濕式電除塵器顆粒物測試及排放特征研究

許東旭，蔡錫鋒，劉含笑，沈敏超，郭高飛，周冰，杜依倩

（浙江菲達環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800）

濕式電除塵器的進出口處屬于典型的高濕度、低濃度煙氣環(huán)境，在苛刻條件下的煙氣污染物精準測試，是當前研究的熱點和難點[1～5]。本文對濕式電除塵器顆粒物測試方法進行了研究，并對濕式電除塵器出口的顆粒物排放特征進行了調(diào)研和分析。

1 濕式電除塵器顆粒物脫除機制

從顆粒物脫除機理來說，濕式電除塵器與常規(guī)電除塵器的不同之處在于，收塵極被水膜覆蓋，放電區(qū)域存在水霧（圖1），不存在因振打引起的細顆粒物二次揚塵，同時濕電場中存在明顯的細顆粒物團聚現(xiàn)象，有效避免了細顆粒物排放。

為進一步定性分析濕式電除塵器（WESP）中細顆粒物團聚的機理，采用k-ε模型計算連續(xù)相流場，采用MHD模型計算靜電場，基于歐拉雙流體方法，采用PBM（Population Balanee Model）模型來計算顆粒的團聚。并基于顆粒的稀疏、分子混沌等假設(shè)，在僅考慮顆粒物團聚這一種物理現(xiàn)象的情況下，歐拉坐標體系下的顆粒物尺度分布函數(shù)零維方程如公式①所示[6、7]。

圖1 濕式電除塵器（WESP）對細顆粒物的脫除機制

式中：

n（v，t）——表示體積為v的顆粒物在t時刻的數(shù)濃度函數(shù)，1/m3；

β（u，v-u）——表示體積分別是u、v-u的顆粒物之間的團聚核，即團聚概率，m3/s。

等式右邊的第一項表示因團聚而產(chǎn)生的體積為v的新顆粒物數(shù)量，1/2表示在顆粒的一次團聚事件的同時有2個顆粒物參加；第二項表示因顆粒物團聚成更大顆粒物而消失的體積為v的顆粒物數(shù)量。

調(diào)用軟件自帶的Luo Aggregation Kernel和Turbulent Aggregation Kernel，通過UDF引入電團聚核函數(shù)和庫侖團聚核函數(shù)，見式②、式③。

式②、式③中：βE和βC分別為顆粒i與顆粒j的電團聚核函數(shù)和庫侖團聚核函數(shù)；K是電團聚的增強因子；βi，j是電中性顆粒i、j的布朗團聚核函數(shù)。見式④、式⑤所示。

式④、式⑤中：

p、q——分別為i、j兩顆粒的帶電量，C；

ε0——真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m；

kB——Boltzmann常數(shù)，1.38×10-23J/K；

T——絕對溫度，K；

d——顆粒粒徑，m；

μ——氣體動力黏度，Pa.s；

Cu——Cunningham修正系數(shù)。

由于各種團聚形式對于顆粒碰撞的影響尺度不同，可認為兩者是相互獨立的，四種團聚形式疊加后的團聚核函數(shù)可以表示為式⑥：

模型采用分區(qū)算法進行求解，初始的顆粒分布被簡化為單一分散體系，具體數(shù)據(jù)見表1。將顆粒的粒徑按大小分為8個區(qū)間，其總的體積分數(shù)是7×10-6，計算時間步長取0.001s，計算結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著反應時間的推移，該模型出口處的顆粒平均粒徑是逐漸增大的，這表明細顆粒物在發(fā)生明顯的團聚現(xiàn)象，約在0.5s，顆粒平均粒徑趨于穩(wěn)定。

表1 各尺度顆粒的體積分數(shù)

圖2 不同時刻模型出口的顆粒平均粒徑變化

2 顆粒物測試方法

2.1 測試標準、方法及儀器

國內(nèi)外低濃度顆粒物測試標準、方法及相關(guān)儀器[8～10]匯總見表2。

2.2 顆粒物采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)是否科學是保證數(shù)據(jù)精確度的關(guān)鍵，該采樣采用濾膜（一體化采樣頭）測定濕式電除塵器進出口顆粒物濃度，采樣系統(tǒng)布置方式如圖3所示。一體化采樣頭包括鋁箔、濾膜網(wǎng)、采樣管、濾膜等，采樣前后一體化采樣頭（內(nèi)置濾膜）整體進行烘干、稱重，有效避免了過濾材質(zhì)的黏附損失。一體化采樣頭示意圖見圖4。

表2 國內(nèi)外測試標準及儀器匯總

圖3 顆粒物采樣系統(tǒng)

圖4 一體化采樣頭示意圖及實物圖

3 現(xiàn)場實測

3.1 某1000MW機組

針對某1000MW機組，參照圖3的采樣系統(tǒng)，測試中采用一體化采樣頭進行現(xiàn)場采樣實測，采樣槍需加熱至160℃左右。經(jīng)過測試，得到一體化采樣頭的樣品增重、空白試驗值以及經(jīng)換算后的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見圖5。一體化采樣頭的空白試驗值在0.2 ～0.4mg，該空白實驗值最大正值的5倍為2mg，而該項目實際采樣的樣品增重在3.1～3.7mg，遠超空白試驗的標準下限，滿足標準要求。最終得到的測試結(jié)果為4.49mg/m3。

3.2 某600MW機組

針對某600MW機組，采用一體化采樣頭進行現(xiàn)場實測，樣品的增重、空白試驗值以及經(jīng)過換算后得到的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見圖6。一體化采樣頭的空白試驗值在0.2～0.5mg，其最大正值的5倍為2.5mg，而實際試驗采樣的樣品增重為5.9～10.6mg，同樣滿足標準要求。經(jīng)過換算，該實測數(shù)據(jù)為4.12mg/m3。

4 排放特征研究

分別測定金屬板式濕式電除塵器18臺、導電玻璃鋼管式濕式電除塵器47臺，出口顆粒物濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖7所示，機組容量從75MW到1030MW。金屬板式濕式電除塵器出口顆粒物濃度最大值為6.6mg/m3、最小值為0.4mg/m3，平均值為3.9mg/m3；導電玻璃鋼濕式電除塵器出口顆粒物濃度最大值為9.3mg/m3、最小值為1.1mg/m3，平均值為4.2mg/m3。

圖5 一體化采樣頭（嶗應）測試結(jié)果

圖6 一體化采樣頭測試結(jié)果

圖7 顆粒物排放特征匯總

5 結(jié)論

（1）濕式電除塵器不存在細顆粒物二次揚塵，且濕電場中存在明顯的細顆粒物團聚現(xiàn)象，可實現(xiàn)較低的顆粒物排放。

（2）低濃度、高濕度煙氣環(huán)境下，顆粒物測試可采用一體化采樣頭（內(nèi)置濾膜）采樣。

（3）不同形式的濕式電除塵器對顆粒物均有較好的減排效果，其中，金屬板式濕式電除塵器顆粒物質(zhì)量濃度排放范圍是0.4～6.6mg/m3；導電玻璃鋼濕式電除塵器顆粒物質(zhì)量濃度排放范圍是1.1～9.3mg/m3。