高煙氣流速下濕式靜電除塵器脫除細顆粒物的研究

時超林, 尹 俊, 郭士義, 丁承剛

(1.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司, 上海 201612; 2.上海發(fā)電環(huán)保工程技術研究中心, 上海 200090)

以煤炭為主的能源消費結構造成的環(huán)境問題日益突顯,其中顆粒物排放導致的環(huán)境污染問題尤為嚴重,PM2.5造成的霧霾天氣頻發(fā)引起了社會的廣泛關注[1-2]。我國燃煤機組容量占發(fā)電裝機總容量的70%以上,并且煤灰顆粒物富含汞、砷等重金屬元素,對人體的危害極大。干式電除塵無法有效解決對PM2.5的脫除,因此研究燃煤電廠可吸入顆粒物的減排已經(jīng)迫在眉睫。

濕式靜電除塵器(Wet Electrostatic Precipitator,WESP)對微細的、黏性的或高比電阻的粉塵及煙氣中氣溶膠、硫酸霧、重金屬、二惡英等污染物的脫除效果顯著,并且可以有效解決因濕法脫硫而產生的“石膏雨”,取消煙氣再熱器,成為燃煤電廠污染物排放的終端精處理設備。目前大多數(shù)燃煤電廠采用濕法脫硫系統(tǒng)(Wet Flue Gas Desulfurization,WFGD)技術,為WESP的應用創(chuàng)造了有利條件。對濕式靜電除塵技術的研究,可以為燃煤電廠提供一個脫除PM2.5等可吸入顆粒物的前瞻性可靠技術[3]。我國燃煤電廠機組裝機容量大,需要處理的煙氣量大,而普通的WESP煙氣流速一般在1 m/s左右,只能用于小型工業(yè)鍋爐,因此開發(fā)高煙氣流速的WESP具有重要的現(xiàn)實意義。

1 新型WESP的設計與結構

1.1 WESP的工作原理

WESP的工作原理是:用噴嘴將水霧化后噴向放電極和電暈區(qū),水的比電阻相對較小,霧滴在電暈區(qū)與粉塵結合后,降低了粉塵的比電阻,在直流高壓的作用下霧滴荷電分裂并進一步霧化。電場力、荷電霧滴通過碰撞攔截與吸附凝并來捕集粉塵,粉塵在電場力的驅動下到達集塵極表面,噴在集塵極表面的水霧形成連續(xù)的水膜,流動的水將捕獲的粉塵沖刷到灰斗中排出。

1.2 新型WESP的建構

目前WESP的布置形式主要有以下3種:垂直煙氣流獨立布置式;水平煙氣流獨立布置式;垂直煙氣流與WFGD系統(tǒng)整體布置式。第3種布置方式因占地面積小、系統(tǒng)阻力小、結構簡單、易于回收沖洗水等顯著優(yōu)點在工程上應用較廣。新型WESP的設計結合前人經(jīng)驗,采取與WFGD結合的整體式布置結構。下部的WFGD系統(tǒng)使用3層脫硫噴淋,每層3個霧化噴嘴。上部是電極長度為9 m的WESP,用以確保煙氣流速在4 m/s的情況下停留時間可以達到2 s以上。集塵極為六面體蜂窩結構,極間距分別為250 mm,300 mm,350 mm。具體結構如圖1所示。

WESP煙氣進口處設有兩級氣體分布器,目的是降低煙氣流速,且使煙氣分布更加均勻,以提高濕式電除塵器的效率。電源設計可以從以下5個方面加以考慮。

(1) 采用可調式電暈線吊架結構,保證每根電暈線在極管正中心,誤差控制在3 mm范圍內。

(2) 選擇陰極線的一般要求為起暈電壓低、電暈電流大、機械強度高、耐腐蝕、易清灰等。圓桿線結構簡單、工作電壓區(qū)間大、放電均勻,是實驗室常用電極。為此,本實驗選擇φ3耐酸不銹鋼材質316L圓桿線作為陰極線使用線型。

圖1 新型WESP實驗設備結構示意

(3) 改進了電極絲的連接方式,防止電極絲連接處放電擊斷。

(4) 使用國內獨有的電壓等級為120 kV高壓絕緣瓷瓶.

(5) 噴嘴采用特殊霧化噴嘴,材質為316L不銹鋼。

由于WESP長期在酸性氣體中工作,其內部蜂窩極板、極線構件全部采用316L耐酸不銹鋼,外部殼體使用304不銹鋼。為了實驗需要,在其內部設置了3個除塵筒。除塵筒均為正六邊形,間距規(guī)格分別為250 mm,300 mm,350 mm。

1.3 粉塵發(fā)生系統(tǒng)

為了探索高煙氣流速下WESP對脫硫后細顆粒物的脫除效果,實驗工藝路線與實驗方案都緊密圍繞細顆粒物的發(fā)生與脫除而展開。實驗煙氣流程如圖2所示。

圖2 實驗煙氣系統(tǒng)

為了使實驗更貼近工程實際,本次實驗使用1 t蒸汽鏈條爐來產生燃煤煙氣,并且實驗煙氣位于旋風除塵器之后,進入脫硫塔的顆粒物的量與電廠相似。

2 測量設備

目前國內普遍的固定源顆粒物采樣使用稱重法,即使用玻璃纖維濾筒抽取一定量的煙氣后,烘干稱重得到增重量,計算出顆粒物的濃度。但是玻璃纖維濾筒不適用于濕式電除塵的煙塵采樣,這是因為經(jīng)過WESP后煙氣攜帶的水含量高,打濕濾筒后增加濾筒的阻力。此時為了達到等速采樣,泵的抽力增大,容易使濾筒破裂。此外,WESP出口的顆粒物絕大部分是細顆粒物,而濾筒對細顆粒物的攔截效果并不明顯。

為了精確測量WESP對細顆粒物的脫除效果,使用目前國際上先進的PM2.5測試設備。靜電低壓撞擊器(Electrical Low Pressure Impactor,ELPI)是芬蘭Dekati公司開發(fā)的基于靜電低壓撞擊器原理的顆粒物濃度測量儀器,可在線測量固定源細顆粒濃度和粒徑分布,如圖3所示。

圖3 ELPI測量設備

其測量原理是:含有細顆粒的采樣煙氣首先進入單極電暈充電室進行充電,帶電的顆粒物被氣流運送到裝有絕緣收集層的低壓沖擊器上,精密電子測量計對進入每個層面的帶電顆粒物的電流進行實時電量測量,測量后將電流信號轉化為(空氣動力學上的)顆粒物的質量濃度。

在每一級撞擊器上,由于帶電顆粒連續(xù)沉積所產生的電流由一個多通道靜電計測得,因此電流與顆粒數(shù)的濃度關系[4]為

(1)

式中:N——顆粒數(shù)量濃度;

I——校正電流;

P——顆粒通過電暈的比率;

n——顆粒的基本電荷數(shù);

e——基本電荷電量;

Q——細顆粒物流量。

3 實驗步驟與結果分析

3.1 實驗步驟

首先,將實驗使用的除塵筒打開,另外兩個除塵筒密封。開啟支路引風機吹掃煙道30 min,確保實驗不會受到煙道內的浮灰以及鐵銹的影響。然后集塵極板噴淋水開啟,在WESP工作之前確保集塵板面的濕潤與清潔。同時點燃煤渣,待燃燒穩(wěn)定后打開支路閥門,WESP進出口裝有數(shù)顯熱電偶,等熱電偶的溫度示數(shù)值穩(wěn)定后即可視作實驗工況穩(wěn)定。

實驗開始前使用輔助測量儀器測量WESP進出口處的煙溫、煙速、壓力和濕度等參數(shù),然后通過變頻器調節(jié)引風機頻率,以調節(jié)WESP內的煙氣流速,使之符合實驗要求。

3.2 取樣系統(tǒng)與測量方法

GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》中規(guī)定了煙道、煙囪等固定污染源排放的顆粒物的測量方法,但是并沒有針對細顆粒物如PM2.5的采樣制定具體的方法。本文使用ELPI對細顆粒物進行等速采樣,其采樣系統(tǒng)如圖4所示。

ELPI測量粒徑范圍為0.006～8.87 μm。將ELPI與稀釋采樣法聯(lián)用來監(jiān)測實驗中PM2.5的濃度。實驗中,啟動真空泵,煙氣依次進入取樣槍、旋風切割器,脫除粒徑大于10 μm的顆粒,然后與經(jīng)過凈化的高溫稀釋氣混合(可按實際情況采用一級或兩級稀釋,一級稀釋比例約8.18∶1)后進入ELPI測試系統(tǒng),不同粒徑的顆粒被收集在不同級上,在計算機上反映出實時顆粒物的質量濃度,這里只測量PM2.5的濃度。采樣時將煙氣加熱到120 ℃以上保證測量結果不含液滴。

3.3 實驗結果與分析

采樣時,先關閉WESP,在出口點測量未加電壓時的顆粒物濃度,然后根據(jù)實驗要求加電壓并測量。除塵效率記為η,未加電壓的WESP出口煙氣濃度記為C0(mg/m3),某工況加電壓下的WESP出口記為Cn(mg/m3,n=1,2,3,…),則該工況下WESP的除塵效率為

(2)

本實驗主要探究極間距、風速、電壓對細顆粒物脫除的影響。設風速分別為2 m/s,3 m/s,4 m/s,電壓分別為30 kV,40 kV,50 kV,60 kV。由于顆粒物取樣并非以瞬時取值為準,需要多次測量取平均值,且每個極間距下需要測量12個工況,3個實驗極間距下共需測量36個工況,每個工況又需要多次測量取平均值,因此測取的數(shù)據(jù)量極大,在此不一一列舉。不同極間距下PM2.5除塵效率與風速和電壓的關系如圖5所示。

從圖5可以看出,同一風速下,同一極間距內除塵效率均隨著電壓的升高而增大,隨著風速的增大而下降。這是由于電壓升高增大了荷電場強,而風速增大使煙氣在WESP內的停留時間變短,這些數(shù)據(jù)及其趨勢與干式靜電除塵器相同,但是干式靜電除塵出口處逃逸的都是PM10以下粒徑的粉塵,對細顆粒物難以脫除,而WESP對PM2.5有著極高的脫除效率。

圖6為WESP在4 m/s風速下3個極間距內PM2.5隨電壓變化時的脫除效率。

從圖6可以看出,極間距越大,同電壓下PM2.5脫除效率越低。這是由于極間距變大,場強下降導致除塵效率下降。

圖5 不同極間距下PM2.5除塵效率與風速和電壓的關系

圖6 4 m/s風速下PM2.5除塵效率與不同極間距、電壓之間的關系

圖6中,60 kV處250 mm極間距的除塵效率低于300 mm極間距的除塵效率,這是由于在60 kV處,250 mm極間距的場強達到2.4 kV/cm,處于臨界擊穿電壓狀態(tài),效率有所下降。由于60 kV電壓下PM2.5脫除效率更高,且高煙速下的除塵效果是本實驗的目的,故將該電壓下4 m/s煙速下測得的相關數(shù)據(jù)進行比較。WESP塔內4 m/s煙速下PM2.5測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 WESP塔內4 m/s煙速下PM2.5測量數(shù)據(jù)

由表1可知,WESP對細顆粒物有著顯著的脫除效率,并且在高煙氣流速下對PM2.5也能達到85%以上的脫除效率。通過綜合比較可知,在60 kV電壓下300 mm極間距的除塵效果顯著,適合用作大型WESP的單元除塵筒。

3.4 高煙速WESP的工程應用推算

以600 MW機組為例,假設其1 kWh耗煤為340 g/kWh,該發(fā)電廠的發(fā)電煤耗為204 t/h。以燃用我國平頂山動力煤[5]為例進行推算。其成分如表2所示。

表2 平頂山動力煤收到基元素分析 %

電站鍋爐標準燃煤需用的理論空氣量V0(m3/kg)計算公式[6]為

(3)

取過量空氣系數(shù)為1.2,計算得該發(fā)電廠產生的煙氣量為1 855 715.64 Nm3/h。以300 mm極間距的除塵筒作為WESP的除塵單元,則需要1 654個除塵單元。假設每個單元無縫連接,每個單元六邊形面積為0.078 m2,占地面積為130 m2。由于這一設備是除塵脫硫一體化設備,因此安裝上WESP后,將電廠的WFGD系統(tǒng)合二為一,可以節(jié)省設備的占地面積。假設脫硫后煙氣中PM2.5的含量為15 mg/Nm3,除塵效率取90%,則每天減排PM2.5的質量可達到600 kg以上。

4 結 論

本文設計了一種新型脫硫除塵一體式WESP設備,可以在高煙氣流速下對煙氣中的顆粒物進行高效靜電除塵。

(1) 實驗證明,WESP對PM2.5有著顯著的脫除效果,并且在煙氣流速達到4 m/s時PM2.5的脫除效率最高可達85%以上。

(2) 對于250 mm,300 mm,350 mm極間距的除塵單元,從除塵效果、處理煙氣量以及電耗等方面進行綜合考慮,以300 mm的六邊形蜂窩、60 kV的電壓為最佳WESP使用條件。

(3) 采用國際上先進的靜電低壓撞擊器測量WESP的進出口煙塵含量,但該儀器造價昂貴,測量系統(tǒng)復雜,并不適宜普遍推廣,因此開發(fā)廉價、簡單的污染源顆粒物測量儀器對顆粒物的節(jié)能減排意義重大。

(4) 目前國內尚無固定污染源顆粒物PM2.5的測量標準與規(guī)范,我國可吸入顆粒物的減排依然有很多需要規(guī)范的問題;WESP在高速情況下偶爾會有極絲的晃動,引起火花放電,因此高速濕式靜電除塵器還有待改進與完善。