煙氣流速對濕式靜電除塵器脫除PM10的影響

趙 亮，劉平元

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

近年來中國大力治理燃煤電站粉塵排放問題，出臺了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求電廠按計劃開展超低排放改造(粉塵排放質(zhì)量濃度低于10 mg/m3或5 mg/m3)[1]，以緩解和控制國內(nèi)的霧霾現(xiàn)象。

目前，大型燃煤電站普遍采用干式靜電除塵器用以控制粉塵排放，其對粉塵的脫除效率在99%以上，使粉塵排放質(zhì)量濃度在50～100 mg/m3 [2]。然而，經(jīng)干式靜電除塵器處理后煙氣中所含粉塵主要為可吸入顆粒物(PM10)，常規(guī)方法對其脫除難度大。近年來在濕法脫硫后增設(shè)濕式靜電除塵器，可有效捕集煙氣中的PM10。利用濕式靜電除塵器脫除粉塵，協(xié)同脫硫、脫硝的工藝，已被應(yīng)用在電廠超低排放改造中[3-5]。

研究表明：電場電壓、煙氣流速、粉塵特性、溫度、濕度、氣流均布性、極配形式、清灰方式等對濕式靜電除塵器性能均有顯著影響[6-8]。煙氣流速既影響除塵效率，又影響集塵面積，進(jìn)而影響工程造價。因此，選擇合適的煙氣流速對于濕式靜電除塵器的設(shè)計至關(guān)重要。

筆者利用實際燃煤機組配套的立式管式濕式靜電除塵器作為研究對象，重點考察煙氣流速變化對濕式靜電除塵器脫除PM10性能的影響，以獲得煙氣流速對PM10脫除效果的影響規(guī)律，為實際工程設(shè)計中濕式靜電除塵器內(nèi)煙氣流速的選擇提供參考依據(jù)。

1 煙氣流速影響分析

以管式濕式靜電除塵器為例，根據(jù)多依奇公式[2]可獲得顆粒物脫除效率為：

η=1-exp(-2Lω/Rv)

(1)

式中：η為除塵器的粉塵脫除效率；L為除塵器的極管長度；ω為粉塵有效趨進(jìn)速度；R為除塵器極管半徑；v為煙氣流速。

從式(1)可以看出：在其他參數(shù)不變的情況下，煙氣流速與脫除效率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即煙氣流速越低，顆粒物脫除效率越高。然而，在實際工程應(yīng)用中，受造價、結(jié)構(gòu)等因素制約，煙氣流速的選取受到一定限制。

趨進(jìn)速度是塵粒在電場力、黏滯力等多種作用力下向收塵極的運動速度。濕式靜電除塵器的伏安特性、粉塵的物理性質(zhì)、煙氣粉塵質(zhì)量濃度、電暈閉塞、反電暈、氣流均勻性、煙氣流速等均會影響趨進(jìn)速度，其中很多因素對于特定煙氣、特定濕式除塵器結(jié)構(gòu)而言難以改變。然而，流速過高可在除塵器內(nèi)形成強紊流，對于細(xì)顆粒物，在強紊流的作用下極易產(chǎn)生懸浮擴散和二次揚塵，影響趨進(jìn)速度。另外，氣流速度的增加還會導(dǎo)致極線周圍飛灰和電荷量降低，從而降低趨進(jìn)速度。

綜上，煙氣流速可影響濕式靜電除塵器的流場均勻性、趨進(jìn)速度、荷電強度等；同時，濕式靜電除塵器由于極板、極線材料造價高，陰陽極及其附屬系統(tǒng)占工程造價的60%以上。因此，筆者進(jìn)行了管式濕式靜電除塵器在不同煙氣流速下對PM10脫除性能的研究。

2 試驗系統(tǒng)

2.1 試驗機組

試驗機組為260 t/h循環(huán)流化床鍋爐，50 MW汽輪發(fā)電機組，配備一套選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝裝置+干式靜電除塵器+石灰石-石膏濕法全煙氣脫硫裝置+濕式靜電除塵器。測試過程中，機組負(fù)荷始終保持穩(wěn)定，煙氣體積流量約為3 500 000 m3/h。

2.2 濕式靜電除塵器

該試驗采用的濕式靜電除塵器為管式立式，其陽極采用蜂窩管，陰極為魚骨形鉛銻合金陰極線，電源為工頻高壓恒流源。濕式靜電除塵器布置于脫硫塔與煙囪之間，煙氣經(jīng)脫硫塔流出后進(jìn)入濕式靜電除塵器，煙氣流向自上而下，處理后的煙氣最終經(jīng)煙囪排放至大氣。

2.3 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)圖見圖1。濕式靜電除塵器進(jìn)出口設(shè)置有完全隔斷的旁路煙道，通過調(diào)整煙道擋板門A和B可以調(diào)整進(jìn)入濕式靜電除塵器的煙氣量，從而實現(xiàn)對電場內(nèi)煙氣流速的調(diào)節(jié)。由于尾部煙道為負(fù)壓，因此旁路煙道煙氣并不會倒流至濕式靜電除塵器出口，不會對測試結(jié)果造成干擾。

圖1 試驗系統(tǒng)圖

該試驗恒流源基于二次電流為780 mA的額定工況下，試驗中除煙氣流速變化外，其他參數(shù)保持穩(wěn)定。煙氣取樣測點為濕式靜電除塵器進(jìn)出口煙道上的測點1和測點2(見圖1)。

2.4 測試系統(tǒng)

PM10數(shù)量及質(zhì)量濃度分布測量采用了芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的靜電低壓撞擊器(ELPI)實時在線測量；該儀器可測試粒徑在0.023～9.314 μm，是目前測試煙氣中細(xì)顆粒濃度與粒徑分布最常用的儀器設(shè)備。測試中，煙氣依次進(jìn)入采樣槍、旋風(fēng)分離器，并由旋風(fēng)分離器脫除空氣動力學(xué)直徑大于10 μm的顆粒，然后與經(jīng)凈化的高溫稀釋氣混合后進(jìn)入ELPI主體。通過顆粒荷電、慣性分級并測量分級荷電量來確定顆粒物數(shù)量濃度(每立方厘米所含有的粉塵顆粒數(shù)目)、質(zhì)量濃度和粒徑分布。對于試驗中的高濕煙氣環(huán)境，將煙氣在采樣系統(tǒng)中進(jìn)行加熱處理。另外，采用加熱、凈化后的高溫空氣作為稀釋氣體，防止水蒸氣在采樣管路和ELPI沖擊盤上凝結(jié)，對測量結(jié)果造成影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 入口數(shù)據(jù)

考察不同煙氣流速下，濕式靜電除塵器對PM10的脫除效率。使用ELPI對測點1處進(jìn)行在線測量，選取一段時間，測得粉塵質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度結(jié)果見圖2～圖5。

圖2 入口PM10數(shù)量濃度

圖3 入口PM10質(zhì)量濃度

圖4 入口不同粒徑粉塵顆粒數(shù)量濃度分布

圖5 入口不同粒徑粉塵顆粒質(zhì)量濃度分布

從圖2和圖3可以看出：進(jìn)口PM10平均數(shù)量濃度為7.3×106cm-3，平均質(zhì)量濃度為36 mg/m3。從圖4和圖5可以看出：粉塵顆粒粒徑為0.1 μm以下的數(shù)量占比99%以上，粉塵顆粒粒徑為0.1 μm以上的質(zhì)量占比99.9%以上。

3.2 煙氣流速

3.2.1 對數(shù)量濃度及質(zhì)量濃度的影響

保持擋板門A常開，調(diào)整旁路擋板門B開度，當(dāng)擋板門B開度分別約為0%、20%、50%、100%時，測得測點1煙道內(nèi)的對應(yīng)煙氣流速分別為16.1 m/s、14.2 m/s、12.1 m/s、10.4 m/s、8.8 m/s，出口測點2處的粉塵數(shù)量濃度見圖6，質(zhì)量濃度見圖7。隨著入口煙道內(nèi)的流速降低，數(shù)量濃度由1.40×106cm-3降至0.80×106cm-3，質(zhì)量濃度由約7.75 mg/m3降至4.50 mg/m3。

圖6 出口PM10數(shù)量濃度隨煙氣流速的變化

圖7 出口PM10質(zhì)量濃度隨煙氣流速的變化

3.2.2 對脫除效率的影響

圖8為煙氣流速對粉塵顆粒的分級脫除效率的影響。

圖8 煙氣流速對不同粒徑粉塵顆粒脫除效率的影響

從圖8中可以看出：隨著粉塵顆粒粒徑的增大，濕式靜電除塵器對其脫除效率呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。這主要是因為在濕式靜電除塵器脫除顆粒物的過程中，對于小粒徑的粉塵以布朗擴散作用為主，稍大粒徑以慣性運動為主，處于穿透區(qū)間(粒徑為0.1～1.0 μm)內(nèi)的細(xì)顆粒物，布朗擴散與慣性運動作用均不明顯，脫除效率最低[9]。

從圖8還可以看出：煙氣流速變化對小粒徑顆粒物脫除效率的影響較為顯著，且煙氣流速對處于穿透區(qū)間的細(xì)顆粒物脫除效率影響最大。煙氣流速直接影響粉塵的慣性運動，其變化可能打破了布朗擴散與慣性運動的平衡，促進(jìn)了顆粒物的脫除。

4 結(jié)語

(1)濕式靜電除塵器入口和出口的粉塵顆粒從數(shù)量濃度角度來看，主要是亞微米級的顆粒物；從質(zhì)量濃度角度來看，主要是微米級及以上的顆粒物。鑒于可吸入顆粒物中亞微米顆粒對人體的傷害更為嚴(yán)重[4]，通過濕式靜電除塵器降低亞微米級顆粒物的有害粉塵排放具有重要意義。

(2)濕式靜電除塵器出口PM10數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度隨煙氣流速降低而減小。入口煙氣流速由16.1 m/s降至8.8 m/s，PM10數(shù)量脫除效率由80.8%增至88.4%，質(zhì)量脫除效率由78.5%增至87.5%，應(yīng)根據(jù)實際需要探索選擇經(jīng)濟合適的流速。

(3)小粒徑顆粒物脫除效率對于煙氣流速的變化更為敏感，煙氣流速對于處于穿透區(qū)間的顆粒物脫除效率影響最大，通過降低流速來提高煙氣中極細(xì)顆粒物脫除效率的方式是可行的。