基于高效除霧器的燃煤電廠顆粒物超低排放

李潤平，王鳳陽，楊志勇，呂海生，江建忠，肖 平

(1.中國華電煤業(yè)集團有限公司，北京 100035;2.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209;3.內蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責任公司 煤矸石熱電廠，內蒙古 鄂爾多斯 010303)

0 引 言

燃煤電廠超低排放改造工程是我國電力行業(yè)積極響應國家和社會對于環(huán)境保護工作的高標準、嚴要求，堅決履行企業(yè)社會責任的重要舉措[1-3]。根據相關規(guī)定，燃煤電廠超低排放改造需要達到煙囪出口處煙氣顆粒物濃度、SO2濃度和NOx濃度分別不超過10、35、50 mg/m3。這些排放標準的提出對當前燃煤電廠的污染控制設施產生了巨大的壓力，在不進行大規(guī)模改造的情況下實現3項污染物的同時達標幾乎不可能。

我國燃煤電廠普遍采用靜電除塵器捕集煙氣中的顆粒物，靜電除塵器的除塵效率可達99%以上。但細顆粒物，特別是PM2.5在靜電除塵器中的捕集效率不高。有研究表明，目前顆粒物排放濃度超過超低排放標準的主要原因為煙氣中的細顆粒物占比過高[4-5]。因此，燃煤電廠要實現顆粒物的超低排放，需要重點控制煙氣中的細顆粒物濃度。

目前，燃煤電廠普遍通過低低溫靜電除塵器和電袋復合除塵器改造方式來進一步提高除塵器的捕集效率，以高效率脫除細顆粒物。但煙氣在流經濕法脫硫塔進行脫硫反應時，部分石膏晶體、石灰石漿液液滴被煙氣攜帶進入煙囪，排入大氣;部分煙氣中的細顆粒物在脫硫塔高濕、高漿液含量的情況下生長增大，提高了脫硫塔后細顆粒物濃度[6-11]。因此，燃煤電廠超低排放改造工程在煙氣進入煙囪前還需再增加濕式靜電除塵器，用以脫除煙氣中攜帶的脫硫漿液、石膏晶體以及煙氣中的細顆粒物[4-5,8,10,12-15]。該種技術路線超低排放改造的成本高，施工難度大，現場布置困難，濕法靜電除塵器本身水耗量、電耗量較大。此外，也可以通過對原濕法脫硫塔內的除霧器進行改造，采用高效除霧器協(xié)同除塵滿足超低排放要求[16-17]。目前國內已有工程實踐表明，以管束式、離心式為代表的高效除霧器可以實現顆粒物超低排放。但是，目前的研究主要停留在數值模擬和選型對比等方面[18- 19]，缺乏從顆粒物層面進行現場測試獲得的評估數據。

本文采用一種新型高效除霧器取代濕法靜電除塵器，并對新型高效除霧器安裝前后燃煤電廠顆粒物排放情況進行測試，比較新型高效除霧器在實現燃煤電廠超低排放改造方面的相關特點，為我國燃煤電廠超低排放改造降低成本提供參考。

1 試 驗

1.1 燃煤電廠基本情況

本試驗在某200 MW循環(huán)流化床鍋爐燃煤電廠進行。該鍋爐為無錫華光鍋爐廠設計制造，型號為UG-745/13.7-M型。該燃煤電廠除塵裝置采用電袋復合除塵器，布袋經過超低排放改造已更換為超低濾袋;脫硝裝置采用SNCR(選擇性非催化還原裝置)，還原劑為尿素;脫硫裝置為石灰石-石膏濕法脫硫裝置。燃煤煤質特性分析見表1。

表1鍋爐燃煤煤質分析
Table1Analysisresultsofcoalsample

w(Sar)/%Mt/%Mad/%Aar/%Vdaf/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)0.5127.003.0019.0747.8512.16

1.2 測試儀器

采樣點布置在濕法脫硫塔出口，煙囪之前。測試分2次:第1次測試在電廠超低排放改造后進行;第2次測試在新型高效除霧器安裝完成后進行。2次測試在高、中、低3種不同負荷下進行，負荷和排煙溫度見表2。

表2負荷和排煙溫度
Table2Boilerloadandexhaustgastemperature

項目負荷/MW排煙溫度/℃第1次測試120120200120150130第2次測試180132200135

測試儀器為荷蘭Dekati公司生產的Dekati?荷電低壓撞擊器(ELPI+)，通過預荷電器將氣流中顆粒荷電后，測量撞擊到采集板上的顆粒導出的電流值反算顆粒數量。關閉ELPI+的荷電器后，即為傳統(tǒng)的慣性撞擊器，可通過稱重的方式得到不同粒徑顆粒的質量濃度。ELPI+共有14個撞擊級，實現PM10以下顆粒物的14級分級，切割粒徑6～10 μm。ELPI+采樣用膜采用梅特勒XP6微量天平進行稱重，精度可以達到10-6g。

1.3 新型高效除霧器

燃煤電廠在脫硫塔頂部除霧區(qū)加裝一層新型除霧器。該除霧裝置由中國華能集團清潔能源技術研究院研發(fā)[20]，其技術原理如圖1所示。

圖1 高效除霧器技術原理示意Fig.1 Technical principles of high-efficiency demister

新型高效除霧器采用離心力作為顆粒物去除的驅動力，通過煙氣在除霧器結構的作用下實現內外2層高速旋轉，顆粒物在離心力作用下被除霧器壁捕集，在沖洗水的作用下被洗脫進入脫硫塔內。新型高效除霧器不僅對細顆粒物有較高的捕集效率，且對脫硫塔內進入煙氣中的石膏晶體、脫硫漿液液滴、水霧等亦有明顯的脫除作用。

2 結果和討論

2.1 高效除霧器安裝前顆粒物排放情況

在高效除霧器安裝前對脫硫塔出口處煙氣中的顆粒物濃度及粒徑分布進行測量。120、200 MW工況下，煙氣顆粒物累積質量濃度隨粒徑的變化如圖2所示。可以看到，高負荷(200 MW)時，PM10累積質量濃度可達約18 mg/m3，低負荷(120 MW)時，PM10累積質量濃度約為12 mg/m3。在2種負荷下，排放濃度均未達到超低排放標準(10 mg/m3)。高負荷時煙氣流速增大，攜帶更多的顆粒物排入大氣，除塵器和除霧器的顆粒物捕集效率均下降。

圖2 不同負荷下PM10顆粒物累積質量濃度分布Fig.2 Distribution of particle cumulative mass concen-tration under different boiler loads

圖3為200 MW下，顆粒物濃度隨時間的變化。可以看到，顆粒物濃度隨時間變化范圍較大，最小值為2.78 mg/m3，最大值為52.5 mg/m3，均值約為15.3 mg/m3。在線測量結果與累積質量濃度測量結果較一致，不能穩(wěn)定達到超低排放標準。

圖3 顆粒物濃度隨時間的變化(200 MW)Fig.3 Variation of particle mass concentration with time(200 MW)

煙氣中的顆粒物粒數濃度和質量濃度的粒徑分布如圖4所示。可以看到，200 WM負荷下，煙氣中顆粒物粒數濃度在<0.01 μm時達到最大值，>1 μm的粒數濃度很低。隨粒徑增大，顆粒物粒數濃度變小，表明顆粒物粒徑越小，除塵器和除霧器等污染控制設備對顆粒物的捕集效率越低，也有可能是由于脫硫塔中細小的循環(huán)漿液、脫硫石膏晶體等被攜帶進入煙氣，使煙氣中細顆粒物濃度升高。顆粒物質量濃度在0.48和5.13 μm時達到最大值，這是顆粒物粒數濃度、顆粒物密度等因素共同作用的結果。

圖4 顆粒物粒數濃度和質量濃度的粒徑分布Fig.4 Distribution of particle number concentration and mass concentration with diameter

2.2 高效除霧器安裝后顆粒物排放情況

安裝高效除霧器后，不同負荷下的煙氣顆粒物累積質量濃度如圖5所示。150、180和200 MW負荷下，煙氣顆粒物質量濃度最高分別可達到3.25、2.24和1.82 mg/m3。可見，即使按照最嚴格的顆粒物超低排放濃度標準(5 mg/m3)，在3種負荷下，煙氣顆粒物排放濃度亦能實現達標排放。此外，隨著負荷的提高，顆粒物排放濃度逐漸降低，這與安裝高效除霧器前不同。安裝高效除霧器前，隨著負荷增高，煙氣顆粒物排放濃度升高，這可能與高效除霧器的工作原理有關，高效除霧器依靠離心力脫除煙氣中的顆粒物，隨著負荷升高，煙氣量增大，在高效除霧器中的流速增大，相應的離心力增大，對顆粒物的捕集效果提高。粗略估計，高效除霧器對顆粒物的捕集效率可達到90%左右(200 MW)。

圖5 不同負荷下顆粒物累積質量濃度分布Fig.5 Distribution of particle cumulative mass concentration under different boiler loads

煙氣中的顆粒物排放濃度如圖6所示。以200 MW為例，顆粒物排放濃度基本穩(wěn)定在5 mg/m3以下，大部分情況下為1～4 mg/m3，平均3.44 mg/m3，測量值與累積質量濃度較接近。

煙氣中顆粒物粒數濃度和質量分數隨粒徑的變化如圖7所示。可以看到，2種負荷下，顆粒物的粒數濃度與安裝高效除霧器前相比均發(fā)生了大幅降低，最高粒數濃度僅為安裝前的1/10～1/5，這與質量分數的下降相吻合。顆粒物粒數濃度仍在小粒徑時達到最大，隨粒徑增大，粒數濃度迅速降低。從粒數濃度隨著粒徑的變化看，高效除霧器對煙氣中顆粒物的去除效果隨粒徑的增大而提高，較大粒徑的顆粒物粒數濃度下降超過90%，說明高效除霧器不僅對較大粒徑顆粒物具有顯著的脫除作用，對細顆粒物(<0.1μm)也具有較高的脫除效率，這也是高效除霧器高顆粒物脫除率的根本原因。

圖7 顆粒物粒數濃度和質量分數的粒徑分布Fig.7 Distribution of particle number concentration and mass fraction with diameter

2.3 高效除霧器和濕式靜電除塵器對比

經過近5年的大規(guī)模建設，我國燃煤電廠超低排放改造已接近尾聲。由于除塵裝置改造不徹底，脫硫塔中的循環(huán)漿液和脫硫石膏晶體被攜帶進入煙氣中，部分燃煤電廠的顆粒物排放濃度不能穩(wěn)定達到超低排放的要求，特別是在要求更嚴格(5 mg/m3)的地區(qū)。很多電廠為了徹底解決這一問題，在濕法脫硫塔與煙囪之間加裝了濕式靜電除塵器。但是濕式靜電除塵器無論從固定投資、運行成本、操作難度、安全性等方面均存在明顯的問題。在脫硫塔中加裝高效除霧器替代濕式靜電除塵器，是穩(wěn)定實現達標排放的途徑。

高效除霧器與濕式靜電除塵器對比分析結果見表3。可以看出，高效除霧器相關性能均優(yōu)于濕式靜電除塵器。

3 結 論

1)在加裝高效除霧器之前，脫硫塔出口顆粒物不能穩(wěn)定實現超低排放達標。120、200 WM負荷下，顆粒物排放濃度平均值為12 mg/m3和18 mg/m3。負荷越高，排放濃度越高。顆粒物粒徑越小，排放的粒數濃度越高。

表3高效除霧器和濕式靜電除塵器對比
Table3Comparisonofhigh-efficiencydemisterandwetelectrostaticprecipitator

參數高效除霧器濕式電除塵器二次污染收集下來的塵、酸霧等返回脫硫塔內,無二次污染收集下來的塵、酸霧等返回脫硫塔內,無二次污染耗水量每塔噴淋水小于1 m3/h,回流至塔內,無廢水排放脫硫島補充水2～5 m3/h(水耗)布置方式立式,煙氣下進上出立式,煙氣下進上出臥式,水平進氣水平出氣除塵除霧效率90%以上90%以上最大允許煙氣流速最大可達7.0 m/s煙氣流速一般選擇<3.2 m/s,當塔直徑不變時,速度高影響濕電除霧效果噴淋水連續(xù)噴水沖洗,水膜分布均勻,采用進口微噴 采用間斷水沖洗,隔天清洗一次,水耗小,但易積灰設備布置布置在脫硫塔頂部,高度700 mm布置在脫硫塔頂部,高度5～6 m運行成本無耗電,無水循環(huán)系統(tǒng),無化學藥劑,易損件少。以一臺直徑12 m脫硫塔為例,電功率0,年運行成本0耗電小,耗水量小,無化學藥劑,易損件較多,極板布需定期更換。以一臺直徑12 m脫硫塔為例,電功率400 kW,年利用5 000 h,年運行成本100萬元阻力/Pa400350投資遠低于濕式電除塵器高

2)加裝高效除霧器后，3種負荷下均能實現穩(wěn)定超低排放達標，150、180和200 MW下，排放濃度均值分別為3.25、2.24和1.82 mg/m3。高效除霧器對PM10的去除效率可達到90%。

3)粒徑分析結果表明，高效除霧器對細顆粒物(粒徑<0.1 μm)的去除效果亦能達到90%。

4)高效除霧器可以作為濕式靜電除塵器的替代，對燃煤電廠超低排放改造起到關鍵作用。