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摘要：在工況及負(fù)荷穩(wěn)定的情況下，對(duì)122臺(tái)燃煤電廠(chǎng)配套濕式電除塵器（金屬板式35臺(tái)、導(dǎo)電玻璃鋼87臺(tái)）開(kāi)展多污染物的減排特性和能耗測(cè)試分析，結(jié)果表明，濕式電除塵器對(duì)各類(lèi)污染物均具有較高的脫除效率，絕大部分濕式電除塵器出口顆粒物、PM2.5、霧滴和SO3可分別控制在5、2.5、25和10 mg/m3以下，出口PM2.5/PM占比明顯升高，導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器一般為非連續(xù)噴淋，電源參數(shù)可以升到更高，因此對(duì)SO3脫除率也較金屬板式更高，出口霧滴濃度更低；金屬板式和導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器比電耗分別為0.68×10–4~3.34×10–4、0.74×10–4~3.38×10–4kW·h/m3，平均值分別為1.55×10–4、1.75×10–4kW·h/m3，顆粒物脫除能耗分別在4.7~24.7、2.9~37.5 kW·h/kg，平均值分別為10.8、13.3 kW·h/kg，且入口顆粒物濃度越高顆粒物脫除能耗越低。

引文信息

劉含笑, 吳黎明, 趙琳, 等. 燃煤電廠(chǎng)濕式電除塵器減排及能效特性研究[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(5): 196-203.

LIU Hanxiao, WU Liming, ZHAO Lin, et al. Study on emission reduction and energy efficiency acteristics of wet electrostatic precipitator for coal fired power plants[J]. Electric Power, 2022, 55(5): 196-203.

引言

濕式電除塵器在濕煙氣環(huán)境下電暈功率遠(yuǎn)高于干式電除塵器，可實(shí)現(xiàn)高效除塵及協(xié)同脫除濕法脫硫次生污染物、非常規(guī)污染物[1-3]等，在燃煤電廠(chǎng)煙氣超低排放改造中具有廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)濕式電除塵器的污染物減排特性開(kāi)展了系列研究。文獻(xiàn)[4-5]研究表明，濕式電除塵器對(duì)煙塵的脫除效率均達(dá)到80%以上；文獻(xiàn)[6]采用ELPI（低壓靜電撞擊儀）、SMPS（納米粒子測(cè)試儀）、濾膜過(guò)濾等多種測(cè)試方法測(cè)定了濕式電除塵器除塵性能，顆粒物最低可達(dá)1 mg/m3以下；文獻(xiàn)[7]對(duì)2臺(tái)300 MW燃煤機(jī)組配套濕式電除塵器開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)PM2.5、SO3脫除效率分別為79.71%~90.23%、52.03%~59.09%；文獻(xiàn)[8]基于調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)初步研究了濕式電除塵器顆粒物排放特征，出口顆粒物和PM2.5濃度分別為0.43~12.5 mg/m3和0.35 ~1.59 mg/m3；文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)研究了濕式電除塵器對(duì)SO3的減排提效措施，通過(guò)預(yù)荷電和預(yù)荷電+冷凝可分別將SO3脫除效率從90.3%提升至95.8%和97.8%。上述研究主要關(guān)注了濕式電除塵器污染物減排特性，未涉及能效參數(shù)，而現(xiàn)有關(guān)于電除塵器能效研究的文獻(xiàn)多是服務(wù)于標(biāo)準(zhǔn)研制[10-11]，對(duì)污染物排放和能效參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性研究較少。本研究基于中國(guó)典型燃煤電廠(chǎng)濕式電除塵器排放和能效數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析濕式電除塵器對(duì)各污染物的減排特性和脫除能耗，為超低排放機(jī)組的后續(xù)節(jié)能減碳運(yùn)行提供借鑒。

1研究對(duì)象及研究方法

研究對(duì)象為122臺(tái)典型燃煤電廠(chǎng)配套濕式電除塵器，具體情況如圖1所示。其中，金屬板式濕式電除塵器35臺(tái)，機(jī)組容量涉及15~1030 MW，煙氣量為7.2×105~4.3×106m3/h，平均為2.0×106m3/h；導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器87臺(tái)，機(jī)組容量涉及75~1000 MW，煙氣量在5.8×105~3.3×106m3/h，平均為1.6×106m3/h。

圖1 研究對(duì)象

Fig.1 Research object

在額定工況下對(duì)濕式電除塵器開(kāi)展測(cè)試研究，測(cè)點(diǎn)布置復(fù)合GB 13931—2017等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，測(cè)試期間工況穩(wěn)定、煤種無(wú)變化，制粉系統(tǒng)設(shè)置固定，配風(fēng)方式一定，且鍋爐不打焦、不吹灰等?？倝m采樣采用大流量煙塵采樣儀（濾筒）或低濃度煙塵自動(dòng)等速取樣儀（一體化采樣頭+濾膜）；采用重量法采集煙氣中PM2.5；用冷凝法采集煙氣中的霧滴，并定時(shí)取樣脫硫塔漿液，分析霧滴和漿液中鎂離子濃度；采用控制冷凝法采集煙氣中SO3；采用電能表測(cè)定濕式電除塵器耗電量。測(cè)試方法符合GB13931—2017、HJ917—2017、GB/T16157—1996等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和濕式電除塵器性能測(cè)試相關(guān)要求[12-17]。濕式電除塵器對(duì)污染物的脫除效率為

式中：ηi為濕式電除塵器對(duì)某項(xiàng)污染物的脫除效率，%；Ci1、Ci2分別為濕式電除塵器進(jìn)出口某污染物的質(zhì)量濃度，mg/m3。

濕式電除塵器高壓供電比電耗用于評(píng)價(jià)其效能水平，可表示為

式中：λ為濕式電除塵器的比電耗，kW·h/m3；W為濕式電除塵器單位時(shí)間的高壓供電電耗，kW·h/h；Q為濕式電除塵器進(jìn)口煙氣量，m3/h。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)脫除單位質(zhì)量顆粒物所消耗的電耗可表示為

式中：Ω為濕式電除塵器的顆粒物脫除能耗，kW·h/kg；CPM1、CPM2分別為濕式電除塵器進(jìn)出口的顆粒物質(zhì)量濃度，mg/m3；Q此處為97.58×104m3/h。

2污染物排放數(shù)據(jù)分析

所有污染物排放數(shù)據(jù)均在90%負(fù)荷以上進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)前，濕法電除塵器調(diào)試到符合設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)期間的要求有：鍋爐負(fù)荷應(yīng)穩(wěn)定，最大波動(dòng)幅度不超過(guò)±5%；燃燒煤種、煤質(zhì)基本不變、燃料配比不變；制粉系統(tǒng)固定運(yùn)行方式，給粉均勻，鍋爐不投油槍助燃，不吹灰；濕式電除塵器正常、穩(wěn)定投運(yùn)；高壓供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及低壓控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.1 顆粒物

濕式電除塵器出口顆粒物排放濃度及脫除效率如圖2所示。金屬板式濕式電除塵器出口顆粒物濃度為0.43~16.20 mg/m3，平均值為5.13 mg/m3，顆粒物排放濃度，不高于2.5 mg/m3和5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為20.6%和64.7%；除塵效率為45.7%~95.0%，平均值為81.6%，其中除塵效率超過(guò)80%的濕式電除塵器占比為32.4%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口顆粒物濃度為1.10~9.40 mg/m3，平均值為3.82 mg/m3，顆粒物排放濃度不高于2.5 mg/m3和5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為20.7%和87.8%；除塵效率為56.1%~96.1%，平均值為81.4%，其中除塵效率超過(guò)80%的濕式電除塵器占比為69.5%。金屬板式濕式電除塵器一般為連續(xù)噴淋，濕電場(chǎng)中荷電霧滴可強(qiáng)化顆粒物團(tuán)聚和遷移[8]，因此可達(dá)到低于1 mg/m3的極低排放濃度（如圖3），但從除塵效率值來(lái)看，實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器高除塵效率（＞80%）占比明顯高于金屬板式濕式電除塵器。一般來(lái)說(shuō)，除塵器入口顆粒物濃度越高，除塵效率越高，但對(duì)應(yīng)的出口濃度值也會(huì)升高，以同為300 MW級(jí)機(jī)組配套的金屬板式濕式電除塵器為例，入口顆粒物濃度從10 mg/m3增加到90 mg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的除塵效率從75%左右上升到90%以上，如圖4所示。

圖2 顆粒物排放濃度及脫除效率Fig.2 Particulate matter emission concentration and removal efficiency

圖3 顆粒物排放濃度＜1 mg/m3機(jī)組統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of particulate matter emission concentration < 1 mg/m3

圖4 入口顆粒物濃度與除塵效率的關(guān)系Fig.4 The relationship between the concentration of inlet particulate matter and dust removal efficiency

濕式電除塵器出口PM2.5排放濃度及脫除效率如圖5所示。金屬板式濕式電除塵器出口PM2.5濃度為0.27~4.64 mg/m3，平均值為1.03 mg/m3，PM2.5排放濃度不高于1 mg/m3和2.5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為54.5%和58.8%；PM2.5脫除效率為71.2%~91.6%，平均值為76.6%，PM2.5脫除效率超過(guò)80%的濕式電除塵器占比為47.1%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口PM2.5濃度為0.15~3.80 mg/m3，平均值為0.84 mg/m3，PM2.5排放濃度不高于1 mg/m3和2.5 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為37.8%和83.8%；PM2.5脫除效率為58.3%~93.1%，平均值為75.8%，PM2.5脫除效率超過(guò)80%的濕式電除塵器占比為75.7%。實(shí)際運(yùn)行中導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器PM2.5高脫除效率（＞80%）占比明顯高于金屬板式濕式電除塵器，入口濃度越高，對(duì)應(yīng)的PM2.5脫除效率也越高，以同為300 MW級(jí)機(jī)組配套的金屬板式濕式電除塵器為例，入口PM2.5濃度從10 mg/m3增加到30 mg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的PM2.5脫除效率從80%左右上升到90%以上，如圖6所示。

圖5PM2.5排放濃度及脫除效率Fig.5PM2.5emission concentration and removal efficiency

圖6 入口PM2.5濃度與除塵效率的關(guān)系Fig.6 The relationship between the concentration of inletPM2.5and dust removal efficiency

常規(guī)電除塵器振打會(huì)引起二次揚(yáng)塵，無(wú)法突破高比電阻反電暈及細(xì)顆粒荷電難等技術(shù)瓶頸[18-20]，而PM2.5因粒徑更小、比電阻更高[21-22]，上述瓶頸問(wèn)題會(huì)更加突出。濕法脫硫可協(xié)同脫除一定的顆粒物和PM2.5，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生新的顆粒物[23-24]。濕式電除塵器主要通過(guò)濕電場(chǎng)強(qiáng)化荷電和促進(jìn)細(xì)顆粒團(tuán)聚強(qiáng)化了對(duì)顆粒物脫除性能[8]，但其對(duì)顆粒物（PM）的脫除效率會(huì)明顯高于PM2.5，因此，經(jīng)超低排放改造后濕式電除塵器出口排放的顆粒物主要是以小粒徑顆粒為主。

2.2 霧滴

濕式電除塵器出口霧滴排放濃度及脫除效率如圖7所示。金屬板式濕式電除塵器出口霧滴濃度為2.50~34.11 mg/m3，平均值為15.12 mg/m3，霧滴排放濃度不高于5 mg/m3和10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為13.6%和27.3%；霧滴脫除效率為64.5%~87.7%，平均值為76.1%，霧滴脫除效率超過(guò)75%的濕式電除塵器占比為54.5%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口霧滴濃度為0.30~34.10 mg/m3，平均值為10.83 mg/m3，霧滴排放濃度不高于5 mg/m3和10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為23.6%和49.1%；霧滴脫除效率為43.75%~96.2%，平均值為75.2%，霧滴脫除效率超過(guò)75%的濕式電除塵器占比為41.8%。導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器一般為非連續(xù)噴淋，其出口霧滴濃度較低（不高于5 mg/m3和10 mg/m3）的占比明顯高于金屬板式濕式電除塵器。

圖7 霧滴排放濃度及脫除效率Fig.7 Droplets emission concentration and removal efficiency

2.3 SO3

濕式電除塵器出口SO3排放濃度及脫除效率如圖8所示。金屬板式濕式電除塵器出口SO3濃度為0.28~12.00 mg/m3，平均值為5.14 mg/m3，SO3排放濃度不高于5 mg/m3和10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為50.0%和95.8%；SO3脫除效率為28.1%~82.8%，平均值為68.7%，SO3脫除效率超過(guò)70%的濕式電除塵器占比為50.0%。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器出口SO3濃度為0.27~36.29 mg/m3，平均值為4.52 mg/m3，SO3排放濃度不高于5 mg/m3和10 mg/m3的濕式電除塵器占比分別為74.1%和94.4%；SO3脫除效率在40.9%~91.8%，平均值為73.3%，SO3脫除效率超過(guò)70%的濕式電除塵器占比為66.7%。實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)電玻鋼濕式電除塵器為非連續(xù)噴淋，電源參數(shù)可以升到更高[16,25]，因此，其對(duì)SO3脫除率也較金屬板式濕式電除塵器更高一些。但值得注意的是，硫酸溶膠顆粒粒徑非常小，易引起電暈封閉現(xiàn)象[26-27]，反而會(huì)影響其SO3脫除效率和除塵性能，如導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器入口SO3濃度為20 mg/m3時(shí)，SO3脫除率達(dá)90%以上，但入口SO3濃度為100 mg/m3時(shí)，SO3脫除率反而降至65%左右。

圖8 SO3排放濃度及脫除效率Fig.8 SO3emission concentration and removal efficiency

3能效數(shù)據(jù)分析

3.1 高壓供電電耗及比電耗

濕式電除塵器高壓供電電耗及比電耗對(duì)比如圖9所示。金屬板式濕式電除塵器高壓供電電耗為81.2~611.0 kW·h /h，平均值為319.7 kW·h /h；比電耗為0.68×10–4~3.34×10–4kW·h /m3，平均值為1.55×10–4kW·h /m3。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器高壓供電電耗為77.1~821.0 kW·h /h，平均值為297.1 kW·h /h；比電耗為0.74×10–4~3.38×10–4kW·h /m3，平均值為1.75×10–4kW·h /m3。不同項(xiàng)目的濕式電除塵器高壓供電比電耗差異較大，總體而言，導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器的高壓供電比電耗略高于金屬板式濕電除塵器，是因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行中導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器為非連續(xù)噴淋，電源參數(shù)通常設(shè)置更高。

圖 9 高壓供電電耗及比電耗Fig. 9 Power consumption and specific power consumption of high voltage power supply

3.2 顆粒物脫除能耗

濕式電除塵器對(duì)單位質(zhì)量顆粒物脫除能耗與入口顆粒物濃度的關(guān)系如圖10所示。金屬板式濕式電除塵器顆粒物脫除能耗為4.7~24.7 kW·h /kg，平均值為10.8 kW·h /kg。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器顆粒物脫除能耗為2.9~37.5 kW·h /kg，平均值為13.3 kW·h /kg。由圖10可看出，濕式電除塵器入口顆粒物濃度越高，相應(yīng)的顆粒物脫除能耗就越低，如金屬板式濕式電除塵器入口顆粒物濃度從5 mg/m3增加到60 mg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的單位質(zhì)量顆粒物脫除能耗從20 kW·h /kg左右降至5 kW·h /kg左右。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器入口顆粒物濃度從10 mg/m3增加到40 mg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的單位質(zhì)量顆粒物脫除能耗從20 kW·h /kg左右降至3 kW·h /kg左右。這也與相關(guān)文獻(xiàn)研究規(guī)律一致[28]。

圖10 顆粒物脫除能耗與入口顆粒物濃度的關(guān)系

Fig.10 Relationship between energy consumption and inlet PM concentration

4結(jié)論

（1）不同型式的濕式電除塵器對(duì)顆粒物和PM2.5均具有較高的脫除效率，金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器的除塵效率分別為45.7%~95.0%、56.1%~96.1%，平均值分別為81.6%、81.4%；對(duì)PM2.5的脫除效率分別為71.2%~91.6%、58.3%~93.1%，平均值分別為76.6%、75.8%。濕式電除塵器對(duì)顆粒物的脫除效率明顯高于PM2.5，出口顆粒物和PM2.5濃度大部分都低于5 mg/m3和2.5 mg/m3，且出口顆粒物粒徑分布向小粒徑方向遷移，PM2.5/PM占比明顯升高。

（2）絕大部分濕式電除塵器出口霧滴濃度都低于25 mg/m3，金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器對(duì)霧滴的脫除效率分別為64.5%~87.7%、43.75%~96.2%，平均值分別為76.1%、75.2%，脫除效率與顆粒物相當(dāng)。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器一般為非連續(xù)噴淋，其出口霧滴濃度較金屬板式普遍會(huì)更低一些。

（3）濕式電除塵器出口SO3濃度絕大部分都低于10 mg/m3，金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器對(duì)SO3的脫除效率分別為28.1%~82.8%、40.9%~91.8%，平均值分別為68.7%、73.3%，脫除效率較PM2.5更低一些，主要是因?yàn)榱蛩崛苣z顆粒粒徑更小所致，且高濃度SO3會(huì)引起電暈屏蔽導(dǎo)致脫除效率下降。導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器電源參數(shù)可以升到更高，因此對(duì)SO3脫除效率也較金屬板式更高一些。

（4）不同項(xiàng)目的濕式電除塵器高壓供電比電耗差異較大，金屬板式和導(dǎo)電玻璃鋼濕式電除塵器比電耗分別為0.68×10–4~3.34×10–4kW·h /m3、0.74×10–4~3.38×10–4kW·h /m3，平均值分別為1.55×10–4、1.75×10–4kW·h /m3。金屬板式和導(dǎo)電玻璃濕式電除塵器顆粒物脫除能耗分別為4.7~24.7 kW·h/kg、2.9~37.5 kW·h /kg，平均值分別為10.8、13.3 kW·h /kg。且入口顆粒物濃度越高顆粒物脫除能耗越低，因此，從節(jié)能角度來(lái)看，應(yīng)優(yōu)先考慮采用金屬板式濕式電除塵器，且在滿(mǎn)足超低排放的前提下，不應(yīng)盲目追求極低的顆粒物排放。