基于高效除雾器的燃煤电厂颗粒物超低排放
LI Runping,WANG Fengyang,YANG Zhiyong,et al.High-efficiency demister to realize ultra-low emission of particulate matters in coal-fired power plant[J].Clean Coal Technology，2018，24(5):136-141.
High-efficiency demister to realize ultra-low emission of particulate matters in coal-fired power plant
0 引 言
燃煤电厂超低排放改造工程是我国电力行业积极响应国家和社会对于环境保护工作的高标准、严要求，坚决履行企业社会责任的重要举措[1-3]。根据相关规定，燃煤电厂超低排放改造需要达到烟囱出口处烟气颗粒物浓度、SO2浓度和NOx浓度分别不超过10、35、50 mg/m3。这些排放标准的提出对当前燃煤电厂的污染控制设施产生了巨大的压力，在不进行大规模改造的情况下实现3项污染物的同时达标几乎不可能。
我国燃煤电厂普遍采用静电除尘器捕集烟气中的颗粒物，静电除尘器的除尘效率可达99%以上。但细颗粒物，特别是PM2.5在静电除尘器中的捕集效率不高。有研究表明，目前颗粒物排放浓度超过超低排放标准的主要原因为烟气中的细颗粒物占比过高[4-5]。因此，燃煤电厂要实现颗粒物的超低排放，需要重点控制烟气中的细颗粒物浓度。
目前，燃煤电厂普遍通过低低温静电除尘器和电袋复合除尘器改造方式来进一步提高除尘器的捕集效率，以高效率脱除细颗粒物。但烟气在流经湿法脱硫塔进行脱硫反应时，部分石膏晶体、石灰石浆液液滴被烟气携带进入烟囱，排入大气;部分烟气中的细颗粒物在脱硫塔高湿、高浆液含量的情况下生长增大，提高了脱硫塔后细颗粒物浓度[6-11]。因此，燃煤电厂超低排放改造工程在烟气进入烟囱前还需再增加湿式静电除尘器，用以脱除烟气中携带的脱硫浆液、石膏晶体以及烟气中的细颗粒物[4-5,8,10,12-15]。该种技术路线超低排放改造的成本高，施工难度大，现场布置困难，湿法静电除尘器本身水耗量、电耗量较大。此外，也可以通过对原湿法脱硫塔内的除雾器进行改造，采用高效除雾器协同除尘满足超低排放要求[16-17]。目前国内已有工程实践表明，以管束式、离心式为代表的高效除雾器可以实现颗粒物超低排放。但是，目前的研究主要停留在数值模拟和选型对比等方面[18- 19]，缺乏从颗粒物层面进行现场测试获得的评估数据。
本文采用一种新型高效除雾器取代湿法静电除尘器，并对新型高效除雾器安装前后燃煤电厂颗粒物排放情况进行测试，比较新型高效除雾器在实现燃煤电厂超低排放改造方面的相关特点，为我国燃煤电厂超低排放改造降低成本提供参考。
1 试 验
1.1 燃煤电厂基本情况
本试验在某200 MW循环流化床锅炉燃煤电厂进行。该锅炉为无锡华光锅炉厂设计制造，型号为UG-745/13.7-M型。该燃煤电厂除尘装置采用电袋复合除尘器，布袋经过超低排放改造已更换为超低滤袋;脱硝装置采用SNCR(选择性非催化还原装置)，还原剂为尿素;脱硫装置为石灰石-石膏湿法脱硫装置。燃煤煤质特性分析见表1。
表1 锅炉燃煤煤质分析
Table 1 Analysis results of coal sample
1.2 测试仪器
采样点布置在湿法脱硫塔出口，烟囱之前。测试分2次:第1次测试在电厂超低排放改造后进行;第2次测试在新型高效除雾器安装完成后进行。2次测试在高、中、低3种不同负荷下进行，负荷和排烟温度见表2。
表2 负荷和排烟温度
Table 2 Boiler load and exhaust gas temperature
测试仪器为荷兰Dekati公司生产的Dekati®荷电低压撞击器(ELPI+)，通过预荷电器将气流中颗粒荷电后，测量撞击到采集板上的颗粒导出的电流值反算颗粒数量。关闭ELPI+的荷电器后，即为传统的惯性撞击器，可通过称重的方式得到不同粒径颗粒的质量浓度。ELPI+共有14个撞击级，实现PM10以下颗粒物的14级分级，切割粒径6～10 μm。ELPI+采样用膜采用梅特勒XP6微量天平进行称重，精度可以达到10-6 g。
1.3 新型高效除雾器
燃煤电厂在脱硫塔顶部除雾区加装一层新型除雾器。该除雾装置由中国华能集团清洁能源技术研究院研发[20]，其技术原理如图1所示。
图1 高效除雾器技术原理示意
Fig.1 Technical principles of high-efficiency demister
新型高效除雾器采用离心力作为颗粒物去除的驱动力，通过烟气在除雾器结构的作用下实现内外2层高速旋转，颗粒物在离心力作用下被除雾器壁捕集，在冲洗水的作用下被洗脱进入脱硫塔内。新型高效除雾器不仅对细颗粒物有较高的捕集效率，且对脱硫塔内进入烟气中的石膏晶体、脱硫浆液液滴、水雾等亦有明显的脱除作用。
2 结果和讨论
2.1 高效除雾器安装前颗粒物排放情况
在高效除雾器安装前对脱硫塔出口处烟气中的颗粒物浓度及粒径分布进行测量。120、200 MW工况下，烟气颗粒物累积质量浓度随粒径的变化如图2所示。可以看到，高负荷(200 MW)时，PM10累积质量浓度可达约18 mg/m3，低负荷(120 MW)时，PM10累积质量浓度约为12 mg/m3。在2种负荷下，排放浓度均未达到超低排放标准(10 mg/m3)。高负荷时烟气流速增大，携带更多的颗粒物排入大气，除尘器和除雾器的颗粒物捕集效率均下降。
图2 不同负荷下PM10颗粒物累积质量浓度分布
Fig.2 Distribution of particle cumulative mass concen-tration under different boiler loads
图3为200 MW下，颗粒物浓度随时间的变化。可以看到，颗粒物浓度随时间变化范围较大，最小值为2.78 mg/m3，最大值为52.5 mg/m3，均值约为15.3 mg/m3。在线测量结果与累积质量浓度测量结果较一致，不能稳定达到超低排放标准。
图3 颗粒物浓度随时间的变化(200 MW)
Fig.3 Variation of particle mass concentration with time(200 MW)
烟气中的颗粒物粒数浓度和质量浓度的粒径分布如图4所示。可以看到，200 WM负荷下，烟气中颗粒物粒数浓度在<0.01 μm时达到最大值，>1 μm的粒数浓度很低。随粒径增大，颗粒物粒数浓度变小，表明颗粒物粒径越小，除尘器和除雾器等污染控制设备对颗粒物的捕集效率越低，也有可能是由于脱硫塔中细小的循环浆液、脱硫石膏晶体等被携带进入烟气，使烟气中细颗粒物浓度升高。颗粒物质量浓度在0.48和5.13 μm时达到最大值，这是颗粒物粒数浓度、颗粒物密度等因素共同作用的结果。
图4 颗粒物粒数浓度和质量浓度的粒径分布
Fig.4 Distribution of particle number concentration and mass concentration with diameter
2.2 高效除雾器安装后颗粒物排放情况
安装高效除雾器后，不同负荷下的烟气颗粒物累积质量浓度如图5所示。150、180和200 MW负荷下，烟气颗粒物质量浓度最高分别可达到3.25、2.24和1.82 mg/m3。可见，即使按照最严格的颗粒物超低排放浓度标准(5 mg/m3)，在3种负荷下，烟气颗粒物排放浓度亦能实现达标排放。此外，随着负荷的提高，颗粒物排放浓度逐渐降低，这与安装高效除雾器前不同。安装高效除雾器前，随着负荷增高，烟气颗粒物排放浓度升高，这可能与高效除雾器的工作原理有关，高效除雾器依靠离心力脱除烟气中的颗粒物，随着负荷升高，烟气量增大，在高效除雾器中的流速增大，相应的离心力增大，对颗粒物的捕集效果提高。粗略估计，高效除雾器对颗粒物的捕集效率可达到90%左右(200 MW)。
图5 不同负荷下颗粒物累积质量浓度分布
Fig.5 Distribution of particle cumulative mass concentration under different boiler loads
烟气中的颗粒物排放浓度如图6所示。以200 MW为例，颗粒物排放浓度基本稳定在5 mg/m3以下，大部分情况下为1～4 mg/m3，平均3.44 mg/m3，测量值与累积质量浓度较接近。
图6 颗粒物浓度随时间变化情况
Fig.6 Variation of particle mass concentration with time
烟气中颗粒物粒数浓度和质量分数随粒径的变化如图7所示。可以看到，2种负荷下，颗粒物的粒数浓度与安装高效除雾器前相比均发生了大幅降低，最高粒数浓度仅为安装前的1/10～1/5，这与质量分数的下降相吻合。颗粒物粒数浓度仍在小粒径时达到最大，随粒径增大，粒数浓度迅速降低。从粒数浓度随着粒径的变化看，高效除雾器对烟气中颗粒物的去除效果随粒径的增大而提高，较大粒径的颗粒物粒数浓度下降超过90%，说明高效除雾器不仅对较大粒径颗粒物具有显著的脱除作用，对细颗粒物(<0.1μm)也具有较高的脱除效率，这也是高效除雾器高颗粒物脱除率的根本原因。
图7 颗粒物粒数浓度和质量分数的粒径分布
Fig.7 Distribution of particle number concentration and mass fraction with diameter
2.3 高效除雾器和湿式静电除尘器对比
经过近5年的大规模建设，我国燃煤电厂超低排放改造已接近尾声。由于除尘装置改造不彻底，脱硫塔中的循环浆液和脱硫石膏晶体被携带进入烟气中，部分燃煤电厂的颗粒物排放浓度不能稳定达到超低排放的要求，特别是在要求更严格(5 mg/m3)的地区。很多电厂为了彻底解决这一问题，在湿法脱硫塔与烟囱之间加装了湿式静电除尘器。但是湿式静电除尘器无论从固定投资、运行成本、操作难度、安全性等方面均存在明显的问题。在脱硫塔中加装高效除雾器替代湿式静电除尘器，是稳定实现达标排放的途径。
高效除雾器与湿式静电除尘器对比分析结果见表3。可以看出，高效除雾器相关性能均优于湿式静电除尘器。
3 结 论
1)在加装高效除雾器之前，脱硫塔出口颗粒物不能稳定实现超低排放达标。120、200 WM负荷下，颗粒物排放浓度平均值为12 mg/m3和18 mg/m3。负荷越高，排放浓度越高。颗粒物粒径越小，排放的粒数浓度越高。
表3 高效除雾器和湿式静电除尘器对比
Table 3 Comparison of high-efficiency demister and wet electrostatic precipitator
2)加装高效除雾器后，3种负荷下均能实现稳定超低排放达标，150、180和200 MW下，排放浓度均值分别为3.25、2.24和1.82 mg/m3。高效除雾器对PM10的去除效率可达到90%。
3)粒径分析结果表明，高效除雾器对细颗粒物(粒径<0.1 μm)的去除效果亦能达到90%。
4)高效除雾器可以作为湿式静电除尘器的替代，对燃煤电厂超低排放改造起到关键作用。
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