燃煤电厂PM2.5捕集增效技术的研究及应用

郦建国，孙惟东，梁丁宏，余顺利，郭 峰，刘含笑

（1.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 11800；2.上海电力股份有限公司，上海 200010）

燃煤电厂PM2.5捕集增效技术的研究及应用

郦建国1，孙惟东2，梁丁宏1，余顺利1，郭 峰1，刘含笑1

（1.浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 11800；2.上海电力股份有限公司，上海 200010）

介绍了一种燃煤电厂PM2.5捕集增效技术—烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置的结构组成和工作原理，研究了双极荷电对粉尘凝并的影响及扰流柱的产涡效果，在中试平台上测试了热态模拟烟气条件下该装置的增效结果。该技术在300MW机组工程上应用的测试结果为：电除尘器出口PM2.5下降30%，烟尘总质量浓度下降20%。

细颗粒物（PM2.5）；微颗粒捕集增效技术；双极荷电；流动凝并；燃煤电厂；电除尘器

引言

近年来，中国大中城市雾霾天气频发。大气细颗粒物（PM2.5）含量过高是导致雾霾天气的主要原因，而燃煤电厂又是PM2.5主要污染源之一。目前，火电厂除尘设备90%以上为电除尘器，而由于PM2.5荷电相对较弱，电除尘器对PM2.5的去除率较低。据统计，火电行业产生的PM2.5约占全社会排放总量的10%，是PM2.5重要排放源之一，且燃煤产生的PM2.5通常富集As、Se、Pb、Cr等各种重金属以及PAHs、VOCs等有机污染物，危害极大[1]。因此，开发一种PM2.5捕集增效技术，加强火电行业PM2.5排放控制至关重要。

本文介绍了一种燃煤电厂PM2.5捕集增效技术——烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置的结构组成和工作原理，研究了双极荷电对粉尘凝并的影响及扰流柱的产涡效果，在中试平台上测试了热态模拟烟气条件下该装置的增效结果。该技术可显著减少PM2.5及汞等有毒元素的排放，减少烟尘总质量排放，提高电除尘器除尘效率。

1 烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置技术研究

1.1 工作原理

烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置安装于电除尘器进口烟道内，包括双极荷电区、扰流聚合区两大部分。对进入电除尘器前的粉尘进行分列荷电处理，使相邻两列的烟气粉尘带上正、负不同极性的电荷，并通过扰流装置的扰流作用，使带异性电荷的不同粒径粉尘产生速度或方向差异而有效凝聚，形成大颗粒后被电除尘器有效收集，其工作原理如图1所示。

1.2 荷电方式对粉尘聚合作用的研究

图2为双极性荷电电场收尘试验模型示意，其主体是一个电晕场，电晕场分别由正负放电极和接地极组成，构成双通道荷电区。为保证粉尘在电晕区内的均匀分布，在渐扩管内设计了气流分布板。

图3是在荷电电压为-56kV的单极电晕荷电和荷电电压为+5kV、-13kV的双极电晕荷电以及荷电电压为+5kV、-15kV的双极电晕荷电3种工况下的实验测试结果，图中纵轴为PM去除率，横轴为微粒直径，曲线越靠上，表明PM去除率越高，即除尘效果越好。实验结果表明，双极电晕荷电使粉尘聚合效果明显增大，粉尘的去除率明显比单极电晕荷电时大，其中对于粒径约为0.1μm和2.5μm颗粒的去除最为明显，而对于粒径为10μm的颗粒去除差别较小；正、负电晕电极的击穿电压不同，负电晕电极的击穿电压比正电晕电极的要高，因此适当增加正放电通道宽度，可获取较高的平均电场强度，提高粒子的荷电效果。

1.3 流场数值模拟研究

图2 双极性荷电电场收尘试验模型

图3 粉尘荷电试验测试结果

湍流对不同粒径粉尘颗粒具有掺混作用，通过计算流体动力学（CFD）方法对流场进行数值模拟。在定常条件下，采用k-ε湍流模型，产生一个收敛解，以此为初始边界条件，采用大涡模型，在非定常条件下，计算瞬态流场。此外，采用离散相模型（DPM）计算2种不同粒径颗粒（分别为2μm和20μm）的运动轨迹。模拟结果如图4、图5所示。模拟结果表明，扰流柱具有很好的产涡效果，扰流柱后方有较多速度扰流涡街，颗粒受扰流影响，运动轨迹存在明显交叉，表明扰流装置对不同粒径颗粒具有良好的扰流掺混作用，增大了颗粒碰撞凝并的可能性。

1.4 中试研究

图4 t=3s时中心高度截面速度云图

图5 入口进入的全部粒子轨迹俯视

为验证微颗粒捕集增效装置对微细颗粒物的聚合效果，在有关国家工程实验室内，利用静电低压撞击仪（ELPI）测试了使用微颗粒捕集增效装置前后电除尘器出口不同粒径粉尘数量浓度、质量浓度的变化（ELPI测试原理及使用方法见文献[1-3]）。该实验室可模拟实际工况，烟气温度为60℃～200℃可调，最大烟气量为30,000m3/h（工况），总体布置如图6所示，实验室烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置如图7所示，ELPI外观结构如图8所示。

图6 实验室总体布置

图7 实验室烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置

图8 ELPI外观结构

在入口烟尘浓度10.4g/m3、风量25,100m3/h条件下，利用ELPI测试微颗粒捕集增效装置投运前后电除尘器出口烟尘数量、质量浓度的变化，结果见表1。

通过实验可知，实验室微颗粒捕集增效装置对微细粉尘的捕集具有明显的增效效果，PM10各粒径段质量浓度均有不同程度的下降。由于采样颗粒在进入ELPI前，首先在旋风分离器内分离掉10μm以上颗粒，且ELPI内各级撞击器也是凭借高速射流将不同粒径颗粒分离，当气相切应力大于凝并颗粒间库仑力和范德华力作用时，必然会造成凝并颗粒的破坏，因此，ELPI测量值会低于实际值。且由于实验条件的限制，电除尘器出口烟尘浓度较大，故质量浓度下降率数值偏低。

表1 使用微颗粒捕集增效装置前后电除尘器出口烟尘数量浓度、质量浓度及烟尘下降率

2 工业应用

2.1 工程概况

2012年3月，上海吴泾热电厂在#9炉300MW机组电除尘器进口烟道处安装微颗粒捕集增效装置。该机组配套除尘设备为双室四电场电除尘器，电厂煤、飞灰主要成分如表2所示，飞灰比电阻资料如表3所示。安装微颗粒捕集增效装置前电除尘器出口烟尘浓度约50mg/m3。进口烟道水平直管段长度约有10m（含膨胀节、测试孔），有利于微颗粒捕集增效装置的布置，但需考虑进口烟道上部的SCR脱硝装置支架干涉问题，如图9所示。通过对进口烟道实地考察、查阅图纸及相关资料后认为，在测试孔位置不变、膨胀节适当移位、合理避开部分脱硝装置支架的前提下，尚有约6.6m的空间布置微颗粒捕集增效装置。

2.2 技术方案

利用电除尘器进口烟道6.6m的直管段，安装微颗粒捕集增效装置。原进口烟道中间处膨胀节前移至进口端，测试孔位置不作变动。烟道底部及两侧面利旧，底部横向采用钢梁支撑，两侧面加固，顶部重新设计、制造。采用正、负极性各4套高频高压电源供电。该工程主要技术参数见表4。

2.3 工程安装及运行情况

经168h运行后，2012年4月工程竣工验收，微颗粒捕集增效装置实物图如图10所示。设备已稳定、可靠运行超过2年，2012年8月在该机组临时停炉期间，对装置内部磨损、积灰、腐蚀等情况进行了察看，设备运行状况良好。

表2 电厂煤、飞灰主要成分 （单位：%）

表3 飞灰比电阻 （测量电压500V）

表4 微颗粒捕集增效装置主要技术参数 （一台炉）

图9 300MW机组电除尘器进口烟道布置示意图

图10 微颗粒捕集增效装置实物图

2.4 测试结果

2012年9月，测试机构对装置的捕集增效结果进行了测试，根据GB/T 16157-1996及GB/T 13931-2002测试方法及规定，利用微电脑烟尘平行采样仪对电除尘器前、后颗粒物采样后称重的方法得到总烟尘质量浓度；根据ISO 23210-2009及EPA相关测试方法及规定，利用ELPI测量PM10各粒径段颗粒物质量浓度（测试结果见表5）。在机组满负荷状态下，该装置投运后，电除尘器出口PM2.5的下降率为30.1%，总烟尘质量浓度的下降率为20.3%。经计算，PM2.5年减排量约64t。

值得一提的是，烟尘总质量浓度与PM2.5的质量浓度下降率为装置开、关状态下的数值，事实上只要安装该装置，在电源关闭的状态下对粉尘也具有一定的凝并作用，对电除尘器具有一定的提效作用，因此实际的下降率应该比上述数值更高。

3 结语

试验研究及工业应用表明，烟尘预荷电微颗粒捕集增效装置能有效降低电除尘器出口PM2.5及烟尘总质量排放，是电除尘器提效改造的有效方法之一，对我国PM2.5的治理具有重要的意义。

表5 电除尘器出口烟气中PM2.5质量浓度与总颗粒物质量浓度 （一台炉）

[1] 陈其颢，朱林，王可辉，等.PM2.5标准及火电行业PM2.5主流控制技术[J].华东电力，2013，41（005）：1124-1127.

[2] Marjamaki M， Keskenin J，Chen D R，et al. Performance Evaluation of the Electrical Low Pressure Impactor（ ELPI）[J].Journal of Aerosol Science，2000， 31（2）：249-261.

[3] ELPI user manual 4.0. Dekati Ltd.

Research and Application of PM2.5Collection Effect Increase Technology in Coal-fired Power Plant

LI Jian-guo1, SUN Wei-dong2, LIANG Ding-hong1, YU Shun-li1, GUO Feng1, LIU Han-xiao1, (1.Zhejiang Feida Environmental Science and Technology Co., Ltd, Zhuji Zhejiang 311800; 2. Shanghai Electric Power Co., Ltd, Shanghai 200010, China)

The paper introduces PM2.5collection effect increase technology of a sort of coal-fired power plant—the structure composing and working principle of tiny particulate collection effect increase equipment of smoke dust pre-load electricity, makes research on impact of double pole load electricity on powder dust coagulating combination. Effect increase result of the equipment is tested under the condition of heat state simulation flue gas. The testing result of the technology in 300MW generation set shows that PM2.5in electrical precipitator outlet decreases 30% and the total quality concentration of smoke dust declines 20%.

air fine particulate (PM2.5); tiny particulate collection effect increase technique; double pole load electricity; coagulating combination; coal-fired plant; electrical precipitator

X701

A

1006-5377（2014）06-0021-05

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目“燃煤电站PM2.5捕集增效与优化技术与装备研制”（2013AA065002）。