濕法脫硫?qū)?60 MW煤粉爐PM2.5排放影響的實驗研究

李壯1，王海濤2，董鶴鳴2，李東3

(1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 300000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃燒工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；

3.中電投蒙東能源集團通遼熱電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000)

摘要：為研究濕法脫硫系統(tǒng)對電站煤粉鍋爐PM2.5排放特性的影響，以一臺660 MW煤粉爐為研究對象，通過兩級稀釋系統(tǒng)對PM2.5等速采樣，利用低壓荷電撞擊器(ELPI)監(jiān)測污控設(shè)備對PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度的影響。結(jié)果表明：鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度與質(zhì)量濃度均呈雙峰分布；脫硫后各級PM2.5濃度均有所升高；除霧器清洗可降低PM2.5排放量而增加運行的循環(huán)漿液泵數(shù)可增加PM2.5排放量。由于脫硫漿液會形成顆粒，除霧效果不佳的濕法脫硫裝置可增加PM2.5排放量。

關(guān)鍵詞：PM2.5；濃度；脫硫工藝；排放特性；煤粉爐

中圖分類號：TK229.6`+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0398-05

Abstract：To study the impact of desulfurization system for PM2.5 emission characteristics of pulverized coal fired boiler plant, this paper selected a 660MW pulverized coal boiler as research object, conducted isokinetic sampling on PM2.5 by two dilution system, monitored the impact of pollution control equipment for number concentration and mass concentration of PM2.5 by using low-voltage charge impactor (ELPI). The results show that: both number and mass concentration distribution of PM2.5 are bimodal distribution; after desulfurization PM2.5 concentration of each levels were increased; demister cleaning can reduce PM2.5 emissions and the number of running circulating slurry pump increase will make PM2.5 emissions increase. Since the desulfurization slurry can form particles, wet desulfurization equipment with poor defogging effect would increase PM2.5 emissions.

收稿日期2015-04-22修訂稿日期2015-06-29

基金項目：國家環(huán)保公益性行業(yè)科研經(jīng)費專項項目(No.201009006)

作者簡介：李壯(1988~)，男，碩士，助理工程師，研究方向為燃煤污染物減排技術(shù)。

Experimental Study on the Influence of Wet Desulfurization on PM2.5Emissions from a 660MW Pulverized Coal Boiler

LI Zhuang1,WANG Hai-tao2,DONG He-ming2,LI Dong3

(1.Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 300000,China;

2.Institute of Combustion Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;

3.China Power Investment East Mongolia Group Tongliao Thermal Power Generation,Tongliao 028000,China)

Key words：PM2.5;concentration;desulfurization process;emission features;pulverized coal boiler

0引言

目前國內(nèi)外對PM2.5產(chǎn)生特性的研究較多，Linak等[3]研究了燃煤排放顆粒物的濃度及模態(tài)分布；岳勇等[4]研究了煤粉爐、水煤漿爐及CFB鍋爐排放顆粒的形貌及元素分布。但對脫硫裝置等污控設(shè)備對PM2.5影響分析的研究還很少，清華大學(xué)王琿等[5]對火電廠濕法脫硫系統(tǒng)對顆粒物脫除作用進(jìn)行了實驗研究，試驗中發(fā)現(xiàn)在脫硫裝置出口細(xì)顆粒中有7.9%的石膏晶粒；東南大學(xué)顏金培等[6]研究了脫硫裝置引入蒸汽相變技術(shù)來加強脫硫裝置對PM2.5的脫除；而作為火電廠煙氣排放最終把關(guān)設(shè)施，對于脫硫裝置對PM2.5排放影響的研究是十分必要的。

本文以一臺660 MW鍋爐為研究對象，測量其產(chǎn)生和經(jīng)過污控設(shè)備后排放的PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度。同時，研究了脫硫工藝中噴淋裝置、除霧器對PM2.5的粒數(shù)和質(zhì)量濃度的影響，為進(jìn)一步對PM2.5的脫除打下基礎(chǔ)。

1實驗對象、測試系統(tǒng)及測點布置

1.1　實驗對象

本實驗選取一臺660 MW超臨界空冷發(fā)電機組為研究對象，鍋爐出口蒸汽參數(shù)25.4 MPa，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量2 210 t/h。采用4只低NOx墻式直流燃燒器，切圓燃燒。除塵設(shè)備采用四電場靜電除塵器，其中電除塵器一電場的設(shè)計輸灰能力不小于88 t/h(每爐)，二電場的設(shè)計輸灰能力在17.6～88 t/h(每爐)之間，三電場的設(shè)計輸灰能力在3.52～16 t/h(每爐)之間，四電場的設(shè)計輸灰能力在1～4 t/h(每爐)之間。脫硫設(shè)備采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫塔內(nèi)布置四層噴淋、兩級除霧器。試驗期間的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)及煙氣數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1鍋爐燃煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

干基水分/[%]揮發(fā)分/[%]灰分/[%]固定碳/[%]碳/[%]硫/[%]氫/[%]氮/[%]氧/[%]高位發(fā)熱量/MJ·kg-1低位發(fā)熱量/MJ·kg-13.3825.530.1041.0251.531.653.060.79.5820.1319.43

表2煤灰成分分析數(shù)據(jù)

SiO2/[%]Al2O3/[%]Fe2O3/[%]CaO/[%]MgO/[%]SO3/[%]TiO2/[%]K2O/[%]Na2O/[%]P2O5/[%]MnO2/[%]48.9425.746.046.262.163.261.241.380.260.220.12

表3氣態(tài)污染物排放濃度

測點位置SO2/mg·m-3NO/mg·m-3CO/mg·m-3O2/[%]NO2/mg·m-3鍋爐出口 335913206.87143除塵器出口235110805.1471脫硫塔出口17211806.342

1.2　測試系統(tǒng)

如圖1所示，采用等速采樣噴嘴將煙道中的煙塵進(jìn)行等速采樣，進(jìn)入采樣槍的煙塵首先經(jīng)過旋風(fēng)分離器將10 μm以上的顆粒物切割下來，然后進(jìn)入兩級稀釋器并通入經(jīng)過過濾的空氣進(jìn)行稀釋，經(jīng)過稀釋并降溫后的顆粒物采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的低壓荷電撞擊器(ELPI)進(jìn)行分級測量。為了防止可凝結(jié)物質(zhì)形成顆粒物，旋風(fēng)分離器和第一級稀釋器需進(jìn)行加熱保溫，而ELPI的工作溫度在-5~45℃，所以第二級稀釋器常溫稀釋。

1.3　測點布置

如圖2所示，采樣點分別布置在鍋爐出口、除塵裝置以及脫硫裝置出口。鍋爐出口代表鍋爐PM2.5的產(chǎn)生特性，除塵裝置和脫硫裝置出口采樣點用于研究污控設(shè)備對PM2.5排放特性影響。

2實驗結(jié)果與討論

2.1　PM 2.5的產(chǎn)生特性

從表4和表5可以看出，PM1.0占PM2.5粒數(shù)濃度的98%以上，而PM0.38占90%以上，這說明PM2.5的粒數(shù)濃度主要取決于PM0.38；而對于質(zhì)量濃度，PM0.38在鍋爐出口和除塵設(shè)備出口PM2.5中份額都在20%以下，這說明PM2.5的質(zhì)量濃度分布主要取決于0.38μm以上顆粒物，而脫硫工藝后的PM0.38的質(zhì)量濃度增加到45%，說明石灰石—石膏脫硫裝置會使得PM2.5中PM0.38份額增加。根據(jù)表4，單位質(zhì)量的PM2.5濃度粒數(shù)濃度為十幾萬到幾百萬個，由于粒徑越小的PM2.5比表面積越大，富集的有毒物質(zhì)也越多，所以監(jiān)測PM2.5的粒數(shù)濃度也同樣有重要意義。

表4各粒徑范圍粒數(shù)濃度比例

位置PM0.38/?！m-3PM1.0/?！m-3PM2.5/?！m-3PM1.0/PM2.5PM0.38/PM2.5PM2.5單位質(zhì)量粒數(shù)/粒·mg-1鍋爐出口 1200735912155350122051660.99590.9837190344.4879除塵設(shè)備出口54854.9559236.7360185.80.98420.9114205588.4227脫硫設(shè)備出口2513897825145878251468710.99990.99964176915.657

表5各粒徑質(zhì)量濃度比例

位置 PM0.38/mg·m-3PM1.0/mg·m-3PM2.5/mg·m-3PM1.0/PM2.5PM0.38/PM2.5PM2.5單位質(zhì)量粒數(shù)/粒數(shù)·mg-1鍋爐出口 63.08225153.9624345.97420.44500.1823—除塵設(shè)備出口 0.2668192.7332996.391390.42770.0417—脫硫設(shè)備出口 6.0185519.4068113.236010.71070.4547—

圖1　二級稀釋采樣系統(tǒng) 1-采樣探頭；2-帶加熱保溫套的PM 10切割器；3-采樣管；4-帶加熱保溫套的一級稀釋器；5-空壓機;6-調(diào)節(jié)閥Ⅰ； 7-空氣過濾器；8-壓力表；9-一級稀釋器稀釋空氣加熱器；10-調(diào)節(jié)閥Ⅱ；11-不加熱的二級稀釋器； 12-荷電低壓撞擊器(ELPI)；13-壓力調(diào)節(jié)閥；14-真空泵；15-PM 2.5切割器；16-采樣用濾膜；17-調(diào)節(jié)閥Ⅲ；18-氣體流量計；19-采樣泵

圖2　測點布置(●采樣點)

試驗時，鍋爐負(fù)荷660 MW(100%De)，鍋爐出口、除塵設(shè)備和脫硫裝置出口PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布，如圖3(a)和圖3(b)所示。

從圖3(a)，在鍋爐出口PM2.5的粒數(shù)濃度呈雙峰分布，峰值出現(xiàn)在0.12 μm和0.76 μm處，這是由于在爐膛內(nèi)燃燒區(qū)溫度大約為1 500℃，而在溫度為1 200℃以上氧氣無法擴散到煤粉顆粒表面，煤中的礦物質(zhì)處于還原性氣氛，這些礦物質(zhì)會以原子或次級氧化物蒸汽形式存在。當(dāng)原子態(tài)或次級氧化物形態(tài)的礦物質(zhì)蒸汽到達(dá)邊界層遇氧氣會形成難融氧化物，由Helble的實驗[7]可知，難熔氧化物在焦炭的邊界層中形成了均相凝結(jié)和凝并。初級難熔氧化物顆粒粒徑可能為幾個納米，但數(shù)量極大，之后隨顆粒間碰撞凝并，粒數(shù)減少但單顆粒增大。當(dāng)顆粒物進(jìn)入煙氣主體時，將通過布朗運動相互碰撞、凝結(jié)成0.12~0.3 μm的較大顆粒，所以在0.12~0.3 μm處會出現(xiàn)粒數(shù)濃度為百萬個粒子/cm3。而0.76 μm出現(xiàn)峰值是因為焦炭表面熔融聚合灰因焦炭顆粒表面破碎而分離形成。除塵設(shè)備出口PM2.5粒數(shù)濃度呈現(xiàn)雙峰分布，但峰值向小粒徑方向移動，這說明靜電除塵設(shè)備對于大顆粒脫除效果更好。在脫硫裝置出口的PM2.5粒數(shù)濃度分布的峰值向粒徑更小的方向移動，大約在0.07 μm處濃度為百萬個粒子/cm3。對于沒有GGH系統(tǒng)的脫硫工藝，煙氣中會摻入大量小霧滴，對于粒徑為0.3 μm的霧滴，含鹽濃度為3%，灰的密度約為水的2.5倍，這樣的顆粒蒸干會形成0.07 μm的顆粒物，所以此處0.07 μm顆粒物的主要形成機理為脫硫工藝中會帶來的三氧化硫、氯離子等形成的礦物質(zhì)鹽；此外，還可能有通過除霧器逃逸的石膏晶粒經(jīng)過干燥后形成的PM2.5顆粒，也會導(dǎo)致0.07 μm附近顆粒物的增加，進(jìn)而使得該處出現(xiàn)峰值。

從圖3(b)可以看出，鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度分布呈雙峰分布，主要在0.3 μm處和粒徑大于2.5 μm處，濃度為幾百到幾千mg/m3。由表5可知，粒徑0.12~0.3 μm的顆粒物粒數(shù)濃度占PM2.5的90%以上，所以質(zhì)量濃度分布在0.3 μm處會出現(xiàn)峰值；而在大于2.5 μm位置出現(xiàn)峰值是由于超微米顆粒物的單顆粒的質(zhì)量就很大，同時由焦炭表面破碎機制形成的顆粒數(shù)量也不少[8]。在脫硫裝置出口煙氣中，亞微米顆粒物的質(zhì)量濃度要高于除塵器出口，同時在0.12 μm以下顆粒物質(zhì)量濃度會高于鍋爐產(chǎn)生的濃度。這是因為對于這部分粒子靜電除塵器的脫除效果不好，同時脫硫工藝中又形成粒徑在這一范圍的礦物質(zhì)鹽顆粒和石膏晶粒，從而使得這部分粒子濃度升高，對于超微米顆粒物靜電除塵器脫除效果較好，而在經(jīng)過脫硫工藝后幾乎沒有變化，可能是由于新形成的顆粒物和石灰漿液滴對顆粒物的捕集作用相當(dāng)?shù)脑颉?/p>

圖3　污控設(shè)備對PM 2.5的影響

2.2　脫硫工藝對PM 2.5的粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度的影響

試驗時，鍋爐負(fù)荷為660 MW，脫硫塔循環(huán)漿泵運行三臺。此時，脫硫塔除霧器清洗對PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度影響如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4　除霧器清洗對PM 2.5排放的影響

由圖4(a)，無論1級除霧器是否進(jìn)行清洗，脫硫后PM2.5的粒數(shù)濃度呈單峰分布，峰值在0.07 μm處，這是因為除塵器對于這部分顆粒脫除效果較差，同時在脫硫工藝中進(jìn)入煙氣的石灰漿液會形成礦物質(zhì)顆粒，煙氣中的二氧化硫也會形成鹽類礦物質(zhì)。脫硫工藝對于煙氣中顆粒物的脫除主要是由于噴淋液滴對于顆粒物的捕集，捕集脫除作用同樣對大顆粒效果較好，而難以脫除0.07 μm的小顆粒。這使得0.07 μm處的顆粒物濃度達(dá)到最大值。

在平均粒徑小于0.31 μm細(xì)顆粒中，除霧器無清洗時PM2.5的排放濃度要高于除霧器清洗時PM2.5的排放濃度，這是因為除霧器清洗時會有大量的水滴下落，這些下落液滴會捕集煙氣中的顆粒物或隨煙氣上升的小霧滴，所以會造成除霧器清洗時PM2.5的排放濃度要更低些；而對于0.31 μm以上的粗粒子，除霧器是否清洗對其排放幾乎沒有影響，這部分粒子的粒數(shù)濃度在PM2.5中不足5%，所以除霧器的清洗是有助于PM2.5的脫除。

無論除霧器是否清洗，PM2.5中粒徑為0.3 μm以上的顆粒物濃度是相同的，這是因為除霧器噴嘴噴出的霧滴粒徑大約為1~3 mm，相對于顆粒物的尺度較大，此時液滴對顆粒物的攔截作用很弱；同時液滴的雷諾數(shù)較大，使得布朗運動的擴散機制下降，最終使得這部分顆粒濃度無變化。而對于0.3 μm以下顆粒，當(dāng)無噴淋時，脫硫塔工藝中出口溫度為50℃左右，煙氣未能達(dá)到飽和狀態(tài)(相對濕度約為90%)，當(dāng)除霧器清洗時低溫噴淋水吸熱并氣化，進(jìn)而使得煙氣濕度增加達(dá)到飽和狀態(tài)，此時細(xì)顆粒物迅速長大、凝結(jié)，進(jìn)而脫除，這與Heidenreich等的研究相符合。

圖5　循環(huán)漿泵運行數(shù)對PM 2.5排放的影響

鍋爐負(fù)荷為660 MW，2級除霧器正面清洗，同時運行3臺循環(huán)漿泵和4臺漿泵PM2.5的粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布如圖5(a)和圖5(b)所示。

從圖5(a)可以看出，無論運行3臺還是4臺循環(huán)漿液泵，粒數(shù)濃度分布呈現(xiàn)單峰分布，在0.07 μm處出現(xiàn)峰值，但4臺循環(huán)漿液泵排放的PM2.5的濃度高于3臺循環(huán)漿液泵的濃度，這是因為運行4臺循環(huán)漿液泵時，由于噴淋的液滴增加會產(chǎn)生更多0.01~2 μm范圍內(nèi)的顆粒物；而運行循環(huán)漿液泵數(shù)量對于0.3 μm以上的顆粒物排放幾乎無影響，說明對于0.3 μm以上的顆粒物兩種作用機理相當(dāng)。

從圖5(b)可知，同時運行3臺或者4臺循環(huán)漿液泵PM2.5質(zhì)量濃度均呈三峰分布，峰值出現(xiàn)在0.07 μm、0.3 μm以及2.5 μm處，運行循環(huán)漿泵數(shù)主要對粒徑在0.3 μm以下顆粒排放濃度產(chǎn)生影響。

3結(jié)論

(1)PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于PM0.38，PM0.38占PM2.5粒數(shù)的90%以上；PM2.5質(zhì)量濃度主要取決于0.38 μm以上顆粒物；脫硫后PM2.5質(zhì)量濃度增加，主要由脫硫漿液中的礦物質(zhì)形成的細(xì)微顆粒物造成。

(2)經(jīng)過除塵器后峰值會向粒徑小的方向移動，說明除塵器對大顆粒的脫除要優(yōu)于小顆粒。經(jīng)過脫硫工藝后，PM2.5的粒數(shù)濃度分布會在0.07 μm出現(xiàn)峰值，這是由于脫硫漿液形成細(xì)微顆粒物所導(dǎo)致。

(3)脫硫工藝中主要是除霧器清洗以及循環(huán)漿液泵運行數(shù)影響PM2.5的產(chǎn)排特性。除霧器清洗會減少0.38 μm以下顆粒物，而對0.3 μm以上顆粒物幾乎無影響；循環(huán)漿液泵運行數(shù)增加會使噴淋漿液增加，從而形成的細(xì)微顆粒物增加。從而增加PM2.5的排放濃度。

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