以煤炭为主的能源消费结构造成的环境问题日益突显, 其中颗粒物排放导致的环境污染问题尤为严重, PM_2.5造成的雾霾天气频发引起了社会的广泛关注^[1-2]。我国燃煤机组容量占发电装机总容量的70%以上, 并且煤灰颗粒物富含汞、砷等重金属元素, 对人体的危害极大。干式电除尘无法有效解决对PM_2.5的脱除, 因此研究燃煤电厂可吸入颗粒物的减排已经迫在眉睫。

湿式静电除尘器(Wet Electrostatic Precipitator, WESP)对微细的、黏性的或高比电阻的粉尘及烟气中气溶胶、硫酸雾、重金属、二恶英等污染物的脱除效果显著, 并且可以有效解决因湿法脱硫而产生的“石膏雨”, 取消烟气再热器, 成为燃煤电厂污染物排放的终端精处理设备。目前大多数燃煤电厂采用湿法脱硫系统(Wet Flue Gas Desulfurization, WFGD)技术, 为WESP的应用创造了有利条件。对湿式静电除尘技术的研究, 可以为燃煤电厂提供一个脱除PM_2.5等可吸入颗粒物的前瞻性可靠技术^[3]。我国燃煤电厂机组装机容量大, 需要处理的烟气量大, 而普通的WESP烟气流速一般在1 m/s左右, 只能用于小型工业锅炉, 因此开发高烟气流速的WESP具有重要的现实意义。

WESP的工作原理是:用喷嘴将水雾化后喷向放电极和电晕区, 水的比电阻相对较小, 雾滴在电晕区与粉尘结合后, 降低了粉尘的比电阻, 在直流高压的作用下雾滴荷电分裂并进一步雾化。电场力、荷电雾滴通过碰撞拦截与吸附凝并来捕集粉尘, 粉尘在电场力的驱动下到达集尘极表面, 喷在集尘极表面的水雾形成连续的水膜, 流动的水将捕获的粉尘冲刷到灰斗中排出。

目前WESP的布置形式主要有以下3种:垂直烟气流独立布置式; 水平烟气流独立布置式; 垂直烟气流与WFGD系统整体布置式。第3种布置方式因占地面积小、系统阻力小、结构简单、易于回收冲洗水等显著优点在工程上应用较广。新型WESP的设计结合前人经验, 采取与WFGD结合的整体式布置结构。下部的WFGD系统使用3层脱硫喷淋, 每层3个雾化喷嘴。上部是电极长度为9 m的WESP, 用以确保烟气流速在4 m/s的情况下停留时间可以达到2 s以上。集尘极为六面体蜂窝结构, 极间距分别为250 mm, 300 mm, 350 mm。具体结构如图 1所示。

WESP烟气进口处设有两级气体分布器, 目的是降低烟气流速, 且使烟气分布更加均匀, 以提高湿式电除尘器的效率。电源设计可以从以下5个方面加以考虑。

(1) 采用可调式电晕线吊架结构, 保证每根电晕线在极管正中心, 误差控制在3 mm范围内。

(2) 选择阴极线的一般要求为起晕电压低、电晕电流大、机械强度高、耐腐蚀、易清灰等。圆杆线结构简单、工作电压区间大、放电均匀, 是实验室常用电极。为此, 本实验选择φ3耐酸不锈钢材质316L圆杆线作为阴极线使用线型。

(3) 改进了电极丝的连接方式, 防止电极丝连接处放电击断。

(4) 使用国内独有的电压等级为120 kV高压绝缘瓷瓶.

(5) 喷嘴采用特殊雾化喷嘴, 材质为316L不锈钢。

由于WESP长期在酸性气体中工作, 其内部蜂窝极板、极线构件全部采用316L耐酸不锈钢, 外部壳体使用304不锈钢。为了实验需要, 在其内部设置了3个除尘筒。除尘筒均为正六边形, 间距规格分别为250 mm, 300 mm, 350 mm。

为了探索高烟气流速下WESP对脱硫后细颗粒物的脱除效果, 实验工艺路线与实验方案都紧密围绕细颗粒物的发生与脱除而展开。实验烟气流程如图 2所示。

为了使实验更贴近工程实际, 本次实验使用1 t蒸汽链条炉来产生燃煤烟气, 并且实验烟气位于旋风除尘器之后, 进入脱硫塔的颗粒物的量与电厂相似。

目前国内普遍的固定源颗粒物采样使用称重法, 即使用玻璃纤维滤筒抽取一定量的烟气后, 烘干称重得到增重量, 计算出颗粒物的浓度。但是玻璃纤维滤筒不适用于湿式电除尘的烟尘采样, 这是因为经过WESP后烟气携带的水含量高, 打湿滤筒后增加滤筒的阻力。此时为了达到等速采样, 泵的抽力增大, 容易使滤筒破裂。此外, WESP出口的颗粒物绝大部分是细颗粒物, 而滤筒对细颗粒物的拦截效果并不明显。

为了精确测量WESP对细颗粒物的脱除效果, 使用目前国际上先进的PM_2.5测试设备。静电低压撞击器(Electrical Low Pressure Impactor, ELPI)是芬兰Dekati公司开发的基于静电低压撞击器原理的颗粒物浓度测量仪器, 可在线测量固定源细颗粒浓度和粒径分布, 如图 3所示。

其测量原理是:含有细颗粒的采样烟气首先进入单极电晕充电室进行充电, 带电的颗粒物被气流运送到装有绝缘收集层的低压冲击器上, 精密电子测量计对进入每个层面的带电颗粒物的电流进行实时电量测量, 测量后将电流信号转化为(空气动力学上的)颗粒物的质量浓度。

在每一级撞击器上, 由于带电颗粒连续沉积所产生的电流由一个多通道静电计测得, 因此电流与颗粒数的浓度关系^[4]为

$ N=\frac{I}{\operatorname{Pne} Q} $

(1)

式中:N——颗粒数量浓度;

I——校正电流;

P——颗粒通过电晕的比率;

n——颗粒的基本电荷数;

e——基本电荷电量;

Q——细颗粒物流量。

首先, 将实验使用的除尘筒打开, 另外两个除尘筒密封。开启支路引风机吹扫烟道30 min, 确保实验不会受到烟道内的浮灰以及铁锈的影响。然后集尘极板喷淋水开启, 在WESP工作之前确保集尘板面的湿润与清洁。同时点燃煤渣, 待燃烧稳定后打开支路阀门, WESP进出口装有数显热电偶, 等热电偶的温度示数值稳定后即可视作实验工况稳定。

实验开始前使用辅助测量仪器测量WESP进出口处的烟温、烟速、压力和湿度等参数, 然后通过变频器调节引风机频率, 以调节WESP内的烟气流速, 使之符合实验要求。

GB/T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》中规定了烟道、烟囱等固定污染源排放的颗粒物的测量方法, 但是并没有针对细颗粒物如PM_2.5的采样制定具体的方法。本文使用ELPI对细颗粒物进行等速采样, 其采样系统如图 4所示。

ELPI测量粒径范围为0.006~8.87 μm。将ELPI与稀释采样法联用来监测实验中PM_2.5的浓度。实验中, 启动真空泵, 烟气依次进入取样枪、旋风切割器, 脱除粒径大于10 μm的颗粒, 然后与经过净化的高温稀释气混合(可按实际情况采用一级或两级稀释, 一级稀释比例约8.18:1)后进入ELPI测试系统, 不同粒径的颗粒被收集在不同级上, 在计算机上反映出实时颗粒物的质量浓度, 这里只测量PM_2.5的浓度。采样时将烟气加热到120 ℃以上保证测量结果不含液滴。

采样时, 先关闭WESP, 在出口点测量未加电压时的颗粒物浓度, 然后根据实验要求加电压并测量。除尘效率记为η, 未加电压的WESP出口烟气浓度记为C₀(mg/m³), 某工况加电压下的WESP出口记为C_n(mg/m³, n=1, 2, 3, …), 则该工况下WESP的除尘效率为

$ \eta=\frac{C_{0}-C_{n}}{C_{0}} \times 100 \% $

(2)

本实验主要探究极间距、风速、电压对细颗粒物脱除的影响。设风速分别为2 m/s, 3 m/s, 4 m/s, 电压分别为30 kV, 40 kV, 50 kV, 60 kV。由于颗粒物取样并非以瞬时取值为准, 需要多次测量取平均值, 且每个极间距下需要测量12个工况, 3个实验极间距下共需测量36个工况, 每个工况又需要多次测量取平均值, 因此测取的数据量极大, 在此不一一列举。不同极间距下PM_2.5除尘效率与风速和电压的关系如图 5所示。

从图 5可以看出, 同一风速下, 同一极间距内除尘效率均随着电压的升高而增大, 随着风速的增大而下降。这是由于电压升高增大了荷电场强, 而风速增大使烟气在WESP内的停留时间变短, 这些数据及其趋势与干式静电除尘器相同, 但是干式静电除尘出口处逃逸的都是PM₁₀以下粒径的粉尘, 对细颗粒物难以脱除, 而WESP对PM_2.5有着极高的脱除效率。

图 6为WESP在4 m/s风速下3个极间距内PM_2.5随电压变化时的脱除效率。

从图 6可以看出, 极间距越大, 同电压下PM_2.5脱除效率越低。这是由于极间距变大, 场强下降导致除尘效率下降。

图 6中, 60 kV处250 mm极间距的除尘效率低于300 mm极间距的除尘效率, 这是由于在60 kV处, 250 mm极间距的场强达到2.4 kV/cm, 处于临界击穿电压状态, 效率有所下降。由于60 kV电压下PM_2.5脱除效率更高, 且高烟速下的除尘效果是本实验的目的, 故将该电压下4 m/s烟速下测得的相关数据进行比较。WESP塔内4 m/s烟速下PM_2.5测量数据如表 1所示。

由表 1可知, WESP对细颗粒物有着显著的脱除效率, 并且在高烟气流速下对PM_2.5也能达到85%以上的脱除效率。通过综合比较可知, 在60 kV电压下300 mm极间距的除尘效果显著, 适合用作大型WESP的单元除尘筒。

以600 MW机组为例, 假设其1 kWh耗煤为340 g/kWh, 该发电厂的发电煤耗为204 t/h。以燃用我国平顶山动力煤^[5]为例进行推算。其成分如表 2所示。

电站锅炉标准燃煤需用的理论空气量V⁰(m³/kg)计算公式^[6]为

$ \begin{aligned} V^{0}=& 0.0889 C_{\mathrm{ar}}+0.265\left(\frac{H_{\mathrm{ar}}-O_{\mathrm{ar}}}{8}\right)+\\ & 0.0333 S_{\mathrm{ar}} \end{aligned} $

(3)

取过量空气系数为1.2, 计算得该发电厂产生的烟气量为1 855 715.64 Nm³/h。以300 mm极间距的除尘筒作为WESP的除尘单元, 则需要1 654个除尘单元。假设每个单元无缝连接, 每个单元六边形面积为0.078 m², 占地面积为130 m²。由于这一设备是除尘脱硫一体化设备, 因此安装上WESP后, 将电厂的WFGD系统合二为一, 可以节省设备的占地面积。假设脱硫后烟气中PM_2.5的含量为15 mg/Nm³, 除尘效率取90%, 则每天减排PM_2.5的质量可达到600 kg以上。

本文设计了一种新型脱硫除尘一体式WESP设备, 可以在高烟气流速下对烟气中的颗粒物进行高效静电除尘。

(1) 实验证明, WESP对PM_2.5有着显著的脱除效果, 并且在烟气流速达到4 m/s时PM_2.5的脱除效率最高可达85%以上。

(2) 对于250 mm, 300 mm, 350 mm极间距的除尘单元, 从除尘效果、处理烟气量以及电耗等方面进行综合考虑, 以300 mm的六边形蜂窝、60 kV的电压为最佳WESP使用条件。

(3) 采用国际上先进的静电低压撞击器测量WESP的进出口烟尘含量, 但该仪器造价昂贵, 测量系统复杂, 并不适宜普遍推广, 因此开发廉价、简单的污染源颗粒物测量仪器对颗粒物的节能减排意义重大。

(4) 目前国内尚无固定污染源颗粒物PM_2.5的测量标准与规范, 我国可吸入颗粒物的减排依然有很多需要规范的问题; WESP在高速情况下偶尔会有极丝的晃动, 引起火花放电, 因此高速湿式静电除尘器还有待改进与完善。