某1000 MW机组超低排放案例颗粒物排放规律研究

许月阳，王宏亮，刘志强，薛建明，管一明，戴伟伟，付森林

(1.国电环境保护研究院清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室，江苏南京210031; 2.中国电力企业联合会，北京100761;3.南京工业大学化学化工学院，江苏南京210009)

某1000 MW机组超低排放案例颗粒物排放规律研究

许月阳1，王宏亮1，刘志强2，薛建明1，管一明1，戴伟伟3，付森林3

(1.国电环境保护研究院清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室，江苏南京210031; 2.中国电力企业联合会，北京100761;3.南京工业大学化学化工学院，江苏南京210009)

由细颗粒物、SO3酸雾以及气溶胶等污染物引起的雾霾天气问题日益突出。燃煤电力行业排放的一次PM2.5及其前体污染物是大气PM2.5的来源之一。因此，国家推动燃煤电厂实施超低排放改造工作，以实现颗粒物、SO2、NOx接近燃机排放标准。某1000MW燃煤机组超低排放改造案例的颗粒物排放规律研究表明，颗粒物排放浓度与机组负荷、环保设施的运行工况和控制方式等密切相关;单塔双循环脱硫系统对颗粒物的平均脱除效率为47.91%～92.63%%;湿式电除尘对颗粒物的脱除平均效率范围为67.2%;湿式电除尘降功率运行情况下，最大颗粒物排放浓度为4.85mg/m3(标干态，6%O2)。

超低排放;颗粒物;燃煤

0 引言

随着经济快速增长，能源与环境问题日益突出，其中以颗粒物PM10、PM2.5、PM1.0以及SO3酸雾、气溶胶等污染物形成的雾霾天气问题成为公众关注的焦点。2010年中国PM10排放总量3797.3万t，PM2.5排放总量为2278.4万t。其中，火电行业排放的一次细颗粒物PM10为100.8万t，而SO2、NOx、SO3转化为二次细颗粒物PM2.5分别约350万t、265.5万t和107.3万t，合计占PM2.5排放总量的36.1%［1］。

目前电厂大都装备有烟气脱硝SCR、干式电除尘器DESP、湿法脱硫WFGD。SCR催化剂会促进少部分SO2转换为SO3;鲁晟等［2］研究传统电除尘器ESP进出口烟尘组成时，发现传统ESP对大颗粒烟尘脱除效率高，但对PM2.5的脱除效果有限。湿法脱硫在一定程度上能捕捉烟气中大颗粒物，Meij等分析安装有石灰石/石膏法脱硫装置的烟气再热系统出口颗粒物组成时，发现出口颗粒中燃煤飞灰占40%，石膏组分占10%，其余50%为脱硫液滴蒸发形成的固态颗粒［3－5］。湿法脱硫对SO3的脱除效率并不高，仅为20%左右。未被脱除的SO3与水蒸汽形成硫酸气溶胶，形成新的颗粒物污染［6］。

湿式电除尘器WESP，可作为高效除尘除雾的深度净化设备，它具有控制复合污染物的强大功能，可以相对高效地脱除细微颗粒物(包括PM2.5)、细微雾滴、SO3气溶胶、Hg等非常规污染物，有效减缓烟羽以及石膏雨等问题［7－9］。某电厂1000MW机组超低排放改造采用了DESP+WFGD+WESP的主流技术组合，研究其运行情况，将对后续燃煤机组颗粒物超低排放控制有一定指导意义。

1 颗粒物超低排放案例

1.1 颗粒物超低排放技术路线分析

环保设施之间的协同控制使得烟尘浓度要达到低于10mg/m3(部分地方要求5mg/m3)超低排放要求成为可能。控制技术及路线选择时，结合环保入口输入条件，主要考虑按终端排放浓度要求，倒推各参与控制或协同控制环保设施的脱除效率。研究总结主要有以下四种技术组合路线，见表1。

表1 燃煤烟气烟尘超低排放技术路线

其中，路线1被认为是最主流的技术路线，需要增加投资，并占用脱硫后场地。后面3条路线均不采用湿式电除尘装置，但需要有防止脱硫吸收塔浆液雾滴被烟气携带出塔的措施。低低温电除尘是在电除尘前增设余热回收器，通过降低除尘器入口温度，降低烟气体积、延长停留时间和降低粉尘比电阻，利于提高电除尘捕集效率。并且可余热回收，或利用余热加热脱硫后湿烟气。湿法脱硫除尘一体化是旋汇耦合装置、高效节能喷淋装置、管束式除尘装置三套系统优化结合的一体化设备，应用于湿法脱硫塔内，高效洗涤SO2的同时，高效去除细颗粒和雾滴，以实现颗粒物和SO2的超低排放。

1.2 研究案例改造方案

该机组为了满足超低排放的要求进行了相应的技术改造，并通过改造后环保设施之间的协同控制实现排放要求。三部分分别为:干式电除尘器(DESP)+湿法脱硫(WFGD)+湿式静电除尘器(WESP)。其中DESP采用三室五电场电除尘器，WFGD采用单塔双循环脱硫技术进行提效改造，增设AFT，喷淋由4层改为6层，高低pH值喷淋各3层，新增WESP。为确保研究数据的可靠性，在干烟气环境采用了可靠的P－5B颗粒物监测仪，在脱硫出口和烟囱处均安装了符合湿烟气环境的颗粒物监测仪181WS，测点位置见下图1所示。

图1 超低排放控制流程及测点示意

2 采样及试验方法

本研究电除尘后采用满足干烟气环境粉尘测量的P－5B仪表，湿法脱硫后及湿法电除尘后安装在烟囱80m平台湿烟气环境采用适合于湿烟气粉尘测量的181WS烟尘仪表，用以在线监测研究颗粒物经过电除尘、湿法脱硫系统和湿式电除尘系统后的迁移规律，研究单塔双循环的脱硫系统及湿式电除尘系统对颗粒物的脱除规律及效率。

2.1 SPTC P－5B型仪表

P－5B烟尘监测仪是美国SPTC公司生产的后向散射法典型仪器。激光发射单元发射的激光束经过含有颗粒物的气流时，部分激光光束将被散射。回散的光从不同的角度回射到仪器，由一个聚光镜头将回散光聚焦到固态探测器上，探测器接收到的散射光和颗粒物的浓度成正比。

2.2181 WS型仪表

181WS是一种适合湿烟气颗粒物实时在线测量的颗粒物监测系统，其测量原理是基于颗粒物对激光的前向散射的特性设计而成。由取样探头+尾气排放口+射流取样器+雾化腔室+测量单元+取样风机组成。其以射流取样及高温雾化腔室完成对烟道气的采集及预处理，达到常规探头正常运行所需的外部条件，从而顺利实现对湿烟气中颗粒物的实时在线测量。

为确保湿烟气粉尘的数据可靠性，请有资质的第三方检测机构对181WS型仪表进行了试验比对，结果表明在湿烟气条件下，采用加热探针及双探针同时采样的方式进行了5天的性能试验。181WSWYGE的测量数据和手工比对数据的相关性系数为0.941，置信区间半宽CI=0.274(5.8%)，允许区间半宽TI=0.997(21.2%)。

3 数据分析与讨论

针对该1000MW机组，进行连续两天在线监测及数据分析，读数间隔5min，试验期间燃煤稳定，负荷变化范围49.36%～96.75%。湿法脱硫入口P－5B，湿式电除尘入口/出口181WS3台粉尘仪读数都统一到同一参照条件下读数。

图3 超低排放后各监测点颗粒物变化曲线

3.1 输入条件对颗粒物排放的影响

根据采集数据分析，湿法脱硫入口的P－5B，湿式电除尘入口/出口181WS 3台粉尘仪的变化趋势和锅炉负荷正相关，而这种相关关系主要受电除尘的影响。但对电除尘器来说，负荷的改变将影响电除尘器的输入条件如烟气量、烟气、烟气停留时间等，也会直接影响除尘效率，从曲线看负荷上升颗粒物排放浓度明显上升，反之下降。该电除尘设施已经根据工况建立了系列经济运行的闭环控制模式，电除尘输入功率将根据电除尘器出口颗粒物浓度、机组输入条件动态调整，但颗粒物排放浓度受输入条件的影响依然明显。

3.2 电除尘器对颗粒物排放的影响

电除尘器出口、脱硫出口、湿除出口(烟囱平台)三个测点仪表数据的历史曲线见图4。电场振打开启后，电除尘器出口、脱硫出口、湿除出口表计响应依次出现明显提升。因此，要确保烟囱终端颗粒物排放稳定可靠达到国家或地方超低排放要求，电除尘器需要优化振打模式，采用电场分区交替振打的方式，最大限度降低因部分电场同时振打引起烟囱排放颗粒物浓度超标的风险。电除尘器运行模式调整也直接影响着其本体的出口浓度，以及后续WFGD和WESP的输入条件。因此，要确保超低排放必须充分发挥各个设施之间的协同控制作用，以终端控制浓度要求为基准，结合各设施的处理能力，按倒推法确定各自所要控制的出口浓度目标。

图4 电场振打时烟尘三个测点历史曲线

3.3 湿法脱硫对颗粒物的排放影响

从湿法脱硫前后颗粒物监测仪的数据对比来看，湿法脱硫对颗粒物的脱除效率最高92.63%，最低47.91%，平均脱除效率74.15%。Meij与西班牙的Alvarez－Ayuso等先后研究认为，WFGD系统可以分别达到80%和60%以上的脱除效率［10－11］。结论与本案例1000MW机组实际运行结果近似。单塔双循环湿法脱硫系统喷淋层增加，不仅高效脱除SO2，而且也附带提高了烟气中飞灰颗粒物以及其他有害物质［12－13］协同减排效果。

图4显示湿法脱硫系统对颗粒物的脱除效率和负荷成相反趋势，负荷高的时候，入口颗粒物浓度高，脱除效率低;负荷低时，入口颗粒物浓度低，脱除效率高，主要是因为相同喷淋条件下浆液对烟气洗涤的实际有效液气比提高了的原因。因此，脱硫塔的运行方式对其附带除尘效果的贡献影响显著，近视输入条件下，脱硫塔喷淋层开启组合对脱硫出口及湿除尘出口(烟囱)烟尘浓度的影响见表2，可见增开喷淋层，提高有效洗涤液气比，会明显提高对烟尘的洗涤脱除效果。

表2 不同喷淋组合的烟尘附带洗涤效率

3.4 湿式电除尘对颗粒物排放的影响

根据图3中3月9日湿式电除尘前后颗粒物监测仪的数据比对来看，湿式电除尘对颗粒物的脱除效率最31.3%～82.9%，波动范围很大。湿式电除尘对颗粒物的脱除效率整体上和负荷成正相关关系，而且在入口颗粒物浓度高于7mg/m3时，其脱除效率最大可达到82.9%;在低负荷，入口颗粒物浓度在1～2mg/m3时，脱除效率在51%～62%之间。入口浓度低脱除效率计算基数小，导致计算结果偏低。因此，工程建设设定考核值时，应明确合适的输入浓度范围。另外，数据分析表明运行中，WESP脱除效率有骤降的情况，主要是由于电除尘在冲洗电极，冲洗电极过程电极电源会被切断，从而引起颗粒物排放浓度增加，脱除效率降低。

3.5 运行参数调整对颗粒物影响

当电除尘稳定后，根据试验将湿式除尘器8个电场的电流值由1500mA降低到1000mA时，颗粒物脱除效率降低约10%。终端颗粒物排放的最大浓度从3.6mg/m3升至4.86mg/m3，依然满足地方超低排放5mg/m3要求。研究表明，湿式除尘器对颗粒物的脱除效果还可以通过调节输入电流参数进行优化调整，也就是说可以通过运行降参数在排放达标前提下最求系统节能、经济运行。

4 结语

(1)烟尘排放指标受机组输入条件影响显著，如煤质、烟气量、烟气温度、入口浓度等，确保烟尘超低排放，需要对机组输入条件进行控制，以确保工况在设计范围内。

(2)烟尘控制涉及的各个设施设计时应按终端排放要求进行倒推，各个设施的出口控制要求，单一设施设计时应按最恶劣情况考虑，如DESP设施设计不应过多依耐WFGD洗涤贡献，而WFGD应重点解决吸收塔带浆问题，WESP设计应考虑除尘振打、吸收塔带浆等特殊情况。

(3)烟尘控制所涉及的各个环保设施除确保自身的减排贡献外，应加强设施之间匹配运行和协同控制，既可以互相弥补和应对设施短时设备异常工况，如ESP振打、WFGD调泵、WESP冲洗等，又可以通过匹配运行提高系统运行的可靠性和经济性。

(4)某1000MW机组经过脱硫提效改造和增加湿式电除尘后，在湿式电除尘降功率运行条件下，高负荷运行，颗粒物排放最大浓度为4.86mg/m3。试验研究发现:湿法脱硫入口的P－5B，湿式电除尘入口/出口181WS 3台粉尘仪的变化趋势和锅炉负荷成正相关关系;湿法脱硫对颗粒物的脱除效率为47.91%～92.63%，平均74.15%，湿法脱硫系统对颗粒物的脱除效率与投入喷淋的层数成正相关性，且与其组合运行模式相关，脱硫在颗粒超低排放中的贡献和影响不可忽略;湿式电除尘对颗粒物的脱除效率最高31.3%～82.9%，平均67.2%。湿式电除尘对颗粒物的脱除效率整体上和负荷及入口颗粒物浓度成正相关关系。

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Study on emission characteristics of particulate matter about ultra－low emission case of a 1000 MW Coal－fired Power Plant

Haze weather problems caused by air fine particulate matter，three oxide of sulfuric acid mist and aerosols and other pollutants have become increasingly prominent.Emission of PM2.5and its precursor pollutants from coal－fired power industry is one of the sources of atmospheric PM2.5.In order to realize emission standards of particulate matter，sulfur dioxide and nitrogen oxides close to the combustion engine emission standards，the state promote the implementation about technical renovation of ultra－low emission in coal－fired plants.It studied the emission characteristics of particulate matter about ultra－low emission ease of a 1000MW unit.The results show that particulate matter emission concentration is closely related to the operating conditions，control mode，unit load etc of environmental protection facilities.The particle matter removal efficiencies of WFGD and WEPS are 47.91%～92.63%and 31.3%～82.9%respectively.The maximum concentration of particle matter is 4.85mg/m3，when WESP reduced its power.

ultra－low emission;particulate matter;coal－fired

X701.2

B

1674－8069(2016)05－009－04

2016-04-16;

2016-05-12

许月阳(1979-)男，江苏泰州人，高级工程师，主要从事火电厂SO2、NOx、粉尘、重金属等污染物控制及资源化技术开发、工程应用及政策标准的研究。E－mail:xyy_gdhb@126.com

江苏省环保科研课题(SJC2014090288);国家科技支撑计划(2015BAA05B01)