趙 亮，劉平元

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

近年來(lái)中國(guó)大力治理燃煤電站粉塵排放問(wèn)題，出臺(tái)了嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求電廠按計(jì)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(guó)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(duì)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(duì)其脫除難度大。近年來(lái)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(chǎng)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(duì)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(jià)。因此，選擇合適的煙氣流速對(duì)于濕式靜電除塵器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

筆者利用實(shí)際燃煤機(jī)組配套的立式管式濕式靜電除塵器作為研究對(duì)象，重點(diǎn)考察煙氣流速變化對(duì)濕式靜電除塵器脫除PM10性能的影響，以獲得煙氣流速對(duì)PM10脫除效果的影響規(guī)律，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shí)際工程應(yīng)用中，受造價(jià)、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(chǎng)力、黏滯力等多種作用力下向收塵極的運(yùn)動(dòng)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(huì)影響趨進(jìn)速度，其中很多因素對(duì)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(guò)高可在除塵器內(nèi)形成強(qiáng)紊流，對(duì)于細(xì)顆粒物，在強(qiáng)紊流的作用下極易產(chǎn)生懸浮擴(kuò)散和二次揚(yáng)塵，影響趨進(jìn)速度。另外，氣流速度的增加還會(huì)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(chǎng)均勻性、趨進(jìn)速度、荷電強(qiáng)度等；同時(shí)，濕式靜電除塵器由于極板、極線材料造價(jià)高，陰陽(yáng)極及其附屬系統(tǒng)占工程造價(jià)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(duì)PM10脫除性能的研究。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)機(jī)組

試驗(yàn)機(jī)組為260 t/h循環(huán)流化床鍋爐，50 MW汽輪發(fā)電機(jī)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(cè)試過(guò)程中，機(jī)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(yàn)采用的濕式靜電除塵器為管式立式，其陽(yáng)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(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)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(huì)倒流至濕式靜電除塵器出口，不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

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

2.4 測(cè)試系統(tǒng)

PM10數(shù)量及質(zhì)量濃度分布測(cè)量采用了芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的靜電低壓撞擊器(ELPI)實(shí)時(shí)在線測(cè)量；該儀器可測(cè)試粒徑在0.023～9.314 μm，是目前測(cè)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(cè)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(dòng)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(guò)顆粒荷電、慣性分級(jí)并測(cè)量分級(jí)荷電量來(lái)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(duì)于試驗(yàn)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(duì)測(cè)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(duì)PM10的脫除效率。使用ELPI對(duì)測(cè)點(diǎn)1處進(jìn)行在線測(cè)量，選取一段時(shí)間，測(cè)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(duì)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(shí)，測(cè)得測(cè)點(diǎn)1煙道內(nèi)的對(duì)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(cè)點(diǎn)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(duì)脫除效率的影響

圖8為煙氣流速對(duì)粉塵顆粒的分級(jí)脫除效率的影響。

圖8 煙氣流速對(duì)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(duì)其脫除效率呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樵跐袷届o電除塵器脫除顆粒物的過(guò)程中，對(duì)于小粒徑的粉塵以布朗擴(kuò)散作用為主，稍大粒徑以慣性運(yùn)動(dòng)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(kuò)散與慣性運(yùn)動(dòng)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(duì)小粒徑顆粒物脫除效率的影響較為顯著，且煙氣流速對(duì)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(yùn)動(dòng)，其變化可能打破了布朗擴(kuò)散與慣性運(yùn)動(dòng)的平衡，促進(jìn)了顆粒物的脫除。

4 結(jié)語(yǔ)

(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(lái)看，主要是亞微米級(jí)的顆粒物；從質(zhì)量濃度角度來(lái)看，主要是微米級(jí)及以上的顆粒物。鑒于可吸入顆粒物中亞微米顆粒對(duì)人體的傷害更為嚴(yán)重[4]，通過(guò)濕式靜電除塵器降低亞微米級(jí)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(shí)際需要探索選擇經(jīng)濟(jì)合適的流速。

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