多種負荷工況下濕式電除塵器的PM2.5脫除效率及排放特征

摘要： 在燃煤發電機組帶100%、75%、50%負荷，每種負荷下濕式電除塵器（wesp）以高功率和節能優化2種模式運行共6種工況下，使用elpi+測試濕式電除塵器入口和出口煙塵的質量濃度和排放特征。實驗結果表明，在高負荷下，濕式電除塵器采用節能模式會導致總煙塵、pm10、pm2.5濃度均顯著升高，甚至排放質量濃度超過5 mg/m3；而在中低負荷下，濕式電除塵器采用節能模式會導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濃度變化對總排放的影響較小，除塵系統節能優化試驗可為機組實現超低排放下的優化運行提供有力支持；濕式電除塵器入口和出口飛灰顆粒質量呈現出典型的雙模態分布；濕式電除塵器以高功率運行時，2~10 μm的顆粒僅占pm10質量的30%左右，濕式電除塵器以節能模式運行時，2~10 μm的顆?？烧嫉絧m10質量的50%以上。

0 引言

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

當前煤電機組多承擔深度調峰任務，普遍無法長期保持100% 負荷運行，今后中低負荷運行或成常態化。在機組帶中低負荷運行時，各環保設備也應進行調整，從而在確保排放達標的前提下實現節能降耗、優化運行的目標[10-11]。濕式電除塵器是燃煤電廠環保系統中去除pm2.5細顆粒物的關鍵一環，目前缺少對中低負荷下濕式電除塵器運行方式和細顆粒物去除效果的相關研究。

因此，有必要對多種負荷與電場參數下濕式電除塵器對細顆粒物的去除能力進行實驗研究。本文對多種負荷多工況下濕式電除塵器對pm2.5 的脫除效率及排放特征進行了實驗研究，研究結論有助于燃煤電廠在保證排放達標的前提下實現運行優化。

如未特殊說明，文中煙塵排放濃度均指標準狀態、干煙氣、氧濃度為6% 時的質量濃度。

1 實驗內容

1.1 實驗儀器

實驗使用靜電低壓撞擊器elpi+進行采樣與測試。elpi+以低壓荷電撞擊原理[12] 測量顆粒物的粒徑分布，測量精度高，反應時間短，可實現直徑為6 nm~10 μm（均為空氣動力學直徑）的細顆粒物變化濃度的在線監測。elpi+設備由采樣槍、干燥管、稀釋器、預切割器、荷電器、分級采樣裝置和在線分析系統構成。

實驗對象為濕式電除塵器，其入口和出口煙氣溫度約為50 ℃，濕度為當前氣壓下的飽和濕度并有水滴存在。elpi+設備內部的電子元件要求煙氣樣本干燥，且溫度不高于60 ℃。測試高溫煙氣時應使用稀釋器，測試高濕度煙氣時應使用干燥管。有研究表明，相較于不使用稀釋器，使用稀釋器時elpi+會高估直徑3~7 μm 間顆粒的數濃度，而低估其他直徑顆粒的數濃度[13]。為保證結果的準確性，實驗中僅使用干燥管而不使用稀釋器[14]。實驗結果中的顆粒物均指干煙塵，不包含水滴。

1.2 實驗對象與測點布置

實驗機組為某660 mw 超超臨界燃煤機組，配備雙室四電場電除塵器、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結構，采用不銹鋼金屬極板，在出口位置前方設有不銹鋼材質的除霧裝置。

濕式電除塵器入口和出口煙道均包含喇叭狀擴張段。入口煙道測點位于擴張段前的直煙道上，出口煙道測點位于擴張段后水平煙箱前的直煙道上。測點均按國家標準布置，以保證能遍歷流場斷面且各測點均具有代表性[15]。

1.3 實驗工況

實驗應選取具有代表性的工況，從而能覆蓋燃煤電廠常見運行負荷。該負荷下電除塵器、脫硫、脫硝等環保設備的運行參數應符合實際狀況。因此，選取機組運行中常帶的典型負荷，即100%，75% 和50% 負荷，濕式電除塵器高壓段分別采用高功率和節能優化2 種模式、共6 種工況進行實驗。濕式電除塵器的節能優化運行模式由現場優化試驗結合設備運行特征確定。入爐煤煤質等指標維持不變，使相同負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參照一般情況下中低負荷機組的運行狀況來設定參數。在100% 負荷時，電除塵器以高功率模式運行，吸收塔3 臺循環泵全部投運。在75% 和50% 負荷時，電除塵器以節能模式運行，吸收塔2 臺循環泵投運。電除塵器和吸收塔運行參數的減少會導致除塵效率下降，全粒徑煙塵排放濃度均有所上升，但其影響主要體現在粒徑大于10 μm 的顆粒上，對細顆粒物影響較小。

2 結果與討論

2.1 細顆粒物去除效率對比

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）質量濃度及脫除效率見表3 和圖1。

實驗結果表明，首先，濕式電除塵器高壓部分功率降低會對全粒徑范圍內煙塵的脫除效率和排放濃度產生不利影響。在100% 負荷下，功率的降低導致了總煙塵、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% 負荷下，功率的降低導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 變為2.03 mg/m3， 減少了4.2%。在50% 負荷下， 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%。這一結果與電除塵理論一致，即對粒徑大于0.1 μm 的顆粒而言，其粒徑越小則越難荷電[16-17]，驅進速度越小[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律。中低負荷下，濕式電除塵器入口煙塵濃度低，荷電與遷移過程更加緩慢，導致高壓部分功率的提升對pm10 和pm2.5 脫除效率的提升依次降低。中低負荷下降低pm10 和pm2.5 的排放濃度會比降低總煙塵濃度產生更多的廠用電消耗。

其次，在排放濃度方面，機組處于75% 負荷時，總煙塵排放在濕式電除塵器處于高功率模式運行時達到了＜5 mg/m3 的標準，在濕式電除塵器處于節能優化模式運行時未能達到標準，但僅超出了0.05 mg/m3。而在50% 負荷時，無論濕式電除塵器處于何種運行方式， 總煙塵排放均可達標。這意味著在保證實現超低排放的前提下，中低負荷下除塵設備有一定的節能空間。該結果可為中低負荷下環保設備的節能優化運行提供參考。工況3~6 的實驗結果表明，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，而微細顆粒的脫除效率變化不大?，F役機組配備的一般環保設備，如電除塵器、濕法脫硫裝置等在去除pm10+方面均可發揮作用。為實現在排放達標的前提下盡量節能的目的，應配合節能優化實驗確定濕式電除塵器運行參數[ 1 0 ]， 進而得到詳細的運行方案。在機組帶中低負荷運行時，以現場試驗獲得可靠的實際煙塵排放濃度，再通過調節各環保設備的運行參數來使排放達標，無須特別關心細顆粒物的影響。

2.2 不同工況下濕式電除塵器細顆粒物的粒徑分布和排放特征

elpi+設備將10 μm 以下的飛灰按粒徑大小分為14 級，分別記錄每級的質量濃度。工況1 和工況2 下濕式電除塵器入口出口各粒徑區間煙塵顆粒的量濃度如圖2 所示。工況1 下，各級顆粒的脫除效率為42.4%~84.8%。工況2 下，各級顆粒的脫除效率為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間煙塵顆粒的質量濃度如圖3 所示。工況3下，各級顆粒的脫除效率為46.3%~85.6%。工況4下，各級顆粒的脫除效率為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間煙塵顆粒的質量濃度如圖4 所示。工況5下，各級顆粒的脫除效率為50.0%~89.5%。工況6下，各級顆粒的脫除效率為43.6%~81.1%。

實驗結果表明，100% 負荷下濕式電除塵器入口出口的煙塵顆粒的質量分布遵循如下規律：粒徑小于0.5 μm 時，顆粒質量濃度隨粒徑增大而增加；在0.5 μm 附近增長速度顯著放緩；0.5~2.5 μm區間內顆粒質量濃度再次隨粒徑增大而增加；大于2.5 μm 時則隨粒徑增大而減小。這意味著不同粒徑煙塵顆粒的質量呈現出典型的雙模態分布[19-20]，即由2 個對數正態分布疊加而成。75% 和50% 負荷時，因飛灰總量的減少，各級的質量濃度均有降低，但整體分布趨勢不變。

6 種工況下的實驗結果有以下共同點。（1）大顆粒仍是煙塵質量濃度的主要組成部分，0.7 μm以上的飛灰占據了全部pm10 質量濃度的95% 以上。（2）對直徑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 上表現為出口質量濃度曲線比入口質量濃度曲線以更陡的趨勢下降。而對2 μm 以下的顆粒而言，其脫除效率和粒徑大小基本無關，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。因該區間的顆粒荷電遷移速度最低。

對比相同機組負荷、不同除塵功率下的結果可以發現，減小濕式電除塵器的除塵功率不但導致全粒徑范圍的除塵效率降低，還導致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2 μm 以上大顆粒的捕集效果遠超小顆粒，且在10 μm 以內的區間內，顆粒越大捕集效果越好。機組總除塵效率較高，即濕式電除塵器以高功率運行時，2~10 μm 的顆粒僅占pm10 質量的30% 左右。而機組總除塵效率較低， 即濕式電除塵器以節能模式運行時，2~10 μm 的顆?？烧嫉絧m10 質量的50% 以上。

3 結論

使用elpi+對多種負荷下濕式電除塵器進行實驗，得到以下結論：中低負荷下，濕式電除塵器采用節能模式會導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量呈現出典型的雙模態分布； 節能模式時2~10 μm 的顆?？烧嫉絧m10 質量的50% 以上。