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近年来，我国大气污染形势严峻[1-4]，其中煤炭消费一直被认为是导致大气污染物的最主要排放源之一[5-6]。由于我国煤炭约一半用于发电[7]，因此，燃煤发电一直以来被认为是重要的排放源，与大气污染治理密切相关。为减少燃煤电厂污染物排放对环境的污染，自2011年以来，国家先后颁布一系列政策法规[8-10]。2015年印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》[10]要求，到2020年，全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放。随后，国内火电厂积极响应，推出了一系列超低排放改造技术路线[11-13]，取得了良好的减排效果。
对尘排放的控制是超低排放改造中的难点，故尘排放特征的研究备受关注。赵磊等[14]对1台加装湿式电除尘器的机组尘排放进行了研究，发现加装湿式电除尘器后烟气中尘浓度降至1.8 mg·m−3，满足超低排放标准；王树民等[15]对三河电厂4台机组不同的超低排放改造技术进行研究，发现低低温静电除尘、脱硫除尘一体化系统、湿式电除尘器安装后尘排放浓度均可达到超低排放要求；SUI等[16]对1台装有低温省煤器、高频电源和湿式电除尘器的煤电机组尘脱除效率进行了研究，发现各减排设备对烟气中尘排放具有协同脱除效果。
目前，尘排放特性的研究仍存在以下几点不足：1)通常都针对特定机组进行研究，无法反映整体排放水平；2)数据基础时间跨度短、信息不全面，无法准确反映实际运行情况；3)缺乏对超低排放除尘技术中包含的多种设备及技术组合的综合效果比较，对后续机组改造而言，参考价值不高。本研究选取了不同规模的27台煤电机组，根据其详细技术改造信息归纳出7种除尘技术组合路线，并基于各机组2年内的连续排放数据及运行情况，对各种路线下的尘排放特征进行对比研究，得到各路线的尘排放特性，为后续燃煤机组改造提供参考；同时计算了运行条件下超低排放机组的尘排放因子，为提高环评、规划和模拟等工作效率建立基础。
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烟气最终除尘效果取决于减排系统的整体协同作用，因此，本研究的除尘方法是将除尘效果有关的各减排技术分类结合，形成7种除尘技术组合路线进行综合分析。
本研究调研了分布在全国各地的27台现役燃煤发电机组的除尘技术组合路线信息，机组负荷为215~1 000 MW，基本涵盖了目前主流燃煤发电机组。机组信息及其超低排放除尘技术组合路线如表2所示。
本研究将针对7种除尘技术组合路线展开研究，对各路线下改造前后尘排放浓度、减排效率、排放因子进行对比分析，比较改造前后的指标变化；通过对改造前后不同路线下机组长时间连续排放表现进行对比，分析各除尘技术路线的工程实践效果。
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本研究采集的数据内容如表3所示，采集了27台机组从2015年初至2017年的连续尘排放数据、各机组的每日耗煤量数据及各机组燃用煤的煤质数据，通过各机组长期运行时的尘排放情况，分析各除尘技术组合路线的工程实际表现。
在进行数据分析前，根据装置运行记录筛选数据，将非正常工况数据剔除。采集数据中尘排放数据包括尘排放浓度和烟气流量，均为实时监测数据。实时监测的原始数据间的时间间隔为2~20 s，在分析前，统一将1 h内的排放浓度进行均值计算；烟气流量数据需要将连续排放数据根据烟气含氧量和环境温度、压力折算成为标态下的烟气量数据。
表4列出了27台超低排放机组的年均耗煤量以及主要煤质数据，单机组年入炉煤量逐日逐机组统计。本研究中的尘减排效率根据入炉煤量和入炉煤灰分计算得出，尘排放因子根据尘排放量和标准煤耗量计算得出，其中尘排放量根据尘排放浓度和烟气流量得出，标准煤耗量根据入炉煤低位发热量和标准煤的低位发热量计算得出。
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本研究中除尘效率根据式(1)～式(3)进行计算。
式中：η为日均除尘效率；E总为未经过减排措施控制前的尘排放量，kg·d−1；E排为减排后实际监测结果计算得到的尘排放量，kg·d−1；M煤为机组入炉煤量，t·d−1；A为机组燃用煤的入炉煤灰分；6.9A为煤粉炉在未经减排措施控制时的排放因子[38]，kg·t−1；C尘为机组的尘排放浓度，mg·(m3·d)−1；Q为机组烟气流量，m3·d−1。
本研究中尘排放因子根据式(4)和式(5)进行计算。
式中：FEF为机组日均尘排放因子，kg·t−1；M标煤为机组消耗的标准煤的量，kg·d−1；QL为机组入炉煤低位发热量，kJ·kg−1；QL标煤为标煤低位发热量，取值29 307.6 kJ·kg−1。
2.1. 研究方法
2.2. 采集数据内容
2.3. 分析方法
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将27台机组超低排放改造前后的实时尘排放浓度数据按照7种除尘技术组合路线分类进行数据分析。图1为7种路线改造前后的尘排放浓度数据分布箱线图，箱图框的下、上边界代表第1个四分位数(Q1)和第3个四分位数(Q3)，框内的横线为中位数(Q2)；四分位距为Q3−Q1，记作r，箱图框上、下方的横线分别代表Q3+1.5r的最大值和Q1−1.5r的最小值；横线上、下方的小圆圈表示相较于其他值偏大或偏小的值，通常称为离群值；由图1可以得到数据的中心趋势及发散情况。由图1(a)可知，在改造前，尘排放浓度数据的r为5~20 mg·m−3，且仅存在少数超过30 mg·m−3的时间段。可见，本研究采集的机组在未进行改造前就依据2012年开始实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)要求，采取了一定减排措施，控制尘排放浓度在30 mg·m−3的限值以下(重点地区为20 mg·m−3)。由图1(b)可知，经过改造后，数据分布较改造前更加集中，7种技术组合路线均能使尘排放浓度稳定在10 mg·m−3以下，且排放浓度数据的r为1~4 mg·m−3，其中路线6改造后尘排放浓度分布范围最窄，尘排放浓度不超过2 mg·m−3。
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图2是以日均排放数据为基础，结合煤质数据，根据2.3节中式(1)~式(3)计算所得的除尘效率。由图2可知，应用除尘技术组合路线改造前，平均除尘效率均已达到99.87%以上，效率可提高的空间很小，除尘技术改进难度较大；应用除尘技术组合路线改造后，平均除尘效率均达到99.97%以上，其中路线1和路线6的除尘效率最高，均值都达到99.99%以上。7种技术组合路线实施前后相比，除尘效率平均提高0.072%。
由图2可知，改造前除尘效率的大小可作为选择除尘技术路线的参考，对改造前除尘效率已经较高的机组(除尘效率大于99.90%)来说，只须对原有的减排设备进行改造，不新增除尘设备便可达到超低排放标准。图2中选择路线1、路线2、路线7的机组，在改造前，其减排效率均较高，分别为99.957%、99.937%、99.931%，故这3种路线的改造内容均较小。运行结果表明，改造后可达到超低排放标准并稳定运行，改造后除尘效率分别提高0.034%、0.048%、0.048%。
对于改造前除尘效率较低的机组而言(除尘效率低于99.90%)，要达到超低排放标准，仅对原有设备进行增效改造无法保证达到标准，增加新的高效除尘设备在所难免。选择路线3的机组在改造前除尘效率为99.884%，因此，增加WESP以增强除尘效果，改造后减排效率提高0.096%；对于选择路线4和路线5的机组，其改造前的除尘效率分别为99.900%、99.878%，为达到排放标准，2种路线都选择了增加低温省煤器，由于选择路线5的机组除尘效率更低，因此，多增加了WESP，改造后2种路线的减排效率分别提高0.071%、0.10%。对于路线6，改造前除尘效率为99.886%，此路线机组改造时，不但对原有减排设备进行了增效改造，同时使用了SPC系统，新增低温省煤器，新增WESP，较之其他路线，改造内容最多，增加新设备最多，改造后除尘效率提高0.11%，改造效果最显著。对比路线2和路线4、路线3和路线5，发现增加低温省煤器可有效提高除尘效率；对比路线2和路线3、路线4和路线5，发现增加WESP后，除尘效率提高显著。
综上，除尘效率是多种技术减排技术的综合体现，包括除尘技术及脱硝、脱硫技术对除尘的协同作用，机组改造前的除尘效率对机组进行超低排放除尘技术路线选择具有指导意义：对于改造前除尘效率已较高(≥99.90%)的机组，超低排放除尘技术组合路线偏向升级原有设备；而对于改造前除尘效率较低(≤99.90%)的机组，电厂为保证满足超低排放标准，倾向于增加低低温静电除尘设备及湿式静电除尘器等新型高效除尘设备。机组超低排放技术路线选择时，可以根据上述分析，同时结合机组原有减排设备配置情况、改造空间及脱硝、脱硫效率等进行综合分析后确定最终改造路线。
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图3是以日均排放数据为基础，结合入炉煤量及煤质数据，根据2.3节中式(4)和式(5)计算所得的不同技术组合路线下的日均尘排放因子数据分布情况。表5列出了计算所得的各路线的排放因子均值和置信区间数据。由图3可知，虽然各不同技术组合路线间计算所得的排放因子分布存在一定的差异，但排放因子整体分布在0.1 kg·t−1以下，除路线6的排放因子明显低于其他路线以外，各路线改造后的排放因子平均水平相差不大，其上四分位和下四分位分布在0.01~0.05 kg·t−1，分布范围较窄。这表明，超低排放改造后，在一定程度上降低了机组对燃用煤质及运行工况的敏感度。
超低排放改造后，燃煤机组平均尘排放因子为0.025 7 kg·t−1(95%置信区间为0.025 4~0.026 1 kg·t−1)。由表5可知，由于路线6综合了多种不同的除尘技术，其排放因子最低，约为其他改造路线的1/3。
3.1. 排放浓度
3.2. 除尘效率
3.3. 排放因子
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1)采集了27台燃煤发电机组2015—2017年连续监测数据(尘排放浓度、烟气流量、机组入炉煤量等)及燃煤数据，采集的机组负荷包括215~1 000 MW，机组实现尘超低排放的技术路线涵盖了7种国内除尘主流技术组合。本研究所得到的结果具备一定的代表性，可以反映目前我国超低排放机组的尘排放普遍水平。
2)根据尘排放浓度数据分析可见，7种技术路线均可满足尘排放浓度小于10 mg·m−3的超低排放标准，其中路线6组合了所有高效除尘技术，排放浓度最低，因此，改造后平均排放浓度不超过2 mg·m−3。
3)从尘减排效率方面分析，改造后机组平均除尘效率均达到99.97%以上，其中路线1和路线6的除尘效率最高，均值都达到99.99%以上。机组改造前的除尘效率对机组进行超低排放除尘技术路线选择具有指导意义，改造前除尘效率为99.90%以上的电厂倾向在原有减排设备基础上进行提效；改造前除尘效率低于99.90%的电厂则倾向于新增LLTESP、WESP等高效除尘技术组合，机组进行超低排放技术路线选择时，可结合原有减排设备配置情况、改造空间及脱硫、脱硝效率等综合分析。
4)从尘排放因子方面分析，27台机组的平均尘排放因子为0.025 7 kg·t−1(95%置信区间0.025 4~0.026 1 kg·t−1)，各路线的平均尘排放水平差别不大，其中路线6的尘排放因子最低，为0.008 6 kg·t−1(95%置信区间0.008 4~0.008 8 kg·t−1)。本研究从机组规模到除尘技术路线涵盖了目前国内超低排放燃煤发电机组的普遍情况，故本研究可以一定程度上体现我国超低排放机组的尘排放整体特征。
