供热锅炉颗粒物排放特征实测研究（环保）
徐媛， 孙韧*， 高翔， 孙猛， 张震， 张莹
（天津市环境监测中心，天津300191）
摘要：采用芬兰Dekati公司的颗粒物稀释采集系统对天津市供热行业7台典型燃煤锅炉、1台天然气锅炉开展PM10.PM2.5排放特征实测研究，结果表明：(1)燃煤锅炉在湿法除尘和旋风除尘器后的PM10.PM2.5排放因子具有显著差异(湿法除尘：PM10( 0.341
0.289)kg/t.PM2.5, (0.3050.270) kg/t;旋风除尘：PM10( 0.608 0.163) kg/t.PM2.5(0.5580.165) kg/t)；燃气锅炉PM10、PM2.5排放因子均为0.025kg/万m3，其测试结果与国内已有研究结果具有很好的可比性。(2)燃煤锅炉PM10.PM2.5排放因子实测值显著低于物料衡算法，说明采用物料衡算法对清单中一次颗粒物的排放量估算存在高估的可能性。(3)供暖锅炉污染物排放存在显著的时间变化特征，清晨与午后分别是排放量高峰和低谷时间段。
关键词：实测；供暖锅炉；PM10；PM25；排放特征
中图分类号：X513 doi：10.3969/j.issn．1003-6504.2016.05.014 文章编号：1003-6504(2016)05-0070-05
燃料燃烧过程向大气中排放了大量颗粒污染物，其中的可吸入颗粒物（PM10，inhalable particles，空气动力学直径≤10
m的颗粒）和细颗粒物（PM2.5，空气动力学直径≤2.5m的颗粒）由于自有的颗粒物排放特性，不仅降低了环境空气质量，而且与人体健康危害程度显著高于较大颗粒物，业已引起世界各国的高度重视。目前中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭占我国一次能源消费的75%左右，并且这种能源结构在很长时间内不会发生大的改变。据统计，燃煤锅炉等是我国工业和民用部门最主要的供热方式，全国现用工业锅炉约为48万台，约占我国锅炉总数量的98%以上，与大型燃煤电厂相比，供热锅炉的燃烧效率普遍偏低，污染物除尘方式多为水膜除尘和多管旋风除尘，其去除效率远小于火电厂锅炉除尘效率，燃煤供热锅炉已经成为我国颗粒物排放的重要来源。因此，本文对供热锅炉开展颗粒物排放特征开展研究，为分析污染物来源和成因，改善我国大气环境质量有重要的意义。
1 材料与方法
1.1 测试锅炉选取
目前，我国的供热锅炉以烟煤为主，随着近年各地清新空气行动计划开展以来，供热燃料以天然气等清洁能源逐步取代燃料煤，燃煤供暖锅炉烟气净化设备主要为旋风除尘器和湿式除尘器，因此，依据锅炉吨位以及燃料类型，本次研究选取天津市7台燃煤供热锅炉、1台燃气供热锅炉开展颗粒物排放测试，其基本信息见表1、表2。测试锅炉的主要功能为供热，因此，测定时间选择在供暖期的2015年1月进行。
1.2 测试方法
颗粒物取样点设置在除尘器和脱硫装置后的出口烟道，测试口位置及大小等遵循依照《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》(GB/T16157-1996)的采样基本要求。
烟气分析仪( Test0350)用于在线测量烟气中O2含量和烟气温度等参数；采用皮托管流量计测量烟气流量。采用芬兰Dekati公司的颗粒物稀释器进行PM10和PM2.5颗粒物数据采集，主要包括烟气进气（采样枪）部分、一级稀释系统、二级稀释系统、停留室和采样部分，是为燃烧或其他工业过程中颗粒物测量所设计的稀释采样系统，如图1所示。其中一级稀释为热稀释，利用加热后接近烟气温度的零空气进行初步稀释，确保烟气在稀释时不发生冷凝；二级稀释为冷稀释，即利用零空气将高温烟气稀释冷却至大气环境温度，在本研究中，稀释倍数在6～7倍之间。利用双通道颗粒物旋风采样器进行PM10和PM2.5的膜采样，其中对PM10和PM2.5的滤膜保存及称量均参照《环境空气PM10和PM2.5的测量重量法》(HJ 618-2011)进行。PM10和PM2.5排放质量浓度及排放量的计算依据《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）进行。
2 结果与讨论
2.1 烟尘排放控制后PM10、PM2.5排放水平及分布规律
表3为测试锅炉除尘和脱硫后的PM10、PM2.5排放浓度及分布情况，燃气锅炉颗粒物排放浓度较低，在无控条件下，其中可吸人颗粒物排放即为细颗粒物排放。燃煤锅炉污染物排放在经过除尘和脱硫后，烟气颗粒物排放中细颗粒物占可吸入颗粒物的77.420～94.19%，且多管旋风除尘PM2.5/PM10比例(88.89%~94.19%)要显著高于湿式除尘PM2.5/PM10比例(77.42%
~93.02%)，与国内相关研究比较，本研究中细颗粒物在可吸入颗粒物中的分布情况具有较好的可比性，结果表明，燃煤层燃锅炉颗粒物排放中，PM2.5占PM10的绝大部分（达93%），除尘设施对较大粒径颗粒物的去除效率要高于细颗粒物的，且湿式除尘对细颗粒物的捕集效率要高于机械除尘（多管旋风），锅炉燃煤排放的细颗粒物是环境空气污染的主要来源。
2.2 PM10、PM2.5买测排放因子与物料衡算法比较
排放因子即排放系数，是编制大气污染源排放清单的重要参数。采用排放因子法编制大气污染源排放清单，与其他核算方法比较而言，其准确度适中且简单方便，欧洲、美国等已将排放因子法视为空气质量管理的基本工具。目前，在国内，基于实测的污染物排放因子库尚未完善，通常依据物料衡算法计算燃煤锅炉PM10、PM2.5等污染物排放因子，计算方法如下：
其中，Aar为所用燃煤的灰分；a r为灰分进入底灰的比例，在本研究中，选取的8台燃煤测试锅炉主要功能是供暖，且燃烧方式为层燃，因此，a r取值0.85；向为PM10或PM2.5在总颗粒物所占的比例，在本研究中，PM10取值0.33，PM2.5取值0.10;竹为除尘效率，湿法除尘对PM10、PM2.5的去除效率分别为77.88%、50%。多管旋风除尘对PM10、PM2.5的去除效率分别为51.82%、10%。
本研究中8台测试锅炉PM10、PM2.5实测排放因子与物料衡算结果见表4，从表4可以看出，采用物料衡算方法计算所得的颗粒物排放因子远高于实测值，由此可知，在无实测排放因子支撑的情况下，采用物料衡算法对供暖燃煤锅炉PM10、PM2.5的一次排放清单估算结果势必存在高估的情况。
利用颗粒物质量浓度及燃料使用量，计算出各锅炉的PM10、PM2.5的排放因子，并与其他研究结果进行比较，结果如表4所示。本研究中湿法除尘燃煤锅炉PM10、PM2.5的排放因子平均值分别为(0.341
0.289)、(0.3050.270) kg/t，旋风除尘燃煤锅炉PM10、PM2.5的排放因子平均分别为(0.6080.163)、(0.5580.165) kg/t;其中PM2.5略低于王书肖等研究结果，这可能与煤质有关。燃气锅炉PM10、PM2.5实测排放因子均为0.025 kg/万m3，与赵斌等及清单编制技术文件提供的参考值（0.03 kg/万m3）较为接近，具有较好的可比性。
2.3 燃煤锅炉工况对PM10、PM2.5排放的影响
测试锅炉基本参数如表5所示。天津地方标准DB 12/151-2003《锅炉大气污染物排放标准》中将理想过剩空气系数定为1.8，在GB 5468-1999《锅炉烟尘测试方法》中也有类似的规定。在锅炉的实际运行过程中，过剩空气系数的大小表征锅炉工作运行状况的好坏，本研究中，3#、4#和5#燃煤锅炉空气过剩系数在1.8附近，锅炉工况达到了理想状态2#、7#和8#测试燃煤锅炉空气过剩系数太低，表明燃烧过程中空气进入较少，导致燃料的不充分燃烧。1#测试燃煤锅炉空气过剩系数偏高，炉内烟气的含氧量增加，即进入炉内的空气量过多，在排烟时，大量过剩空气将热量带走，排人大气。
图2为燃煤锅炉工况对PM10、PM2.5一次排放情况的影响分析，结果表明颗粒物排放与过剩空气系数具有显著负相关关系，即燃煤锅炉PM10、PM2.5颗粒物一次排放的质量浓度随着过剩空气系数的升高而下降，过剩空气系数升高，表明锅炉的燃烧负荷下降，烟气中PM10、PM2.5颗粒物一次源排放降低。
2.4 燃煤锅炉颗粒物排放时间特征分析
根据被测试燃煤锅炉24 h燃料消耗量变化，统计得到供暖燃煤锅炉颗粒物排放时间变化系数，如图3所示。从图3中可以看出，供暖期一天中燃煤锅炉在清晨6:00-8:00排放量较大，排放低谷出现在午后。
3 结论
(1)实测了7台10~90 t的供暖燃煤锅炉和1台10 t燃气锅炉，湿法除尘燃煤锅炉PM10、PM2.5的排放因子平均分别为( 0.3410.289)、(0.3050.270) kg/t;旋风除尘燃煤锅炉PM10、PM2.5的排放因子平均分别为( 0.6080.163)，(0.5580.165) kg/t；燃气锅炉PM10、PM2.5排放因子均为0.025 kg/万m3。测试结果与国内已有研究结果具有很好的可比性。
(2)燃煤层燃锅炉颗粒物排放中，PM2.5占PM10。的绝大部分（达93%），其中，采用湿法除尘的燃煤锅炉PM2.5占PM10的比例显著低于采用多管旋风除尘的燃煤锅炉。
(3)7台燃煤锅炉的实测颗粒物排放因子显著低于物料衡算结果，说明采用物料衡算方法对现有排放清单中燃煤锅炉的一次颗粒物排放量的估算存在高估的情况，因此，需要扩展样本监测量，以完善颗粒物排放因子库，降低排放清单的不确定性。
(4)供暖期间燃煤锅炉颗粒物排放存在显著的时间变化特征，排放高值时间段为清晨6:00-8:00，午后为排放量低谷，除尘装置的有效运行和管理是颗粒物低排放的根本保证。
