湿法脱硫系统对PM2.5脱除作用的研究

张智博，刘松涛，柳文婷，胡杨林，王 宇，陈传敏，梅玉倩

(华北电力大学(保定)环境科学与工程系 ，河北 保定 071000)

据中国电力企业联合会2016年统计，煤炭在中国一次能源消费中占比约为62.0%，中国成为名副其实的煤炭生产与消费大国。截止2016，中国发电装机容量16.51亿千瓦、发电量6.02万亿千瓦时，而其中火电占比分别为65%和70%左右。2016年，每千瓦时的电量中，有0.66千万时是由火电产生的。巨大的煤炭消费带来了一系列环境问题。近来，雾霾问题给我们带来了越来越大的挑战，京津冀的部分污染严重城市年雾霾爆发天数甚至达百天以上，而细颗粒物PM2.5是雾霾天气的主要成因[1-2]。在严峻的灰霾天气的形势下，社会对近年来国家大力提倡的"超低排放"讨论热烈，认为湿法脱硫后的排烟温度和SO3浓度对PM2.5的排放影响较大[3]。目前，国内外对湿法脱硫对细颗粒物PM2.5的脱除效率研究较少。李壮[4]等研究了国内某660 MW燃煤机组对PM2.5的排放特性。研究认为，首先湿法脱硫对各粒径段的PM2.5均有增加；其次，当脱硫塔除雾器工作不佳时，PM2.5的排放量会明显增加。陈牧[5]研究了湿法脱硫后液滴夹带现象的成因和对周边地区的危害，并提出了改善烟囱选型以减轻排烟中液滴夹带现象。而朱法华[6]则认为湿法脱硫为中国的雾霾治理做出了卓越贡献。朱法华的研究显示，湿法脱硫可减少可过滤性颗粒物和SO3的排放，同时，湿法脱硫对烟气湿度的增大不足以影响大气的湿度。

本文以中国华北地区的两个300 MW燃煤电厂的机组为研究对象，采用直接采样法和稀释采样法比较出湿法脱硫前后二次颗粒的情况，并用稀释采样法测试燃煤机组烟气中PM2.5经过湿法脱硫装置后排放的PM2.5质量浓度和占比，以研究湿法脱硫装置前后的PM2.5排放特性。

1 烟气颗粒物采样方法

1.1 直接采样方法

常用的直接采样法利用惯性力或离心力将烟气中的颗粒物进行分级获得 PM2.5，然后用收集介质收集。主要的采样器有惯性撞击分级器、虚拟惯性撞击分级器和旋风分级采样器。

图1 采样器原理示意图Fig.1 Principle diagram of the sampler

惯性撞击分级采样法的原理如图1中所示，烟气通过加速喷嘴加速，然后 90°变向运动，不同粒径颗粒物的惯性不同，即跟随气流运动的能力也不相同，小颗粒物容易随气流一起变向运动进入下游，而大颗粒物不容易跟随气流变向，从而撞到下方的收集板上[1]。粒径小于切割粒径(Dp50)的颗粒物将主要随气流进入下游，粒径大于Dp50颗粒物将主要被捕集到收集板上，从而实现对烟气中颗粒物的分级。

2009年国际标准化组织提出了利用惯性撞击分级原理采集烟气系统中 PM10 /PM2.5的标准采样方法( ISO 23210:2009)。目前用于国内固定源采样的惯性撞击器多为粒径分级更多的分级器，如PM-10三级分级采样器、5级的DGI采样器、十三级的低压荷电撞击器(ELPI)和八级的 Andersen 惯性分级采样器。

1.2 稀释采样法

图2 FPS-4000颗粒物稀释采样系统Fig.2 Principle of indirect sampling method

稀释采样法的原理是通过一段采样管将高温烟气从烟道中引出，然后再与不含颗粒物的洁净空气混合，经稀释降温后烟气温度接近大气环境温度，最后用常规大气颗粒物的采样方法进行测定。该方法是一种基于大气环境的采样方法，模拟了高温烟气从排气口出来与实际大气的混合过程，是最接近固定源排放颗粒物在大气环境中真实状态的方法。经稀释后采集的PM2.5既包括可捕集 PM2.5，也包括可凝结PM2.5，因此稀释采样方法被认为是更准确的固定源 PM2.5采样方法，其结果比直接采样法测得的可捕集PM2.5的质量浓度高。

稀释采样方法的主要装置称为稀释通道，是该方法最关键的部分，主要参数包括稀释比、停留时间和混合段雷诺数。2013年国际标准化组织提出了稀释采样法的标准(ISO 25597:2013)，该标准是以England等设计的便携式稀释通道为原型提出的。目前，细颗粒物稀释采样设备一般采用FPS-4000(Fine Particular Sampler dilution)。图2是以FPS-4000为例的采样系统示意图。

2 测试系统与方法

2.1 实验条件

本研究选定两台300MW燃煤机组作为研究对象。测试期间，机组负荷、燃烧煤种、运行条件保持稳定，具体机组参数如图1所示。同时，两台机组的脱硝均采用选择性催化还原(SCR)技术、除尘采用电除尘(ESP)技术工艺。

表1 固定源测试条件情况汇总Table 1 Summary of experimental conditions of stationary sources

本文选定的燃煤电厂脱硫工艺，均采用的是典型的石灰石-石膏(wet flue gas desulfurization，WFGD)湿法脱硫系统，如图3所示。WFGD系统包含了以下部分：烟气系统、SO2吸收系统、吸收剂制备系统、石膏脱水系统、工艺水系统、排空系统和脱硫废水处理系统组成。

图3 石灰石/石灰-石膏湿法脱硫工艺流程图
Fig.3 Limestone / lime-gypsum WFGD flowchart

2.2 测试采样方法

根据《火电厂烟气中细颗粒物 (PM2.5)测试技术规范 重量法》(DL/T1520)标准要求，直接法采样系统中旋风分离器、撞击器应使用加热包加热，且加热温度为130±10℃，故本实验对脱硫前后采用的加热温度130℃和120℃。

除尘器出口烟气温度通常低于120 ℃而且烟气中低尘低湿，在该点位的颗粒物采样难度较低，干扰因素较少，故采用直接采样法(5级的DGI采样器)进行样品采集。在脱硫工艺出口采样时，应当先采用稀释系统将烟气稀释，稀释后的烟气湿度降低到露点以下，避免烟气中水分在采样膜前的采样器或者烟枪中发生冷凝从而导致颗粒物的损失。

3 测试结果与分析

3.1 采样方法的比较

直接采样法收集到的颗粒物为一次颗粒，而稀释采样法可以捕集到一次颗粒和二次颗粒，两种方法在同一测点的偏差，可以显示出二次颗粒在该测点烟气中的比重。

由表2可以看出，在脱硫设施前，直接采样和稀释采样的结果偏差为0.38 mg/Nm3和0.43 mg/Nm3，说明细颗粒物中可凝结的细颗粒物占比较小；而脱硫后两项结果偏差达到2.5 mg/Nm3和1.16 mg/Nm3，这说明可凝结颗粒物在脱硫后的颗粒物占比很大；两种方法测得的颗粒物去除效率，直接法最高达到79.59%，而稀释法只有45.30%。徐虹等人[10]的研究结果认为大气中的PM2.5可溶性盐占比达30%～50%；燃煤电厂烟气中二次颗粒占比最高可达70%。Bangert 等人的研究认为，脱硫后烟气中未与SO2反应的CaO/CaCO3在收集到采样膜前形成了比表面积较大、粘附性较高的多孔结构，这一新生成的多孔结构与烟气中的SeO2/As4O6等非金属氧化物再次反应，生成微米甚至亚微米级的颗粒[11-12，15]。

表2 两种采样方法的对比Table 2 Comparison of two sampling methods

综上所述，脱硫前烟温一般高于102℃，含湿量较低，采样条件相对简单，可以采用直接法和稀释法两种方法采样；脱硫后烟气中二次颗粒增多，应采用稀释法采样。因此，本研究测定脱硫前后各粒径段细颗粒物质量浓度时，均采用稀释法。

3.2 PM2.5排放特性

图4 300 MW机组各粒径段去除效率Fig.4 The removal efficiency of particles in each particle size of 300 MW units

3.3 发散系数CD

发散系数 (coefficient of divergence, CD) 用以验证两变量之间的相似性，介于0～1之间。CD的值越小，表明两变量之间的相似性越高，反之则越低[13-14]。CD的计算公式如下：

式中：j,k——变量，文中j为脱硫前，k为脱硫后；

P——分析元素的数量；

Xi，j——浓度，mg/Nm3。

图5分析了两个典型燃煤电厂脱硫前后不同粒径段的相似性。A和B在0.5～1 μm处的CD值分别为0.3044和0.6129，在0.5～1 μm处的CDA明显高于其它粒径段。Wongphatarakul等人认为当CDj,k小于0.3时，变量j，k的相似性较高；当CDj,k值大于0.4时，j和k的相似性较低[13]。因此两个测试机组在0.5～1 μm处的CD值与其他粒径段相比均比较大，这说明0.5～1 μm粒径段的颗粒物脱硫前后相似性低,；在0.2～0.5μm和 <0.2μm粒径段内的CD值明显小于0.1，表明脱硫前后这两个粒径段内的颗粒物相似度较高。这与之前的分析结果相一致。

图5 燃煤机组的发散系数(CD)Fig.5 Divergence coefficient of coal-fired units(CD)

4 结论

(1)湿法脱硫(WFGD)在高效脱除燃煤烟气SO2的同时，还可协同脱除烟气中的飞灰颗粒物以及其他有害物质。本文用直接采样和稀释采样两种方法测得烟气中的颗粒物的质量浓度，脱硫前两种方法的测试偏差小于0.43 mg/Nm3，而脱硫后偏差达到2.56 mg/Nm3，表明湿法脱硫系统增加了烟气中二次颗粒的比重。

(2)用稀释采样方法，测试了脱硫前后各粒径段的颗粒物浓度， WFGD对2.5 μm以下的各粒径段的颗粒脱除能力不同，脱除效率最低的粒径段为0.5～1 μm。表明了湿法脱硫过程中，烟气会夹带少量石灰石浆液，对颗粒物尤其是细颗粒排放特性造成影响。

(3)燃煤机组的发散系数CD值在0.5～1 μm处均比较大，CDA 达到0.6129。说明湿法脱硫对0.5～1 μm的颗粒影响最大。

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(本文文献格式：张智博，刘松涛，柳文婷，等.湿法脱硫系统对PM2.5脱除作用的研究[J].山东化工，2018，47(02)：140-143.)