近零排放机组不同湿式电除尘器除尘效果

赵　磊，　周洪光

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)



近零排放机组不同湿式电除尘器除尘效果

赵磊，周洪光

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100025)

摘要：采用烟尘采样仪和细颗粒物采样仪对某电厂已实现近零排放的2台300 MW燃煤机组的不同极配形式湿式电除尘器进行现场采样测试，对不同湿式电除尘器烟气中颗粒物的总体和分级脱除效率进行了测量，并对其颗粒物直径分布的变化进行了对比.结果表明：线板式湿式电除尘器和管式湿式电除尘器均具有良好的深度除尘效果，2种极配形式均可以使燃煤电厂烟尘排放达到近零排放标准，即小于5 mg/m3；相对于管式湿式电除尘器，线板式湿式电除尘器在大于10 μm和小于1 μm直径段有着更好的除尘效果.

关键词：近零排放； 线板式湿式电除尘器； 管式湿式电除尘器； 直径分布

近年来，随着雾霾现象在我国部分地区出现，人们对环境质量的要求越来越高.在各种雾霾成分分析报告中，燃煤电厂对雾霾的贡献率都在20%左右，煤燃烧过程会导致各种气态污染物和颗粒物的排放，这些烟气中的污染物是大气污染的重要原因.因此，我国于2011年颁布了新的火电厂大气污染物排放标准[1]，规定重点地区燃煤电厂的烟尘排放不高于20 mg/m3.2014年，国家三部委发布了2093号文，其中规定我国东部地区燃煤机组的烟尘排放不高于10 mg/m3.

针对现有空气污染控制形势和国家新标准的要求，国华电力公司提出了“绿色高品质发电计划”，其中提出了燃煤机组的污染物排放要低于燃气机组的近零排放概念.2014年，国华电力公司共有近10台燃煤机组完成了近零排放的新建和改造，达到了烟气中烟尘排放小于5 mg/m3的水平.

湿式电除尘器(WESP)是一种新式的电除尘器，作为深度净化烟气的装置，安装在燃煤电厂湿法脱硫装置之后，能够有效地控制烟气中烟尘的排放[2-5].湿式电除尘器主要在除尘器中喷淋水，在阳极板和阴极线上形成连续的水膜，不但可以增加烟气中的含湿量，提高脱除效率，还可以用水膜清灰，防止反电晕现象和二次扬尘现象对烟尘控制带来的影响.同时湿式电除尘器对PM2.5的脱除也有很好的效果[6].

湿式电除尘器按照极配形式的不同，可以分为2种主要的技术流派，分别是管式湿式电除尘器和线板式湿式电除尘器，这2种湿式电除尘器近2年在我国燃煤机组中均开始有应用的业绩.

管式湿式电除尘器都以单元并联的形式组成，其中的单元是由阴极线和阳极板组成的，阳极板的布置形式是圆柱形阳极板，或者由4块或6块阳极板拼接形成正方形或者正六边形筒形单元.管式湿式电除尘器采用立式布置，其烟气流动方向是上进下出或者下进上出的模式，其喷淋方式主要是间歇喷淋，根据机组运行工况的不同来选择间歇喷淋的周期，喷淋主要起到清灰的作用，周期为一周或者两周.管式湿式电除尘器的阳极板都采用防腐材料，目前在燃煤电厂中应用的阳极材料主要有柔性极板和刚性极板2种，柔性极板采用特殊防酸布料制成，刚性极板采用导电玻璃钢等材料制成.

线板式湿式电除尘器采用卧式布置方式，烟气平进平出，其阴阳极都采用不锈钢材料制成，极线形式和线板间距均与干式除尘器相似.在这种极配形式下主要采用连续喷淋的方式.为在阳极板上形成连续且均匀的水膜，采用的连续喷淋水量较大，在已投运300 MW机组的湿式电除尘器中，循环水体积流量一般为40 t/h，补给水和外排水体积流量为8 t/h.

笔者对某个已经实现近零排放的电厂中2种湿式电除尘器进行了现场测试，分析其对烟尘的脱除效果，并研究了2种湿式电除尘器对细颗粒物(PM2.5)的控制效果和湿式电除尘器进出口处烟尘直径分布的变化，最后讨论了2种湿式电除尘器的优缺点和使用场合，为近零排放机组提供理论支持.

1湿式电除尘器现场测试

1.1测试对象

湿式电除尘器除尘效果的现场测试在已实现近零排放的某电厂2台300 MW机组上进行.该电厂2台300 MW机组采用不同极配形式的湿式电除尘器，1号机组采用管式(立式)湿式电除尘器，而2号机组采用线板式(卧式)湿式电除尘器.由于所采用的燃煤相同，便于对2种不同湿式电除尘器进行对比.这2台燃煤机组在湿式电除尘器之前，均采用完全相同的炉后烟气烟尘处理装置，前置除尘设备都是选型和改造方案相同的静电除尘器、石灰石-石膏法湿法脱硫设备，其中2台机组的静电除尘器均进行过相同的高频电源改造，湿法脱硫塔中均加入3级除雾器，保证了湿式电除尘器入口烟尘(含石膏)质量浓度相对较低，且2台湿式电除尘器的入口烟尘质量浓度相同.2台机组湿式电除尘器主要设计参数见表1.

表1不同极配形式湿式电除尘器设计参数的对比

Tab.1Comparison of design parameters between two WESPs with different electrode configurations

参数1号机组2号机组极配形式管式(立式)线板式(卧式)阳极板形式柔性极板刚性极板入口湿烟气体积流量/(m3·h-1)12480001248000入口烟尘质量浓度/(mg·m-3)2525出口烟尘质量浓度/(mg·m-3)53比集尘面积/(m2·(m3·s-1)-1)29.123.4烟气流速/(m·s-1)2.22.3

需要说明，2台机组的出口烟尘质量浓度设计值不同，管式湿式电除尘器出口目标值为5 mg/m3，而线板式湿式电除尘器出口目标值为3 mg/m3.在分析除尘效率时，会考虑到此设计参数的不同.

1.2颗粒物测试仪器

针对湿式电除尘器进出口处总烟尘量，采用青岛崂山应用技术研究所制造的3012H型烟气分析仪进行采样测量，满足GB/T 16157—1996 《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》标准中的规定.针对细颗粒物质量浓度的测量，采用芬兰Dekati公司的DPI细颗粒物采样仪，该仪器是根据ISO 23210—2009、EPA Method 201A标准设计的，系统主要组成为：等速采样枪、切割器、连接弯管、撞击器和真空抽气泵.采样枪上配有等速采样头，保证烟气等速取样.按照空气动力学直径的大小，将烟气中的细颗粒物分成4级进行收集，相邻2级之间的切割直径分别为10 μm、2.5 μm、1 μm和0.1 μm.采样仪内体积流量控制在10 L/min，保证切割直径不偏移.采样原理如图1所示，气流进入采样仪后急速转弯，具有足够惯性的大颗粒不能随着气流转弯，被收集到采样盘上，惯性较小的小颗粒仍然在气流中，随着气流转弯，并进入下一级进行筛选.

采样后，将采样仪拆解，并将采集的灰样置于105 ℃的烘箱中烘干2 h，然后冷却至室温，用天平(量程为0.1 mg)对每级颗粒物称重，并计算其质量浓度.

图1　DPI细颗粒物采样仪分级采样原理

在实际现场测量时，将烟枪伸入到测点当中采样.由于湿式电除尘器的前后烟道中均是饱和湿烟气，其中的液滴和冷凝产生的水滴会严重影响颗粒物质量的测量，因此在烟枪、DPI细颗粒物采样仪外部均需加装加热装置，进入DPI细颗粒物采样仪前的全部管路也要加装保温装置，防止水蒸气在管路沿途冷凝形成水滴.

1.3测点布置

针对2台300 MW机组不同极配形式的湿式电除尘器，对不同直径段的颗粒物进行脱除性能测试实验，在2台湿式电除尘器的进出口布置测点进行采样测试.2台机组的湿式电除尘器测点位置一致，其测试截面如图2所示.进出口烟道的顶部和两侧各布置一个测孔，按照等面积圆环布置9个测点，这样进出口烟道各布置36个测点.在细颗粒物测试中，选取断面的平均风速点进行采样.入口测点颗粒物质量浓度大，测试时间相对短，但是在出口采样截面中，颗粒物经过湿式电除尘器的深度净化，质量浓度低，为了确保采样量符合要求，满足称重条件，测试时间相对较长，每次采样需要2.5~3 h.在100%、75%和50%锅炉负荷时各采样2次.

图2　湿式电除尘器现场测点示意图

分级除尘效率可以定义为该直径段颗粒物在湿式电除尘器进出口烟道处烟尘质量浓度之差与进口烟道处烟尘质量浓度的比值，如式(1)所示：

(1)

式中：ρin和ρout分别为湿式电除尘器进口和出口的烟尘质量浓度.

2测试结果与分析

2.1不同湿式电除尘器的除尘效果

2种不同极配形式的湿式电除尘器进出口烟尘质量浓度和除尘效率见表2.由于设计值和极配形式的不同，出口烟尘质量浓度和除尘效率有所差异.管式湿式电除尘器出口烟尘质量浓度设计值为5 mg/m3，实测值为4.7 mg/m3；线板式湿式电除尘器出口烟尘质量浓度设计值为3 mg/m3，实测值为1.8 mg/m3.根据表1和表2中2台湿式电除尘器的设计值和实测值可以看出，2台湿式电除尘器进口烟尘质量浓度、比集尘面积和烟气流速等主要设计参数均接近，但是线板式湿式电除尘器出口烟尘质量浓度较低.2台机组出口烟尘质量浓度均满足设计要求，并且达到了近零排放的标准，在国内火电机组中处于烟尘低排放的领先地位.

表2不同极配形式WESP进出口烟尘质量浓度和除尘效率的对比

Tab.2Comparison of removal efficiency between two different WESPs

电除尘器极配形式进口烟尘质量浓度/(mg·m-3)出口烟尘质量浓度/(mg·m-3)除尘效率/%管式16.24.770.99线板式16.11.888.82

2.2不同湿式电除尘器对细颗粒物的控制效果

不同极配形式的湿式电除尘器对细颗粒物的脱除效率也不同，针对不同直径段的颗粒物各有优势.如图3所示，对于PM10和PM2.5的脱除，管式和线板式湿式电除尘器的除尘效率近似相同，分别在78%和77%左右，但是线板式湿式电除尘器对PM1的脱除效率明显高于管式湿式电除尘器，线板式湿式电除尘器对PM1的脱除效率为76%，管式湿式电除尘器仅为72%.

造成2种不同湿式电除尘器对PM1脱除效率不同的因素主要为：第一，喷淋方式不同.线板式湿式电除尘器采用连续喷淋方式，管式湿式电除尘器采用间歇喷淋方式，每周或者两周喷淋一次，每次10 min左右.因此，在线板式湿式电除尘器中存在大量的喷淋水滴，这些喷淋水滴的直径很小，在电场中可以与颗粒物一样荷电.同时，水滴与颗粒物之间由于液桥力的作用，可以凝并长大.在传统电除尘器中，颗粒物的荷电分为2种机制，电场荷电主要针对大于1 μm的颗粒物，而扩散荷电主要使小于0.1 μm的颗粒物荷电.在0.1~1 μm范围内的颗粒物，由于电场荷电和扩散荷电的作用力都不明显，因此荷电量少，属于最不易于电除尘器脱除的直径范围.而颗粒物由于液桥力的作用与水滴结合，有效直径增大，有利于脱除.因此，液桥力是线板式湿式电除尘器对PM1脱除效率高的主要因素.第二，热泳力.热泳力是颗粒物在温度场中沿温度梯度方向所受的作用力[7-9].在湿式电除尘器中，越接近阳极板的空间，热泳力的作用越明显.直径较小的颗粒物所受电场力较小，此时在近极板处热泳力所占比例增大.线板式湿式电除尘器主要采用连续喷淋方式，阳极板时刻处于低温且恒温的状态.这样烟气与阳极板之间就会产生较大温差，热泳力作用明显，细颗粒物主要靠热泳力被驱动、黏附在阳极板上.但是在管式湿式电除尘器中，由于不采用连续喷淋方式，阳极板的温度与烟气温度相近，两者温差小，热泳力小，对细颗粒物的脱除无显著效果.Romay等人计算出了热泳力作用下的颗粒物脱除效率，如式(2)所示：

图3　2台机组不同直径段颗粒物脱除效果

Fig.3Removal efficiency of two different WESPs for PM10, PM2.5and PM1

(2)

式中：Tw为阳极板温度；Ti为烟气温度；Te为自由电子温度；cp为气体的比定压热容；D为颗粒物直径；h为对流传热系数；L为湿式电除尘器长度；u为气流流速；ρ为气体密度；Pr为普朗特数；Kth为热泳常数.

(3)

式中：kg和kp分别为气体和颗粒物的导热系数；Kn为克努森数；Cn为卡宁汉修正系数.

由式(2)可以推断，当烟气与阳极板温差变大时，颗粒物的脱除效率提高；在温差不变的情况下，颗粒物的直径越小，热泳力作用下的颗粒物脱除效率提高.

表3给出了2种不同湿式电除尘器进出口处的PM10、PM2.5和PM1质量浓度的对比.由表3可得出2种不同湿式电除尘器进口处颗粒物的直径分布和出口处的直径分布情况.由于2台机组在湿式电除尘器之前的设备和燃烧煤种都相同，因此进入湿式电除尘器中烟尘的质量浓度和直径分布相似.如图3所示，2种不同湿式电除尘器的进口处，在大于10 μm的直径段，管式湿式电除尘器的颗粒物略多，在小于10 μm的直径段，线板式湿式电除尘器的颗粒物多.

表32台机组湿式电除尘器进出口PM10、PM2.5和PM1质量浓度的对比

Tab.3Comparison of PM10, PM2.5and PM1mass concentration between inlet and outlet of the two WESPs

电除尘器形式PM1质量浓度/(mg·m-3)PM2.5质量浓度/(mg·m-3)PM10质量浓度/(mg·m-3)管式进口1.352.293.12出口0.380.520.68线板式进口2.033.444.69出口0.490.771.01

图4和图5给出了经过2种不同湿式电除尘器之后，相同质量浓度和直径分布的烟尘各直径段质量浓度的对比.由图4和图5可知，在大于10 μm的直径段，线板式湿式电除尘器出口烟尘质量浓度明显低于管式湿式电除尘器，而小于10 μm直径段的颗粒物直径分布与进口处的比例相似.在小于1 μm的直径范围，线板式湿式电除尘器也有更好的除尘效果.因此，线板式湿式电除尘器出口烟尘质量浓度低的主要原因是可以将大于10 μm和小于1 μm的颗粒物有效脱除.

在相同电压电流下，由于喷淋方式不同，线板式湿式电除尘器内部液滴含量较高，管式湿式电除尘器内部液滴含量低.液滴在液桥力的作用下可以使细颗粒物长大，同时液滴在电场中可以荷电，在静电力的作用下也有利于颗粒物的脱除[10].静电力的作用是脱除10 μm以上颗粒物的主要因素.

图4　2台湿式电除尘器进口处颗粒物质量浓度的分布

图5　2台湿式电除尘器出口处颗粒物质量浓度的分布

2.3不同锅炉负荷下湿式除尘器除尘效果

在不同锅炉负荷下，2种不同湿式电除尘器的除尘效率也有所不同.如图6所示，在50%、75%和100% 3个负荷点，线板式湿式电除尘器的除尘效率明显高于管式湿式电除尘器，随着负荷的降低，2种不同湿式电除尘器的除尘效率均有小幅度提高.负荷的变化对除尘效率主要有2种不同影响：首先，负荷的降低使烟气温度降低，烟气量减少，烟气通过湿式电除尘器的时间(即烟尘在湿式电除尘器中荷电脱除的时间)增加，有利于提高除尘效率;其次，烟气温度的降低减小了烟气与阳极板之间的温差，减弱了热泳力的作用.负荷降低时，2种作用综合，使除尘效率略有提高.

图6　不同湿式电除尘器在不同锅炉负荷下的除尘效率

Fig.6Particle removal efficiency of the two WESPs at different unit loads

不同湿式电除尘器在不同负荷下对PM2.5的脱除效率见图7.由图7可知，在75%负荷时，脱除效率达到最高.当负荷从100%降低到75%时，烟气量的下降起主要作用，使PM2.5的脱除效率提高，当负荷从75%降低到50%时，由于颗粒物直径较小，荷电情况并不能随着增加停留时间而持续变好，但此时热泳力作用的减弱会使PM2.5的脱除效率降低.在50%负荷点可以看到，此时线板式和管式湿式电除尘器对PM2.5的脱除效率已经基本相同，这是因为线板式湿式电除尘器中颗粒物所受热泳力会随着烟气温度的下降而明显减小.

图7　不同湿式电除尘器在不同锅炉负荷下PM2.5的脱除效率

Fig.7PM2.5removal efficiency of the two WESPs at different unit loads

2.4不同湿式电除尘器的优缺点与使用场合

2.4.1管式湿式电除尘器

管式湿式电除尘器具有良好的除尘效率，但是其除尘效果并没有线板式湿式电除尘器好.在除尘机理上，管式湿式电除尘器有2点局限，使得其达到一定的除尘效率后，很难再进一步提升.这2点局限分别是阴极线线型和阳极板形式.

(1) 阴极线线型选择.

在现有的管式湿式电除尘器中，采用的阴极线主要是螺旋线和芒刺线，其原理都是尖端放电.在每一个尖端放电的芒刺上，垂直于烟气流动的横截面上，尖端放电所产生的放电区域只能覆盖很小一部分的截面，即当烟气流过这个截面时，只有流过放电区域的颗粒物被荷电、脱除，而大部分的颗粒物并没有流过放电区域.

(2) 阳极板形式的选择.

管式湿式电除尘器采用正六边形、正四边形或者圆形放电区域布置.在正六边形和正四边形的布置方式下，每2块阳极板之间的连接处距离极线最远，放电强度弱.流过此处的烟气中的颗粒物所受电场力小，不易被脱除.使用圆形阳极板布置不存在此问题,但目前国内还没有应用圆形阳极板管式湿式电除尘器的案例.

上述2点均是管式湿式电除尘器在除尘机理上的不足，使得其在达到一定的除尘效果之后，很难再有所提升.但是管式湿式电除尘器也有应用场合，尤其是针对现场场地有所局限的改造机组，可以布置在湿法脱硫塔上，节约用地.

2.4.2线板式湿式电除尘器

线板式湿式电除尘器除尘效率高，可有效控制脱硫塔后烟气中大于10 μm和小于1 μm的颗粒物，适用于希望达成近零排放的机组.根据实际工程经验，如上文中的测试结果所示，线板式湿式电除尘器可以有效地将烟尘质量浓度控制在3 mg/m3以下.

线板式湿式电除尘器的现场应用也有一定的限制.为了达到良好的烟尘控制效果，线板式湿式电除尘器需要采用多电场布置的方式，对于改造机组来说，需要足够的空间布置.另外，线板式湿式电除尘器需要采用连续喷淋的方式，要设计安装循环水系统.如果要将外排水通入到脱硫系统中，需要核算脱硫系统的水平衡问题，同时要对外排水水质进行测量与控制.

3结论

(1) 线板式和管式湿式电除尘器均具有良好的深度除尘效果，2种极配形式均可以使燃煤电厂烟尘达到近零排放标准，即小于5 mg/m3.

(2) 相对于管式湿式电除尘器，线板式湿式电除尘器在大于10 μm和小于1 μm直径段有更好的除尘效果.负荷降低会少量提高除尘效率.

(3) 管式湿式电除尘器在除尘机理上有所局限，在达到一定的除尘效果后，很难再有所提升，但是由于其立式布置的便捷性，可以应用在场地有局限的改造机组中；线板式湿式电除尘器可以达到更好的除尘效果，但是其占地面积大，对脱硫塔后、烟囱前的场地有所要求.

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Removal Efficiency of Different WESPs in Coal-fired Power Plants with Near-zero Emissions

ZHAOLei,ZHOUHongguang

(Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China)

Abstract：Using a traditional particle collector and a Dekati DPI small particle collector, flue gas particles were sampled from the inlet and outlet of two differently-structured wet electrostatic precipitators (WESPs) in two 300 MW coal-fired units with near-zero emissions, to which the overal and grade removal efficiency were measured, while the particle size distribution was analyzed. Results show that both the wire-plate and wire-pipe WESP have an outstanding paricle removal efficiency, and the near-zero emission standard of flue gas particles can be achieved using either the wire-plate or wire-pipe WESP, i.e. the particle emission could be controlled under 5 mg/m3. Compared with the wire-pipe WESP, the wire-plate one has a higher particle removal efficiency in the range of particle sizes larger than 10 μm and smaller than 1 μm.

Key words：near-zero emission; wire-plate WESP; wire-pipe WESP; particle size distribution

文章编号：1674-7607(2016)01-0053-06

中图分类号：TK223

文献标志码：A学科分类号：470.30

作者简介：赵磊(1985-)，男，吉林长春人，工程师，博士后，主要从事燃煤电厂除尘方面的研究.电话(Tel．)：13718593896；

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2015BAA05B02)

收稿日期：2015-03-18

修订日期：2015-05-27

E-mail：16810112@shenhua.cc．