典型燃煤电厂和钢铁厂的SO3排放特征及其对颗粒物老化影响的研究

SO3 in flue gases of coal-fired power plants and steelworks is a trace pollutant and subject to absorb moisture to form sulfuric acid steam. Its emissions aggravate atmospheric pollution including haze formation and acid deposition. Thus, a systematical investigation of SO3 emissions is desired in China. Basing on previous investigation of lots of industrial emissions and aiming to provide evidence for improving the control policy of industrial SO3 emissions, this project will further investigate flue emissions from more than 10 typical coal-fired power plants and 5 steelworks via using controlled cooling-ion chromatography method, which is the most accurate method of measuring SO3 in industrial flues. This project mainly includes the following research contents. (1) SO3 emission amount and effect on aerosol composition will be revealed via a comparison measurement of SO3 concentrations before/after desulfuration devices. (2) Effect of SO3 removal status in currently installed environmental control devices will be further evaluated via investigating the SO3 levels before and after ultra-low emission control devices, such as, wet electrostatic precipitator and high efficiency demister. (3) Effect of SO3 and other condensible pollutants on aerosol aging in plumes, especially the sulfate content in aerosols and its pH level, will be determined via the field collection of flues in the exit of stacks by fog collector and online dilution system. The results are expected to improve the current understanding of industrial SO3 emissions and provide support for making emission control policy in China.

SO3是燃煤电厂和钢铁厂烟气中一种极易吸湿形成硫酸的微量污染物。其排放会造成雾霾加重和酸沉降等大气污染问题，需要对其实际排放开展系统性的研究。本项目拟在前期大量研究基础上，采用控制冷凝-离子色谱法，对10个以上典型燃煤电厂和5个以上钢铁厂烧结机的实际烟气进行系统研究，主要研究内容包括：（1）通过对脱硫前/后的比对测试，确定烟气中SO3对颗粒物化学组分的影响和排放强度；（2）进一步比对当前超低排放控制工艺（如，湿式电除尘和高效除雾器）前后SO3浓度和颗粒物关键组分的差异，评估超低排放工艺对SO3的脱除效果；（3）通过雾滴采样器和在线稀释设备等在烟囱出口处采集末端排放口的烟羽，探讨SO3等可冷凝污染物在烟羽中对颗粒物老化作用的影响，特别是对颗粒物硫酸盐含量及pH值的贡献。预期结果将提升对燃煤工业排放SO3的认知，并为我国工业燃煤烟气中非常规污染物的检测和控制工作提供重要依据。

本项目对我国典型燃煤电厂和钢铁厂烧结机等实际烟气开展了系统性研究，包括对脱硝前/后及除尘前/后和脱硫后的烟气成分比对测试、超低排放控制工艺对颗粒物化学组分的影响、烟囱末端烟羽的化学成分演化。获得了获得典型燃煤电厂和钢铁厂烟气中可过滤颗粒物和可凝结颗粒物的排放规律、揭示出末端烟羽中污染物的气-液-固相之间转化机制、发现了钢铁冶炼是大气磁性纳米颗粒物的主要来源、开发出可凝结颗粒物的在线监测技术（基于控制冷凝原理）。. 基于典型超低排放脱硫工艺前后烟气成分的对比研究，发现湿法和干法烟气脱硫系统对烧结烟气中SO3的去除效率为-323％至73％。氨法脱硫系统不仅增加了NH3浓度的排放，而且同时也大大增加了SO3和硫酸盐的生成。另外烧结烟气中PM2.5的质量浓度、粒径分布、形貌特征和化学组分在不同脱硫系统中均发生了不同程度的改变。烟囱入口处颗粒物的组分特征完全是由所采用的脱硫技术和脱硫剂决定的，石灰石法、氨法、循环流化床法和活性焦法脱硫后的脱硫剂及其副产物分别贡献了烟囱入口处PM2.5质量浓度的16.5%、63.4%、59.4%和70.7%。烟气中由锅炉燃烧产生的硫酸盐远低于氨法和循环流化床法脱硫过程意外产生的硫酸盐。SO3在脱硫系统中的迁移特征主要取决于脱硫前烟气系统中SO3与粉尘的相互作用方式。脱硫系统不仅影响了SO3的质量浓度，而且会引起烟囱入口处硫酸盐在细颗粒物中相对含量的变化。烟囱入口处烟气中的硫酸盐不仅来源于烟气中逃逸的飞灰和SO3的冷凝，也来源于烟气脱硫过程中生成的脱硫副产物。. 通过测量脱硫后烟囱末端湿烟羽中液滴的化学组分和硫酸盐气溶胶，对比分析发现烟羽中不到三分之一的SO42-是由在烟道内测量得到的飞灰中SO42-和SO3贡献。SO2水相氧化过程是解释pH值为2.3-2.8的烟羽液滴中未知硫酸盐形成的关键。如果考虑湿烟羽中快速形成的硫酸盐的排放，工业烟囱湿烟羽中的硫酸盐气溶胶约占我国直接排放硫酸盐气溶胶总量的31.4%。 . 本项目顺利完成，研究成果形成专利4件，发表SCI论文12篇，包括Nature Energy、Environ. Sci. Tech.、Environ. Sci. Tech. Let.、Geophys. Res. Let.。此外，因本项目资质，获得博士学位3人，获得硕士学位3人。