摘要： 在燃煤發(fā)電機(jī)組帶100%、75%、50%負(fù)荷，每種負(fù)荷下濕式電除塵器（wesp）以高功率和節(jié)能優(yōu)化2種模式運(yùn)行共6種工況下，使用elpi+測(cè)試濕式電除塵器入口和出口煙塵的質(zhì)量濃度和排放特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高負(fù)荷下，濕式電除塵器采用節(jié)能模式會(huì)導(dǎo)致總煙塵、pm10、pm2.5濃度均顯著升高，甚至排放質(zhì)量濃度超過5 mg/m3；而在中低負(fù)荷下，濕式電除塵器采用節(jié)能模式會(huì)導(dǎo)致總煙塵排放濃度顯著升高，但pm10、pm2.5濃度則變化不顯著，且粒徑越小變化越??；pm10、pm2.5濃度變化對(duì)總排放的影響較小，除塵系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化試驗(yàn)可為機(jī)組實(shí)現(xiàn)超低排放下的優(yōu)化運(yùn)行提供有力支持；濕式電除塵器入口和出口飛灰顆粒質(zhì)量呈現(xiàn)出典型的雙模態(tài)分布；濕式電除塵器以高功率運(yùn)行時(shí)，2~10 μm的顆粒僅占pm10質(zhì)量的30%左右，濕式電除塵器以節(jié)能模式運(yùn)行時(shí)，2~10 μm的顆粒可占到pm10質(zhì)量的50%以上。

0 引言

濕式電除塵器（wesp）作為燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放的主要設(shè)備之一[1-3]，已在中國(guó)燃煤電廠得到廣泛應(yīng)用[4]。在控制煙塵排放及去除pm2.5 細(xì)顆粒物方面，該技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì)[5-6]。有研究表明，濕式電除塵器可有效增強(qiáng)煙塵顆粒間的團(tuán)聚作用，從而有效去除干式電除塵器難以去除的細(xì)顆粒物，其除塵效率可達(dá)85% 以上，最終煙塵排放質(zhì)量濃度可低于3 mg/m3[7]。在增強(qiáng)pm2.5 細(xì)顆粒物脫除方面，濕式電除塵技術(shù)仍是主要的研究方向[8-9]。

當(dāng)前煤電機(jī)組多承擔(dān)深度調(diào)峰任務(wù)，普遍無法長(zhǎng)期保持100% 負(fù)荷運(yùn)行，今后中低負(fù)荷運(yùn)行或成常態(tài)化。在機(jī)組帶中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，各環(huán)保設(shè)備也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，從而在確保排放達(dá)標(biāo)的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)[10-11]。濕式電除塵器是燃煤電廠環(huán)保系統(tǒng)中去除pm2.5細(xì)顆粒物的關(guān)鍵一環(huán)，目前缺少對(duì)中低負(fù)荷下濕式電除塵器運(yùn)行方式和細(xì)顆粒物去除效果的相關(guān)研究。

因此，有必要對(duì)多種負(fù)荷與電場(chǎng)參數(shù)下濕式電除塵器對(duì)細(xì)顆粒物的去除能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。本文對(duì)多種負(fù)荷多工況下濕式電除塵器對(duì)pm2.5 的脫除效率及排放特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)論有助于燃煤電廠在保證排放達(dá)標(biāo)的前提下實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化。

如未特殊說明，文中煙塵排放濃度均指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、干煙氣、氧濃度為6% 時(shí)的質(zhì)量濃度。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)使用靜電低壓撞擊器elpi+進(jìn)行采樣與測(cè)試。elpi+以低壓荷電撞擊原理[12] 測(cè)量顆粒物的粒徑分布，測(cè)量精度高，反應(yīng)時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)直徑為6 nm~10 μm（均為空氣動(dòng)力學(xué)直徑）的細(xì)顆粒物變化濃度的在線監(jiān)測(cè)。elpi+設(shè)備由采樣槍、干燥管、稀釋器、預(yù)切割器、荷電器、分級(jí)采樣裝置和在線分析系統(tǒng)構(gòu)成。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為濕式電除塵器，其入口和出口煙氣溫度約為50 ℃，濕度為當(dāng)前氣壓下的飽和濕度并有水滴存在。elpi+設(shè)備內(nèi)部的電子元件要求煙氣樣本干燥，且溫度不高于60 ℃。測(cè)試高溫?zé)煔鈺r(shí)應(yīng)使用稀釋器，測(cè)試高濕度煙氣時(shí)應(yīng)使用干燥管。有研究表明，相較于不使用稀釋器，使用稀釋器時(shí)elpi+會(huì)高估直徑3~7 μm 間顆粒的數(shù)濃度，而低估其他直徑顆粒的數(shù)濃度[13]。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中僅使用干燥管而不使用稀釋器[14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的顆粒物均指干煙塵，不包含水滴。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)機(jī)組為某660 mw 超超臨界燃煤機(jī)組，配備雙室四電場(chǎng)電除塵器、濕法脫硫裝置和濕式電除塵器。其濕式電除塵器為四室兩電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼金屬極板，在出口位置前方設(shè)有不銹鋼材質(zhì)的除霧裝置。

濕式電除塵器入口和出口煙道均包含喇叭狀擴(kuò)張段。入口煙道測(cè)點(diǎn)位于擴(kuò)張段前的直煙道上，出口煙道測(cè)點(diǎn)位于擴(kuò)張段后水平煙箱前的直煙道上。測(cè)點(diǎn)均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)布置，以保證能遍歷流場(chǎng)斷面且各測(cè)點(diǎn)均具有代表性[15]。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)應(yīng)選取具有代表性的工況，從而能覆蓋燃煤電廠常見運(yùn)行負(fù)荷。該負(fù)荷下電除塵器、脫硫、脫硝等環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)應(yīng)符合實(shí)際狀況。因此，選取機(jī)組運(yùn)行中常帶的典型負(fù)荷，即100%，75% 和50% 負(fù)荷，濕式電除塵器高壓段分別采用高功率和節(jié)能優(yōu)化2 種模式、共6 種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。濕式電除塵器的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行模式由現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)合設(shè)備運(yùn)行特征確定。入爐煤煤質(zhì)等指標(biāo)維持不變，使相同負(fù)荷下電除塵器入口煙塵濃度、處理煙氣量及煙溫在同一水平，以排除干擾。

電除塵器和脫硫系統(tǒng)參照一般情況下中低負(fù)荷機(jī)組的運(yùn)行狀況來設(shè)定參數(shù)。在100% 負(fù)荷時(shí)，電除塵器以高功率模式運(yùn)行，吸收塔3 臺(tái)循環(huán)泵全部投運(yùn)。在75% 和50% 負(fù)荷時(shí)，電除塵器以節(jié)能模式運(yùn)行，吸收塔2 臺(tái)循環(huán)泵投運(yùn)。電除塵器和吸收塔運(yùn)行參數(shù)的減少會(huì)導(dǎo)致除塵效率下降，全粒徑煙塵排放濃度均有所上升，但其影響主要體現(xiàn)在粒徑大于10 μm 的顆粒上，對(duì)細(xì)顆粒物影響較小。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)顆粒物去除效率對(duì)比

6 種工況下，濕式電除塵器的電耗、入口和出口pm2.5、pm10 和總煙塵（tp）質(zhì)量濃度及脫除效率見表3 和圖1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，首先，濕式電除塵器高壓部分功率降低會(huì)對(duì)全粒徑范圍內(nèi)煙塵的脫除效率和排放濃度產(chǎn)生不利影響。在100% 負(fù)荷下，功率的降低導(dǎo)致了總煙塵、pm10、pm2.5 的排放明顯升高。其中濕式電除塵器出口總煙塵濃度由4.17 mg/m3增至6.75 mg/m3， 增加了61.9%； pm10 濃度由4 . 0 6 m g / m 3 增至5 . 3 2 m g / m 3， 增加了3 1 . 0 %；pm2.5 濃度由2.72 mg/m3 增至3.39 mg/m3，增加了24.6%。而在75% 和50% 負(fù)荷下，功率的降低導(dǎo)致了總煙塵排放濃度明顯升高，pm10 變化幅度次之，而pm2.5 則變化不明顯。在75% 負(fù)荷下，濕式電除塵器出口總煙塵濃度由3.41 mg/m3 增至5.05 mg/m3，增加了48.1%；pm10 濃度由3.12 mg/m3增至3.50 mg/m3， 增加了12.2%； pm2.5 濃度由2.12 mg/m3 變?yōu)?.03 mg/m3， 減少了4.2%。在50% 負(fù)荷下， 濕式電除塵器出口總煙塵濃度由2 . 5 4 m g / m 3 增至3 . 7 8 m g / m 3， 增加了4 8 . 8 %；pm10 濃度由2.29 mg/m3 增至2.57 mg/m3，增加了12.2%；pm2.5 濃度由1.49 mg/m3 增至1.64 mg/m3，增加了10.1%。這一結(jié)果與電除塵理論一致，即對(duì)粒徑大于0.1 μm 的顆粒而言，其粒徑越小則越難荷電[16-17]，驅(qū)進(jìn)速度越小[18]，越難以被電除塵裝置收集。濕式電除塵器仍然遵循這一規(guī)律。中低負(fù)荷下，濕式電除塵器入口煙塵濃度低，荷電與遷移過程更加緩慢，導(dǎo)致高壓部分功率的提升對(duì)pm10 和pm2.5 脫除效率的提升依次降低。中低負(fù)荷下降低pm10 和pm2.5 的排放濃度會(huì)比降低總煙塵濃度產(chǎn)生更多的廠用電消耗。

其次，在排放濃度方面，機(jī)組處于75% 負(fù)荷時(shí)，總煙塵排放在濕式電除塵器處于高功率模式運(yùn)行時(shí)達(dá)到了＜5 mg/m3 的標(biāo)準(zhǔn)，在濕式電除塵器處于節(jié)能優(yōu)化模式運(yùn)行時(shí)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但僅超出了0.05 mg/m3。而在50% 負(fù)荷時(shí)，無論濕式電除塵器處于何種運(yùn)行方式， 總煙塵排放均可達(dá)標(biāo)。這意味著在保證實(shí)現(xiàn)超低排放的前提下，中低負(fù)荷下除塵設(shè)備有一定的節(jié)能空間。該結(jié)果可為中低負(fù)荷下環(huán)保設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提供參考。工況3~6 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濕式電除塵器高壓功率的提高， 粒徑超過10 μm 的大顆粒（pm10+）脫除效率顯著提升，而微細(xì)顆粒的脫除效率變化不大。現(xiàn)役機(jī)組配備的一般環(huán)保設(shè)備，如電除塵器、濕法脫硫裝置等在去除pm10+方面均可發(fā)揮作用。為實(shí)現(xiàn)在排放達(dá)標(biāo)的前提下盡量節(jié)能的目的，應(yīng)配合節(jié)能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確定濕式電除塵器運(yùn)行參數(shù)[ 1 0 ]， 進(jìn)而得到詳細(xì)的運(yùn)行方案。在機(jī)組帶中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得可靠的實(shí)際煙塵排放濃度，再通過調(diào)節(jié)各環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)來使排放達(dá)標(biāo)，無須特別關(guān)心細(xì)顆粒物的影響。

2.2 不同工況下濕式電除塵器細(xì)顆粒物的粒徑分布和排放特征

elpi+設(shè)備將10 μm 以下的飛灰按粒徑大小分為14 級(jí)，分別記錄每級(jí)的質(zhì)量濃度。工況1 和工況2 下濕式電除塵器入口出口各粒徑區(qū)間煙塵顆粒的量濃度如圖2 所示。工況1 下，各級(jí)顆粒的脫除效率為42.4%~84.8%。工況2 下，各級(jí)顆粒的脫除效率為39.4%~71.9%。

工況3 和工況4 下濕式電除塵器入口出口各粒徑區(qū)間煙塵顆粒的質(zhì)量濃度如圖3 所示。工況3下，各級(jí)顆粒的脫除效率為46.3%~85.6%。工況4下，各級(jí)顆粒的脫除效率為44.2%~76.7%。

工況5 和工況6 下濕式電除塵器入口出口各粒徑區(qū)間煙塵顆粒的質(zhì)量濃度如圖4 所示。工況5下，各級(jí)顆粒的脫除效率為50.0%~89.5%。工況6下，各級(jí)顆粒的脫除效率為43.6%~81.1%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，100% 負(fù)荷下濕式電除塵器入口出口的煙塵顆粒的質(zhì)量分布遵循如下規(guī)律：粒徑小于0.5 μm 時(shí)，顆粒質(zhì)量濃度隨粒徑增大而增加；在0.5 μm 附近增長(zhǎng)速度顯著放緩；0.5~2.5 μm區(qū)間內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度再次隨粒徑增大而增加；大于2.5 μm 時(shí)則隨粒徑增大而減小。這意味著不同粒徑煙塵顆粒的質(zhì)量呈現(xiàn)出典型的雙模態(tài)分布[19-20]，即由2 個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布疊加而成。75% 和50% 負(fù)荷時(shí)，因飛灰總量的減少，各級(jí)的質(zhì)量濃度均有降低，但整體分布趨勢(shì)不變。

6 種工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有以下共同點(diǎn)。（1）大顆粒仍是煙塵質(zhì)量濃度的主要組成部分，0.7 μm以上的飛灰占據(jù)了全部pm10 質(zhì)量濃度的95% 以上。（2）對(duì)直徑2.5 μm 以上的顆粒而言，濕式電除塵器的脫除效果隨粒徑增大而顯著提升，在圖2~4 上表現(xiàn)為出口質(zhì)量濃度曲線比入口質(zhì)量濃度曲線以更陡的趨勢(shì)下降。而對(duì)2 μm 以下的顆粒而言，其脫除效率和粒徑大小基本無關(guān)，且脫除效率普遍不高。（3）濕式電除塵器脫除效率最低的通常是1 μm 左右的顆粒。因該區(qū)間的顆粒荷電遷移速度最低。

對(duì)比相同機(jī)組負(fù)荷、不同除塵功率下的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，減小濕式電除塵器的除塵功率不但導(dǎo)致全粒徑范圍的除塵效率降低，還導(dǎo)致2 μm 以上大顆粒的除塵效率的下降，且粒徑越大影響越顯著。這說明濕式電除塵器對(duì)2 μm 以上大顆粒的捕集效果遠(yuǎn)超小顆粒，且在10 μm 以內(nèi)的區(qū)間內(nèi)，顆粒越大捕集效果越好。機(jī)組總除塵效率較高，即濕式電除塵器以高功率運(yùn)行時(shí)，2~10 μm 的顆粒僅占pm10 質(zhì)量的30% 左右。而機(jī)組總除塵效率較低， 即濕式電除塵器以節(jié)能模式運(yùn)行時(shí)，2~10 μm 的顆?？烧嫉絧m10 質(zhì)量的50% 以上。

3 結(jié)論

使用elpi+對(duì)多種負(fù)荷下濕式電除塵器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：中低負(fù)荷下，濕式電除塵器采用節(jié)能模式會(huì)導(dǎo)致總煙塵排放濃度顯著升高，但pm10 以下的顆粒濃度變化不顯著；濕式電除塵器入口和出口飛灰顆粒質(zhì)量呈現(xiàn)出典型的雙模態(tài)分布； 節(jié)能模式時(shí)2~10 μm 的顆?？烧嫉絧m10 質(zhì)量的50% 以上。