燃煤電廠PM2.5捕集增效技術的研究及應用

酈建國，孫惟東，梁丁宏，余順利，郭 峰，劉含笑

（1.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 11800；2.上海電力股份有限公司，上海 200010）

燃煤電廠PM2.5捕集增效技術的研究及應用

酈建國1，孫惟東2，梁丁宏1，余順利1，郭 峰1，劉含笑1

（1.浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 11800；2.上海電力股份有限公司，上海 200010）

介紹了一種燃煤電廠PM2.5捕集增效技術—煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置的結構組成和工作原理，研究了雙極荷電對粉塵凝并的影響及擾流柱的產渦效果，在中試平臺上測試了熱態模擬煙氣條件下該裝置的增效結果。該技術在300MW機組工程上應用的測試結果為：電除塵器出口PM2.5下降30%，煙塵總質量濃度下降20%。

細顆粒物（PM2.5）；微顆粒捕集增效技術；雙極荷電；流動凝并；燃煤電廠；電除塵器

引言

近年來，中國大中城市霧霾天氣頻發。大氣細顆粒物（PM2.5）含量過高是導致霧霾天氣的主要原因，而燃煤電廠又是PM2.5主要污染源之一。目前，火電廠除塵設備90%以上為電除塵器，而由于PM2.5荷電相對較弱，電除塵器對PM2.5的去除率較低。據統計，火電行業產生的PM2.5約占全社會排放總量的10%，是PM2.5重要排放源之一，且燃煤產生的PM2.5通常富集As、Se、Pb、Cr等各種重金屬以及PAHs、VOCs等有機污染物，危害極大[1]。因此，開發一種PM2.5捕集增效技術，加強火電行業PM2.5排放控制至關重要。

本文介紹了一種燃煤電廠PM2.5捕集增效技術——煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置的結構組成和工作原理，研究了雙極荷電對粉塵凝并的影響及擾流柱的產渦效果，在中試平臺上測試了熱態模擬煙氣條件下該裝置的增效結果。該技術可顯著減少PM2.5及汞等有毒元素的排放，減少煙塵總質量排放，提高電除塵器除塵效率。

1 煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置技術研究

1.1 工作原理

煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置安裝于電除塵器進口煙道內，包括雙極荷電區、擾流聚合區兩大部分。對進入電除塵器前的粉塵進行分列荷電處理，使相鄰兩列的煙氣粉塵帶上正、負不同極性的電荷，并通過擾流裝置的擾流作用，使帶異性電荷的不同粒徑粉塵產生速度或方向差異而有效凝聚，形成大顆粒后被電除塵器有效收集，其工作原理如圖1所示。

1.2 荷電方式對粉塵聚合作用的研究

圖2為雙極性荷電電場收塵試驗模型示意，其主體是一個電暈場，電暈場分別由正負放電極和接地極組成，構成雙通道荷電區。為保證粉塵在電暈區內的均勻分布，在漸擴管內設計了氣流分布板。

圖3是在荷電電壓為-56kV的單極電暈荷電和荷電電壓為+5kV、-13kV的雙極電暈荷電以及荷電電壓為+5kV、-15kV的雙極電暈荷電3種工況下的實驗測試結果，圖中縱軸為PM去除率，橫軸為微粒直徑，曲線越靠上，表明PM去除率越高，即除塵效果越好。實驗結果表明，雙極電暈荷電使粉塵聚合效果明顯增大，粉塵的去除率明顯比單極電暈荷電時大，其中對于粒徑約為0.1μm和2.5μm顆粒的去除最為明顯，而對于粒徑為10μm的顆粒去除差別較小；正、負電暈電極的擊穿電壓不同，負電暈電極的擊穿電壓比正電暈電極的要高，因此適當增加正放電通道寬度，可獲取較高的平均電場強度，提高粒子的荷電效果。

1.3 流場數值模擬研究

圖2 雙極性荷電電場收塵試驗模型

圖3 粉塵荷電試驗測試結果

湍流對不同粒徑粉塵顆粒具有摻混作用，通過計算流體動力學（CFD）方法對流場進行數值模擬。在定常條件下，采用k-ε湍流模型，產生一個收斂解，以此為初始邊界條件，采用大渦模型，在非定常條件下，計算瞬態流場。此外，采用離散相模型（DPM）計算2種不同粒徑顆粒（分別為2μm和20μm）的運動軌跡。模擬結果如圖4、圖5所示。模擬結果表明，擾流柱具有很好的產渦效果，擾流柱后方有較多速度擾流渦街，顆粒受擾流影響，運動軌跡存在明顯交叉，表明擾流裝置對不同粒徑顆粒具有良好的擾流摻混作用，增大了顆粒碰撞凝并的可能性。

1.4 中試研究

圖4 t=3s時中心高度截面速度云圖

圖5 入口進入的全部粒子軌跡俯視

為驗證微顆粒捕集增效裝置對微細顆粒物的聚合效果，在有關國家工程實驗室內，利用靜電低壓撞擊儀（ELPI）測試了使用微顆粒捕集增效裝置前后電除塵器出口不同粒徑粉塵數量濃度、質量濃度的變化（ELPI測試原理及使用方法見文獻[1-3]）。該實驗室可模擬實際工況，煙氣溫度為60℃～200℃可調，最大煙氣量為30,000m3/h（工況），總體布置如圖6所示，實驗室煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置如圖7所示，ELPI外觀結構如圖8所示。

圖6 實驗室總體布置

圖7 實驗室煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置

圖8 ELPI外觀結構

在入口煙塵濃度10.4g/m3、風量25,100m3/h條件下，利用ELPI測試微顆粒捕集增效裝置投運前后電除塵器出口煙塵數量、質量濃度的變化，結果見表1。

通過實驗可知，實驗室微顆粒捕集增效裝置對微細粉塵的捕集具有明顯的增效效果，PM10各粒徑段質量濃度均有不同程度的下降。由于采樣顆粒在進入ELPI前，首先在旋風分離器內分離掉10μm以上顆粒，且ELPI內各級撞擊器也是憑借高速射流將不同粒徑顆粒分離，當氣相切應力大于凝并顆粒間庫侖力和范德華力作用時，必然會造成凝并顆粒的破壞，因此，ELPI測量值會低于實際值。且由于實驗條件的限制，電除塵器出口煙塵濃度較大，故質量濃度下降率數值偏低。

表1 使用微顆粒捕集增效裝置前后電除塵器出口煙塵數量濃度、質量濃度及煙塵下降率

2 工業應用

2.1 工程概況

2012年3月，上海吳涇熱電廠在#9爐300MW機組電除塵器進口煙道處安裝微顆粒捕集增效裝置。該機組配套除塵設備為雙室四電場電除塵器，電廠煤、飛灰主要成分如表2所示，飛灰比電阻資料如表3所示。安裝微顆粒捕集增效裝置前電除塵器出口煙塵濃度約50mg/m3。進口煙道水平直管段長度約有10m（含膨脹節、測試孔），有利于微顆粒捕集增效裝置的布置，但需考慮進口煙道上部的SCR脫硝裝置支架干涉問題，如圖9所示。通過對進口煙道實地考察、查閱圖紙及相關資料后認為，在測試孔位置不變、膨脹節適當移位、合理避開部分脫硝裝置支架的前提下，尚有約6.6m的空間布置微顆粒捕集增效裝置。

2.2 技術方案

利用電除塵器進口煙道6.6m的直管段，安裝微顆粒捕集增效裝置。原進口煙道中間處膨脹節前移至進口端，測試孔位置不作變動。煙道底部及兩側面利舊，底部橫向采用鋼梁支撐，兩側面加固，頂部重新設計、制造。采用正、負極性各4套高頻高壓電源供電。該工程主要技術參數見表4。

2.3 工程安裝及運行情況

經168h運行后，2012年4月工程竣工驗收，微顆粒捕集增效裝置實物圖如圖10所示。設備已穩定、可靠運行超過2年，2012年8月在該機組臨時停爐期間，對裝置內部磨損、積灰、腐蝕等情況進行了察看，設備運行狀況良好。

表2 電廠煤、飛灰主要成分 （單位：%）

表3 飛灰比電阻 （測量電壓500V）

表4 微顆粒捕集增效裝置主要技術參數 （一臺爐）

圖9 300MW機組電除塵器進口煙道布置示意圖

圖10 微顆粒捕集增效裝置實物圖

2.4 測試結果

2012年9月，測試機構對裝置的捕集增效結果進行了測試，根據GB/T 16157-1996及GB/T 13931-2002測試方法及規定，利用微電腦煙塵平行采樣儀對電除塵器前、后顆粒物采樣后稱重的方法得到總煙塵質量濃度；根據ISO 23210-2009及EPA相關測試方法及規定，利用ELPI測量PM10各粒徑段顆粒物質量濃度（測試結果見表5）。在機組滿負荷狀態下，該裝置投運后，電除塵器出口PM2.5的下降率為30.1%，總煙塵質量濃度的下降率為20.3%。經計算，PM2.5年減排量約64t。

值得一提的是，煙塵總質量濃度與PM2.5的質量濃度下降率為裝置開、關狀態下的數值，事實上只要安裝該裝置，在電源關閉的狀態下對粉塵也具有一定的凝并作用，對電除塵器具有一定的提效作用，因此實際的下降率應該比上述數值更高。

3 結語

試驗研究及工業應用表明，煙塵預荷電微顆粒捕集增效裝置能有效降低電除塵器出口PM2.5及煙塵總質量排放，是電除塵器提效改造的有效方法之一，對我國PM2.5的治理具有重要的意義。

表5 電除塵器出口煙氣中PM2.5質量濃度與總顆粒物質量濃度 （一臺爐）

[1] 陳其顥，朱林，王可輝，等.PM2.5標準及火電行業PM2.5主流控制技術[J].華東電力，2013，41（005）：1124-1127.

[2] Marjamaki M， Keskenin J，Chen D R，et al. Performance Evaluation of the Electrical Low Pressure Impactor（ ELPI）[J].Journal of Aerosol Science，2000， 31（2）：249-261.

[3] ELPI user manual 4.0. Dekati Ltd.

Research and Application of PM2.5Collection Effect Increase Technology in Coal-fired Power Plant

LI Jian-guo1, SUN Wei-dong2, LIANG Ding-hong1, YU Shun-li1, GUO Feng1, LIU Han-xiao1, (1.Zhejiang Feida Environmental Science and Technology Co., Ltd, Zhuji Zhejiang 311800; 2. Shanghai Electric Power Co., Ltd, Shanghai 200010, China)

The paper introduces PM2.5collection effect increase technology of a sort of coal-fired power plant—the structure composing and working principle of tiny particulate collection effect increase equipment of smoke dust pre-load electricity, makes research on impact of double pole load electricity on powder dust coagulating combination. Effect increase result of the equipment is tested under the condition of heat state simulation flue gas. The testing result of the technology in 300MW generation set shows that PM2.5in electrical precipitator outlet decreases 30% and the total quality concentration of smoke dust declines 20%.

air fine particulate (PM2.5); tiny particulate collection effect increase technique; double pole load electricity; coagulating combination; coal-fired plant; electrical precipitator

X701

A

1006-5377（2014）06-0021-05

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目“燃煤電站PM2.5捕集增效與優化技術與裝備研制”（2013AA065002）。