湿式电除尘对PM2.5/SO3酸雾脱除特性的试验研究

2017-02-09杨林军

东南大学学报（自然科学版） 2017年1期

关键词：酸雾电除尘器湿式

雒飞胡斌吴昊杨林军

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点试验室, 南京 210096)

湿式电除尘对PM2.5/SO3酸雾脱除特性的试验研究

雒飞胡斌吴昊杨林军

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点试验室, 南京 210096)

采用实际燃煤烟气试验系统,测试分析了湿式电除尘器进口粉尘和SO3酸雾的粒度分布,考察了电压、烟温和入口浓度等对湿式电除尘器脱除PM2.5和SO3酸雾性能的影响.结果表明,湿式电除尘器进口粉尘和SO3酸雾均以亚微米颗粒为主;提高湿式电除尘器电压后不同粒径脱除效率的增幅各不相同,湿式电除尘器对于PM2.5的脱除仍然以较大颗粒为主,相同条件下降低烟温有利于颗粒通过水汽相变和凝并作用而长大;湿式电除尘器对SO3酸雾的脱除效率总体上在30%～60%之间;烟气中存在SO3酸雾可增强湿式电除尘对细颗粒的脱除效果.

PM2.5;SO3酸雾;湿式电除尘器;脱除

燃煤电厂运行过程中会产生大量大气污染物,PM2.5与SO3酸雾是其中的重要组成部分.PM2.5比表面积大,易富集各种重金属及有害物质,对自然环境与人体都有直接或间接的危害;同时,烟气中也会含有少量SO3酸雾,不仅会造成设备、管路的低温腐蚀,当烟气中SO3浓度达到35 mg/m3时可导致羽烟不透明度大于50%[1].为应对日益严重的大气污染现状, 2015年12月,环保部、国家发展和改革委员会、国家能源局联合印发了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》,规定了我国东、中、西部燃煤电厂完成超低排放改造的期限.

燃煤电厂对于粉尘控制的主要设备是电除尘器. 虽然静电除尘器对粉尘的脱除效率可达99%以上[2],但对PM2.5的脱除效率不高.WFGD(湿法烟气脱硫)系统通过脱硫浆液的喷淋洗涤作用可以协同脱除脱硫塔进口烟气中部分PM2.5,但由于脱硫浆液的雾化夹带也会生成部分PM2.5,使得PM2.5的物性发生显著变化[3-4].例如在石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统中,新生成的细颗粒物同时含有脱硫形成的CaSO4·2H2O晶粒及未反应的CaCO3颗粒[5-6].在WFGD系统中，目前对PM2.5的控制措施主要有添加蒸汽、湿空气、润湿剂并结合除雾器改造、优化控制操作参数等方式,但效果均不明显.在WFGD系统下游安装湿式电除尘器是近年来满足超低排放要求而采用的有效改造措施,烟气流经湿式电除尘器后颗粒物浓度能控制在10 mg/m3甚至5 mg/m3内.国内外学者已经开展了相关研究, di Natale等[7]和Bologa等[8]研究了湿式电除尘器采用模拟烟气时对细颗粒和超细颗粒的去除效果,发现颗粒的去除效率最高能达到90%以上.D’Addio等[9]研究了荷电雾滴与颗粒受力的关系,发现镜像力对颗粒受力的影响很小.李林等[10]和孟凡腾[11]研究了荷电水雾对细颗粒物脱除的促进作用,发现水雾荷电后能促进颗粒之间的团聚,对于10 μm 以下颗粒物除尘效率的提高尤其明显.Dey等[12]研究了湿式电除尘对纳米粒子的脱除,发现湿式电除尘对80～400 nm粒子的脱除效率大于70%,但对20～80 nm粒子的脱除效率很低.

燃煤电厂运行产生的烟气中含有少量SO3,其中SCR脱硝装置能将烟气中部分SO2氧化为SO3[13].SO3可与烟气中水汽结合形成H2SO4蒸气,当烟气冷却(如进入WFGD系统)时,在均质成核及以烟气中细颗粒为凝结核的异质成核作用下形成亚微米至微米级的SO3酸雾滴．由于其粒径细小,现有WFGD系统的脱除效率一般在30%～50%之间,导致大量SO3酸雾排入大气环境.湿式电除尘器作为电厂末级污染物控制设备,具有对SO3酸雾的良好脱除效果. Reynolds等[14]分别采用金属极板和柔性极板湿式电除尘器测试其对SO3酸雾的脱除效果,发现二者对SO3酸雾的脱除效率都在85%以上.Chang等[15-17]研究了湿式电除尘器中不同集尘极材料对酸雾气溶胶脱除性能的影响,结果显示柔性集尘极的酸雾脱除效率均在95%以上,工作性能优于导电玻璃钢.目前,对于湿式电除尘器脱除SO3酸雾的试验研究基本以通入模拟酸雾气体为主,而采用湿式电除尘器脱除实际燃煤烟气中SO3酸雾及SO3酸雾与PM2.5相互影响的研究还很少.

本文利用实际燃煤烟气试验系统及SO3发生装置开展了湿式电除尘器对PM2.5及SO3酸雾脱除作用的研究,比较了不同粒径段细颗粒物的脱除效果及烟气温度、电压对PM2.5/SO3酸雾脱除性能的影响,以期为采用湿式电除尘器控制PM2.5/SO3酸雾排放提供试验基础.

1 试验

1.1 试验系统

燃煤试验系统平台由全自动燃煤锅炉、缓冲罐、干式电除尘器、湿法脱硫系统、烟气余热回收装置、湿式电除尘器和测试控制系统等组成,如图1所示．额定烟气量为350 m3/h, 缓冲罐内安装搅拌风扇和电加热管,用于保证烟尘浓度分布基本稳定及调节烟气温度.烟气由干式电除尘器脱除大部分粗颗粒物后进入脱硫塔．脱硫塔后设有烟气余热回收装置,可以通过改变冷却介质的流量来改变湿式电除尘器进口烟温.脱硫塔采用三级喷淋,塔顶设有除雾器.脱硫塔后设湿式电除尘器,管式结构,烟气下进上出.湿式电除尘器为单室单电场结构,阳极板为正六边形结构,极板间距为360 mm,高度为3 000 mm,材质为导电玻璃钢,阴极线采用铅锑合金,下有重锤固定.顶部绝缘瓷套采用加热管并伴有热风吹扫.高压电源(泰思曼TRC-2020型)可以提供1～150 kV二次电压输出.本装置工作断面流速为1.1 m/s,烟气停留时间2.5 s,运行电压40～60 kV,阳极板冲洗采用间歇冲洗,水压为0.3 MPa,设计除尘效率不低于85%.SO3发生装置如图2所示,该装置利用SO2高温催化氧化产生SO3气体.由SO2钢瓶气提供SO2,通过质量流量计和转子流量计分别精确控制SO2和空气的流量,从而精确控制SO3的生成量.反应炉前端配有电加热器,用于对大流量的反应物进行预热处理.反应炉为三段式加热结构,催化剂采用S101型钒触媒.反应炉前后均采用保温带进行保温.SO3发生装置的SO2氧化率可达90%以上.生成的SO3气体在脱硫塔前加入烟气,在脱硫塔的高湿环境下,气态SO3与水蒸气结合形成H2SO4蒸汽并同时被冷凝成SO3酸雾.

1.2 采样分析方法

图1 燃煤试验系统示意图

图2 SO3发生装置

2 结果与讨论

2.1 湿式电除尘器进口颗粒物物化特性

为了便于探究湿式电除尘器进口颗粒物物性特征,对脱硫净烟气中颗粒物进行了物相分析,结果如图3所示.由图3(a)可见,脱硫净烟气中颗粒物从形貌上主要分为较大的固体晶粒和较小的飞灰颗粒2种.较大的固体晶粒形状不规则,呈现板状、柱状和其他不规则形状,平均粒径在1 μm以上;较小的飞灰颗粒多为球形,平均粒径在1 μm以下,在数量上远远大于前者.由图3(b)可见,脱硫净烟气中颗粒物主要成分有CaSO4·0.5H2O,CaSO4·2H2O,Al6Si2O13,SiO2等物相,即颗粒物主要成分为CaSO4和飞灰.其中,CaSO4主要来自于脱硫浆液中原始石膏和浆液中CaCO3与SO2反应产物.

图4(a)为湿式电除尘器进口颗粒物数浓度分布和数浓度累积分布.图中,N为数浓度，M为质量浓度，DP为颗粒粒径.由图可知,从数浓度角度看,在ELPI测量范围内,颗粒物以亚微米颗粒物为主,集中分布在0.03～0.40 μm.图4(b)为湿式电除尘器进口细颗粒物质量浓度粒径分布和质量浓度累积分布,由图可知,从质量浓度角度看, 在ELPI测量范围内,亚微米颗粒物所占比例很少.由数浓度和质量浓度累积分布图可知,n(PM2.5)/n(PM10)≈99%,m(PM2.5)/m(PM10)≈49%,即PM2.5在数量上占的比例远大于质量,因此研究PM2.5的数浓度更具有实际意义.

(a) SEM

(b) XRD

(a) 数浓度分布

(b) 质量浓度分布

2.2 湿式电除尘器电压对细颗粒脱除效果的影响

电压是电除尘器的重要运行参数,它主要通过影响空间电场强度和空间电荷密度来影响电除尘器的除尘性能.图5为不同电压下湿式电除尘器的分级脱除效率,进口质量浓度约为55 mg/m3,数浓度约为6.5×106/cm3,停留时间3 s,冲洗水间歇喷淋.由图可知,湿式电除尘器分级脱除效率曲线基本呈V形分布,在0.1 μm处脱除效率最低,粒径大于1 μm 的分级脱除效率基本稳定在90%以上.电压增加,各个粒径段颗粒的脱除效率都随之增加,但增幅不同.当电压由40 kV增加到60 kV时,0.1 μm 的颗粒脱除效率增加约40%,0.03 μm的颗粒脱除效率增加约15%,而粒径大于1 μm的颗粒脱除效率仅增加了不到10%.通常认为,当颗粒直径大于1 μm时,颗粒荷电以场荷电为主；当颗粒直径小于0.1 μm时,颗粒荷电以扩散荷电为主；当颗粒直径介于二者之间时,2种荷电机制和荷电效果均较弱,直接导致这一区段脱除效率不高,这一粒径段也被称为格林菲尔德区(Greenfieldgap)[18].由于扩散荷电具有不规则性,当单位荷电量低于大颗粒场荷电的荷电量时,亚微米颗粒脱除效率总体上低于微米级颗粒物的脱除效率.增加电压后,微米级颗粒物受饱和荷电量的限制,荷电量增加很少,而亚微米级颗粒物由于扩散荷电不存在饱和荷电量的限制,荷电量有较大增加,表现为亚微米级颗粒脱除效率比微米级颗粒脱除效率增加得多.

图5 湿式电除尘器颗粒分级脱除效率与电压的关系

表1为湿式电除尘器在不同电压下对应的PM2.5,PM10的脱除效率.由表可知,对于数量脱除效率,PM2.5与PM10表现一致,可见经过湿式电除尘器后PM2.5中的细颗粒物在数量上仍然占绝对优势;PM2.5与PM10在相同电压条件下的数量脱除效率均低于质量脱除效率,可见湿式电除尘器对于PM2.5的脱除仍然以较大颗粒为主.

公共管廊系统的构成十分复杂，在分析评价前需要划分管段，评价结果取决于管段划分的粗细程度。划分程度越细，结果越准确，但评价费用也随之提高，具体划分方法由评价人员做决定。针对公共管廊，管段划分时常参考以下基础参数: 管道直径、壁厚、管材属性、输送介质种类、设计及运行压力、区域管理归属等。

表1 湿式电除尘器在不同电压下PM2.5,PM10脱除效率

2.3 湿式电除尘器进口烟气温度对细颗粒脱除效果的影响

湿式电除尘器进口烟气温度对细颗粒物的捕集也有重要影响.试验考察了在电压均为50 kV时,湿式电除尘器进口烟温分别为45,50,55和60 ℃时的颗粒物分级脱除效率,烟温选取的范围符合工业实际情况.通过改变脱硫塔后烟气余热回收装置的冷却水流量来调节进口烟气温度.余热回收装置不通过冷却水冷却时进口烟温为55 ℃,通入冷却水并调节其流量可使得进口烟温下降到45 ℃,通过增加锅炉送煤量可以使湿式电除尘器进口烟温达到60 ℃工况.图6为湿式电除尘器颗粒分级脱除效率与进口烟温的关系图.由图可知,对于亚微米颗粒,降低烟温能有效提高对细颗粒的脱除效率,最高提升幅度接近20%,集中在0.1 μm 粒径处;对于微米级颗粒,烟温对脱除效率的影响不明显.相同电压下降低进口烟温有利于提高对细颗粒脱除效率,可能原因为:脱硫净烟气在60 ℃时已经接近饱和,通过换热装置降温后达到过饱和,烟气中水汽在细颗粒物表面发生相变并凝结长大,提高了单个颗粒物的直径[19];凝结水滴同时粘附在2个细颗粒表面,由于液桥力的作用,这2个细颗粒相互凝并结合而变大[20].由试验结果可知,过饱和引起的水汽相变、凝并作用对于亚微米颗粒的长大效果更明显.

图6 湿式电除尘器颗粒分级脱除效率与进口烟温的关系

2.4 湿式电除尘器进口烟气中SO3酸雾粒度分布特性

采用自制SO3发生装置并结合湿法脱硫塔产生的SO3酸雾进行冷态试验.在脱硫塔前添加SO3,采用ELPI测试了湿式电除尘器进口烟气中SO3酸雾的数量浓度及粒径分布,如图7所示.由图可见,SO3酸雾主要集中在亚微米粒径范围内,同时又以小于0.1 μm的细雾滴居多.由于烟气温度在酸露点以下,SO3以硫酸液滴的形式存在,主要是气态H2SO4通过均质成核的作用形成,粒径主要集中在亚微米级.SO3发生装置产生的气态SO3温度约为540 ℃,通过脱硫塔后,由于脱硫塔内湿度较高和气温在酸露点以下,SO3先与塔内水汽结合形成硫酸蒸汽及硫酸水合物[21],硫酸蒸汽及硫酸水合物又会迅速凝结形成硫酸雾滴,此过程中有如下反应[22]:

SO3+H2O→H2SO4

H2SO4+H2OH2SO4·H2O

H2SO4·H2O+H2OH2SO4·2H2O

H2SO4·nH2O+H2OH2SO4·(n+1)H2O

(1)

式中,n为每个水合物含有的水分子个数.

图7 湿式电除尘器进口酸雾数浓度粒径分布

2.5 湿式电除尘器对SO3酸雾的脱除特性

利用实际燃煤试验平台,测试了湿式电除尘器对SO3酸雾的脱除特性.调节SO3发生装置中SO2和O2的进气量,获得湿式电除尘器进口不同的SO3浓度.图8为不同电压下湿式电除尘器对SO3酸雾脱除效率的测试结果.可见,湿式电除尘器对SO3酸雾的脱除效率总体上不高,维持在30%～60%之间,提高电压和入口SO3酸雾浓度均有利于提高酸雾脱除效率.由于SO3酸雾在湿式电除尘器中主要以亚微米甚至小于0.1 μm的细小雾滴形式存在,只有少部分与粉尘颗粒物结合,故湿式电除尘器对SO3酸雾的脱除效率总体上不高.

2.6 SO3酸雾对湿式电除尘器脱除PM2.5的作用

利用实际燃煤试验平台, 测试了SO3酸雾促进湿式电除尘器脱除PM2.5的性能.维持电压为50 kV,烟气中添加SO3后湿式电除尘器进口SO3酸雾浓度分别为18.8,36.3和52.7 mg/m3.图9为添加SO3前、后湿式电除尘器颗粒分级脱除效率.可见,添加SO3酸雾促进PM2.5的脱除效果因粒径不同存在差异,对亚微米颗粒,添加SO3酸雾分级脱除效率的增幅最高可达10%；对微米级颗粒,添加SO3酸雾分级脱除效率的增幅最高约为3%.SO3浓度越高,颗粒的分级脱除效率越高.烟气中添加SO3后存在颗粒表面SO3酸雾的沉积现象,SO3酸雾因其本身粒径较小,沉积在颗粒物表面后对颗粒物粒径影响很小,但能有效降低颗粒表面比电阻,使得颗粒更容易荷电,提高了颗粒的分级脱除效率,尤其对亚微米颗粒其作用效果更明显.

图8 湿式电除尘器对SO3酸雾的脱除效率

图9 添加SO3前后湿式电除尘器颗粒分级脱除效率

3 结论

1) 湿式电除尘器对细颗粒的分级脱除效率基本呈V形分布,提高湿式电除尘器电压后不同粒径处脱除效率的增幅各不相同,亚微米级颗粒脱除率提高幅度优于微米级颗粒.

2) 相同电压下，降低烟气温度有利于提高脱除效率,脱硫净烟气在温度由60 ℃下降到45 ℃后达到过饱和,烟气中水汽在细颗粒物表面发生相变并凝结长大,同时2个颗粒间在液桥力的作用下凝并结合长大,亚微米颗粒的分级脱除效率的增幅最高接近20%,对微米级颗粒分级脱除效率影响不明显.

3) 湿式电除尘器进口烟气中SO3酸雾主要以亚微米雾滴为主,脱除效率总体在30%～60%之间,提高电压和入口SO3酸雾浓度均有利于提高SO3酸雾的脱除效率.

4) 烟气中添加SO3后存在颗粒表面SO3酸雾的沉积现象,能有效降低颗粒表面比电阻,但对体积比电阻影响不大,使颗粒更易荷电.亚微米颗粒分级脱除效率的增幅最高可达10%,微米级颗粒分级脱除效率的增幅最高约3%.

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Experimental study on removal properties of PM2.5and sulfuric acid mist by wet electrostatic precipitator

Luo Fei Hu Bin Wu Hao Yang Linjun

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The removal of PM2.5and sulfuric acid mist by wet electrostatic precipitator was investigated based on the actual coal-fired experimental platform. The particle size distribution of PM2.5and sulfuric acid mist at the wet electrostatic precipitator inlet was analyzed.The influences of the voltage, temperature and inlet concentration on the removal properties of PM2.5and sulfuric acid mist were studied. The results show that the dust and the sulfuric acid mist are mainly submicron particles at the wet electrostatic precipitator inlet. The growth of the removal efficiency of different sizes is not the same. The removal of PM2.5and sulfuric acid mist for wet electrostatic precipitator gives priority to larger particles. Reducing gas temperature is helpful to make particles grow up by heterogeneous condensation and coagulation under the same conditions. The removal efficiency of sulfuric acid mist by wet electrostatic precipitator maintains 30% to 60% on the whole. Thus, the sulfuric acid mist can help improve the removal efficiency of fine particles by wet electrostatic precipitator.

PM2.5; sulfuric acid mist; wet electrostatic precipitator; removal