燃煤電廠濕式電除塵器減排及能效特性研究

劉含笑，吳黎明,2，趙琳，于立元，酈建國，崔盈

(1. 浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆憬?諸暨 311800；2. 杭州鋼鐵集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州 310000)

0 引言

濕式電除塵器在濕煙氣環(huán)境下電暈功率遠(yuǎn)高于干式電除塵器，可實(shí)現(xiàn)高效除塵及協(xié)同脫除濕法脫硫次生污染物、非常規(guī)污染物[1-3]等，在燃煤電廠煙氣超低排放改造中具有廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外眾多學(xué)者對濕式電除塵器的污染物減排特性開展了系列研究。文獻(xiàn)[4-5]研究表明，濕式電除塵器對煙塵的脫除效率均達(dá)到80%以上；文獻(xiàn)[6]采用ELPI（低壓靜電撞擊儀）、SMPS（納米粒子測試儀）、濾膜過濾等多種測試方法測定了濕式電除塵器除塵性能，顆粒物最低可達(dá)1 mg/m3以下；文獻(xiàn)[7]對2臺(tái)300 MW燃煤機(jī)組配套濕式電除塵器開展了現(xiàn)場實(shí)測，對PM2.5、SO3脫除效率分別為79.71%～90.23%、52.03%～59.09%；文獻(xiàn)[8]基于調(diào)研和現(xiàn)場實(shí)測初步研究了濕式電除塵器顆粒物排放特征，出口顆粒物和PM2.5濃度分別為0.43～12.5 mg/m3和 0.35 ～1.59 mg/m3；文獻(xiàn) [9]實(shí)驗(yàn)研究了濕式電除塵器對SO3的減排提效措施，通過預(yù)荷電和預(yù)荷電+冷凝可分別將SO3脫除效率從90.3%提升至95.8%和97.8%。上述研究主要關(guān)注了濕式電除塵器污染物減排特性，未涉及能效參數(shù)，而現(xiàn)有關(guān)于電除塵器能效研究的文獻(xiàn)多是服務(wù)于標(biāo)準(zhǔn)研制[10-11]，對污染物排放和能效參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性研究較少。

本研究基于中國典型燃煤電廠濕式電除塵器排放和能效數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析濕式電除塵器對各污染物的減排特性和脫除能耗，為超低排放機(jī)組的后續(xù)節(jié)能減碳運(yùn)行提供借鑒。

1 研究對象及研究方法

研究對象為122臺(tái)典型燃煤電廠配套濕式電除塵器，具體情況如圖1所示。其中，金屬板式濕式電除塵器35臺(tái)，機(jī)組容量涉及15～1030 MW，煙氣量為 7.2×105～4.3×106m3/h，平均為 2.0×106m3/h；導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器87臺(tái)，機(jī)組容量涉及 75～1000 MW，煙氣量在 5.8×105～3.3×106m3/h，平均為 1.6×106m3/h。

圖1 研究對象Fig. 1 Research object

在額定工況下對濕式電除塵器開展測試研究，測點(diǎn)布置復(fù)合GB 13 931—2017等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，測試期間工況穩(wěn)定、煤種無變化，制粉系統(tǒng)設(shè)置固定，配風(fēng)方式一定，且鍋爐不打焦、不吹灰等?？倝m采樣采用大流量煙塵采樣儀（濾筒）或低濃度煙塵自動(dòng)等速取樣儀（一體化采樣頭+濾膜）；采用重量法采集煙氣中PM2.5；用冷凝法采集煙氣中的霧滴，并定時(shí)取樣脫硫塔漿液，分析霧滴和漿液中鎂離子濃度；采用控制冷凝法采集煙氣中SO3；采用電能表測定濕式電除塵器耗電量。測試方法符合GB13931—2017、HJ917—2017、GB/T16157—1996等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和濕式電除塵器性能測試相關(guān)要求[12-17]。

濕式電除塵器對污染物的脫除效率為

式中： ηi為濕式電除塵器對某項(xiàng)污染物的脫除效率，%；Ci1、Ci2分別為濕式電除塵器進(jìn)出口某污染物的質(zhì)量濃度，mg/m3。

濕式電除塵器高壓供電比電耗用于評價(jià)其效能水平，可表示為

式中： λ 為濕式電除塵器的比電耗，kW·h/m3；W為濕式電除塵器單位時(shí)間的高壓供電電耗，kW·h/h；Q為濕式電除塵器進(jìn)口煙氣量，m3/h。

為進(jìn)一步評價(jià)脫除單位質(zhì)量顆粒物所消耗的電耗可表示為

式中： ? 為濕式電除塵器的顆粒物脫除能耗，kW·h/kg；CPM1、CPM2分別為濕式電除塵器進(jìn)出口的顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3；Q此處為97.58×104m3/h。

2 污染物排放數(shù)據(jù)分析

所有污染物排放數(shù)據(jù)均在90%負(fù)荷以上進(jìn)行測試。試驗(yàn)前，濕法電除塵器調(diào)試到符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)期間的要求有：鍋爐負(fù)荷應(yīng)穩(wěn)定，最大波動(dòng)幅度不超過±5%；燃燒煤種、煤質(zhì)基本不變、燃料配比不變；制粉系統(tǒng)固定運(yùn)行方式，給粉均勻，鍋爐不投油槍助燃，不吹灰；濕式電除塵器正常、穩(wěn)定投運(yùn)；高壓供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及低壓控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.1 顆粒物

濕式電除塵器出口顆粒物排放濃度及脫除效率如圖2所示。金屬板式濕式電除塵器出口顆粒物濃度為 0.43～16.20 mg/m3，平均值為 5.13 mg/m3，顆粒物排放濃度，不高于 2.5 mg/m3和 5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為20.6%和64.7%；除塵效率為45.7%～95.0%，平均值為81.6%，其中除塵效率超過80%的濕式電除塵器占比為32.4%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口顆粒物濃度為1.10～9.40 mg/m3，平均值為 3.82 mg/m3，顆粒物排放濃度不高于 2.5 mg/m3和 5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為20.7%和87.8%；除塵效率為56.1%～96.1%，平均值為81.4%，其中除塵效率超過80%的濕式電除塵器占比為69.5%。金屬板式濕式電除塵器一般為連續(xù)噴淋，濕電場中荷電霧滴可強(qiáng)化顆粒物團(tuán)聚和遷移[8]，因此可達(dá)到低于1 mg/m3的極低排放濃度（如圖3），但從除塵效率值來看，實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器高除塵效率（＞80%）占比明顯高于金屬板式濕式電除塵器。一般來說，除塵器入口顆粒物濃度越高，除塵效率越高，但對應(yīng)的出口濃度值也會(huì)升高，以同為300 MW級機(jī)組配套的金屬板式濕式電除塵器為例，入口顆粒物濃度從10 mg/m3增加到90 mg/m3時(shí)，對應(yīng)的除塵效率從75%左右上升到90%以上，如圖4所示。

圖2 顆粒物排放濃度及脫除效率Fig. 2 Particulate matter emission concentration and removal efficiency

圖3 顆粒物排放濃度＜1 mg/m3機(jī)組統(tǒng)計(jì)Fig. 3 Statistics of particulate matter emission concentration < 1 mg/m3

圖4 入口顆粒物濃度與除塵效率的關(guān)系Fig. 4 The relationship between the concentration of inlet particulate matter and dust removal efficiency

濕式電除塵器出口PM2.5排放濃度及脫除效率如圖5所示。金屬板式濕式電除塵器出口PM2.5濃度為 0.27～4.64 mg/m3，平均值為 1.03 mg/m3，PM2.5排放濃度不高于 1 mg/m3和 2.5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為54.5%和58.8%；PM2.5脫除效率為71.2%～91.6%，平均值為76.6%，PM2.5脫除效率超過80%的濕式電除塵器占比為47.1%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口PM2.5濃度為0.15～3.80 mg/m3，平均值為 0.84 mg/m3，PM2.5排放濃度不高于 1 mg/m3和 2.5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為37.8%和83.8%；PM2.5脫除效率為58.3%～93.1%，平均值為75.8%，PM2.5脫除效率超過80%的濕式電除塵器占比為75.7%。實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器P M2.5高脫除效率（＞80%）占比明顯高于金屬板式濕式電除塵器，入口濃度越高，對應(yīng)的PM2.5脫除效率也越高，以同為300 MW級機(jī)組配套的金屬板式濕式電除塵器為例，入口PM2.5濃度從10 mg/m3增加到30 mg/m3時(shí)，對應(yīng)的PM2.5脫除效率從80%左右上升到90%以上，如圖6所示。

圖5 PM2.5排放濃度及脫除效率Fig. 5 PM2.5emission concentration and removal efficiency

圖6 入口PM2.5濃度與除塵效率的關(guān)系Fig. 6 The relationship between the concentration of inlet PM2.5and dust removal efficiency

常規(guī)電除塵器振打會(huì)引起二次揚(yáng)塵，無法突破高比電阻反電暈及細(xì)顆粒荷電難等技術(shù)瓶頸[18-20]，而PM2.5因粒徑更小、比電阻更高[21-22]，上述瓶頸問題會(huì)更加突出。濕法脫硫可協(xié)同脫除一定的顆粒物和PM2.5，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生新的顆粒物[23-24]。濕式電除塵器主要通過濕電場強(qiáng)化荷電和促進(jìn)細(xì)顆粒團(tuán)聚強(qiáng)化了對顆粒物脫除性能[8]，但其對顆粒物（PM）的脫除效率會(huì)明顯高于PM2.5，因此，經(jīng)超低排放改造后濕式電除塵器出口排放的顆粒物主要是以小粒徑顆粒為主。

2.2 霧滴

濕式電除塵器出口霧滴排放濃度及脫除效率如圖7所示。金屬板式濕式電除塵器出口霧滴濃度為 2.50～34.11 mg/m3，平均值為 15.12 mg/m3，霧滴排放濃度不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為13.6%和27.3%；霧滴脫除效率為64.5%～87.7%，平均值為76.1%，霧滴脫除效率超過75%的濕式電除塵器占比為54.5%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口霧滴濃度為0.3 0～34.10 mg/m3，平均值為 10.83 mg/m3，霧滴排放濃度不高于5 mg/m3和10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為23.6%和49.1%；霧滴脫除效率為43.75%～96.2%，平均值為75.2%，霧滴脫除效率超過75%的濕式電除塵器占比為41.8%。導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器一般為非連續(xù)噴淋，其出口霧滴濃度較低（不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3）的占比明顯高于金屬板式濕式電除塵器。

圖7 霧滴排放濃度及脫除效率Fig. 7 Droplets emission concentration and removal efficiency

2.3 SO3

濕式電除塵器出口SO3排放濃度及脫除效率如圖8所示。金屬板式濕式電除塵器出口SO3濃度為 0.28～12.00 mg/m3，平均值為 5.14 mg/m3，SO3排放濃度不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為50.0%和95.8%；SO3脫除效率為28.1%～82.8%，平均值為68.7%，SO3脫除效率超過70%的濕式電除塵器占比為50.0%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口S O3濃度為0.2 7～36.29 mg /m3，平均值為 4.52 mg/m3，SO3排放濃度不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為74.1%和94.4%；SO3脫除效率在40.9%～91.8%，平均值為73.3%，SO3脫除效率超過70%的濕式電除塵器占比為66.7%。實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)電玻鋼濕式電除塵器為非連續(xù)噴淋，電源參數(shù)可以升到更高[16,25]，因此，其對SO3脫除率也較金屬板式濕式電除塵器更高一些。但值得注意的是，硫酸溶膠顆粒粒徑非常小，易引起電暈封閉現(xiàn)象[26-27]，反而會(huì)影響其SO3脫除效率和除塵性能，如導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器入口SO3濃度為20 mg/m3時(shí)，SO3脫除率達(dá)90%以上，但入口SO3濃度為100 mg/m3時(shí)，SO3脫除率反而降至65%左右。

圖8 SO3排放濃度及脫除效率Fig. 8 SO3emission concentration and removal efficiency

3 能效數(shù)據(jù)分析

3.1 高壓供電電耗及比電耗

濕式電除塵器高壓供電電耗及比電耗對比如圖9所示。金屬板式濕式電除塵器高壓供電電耗為 81.2～611.0 kW·h /h，平均值為 319.7 kW·h /h；比電耗為 0.68×10–4～3.34×10–4kW·h /m3，平均值為1.55×10–4kW·h /m3。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器高壓供電電耗為 77.1～821.0 kW·h /h，平均值為297.1 kW·h /h；比電耗為 0.74×10–4～3.38×10–4kW·h /m3，平均值為 1.75×10–4kW·h /m3。不同項(xiàng)目的濕式電除塵器高壓供電比電耗差異較大，總體而言，導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器的高壓供電比電耗略高于金屬板式濕電除塵器，是因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行中導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器為非連續(xù)噴淋，電源參數(shù)通常設(shè)置更高。

圖9 高壓供電電耗及比電耗Fig. 9 Power consumption and specific power consumption of high voltage power supply

3.2 顆粒物脫除能耗

濕式電除塵器對單位質(zhì)量顆粒物脫除能耗與入口顆粒物濃度的關(guān)系如圖10所示。金屬板式濕式電除塵器顆粒物脫除能耗為 4.7～24.7 kW·h /kg，平均值為 10.8 kW·h /kg。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器顆粒物脫除能耗為 2.9～37.5 kW·h /kg，平均值為13.3 kW·h /kg。由圖 10 可看出，濕式電除塵器入口顆粒物濃度越高，相應(yīng)的顆粒物脫除能耗就越低，如金屬板式濕式電除塵器入口顆粒物濃度從5 mg/m3增加到 60 mg/m3時(shí)，對應(yīng)的單位質(zhì)量顆粒物脫除能耗從 20 kW·h /kg 左右降至 5 kW·h /kg 左右。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器入口顆粒物濃度從10 mg/m3增加到 40 mg/m3時(shí)，對應(yīng)的單位質(zhì)量顆粒物脫除能耗從 20 kW·h /kg 左右降至 3 kW·h /kg左右。這也與相關(guān)文獻(xiàn)研究規(guī)律一致[28]。

圖10 顆粒物脫除能耗與入口顆粒物濃度的關(guān)系Fig. 10 Relationship between energy consumption and inlet PM concentration

4 結(jié)論

（1）不同型式的濕式電除塵器對顆粒物和PM2.5均具有較高的脫除效率，金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器的除塵效率分別為45.7%～95.0%、56.1%～96.1%，平均值分別為81.6%、81.4%；對P M2.5的脫除效率分別為7 1.2%～9 1.6%、58.3%～93.1%，平均值分別為76.6%、75.8%。濕式電除塵器對顆粒物的脫除效率明顯高于PM2.5，出口顆粒物和PM2.5濃度大部分都低于5 mg/m3和2.5 mg/m3，且出口顆粒物粒徑分布向小粒徑方向遷移，PM2.5/PM占比明顯升高。

（2）絕大部分濕式電除塵器出口霧滴濃度都低于25 mg/m3，金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器對霧滴的脫除效率分別為64.5%～87.7%、43.75%～96.2%，平均值分別為76.1%、75.2%，脫除效率與顆粒物相當(dāng)。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器一般為非連續(xù)噴淋，其出口霧滴濃度較金屬板式普遍會(huì)更低一些。

（3）濕式電除塵器出口SO3濃度絕大部分都低于10 mg /m3，金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器對SO3的脫除效率分別為28.1%～82.8%、40.9%～91.8%，平均值分別為68.7%、73.3%，脫除效率較PM2.5更低一些，主要是因?yàn)榱蛩崛苣z顆粒粒徑更小所致，且高濃度SO3會(huì)引起電暈屏蔽導(dǎo)致脫除效率下降。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器電源參數(shù)可以升到更高，因此對SO3脫除效率也較金屬板式更高一些。

（4）不同項(xiàng)目的濕式電除塵器高壓供電比電耗差異較大，金屬板式和導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器比電耗分別為 0.68×10–4～3.34×10–4kW·h /m3、0.74×10–4～3.38×10–4kW·h /m3，平均值分別為 1.55×10–4、1.75×10–4kW·h /m3。金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器顆粒物脫除能耗分別為4.7～24.7 kW·h/kg、2.9～37.5 kW·h /kg，平均值分別為 10.8、13.3 kW·h /kg。且入口顆粒物濃度越高顆粒物脫除能耗越低，因此，從節(jié)能角度來看，應(yīng)優(yōu)先考慮采用金屬板式濕式電除塵器，且在滿足超低排放的前提下，不應(yīng)盲目追求極低的顆粒物排放。