基于高效除霧器的燃煤電廠顆粒物超低排放

李潤(rùn)平，王鳳陽(yáng)，楊志勇，呂海生，江建忠，肖 平

(1.中國(guó)華電煤業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100035;2.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209;3.內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司 煤矸石熱電廠，內(nèi)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(guó)電力行業(yè)積極響應(yīng)國(guó)家和社會(huì)對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，堅(jiān)決履行企業(yè)社會(huì)責(zé)任的重要舉措[1-3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，燃煤電廠超低排放改造需要達(dá)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(guò)10、35、50 mg/m3。這些排放標(biāo)準(zhǔn)的提出對(duì)當(dāng)前燃煤電廠的污染控制設(shè)施產(chǎn)生了巨大的壓力，在不進(jìn)行大規(guī)模改造的情況下實(shí)現(xiàn)3項(xiàng)污染物的同時(shí)達(dá)標(biāo)幾乎不可能。

我國(guó)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(dá)99%以上。但細(xì)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(guò)超低排放標(biāo)準(zhǔn)的主要原因?yàn)闊煔庵械募?xì)顆粒物占比過(guò)高[4-5]。因此，燃煤電廠要實(shí)現(xiàn)顆粒物的超低排放，需要重點(diǎn)控制煙氣中的細(xì)顆粒物濃度。

目前，燃煤電廠普遍通過(guò)低低溫靜電除塵器和電袋復(fù)合除塵器改造方式來(lái)進(jìn)一步提高除塵器的捕集效率，以高效率脫除細(xì)顆粒物。但煙氣在流經(jīng)濕法脫硫塔進(jìn)行脫硫反應(yīng)時(shí)，部分石膏晶體、石灰石漿液液滴被煙氣攜帶進(jìn)入煙囪，排入大氣;部分煙氣中的細(xì)顆粒物在脫硫塔高濕、高漿液含量的情況下生長(zhǎng)增大，提高了脫硫塔后細(xì)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(jìn)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(xì)顆粒物[4-5,8,10,12-15]。該種技術(shù)路線超低排放改造的成本高，施工難度大，現(xiàn)場(chǎng)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(guò)對(duì)原濕法脫硫塔內(nèi)的除霧器進(jìn)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(guó)內(nèi)已有工程實(shí)踐表明，以管束式、離心式為代表的高效除霧器可以實(shí)現(xiàn)顆粒物超低排放。但是，目前的研究主要停留在數(shù)值模擬和選型對(duì)比等方面[18- 19]，缺乏從顆粒物層面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得的評(píng)估數(shù)據(jù)。

本文采用一種新型高效除霧器取代濕法靜電除塵器，并對(duì)新型高效除霧器安裝前后燃煤電廠顆粒物排放情況進(jìn)行測(cè)試，比較新型高效除霧器在實(shí)現(xiàn)燃煤電廠超低排放改造方面的相關(guān)特點(diǎn)，為我國(guó)燃煤電廠超低排放改造降低成本提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 燃煤電廠基本情況

本試驗(yàn)在某200 MW循環(huán)流化床鍋爐燃煤電廠進(jìn)行。該鍋爐為無(wú)錫華光鍋爐廠設(shè)計(jì)制造，型號(hào)為UG-745/13.7-M型。該燃煤電廠除塵裝置采用電袋復(fù)合除塵器，布袋經(jīng)過(guò)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(zhì)特性分析見(jiàn)表1。

表1鍋爐燃煤煤質(zhì)分析
Table1Analysisresultsofcoalsample

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

1.2 測(cè)試儀器

采樣點(diǎn)布置在濕法脫硫塔出口，煙囪之前。測(cè)試分2次:第1次測(cè)試在電廠超低排放改造后進(jìn)行;第2次測(cè)試在新型高效除霧器安裝完成后進(jìn)行。2次測(cè)試在高、中、低3種不同負(fù)荷下進(jìn)行，負(fù)荷和排煙溫度見(jiàn)表2。

表2負(fù)荷和排煙溫度
Table2Boilerloadandexhaustgastemperature

項(xiàng)目負(fù)荷/MW排煙溫度/℃第1次測(cè)試120120200120150130第2次測(cè)試180132200135

測(cè)試儀器為荷蘭Dekati公司生產(chǎn)的Dekati?荷電低壓撞擊器(ELPI+)，通過(guò)預(yù)荷電器將氣流中顆粒荷電后，測(cè)量撞擊到采集板上的顆粒導(dǎo)出的電流值反算顆粒數(shù)量。關(guān)閉ELPI+的荷電器后，即為傳統(tǒng)的慣性撞擊器，可通過(guò)稱重的方式得到不同粒徑顆粒的質(zhì)量濃度。ELPI+共有14個(gè)撞擊級(jí)，實(shí)現(xiàn)PM10以下顆粒物的14級(jí)分級(jí)，切割粒徑6～10 μm。ELPI+采樣用膜采用梅特勒XP6微量天平進(jìn)行稱重，精度可以達(dá)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(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院研發(fā)[20]，其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 高效除霧器技術(shù)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(qū)動(dòng)力，通過(guò)煙氣在除霧器結(jié)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)內(nèi)外2層高速旋轉(zhuǎn)，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(jìn)入脫硫塔內(nèi)。新型高效除霧器不僅對(duì)細(xì)顆粒物有較高的捕集效率，且對(duì)脫硫塔內(nèi)進(jìn)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(jié)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(duì)脫硫塔出口處煙氣中的顆粒物濃度及粒徑分布進(jìn)行測(cè)量。120、200 MW工況下，煙氣顆粒物累積質(zhì)量濃度隨粒徑的變化如圖2所示?？梢钥吹?，高負(fù)荷(200 MW)時(shí)，PM10累積質(zhì)量濃度可達(dá)約18 mg/m3，低負(fù)荷(120 MW)時(shí)，PM10累積質(zhì)量濃度約為12 mg/m3。在2種負(fù)荷下，排放濃度均未達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)(10 mg/m3)。高負(fù)荷時(shí)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(fù)荷下PM10顆粒物累積質(zhì)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(shí)間的變化?？梢钥吹?，顆粒物濃度隨時(shí)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(cè)量結(jié)果與累積質(zhì)量濃度測(cè)量結(jié)果較一致，不能穩(wěn)定達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 顆粒物濃度隨時(shí)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(shù)濃度和質(zhì)量濃度的粒徑分布如圖4所示。可以看到，200 WM負(fù)荷下，煙氣中顆粒物粒數(shù)濃度在<0.01 μm時(shí)達(dá)到最大值，>1 μm的粒數(shù)濃度很低。隨粒徑增大，顆粒物粒數(shù)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(shè)備對(duì)顆粒物的捕集效率越低，也有可能是由于脫硫塔中細(xì)小的循環(huán)漿液、脫硫石膏晶體等被攜帶進(jìn)入煙氣，使煙氣中細(xì)顆粒物濃度升高。顆粒物質(zhì)量濃度在0.48和5.13 μm時(shí)達(dá)到最大值，這是顆粒物粒數(shù)濃度、顆粒物密度等因素共同作用的結(jié)果。

圖4 顆粒物粒數(shù)濃度和質(zhì)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(fù)荷下的煙氣顆粒物累積質(zhì)量濃度如圖5所示。150、180和200 MW負(fù)荷下，煙氣顆粒物質(zhì)量濃度最高分別可達(dá)到3.25、2.24和1.82 mg/m3?？梢?jiàn)，即使按照最嚴(yán)格的顆粒物超低排放濃度標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/m3)，在3種負(fù)荷下，煙氣顆粒物排放濃度亦能實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。此外，隨著負(fù)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(fù)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(guān)，高效除霧器依靠離心力脫除煙氣中的顆粒物，隨著負(fù)荷升高，煙氣量增大，在高效除霧器中的流速增大，相應(yīng)的離心力增大，對(duì)顆粒物的捕集效果提高。粗略估計(jì)，高效除霧器對(duì)顆粒物的捕集效率可達(dá)到90%左右(200 MW)。

圖5 不同負(fù)荷下顆粒物累積質(zhì)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(cè)量值與累積質(zhì)量濃度較接近。

煙氣中顆粒物粒數(shù)濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑的變化如圖7所示?？梢钥吹?，2種負(fù)荷下，顆粒物的粒數(shù)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(shù)濃度僅為安裝前的1/10～1/5，這與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降相吻合。顆粒物粒數(shù)濃度仍在小粒徑時(shí)達(dá)到最大，隨粒徑增大，粒數(shù)濃度迅速降低。從粒數(shù)濃度隨著粒徑的變化看，高效除霧器對(duì)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(shù)濃度下降超過(guò)90%，說(shuō)明高效除霧器不僅對(duì)較大粒徑顆粒物具有顯著的脫除作用，對(duì)細(xì)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(shù)濃度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(duì)比

經(jīng)過(guò)近5年的大規(guī)模建設(shè)，我國(guó)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(jìn)入煙氣中，部分燃煤電廠的顆粒物排放濃度不能穩(wěn)定達(dá)到超低排放的要求，特別是在要求更嚴(yán)格(5 mg/m3)的地區(qū)。很多電廠為了徹底解決這一問(wèn)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(wú)論從固定投資、運(yùn)行成本、操作難度、安全性等方面均存在明顯的問(wèn)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(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放的途徑。

高效除霧器與濕式靜電除塵器對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯?，高效除霧器相關(guān)性能均優(yōu)于濕式靜電除塵器。

3 結(jié) 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(shí)現(xiàn)超低排放達(dá)標(biāo)。120、200 WM負(fù)荷下，顆粒物排放濃度平均值為12 mg/m3和18 mg/m3。負(fù)荷越高，排放濃度越高。顆粒物粒徑越小，排放的粒數(shù)濃度越高。

表3高效除霧器和濕式靜電除塵器對(duì)比
Table3Comparisonofhigh-efficiencydemisterandwetelectrostaticprecipitator

參數(shù)高效除霧器濕式電除塵器二次污染收集下來(lái)的塵、酸霧等返回脫硫塔內(nèi),無(wú)二次污染收集下來(lái)的塵、酸霧等返回脫硫塔內(nèi),無(wú)二次污染耗水量每塔噴淋水小于1 m3/h,回流至塔內(nèi),無(wú)廢水排放脫硫島補(bǔ)充水2～5 m3/h(水耗)布置方式立式,煙氣下進(jìn)上出立式,煙氣下進(jìn)上出臥式,水平進(jìn)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(dá)7.0 m/s煙氣流速一般選擇<3.2 m/s,當(dāng)塔直徑不變時(shí),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(jìn)口微噴 采用間斷水沖洗,隔天清洗一次,水耗小,但易積灰設(shè)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(yùn)行成本無(wú)耗電,無(wú)水循環(huán)系統(tǒng),無(wú)化學(xué)藥劑,易損件少。以一臺(tái)直徑12 m脫硫塔為例,電功率0,年運(yùn)行成本0耗電小,耗水量小,無(wú)化學(xué)藥劑,易損件較多,極板布需定期更換。以一臺(tái)直徑12 m脫硫塔為例,電功率400 kW,年利用5 000 h,年運(yùn)行成本100萬(wàn)元阻力/Pa400350投資遠(yuǎn)低于濕式電除塵器高

2)加裝高效除霧器后，3種負(fù)荷下均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定超低排放達(dá)標(biāo)，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(duì)PM10的去除效率可達(dá)到90%。

3)粒徑分析結(jié)果表明，高效除霧器對(duì)細(xì)顆粒物(粒徑<0.1 μm)的去除效果亦能達(dá)到90%。

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