0 引 言

中国是全球最大煤炭消费和生产国,煤炭已成为中国主要消费能源。中国约有过半的煤炭用于发电,大量供应全球能源需求。而煤是一种复杂有机混合体,富含烷烃、环烷烃、多环芳烃和酯醚类等有机物,也导致煤不完全燃烧释放大量挥发性有机物(VOCs),与大气中氮氧化物反应生成的光化学烟雾,是形成城市雾霾和地区性臭氧污染的主因,且会破坏人体呼吸系统,有慢性毒性效应[1-2],故燃煤电厂成为重要空气污染源[3]。

对燃煤中有机污染物的研究主要集中在生成机理,包括煤中有机物赋存形态、煤热解过程和燃烧过程有机污染物释放特性研究[4-5]。国外很多学者研究了燃煤电厂挥发性有机物排放特性。FERNNDEZ-MARTINEZ等[6]研究发现仅燃煤电厂VOCs排放占总人为排放量的37%,GARCIA等[7]提出评估燃烧效率的方法,显示排放及燃烧过程中形成的和燃料中已存在的化合物之间的关系,发现烟气中主要是醛和芳香烃。而我国对燃煤电厂VOCs排放特性的认识并不全面,大部分研究均以工业来源为基础。BARRO等[8]综述了室内环境中有关VOCs的发展和应用,讨论了样品收集和预处理、分析物提取、净化程序、测定技术、性能结果和室内样品中的化合物浓度。我国对VOCs排放特性的研究发展晚,KONG等[9]研究辽宁省燃煤电厂、钢铁冶炼厂和焦炭生产厂VOCs排放,发现燃煤电厂烟气中芳香烃最多,达69.1%。所以检测燃煤电厂挥发性有机物排放特性利于了解 VOCs排放和现有污染物治理设备协同脱除情况,指导VOCs减排。但不同机组煤质、燃烧特性、和烟气流速不同,导致不同机组进入尾部烟道和烟气排放时非甲烷总烃浓度不同。如LIU等[10]分别研究廊坊某电厂300 MW机组和机组旁路中试平台VOCs排放,中试平台烟气来自锅炉。研究表明中试平台烟气中非甲烷总烃浓度约比300 MW机组低20%,可能因为中试平台SCR入口烟气温度(323 ℃)低于300 MW机组SCR入口(348 ℃),由于中试平台温度约比机组温度低25℃,导致沉积和冷凝效应,使部分多环芳烃(PAHs)冷凝并沉积在烟气输送管道中[11]。SUN等[12]研究9个不同厂的烟气样本,发现600 MW大机组VOCs排放质量浓度为871.2 μg/m3,而300 MW小机组VOCs排放质量浓度偏低,为224.7 μg/m3。YAN等[13]研究3座火力发电电厂(燃煤电厂,煤矸石电厂和生物质电厂)的VOCs排放,排放最多的3种有机物为1-丁烯、苯乙烯和正己烷。XU等[14]检测某燃煤电厂湿法脱硫出口处VOCs,总烃质量浓度13 456±47 μg/m3,含脂肪烃(57.9%)、芳香烃(26.8%)、卤素类(14.5%)和少量含氧、含氮类。

在国投云顶湄洲湾电力有限公司一期机组1号锅炉(400 MW)和二期机组3号锅炉(1 000 MW)研究VOCs排放特性,煤种用印尼煤,在线和离线采样分析脱硝系统(SCR)、电除尘系统(ESP)和湿法电除尘系统(WESP)进出口烟气,在线采样获得不同大小机组VOCs甲烷(CH4)和总烃(THC)浓度,发现1 000 MW机组煤燃烧更彻底,SCR前非甲烷总烃浓度约比400 MW机组低30%。离线采样获得各点位固定污染源废气挥发性有机物标准中包含的23种挥发性有机物浓度,掌握燃煤烟气VOCs在污染控制流程的迁移变化规律和排放特征。

1 装置和方法

将有关燃煤电厂各点位VOCs排放的文献汇总于表1。已有研究阐明了我国燃煤电厂烟气VOCs污染物排放的实测数据,但研究局限于单一机组,少有研究针对同一电厂不同大小机组VOCs排放特性。此外我国煤质多变、燃烧炉型多样、不同机组所用污染物控制设施和技术差别大,多数研究针对切圆燃烧方式,未研究不同燃烧方式(如切圆燃烧、对冲燃烧)锅炉VOCs排放特性,同时亚临界和超临界锅炉排放特征对比研究也鲜有报道。因此笔者研究不同燃煤机组、燃烧方式,探究VOCs排放特性。

1.1 电厂概况

测试平台为400和1 000 MW机组配备超低排放系统的燃煤机组。400 MW亚临界燃煤发电机组,锅炉为单炉膛π型布置,用前后墙对冲的煤粉燃烧方式。1 000 MW机组为上海锅炉厂自主生产的1 000 MW超超临界燃煤发电机组,锅炉为单炉膛π型布置,燃烧方式为双切圆燃烧。两台机组均配备3层钒钨钛催化剂的脱硝系统(SCR),空气预热器(APH),低温省煤器(LTE),静电除尘器(ESP),脱硫塔(FGD)和湿法静电除尘器(WESP),满足超低排放要求(PM<5 mg/m3,SO2<35 mg/m3,NOx<50 mg/m3)。试验煤种为印尼褐煤和国产神华混煤,工业分析和元素分析见表2。分别在2 d内对各机组完成采样,由于不同时段煤种配比轻微波动,将对应点位采集的煤种配比情况汇总于表3,400 MW机组所用煤种国产煤比例、挥发分含量和灰分含量均较高。

1.2 采样过程

分别用在线法和离线法2种方法采集了气中VOCs。挥发性有机物分别在SCR前后、ESP前后、WESP前后共6个位置进行采样测试,获得污染物排放特征及各污染物控制单元对有机污染物减排的影响,采样位点如图1所示。烟气污染物浓度均折算至6%含氧量、标况干态。试验负荷约60%。两种采样方法在同一采样点位不同监测孔同时进行,确保样本代表性。

1.2.1 在线法

在线法通过基于气相色谱-火焰离子检测器(GC-FID)原理的便携式VOCs分析仪(GCD-9200,南京期宾科技)实时测量烟气中的甲烷和非甲烷总烃(NMHC)浓度。取样和分析系统均加热至高温,通过色谱柱分离及反吹技术,分别测量出CH4和NMHC浓度。

1.2.2 离线法

离线法参照HJ 734-2014《固定污染源废气挥发性有机物的测定固相吸附—热脱附/气相色谱—质谱法》[17]采集,用自制加热烟枪,恒温120 ℃,使用填充三段活性炭的Tenax吸附管采集烟气,每个工况采集3次,每根吸附管采集20 L烟气,吸附管采样前放置滤筒去除烟气中飞灰,Nafion管(Perma Pure LLC,USA)去除水蒸气。采集完烟气之后,立即用橡胶密封帽密封两端,低温避光保存,5 d内完成分析。吸附管取样后在试验室中进行TD-GC-MS分析。

1.3 分析方法

1.3.1 在线法

测试前,通过CH4和C3H8标准气体(100×10-6,平衡气N2)对VOCs分析仪标定并用零点空气清洁,保证VOCs分析仪测试结果准确性。

1.3.2 离线法

测试采样完的Tenax吸附管进行热脱附(TD),用气相色谱-质谱联用(GC-MS, PerkinElmer, Clarus SQ 8T, USA)测定各VOCs浓度。吸附管在300 ℃以30 mL/min的流速解吸3 min,在30 ℃被石墨化炭黑填充的冷阱捕获。在300 ℃快速加热炭黑冷阱,由超纯氦(99.999%)携带进入GC-MS系统。用DB-5硅胶二甲基聚硅氧烷毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 mm),载气为氦气(1.0 mL/min)。GC初始温度38 ℃保持5 min,以10 ℃/min升温至280 ℃,保持5 min。质谱源温度220 ℃,质量碎片扫描范围35～500 m/z。通过HJ734-2014《固定污染源废气挥发性有机物标准液体样品》进行外标法定量,获取烟气中23种不同VOCs浓度。分析23种标准样品中VOCs成分,获得7～10种VOCs浓度分布。

1.4 固体样品采样及分析方法

1.4.1 采样方法

固体样品(煤、灰、渣、石灰石和石膏)取样遵循ASTM D-2234(1989)《煤总样品的收集试验方法》。固体样品取自1 000 MW机组(2023年3月24日)和400 MW机组(2023年3月27日)2 d的样品,煤样为入炉煤,飞灰样为400和1 000 MW机组ESP系统B侧飞灰,渣从炉膛底部获取,石膏和石灰石分别从FGD获取,取样点位如图1所示。

1.4.2 分析方法

利用索式提取法连续提取24 h固体样品,样品量3 g,溶剂为二氯甲烷。提取液浓缩至5 mL后用GCMS检测,按HJ 950-2018《固体废物多环芳烃的测定气相色谱—质谱法》标准分析,GCMS升温程序和第1.3.2节相同。使用3种不同梯度浓度的固定污染源废气挥发性有机物标准溶液进行外标法测试,利用特征离子峰面积计算固体样品60种不同VOCs浓度。

1.5 质量控制

使用在线法测试前,需进行5次空气取样,保证浓度变化低于5%才可进行在线法取样测试,每次点位进行10次连续测试保证准确性。

离线法采样时,现场用的Tenax吸附管在实验室提前活化处理,选取回收率90%以上Tenax吸附管测试。每个点位采样3次保证试验数据准确性。在GC-MS分析中,每根吸附管分析结束后进行1次空白测试清洁色谱柱。若全过程空白(未进行取样)中目标化合物含量超7 ng,则需对这一批次数据检查确认。烟气流量变化在采样前后应维持在5%～10%,根据流量变化校正数据。如流量变化超10%,则需重新取样。

2 结果与讨论

2.1 烟气中在线采样数据分析

燃煤机组各点位甲烷和非甲烷总烃浓度分别如图2和表4所示。400 MW机组SCR前NMHC质量浓度33.36 mg/m3,经SCR后质量浓度骤降至3.86 mg/m3,机组SCR对NMHC脱除效果达88.43%,说明SCR设备对VOCs协同脱除效果好。烟气流经约320 ℃脱硝催化剂后,其中VOCs被催化氧化,转化为较小有机分子或CO2和H2O[11],从而达到协同脱除效果。但烟气流经省煤器和空气预热器时,由于可能冲刷掉管壁上有机物,使NMHC质量浓度重新升至19.60 mg/m3。除主要污染控制设备,其他辅助设备对烟气中有机物排放也影响大。经ESP,NMHC质量浓度进一步升至26.98 mg/m3,由于烟气在ESP静电场作用下,飞灰受静电排斥脱附部分VOCs使浓度增加。经脱硫系统(FGD)进入WESP前,NMHC质量浓度降至10.26 mg/m3,可能由于尾部污染物控制设备与ESP之间温差大,温度骤降使部分VOCs冷凝,导致烟气中NMHC的浓度降低。经WESP,NMHC浓度出现不明显降低,在WESP出口烟气中NMHC的质量浓度8.40 mg/m3。在线数据表明,6个位置甲烷质量浓度分别为0、0.21、0.58、0.26、0、0.37 mg/m3,整体稳定。

1 000 MW燃煤机组SCR前NMHC的质量浓度24.66 mg/m3,比400 MW机组低,可能由于400 MW机组旧,老化严重,燃烧效率低,煤燃烧不彻底,释放VOCs较多,而大机组燃烧效率高,燃烧更彻底; VOCs释放少。经SCR后非甲烷总烃质量浓度降至6.247 mg/m3,与400 MW机组趋势相同,表明无论机组大小,SCR均可对VOCs起催化氧化作用,降低大部分VOCs浓度。烟气到达ESP前NMHC浓度上升,ESP系统对NMHC浓度影响和400 MW机组趋势相同,最终经WESP,排放的烟气中NMHC质量浓度浓度8.47 mg/m3。可知400 MW机组SCR入口烟气中非甲烷总烃浓度约比1 000 MW机组高30%,400 MW机组APCDs对NMHC总净化效率73.98%,高于1 000 MW机组的63.02%。

锅炉燃烧效率受运行负荷和燃烧方法影响。锅炉运行负荷对VOCS排放有一定影响。图3为两机组采样时刻负荷变化,可知采样时间内400 MW机组负荷普遍比1 000 MW机组低,这是导致SCR入口NMHC浓度高于1 000 MW机组的最主要原因。负荷和炉膛温度一般呈正相关,负荷增大炉膛升温,高锅炉运行负荷可保证燃烧更充分[18-20]。故1 000 MW机组燃烧更充分,炉膛排放到尾部烟道的挥发性有机物少。两机组尾部烟气温度如图4所示,可知1 000 MW机组SCR前温度334 ℃,略高于400 MW机组。测试期间,锅炉性能试验表明,负荷50%～100%,400和1 000 MW机组锅炉效率分别在91.15%～92.42%和93.93%～94.49%变化,1 000 MW机组锅炉效率高,利于VOCs燃烧分解。由表3可知,国产煤和印尼褐煤挥发分分别为28.1% 和38.6%,采样期间1 000 MW机组印尼煤掺混比例高。而1 000 MW机组SCR入口处VOCs浓度低于400 MW机组,表明影响1 000 MW超超临界四角切圆燃烧锅炉炉内VOCs燃烧更充分,可能因四角切圆燃烧方法燃料在炉内停留时间长,比对冲燃烧充分。影响燃煤电厂NMHC排放量的因素复杂,主要有煤种、锅炉运行负荷、机组装机容量、炉膛温度、烟气流速、含氧量等。

SCR催化剂氧化能力与尾部烟道含氧量有关,研究表明,氧气增至适宜浓度利于SCR更好催化氧化NOx等污染物[21]。由图2可知,经SCR,400和1 000 MW机组烟气中的NMHC质量浓度分别为3.86 和6.25 mg/m3。400 MW 机组SCR对NMHC净化效果为88.4%,高于1 000 MW机组的74.6%。研究表明,氧含量会影响锰基铈基热催化VOCs性能,随氧气含量增加催化性能提升,氧气含量进一步提升可能使催化剂中毒,最佳氧体积分数在6%～10%[22]。图4为两机组尾部烟道氧含量变化曲线,SCR入口处,400 MW机组氧体积分数4.76%,略高于1 000 MW机组的3.08%,SCR出口400 MW机组的氧体积分数也高于1 000 MW机组,这可能是400 MW机组SCR挥发性有机物净化效果更好的原因之一。尾部烟道流速也影响VOCs净化效果,电厂数据表明,400 MW机组尾部烟气流速7～9 m/s,1 000 MW机组烟气流速14～20 m/s,机组容量越大烟气流速越快。烟气流速过快会缩短烟气在锅炉尾部烟道滞留时间,而烟气慢停留时间长,被氧化更充分[23],这是400 MW机组APCD对VOCs净化效果更好的原因之一。煤种对燃烧过程中多环芳烃和其他VOCs形成影响大,文献[15]研究表明,煤挥发分含量越高,产生多环芳烃越多,而烟煤比其他煤种燃烧释放VOCs多。

综上,影响燃煤电厂VOCs排放因素多,不同因素相互影响,使不同燃煤机组VOCs排放特性各异。

2.2 烟气中离线采样数据分析

400 MW燃煤机组各点位不同VOCs质量浓度如图5(a)所示,详细浓度见表5。可知,SCR入口VOCs浓度最高,SCR出口其次,与在线数据一致。23种可被定量的VOCs中,SCR入口前燃煤烟气中VOCs正己烷、苯、苯甲醛浓度高,质量浓度分别为1 552.7、485.58、248.56 μg/m3,经过SCR后,这些有机物的浓度急剧降低,正己烷、苯、苯甲醛质量浓度降至57.20、27.43、89.54 μg/m3,相应脱除效率分别为96.32%、94.35%和63.98%,说明SCR设备对这3种有机污染物脱除效果显著。此外,烟气中还检测出其他有机污染物如甲苯、乙苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯等,这些经过SCR后也有不同程度脱除效果。烟气通过ESP时,部分VOCs质量浓度上升。如正己烷由120.3 μg/m3升至993.4 μg/m3,苯由17.0 μg/m3升至473.74 μg/m3,甲苯由7.83 μg/m3升至17.49 μg/m3。可能因为在静电除尘过程中,高压静电场使飞灰释放部分VOCs。烟气通过FGD抵达WESP前,各有机物浓度显著降至极低,这与在线监测数据吻合。比较不同有机物排放规律,发现烟气中VOCs浓度和在线数据趋势大体相同,即经过SCR,所有类型VOCs浓度均明显下降;经过ESP,部分VOCs浓度增加。

1 000 MW机组各点位不同VOCs浓度如图5(b)所示,可知1 000 MW机组VOCs种类和400 MW机组类似,主要成分均为正己烷、苯系物和苯甲醛。1 000 MW机组SCR前,苯、苯甲醛、正己烷和2-癸烯质量浓度最高,分别为1 025.02、592.86、287.56和272.40 μg/m3,经SCR后苯质量浓度明显降至33.65 μg/m3,但正己烷甲苯和苯甲醛浓度变化不明显,表明SCR系统对VOCs有选择性催化能力。

结果表明,燃煤电厂空气污染物控制设备(APCD)系统对VOCs脱除效果好。氧化、沉积、冷凝和水吸附是VOCs脱除主要机制。实际运行中,控制设备需依具体情况优化,实现最大脱除效果。

2.3 固体样品中甲烷和非甲烷总烃浓度

使用索式提取对400和1 000 MW机组的煤、灰、渣、石灰石、石膏提取有机物,400 MW机组固体样品采集于2023年3月27日,1 000 MW机组固体样品采集于2023年3月24日,分别对应各自吸附管采集日期,结果分别如图6(a)和图6(b)所示。可知固体样品中小分子有机物浓度低,为μg/g级别,主要为乙酸乙酯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯和乙酸丁酯。5种固体样品中,400和1 000 MW机组乙酸乙酯浓度均最高,可能由于乙酸乙酯在自然环境中来源广泛,或在燃煤电厂生产过程中生成并积累。400和1 000 MW机组煤有机物中乙酸乙酯、甲苯和对/间二甲苯浓度均最高,400 MW中浓度分别为123.12,21.41和4.66 μg/g,1 000 MW中浓度分别为37.34,8.57和2.05 μg/g。两机组固体样品有机物浓度差别小,400 MW机组固体样品中有机物浓度比1 000 MW稍高。试验结果表明大小机组固体样品中的VOCs种类相同,灰和渣中VOCs浓度浮动小,表明机组容量对于渣和灰中VOCs富集无明显影响。

3 结 论

1)不同机组VOCs排放特性不同,这由运行负荷、锅炉效率、炉膛温度、含氧量等锅炉复杂的运行特性决定。400和1 000 MW燃煤电厂VOCs排放特性差异显著。两机组VOCs主要由正己烷、苯系物和苯甲醛组成。VOCs排放质量浓度分别为8.68和9.12 mg/m3,整体脱除效率分别为73.98%和63.02%。SCR设备对烟气中VOCs脱除效果极高,对不同VOCs脱除效率各异,这与SCR系统运行条件紧密相关。400 MW机组SCR系统对NMHC脱除效果为88.43%,说明SCR设备在燃煤电厂中作用明显,对烟气净化有关键作用,400 MW机组APCDs对VOCs净化能力高于1 000 MW机组,因为400 MW机组烟气流速慢,且尾部烟道含氧量高。

2)1 000 MW机组SCR入口处非甲烷总烃浓度低于400 MW机组,因为1 000 MW机组负荷高,炉膛温度高,且切圆燃烧炉内停留时间长,故煤燃烧更彻底,且1 000 MW机组的锅炉运行效率高,也有利于降低SCR入口处VOCs浓度。研究发现,不同APCDs对VOCs排放影响不同。SCR系统对降低VOCs浓度效果很好,其可催化氧化VOCs、将其转化为较小有机分子或CO2和H2O。在静电除尘过程中,高压静电场作用可能导致飞灰脱附部分NMHC,反过来导致烟气中NMHC浓度增加。表明尽管ESP系统能有效去除粒子物质,但对控制VOCs可能有负面效果。经APCDs处理,WESP系统出口NMHC浓度比SCR入口明显降低,主要由于WESP烟气温度低,导致较多VOCs冷凝,400和 1 000 MW机组总脱除效率分别为73.98%和63.02%,两机组甲烷浓度几乎为0。

3)用离线法分析各点位VOCs种类,以正己烷、苯系物和苯甲醛为主,SCR系统催化作用明显,正己烷、苯、苯甲醛经SCR处理,脱除效率分别为96.32%、94.35%和63.98%,离线法所得趋势和在线法大致相同,1 000 MW机组中,VOCs种类和400 MW机组类似, SCR系统对VOCs催化有选择性,苯类物质更易被氧化。

4)对从两机组采集的固体样品(煤、灰、渣、石灰石和石膏)分析表明,样品中有机物浓度低。尽管两机组有机物种类相似, 400 MW机组有机物浓度略高于1 000 MW机组。固体样品中VOCs浓度与燃煤电厂机组大小无直接关联,而可能受煤质和燃烧条件影响。

5)燃煤电厂在实际运营中需根据具体情况优化污染控制设备,以达最大脱除效果。也需考虑机组大小和运行效率对VOCs浓度影响,以有效控制有机污染物排放。

参考文献(References)：

[1] 吴晓春. 挥发性有机物的危害和治理策略分析[J]. 化工设计通讯, 2022, 48(9): 80-82.

WU Xiaochun. Analysis on the harm and control strategy of volatile organic compounds[J]. Chemical Engineering Design Communications, 2022, 48(9): 80-82.

[2] 张鸿. 工业挥发性有机物VOCs的危害及防治措施的对比研究[J]. 现代工业经济和信息化, 2021, 11(9): 176-177.

ZHANG Hong. Comparative study on the harm of industrial volatile organic compounds VOCs and preventive measures[J]. Modern Industrial Economy and Informationization, 2021, 11(9): 176-177.

[3] CHENG J, ZHANG Y, WANG T, et al. Emission of volatile organic compounds (VOCs) during coal combustion at different heating rates[J]. Fuel, 2018, 225: 554-562.

[4] 李杨勇. 煤焦化过程挥发性有机物排放特征[D].太原:太原理工大学,2022.

[5] CHENG J, ZHANG Y, WANG T, et al. Thermogravimetric-fourier transform infrared spectroscopy-gas chromatography/mass spectrometry study of volatile organic compounds from coal pyrolysis[J]. Energy &fuels, 2017, 31(7): 7042-7051.

[6] FERNNDEZ-MARTINEZ G, LPEZ-MAHIA P, MUNIATEGUI-LORENZO S, et al. Distribution of volatile organic compounds during the combustion process in coal-fired power stations[J]. Atmospheric Environment, 2001, 35(33): 5823-5831.

[7] GARCIA J P, BEYNE-MASCLET S, MOUVIER G, et al. Emissions of volatile organic compounds by coal-fired power stations[J]. Atmospheric Environment. Part A. General Topics, 1992, 26(9): 1589-1597.

[8] BARRO R, REGUEIRO J, LLOMPART M, et al. Analysis of industrial contaminants in indoor air: Part 1. Volatile organic compounds, carbonyl compounds, polycyclic aromatic hydrocarbons and polychlorinated biphenyls[J]. Journal of Chromatography A, 2009, 1216(3): 540-566.

[9] KONG S, DING X, BAI Z, et al. A seasonal study of polycyclic aromatic hydrocarbons in PM2. 5 and PM2. 5-10 in five typical cities of Liaoning Province, China[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1/3): 70-80.

[10] LIU J, WANG J, CHENG J, et al. Distribution and emission of speciated volatile organic compounds from a coal-fired power plant with ultra-low emission technologies[J]. Journal of cleaner production, 2020, 264: 121686.

[11] LIU J, WANG T, CHENG J, et al. Distribution of organic compounds in coal-fired power plant emissions[J]. Energy &Fuels, 2019, 33(6): 5430-5437.

[12] SUN S, LIU W, GUAN W, et al. Effects of air pollution control devices on volatile organic compounds reduction in coal-fired power plants[J]. Science of the Total Environment, 2021, 782: 146828.

[13] YAN Y, YANG C, PENG L, et al. Emission characteristics of volatile organic compounds from coal-, coal gangue-, and biomass-fired power plants in China[J]. Atmospheric environment, 2016, 143: 261-269.

[14] XU J, LYU Y, ZHUO J, et al. Formation and emission characteristics of VOCs from a coal-fired power plant[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2021, 35: 256-264.

[15] 程杰. 燃煤电厂挥发性有机污染物排放机理及脱除研究[D]. 北京:华北电力大学, 2019.

[16] 徐静颖. 典型煤种热解与燃烧过程挥发性有机物生成与排放特性[D].北京:清华大学, 2019.

[17] 吴丽. 固相吸附-热脱附/气相色谱-质谱法测定废气中挥发性有机物的方法研究[J]. 干旱环境监测, 2019, 33(2): 59-66.

WU Li. Determination of organic volatility by solid phase adsorption-thermal desorption/gas chromatography-mass spectrometry in exhaust gas[J]. Arid Environmental Monitoring, 2019, 33(2): 59-66.

[18] 吴昌达, 张春林, 白莉, 等. 生物质成型燃料锅炉挥发性有机物排放特征[J]. 环境科学, 2017, 38(6): 2238-2245.

WU Changda, ZHANG Chunlin, BAI Li, et al. Characteristies of volatile organic compounds emitted from biomass-pelletsfired boilers [J]. Environmental Science, 2017, 38(6): 2238-2245.

[19] 孙树睿. 典型燃烧源VOCs排放特征及污控设施影响研究[D]. 西安:长安大学, 2021.

[20] SHI R, YUAN Z, YANG L, et al. Integrated assessment of volatile organic compounds from industrial biomass boilers in China: Emission characteristics, influencing factors, and ozone formation potential[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2023, 30(4): 9852-9864.

[21] MA Z, DENG J, LI Z, et al. Characteristics of NOx emission from Chinese coal-fired power plants equipped with new technologies[J]. Atmospheric Environment, 2016, 131: 164-170.

[22] WANG Q, YEUNG K L, BAARES M A. Ceria and its related materials for VOC catalytic combustion: A review[J]. Catalysis Today, 2020, 356: 141-154.

[23] 史晓宏, 刘俊, 廖海燕, 等. 燃煤电厂烟气中挥发性有机物的分布规律及排放特性研究[J]. 环境污染与防治, 2021, 43(4): 405-410.

SHI Xiaohong, LIU Jun, LIAO Haiyan, et al. Study on the distribution and emission characteristics of volatile organic pollutants in the flue gas from coa-fired power plants[J]. Environmental Pollution &Control, 2021, 43(4): 405-410.

VOCs emission characteristics of coal-fired units

CHEN Chao1, LIU Weiping1, TANG Guofeng1, DING Yi2, ZHANG Jianwei1, ZHU Xifeng3, WANG Jiawei3, WANG Tao3, ZHANG Yongsheng3

(1.SDIC Genting Meizhou Wan Electric Power Co., Ltd., Fujian 351153, China; 2.SDIC Power Holding Co., Ltd., Beijing 100034, China;3.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Abstract： In order to understand the emission characteristics of volatile organic compounds (VOCs) in the flue gas of coal-fired units with different capacities and the control effect of air pollutant control equipment (APCDs) in different tails on VOCs, online and offline sampling tests were carried out at the 400 MW subcritical offset combustion unit and 1 000 MW ultra-supercritical tangential combustion unit of Yunding Meizhou Bay Electric Power Company in Fujian Province. Theses tests aimed to obtain the whole-process concentrations of methane, non-methane total hydrocarbons and other VOCs in flue gas. The results show that the total non-methane hydrocarbon concentration before SCR of 1 000 MW unit (24.66 mg/m3) is lower than that of 400 MW unit (33.36 mg/m3). This disparity can be attributed to the higher load and furnace temperature of the 1 000 MW unit, along with the prolonged residence time of coal in the tangential combustion furnace, resulting in more thorough coal combustion. The SCR system of the two units can remove more than 70% of the total non-methane hydrocarbon, with removal rates of 88.43% for 400 MW unit and 74.32% for 1 000 MW unit, respectively. In the electrostatic dust removal (ESP) process, the high voltage electrostatic field may cause the fly ash to release some VOCs, thus increasing the VOCs concentration in the flue gas. Following the implementation of all APCDs, the VOCs emission concentration of 400 MW unit and 1 000 MW unit is 8.40 mg/m3 and 8.47 mg/m3, respectively, with the overall removal rate of 73.98% and 63.02%. Notably, almost no methane is detected. The offline test results show that the main components of VOCs after coal combustion in Indonesia are n-hexane, benzene series and benzaldehyde. The organic content analysis of various solid samples (such as coal, ash, gypsum) shows no obvious correlation between VOCs type and unit size. These findings have important significance for further understanding the impact of coal-fired power plants on air quality and optimizing the design of pollution control equipment. In actual operation of coal-fired power plants, pollution control equipment should be optimized according to specific conditions to achieve the maximum removal effect. It is also necessary to consider the unit size and operating efficiency to effectively control VOCs emissions.

Key words：Volatile organic compounds; Emission characteristics; Indonesian coal; Unit capacity; Coal burning flue gas; Total non-methane hydrocarbons

收稿日期：2023-10-02;责任编辑：戴春雷

DOI：10.13226/j.issn.1006-6772.23100201

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21776063)

作者简介：陈 超(1987—),男,山西运城人,工程师。Email: chenchao007@sdic.com.cn

通讯作者：张永生 (1975—),男,山西大同人,教授,博士。Email: yszhang@ncepu.edu.cn

引用格式：陈超,刘卫平,汤国锋,等.燃煤机组烟气挥发性有机物排放特征[J].洁净煤技术,2024,30(3):161-169. CHEN Chao,LIU Weiping,TANG Guofeng,et al.VOCs emission characteristics of coal-fired units[J].Clean Coal Technology,2024,30(3):161-169.

中图分类号：TQ53;X773

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2024)03-0161-09