220 MW煤粉炉PM2.5浓度排放特性的试验研究

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(1.北京京桥热电有限责任公司，北京 100067；2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

220 MW煤粉炉PM2.5浓度排放特性的试验研究

马万军1,杜谦2,高建民2,赵广播2,吴少华2

(1.北京京桥热电有限责任公司，北京 100067；2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

本文采用荷电低压撞击器(ELPI)，通过对二级稀释系统采样对某电厂220 MW煤粉锅炉PM2.5的浓度排放特性进行了研究。研究结果显示，煤粉锅炉所产生烟气中PM2.5粒数浓度呈较明显的双峰分布，小颗粒峰值一般在0.12 μm或0.07 μm，较大颗粒峰值一般在0.76 μm，PM2.5粒数浓度一般为几百万粒/cm3，主要取决于由气化凝结机理形成的细模态颗粒物PM0.38，PM2.5质量浓度呈单峰分布，一般为几百mg/m3，其质量浓度主要取决于由中间模态颗粒物PM0.38～2.5；采用覆膜滤料的布袋除尘器和电袋联合除尘器对PM2.5具有较好的除尘效果，二电场电袋复合除尘器出口烟气中PM2.5最小可达200 μg/m3，粒数浓度在几万粒/cm3；当除尘效果较好时，湿法脱硫装置出口烟气中PM2.5粒数浓度和质量浓度可能会有所增加。

煤粉炉；PM2.5；浓度；排放特性

1 试验方法及测试对象

1.1 试验对象

某大型股份制发电供热企业现有4台220 MW燃煤供热汽轮发电机组，采用哈锅一次中间再热、单汽包自然循环、单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢构架Π 型布置的超高压锅炉(锅炉型号：HG-670/140-13型)。各煤粉炉采用低氮燃烧器及SCR联合脱硝；#1、#3炉采用二电场与三布袋室的电袋联合除尘器，#2炉采用一电场与三布袋室的电袋联合除尘器，#4炉采用纯布袋除尘器(所有锅炉除尘器均采用覆膜滤料布袋)；采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫，其中#1、#2共用一个吸收塔，#3、#4分别单独建吸收塔。所烧煤种主要为晋煤和蒙煤的混合烟煤，试验期间各锅炉煤质数据见表1。

1.2 测试方法

采用二级稀释采样系统(如图1所示)对烟气采样， 烟气首先经过带加热保温套的PM10预割器将10 μm以上颗粒切割，然后依次进入两级稀释器。两级稀释器通入经过滤的干洁空气对含尘烟气进行稀释，一级稀释器通入加热空气并伴热保温，二级稀释器常温稀释。经过稀释降温后的烟气，采用芬兰Dekati公司生产的荷电低压撞击器(ELPI)在线分级测量烟尘的粒数浓度和质量浓度[1-4]。试验过程中，采用武汉市天虹仪表有限责任公司TH-880F自动烟尘烟气分析仪对烟气成分进行分析。

表1 电厂锅炉煤质分析数据

图1 二级稀释采样系统Fig.1 Two stage dilution sampling system

本实验采用的ELPI可以测空气动力学直径在0.007～10 μm区间的颗粒，颗粒进入ELPI主机后，先在一个静电场内被电晕放电器荷电，然后自上而下通过每一级冲击采样器，通过惯性分离将颗粒按粒径从大到小分为12级。各级收集颗粒平均粒径分别为：0.021 μm、0.041 μm、0.076 μm、0.13 μm、0.21 μm、0.32 μm、0.50 μm、0.79 μm、1.26 μm、1.99 μm、3.13 μm、6.35 μm。采用ELPI对PM2.5测量，只需截取第10至第1级数据即可。

1.3 测点布置

现场采样位置布置如图2，在锅炉后除尘装置前的测点代表锅炉产污特性，除尘后和脱硫装置之后的测点代表锅炉排污特性。

图2 采样位置布置Fig.2 Arrangement of sampling location

2 试验结果及讨论

2.1 煤粉炉除尘前PM2.5粒数和质量浓度

Where: ra is armature winding; rf is excitation winding;rD is direct-axis damping winding;rQ is cross-axis damping winding; w is electrical angular velocity of rotor.

试验时，锅炉负荷均在额定负荷(De)的75%以上，各锅炉出口PM2.2的粒数浓度和质量浓度分布如图3(a)和(b)所示。煤粉炉各锅炉出口的总粒数浓度和质量浓度见表2。煤粉炉锅炉出口的PM2.5各区段粒数浓度和质量浓度比例见表3。

由图3(a)，220 MW煤粉锅炉产生的PM2.5粒数浓度呈较明显的双峰分布，小颗粒峰值一般在0.12 μm或0.07 μm，大颗粒峰值峰值一般在0.76 μm，小颗粒粒数浓度明显高于大颗粒。参考文献[5]，小颗粒峰值区(PM0.38)对应细模态形成机理，即无机矿物气化-凝结机理。在燃烧高温区，某些矿物质发生气化，烟气冷凝时，这些气化矿物则通过均相成核和异相凝结，凝并或聚结形成细颗粒。大颗粒峰值区(PM0.38～2.5)主要由中间模态机理形成，即由细颗粒物外部包裹气化矿物质的凝结物形成，这些细颗粒物主要来源于煤粒燃烧过程中表面破碎形成的碎片燃烧后所包含的内在矿物质熔融聚合形成的颗粒物、外在矿物质细颗粒、外在矿物质破碎形成的细颗粒物及单个细微煤粒燃烧后形成的细灰粒[6]。

图3 煤粉炉除尘前PM2.5粒数浓度和质量浓度分布Fig.3 Number and mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler before dust collector

图4 煤粉炉除尘后PM2.5粒数浓度和质量浓度分布Fig.4 Number and mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler after dust collector

图5 煤粉炉脱硫前后PM2.5粒数及质量浓度分布Fig.5 Number and Mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler after desulfurization

由表3可知，220 MW煤粉锅炉产生的PM2.5粒数浓度为几百万粒/cm3。由表4知，PM10粒数浓度主要取决于PM2.5,PM2.5粒数占PM10 99.5%以上；PM2.5粒数浓度主要取决于PM1.0，更直接取决于0.38 μm 以下的小颗粒(PM0.38)。PM1.0粒数占PM2.5 98%以上，PM0.38粒数占PM2.5 96%以上。通常认为PM0.38主要由矿物质气化凝结机理形成，即煤粉炉PM2.5粒数浓度主要取决于矿物质气化凝结机理形成的细模态颗粒物。

由图3(b)，220 MW煤粉锅炉产生的PM2.5质量浓度在0.12 μm或0.2 μm附近有一峰值。由表3知，220 MW煤粉锅炉产生的PM2.5质量浓度为几百mg/m3。由表4知，PM0.38质量浓度占PM2.5质量浓度比例很小，一般小于5%,PM2.5质量浓度主要取决于PM0.38～2.5，即PM2.5质量浓度主要中间模态颗粒物。

2.2 煤粉炉除尘后PM2.5粒数和质量浓度

试验时，锅炉负荷均在75%De以上，各锅炉除尘器后PM2.5粒数和质量浓度分布见图4(a)和(b)。煤粉炉各除尘器出口的总粒数和质量浓度见表3。煤粉炉锅炉出口的PM2.5各区段粒数和质量浓度比例见表4。煤粉炉除尘器PM2.5总粒数和质量脱除效率见表2。

表2 煤粉炉除尘器PM2.5总粒数和质量脱除效率

由图4(a)经过除尘设施后，PM2.5粒数浓度基本上仍然呈双峰分布，且各级颗粒的粒数浓度均有大幅下降。由表3，220 MW煤粉锅炉除尘后烟气中PM2.5的粒数浓度为几万粒/cm3。由表2，各除尘器的颗粒数除尘效率均较高，达到99.2%以上。由表4可看出， PM0.38粒数占PM2.5粒数在97%以上；而PM1.0所占PM2.5比例及PM0.38所占PM2.5比例均有所增加，说明除尘器对较细颗粒物的脱除效果相对较差。

由图4(b)经过除尘设施后，PM2.5的质量浓度仍呈单峰分布，由表3知，220 MW煤粉炉产生的PM2.5质量浓度在几百μg/m3；由表2，各除尘器质量除尘效率均较高，达到99.8%以上，#3锅炉采用两电场及覆膜滤料布袋复合的电袋除尘器除尘效率达到99.93%，出口浓度在200 μg/m3以下。由表4知，PM2.5质量浓度仍主要取决于PM0.38～2.5，PM0.38～2.5质量浓度占PM2.5质量浓度一般在95%以上。

由表2，各除尘器对PM2.5的除尘效果通过对比分析可看出，二电场电袋联合除尘器优于一电场电袋联合除尘器，一电场电袋联合除尘器优于布袋除尘器(#2锅炉、#3锅炉和#4锅炉除尘器后的PM2.5排放浓度分别为431 μg/Nm3、168 μg/Nm3、597 μg/Nm3)[7-8]。

2.3 煤粉炉脱硫后PM2.5粒数和质量浓度

煤粉炉石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置出口的PM2.5粒数浓度分布见图5(a)和(b)，PM2.5总粒数浓度和质量浓度见表3，PM2.5各区段粒数浓度和质量浓度比例见表4。

表3 煤粉炉各测点PM2.5总粒数浓度和质量浓度

由图5(a)和(b)，煤粉炉湿法烟气脱硫装置出口烟气中PM2.5粒数浓度和质量浓度分布峰值不明显；由表3可看出，脱硫装置后PM2.5的颗粒数浓度和质量浓度可能有所增加，也可能有所下降，分析认为一方面脱硫塔对PM2.5各级颗粒有一定脱除效果，使得PM2.5浓度有所下降，同时可能是由于湿法脱硫喷淋塔内除雾器不可能去除所有的雾滴(要求15 μm以上的雾滴低于75 mg/m3)，这种小雾滴在GGH内被烘干，小雾滴内的固体颗粒被干燥和水溶性物质结晶析出，从而造成PM2.5各级颗粒浓度有所上升。这两者的影响，从而造成了脱硫装置后PM2.5总的粒数和质量浓度可能有所增加，也可能有所下降[9-10]。

表4 煤粉炉各位置不同粒径范围颗粒粒数和质量百分含量

3 结论

(1)220 MW煤粉锅炉产生的PM2.5粒数浓度呈较明显的双峰分布，小颗粒峰值在0.12 μm或0.07 μm，大颗粒峰值在0.76 μm，小颗粒区颗粒浓度明显高于大颗粒区；PM2.5粒数浓度一般为几百万粒/cm3，PM0.38粒数占PM2.5粒数96%以上，煤粉炉PM2.5粒数浓度主要取决于由气化凝结机理形成的细模态颗粒PM0.38。

(2)220 MW煤粉锅炉产生的PM2.5质量浓度在0.12 μm或0.2 μm附近出现一峰值， PM2.5质量浓度一般为几百mg/m3。0.38～2.5 μm之间颗粒物占PM2.5质量95%以上，PM2.5的质量浓度主要取决于中间模态颗粒。

(3)采用覆膜滤料的布袋除尘器和电袋联合除尘器对PM2.5有较好的除尘效果，二电场电袋复合除尘器出口的PM2.5最小可达200 μg/m3以下，粒数浓度为几万粒/cm3。各除尘器对PM2.5除尘效果对比为二电场电袋联合除尘器优于一电场电袋联合除尘器，一电场电袋联合除尘器优于布袋除尘器。

(4)当除尘器具有较好除尘效果时，煤粉炉湿法烟气脱硫装置出口烟气中PM2.5粒数浓度和质量浓度可能会有所增加，这是由于吸收塔溢出雾滴蒸干后，造成PM2.5各级颗粒浓度有所上升引起的。

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ExperimentStudyonPM2.5ConcentrationEmissionCharacteristicsof220MWPulverizedCoalBoilers

MA Wan-jun1,DU Qian2,GAO Jian-min2,ZHAO Guang-bo2,WU Shao-hua2

(1.Beijing Jingqiao Thermal Power Co., Ltd., Beijing 100067,China;2.School of Energy Science and Technology, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

PM2.2 concentration emission characteristics of 220 MW pulverized coal Boilers was studied by two stage dilution sampling system and electrical low pressure impactor(ELPI). The study results show that the number concentration size distributions of PM2.5 made by boilers present double peaks with smaller particle peak 0.12 μm or 0.07 μm and bigger particle peak 0.76 μm, and the number concentrations are about millions per cm3, which depends on the smaller particles(PM0.38) made by mineral gasification and condensation. The mass concentration size distributions of PM2.5 made by boilers present single peaks, and the mass concentrations are about hundreds mg per cm3, and it depends on the bigger particles(PM0.38～2.5). Better removal efficiency of PM2.5 can be achieved by bag filter and electrostatic fabric filter which are made by membrane complex fabric.The mass concentration of PM2.5 in flue gas after electrostatic fabric filter with two electric fields can be less than 200 μg per m3, and the number concentrations are about tens of thousand per cm3. The mass concentrations and number concentrations of PM2.5 in flue gas after wet flue gas desulfurization system are perhaps increased for better dust removal efficiency.

pulverized coal Boiler; PM2.5; concentration; emission characteristics

2013-11-19修订稿日期2014-01-20

国家环保公益性行业科研经费专项项目(201009006);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(HIT NSRIF.2013095)

马万军，男，硕士，高级工程师。

TK16

A

1002-6339 (2014) 02-0103-05