[29]和濕法煙氣脫硫(WFGD)[30]對顆粒物排放及分粒徑顆粒物去除效率[7]的影響; Peiet al.[31]實測了上海市3 個燃煤鍋爐PM2.5和可過濾顆粒物(filterable particle matter, FPM)的質量濃度和PM2.5/ FPM 比值。前人實測研究缺乏對燃煤電廠一次顆粒物實時排放特征的觀測。

近年來隨著我國燃煤電廠超低排放改造的推進, 火電行業(yè)超低排放改造已經(jīng)達到 8.1 億千瓦, 改造比例達到80%[32]。常用的改造類型有優(yōu)化選擇性催化還原裝置(SCR)、升級干式靜電除塵器、升級濕法煙氣脫硫或增加脫硫除塵一體化裝置[33]。這些措施和裝置會改變燃煤電廠污染物排放特征, 需要通過實測對氣排放因子和組分比值予以更新。Chenet al.[8]利用稀釋通道采樣系統(tǒng)和離線濾膜采樣方法, 對某典型超低排放電廠排放 PM2.5、有機碳、和元素碳的質量濃度以及排放因子進行了研究; 阮仁暉等[34]利用荷電低壓撞擊采樣器和離線濾膜采樣方法, 研究了不同污染控制措施對某超低排放燃煤電廠排放不同粒徑顆粒物的脫除效率; 鄧建國等[35]通過離線采樣, 分析了某超低排放燃煤電廠污染控制措施對可凝結顆粒物排放的影響和水溶性離子組成。但上述研究未描述超低排放燃煤電廠排放不同粒徑顆粒物及顆粒物組分的日變化。有學者利用燃煤電廠連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)數(shù)據(jù), 分析燃煤電廠煙塵排放的日變化特征。如Liuet al.[33]基于17 個電廠的38 臺機組(包括10 種超低排放污染物控制組合)連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù), 研究指出電廠排放顆粒物具有明顯的小時變化; Chenet al.[15]基于上海13 家超低排放燃煤電廠33 臺機組連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)研究表明, 顆粒物排放的日變化特征呈雙峰型, 高值出現(xiàn)在09: 00～11: 00 和19: 00～ 21: 00兩個時間范圍。需要指出的是, 連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測的是煙塵, 但當前文獻中對于燃煤電廠排放細顆粒物、亞微米顆粒物及顆粒物組分的在線監(jiān)測研究尚未見報道, 限制著高時間分辨率一次顆粒物及組分排放清單的構建[15,33]。

綜上所述, 亟需對超低排放燃煤電廠不同粒徑一次顆粒物及顆粒物組分的排放特征展開實測研究?；诖? 本研究擬采用稀釋通道采樣方法, 結合在線監(jiān)測儀器, 選擇某典型超低排放燃煤電廠, 對其排放不同粒徑顆粒物(PM10、PM2.5和PM1.0)及PM2.5中黑碳開展在線監(jiān)測, 獲得各污染物實時排放質量濃度, 更新各污染物排放因子, 分析PM1.0/PM2.5、PM2.5/PM10和BC/PM2.5比值, 為燃煤電廠大氣一次顆粒物和黑碳高時間分辨率排放清單構建提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗與方法

1.1 觀測點位和方法

本研究選擇的燃煤電廠已實行超低排放技術改造, 采取的污染控制措施包括選擇性催化還原裝置、干式靜電除塵器和石灰石-石膏濕法脫硫裝置。該電廠燃煤收到基灰分為 34.7%, 收到基全硫為0.9%, 低位發(fā)熱量為25.62 MJ/kg。表1 為該電廠基本情況。

圖1 為該燃煤電廠工藝流程與采樣示意圖。測試期間燃料類型及其煤質組成不變, 鍋爐負荷、脫硝、除塵及脫硫設施運行正常。采樣時煙槍從煙囪檢測口進入煙道, 同時將采樣口周圍密封。采樣口距離地面8 m。進氣系統(tǒng)由等速采樣嘴、采樣槍、采樣管和干燥器等組成。采樣過程中, 采樣嘴進口方向與煙氣管道氣流方向相對, 煙氣進入采樣嘴的流速與煙道煙氣流速一致。該燃煤電廠檢測口煙道直徑為3.34 m, 煙氣流速為(12.1±1.1) m/s。

稀釋系統(tǒng)由空氣壓縮機、過濾器、二級稀釋器、停留倉及管路等組成[36]。由于濕法煙氣脫硫增加了煙氣的相對濕度[37], 實驗過程發(fā)現(xiàn)煙氣中存在大量的水滴。本研究所用Grimm180 顆粒物監(jiān)測儀利用光散射法原理測定顆粒物濃度, 測定結果受濕度影響較大[38]。在監(jiān)測過程中, 采用四周裝有硅膠的干燥器對煙氣進行干燥處理, 已有的冷凝水在干燥器底部被收集, 以使Grimm180 監(jiān)測儀能夠正常運行。如圖1 所示, 干燥過程中, 煙氣氣流不通過硅膠, 盡可能降低管路中的顆粒損失。煙氣稀釋倍數(shù)設定為10 倍, 停留倉用于煙氣和清潔空氣充分混合, 停留時間約為3.2 s。稀釋后的煙氣用于監(jiān)測不同粒徑顆粒物和黑碳。監(jiān)測系統(tǒng)包括Grimm180 顆粒物監(jiān)測儀、AE-33 型黑碳儀、筆記本電腦以及管路等。

1.2 監(jiān)測設備

1.2.1 PM10、PM2.5和PM1.0質量濃度監(jiān)測

本研究利用德國Grimm180 型顆粒物監(jiān)測儀實時測定PM10、PM2.5和PM1.0的質量濃度[39-40], 儀器采用光散射原理, 時間分辨率為1 min。因為60%以上相對濕度對光散射法監(jiān)測顆粒物存在較大影響[41-42], 故實驗過程設置干燥器對經(jīng)過的煙氣進行干燥, 保證該設備穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)可靠。

1.2.2 黑碳質量濃度監(jiān)測

利用美國Magee 公司生產的AE-33 型黑碳儀獲得黑碳實時排放的質量濃度, 時間分辨率為1 min。設備經(jīng)自動校準, 設定采樣流量為5.0 L/min, 配備PM2.5切割頭。兩個平行采樣通道以不同的加載速率同時收集氣溶膠。結合兩種平行分析的數(shù)據(jù), 消除載荷效應, 通過7 個測定波長通道(370 nm、470 nm、520 nm、590 nm、660 nm、880 nm 和950 nm), 得到黑碳的測定值。由于在波長880 nm 下黑碳的吸收占主導, 其他氣溶膠的吸收可以被忽略[43], 故以在880 nm 下測得的黑碳質量濃度值代表煙氣中的黑碳質量濃度[44]。

表1 研究電廠基本信息 Table 1 Basic information of the tested power plant

圖1 某燃煤電廠工藝流程與稀釋采樣示意圖 Fig.1 Flowchart of the tested power plant and structure of the dilution sampling system

1.3 污染物排放因子計算

根據(jù)實測煙氣中各污染物質量濃度、煙氣量及燃料消耗量, 通過式(1)和(2)計算獲得消耗單位質量煤炭和產生單位能量的污染物排放因子。

式中FE為污染物排放因子, 單位為 kg/t 或kg/(MW?h);ρ為煙氣中污染物質量濃度, 單位為mg/m3;Q為標態(tài)干煙氣量, 單位為m3/h;v為燃料消耗速率, 單位為t/h;W為小時發(fā)電量, 單位為MW?h。

2 結果與討論

2.1 3 種粒徑顆粒物排放質量濃度和PM1.0/PM2.5、PM2.5/PM10 比值的日變化

如圖2 所示, 該燃煤電廠實時排放PM10、PM2.5和PM1.0的質量濃度平均值分別為(5.0±6.0) mg/m3、(5.0±5.9) mg/m3和(4.9±5.9) mg/m3, 變化范圍分別為0.3～28 mg/m3、0.3～27.5 mg/m3和0.3～27.3 mg/m3。

3 種粒徑顆粒物排放質量濃度的日變化趨勢一致, 在不同時段, 顆粒物排放質量濃度存在變化。以PM2.5為例, 低值時段是每日10: 30～20: 30, PM2.5質量濃度為(0.7±0.5) mg/m3; 高值時段為每日20: 30至次日10: 30, PM2.5質量濃度為(9.0±6.0) mg/m3。燃煤電廠顆粒物排放質量濃度在夜間高于白天, 夜間PM2.5平均質量濃度是白天相應值的12.2 倍。國家尚未制定燃煤電廠PM10、PM2.5和PM1.0的排放標準[45], 因而本研究無法評估所監(jiān)測的3 個粒徑段顆粒物排放是否達標。但此3 個粒徑段顆粒物的夜間質量濃度高值可以反映出燃煤電廠在夜間污染物控制效果可能不如白天。雖然觀測期間該電廠連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示煙塵質量濃度較為穩(wěn)定, 數(shù)值為(1.85±0.23) mg/m3, 但研究[46]表明依據(jù)質量平衡獲得的PM 質量濃度略高于連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)測試的相應值, 且連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)存在部分誤差[14]或低估現(xiàn)象[47]。由此可見, 電廠各種污染控制 措施對于燃煤電廠排放煙塵中細顆粒物和亞微米顆粒物的去除效果并不如粗顆粒物, 且可能存在明顯的日變化特征, 需引起重視。

圖2 某超低排放燃煤電廠排放PM10、PM2.5 和PM1.0 質量濃度的日變化 Fig.2 Daily variation of mass concentrations for PM10, PM2.5 and PM1.0 from an ultra-low emission coal-fired power plant

如圖3 所示, 燃煤電廠排放顆粒物以細粒子和亞微米粒子為主。PM1.0/PM2.5比值為1.00±0.01(范圍為0.8～1.0), PM2.5/PM10比值為1.00±0.01(范圍為0.8～1.0); 且兩個比值穩(wěn)定, 沒有明顯的日變化。王潤芳等[48]研究了3 個燃煤電廠排放的PM2.5/PM10比值, 分別為0.7、1.0 和1.0, 與本研究結果相近。Zhaoet al.[23]研究表明, 僅設置干式靜電除塵器的煤粉爐排放PM2.5/PM10比值為0.5, 可見單一除塵裝置對細顆粒物去除效果有限。楊建軍等[21]研究得到燃煤電廠排放的 PM2.5/PM10比值為 0.12～0.91, 與本研究相應值存在差異, 這可能與燃煤種類和污染控制措施等不同有關。Suiet al.[7]研究表明, 超低排放燃煤電廠濕式靜電除塵器出口 PM2.5/PM10比值接近1, PM1.0/PM2.5比值為0.25; Wuet al.[46]研究表明, 濕法煙氣脫硫和濕式靜電除塵器出口的PM＞10∶PM2.5～10∶PM2.5質量濃度比值分別為4.6∶2.5∶1 和 3.8∶2.1∶1; 與本研究結果存在差異的可能原因是采樣系統(tǒng)的不同, 前兩項研究分別使用荷電低壓沖擊器(ELPI)和兩級虛擬沖擊采樣器, 本研究采用光散射方法監(jiān)測顆粒物質量濃度。清單編制技術手冊中推薦的燃煤電廠排放的 PM2.5/PM10比值僅為0.3[11], 遠小于本研究實測所得的PM2.5/ PM10比值(1.0), 也低于文獻中部分相應值。因而若采用清單編制技術手冊中的 PM2.5/PM10比值構建PM2.5清單, 將低估燃煤電廠細顆粒物的排放。隨著燃煤電廠超低排放改造的推進, 在構建燃煤電廠清單時, PM2.5/PM10比值亟需基于更多的實測和最新文獻總結予以更新。

2.2 PM2.5 排放質量濃度、排放因子與文獻對比

表2 總結了燃煤電廠排放PM2.5質量濃度與排放因子。本研究實測燃煤電廠排放PM2.5質量濃度比楊建軍等[21]實測相應值高, 可能原因與電廠鍋爐類型和采樣時段不同有關(本次研究為逐時連續(xù)監(jiān)測, 文獻采樣時間為2 h); Peiet al.[31]研究得到的PM2.5質量濃度比本研究相應值低, 可能原因與電廠裝機容量不同有關; Chenet al.[8]研究得到的PM2.5質量濃度低于本研究, 可能與其研究的電廠所用燃料為煤和高爐煤氣混合燃料有關。前人實測研究[26,29,51]表明, 煙氣通過濕法煙氣脫硫夾帶的泥漿顆?？諝鈩恿W直徑范圍約為0.05～2.5 μm[7], 排放PM 的質量濃度在15 mg/m3以上[29]。Wanget al.[26]實測了燃煤電廠干式靜電除塵器和濕法煙氣脫硫后的顆粒物質量濃度, 表明PM2.5的質量濃度和顆粒物通過濕法煙氣脫硫后增加; 安裝濕式靜電除塵器后, 水噴霧對電除塵器的放電和收集電極進行連續(xù)清洗可避免反電暈放電和粉塵的夾帶[52], PM2.5、PM2.5～10和PM＞10的質量濃度降幅分別為27%～83%、39%～83%和36%～84%。因此王潤芳等[48]和趙磊等[49]研究相應值比本研究低近1 個數(shù)量級的可能原因在于這兩個研究的電廠采用濕式靜電除塵器, 對于顆粒物的去除效率更高。

文獻中燃煤電廠 PM2.5排放因子變化范圍為0.001～2.4 kg/t 或0.002～2 kg/(MW?h), 本研究實測獲得的超低排放燃煤電廠PM2.5排放因子為0.03 kg/t 或0.01 kg/(MW?h), 均在上述范圍內, 但處于較低水平。由此可見燃煤電廠經(jīng)過超低排放改造, 基于單位煤耗量或單位發(fā)電量的PM2.5排放因子均降低。如表2 所示, 具有相同鍋爐類型如粉煤爐的燃煤電廠, PM2.5排放因子存在差異, 可能原因是鍋爐額定功率和污染控制措施不同。

2.3 黑碳排放質量濃度和BC/PM2.5 比值的日變化

圖3 某超低排放燃煤電廠排放PM1.0/PM2.5 和PM2.5/PM10 比值的日變化 Fig.3 Daily variation of PM1.0/PM2.5 and PM2.5/PM10 ratios for an ultra-low emission coal-fired power plant

表2 燃煤電廠排放PM2.5 質量濃度與排放因子對比 Table 2 Comparison of PM2.5 mass concentrations and emission factors for various coal-fired power plants

圖4 某超低排放燃煤電廠排放黑碳質量濃度的日變化 Fig.4 Daily variation of black carbon mass concentrations emitted from an ultra-low emission coal-fired power plant

圖4 為本研究實測所得燃煤電廠排放黑碳質量濃度變化。觀測期間, 該燃煤電廠排放黑碳的平均 質量濃度為(36.6±28.3) μg/m3, 變化范圍為 1.4～ 340.9 μg/m3。高值時段是一天中06: 00～12: 00 和14: 30～19: 00 這兩個時間范圍, 黑碳質量濃度分別為(35.7±14.6) μg/m3和(58.9±54.1) μg/m3; 低值時段是一天中的00: 00～05: 00, 黑碳質量濃度為(24.6± 4.6) μg/m3。高值時段與低值時段的黑碳質量濃度平均值有1.5～2.4 倍的差異。黑碳的形成和排放受燃料添加和燃燒溫度的影響[53], 09: 00、10: 00、16: 00、17: 00 和18: 00 等若干時段黑碳的高值可能與該階段新添加煤以及鍋爐燃燒效率有關。

圖5 為實測BC/PM2.5比值的日變化特征。觀測期間, 該燃煤電廠BC/PM2.5比值平均為0.03±0.04, 變化范圍為0.04～0.4。高值時段是10: 00～20: 00, 對應BC/PM2.5比值為0.05±0.04; 低值時段是20: 00至次日10: 00, 對應BC/PM2.5比值為0.01±0.02。高值時段與低值時段BC/PM2.5比值有4.0 倍的差異。Bondet al.[53]指出燃燒過程中不同顆粒成分由不同的機制產生, 黑碳主要受燃燒過程影響, 礦物質排放主要受燃料中礦物含量的影響。因而黑碳的排放量與顆粒物的排放量隨燃燒過程會發(fā)生變化, 進而導致比值產生變化。

文獻中報道的燃煤電廠BC/PM2.5比值的變化范圍較大。王毓秀[54]研究得到該比值為0.04～0.08, 鄭玫等[55]研究得到該值為0.003。與中國多尺度排放清單模型(multi-resolution emission inventory for China, MEIC)清單[56]中采用的相應值0.002 和清單編制技術手冊[11]中推薦值0.002 相比, 本研究實測BC/PM2.5平均值(0.03)為推薦值的 14.9 倍。由此 可見現(xiàn)有清單編制技術手冊中所用BC/PM2.5值已不能滿足當前排放清單構建的需要, 亟需開展基于最新實測數(shù)據(jù)的更新研究。

圖5 某超低排放燃煤電廠排放BC/PM2.5 比值的日變化 Fig.5 Daily variation of BC/PM2.5 ratio for an ultra-low emission coal-fired power plant

2.4 黑碳排放因子與文獻對比

表3 對比了本研究實測燃煤電廠黑碳排放因子與文獻報道值。實測黑碳排放因子為0.2 mg/kg, 與周楠等[57]研究中的相應值(0.1～1.7 mg/kg)存在差異, 可能原因在于煤消耗量(30～142 t/h)與本研究相應值(117 t/h)不同, 以及燃料組成特性不同。

本次研究黑碳排放因子遠低于與 Reddyet al.[58]研究中相應值(77 mg/kg)。Reddyet al.[58]研究的電廠燃煤灰分高(39%)、鍋爐類型多樣(涵蓋多個印度火力發(fā)電廠), 這是與本研究相應值對比存在差異的原因。本研究黑碳排放因子也低于劉源等[59]根據(jù)1995 年中國火力發(fā)電信息采用按使用比例綜合后的排放因子值(2.9 mg/kg), 同樣與不同年代鍋爐類型和污染控制措施等差異有關。Streetset al.[60]綜合了文獻及除塵措施效率數(shù)據(jù), 得到具有不同污染控制措施中國粉煤爐電廠的黑碳排放因子為0.1 mg/kg 和0.8 mg/kg, 并預測2020 年兩類中國粉煤爐電廠的黑碳排放因子分別為 0.1 mg/kg 和0.2 mg/kg, 與本研究實測值一致。

3 結 論

(1) 實測獲得某超低排放燃煤電廠排放PM10、PM2.5和PM1.0的質量濃度分別為(5.0±6.0) mg/m3、(5.0±5.9) mg/m3和(4.9±5.9) mg/m3, 夜間PM2.5質量濃度是白天相應值的 12.2 倍, 需提高夜間的大氣污染物控制措施效率; 該電廠排放黑碳平均質量濃度為(36.6±28.3) μg/m3, 白天黑碳質量濃度是夜間的1.5～2.4 倍, 可能與白天燃料添加時段的燃燒效率降低有關。

表3 不同電廠鍋爐的黑碳排放因子 Table 3 Black carbon emission factors for pulverized coal furnace of different power plants

(2) 該電廠PM1.0/PM2.5和PM2.5/PM10比值均為1.00±0.01, 表明其排放顆粒物以細顆粒和亞微米顆粒為主; 該電廠排放BC/PM2.5比值為0.03±0.04, 高值時段BC/PM2.5比值是低值時段的4.0 倍, 在清單編制過程中, 采用固定值無法反映黑碳排放的日變化。

(3) 該電廠PM2.5/PM10和BC/PM2.5比值遠高于現(xiàn)有燃煤電廠一次顆粒物排放清單編制技術手冊推薦值0.3 和0.002。采用清單編制技術手冊相應推薦值構建清單, 會低估經(jīng)過超低排放改造后燃煤電廠細顆粒物和黑碳排放。

(4) 該電廠 PM2.5排放因子為 0.03 kg/t 或0.01 kg/MWh, 黑碳的平均排放因子為 0.2 mg/kg, 與文獻報道數(shù)據(jù)相比, 處于較低水平。超低排放改造可有效降低一次顆粒物和黑碳排放。