0 引 言

煤炭是我国能源结构的重要组成部分，但其燃烧过程会产生大量颗粒物以及汞、SO2和NOx等污染物，为人类健康及生存环境带来影响[1]。我国煤炭需求量极大，针对汞、SO2及NOx等已有较为成熟的脱除技术，而对于颗粒物，特别是细颗粒物(PM2.5)的脱除还存在较多问题，“超低排放”面临巨大压力[2]。现有的颗粒物排放控制技术包括静电除尘技术(ESP)和布袋除尘技术，其对大于2.5 μm粗颗粒物的脱除效率达到99%，但对细颗粒物脱除效果不理想[3]。因此，提高除尘器对细颗粒物的脱除效率至关重要。目前提高细颗粒物脱除效率的方法包括电[4-5]、声[6-7]、蒸汽相变[8-9]以及光团聚[10-11]等预处理技术以及湿式静电除尘技术和低低温电除尘技术等，但存在效率低下、结构复杂、成本较高、不适合大规模工业应用等问题。化学团聚技术[12-15]指在除尘前烟道中喷入团聚剂溶液，在一系列物理、化学过程中与细颗粒物发生作用，促使细颗粒物团聚长大的技术，可在现有设备基础上改造，在不影响正常生产的条件下，有效促进细颗粒物团聚，具有效率高、投资少、建设周期短等优点。

王宇翔[16]研究了化学团聚喷雾过程中，团聚剂溶液雾化粒径、均匀度、雾化角以及喷雾距离等因素对团聚效果的影响。结果表明，液滴均匀度越好，团聚效果越好。陈富华[17]对化学团聚系统在工业应用上的各项费用进行分析，认为化学团聚技术较传统除尘技术初次投资运行成本低，且设备占地空间小。王少龙[18]考察了一次空气雾化偏转角度、喷水流量、压缩空气压力等对化学团聚喷枪喷嘴雾化效果的影响。结果表明:当喷嘴一次雾化喷口偏转角度为15°时，雾化效果更好;且随着液相流量的减小和压缩空气压力的增加，溶液雾化效果逐渐提升。Forbs[19]研究了雾化液滴与颗粒物团聚过程中，颗粒的受力情况。Xiao等[20]研究了温度对团聚效率的影响。结果表明，温度降低会阻碍慢速团聚过程，但对快速团聚过程无影响。Rabinovich等[21]在DLVO理论框架下，研究了颗粒间毛细力对颗粒团聚过程的影响。Goldszal等[22]根据团聚剂溶液与颗粒物相互作用时溶液添加量或含湿量，总结了雾化液滴与颗粒物结合的4个阶段：摆动状态、纤维状态、毛细管状态和固-液扩散状态。最终，颗粒均匀分散在团聚剂溶液中。张志荣[23]研究了脱硫废水在烟道内的蒸发过程，模拟结果显示，当烟气温度为453 K、液滴群平均粒径50 μm时，单位时间内液滴群蒸发质量最大;粒径0.3～0.4 mm液滴的气动破碎有助于缩短雾化液滴的完全蒸发时间。Johansen等[24]研究了颗粒物理性质对团聚效果的影响。颗粒形状越规则，颗粒粒径分布越小，团聚效率越高。Durham等[25]研究表明，喷入质量分数0.05%的化学团聚剂后，ESP对颗粒物脱除效率由73%升至83%。Liu等[26]化学团聚试验表明，喷入团聚剂后，颗粒粒径由0.15 μm增至0.65 μm，ESP后颗粒物数浓度由5.72×106 cm-3降至3.24×106 cm-3，质量浓度由65.4 mg/m3降至34.4 mg/m3。以上研究在实验室内证明了化学团聚技术的效果，但鲜见该技术在工业上应用的有效性及经济性。

本文在实验室探究的基础上，针对江西某燃煤电厂300 MW机组进行细颗粒物化学团聚强化除尘试验，分析了化学团聚系统对静电除尘器除尘效率及电厂运行工况的影响，并在此基础上，对细颗粒物化学团聚强化除尘技术的经济性进行分析。

1 化学团聚系统

试验在江西某燃煤电厂300 MW机组进行，机组日常负荷维持在180～330 MW。该电厂使用哈尔滨锅炉厂制造的HG-1025/18.2-YM6型亚临界控制循环汽包炉，单炉膛、四角切圆燃烧、平衡通风、钢炉架、露天布置、一次中间再热、固态排渣。烟气经选择性催化还原脱硝装置(SCR)、静电除尘器(ESP)及石灰石湿法脱硫(WFGD)处理后排放。

化学团聚系统主要由团聚剂乳化制备系统、气液输运系统、团聚剂雾化喷射系统及化学团聚控制系统等组成。团聚剂乳化制备系统用于团聚剂的制备及储存，包括团聚剂原料存储设备、团聚剂乳化设备、溶液配置和储存设备，以及自动计量和控制单元。气液输运系统是将团聚剂及压缩空气分别由操作间运送至团聚剂雾化喷射系统，包含团聚剂溶液和压缩空气输运管道、空气压缩机以及气液流量控制单元。团聚剂雾化喷射系统是在静电除尘器前烟道内安装系列双流雾化喷枪，团聚剂溶液在压缩空气作用下充分雾化，喷入烟道内与烟气中颗粒物作用团聚成较大颗粒团。化学团聚控制系统主要有监控、报警、调节功能，对供水量、供气量、团聚剂溶液喷量等进行调节，保证团聚系统正常运行。根据锅炉负荷、煤种特性以及污染物排放浓度等自动调节团聚系统运行参数，使烟尘排放浓度达到超低排放标准，保证化学团聚系统高效、经济、稳定运行。

2 化学团聚试验结果

针对电厂300 MW机组化学团聚系统全年连续运行数据，系统分析化学团聚技术的有效性，并考察喷入化学团聚剂对电厂运行参数的影响，分析化学团聚系统在工业应用上的可靠性。

2.1 化学团聚系统全年运行效果

4号机组全年锅炉负荷和化学团聚剂喷量变化如图1所示。锅炉全年最大负荷为340 MW，最小负荷为128 MW，平均240 MW。化学团聚剂单日平均最大喷量为9.8 t/h，平均喷量为4.5 t/h。

加入团聚剂前后脱硫出口颗粒物浓度如图2所示。图中数据为4号机组连续运行10 d的数据，前5天未喷入团聚剂，后5天喷入团聚剂。喷入团聚剂后，颗粒物浓度下降约44.7%。随化学团聚剂喷量增加，颗粒物浓度逐渐下降。原因为烟道中喷入化学团聚剂后，细颗粒物被烟气中的团聚剂液滴捕集，在液桥力、范德华力等作用下团聚长大，另外，细颗粒物被团聚剂中的有机高分子长链捕获，经过高分子长链的折叠、缠绕聚成一团，使细颗粒物长大，被除尘器脱除。因此，安装化学团聚系统可实现烟尘超低排放。

2.2 SO2浓度变化

脱硫前后SO2浓度如图3所示。可知，脱硫前SO2平均浓度为1 890 mg/m3，脱硫后为8.4 mg/m3。脱硫后喷入化学团聚剂前后SO2浓度变化如图4所示。可知，化学团聚剂对烟气中SO2脱除有一定的协同作用，通过选择适当的团聚剂在脱除细颗粒物的同时，可增强SO2的协同脱除能力。

2.3 O2体积分数变化

脱硫前后O2体积分数如图5所示。脱硫前，喷入团聚剂后，O2平均体积分数为7.1%，比未喷团聚剂上升约0.4%。脱硫后，喷入团聚剂后，O2平均体积分数为7.8%，比未喷团聚剂上升约0.6%。由于团聚剂溶液在压缩空气作用下雾化喷入烟气中，故烟气中O2体积分数略有升高，平均增加约0.5%。

2.4 烟气温度变化

脱硫前后烟气温度变化如图6所示。脱硫前，喷入团聚剂后，烟气温度平均下降3～8 ℃；脱硫后，烟气平均温度为50 ℃左右，喷入团聚剂不影响脱硫系统排烟温度。喷入团聚剂后，静电除尘器后烟气温度略有下降，但不影响电厂正常运行。

3 化学团聚工业系统经济性评价

目前细颗粒物排放控制技术有低低温静电除尘技术、湿式静电除尘技术、电袋复合除尘技术等[27-28]，其中，湿式静电除尘技术已得到广泛应用[29-30]。以化学团聚技术与湿式静电除尘技术为对象，根据电厂投资造价及技术指标，比较了2种技术在工业应用上的经济性，见表1。

表1 300 MW机组化学团聚与湿式静电除尘技术经济比较
Table 1 Economic comparison between chemical agglomeration and wet electrostatic precipitation technique in a 300 MW coal-fired boiler

以300 MW燃煤机组为例，化学团聚技术的工程一次投资约为600万元，主要包括工艺设备系统、电气系统、热控系统及土建部分投资等。化学团聚系统设备工艺简单，安装方便，施工周期约为30 d，优势是无需停炉施工，不影响电厂正常生产。烟道面积为22.4 m2，烟枪总横截面积为0.945 m2，占4%，经计算喷枪引起的烟气阻力增加小于50 Pa。湿式静电除尘技术，一次工程投资额较大，设备费用约600万元，土建部分约400万元，增加炉后烟道约400万元，一次投资金额为化学团聚技术的2倍以上。而根据现场湿式静电除尘器的技术指标及文献[31]，湿式静电除尘器的引入会使烟气阻力增加最多达350 Pa，此外，湿式静电除尘系统施工周期达180 d，需停炉进行技术升级改造，影响电厂正常运行，而化学团聚技术对电厂正常运行造成的影响更小。

化学团聚技术与湿式静电除尘技术年运行费用比较见表2。可知二者运行费用基本相当，湿式静电除尘器正常运行电消耗量较大，化学团聚系统则需要额外消耗团聚剂。电厂用电费用为0.4元/kWh，化学团聚系统全年运行4 921 h，用电功率总计约50 kW;全年消耗物料18.25 t，水18 250 t，单价分别为5万元/t和2元/t。

表2 化学团聚与湿式静电除尘技术年运行费用比较
Table 2 Annual operating costcomparison between chemical agglomeration and wet electrostatic precipitation technique

化学团聚技术一次工程投资不及湿式静电除尘技术投资额的1/2，安装和后期维护无需停机。考虑到污染物的联合脱除，化学团聚系统中团聚剂溶液配制可采用脱硫废水，在提高细颗粒物脱除效率的同时，协同处理脱硫废水，优势显著。

4 结 论

1)安装化学团聚系统，ESP后全年颗粒物浓度平均17.7 mg/m3;脱硫后全年颗粒物浓度平均3.7 mg/m3，化学团聚系统可稳定实现烟尘超低排放。

2)以300 MW燃煤机组为例，化学团聚技术一次工程投资不到湿式静电除尘技术投资额的1/2，经济性良好，安装维护方便。

3)安装化学团聚系统，ESP后烟气温度下降3～8 ℃，SO2浓度略下降;O2浓度上升约0.5%。

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