低低溫電除塵器脫除微細(xì)顆粒物和粉塵的試驗(yàn)研究

劉錫堯，陸春媚，陳勇，楊丁，黃金菊

1.龍巖市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所，國(guó)家空氣污染治理設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)，福建 龍巖 364000 2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000

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低低溫電除塵器脫除微細(xì)顆粒物和粉塵的試驗(yàn)研究

劉錫堯1，陸春媚1，陳勇2，楊丁2，黃金菊1

1.龍巖市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所，國(guó)家空氣污染治理設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(福建)，福建 龍巖 364000 2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000

在模擬工況條件下，使用多功能試驗(yàn)除塵器、電稱低壓沖擊系統(tǒng)(ELPI)等對(duì)PM10、PM2.5、PM1.0等微細(xì)顆粒物和粉塵進(jìn)行低低溫電除塵技術(shù)的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在低入口煙氣溫度下(67～68 ℃)，試驗(yàn)除塵器對(duì)微細(xì)顆粒物和粉塵的脫除效率顯著高于高入口煙氣溫度(86～89 ℃)。在低入口煙氣溫度下，降低入口風(fēng)量，微細(xì)顆粒物和粉塵脫除效率提高的程度更為顯著。因?yàn)槿肟陲L(fēng)量降低后，電場(chǎng)風(fēng)速更低，微細(xì)顆粒物和粉塵在電場(chǎng)的停留時(shí)間更長(zhǎng)，更有利于低低溫電除塵器對(duì)微細(xì)顆粒物和粉塵的捕集。

低低溫；電除塵；微細(xì)顆粒物；粉塵；脫除效率；PM10；PM2.5；PM1.0

可吸入顆粒物(PM10)是反映環(huán)境空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，它能通過(guò)鼻、嘴進(jìn)入人體呼吸道。可入肺顆粒物(PM2.5)，也稱細(xì)顆粒物，因其形態(tài)、成分復(fù)雜，富含重金屬、多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)，易沉降在呼吸道，能進(jìn)入人體肺泡甚至血液系統(tǒng)，且能導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度降低，產(chǎn)生重污染天氣，近年來(lái)倍受關(guān)注[1-2]。2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[3]，首次將PM2.5納入常規(guī)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。超細(xì)顆粒物(PM1.0)是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于1.0 μm的顆粒物，其比表面積更大，活性更強(qiáng)，能進(jìn)入人體血液甚至神經(jīng)系統(tǒng)。

工業(yè)煙塵排放是大氣顆粒態(tài)污染物的重要來(lái)源，也是PM10、PM2.5和PM1.0等微細(xì)顆粒物的重要來(lái)源。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)工業(yè)煙塵排放的控制標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，如火電廠煙塵最高允許排放濃度限值[4-6]，從GB 13223—1996《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的150或200 mg/m3降至GB 13223—2011的30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)甚至為5 mg/m3，給工業(yè)除塵技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。近幾年，低低溫電除塵技術(shù)發(fā)展迅速、應(yīng)用較多，它是在電除塵器上游添置熱回收裝置以降低入口煙氣溫度，從而減少煙氣量，降低煙氣流速，增加粉塵在除塵器的停留時(shí)間；同時(shí)降低粉塵比電阻，提高比集塵面積，進(jìn)而提高除塵效率[7]。目前低低溫電除塵技術(shù)提高PM10、PM2.5和PM1.0等微細(xì)顆粒物脫除效率的試驗(yàn)研究較少。筆者采用多功能除塵試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展除塵器入口煙氣溫度變化對(duì)PM10、PM2.5和PM1.0脫除效率影響的試驗(yàn)研究，探討低低溫電除塵提高微細(xì)顆粒物脫除效率的機(jī)理，以期為低低溫電除塵技術(shù)的應(yīng)用和后續(xù)深入研究提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和檢測(cè)儀器

多功能試驗(yàn)除塵器如圖1和圖2所示。其主要包含電除塵器、袋式除塵器等單元，以及高低壓電源、粉塵、煙氣溫度、煙氣濕度、煙氣流量等控制系統(tǒng)。

圖1 多功能試驗(yàn)除塵器示意Fig.1 Schematic diagram for a multi-functional testing dust remover

圖2 多功能試驗(yàn)除塵器實(shí)物Fig.2 Photo of a multi-functional testing dust remover

檢測(cè)儀器：自動(dòng)煙塵(氣)測(cè)試儀〔青島嶗應(yīng)3012H系列(09代)〕檢測(cè)煙氣流速、本體漏風(fēng)率、除塵效率等[8]；ELPI(電稱低壓沖擊系統(tǒng)，芬蘭Dekati公司)配備相應(yīng)的采樣槍、伴熱管、干燥器(除濕)、切割器、氣體連接管(硅膠管)，實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)除塵器入口和出口的PM10、PM2.5和PM1.0濃度。

1.2 試驗(yàn)方法

保持其他試驗(yàn)條件如除塵器入口粉塵濃度、煙氣濕度等相對(duì)恒定，設(shè)置不同的入口煙氣溫度和流量，測(cè)定除塵器對(duì)PM10、PM2.5、PM1.0以及粉塵的脫除效率，對(duì)比入口煙氣溫度變化對(duì)脫除效率的影響，并分析其影響因素。

1.3 結(jié)果計(jì)算

微細(xì)顆粒物和粉塵脫除效率計(jì)算公式：

η=(Ci-Co)Ci×100%

(1)

式中：η為脫除效率，%；Ci和Co分別為入口和出口的污染物(PM10、PM2.5、PM1.0及粉塵)濃度，mgm3。

利用SPSS 10.0軟件，采用秩相關(guān)分析(Spearman correlation analysis)的統(tǒng)計(jì)分析方法，判斷除塵器除塵效率隨入口煙氣流量變化的趨勢(shì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高入口煙氣溫度

由表1和圖3可見(jiàn)，當(dāng)控制試驗(yàn)除塵器入口煙氣溫度為86～89 ℃時(shí)，粉塵脫除效率隨入口風(fēng)量增加而降低(相關(guān)系數(shù)r為0.985，P=0.05)。而PM10、PM2.5和PM1.0的脫除效率均在入口風(fēng)量為4 419 m3h時(shí)最高，在3 400 m3h時(shí)最低。在相同入口風(fēng)量下，粉塵、PM10、PM2.5、PM1.0脫除效率基本呈依次降低趨勢(shì)，表明顆粒物粒徑越小，脫除效率越低，這是因?yàn)轭w粒物粒徑越小，越難以荷電，電遷移速率也越低，顆粒物脫除效率就越低[9]。

表1 高入口煙氣溫度下試驗(yàn)結(jié)果

注：試驗(yàn)結(jié)果均為重復(fù)測(cè)量平均值(n≥3)。

注：煙氣溫度為86～89 ℃圖3 高入口煙氣溫度下各粒徑顆粒物脫除效率Fig.3 Removal efficiencies of particles for different size at higher temperature for inlet flue gas

2.2 低入口煙氣溫度

由表2和圖4可見(jiàn)，當(dāng)控制試驗(yàn)除塵器入口煙氣溫度為67～68 ℃時(shí)，與高入口煙氣溫度下試驗(yàn)結(jié)果一致，粉塵脫除效率隨入口風(fēng)量增加而降低(相關(guān)系數(shù)r為0.986，P=0.005)。PM10、PM2.5和PM1.0的脫除效率在入口風(fēng)量為3 522和4 527 m3h時(shí)相差不大(≤2.12%)，在6 009 m3h時(shí)最低。在相同入口風(fēng)量下，粉塵、PM10、PM2.5、PM1.0脫除效率依次降低，表明顆粒物粒徑越小，脫除效率越低。

表2 低入口煙氣溫度下試驗(yàn)結(jié)果

注：試驗(yàn)結(jié)果均為重復(fù)測(cè)量平均值(n≥3)。

注：煙氣溫度為67～68 ℃圖4 低入口煙氣溫度下各粒徑顆粒物脫除效率Fig.4 Removal efficiencies of particles for different size at lower temperature for inlet flue gas

2.3 對(duì)比分析

高、低入口煙氣溫度下試驗(yàn)除塵器的粉塵、PM10、PM2.5和PM1.0脫除效率對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，入口風(fēng)量較低時(shí)，低入口煙氣溫度下微細(xì)顆粒物和粉塵的脫除效率顯著高于高入口煙氣溫度，充分證實(shí)了試驗(yàn)除塵器可有效提高微細(xì)顆粒物和粉塵的脫除效率，與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的低低溫電除塵極大提升粒徑為0.1～1 μm細(xì)微顆粒物脫除能力的結(jié)果相近。

當(dāng)入口風(fēng)量為3 500 m3h時(shí)，低入口煙氣溫度下粉塵脫除效率提高約1.25%(試驗(yàn)結(jié)果修正計(jì)算值，下同)，PM10脫除效率提高15.01%，PM2.5脫除效率提高15.51%，PM1.0脫除效率提高11.18%；入口風(fēng)量為4 500 m3h時(shí)，粉塵、PM10、PM2.5和PM1.0脫除效率分別提高6.54%、7.75%、5.89%和1.81%；入口風(fēng)量為5 500 m3h時(shí)，粉塵、PM10、PM2.5和PM1.0脫除效率分別提高8.98%、4.75%、3.22%和2.46%。可見(jiàn)，入口風(fēng)量越低，入口煙氣溫度低能更大程度地提高微細(xì)顆粒物和粉塵的脫除效率。

圖5 高、低入口煙氣溫度下顆粒物脫除效率對(duì)比Fig.5 Comparison of particle removal efficiency at higher, lower temperature

研究表明[11-13]，當(dāng)煙氣溫度從約90 ℃降低至約70 ℃時(shí)，粉塵比電阻將從1012～1013Ω·cm降至1010～1011Ω·cm，一方面粉塵荷電性能提高，另一方面粉塵比電阻正好處在反電暈臨界值內(nèi)，電除塵器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生反電暈的概率降低；同時(shí)煙氣體積流量減少約10%，風(fēng)速降低，粉塵在電除塵器的停留時(shí)間延長(zhǎng)[9]，粉塵、微細(xì)顆粒物脫除效率得到提高。煙氣溫度降低后，一方面粉塵和氣體分子熱運(yùn)動(dòng)能力減弱，另一方面氣體黏滯性降低，粉塵的電遷移速度增大，即荷電粉塵驅(qū)進(jìn)速度變快，也有利于提高粉塵、微細(xì)顆粒物的脫除效率[14-15]。

在低入口煙氣溫度下，隨著入口風(fēng)量降低，微細(xì)顆粒物和粉塵脫除效率提高的程度更為顯著。可見(jiàn)，入口風(fēng)量降低后，電場(chǎng)風(fēng)速更低，微細(xì)顆粒物和粉塵在電場(chǎng)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，更有利于低低溫電除塵器對(duì)其的捕集。

研究表明[13]，在實(shí)際工況條件下，應(yīng)用低低溫電除塵器，將入口煙氣溫度降至酸露點(diǎn)以下，煙氣中的SO3易與水蒸汽結(jié)合形成硫酸霧，并被飛灰顆粒吸附后一起脫除，從而有效減少了濕法脫硫工藝SO3的腐蝕問(wèn)題。但SO3凝結(jié)成硫酸霧黏附在飛灰上，收集的粉塵流動(dòng)性變差，故灰斗因結(jié)露易引起堵塞、腐蝕。灰硫比是影響低溫腐蝕的重要因素，當(dāng)灰硫比大于100，低低溫電除塵器均無(wú)腐蝕問(wèn)題[13]。另外美國(guó)南方電力公司研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鍋爐燃煤含硫量為2.5%，灰硫比為50～100時(shí)可避免腐蝕，當(dāng)燃煤含硫量更高時(shí)，為避免腐蝕，灰硫比應(yīng)大于200[16]。

3 結(jié)論

(1)在標(biāo)態(tài)、干態(tài)及風(fēng)量接近的條件下進(jìn)行量化試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在低入口煙氣溫度下(67～68 ℃)，除塵器的粉塵、PM10、PM2.5和PM1.0的脫除效率顯著高于高入口煙氣溫度(86～87 ℃)。

(2)隨著入口風(fēng)量的降低，低入口煙氣溫度下，微細(xì)顆粒物和粉塵脫除效率提高的程度更為顯著。可見(jiàn)，入口風(fēng)量降低后，電場(chǎng)風(fēng)速更低，微細(xì)顆粒物和粉塵在電場(chǎng)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，更有利于低低溫電除塵器對(duì)其的捕集。

(3)在實(shí)際工況條件下，應(yīng)用低低溫電除塵器，應(yīng)考慮除塵器灰斗因結(jié)露引起的堵塞、腐蝕問(wèn)題，充分考察灰硫比對(duì)低溫腐蝕的影響。

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Experimental study on fine particle and dust removal efficiency influenced by low-low temperature electrostatic precipitator

LIU Xiyao1, LU Chunmei1, CHEN Yong2, YANG Ding2, HUANG Jinju1

1.National Quality Supervision and Inspection Center for Air Pollution Control Equipments(Fujian), Longyan Institute of Quality Inspection for Products, Longyan 364000, China 2.Fujian Longking Co. Ltd., Longyan 364000, China

Under simulated operating conditions, new multi-functional testing dust remover and electrical low pressure impactor (ELPI), etc. were used to conduct experiment study on the low-low temperature electrostatic precipitator (ESP) technology for the fine particle (such as PM10, PM2.5, PM1.0) and dust. The results showed that PM10, PM2.5, PM1.0and dust removal efficiencies were significantly higher at lower inlet flue gas temperatures (67-68 ℃)than that at higher inlet flue gas temperatures (86-89 ℃). At lower inlet flue gas temperatures, as the inlet flue gas flow rate decreased, the extent of increased fine particle and dust removal efficiencies was more significant, which indicated that as inlet flue gas flow rate decreased, the residence time of fine dust in the electrical field extended, thus more convenient to collecting fine particle and dust for low-low ESP.

low-low temperature;electrostatic precipitation(ESP);fine particle;dust;removal efficiency;PM10;PM2.5;PM1.0

2016-09-23

福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目(FJQI2014014)

劉錫堯(1985—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事空氣污染治理設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化、研發(fā)工作，18950819365@189.cn

X513

1674-991X(2017)03-0388-05

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.054

劉錫堯，陸春媚，陳勇，等.低低溫電除塵器脫除微細(xì)顆粒物和粉塵的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(3):388-392.

LIU X Y, LU C M, CHEN Y, et al.Experimental study on fine particle and dust removal efficiency influenced by low-low temperature electrostatic precipitator[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):388-392.