大型煤粉锅炉细颗粒物生成与痕量元素分布特性研究_夏云飞.pdf

2023年第41卷第2期大型煤粉锅炉细颗粒物生成与痕量元素分布特性研究夏云飞1，徐义书2，余荣浩2，马晶晶3，陈逸伦1，李雄浩1（1.中国电建集团装备研究院有限公司，上海201316；2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉430074；3.宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室，银川750021）摘要：为了研究燃煤过程中痕量元素的迁移行为及其向细颗粒物、飞灰中的迁移特性和分布规律，采用承重撞击器和烟尘采样仪对某1000 MW煤粉锅炉除尘器入口处烟气中的PM10和总飞灰进行现场采样。同时结合X射线荧光探针分析、微波消解、电感耦合等离子质谱和痕量元素淋滤特性测定，分析了PM10的生成特性和痕量元素As、Cr、Pb和Mn在不同粒径颗粒物中的分布特性及富集规律。结果显示，其生成的PM1和PM2.5的质量浓度分别为14.85 mg/m3和74.41 mg/m3，相应的灰基PM1和PM2.5产率分别为1.3110-3和6.5510-3，结合已有文献分析显示，PM1和PM2.5的灰基产率与煤中灰质量分数呈现一定的负相关关系。As和Cr在PM0.20.5中发生了显著富集，富集因子分别为17.58和4.05；Pb和Mn未在小粒径颗粒物中发生显著富集。总灰中四种痕量元素均主要以残渣态存在，痕量元素Cr具有最高的浸出风险，其次是As，Mn和Pb的浸出风险小于Cr和As。关键词：煤粉锅炉；细颗粒物；痕量元素；富集规律；灰基产率文献标志码：A中图分类号：TK229.6文章编号：1008-6218（2023）02-0086-09doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0031基金项目 国家自然科学基金青年基金“煤粉氧/水蒸气燃烧中的矿物质迁移和细颗粒物生成机制”（51806075）；省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室开放课题资助“氨-煤混燃过程中的矿物质迁移及颗粒物生成机理研究”（2022-K01）Study on Generation of Fine Particulate Matters and Distribution Characteristic ofTrace Elements in LargeScale Pulverized CoalFired BoilersXIA Yunfei1,XU Yishu2,YU Ronghao2,MA Jingjing3,CHEN Yilun1,LI Xionghao1（1.Power China Equipment Research Institute Co.,Ltd,Shanghai201316,China;2.State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan430074,China;3.State Key Laboratory of HighEfficiency Utilization ofCoal and Green Chemical Engineering,Ningxia University,Yinchuan750021,China）Abstract：In order to study the migration behavior of trace elements to fine particles and fly ash in the process of coalburning,a loadbearing impactor and a smoke sampler are used to sample PM10and total fly ash in the flue gas at theinlet of a 1000 MW pulverized coal boiler dust collector.Combined with Xray fluorescence probe analysis,microwavedigestion,inductively coupled plasma mass spectrometry and determination of trace element leaching characteristics,theformation characteristics of PM10and the distribution characteristics and enrichment rules of trace elements As,Cr,Pb andMn in different particle sizes are analyzed.The results shows that the mass concentrations of PM1and PM2.5generated bythe method are 14.85 mg/m3and 74.41 mg/m3respectively,and the corresponding yields of grayrbased PM1and PM2.5are1.3110-3and 6.5510-3respectively.Combined with the existing literature analysis,the ash base yield of PM1and PM2.5isnegatively correlated with the ash mass fraction in coal.As and Cr are significantly enriched in PM0.20.5with enrichmentfactors of 17.58 and 4.05 respectively.Pb and Mn are not significantly enriched in small particle size.Four trace elementsin total ash mainly exist in residual state,and trace element Cr has the highest leaching risk,followed by As,and Mn andPb have lower leaching risk than that of Cr and As.Key words：pulverized coalfired boiler;fine particulate matters;trace elements;enrichment rules;ash base yield内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER862023年第41卷第2期夏云飞，等：大型煤粉锅炉细颗粒物生成与痕量元素分布特性研究0引言燃煤发电是我国电力的最主要来源，2019年我国燃煤火电装机容量超过1040 GW，占全国全口径发电装机总容量的51.7%，而其发电量（4560 TWh）占比更是超过62.2%1。以煤为主的能源资源特征决定了在未来相当长的时间内，煤炭仍将在我国能源结构中发挥主体能源的作用。然而，煤燃烧过程会产生颗粒物、痕量元素（如重金属Pb、Cr等）等污染物，造成环境污染并威胁人体健康2-5。GB132712014锅炉大气污染物排放标准、GB132232011 火电厂大气污染物排放标准 当前重点限制的是SO2、NOx和颗粒物，在痕量元素方面仅对Hg提出了限制，而尚未对As、Cr、Pb和Mn等的排放提出限制。但是，随着环保要求的日益严格，痕量元素、重金属等高毒性排放物的排放越来越被重视。例如，上海发布并实施的DB 31/12912021 燃煤耦合污泥电厂大气污染物排放标准 中对Sb、As、Pb、Cr、Co、Cu、Mn、Ni等元素排放提出了控制要求，质量浓度不高于0.08 mg/m3。认识并掌握燃煤过程中颗粒物和痕量元素的排放规律、物化特征和生成机制对实现燃煤发电污染物的超低排放具有重要意义。燃煤颗粒物主要由煤中矿物元素（如Na、Ca、Si等）在高温燃烧过程中转化形成，其中主要包含矿物元素气化-成核形成的超细模态颗粒（UltrafinePM）、气态组分在细小残灰颗粒上的异相冷凝/反应形成的中间模态颗粒物（Central Mode PM）以及焦矿破碎/熔融-聚合形成的粗模态颗粒物（CoarsePM）。其中，超细颗粒物和中间模态颗粒物数量巨大，且在常规静电除尘器、布袋除尘器中的捕集效率均低于粗模态颗粒物，更易排放进入大气，是细颗粒物（PM2.5）的主要组成部分。细颗粒物比表面积巨大，容易富集重金属及多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHS）等有毒有害物质，对人体健康具有极大危害。开展燃煤发电机组的颗粒物现场采样研究可以深入获得认识细颗粒物所需要的真实、全面的信息，对深刻认识细颗粒物的生成规律及影响因素、实现有针对性地控制与减少排放具有重要意义。McElroy等6较早地开展了真实燃煤锅炉中颗粒物的生成特性研究，对机组容量为25540 MW的6台大型燃煤锅炉进行了采样分析。结果显示，燃煤颗粒物中普遍存在峰值粒径在0.1 m左右的超细模态颗粒物，其质量占总飞灰颗粒物质量的0.2%2%。并观察到As、Zn、Hg等痕量元素在小粒径颗粒物中呈现富集趋势。Qian Du等人7及Chao Wang等人8研究分析了国内660 MW燃煤锅炉细颗粒物生成特性。Yishu Xu等人9-12对机组容量为135 MW、220 MW、300 MW、600 MW和1000 MW的10余台燃煤锅炉（包括煤粉锅炉和流化床锅炉）的颗粒物生成、控制与排放特性进行了系统分析，探究了锅炉燃用煤种、锅炉类型、机组容量、运行负荷以及烟气净化过程（如布袋除尘器、脱硝脱硫装置以及湿式静电除尘器）等因素的影响。研究结果表明，燃料性质和运行条件均会显著影响超细颗粒物的生成，同时在机组高负荷运行条件下会生成更多的细颗粒物。随着对细颗粒物控制要求的提高，需要开展更多锅炉生成颗粒物特性的采样分析，以更深刻地认识细颗粒物的生成规律及生成调控方法。痕量元素等有毒有害物质在细颗粒物上的富集是导致细颗粒物具有危害性的重要原因。燃煤痕量元素排放具有范围广、时间长、地域积累等特点，容易对区域生态环境和人体健康产生危害。燃煤过程中痕量元素的迁移行为及其向细颗粒物、飞灰中的迁移特性和分布规律成为当前燃煤污染物的控制重点和研究热点2，5，13-16。煤中痕量元素通常是指质量分数低于10010-6的元素，如As、Se及重金属Cr、Pb、Mn等元素5。燃煤过程中，痕量元素的迁移与转化行为与其挥发性密切关联。通过对燃煤电站飞灰颗粒物中痕量元素分布规律的研究表明，As、Se、Cr等半挥发性痕量元素在煤燃烧过程中向细颗粒物迁移富集；Mn等难挥发元素在不同粒径颗粒物中分布无显著差别；而Hg等易挥发元素在烟气中以气态形式存在14-17。同时，煤中痕量元素的赋存形态与燃烧条件（温度、气氛、停留时间等）也会影响痕量元素的迁移与转化行为2，14，18-20。Hongwei Wu等20的实验研究显示，煤中存在的矿物种类会影响痕量元素的挥发行为，有机结合态的痕量元素比矿物结合态在煤燃烧中更易挥发。已有研究表明，煤中与黄铁矿相关的痕量元素（如As）表现出更高的挥发性，而与硅铝酸盐类黏土矿物相关的元素在高温下的挥发释放行为相对缓慢21-24。Smith等人25较早地对大型燃煤锅炉中痕量元素的相关研究进行了综述介绍，对比了两台燃煤锅炉产生的0.50 m和50 m粒径段飞灰中多种痕量元素的含量水平，As、Pb、Cr、V、Mn五种痕量元素在0.50 m粒径段飞灰中的质量分数分别高出50 m粒径段飞872023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术灰 1119 倍、6.615 倍、44.7 倍、2.56 倍和 1.66倍。Swanson等人26对