张松松，王中伟，管坚，陈昊羽，杜 谦，高建民

(1．中国特种设备检测研究院，北京 100029;2．中国能建黑龙江火电一公司，黑龙江 哈尔滨 150090;

3．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 前言

目前，我国出现大规模雾霾天气，部分城市空气质量达到重度污染，而PM2．5是主要污染物之一，由于PM2．5颗粒直径较小可进入人体肺泡，严重危害了居民的身体健康。工业锅炉是重要热能动力设备，截止到2013 年，我国工业锅炉数量已经超过63 万台，占我国锅炉总数量的98%以上，在大气PM2．5源分析中占有重要比例［1］。

目前许多学者对PM2．5做了大量研究工作，屈成锐等利用ELPI 仪器测试燃烧徐州烟煤的管式炉在不同O2/CO2气氛下PM2．5的排放特性，发现PM2．5产生的质量浓度在不同的O2/CO2燃烧气氛下均呈现双峰分布，峰值分别出现在0．1 ～0．2 μm 处，并随O2含量的增加有上升趋势［2］;徐飞、骆仲泱等人对一台440 t/h 的循环流化床锅炉开展测试，发现静电除尘器(ESP)前生成的颗粒物PM1、PM2．5的质量百分比在加入石灰石添加剂后分别由0． 92%、3.37%下降到0．58%、1．70%，说明石灰石添加剂对颗粒物的凝并和团聚有一定的促进作用［3］。对工业锅炉PM2．5产排特性进行深入详细的研究，减少工业锅炉PM2．5的排放，提高我国大气环境质量有重要意义。

1 PM2．5的危害与成分分析

1．1 PM2．5的危害

PM2．5即空气动力学直径小于或等于2．5 μm 的颗粒，由于颗粒粒径较小可进入人体肺泡，又称可入肺颗粒物。文献研究表明PM2．5颗粒比表面积较大，颗粒表面易附着致病病菌，对人体危害程度大于较大颗粒物［4－5］。殷永文等统计了上海市雾霾天气PM2．5与PM10浓度与医院呼吸病就诊人数的相关性，当PM10日均浓度每增加50 μg/m3，呼吸科看病人数上升3%，儿童呼吸科看病人数上升0．5%，当PM2．5日均浓度每增加34 μg/m3，呼吸科和儿童呼吸科就诊人数上升比例分别为3．2%和1．9%［6］;PM2．5颗粒属于飘尘，对可见光散射消光影响较大，当空气中PM2．5的 浓 度 达 到0． 5 μg/m3时，能 见 度 下 降80.8%，且具有“阳伞效应”，是引起城市雾霾的重要污染物。

我国新执行的《环境控制质量标准》已经将PM2．5浓度纳入空气质量评价标准，部分城市PM2．5监测数据严重超过二级标准年均值35 μg/m3和日均75 μg/m3的要求，因此减少PM2．5源排放已是一项十分重要的任务。

1．2 PM2．5的成分分析

PM2．5颗粒化学成分复杂，几乎包含元素周期表所有元素，涉及30 000 种以上有机和无机化合物(包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物、炭黑、重金属等)。徐敬等采用离子色谱仪分析北京地区PM2．5中离子含量，发现含量较多的为SO42－、NO3－、和NH4

+［7］。清华大学杨复沫等在车公庄和清华园同步采样并做全样品分析，发现含碳组分与水溶性离子质量浓度之和超过50%，有机碳、元素碳与PM2．5质量浓度呈现冬季最高、夏季最低的季节变化规律［8］。

2 PM2．5源分析

不同城市之间存在气候、温度、湿度不同等环境条件差异，其PM2．5源分析贡献率也有所不同。黄晓锋等发现二次硫酸盐和硝酸盐生成、机动车尾气、生物质燃烧是深圳市区大气中PM2．5的最主要来源，贡献率分别为39．3%、26．9%、9．8%，高氯源、重油燃烧、海盐、扬尘和冶金贡献率分别在2% ～4%［9］;高申等采用银子分析法和富集因子法对包头市东河区PM2．5来源分析，发现建筑水泥尘/土壤风沙尘、工业粉尘/燃煤粉尘的方差贡献率分别为54． 03%、29.98%［10］。

3 工业燃煤锅炉运行现状及PM2．5产生

3．1 工业燃煤锅炉运行状况

我国大多数燃煤工业锅炉容量较小，单台平均容量为3．8 t/h，存在部分锅炉老化严重、自动化水平较低、锅炉负荷裕度过大、燃料匹配性较差、环保设备落后等特点，锅炉运行平均热效率仅为65%，较发达国家低15 个百分点左右，导致排放的飞灰中含有大量的炭黑粒子［11］，增加了固体不完全燃烧损失与PM2．5一次颗粒物的产生。大量在用工业锅炉脱硫脱硝设备落后、脱除效率较低，排放到大气的SO2、NOx 及VOC 等气体增加了PM2．5二次颗粒物的排放。

3．2 工业燃煤锅炉PM2．5产生状况

我国燃煤工业锅炉以层燃炉和流化床锅炉为主，存在区域高强度、低空排放的特点。层燃炉产生的PM2．5以气化凝结、残灰粒子及未完全燃烧形成的炭黑粒子等机理生成，粒数浓度为107个/cm3左右，质量浓度一般在200 mg/cm3以下;流化床锅炉入炉煤颗粒经历一次破碎、二次破碎、磨损等过程产生大量的亚微米颗粒，由于入炉燃料添加的脱硫剂石灰石为气化凝结形成的细小颗粒物提供了一个可附着的场所，流化床锅炉产生的PM2．5颗粒总粒数浓度偏小为5 ×106个/cm3左右，大颗粒粒数浓度较大，使得总质量浓度偏大在1 000 ～2 000 mg/cm3范围内。

4 不同除尘设备对PM2．5脱除现状

利用荷电低压颗粒撞机器在6 台不同型号的除尘器前、后测试烟气中PM2．5颗粒的质量浓度，结果如表1 所示。

测试方法按照《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》GB/T 16157 －1996 和《固定源废气监测技术规范》HJ/T 397 －2007 执行。由表1 可看出，对PM2．5除尘效率最高的为电袋联合除尘器达到99． 83%，布袋除尘器除尘效率为99.81%，除尘效率最低的为管旋风除尘器和水膜除尘器，除尘效率均在50%以下，多管旋风与冲击水浴复合除尘器除尘效率高于单一水膜除尘器或多管旋风除尘器。目前，我国燃煤工业锅炉除尘设备以对PM2．5颗粒脱除效率较低的水膜除尘器和旋风除尘器为主，除尘效率较高的布袋除尘器、电袋联合除尘器由于运行成本较高等问题仅在少量锅炉机组中采用。

表1 不同除尘器PM2．5颗粒质量浓度及除尘效率

尾部烟道设立的湿法脱硫装置(WFGD)对PM2．5有一定的脱除作用，部分颗粒物通过布朗扩散运动、与喷淋液的碰撞和拦截作用被捕集，而雾滴中含有的石灰石颗粒和烟气中二氧化硫形成的二次颗粒物被干燥和水溶性物质结晶析出，除雾器不能将雾滴中的颗粒全部去除，导致WFGD 后亚微米颗粒物粒数浓度有所升高，PM2．5总质量浓度有所下降。

部分锅炉烟气净化装置尾部加设湿式静电除尘器(WESP)，可有效脱除烟气中的细小颗粒物和由SO3形成的硫酸雾，武汉龙净环保科技有限公司发现，WESP 可有效降低PM2．5、气溶胶颗粒、硫酸雾排放浓度，烟尘排放浓度最低可减少至5 mg/m3［11］。

5 燃煤工业锅炉PM2．5减排建议

随着工业锅炉节能技术监督的加强与《锅炉大气污染物排放标准》的发布，新建燃煤工业锅炉采用大量新型节能环保措施，烟尘排放浓度有了较大的降低。在用燃煤工业锅炉技术装备相对落后，辅机匹配较差，消耗大量燃料的同时增加了飞灰的排放，采用单一老式的机械除尘器已经不能满足新的排放浓度限值80 mg/m3，建议淘汰落后环保设备，采用多种除尘器联合除尘或采用除尘效率较高的静电除尘器、布袋除尘器、电袋联合除尘器，或在烟道尾部加设湿式静电除尘器进一步除尘。另外也可通过以下措施减少PM2．5的排放:

(1)在用工业锅炉系统能效提升具有较大潜力，若将我国燃煤工业锅炉平均运行效率提高10 个百分点，每年可节约6 000 万t 标准煤，推广高效节能环保装置在燃煤工业锅炉中的改造，提高锅炉系统自动化水平，完善锅炉辅机匹配，杜绝“跑、冒、滴、漏”现象，加强运行人员培训管理，提升锅炉运行热效率，节约能源的同时也可显著减少污染物的排放。

(2)建立地区煤炭洗、选、配、制备中心，集中调配燃料，降低煤种杂质、灰分、硫含量，减少与锅炉设计煤种偏差，减少飞灰与NOx、SO2的生成。

(3)安装脱硫脱硝装置，提高脱硫脱硝装置运行效率，降低NOx、SO2排放浓度，减少二次颗粒物的生成。

(4)推广天然气等清洁能源的使用，提高高效燃气锅炉的市场占有比例，推广煤改气工程，降低PM2．5一次颗粒物的产生、排放。

6 结论

(1)PM2．5成分复杂，有机碳、元素碳与水溶性离子含量较高，部分元素与PM2．5质量浓度呈现季节变化规律。由于环境条件的差异，不同城市PM2．5源成分及贡献率有区别。

(2)我国燃煤工业锅炉运行效率较低、环保设备落后，增加了一次颗粒物与二次颗粒物的排放。工业流化床锅炉产生的PM2．5粒数浓度较层燃锅炉低，质量浓度较层燃锅炉高。

(3)电袋联合除尘器与布袋除尘器对PM2．5除尘效率较高，水膜除尘器与多管旋风除尘器效率普遍低于50%，多种除尘器联合除尘效率高于单种除尘器;湿法脱硫装置可降低PM2．5质量浓度，尾部加设湿式静电除尘器可进一步降低PM2．5含量。建议采用除尘效率较高的电袋联合除尘器、布袋除尘器、静电除尘器，淘汰单一老式机械除尘器，推广高效节能装备及脱硫脱硝装置，提高锅炉运行效率，减少烟尘及NOx、SO2及VOC 气体的排放，降低PM2．5一次颗粒物的直接排放与二次颗粒物的转化。

(4)提高锅炉运行效率、提高煤种匹配性、提高脱硫脱硝装置运行效率、推广燃气锅炉和实施煤改气工程可减少PM2．5的排放。

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