高煙氣流速下濕式靜電除塵器脫除細(xì)顆粒物的研究

時(shí)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(shù)研究中心, 上海 200090)

以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)造成的環(huán)境問題日益突顯,其中顆粒物排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問題尤為嚴(yán)重,PM2.5造成的霧霾天氣頻發(fā)引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-2]。我國(guó)燃煤機(jī)組容量占發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?0%以上,并且煤灰顆粒物富含汞、砷等重金屬元素,對(duì)人體的危害極大。干式電除塵無(wú)法有效解決對(duì)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(duì)微細(xì)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(chǎn)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(shè)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(shù),為WESP的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。對(duì)濕式靜電除塵技術(shù)的研究,可以為燃煤電廠提供一個(gè)脫除PM2.5等可吸入顆粒物的前瞻性可靠技術(shù)[3]。我國(guó)燃煤電廠機(jī)組裝機(jī)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(shí)意義。

1 新型WESP的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

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(duì)較小,霧滴在電暈區(qū)與粉塵結(jié)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(jìn)一步霧化。電場(chǎng)力、荷電霧滴通過碰撞攔截與吸附凝并來(lái)捕集粉塵,粉塵在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)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(dòng)的水將捕獲的粉塵沖刷到灰斗中排出。

1.2 新型WESP的建構(gòu)

目前WESP的布置形式主要有以下3種:垂直煙氣流獨(dú)立布置式;水平煙氣流獨(dú)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于回收沖洗水等顯著優(yōu)點(diǎn)在工程上應(yīng)用較廣。新型WESP的設(shè)計(jì)結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn),采取與WFGD結(jié)合的整體式布置結(jié)構(gòu)。下部的WFGD系統(tǒng)使用3層脫硫噴淋,每層3個(gè)霧化噴嘴。上部是電極長(zhǎng)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(shí)間可以達(dá)到2 s以上。集塵極為六面體蜂窩結(jié)構(gòu),極間距分別為250 mm,300 mm,350 mm。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

WESP煙氣進(jìn)口處設(shè)有兩級(jí)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(shè)計(jì)可以從以下5個(gè)方面加以考慮。

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

(2) 選擇陰極線的一般要求為起暈電壓低、電暈電流大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、易清灰等。圓桿線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作電壓區(qū)間大、放電均勻,是實(shí)驗(yàn)室常用電極。為此,本實(shí)驗(yàn)選擇φ3耐酸不銹鋼材質(zhì)316L圓桿線作為陰極線使用線型。

圖1 新型WESP實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

(3) 改進(jìn)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(guó)內(nèi)獨(dú)有的電壓等級(jí)為120 kV高壓絕緣瓷瓶.

(5) 噴嘴采用特殊霧化噴嘴,材質(zhì)為316L不銹鋼。

由于WESP長(zhǎng)期在酸性氣體中工作,其內(nèi)部蜂窩極板、極線構(gòu)件全部采用316L耐酸不銹鋼,外部殼體使用304不銹鋼。為了實(shí)驗(yàn)需要,在其內(nèi)部設(shè)置了3個(gè)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(duì)脫硫后細(xì)顆粒物的脫除效果,實(shí)驗(yàn)工藝路線與實(shí)驗(yàn)方案都緊密圍繞細(xì)顆粒物的發(fā)生與脫除而展開。實(shí)驗(yàn)煙氣流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)煙氣系統(tǒng)

為了使實(shí)驗(yàn)更貼近工程實(shí)際,本次實(shí)驗(yàn)使用1 t蒸汽鏈條爐來(lái)產(chǎn)生燃煤煙氣,并且實(shí)驗(yàn)煙氣位于旋風(fēng)除塵器之后,進(jìn)入脫硫塔的顆粒物的量與電廠相似。

2 測(cè)量設(shè)備

目前國(guó)內(nèi)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(jì)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?yàn)榻?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(shí)為了達(dá)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(xì)顆粒物,而濾筒對(duì)細(xì)顆粒物的攔截效果并不明顯。

為了精確測(cè)量WESP對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效果,使用目前國(guó)際上先進(jìn)的PM2.5測(cè)試設(shè)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(cè)量?jī)x器,可在線測(cè)量固定源細(xì)顆粒濃度和粒徑分布,如圖3所示。

圖3 ELPI測(cè)量設(shè)備

其測(cè)量原理是:含有細(xì)顆粒的采樣煙氣首先進(jìn)入單極電暈充電室進(jìn)行充電,帶電的顆粒物被氣流運(yùn)送到裝有絕緣收集層的低壓沖擊器上,精密電子測(cè)量計(jì)對(duì)進(jìn)入每個(gè)層面的帶電顆粒物的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)電量測(cè)量,測(cè)量后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為(空氣動(dòng)力學(xué)上的)顆粒物的質(zhì)量濃度。

在每一級(jí)撞擊器上,由于帶電顆粒連續(xù)沉積所產(chǎn)生的電流由一個(gè)多通道靜電計(jì)測(cè)得,因此電流與顆粒數(shù)的濃度關(guān)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(xì)顆粒物流量。

3 實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

首先,將實(shí)驗(yàn)使用的除塵筒打開,另外兩個(gè)除塵筒密封。開啟支路引風(fēng)機(jī)吹掃煙道30 min,確保實(shí)驗(yàn)不會(huì)受到煙道內(nèi)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(rùn)與清潔。同時(shí)點(diǎn)燃煤渣,待燃燒穩(wěn)定后打開支路閥門,WESP進(jìn)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(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)開始前使用輔助測(cè)量?jī)x器測(cè)量WESP進(jìn)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(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)頻率,以調(diào)節(jié)WESP內(nèi)的煙氣流速,使之符合實(shí)驗(yàn)要求。

3.2 取樣系統(tǒng)與測(cè)量方法

GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)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(cè)量方法,但是并沒有針對(duì)細(xì)顆粒物如PM2.5的采樣制定具體的方法。本文使用ELPI對(duì)細(xì)顆粒物進(jìn)行等速采樣,其采樣系統(tǒng)如圖4所示。

ELPI測(cè)量粒徑范圍為0.006～8.87 μm。將ELPI與稀釋采樣法聯(lián)用來(lái)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中PM2.5的濃度。實(shí)驗(yàn)中,啟動(dòng)真空泵,煙氣依次進(jìn)入取樣槍、旋風(fēng)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(shí)際情況采用一級(jí)或兩級(jí)稀釋,一級(jí)稀釋比例約8.18∶1)后進(jìn)入ELPI測(cè)試系統(tǒng),不同粒徑的顆粒被收集在不同級(jí)上,在計(jì)算機(jī)上反映出實(shí)時(shí)顆粒物的質(zhì)量濃度,這里只測(cè)量PM2.5的濃度。采樣時(shí)將煙氣加熱到120 ℃以上保證測(cè)量結(jié)果不含液滴。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采樣時(shí),先關(guān)閉WESP,在出口點(diǎn)測(cè)量未加電壓時(shí)的顆粒物濃度,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求加電壓并測(cè)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(shí)驗(yàn)主要探究極間距、風(fēng)速、電壓對(duì)細(xì)顆粒物脫除的影響。設(shè)風(fēng)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(shí)取值為準(zhǔn),需要多次測(cè)量取平均值,且每個(gè)極間距下需要測(cè)量12個(gè)工況,3個(gè)實(shí)驗(yàn)極間距下共需測(cè)量36個(gè)工況,每個(gè)工況又需要多次測(cè)量取平均值,因此測(cè)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(fēng)速和電壓的關(guān)系如圖5所示。

從圖5可以看出,同一風(fēng)速下,同一極間距內(nèi)除塵效率均隨著電壓的升高而增大,隨著風(fēng)速的增大而下降。這是由于電壓升高增大了荷電場(chǎng)強(qiáng),而風(fēng)速增大使煙氣在WESP內(nèi)的停留時(shí)間變短,這些數(shù)據(jù)及其趨勢(shì)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(duì)細(xì)顆粒物難以脫除,而WESP對(duì)PM2.5有著極高的脫除效率。

圖6為WESP在4 m/s風(fēng)速下3個(gè)極間距內(nèi)PM2.5隨電壓變化時(shí)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(chǎng)強(qiáng)下降導(dǎo)致除塵效率下降。

圖5 不同極間距下PM2.5除塵效率與風(fēng)速和電壓的關(guān)系

圖6 4 m/s風(fēng)速下PM2.5除塵效率與不同極間距、電壓之間的關(guān)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(chǎng)強(qiáng)達(dá)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(shí)驗(yàn)的目的,故將該電壓下4 m/s煙速下測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。WESP塔內(nèi)4 m/s煙速下PM2.5測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 WESP塔內(nèi)4 m/s煙速下PM2.5測(cè)量數(shù)據(jù)

由表1可知,WESP對(duì)細(xì)顆粒物有著顯著的脫除效率,并且在高煙氣流速下對(duì)PM2.5也能達(dá)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(yīng)用推算

以600 MW機(jī)組為例,假設(shè)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(guó)平頂山動(dòng)力煤[5]為例進(jìn)行推算。其成分如表2所示。

表2 平頂山動(dòng)力煤收到基元素分析 %

電站鍋爐標(biāo)準(zhǔn)燃煤需用的理論空氣量V0(m3/kg)計(jì)算公式[6]為

(3)

取過量空氣系數(shù)為1.2,計(jì)算得該發(fā)電廠產(chǎn)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(gè)除塵單元。假設(shè)每個(gè)單元無(wú)縫連接,每個(gè)單元六邊形面積為0.078 m2,占地面積為130 m2。由于這一設(shè)備是除塵脫硫一體化設(shè)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(shè)備的占地面積。假設(shè)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(zhì)量可達(dá)到600 kg以上。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型脫硫除塵一體式WESP設(shè)備,可以在高煙氣流速下對(duì)煙氣中的顆粒物進(jìn)行高效靜電除塵。

(1) 實(shí)驗(yàn)證明,WESP對(duì)PM2.5有著顯著的脫除效果,并且在煙氣流速達(dá)到4 m/s時(shí)PM2.5的脫除效率最高可達(dá)85%以上。

(2) 對(duì)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(jìn)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(guó)際上先進(jìn)的靜電低壓撞擊器測(cè)量WESP的進(jìn)出口煙塵含量,但該儀器造價(jià)昂貴,測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜,并不適宜普遍推廣,因此開發(fā)廉價(jià)、簡(jiǎn)單的污染源顆粒物測(cè)量?jī)x器對(duì)顆粒物的節(jié)能減排意義重大。

(4) 目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)固定污染源顆粒物PM2.5的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,我國(guó)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(huì)有極絲的晃動(dòng),引起火花放電,因此高速濕式靜電除塵器還有待改進(jìn)與完善。