【科普】煤改生物质的污染改善情况,真没那么简单

2018-08-26 04:12:37 / 打印

为了落实节能环保产业政策,改善环境大气质量,国家能源局、发改委等七部委于2014年联合发布了《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》(发改环资〔2014〕2451号)。但由于受国内天然气供应影响,燃煤工业锅炉改造为生物质成型燃料锅炉(以下简称为生物质锅炉)成为了各级环保部门积极推广的一项措施,使得我国生物质成型燃料产销量逐年攀增。据预测,到2020年我国生物质固体成型燃料年利用量将达到5000万吨。

生物质成型燃料,是以农林废弃物(秸杆、稻壳、木屑、树枝等)为原料,通过专门设备在特定工艺条件下加工而成的棒状、块状或颗粒状等形态的生物质燃料。相比于煤炭,生物质燃料所含硫、氮和灰份较低,应用在配套专用燃烧设备上可实现清洁、高效燃烧,是一种来源广、总量大、污染小的可再生能源。在环保部《关于生物质成型燃料有关问题的复函》(环办函〔2009〕797 号)和《关于界定生物质成型燃料类型有关意见的复函》(环办函〔2014〕1207号)指出,生物质成型燃料不属于高污染燃料。

但是,污染小并等于没污染。

由于目前国内尚未出台强制性生物质成型燃料质量标准、配套专用燃烧设备标准、污染治理技术指引以及专门针对生物质锅炉烟气的排放标准,各地均出现了燃料质量参差不齐、专用燃烧设备短缺以及现有锅炉改造不规范等情况。已有监测数据表明,若按现行相关排放标准,许多生物质锅炉排放烟气中颗粒物、NOx 浓度超标,同时伴有一定浓度的HCl、VOCs、重金属、二噁英等非常规污染物,这种现状与国家鼓励发展生物质能源的初衷背道而驰。随着生物质能源在国家总能源使用比例的增加,以及国内电厂、工业锅炉/窑炉烟气污染治理的稳步推进,生物质锅炉燃烧排放的大气污染物已逐渐成为我国重要的大气污染源,应当引起广泛的关注。在《关于发布<高污染燃料目录>的通知》(国环规大气〔2017〕2号)明确规定,非专用锅炉或未配置高效除尘设施的专用锅炉燃用的生物质成型燃料,纳入III类管控燃料(需严格管控)。

使  用  概  况

以珠三角地区为例,选取了4家代表性企业展开生物质锅炉调研和烟气污染物排放特性监测。调研结果发现,2015年广东省内现有工业生物质锅炉规模一般在20t/h 以下,且大都为燃煤锅炉改造而成,燃用的生物质也以木屑成型燃料为主,而针对生物质锅炉燃烧产生的烟气污染物一般未开展有效治理,仅少数企业安装了机械除尘等简易除尘设施。

生物质成型燃料组成分析表明,与煤相比,生物质燃料C、S元素含量普遍较低,而H、O元素含量较高。理论上,生物质N元素含量一般小于1%(干基),但4 种生物质燃料中有3种N元素含量大于3%且明显高于无烟煤,可见生物质种类对N 元素含量影响较大。由于现有生物质锅炉燃烧温度大都在800~950 ℃之间,燃烧产生的NOx 以燃料型NOx 为主,因此高N 含量燃料燃烧所排放的NOx 浓度也高。因此有必要加强生物质燃料原料来源监管,严格控制燃料中N含量。此外,生物质燃料的挥发分高,而灰分、固定碳含量较低,表明生物质易燃烧,排放烟气中颗粒物含量较少,但由于挥发分含量高如燃烧不充分而易产生VOCs。

污染物排放情况

生物质燃烧会产生一定量的酸性气体,主要包括SO2、HF、HCl 等,其排放量与燃料中S、F、Cl元素含量直接相关。其中SO2 主要来源于燃料中有机硫的氧化和硫酸盐的热分解,但由于生物质燃料普遍S含量低(一般在0.1%左右或更低),同时生物质中含有的碱土金属的固硫作用,使得生物质燃烧排放的SO2浓度低。一般农林类生物质中氯、氟主要以无机盐形式存在,其燃烧主要产物是HCl、HF,因此生物质燃烧烟气中HCl、HF 主要来源于燃料中氯和氟的无机物。HCl具有很强的腐蚀性,会造成锅炉和管道受热面的高温腐蚀,污染大气环境,同时还会促进二噁英的生成,因此需要加强关注。

由上表可知,生物质锅炉燃烧排放烟气中SO2、HF、HCl 等酸性气体浓度较低,一般无需治理即可达标排放,原因主要在于生物质成型燃料中S、Cl、F 等元素含量低,但不同类型生物质上述元素含量不同,当上述元素含量高时也会存在酸性气体超标现象,因此需加强生物质成型燃料质量把关,严格控制上述元素含量。

由于生物质锅炉燃烧温度均在800~1000℃,因此生物质锅炉燃烧产生的NOx 类型主要是燃料型NOx。生物质中的氮元素主要以蛋白质、游离氨基酸等有机氮的形式存在,同时还有部分无机氮,因此生物质燃烧产生的NOx主要来源于有机氮的氧化反应。

除企业3外,其余3家企业NOx排放浓度均明显超过国家排放标准要求,同时远高于重点地区大气污染物特别排放限值要求。企业3排放的NOx浓度较低,原因一方面在于使用的燃料N含量低,另一方面在于使用的生物质锅炉安装了低氮燃烧器,因此为了实现生物质锅炉NOx达标排放需要从控制燃料N含量以及加装脱硝设施两方面着手。

农林类生物质在生长过程中会从大气、水体、土壤中吸收富集金属元素,包括K、Ca、Mg 及其他微量重金属元素(如Hg、As 等),因此一般生物质燃料均含有一定量的重金属。当燃料燃烧时,由于燃烧温度高,大部分金属元素及其化合物被汽化,以气态和气溶胶态形式排出锅炉。目前国内针对生物质燃烧研究较多的是碱金属和碱土金属的析出排放特性,而对其他重金属元素的排放研究较少。一般而言,生物质燃烧排放烟气中重金属种类和浓度的大小与燃料中重金属种类、浓度及其挥发性密切相关。在众多重金属元素中,汞是最受关注的重金属元素之一,原因在于植物是陆地生态系统中汞最重要的输入输出途径之一,同时汞具有低水溶性、高挥发性和高毒性等特点,极易通过长距离大气输送形成区域乃至全球性的汞污染,严重威胁人类健康。现有研究表明植物中汞浓度范围在5~60 ng/g,平均浓度约25 ng/g,含量较高,因此生物质燃烧过程需重点关注重金属Hg的排放。

生物质重挥发分的含量一般超过60%,当不完全燃烧时会生成VOCs。研究表明,生物质燃烧是我国人为源VOCs 排放的主要来源之一,其贡献率可达18%。

对上述4 家企业生物质锅炉排放的VOCs 定量分析后发现,各物种分布较为类似,其中排放VOCs 中最为丰富的物种为卤代烃和酮,分别占VOCs排放量的45%和19%以上,其次为芳香烃、脂类和烷烃。在卤代烃中含量最为丰富的是溴乙烷和溴甲烷,两者之和约占卤代烃总量的50%~90%;丙酮是主要的酮类化合物,占总量的80%以上;在芳香烃化合物中含量最为丰富的是苯,其次为苯乙烯,其中苯占芳香烃化合物总量的40%~85%。4家企业生物质锅炉排放的VOCs总浓度在104~133 mg/m3之间,排放浓度较高,但现行排放标准未对VOCs 排放浓度进行限值,因此为了减少生物质锅炉燃烧VOCs 排放有必要对其排放浓度进行限定。

控  制  对  策

(1)制定并完善生物质成型燃料质量标准。目前我国缺乏统一的生物质成型燃料质量标准,虽然全国标准正在制定中,但现阶段仅北京、广东等个别省份制定了相关地方标准,而制定的地方标准中S、N、Cl等指标与瑞典、德国等国家相比较为宽松,且未对重金属含量进行限值,而德国木质成型燃料标准DIN51713中对于砷、钙、铬、铜、汞、铅、锌等元素含量都作了较为详细的要求。因此为了减少生物质燃烧污染物的排放,必须从源头上加以把关,制定严格的生物质成型燃料质量标准,严控生物质燃料中S、Cl、N、重金属等含量,从源头上减少污染物的排放。

(2)推广应用专门的生物质锅炉。目前大部分工业企业使用的生物质锅炉都是在原有燃煤锅炉基础上改造而来,设备较为简陋,燃烧不稳定且燃烧温度不高,几乎未配备低氮燃烧器,使得燃烧排放的污染物种类多、浓度高。因此为了推广生物质燃料减少污染物的排放,必须配套使用专门的生物质锅炉,可从燃烧过程中减少污染物的排放。

(4)建设完备的烟气污染控制设施。由现场监测发现生物质燃烧排放的烟气污染物种类较多、浓度较高,尤其是NOx、VOCs的排放浓度较高,而单纯依靠生物质锅炉燃烧过程控制无法达到排放标准要求,因此需要建设较为完备的烟气污染控制设施,可参照现有工业燃煤锅炉烟气污染治理方法,采用“布袋除尘+SNCR脱硝+湿法除酸”的污染治理技术路线。但针对VOCs的去除国内尚缺乏经济、高效的治理技术,仍需加强研究,而与湿法脱硫设施相结合的液体吸收法具有较好应用前景,可作为技术研究的一个方向。

现有的地方标准

参考文献:

[1]方平, 唐子君, 黄建航,等. 生物质锅炉烟气污染物排放特性及其控制对策[J]. 环境科学与技术, 2016, v.39(10):155-160.