濕式電除塵器顆粒物測(cè)試及排放特征研究

許東旭，蔡錫鋒，劉含笑，沈敏超，郭高飛，周冰，杜依倩

（浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

濕式電除塵器的進(jìn)出口處屬于典型的高濕度、低濃度煙氣環(huán)境，在苛刻條件下的煙氣污染物精準(zhǔn)測(cè)試，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1～5]。本文對(duì)濕式電除塵器顆粒物測(cè)試方法進(jìn)行了研究，并對(duì)濕式電除塵器出口的顆粒物排放特征進(jìn)行了調(diào)研和分析。

1 濕式電除塵器顆粒物脫除機(jī)制

從顆粒物脫除機(jī)理來(lái)說(shuō)，濕式電除塵器與常規(guī)電除塵器的不同之處在于，收塵極被水膜覆蓋，放電區(qū)域存在水霧（圖1），不存在因振打引起的細(xì)顆粒物二次揚(yáng)塵，同時(shí)濕電場(chǎng)中存在明顯的細(xì)顆粒物團(tuán)聚現(xiàn)象，有效避免了細(xì)顆粒物排放。

為進(jìn)一步定性分析濕式電除塵器（WESP）中細(xì)顆粒物團(tuán)聚的機(jī)理，采用k-ε模型計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng)，采用MHD模型計(jì)算靜電場(chǎng)，基于歐拉雙流體方法，采用PBM（Population Balanee Model）模型來(lái)計(jì)算顆粒的團(tuán)聚。并基于顆粒的稀疏、分子混沌等假設(shè)，在僅考慮顆粒物團(tuán)聚這一種物理現(xiàn)象的情況下，歐拉坐標(biāo)體系下的顆粒物尺度分布函數(shù)零維方程如公式①所示[6、7]。

圖1 濕式電除塵器（WESP）對(duì)細(xì)顆粒物的脫除機(jī)制

式中：

n（v，t）——表示體積為v的顆粒物在t時(shí)刻的數(shù)濃度函數(shù)，1/m3；

β（u，v-u）——表示體積分別是u、v-u的顆粒物之間的團(tuán)聚核，即團(tuán)聚概率，m3/s。

等式右邊的第一項(xiàng)表示因團(tuán)聚而產(chǎn)生的體積為v的新顆粒物數(shù)量，1/2表示在顆粒的一次團(tuán)聚事件的同時(shí)有2個(gè)顆粒物參加；第二項(xiàng)表示因顆粒物團(tuán)聚成更大顆粒物而消失的體積為v的顆粒物數(shù)量。

調(diào)用軟件自帶的Luo Aggregation Kernel和Turbulent Aggregation Kernel，通過(guò)UDF引入電團(tuán)聚核函數(shù)和庫(kù)侖團(tuán)聚核函數(shù)，見(jiàn)式②、式③。

式②、式③中：βE和βC分別為顆粒i與顆粒j的電團(tuán)聚核函數(shù)和庫(kù)侖團(tuán)聚核函數(shù)；K是電團(tuán)聚的增強(qiáng)因子；βi，j是電中性顆粒i、j的布朗團(tuán)聚核函數(shù)。見(jiàn)式④、式⑤所示。

式④、式⑤中：

p、q——分別為i、j兩顆粒的帶電量，C；

ε0——真空介電常數(shù)，8.85×10-12F/m；

kB——Boltzmann常數(shù)，1.38×10-23J/K；

T——絕對(duì)溫度，K；

d——顆粒粒徑，m；

μ——?dú)怏w動(dòng)力黏度，Pa.s；

Cu——Cunningham修正系數(shù)。

由于各種團(tuán)聚形式對(duì)于顆粒碰撞的影響尺度不同，可認(rèn)為兩者是相互獨(dú)立的，四種團(tuán)聚形式疊加后的團(tuán)聚核函數(shù)可以表示為式⑥：

模型采用分區(qū)算法進(jìn)行求解，初始的顆粒分布被簡(jiǎn)化為單一分散體系，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。將顆粒的粒徑按大小分為8個(gè)區(qū)間，其總的體積分?jǐn)?shù)是7×10-6，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.001s，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，該模型出口處的顆粒平均粒徑是逐漸增大的，這表明細(xì)顆粒物在發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，約在0.5s，顆粒平均粒徑趨于穩(wěn)定。

表1 各尺度顆粒的體積分?jǐn)?shù)

圖2 不同時(shí)刻模型出口的顆粒平均粒徑變化

2 顆粒物測(cè)試方法

2.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、方法及儀器

國(guó)內(nèi)外低濃度顆粒物測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、方法及相關(guān)儀器[8～10]匯總見(jiàn)表2。

2.2 顆粒物采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)是否科學(xué)是保證數(shù)據(jù)精確度的關(guān)鍵，該采樣采用濾膜（一體化采樣頭）測(cè)定濕式電除塵器進(jìn)出口顆粒物濃度，采樣系統(tǒng)布置方式如圖3所示。一體化采樣頭包括鋁箔、濾膜網(wǎng)、采樣管、濾膜等，采樣前后一體化采樣頭（內(nèi)置濾膜）整體進(jìn)行烘干、稱重，有效避免了過(guò)濾材質(zhì)的黏附損失。一體化采樣頭示意圖見(jiàn)圖4。

表2 國(guó)內(nèi)外測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及儀器匯總

圖3 顆粒物采樣系統(tǒng)

圖4 一體化采樣頭示意圖及實(shí)物圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3.1 某1000MW機(jī)組

針對(duì)某1000MW機(jī)組，參照?qǐng)D3的采樣系統(tǒng)，測(cè)試中采用一體化采樣頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣實(shí)測(cè)，采樣槍需加熱至160℃左右。經(jīng)過(guò)測(cè)試，得到一體化采樣頭的樣品增重、空白試驗(yàn)值以及經(jīng)換算后的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。一體化采樣頭的空白試驗(yàn)值在0.2 ～0.4mg，該空白實(shí)驗(yàn)值最大正值的5倍為2mg，而該項(xiàng)目實(shí)際采樣的樣品增重在3.1～3.7mg，遠(yuǎn)超空白試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)下限，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。最終得到的測(cè)試結(jié)果為4.49mg/m3。

3.2 某600MW機(jī)組

針對(duì)某600MW機(jī)組，采用一體化采樣頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，樣品的增重、空白試驗(yàn)值以及經(jīng)過(guò)換算后得到的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。一體化采樣頭的空白試驗(yàn)值在0.2～0.5mg，其最大正值的5倍為2.5mg，而實(shí)際試驗(yàn)采樣的樣品增重為5.9～10.6mg，同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過(guò)換算，該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為4.12mg/m3。

4 排放特征研究

分別測(cè)定金屬板式濕式電除塵器18臺(tái)、導(dǎo)電玻璃鋼管式濕式電除塵器47臺(tái)，出口顆粒物濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖7所示，機(jī)組容量從75MW到1030MW。金屬板式濕式電除塵器出口顆粒物濃度最大值為6.6mg/m3、最小值為0.4mg/m3，平均值為3.9mg/m3；導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口顆粒物濃度最大值為9.3mg/m3、最小值為1.1mg/m3，平均值為4.2mg/m3。

圖5 一體化采樣頭（嶗應(yīng)）測(cè)試結(jié)果

圖6 一體化采樣頭測(cè)試結(jié)果

圖7 顆粒物排放特征匯總

5 結(jié)論

（1）濕式電除塵器不存在細(xì)顆粒物二次揚(yáng)塵，且濕電場(chǎng)中存在明顯的細(xì)顆粒物團(tuán)聚現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)較低的顆粒物排放。

（2）低濃度、高濕度煙氣環(huán)境下，顆粒物測(cè)試可采用一體化采樣頭（內(nèi)置濾膜）采樣。

（3）不同形式的濕式電除塵器對(duì)顆粒物均有較好的減排效果，其中，金屬板式濕式電除塵器顆粒物質(zhì)量濃度排放范圍是0.4～6.6mg/m3；導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器顆粒物質(zhì)量濃度排放范圍是1.1～9.3mg/m3。