基于實測的電袋復合除塵器脫除多污染物效果

陳奎續

1.福建龍凈環保股份有限公司, 福建 龍巖 364000 2.國家環境保護電力工業煙塵治理工程技術中心, 福建 龍巖 364000

基于實測的電袋復合除塵器脫除多污染物效果

陳奎續1,2

1.福建龍凈環保股份有限公司, 福建 龍巖 364000 2.國家環境保護電力工業煙塵治理工程技術中心, 福建 龍巖 364000

為了考察電袋復合除塵器脫除多污染物的能力，分別采用US EPA Method 30B方法、DLT 998—2006《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗收試驗規范》、HJT 342—2007《水質 硫酸鹽的測定 鉻酸鋇分光光度法(試行)》、GBT 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》和國際標準化組織ISO23210-2009《Stationary Source Emissions- Determination of PM10PM2.5Mass Concentration in Flue Gas-Measurement at Low Concentrations by Use of Impactors》對A、B兩個燃煤電廠中循環流化床鍋爐后的電袋復合除塵器脫除煙氣中汞、SO3、煙塵、PM1、PM2.5、PM10六種污染物的效率進行測試試驗. 結果表明：電袋復合除塵器對煙塵、PM10等顆粒態污染物捕集效率高達99%以上；兩個電廠電袋復合除塵器中汞的質量平衡分別為112.05%、72.78%，在70%～130%的允許范圍之內；B電廠中電袋復合除塵器進口處煙氣中顆粒態汞占總汞含量的比例高達97%，電袋復合除塵器對顆粒態汞的捕集效率達99.93%，對氣態汞的捕集效率達86.84%；由于濾袋表面煙塵粉餅具有一定的吸附作用，電袋復合除塵器對SO3也有一定的捕集能力，A、B電廠電袋復合除塵器對SO3的脫除效率分別達到90.04%和61.73%，脫除效率可能受到飛灰組分及其吸附能力的影響. 研究顯示，電袋復合除塵器對循環流化床鍋爐煙氣中的多污染物具有較高的協同捕集效率.

電袋復合除塵器; 多污染物; 顆粒物; 汞; 三氧化硫

在超低排放政策的要求下，燃煤電廠煙氣中主要污染物煙塵、SO2和NOx排放已得到有效控制，微細顆粒物、汞、SO3等污染物的排放逐漸成為人們關注的焦點. 由于成本、占地等因素的影響，燃煤電廠利用現有的污染物控制設備，在控制煙塵、SO2和NOx排放的基礎上，增加或提高對微細顆粒物、汞、SO3等污染物的協同脫除能力，成為多污染物治理技術的發展方向之一.

除塵器作為燃煤電廠污染物控制的關鍵設備之一，在多污染物的協同控制中起著重要作用. 目前除塵器包括靜電除塵器(ESP)、袋式除塵器(FF)以及電袋復合除塵器(EFIP). 井鵬等[1]認為，布袋除塵器脫除細微顆粒物的能力比靜電除塵器強，這導致布袋除塵器脫除顆粒汞的效率比靜電除塵器高. 同時，布袋除塵器可以脫除一部分氣態汞[1]，而靜電除塵器基本只能脫除顆粒汞[2]. 有學者對燃煤電站布袋除塵器和靜電除塵器的脫汞性能進行了比較，發現布袋除塵器的協同脫汞效率為20%～80%，靜電除塵器的協同脫汞效率為4%～20%[3-4]，布袋除塵器在協同脫汞的能力上具有優勢[5]. Sporl等[6]的研究結果表明，布袋除塵器對SO3的脫除效率為44%～80%，飛灰的含量和成分對脫除效率有影響. 而靜電除塵器必須在系統中增加煙冷器設備，將煙氣溫度降低至酸露點以下，才能捕集部分凝結的SO3[7]. 基于目前的研究結果，袋式除塵方式在多污染物的協同脫除上更加具有優勢[8-9].

電袋復合除塵器作為新生的除塵技術，在國內燃煤電廠中的裝機容量已超過20×104MW，但是目前對微細顆粒物、汞和SO3等多污染物的脫除能力研究較少. 鑒于此，該研究通過對兩個電廠中電袋復合除塵器對多污染物的協同脫除效率進行測試試驗，著重分析了電袋復合除塵器對多污染物的脫除能力及其相關機理，為今后電袋復合除塵器實現多污染物協同治理提供參考.

1 研究方法

1.1 試驗內容

為考察電袋復合除塵器對多污染物的協同脫除效率，對A、B電廠中的電袋復合除塵器脫除多污染物的效率進行測試試驗. 試驗項目包括汞、SO3、煙塵、PM1、PM2.5、PM10共六種污染物的脫除效率.

1.2 測試方法及儀器

測試方法及儀器如表1所示.

表1 測試方法及測試儀器

1.3 測點位置及試驗數據處理

分別在電袋復合除塵器進口和出口布置測點以檢測該位置處煙氣中的污染物濃度. 測試項目中所包含的污染物同時以氣態和固態兩種形式存在，其中氣態污染物均勻分布在煙道中，而固態污染物由于粒徑大小不同，導致其受到煙氣流場的影響較大，在煙道中分布并不均勻. 因此，為保證測試結果更具有代表性，在代表測試斷面平均流速的采樣通道上進行多點等速采樣，以減小煙道中流場的不均勻性給測試結果造成的影響. 同時，每次測試共進行三次平行采樣，進一步提高測試結果的可靠性. 對電袋復合除塵器進口污染物濃度和出口污染物濃度進行測試后，通過式(1)計算電袋復合除塵器對各種污染物的脫除效率.

(1)

式中：η為脫除效率，%；Ci、Co分別為除塵器進、出口標準狀態下干煙氣(6% O2)中污染物濃度，mg/m3.

2 結果與討論

2.1 電袋復合除塵器對煙塵、PM1等顆粒物的協同脫除分析

A、B電廠電袋復合除塵器多污染物脫除效率測試試驗結果如表2所示.

表2 電袋復合除塵器對多污染物的脫除效率

由表2可見，電袋復合除塵器對煙塵具有很高的脫除效率，同時對PM1、PM2.5、PM10等細微顆粒物也有較高的捕集效率. 與袋式除塵相比，電除塵對細微顆粒物的捕集能力較弱. 根據WANG等[10]對各類除塵器脫除煙塵顆粒物的對比研究，靜電除塵器的除塵效率隨著顆粒物粒徑減小而降低，在1 μm處出現最低值91.9%，而電袋復合除塵器對所有粒徑顆粒物的脫除效率均在99.9%以上，這與筆者測試結果相符，即使是近年來作為電廠污染物控制最后一道屏障的濕式靜電除塵器，也達不到99.9%的微細顆粒物的脫除效果[11]. 在電袋復合除塵器中，大部分顆粒物在電區被捕集，袋區脫除的基本上是小粒徑的顆粒物，這使袋區的粉餅結構上也幾乎沒有大顆粒的粉塵，比表面積更高. 與此同時，這些小粒徑的粉塵經過電區時被荷電，到達濾袋表面，由于靜電力的影響，同性電荷的粉塵在濾袋表面形成蓬松的粉餅，而布袋除塵器中的粉餅則較為致密(見圖1). 這些獨特的特點保證了各種粒徑煙塵捕集效率超過99%的同時，可有效降低除塵器的阻力，達到節能的效果.

2.2 電袋復合除塵器對汞的協同脫除分析

2.2.1 汞的質量平衡

由于在煙氣中汞的含量極低，同時現場取樣和分析技術非常復雜，如煤種、負荷、煙氣流速、取樣誤差等不確定性的存在，導致對其進行準確的測量是極其困難的. 因此，一般認為汞的質量平衡在70%～130%是可以接受的[12-13]. 為盡量保證測試結果的可靠性，選取3個平行樣進行測試，A、B電廠中電袋復合除塵器汞的質量平衡分析結果如表3所示.

圖1 無荷電粉餅與荷電粉餅狀態對比Fig.1 Comparison of the charged dust and not charged dust on the bag filter

電廠測試次數汞輸入量汞輸出量煙氣灰斗數值∕(g∕h)平均值∕(g∕h)誤差∕%數值∕(g∕h)平均值∕(g∕h)誤差∕%數值∕(g∕h)平均值∕(g∕h)誤差∕%質量平衡∕%19.501.90.601.19.800.5A28.509.328.80.620.594.59.769.850.9112.0539.976.90.565.610.001.5114.251.40.0922.710.301.4B214.0414.050.10.060.7318.210.1510.15072.78313.861.40.074.510.011.4

測試結果中，高濃度工況下測試結果的最大誤差為8.8%，低濃度工況下測試結果的最大誤差為22.7%，數據整體平行性良好，符合US EPA method 30B標準要求. 由平行測試結果得出的均值對汞的質量平衡進行計算，A、B電廠中電袋復合除塵器前后的汞質量平衡處于70%～130%之間，說明該研究中采用的取樣及分析方法是可信的.

2.2.2 電袋復合除塵器對不同狀態汞的脫除效率

進入除塵器前的汞根據形態分為零價汞、二價汞與顆粒汞[14]，其中零價汞即為單質汞，二價汞的主要表現形式為氯化汞[15-16]，二者在除塵器中的狀態為氣態[17]，單質汞具有不溶于水，并且化學性質穩定，平衡蒸汽壓高的特點，是最難被現有污染物控制設備脫除的污染物之一[18]. 該研究統一將單質汞以及二價汞稱為氣態汞，以存在形式將總汞區分為顆粒汞和氣態汞.

由表2可見，電袋復合除塵器對總汞有較高的捕集效率. A、B電廠為循環流化床鍋爐，都采用了爐內噴鈣的脫硫方式. 通常認為循環流化床的燃燒方式可以提高煙氣中的顆粒汞含量，降低氣態汞含量，爐內較低的溫度能夠提高二價汞的比例[19]. 噴入爐內的鈣基物質本身即為一種脫汞吸附劑[20-21]. 趙毅等[22]認為，鈣基吸附劑對二價汞具有較強的吸附能力；韓斌杰等[23]認為，飛灰與鈣基吸附劑混合后，可通過自身的微孔和表面結構對煙氣中的汞進行物理吸附. 爐內噴入的鈣基吸附劑可進一步提高煙氣中顆粒汞在總汞中所占的比例. 電袋復合除塵器對顆粒物脫除效率較高，這使其對顆粒態汞的脫除效率也非常高. A、B電廠中電袋復合除塵器對汞的脫除效率都在90%以上，這與煙氣中汞的形態組成有極大的關系. 為分別考察電袋復合除塵器對氣態汞及顆粒汞的脫除效率，對B電廠電袋復合除塵器前、后的汞形態分別進行了檢測，結果如表4所示.

表4 B電廠電袋復合除塵器前、后汞形態分布及脫除效率

測試結果中，高濃度工況下測試結果的最大誤差為4.5%，低濃度工況下測試結果的最大誤差為18.9%，數據整體平行性良好，符合US EPA method 30B標準要求. 采用平行測試結果的算術平均值對脫除效率進行計算. 從表4中可以看出，在電袋復合除塵器的入口處，顆粒汞在總汞中所占的比例超過97%，電袋復合除塵器對顆粒汞的脫除效率高達99.93%，基本上所有的顆粒汞都被捕集，電袋復合除塵器捕集氣態汞的效率也高達86.84%. 與井鵬等[1]的研究結果相比較，電袋復合除塵器在脫除顆粒汞的能力上與布袋除塵器相同，但對氣態汞的脫除能力，B電廠中的電袋復合除塵器要優于布袋除塵器和靜電除塵器.

已有大量研究表明，煙塵對煙氣中的汞具有吸附脫除作用[16,24-25]，具體的脫除效率隨其成分、含碳量的不同而變化. 在電袋復合除塵器的袋區，煙塵聚集在濾袋外形成了粉餅，煙氣透過粉餅的過程與透過固定床反應器的過程相同，煙氣中的汞透過粉餅，進而被粉餅吸附脫除. 在電袋復合除塵器中，濾袋外的粉餅不僅將顆粒汞脫除，同時吸附了一部分的氣態汞，使電袋復合除塵器的協同脫汞效率達到了較高水平. 由于顆粒汞的脫除效率已達到了99.9%的高水平，如何提高電袋復合除塵器的協同脫汞效率，關鍵在于提高粉餅對氣態汞的吸附能力.

2.3 電袋復合除塵器對氣態污染物SO3的協同脫除分析

由表2可見，電袋復合除塵器對SO3的捕集效率超過60%. SO3在除塵器的溫度范圍內主要的表現形式為H2SO4氣體[26-27]. 試驗結果表明，電袋復合除塵器對SO3具有一定的脫除效率. 常規靜電除塵方式對于氣態污染物的脫除效率非常低，因此，袋區完成了脫除以上氣態污染物的主要工作. 無論是布袋除塵器或者是電袋復合除塵器的袋區，都依賴吸附作用來實現氣態污染物的脫除，其中吸附作用包括物理吸附作用和化學吸附作用.

對于物理吸附，被吸附分子的結構越復雜，沸點越高，被吸附的能力就越強. 煙氣中各組分的沸點如表5所示.

表5 煙氣中各個組分的沸點

由表5可見，CO2、NO、O2和N2屬于較難被吸附的物質，而Hg、H2SO4、H2O和SO3屬于較易被吸附的物質，這與實測的結果相吻合.

在濃度相同的情況下，被吸附分子難易程度排序為Hg>H2SO4>H2O>SO3>NO2>SO2>CO2>NO>O2>N2. 而煙氣中煙塵本身就可以作為吸附劑使用[28]. 在鍋爐運行過程中，煙氣中的Hg、SO3等易被吸附的污染物有部分被吸附在煙塵上，隨著煙塵被除塵器捕集，這些污染物也相應被捕集. 電袋復合除塵器的優勢：煙塵在濾袋表面形成的粉餅具有較大的比表面積，之前未被煙塵吸附的污染物氣體在穿透粉餅的過程中，會與粉餅充分接觸而被吸附，從而達到污染物深度脫除的目的.

在物理吸附脫除污染物的基礎上，化學吸附也同時起著作用. 相比于物理吸附，化學吸附更加高效、穩定，作用更加明顯. 煙塵中所含有的金屬堿性氧化物如CaO、Na2O、Fe2O3等對SO3具有一定的化學吸附作用[29-30]. 氣態污染物經過粉餅的過程與透過固定床吸附劑的過程類似，在物理吸附和化學吸附的雙重作用下，粉餅將SO3捕集，達到脫除的目的.

在布袋除塵器中，由于煙塵未被荷電，粉餅結構致密，使其比表面積較小. 而在電袋復合除塵器中，大部分大顆粒的煙塵都被電區所捕集，其余大部分的小顆粒煙塵被荷電后在濾袋表面形成粉餅，這些煙塵由于同性電荷相互排斥的作用，使粉餅的結構比較蓬松，具有更大的比表面積，這使電袋復合除塵器相比于布袋除塵器在脫除SO3方面更加具有優勢.

3 結論

a) 電袋復合除塵器對煙塵具有極高的捕集效率，對脫除難度較大的細微顆粒物如PM1、PM2.5、PM10的脫除效率也達99%以上.

b) 由于電袋復合除塵器對顆粒物具有極高的捕集效率，其對顆粒汞的脫除效率可達99.93%. 且由于粉餅的物理吸附作用，使其對氣態汞也有較強的脫除效果，在本文條件下，電袋復合除塵器對氣態汞的脫除效率達86.84%,對煙氣中總汞的捕集效率達90%以上.

c) 電袋復合除塵器主要依靠濾袋外的粉餅對SO3進行物理和化學吸附，從而對SO3進行脫除，脫除效率達到60%以上. 不同燃煤電廠中電袋復合除塵器對SO3的脫除效率不同，捕集效果受到濾袋外粉餅比表面積和煙塵成分等因素的影響.

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Removal of Multi-Pollutants from Coal-Fired Flue Gas by Electrostatic-Fabric Integrated Precipitator based on Field Tests

CHEN Kuixu1,2

1.FujianLongking Co., Ltd., Longyan 364000, China 2.State Environmental Protection Engineering Technology Center for Power Industry Dust Control, Longyan 364000, China

The installed capacity of electrostatic-fabric integrated precipitators (EFIPs), a new type of dust collector, in coal-fired power plants has exceeded 200 billion watts in China. However, there still lacks a better understanding of the removal performance on multiple pollutants of EFIPs. Therefore, the removal efficiencies for six kinds of pollutants in flue gas from the circulating fluidized bed boiler, including Hg, SO3, dust, PM1, PM2.5and PM10were tested in coal-fired power plants A and B, respectively. Mercury was tested by the 30B method of US EPA, SO3was tested byPerformanceTestCodeforWetlimestonegypsumFlueGasDesulphurization(DL/T 998-2006) for sampling andWaterQuality-DeterminationofSulfate-bariumChromateSpectrophotometry(HJ/T 342-2007) for analysis, dust was tested byDeterminationofParticulatesandSamplingMethodsofGaseousPollutantsEmittedfromExhaustGasofStationarySource(GB/T 16157-1996), and fine particles were tested byStationarySourceEmissions-DeterminationofPM10/PM2.5MassConcentrationinFlueGas-MeasurementatLowConcentrationsbyUseofImpactors(ISO 23210-2009) to ensure the reliability of the data. The results showed that the particulate matter collection efficiency of dust, PM10and other particulate pollutants by EFIP were higher than 99%. Meanwhile, the mass balance of mercury across the EFIP of power plants A and B was 112.05% and 72.78%, respectively, within the acceptable ranges. The proportion of particulate-bound mercury in the flue gas at the inlet of EFIP in power plant B was as high as 97%, the collection efficiency of the particulate-bound mercury by EFIP was 99.93%, and the efficiency of gaseous mercury was 86.84%. The dust layer attached on the surface of the filter bag showed a certain adsorption to mercury, and SO3as well. The removal efficiencies of SO3by EFIP in power plants A and B were 90.04% and 61.73%, respectively. The removal efficiencies were also influenced by the composition of fly ash and the adsorption capacity of fly ash.

electrostatic-fabric integrated precipitator; multi-pollutants; particulate matter; mercury; SO3

2017-01-09

2017-02-28

國家重點研發計劃課題(2016YFC0203703)；中國科學院戰略性先導科技專項(B類)課題(XDB05050100)

陳奎續(1979-)，男，海南樂東人，高級工程師，碩士，主要從事大氣污染物防治技術及裝備的開發及應用研究，13859585878@139.com.

X511

1001- 6929(2017)06- 0937- 06

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.17

陳奎續.基于實測的電袋復合除塵器脫除多污染物效果[J].環境科學研究,2017,30(6):937- 942.

CHEN Kuixu.Removal of multi-pollutants from coal-fired flue gas by electrostatic-fabric integrated precipitator based on field tests[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(6):937- 942.