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水泥行业细颗粒物(PM2.5)监测与超低排放治理技术关系

北极星大气网  来源:水泥工匠  作者:毛思源 毛志伟  2021/3/9 9:24:55  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:PM2.5 细颗粒物 水泥行业

北极星大气网讯:1国外对细颗粒物PM2.5)的研究现状

2012年2月29日环境保护部和国家质检总局联合发布的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中新增了PM2.5指标并给出了明确的浓度标准值,此次标准修订后已经与世界卫生组织(WHO)过渡期第1阶段的目标值相同,但与美国、日本、欧盟等仍存在很大的差距,见表1。

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从表1中可见,国外的PM2.5标准比较严,且执行时间也早。

据此来看,国内整个水泥行业存在PM2.5排放现状不清、法律法规及标准缺失、污染治理技术研发不够、监测监控能力跟不上、思想认识不到位等问题。针对超细颗粒物开展监测、控制技术及管理方案的研究具有非常重要的意义。

研究资料表明,PM2.5超细粒子由于粒径小、运动性强,且含有汞、硝酸盐、重金属、硫酸盐等有害物,严重危害着人体的健康,近年来我国心、肺、传染等各类疾病的发生越来越多也与此有关。世界卫生组织(WHO)出版的《空气质量准则》尤其是对大气中可吸入颗粒物的浓度限值制定了严格的标准。WHO规定PM2.5年平均浓度为10μg/m3,24小时平均浓度为25μg/m3。WHO还指出:当PM2.5年均浓度达到35μg/m3时,人的死亡风险比10μg/m3的情形约增加15%。

美国纽约大学药学院通过调查和研究也已经证明,工业烟尘中的 PM2.5可吸入颗粒物与肺癌、心脏病所导致的死亡有关。空气中的可吸入颗粒物每增加 10μg/m3, 肺癌致死的危险就增加8%,心脏病死亡率则增加6%,总死亡率增加4%。日本环境省2007年公布的调查结果显示,如果大气中可入肺颗粒物的浓度每立方米增加10微克,那么在此后5天内,部分65岁以上老者的呼吸系统疾病会加重,这个年龄段人群中因患哮喘或肺炎等疾病而死亡的几率会升高1.1%。

欧盟在过去的几年里,已发展到采用不同的测量方法和间单的装置与计算模型相结合来确定和区分细颗粒物粒径及其分布,例如,在粉尘总排放量的基础上测量烟气流。来自德国的调查表明,总颗粒物排放的主要部分是以细颗粒物出现的,不受废气的总颗粒物浓度的影响。通过电除尘器排放的,有90%的粉尘是小于10微米(PM10)和50%的小于2.5微米(PM2.5)的细颗粒物,具体实例见水泥工业的统计表2。

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总颗粒物排放量是采用过滤式采样仪器测得的(平面过滤装置)。采用管道紊流取样器取回的粉尘是在等速条件下,并从烟气气流中将其分离为不同尺寸的颗粒。另外, 来自于爱尔兰水泥厂的细颗粒物排放数据表明。主要细粉尘是可以通过总颗粒物量的减少而减少,详见下表3。配有高效除尘系统的工厂相应地有助于减少细颗粒物的负荷。

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2.我国水泥行业超细颗粒物(PM2.5)现状

虽然我国水泥行业粉尘治理技术已经达到了相对成熟的阶段,各种高效袋和电式除尘系统的除尘效率已经可以达到99%以上;2013年底出台的新标准《水泥工业大气污染物排放标准》(GB 4915-2013)中的排放控制制标也接近国外先进控制标准。然而,由于我国水泥总量大,2019年年水泥产量占世界水泥产量的60%,加上长期监管不到位。其实际排放远超控制标准,见表4

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国外研究表明,粒径较小的PM2.5粉尘在总粉尘排放量中所占的比例极高,所排放出的粉尘中50-80%为PM2.5细颗粒物。换言之,通常工况下PM2.5的排放量极有可能很大。再加上我国水泥的总产能占全世界的60%,造成的严重雾霾天气,水泥行业的贡献排在3-4位间。

水泥行业粉尘排放物PM10和PM2.5由粒径分别小于10和2.5微米细颗粒组成,这些颗粒可以以固体形式或气溶胶出现。这些类型的微尘可能由于一系列的物理化学反应,包含不同的有害气体,如氮氧化物和硫化物,及氨反应形成硫酸盐、硝酸和氨微粒,可能会导致人类的健康问题。在水泥行业, PM10和/或PM2.5可能来自于燃烧和冷却过程;然而,辅助生产过程也能导致细微粉尘的形成。

作为污染严重的水泥行业,2013年修订了《水泥工业大气污染物排放标准》将水泥窑颗粒物排放50mg/Nm3的限值提高到30mg/Nm3。但是针对水泥行业颗粒物中PM2.5开展的研究甚少,关于水泥行业颗粒物中PM2.5超细粒子的排放状况几乎空白,基于此种情况,我们在十二五和十三五其间,着手对有代表性的地区和不同规模的水泥生产线的PM2.5超细粒子排放进行了现场采样监测。

3.对水泥窑等采样监测

采样和分析设备

(1)武汉天虹TH-880F自动烟尘烟气分析仪

废气含尘浓度的测试工作原理简单描述:根据仪器感应头测到的动压,靠抽气泵的抽力作用,将烟囱中的含尘废气从烟囱中吸出,经过特制的滤筒将废气中的颗粒物过滤并收集。然后,废气进入专门的动压跟踪仪器,计算出在设定的时间内采集的废气体积。根据滤筒前后的重量变化即可得出测试时间内收集到的粉尘重量。根据粉尘重量和采气体积即可计算出废气的含尘浓度。本研究用此仪器测量分析窑头、窑尾、煤磨、水泥磨的含尘浓度。

(2)KS-220 型烟道气颗粒多级采样仪

KS-220 型烟道气颗粒多级采样仪是符合最新的环境标准—ISO-EN909 的颗粒采样仪,它采用最新的流体机械的形状设计,在增加冲击效果的同时以及减少仪器尺寸,腔室内部采用三级两板的构造,在设计流量下三级的切割粒径分别为PM10、PM2.5及PM1.0,一次采样能得到六个样品,同一级的两个样品可以取平均值。KS-220 可配置不同尺寸的等速采样头,非常适合应用于不同燃烧源排放颗粒物的理化特征分析。KS-220 通常与KS-404 自动采样仪联用,配置图如图1所示。KS-404自动采样仪将自动测定采样流量及温度、计算并控制等速采样条件、控制采样泵、输出数据等。

图1 KS-220及KS-404联用配置图

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4.监测结果与分析

本次监测对不同地区2条2500t/d、4条3000 t/d、5条4500 t/d、7条5000 t/d和2条10000 t/d规模的新型干法水泥生产线的窑尾,窑头、水泥磨、煤磨收尘器的出口进行了采样和补充监测。监测结果如下:

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本次监测的水泥厂,煤磨和水泥粉磨工段采用的除尘器全部为袋式除尘器。就煤磨工段而言,经除尘后排放的颗粒物(TSP)中,PM10的比例介于84.3-90.0%之间。水泥粉磨工段与煤磨工段较为接近,范围为85.7-94.5%,说明水泥生产中煤磨和水泥粉磨工段经袋式除尘器除尘后排放的颗粒物中以PM10为主。这两个工段排放的PM2.5排放比例占TSP的一半以上,最高约86.30%,可以预见PM2.5排放量不容忽视。根据测试结果,当水泥窑头经静电除尘处理后排放的烟气中,PM10的含量占比范围为90.2-97.4%,PM2.5的含量占比范围为69.2-81.1%。采用袋式除尘器除尘后的窑头废气中,PM10的含量占比范围为88.4-94.9%,PM2.5的含量占比范围为63.9-77.9%。由此可见,窑头颗粒物排放仍以细颗粒物为主,且可吸入颗粒物排放量占有较高的比例,但袋式除尘器处理后排放的烟气细颗粒物的比例略低。经静电除尘器处理后的水泥窑尾烟气中PM10含量的占比范围为86.6-95.0%,PM2.5含量占比范围为41.8-80.5%。采用袋除尘措施进行除尘的窑尾烟气中,PM10含量占比范围为61.3-93.5%,PM2.5含量占比范围为36.9-77.9%。对比窑头、窑尾烟气中不同颗粒物的粒径分布可以发现,窑尾排放烟气中PM2.5占TSP的比例要略小,且波动更大。

5.结论

水泥在生产过程中,经除尘设备处理后排放的颗粒物以PM10为主,所占比例可以达到95%以上,而在PM10中PM2.5占有较高的比例。换句话说,现有的除尘设备对可吸入颗粒物的去除效果有限。当然,TSP中PM10和PM2.5占比也和粉尘排放的浓度有着很大的关系,排放浓度越低,TSP中PM10和PM2.5占比越大。但由于监测方法的局限,造成部分数据存在偏差,监测样本数量不足等因素,无法摸清粉尘排放浓度和TSP中PM10、PM2.5两者的线性规律,因此,还需继续调研和监测以深入研究排放浓度和TSP中PM10、PM2.5占比的关系。本次监测的目的也就在于建立两者之间的关系,实现通过粉尘排放的监测数据,可初略估算TSP中PM10和PM2.5占比,从而可以大致计算出水泥行业PM10和PM2.5的排放量。同时也希望通过对20条水泥生产线的PM10和PM2.5数据的监测,为水泥行业PM2.5超细粒子治理技术的研究提供基础数据。

水泥行业的实践证明,随着环保排放标准的进一步严格,袋收尘器的使用比例越来高。而采用袋收尘器过滤是超细粒子捕集控制的最有效方式,滤料作为核心材料,其性能将影响着颗粒物捕集的效果,目前市场上的各种滤料主要是针对全尘捕集的要求来制造的,但是对于超细颗粒物(PM2.5),捕集效果还有较大差别。

最近,国家环保部进一步进行水泥行多污染协同控制治理的要求下,各大学,研究机构进行了实验室的理论研究。如东北大学滤料检测中心,通过实验手段,就目前市场上几种常用的袋收尘器的滤料,对超细颗粒物的过滤性能进行了测试,结果,见表5。

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上述实验中采用了美国TSI公司的DUSTRAK8520仪器,由上表中显示看出;几种滤料对PM1.0的计重效率相差较大,在40.12%-83.17%;随着粉尘颗粒的增大,滤料的效率也增大,对PM2.5的计重效率在72.73%-95.45%;几种滤料对PM10的过率相差不大,在92.31%-99.32%;但不管是PM1.0、PM2.5还是PM10,覆膜玻纤针刺毡滤料的效率最高。所以采用覆膜针刺毡滤料的袋收尘器是减少和控制PM2.5超细颗粒物有效方法。

参考资料

1. 欧盟水泥工业BAT_2009年修订稿(中文稿)。

2. 典型滤料对PM1.0/ PM2.5/ PM10细颗粒物捕集性能的研究。中国环保产业2013.6

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