燃煤电厂湿式电除尘器减排及能效特性研究

刘含笑，吴黎明,2，赵琳，于立元，郦建国，崔盈

(1. 浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800；2. 杭州钢铁集团有限公司， 浙江 杭州 310000)

0 引言

湿式电除尘器在湿烟气环境下电晕功率远高于干式电除尘器，可实现高效除尘及协同脱除湿法脱硫次生污染物、非常规污染物[1-3]等，在燃煤电厂烟气超低排放改造中具有广泛应用。国内外众多学者对湿式电除尘器的污染物减排特性开展了系列研究。文献[4-5]研究表明，湿式电除尘器对烟尘的脱除效率均达到80%以上；文献[6]采用ELPI（低压静电撞击仪）、SMPS（纳米粒子测试仪）、滤膜过滤等多种测试方法测定了湿式电除尘器除尘性能，颗粒物最低可达1 mg/m3以下；文献[7]对2台300 MW燃煤机组配套湿式电除尘器开展了现场实测，对PM2.5、SO3脱除效率分别为79.71%～90.23%、52.03%～59.09%；文献[8]基于调研和现场实测初步研究了湿式电除尘器颗粒物排放特征，出口颗粒物和PM2.5浓度分别为0.43～12.5 mg/m3和 0.35 ～1.59 mg/m3；文献 [9]实验研究了湿式电除尘器对SO3的减排提效措施，通过预荷电和预荷电+冷凝可分别将SO3脱除效率从90.3%提升至95.8%和97.8%。上述研究主要关注了湿式电除尘器污染物减排特性，未涉及能效参数，而现有关于电除尘器能效研究的文献多是服务于标准研制[10-11]，对污染物排放和能效参数之间的关联性研究较少。

本研究基于中国典型燃煤电厂湿式电除尘器排放和能效数据，系统分析湿式电除尘器对各污染物的减排特性和脱除能耗，为超低排放机组的后续节能减碳运行提供借鉴。

1 研究对象及研究方法

研究对象为122台典型燃煤电厂配套湿式电除尘器，具体情况如图1所示。其中，金属板式湿式电除尘器35台，机组容量涉及15～1030 MW，烟气量为 7.2×105～4.3×106m3/h，平均为 2.0×106m3/h；导电玻璃钢湿式电除尘器87台，机组容量涉及 75～1000 MW，烟气量在 5.8×105～3.3×106m3/h，平均为 1.6×106m3/h。

图1 研究对象Fig. 1 Research object

在额定工况下对湿式电除尘器开展测试研究，测点布置复合GB 13 931—2017等标准的相关要求，测试期间工况稳定、煤种无变化，制粉系统设置固定，配风方式一定，且锅炉不打焦、不吹灰等。总尘采样采用大流量烟尘采样仪（滤筒）或低浓度烟尘自动等速取样仪（一体化采样头+滤膜）；采用重量法采集烟气中PM2.5；用冷凝法采集烟气中的雾滴，并定时取样脱硫塔浆液，分析雾滴和浆液中镁离子浓度；采用控制冷凝法采集烟气中SO3；采用电能表测定湿式电除尘器耗电量。测试方法符合GB13931—2017、HJ917—2017、GB/T16157—1996等相关标准规定和湿式电除尘器性能测试相关要求[12-17]。

湿式电除尘器对污染物的脱除效率为

式中： ηi为湿式电除尘器对某项污染物的脱除效率，%；Ci1、Ci2分别为湿式电除尘器进出口某污染物的质量浓度，mg/m3。

湿式电除尘器高压供电比电耗用于评价其效能水平，可表示为

式中： λ 为湿式电除尘器的比电耗，kW·h/m³；W为湿式电除尘器单位时间的高压供电电耗，kW·h/h；Q为湿式电除尘器进口烟气量，m3/h。

为进一步评价脱除单位质量颗粒物所消耗的电耗可表示为

式中： Ω 为湿式电除尘器的颗粒物脱除能耗，kW·h/kg；CPM1、CPM2分别为湿式电除尘器进出口的颗粒物质量浓度，mg/m3；Q此处为97.58×104m3/h。

2 污染物排放数据分析

所有污染物排放数据均在90%负荷以上进行测试。试验前，湿法电除尘器调试到符合设计要求。试验期间的要求有：锅炉负荷应稳定，最大波动幅度不超过±5%；燃烧煤种、煤质基本不变、燃料配比不变；制粉系统固定运行方式，给粉均匀，锅炉不投油枪助燃，不吹灰；湿式电除尘器正常、稳定投运；高压供电系统和控制系统以及低压控制系统正常运行。

2.1 颗粒物

湿式电除尘器出口颗粒物排放浓度及脱除效率如图2所示。金属板式湿式电除尘器出口颗粒物浓度为 0.43～16.20 mg/m3，平均值为 5.13 mg/m3，颗粒物排放浓度，不高于 2.5 mg/m3和 5 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为20.6%和64.7%；除尘效率为45.7%～95.0%，平均值为81.6%，其中除尘效率超过80%的湿式电除尘器占比为32.4%。导电玻璃钢湿式电除尘器出口颗粒物浓度为1.10～9.40 mg/m3，平均值为 3.82 mg/m3，颗粒物排放浓度不高于 2.5 mg/m3和 5 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为20.7%和87.8%；除尘效率为56.1%～96.1%，平均值为81.4%，其中除尘效率超过80%的湿式电除尘器占比为69.5%。金属板式湿式电除尘器一般为连续喷淋，湿电场中荷电雾滴可强化颗粒物团聚和迁移[8]，因此可达到低于1 mg/m3的极低排放浓度（如图3），但从除尘效率值来看，实际运行中导电玻璃湿式电除尘器高除尘效率（＞80%）占比明显高于金属板式湿式电除尘器。一般来说，除尘器入口颗粒物浓度越高，除尘效率越高，但对应的出口浓度值也会升高，以同为300 MW级机组配套的金属板式湿式电除尘器为例，入口颗粒物浓度从10 mg/m3增加到90 mg/m3时，对应的除尘效率从75%左右上升到90%以上，如图4所示。

图2 颗粒物排放浓度及脱除效率Fig. 2 Particulate matter emission concentration and removal efficiency

图3 颗粒物排放浓度＜1 mg/m3机组统计Fig. 3 Statistics of particulate matter emission concentration < 1 mg/m3

图4 入口颗粒物浓度与除尘效率的关系Fig. 4 The relationship between the concentration of inlet particulate matter and dust removal efficiency

湿式电除尘器出口PM2.5排放浓度及脱除效率如图5所示。金属板式湿式电除尘器出口PM2.5浓度为 0.27～4.64 mg/m3，平均值为 1.03 mg/m3，PM2.5排放浓度不高于 1 mg/m3和 2.5 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为54.5%和58.8%；PM2.5脱除效率为71.2%～91.6%，平均值为76.6%，PM2.5脱除效率超过80%的湿式电除尘器占比为47.1%。导电玻璃钢湿式电除尘器出口PM2.5浓度为0.15～3.80 mg/m3，平均值为 0.84 mg/m3，PM2.5排放浓度不高于 1 mg/m3和 2.5 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为37.8%和83.8%；PM2.5脱除效率为58.3%～93.1%，平均值为75.8%，PM2.5脱除效率超过80%的湿式电除尘器占比为75.7%。实际运行中导电玻璃湿式电除尘器P M2.5高脱除效率（＞80%）占比明显高于金属板式湿式电除尘器，入口浓度越高，对应的PM2.5脱除效率也越高，以同为300 MW级机组配套的金属板式湿式电除尘器为例，入口PM2.5浓度从10 mg/m3增加到30 mg/m3时，对应的PM2.5脱除效率从80%左右上升到90%以上，如图6所示。

图5 PM2.5排放浓度及脱除效率Fig. 5 PM2.5emission concentration and removal efficiency

图6 入口PM2.5浓度与除尘效率的关系Fig. 6 The relationship between the concentration of inlet PM2.5and dust removal efficiency

常规电除尘器振打会引起二次扬尘，无法突破高比电阻反电晕及细颗粒荷电难等技术瓶颈[18-20]，而PM2.5因粒径更小、比电阻更高[21-22]，上述瓶颈问题会更加突出。湿法脱硫可协同脱除一定的颗粒物和PM2.5，但同时也会产生新的颗粒物[23-24]。湿式电除尘器主要通过湿电场强化荷电和促进细颗粒团聚强化了对颗粒物脱除性能[8]，但其对颗粒物（PM）的脱除效率会明显高于PM2.5，因此，经超低排放改造后湿式电除尘器出口排放的颗粒物主要是以小粒径颗粒为主。

2.2 雾滴

湿式电除尘器出口雾滴排放浓度及脱除效率如图7所示。金属板式湿式电除尘器出口雾滴浓度为 2.50～34.11 mg/m3，平均值为 15.12 mg/m3，雾滴排放浓度不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为13.6%和27.3%；雾滴脱除效率为64.5%～87.7%，平均值为76.1%，雾滴脱除效率超过75%的湿式电除尘器占比为54.5%。导电玻璃钢湿式电除尘器出口雾滴浓度为0.3 0～34.10 mg/m3，平均值为 10.83 mg/m3，雾滴排放浓度不高于5 mg/m3和10 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为23.6%和49.1%；雾滴脱除效率为43.75%～96.2%，平均值为75.2%，雾滴脱除效率超过75%的湿式电除尘器占比为41.8%。导电玻璃湿式电除尘器一般为非连续喷淋，其出口雾滴浓度较低（不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3）的占比明显高于金属板式湿式电除尘器。

图7 雾滴排放浓度及脱除效率Fig. 7 Droplets emission concentration and removal efficiency

2.3 SO3

湿式电除尘器出口SO3排放浓度及脱除效率如图8所示。金属板式湿式电除尘器出口SO3浓度为 0.28～12.00 mg/m3，平均值为 5.14 mg/m3，SO3排放浓度不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为50.0%和95.8%；SO3脱除效率为28.1%～82.8%，平均值为68.7%，SO3脱除效率超过70%的湿式电除尘器占比为50.0%。导电玻璃钢湿式电除尘器出口S O3浓度为0.2 7～36.29 mg /m3，平均值为 4.52 mg/m3，SO3排放浓度不高于 5 mg/m3和 10 mg/m3的湿式电除尘器占比分别为74.1%和94.4%；SO3脱除效率在40.9%～91.8%，平均值为73.3%，SO3脱除效率超过70%的湿式电除尘器占比为66.7%。实际运行中，导电玻钢湿式电除尘器为非连续喷淋，电源参数可以升到更高[16,25]，因此，其对SO3脱除率也较金属板式湿式电除尘器更高一些。但值得注意的是，硫酸溶胶颗粒粒径非常小，易引起电晕封闭现象[26-27]，反而会影响其SO3脱除效率和除尘性能，如导电玻璃钢湿式电除尘器入口SO3浓度为20 mg/m3时，SO3脱除率达90%以上，但入口SO3浓度为100 mg/m3时，SO3脱除率反而降至65%左右。

图8 SO3排放浓度及脱除效率Fig. 8 SO3emission concentration and removal efficiency

3 能效数据分析

3.1 高压供电电耗及比电耗

湿式电除尘器高压供电电耗及比电耗对比如图9所示。金属板式湿式电除尘器高压供电电耗为 81.2～611.0 kW·h /h，平均值为 319.7 kW·h /h；比电耗为 0.68×10–4～3.34×10–4kW·h /m3，平均值为1.55×10–4kW·h /m3。导电玻璃钢湿式电除尘器高压供电电耗为 77.1～821.0 kW·h /h，平均值为297.1 kW·h /h；比电耗为 0.74×10–4～3.38×10–4kW·h /m3，平均值为 1.75×10–4kW·h /m3。不同项目的湿式电除尘器高压供电比电耗差异较大，总体而言，导电玻璃钢湿式电除尘器的高压供电比电耗略高于金属板式湿电除尘器，是因为实际运行中导电玻璃钢湿式电除尘器为非连续喷淋，电源参数通常设置更高。

图9 高压供电电耗及比电耗Fig. 9 Power consumption and specific power consumption of high voltage power supply

3.2 颗粒物脱除能耗

湿式电除尘器对单位质量颗粒物脱除能耗与入口颗粒物浓度的关系如图10所示。金属板式湿式电除尘器颗粒物脱除能耗为 4.7～24.7 kW·h /kg，平均值为 10.8 kW·h /kg。导电玻璃钢湿式电除尘器颗粒物脱除能耗为 2.9～37.5 kW·h /kg，平均值为13.3 kW·h /kg。由图 10 可看出，湿式电除尘器入口颗粒物浓度越高，相应的颗粒物脱除能耗就越低，如金属板式湿式电除尘器入口颗粒物浓度从5 mg/m3增加到 60 mg/m3时，对应的单位质量颗粒物脱除能耗从 20 kW·h /kg 左右降至 5 kW·h /kg 左右。导电玻璃钢湿式电除尘器入口颗粒物浓度从10 mg/m3增加到 40 mg/m3时，对应的单位质量颗粒物脱除能耗从 20 kW·h /kg 左右降至 3 kW·h /kg左右。这也与相关文献研究规律一致[28]。

图10 颗粒物脱除能耗与入口颗粒物浓度的关系Fig. 10 Relationship between energy consumption and inlet PM concentration

4 结论

（1）不同型式的湿式电除尘器对颗粒物和PM2.5均具有较高的脱除效率，金属板式和导电玻璃湿式电除尘器的除尘效率分别为45.7%～95.0%、56.1%～96.1%，平均值分别为81.6%、81.4%；对P M2.5的脱除效率分别为7 1.2%～9 1.6%、58.3%～93.1%，平均值分别为76.6%、75.8%。湿式电除尘器对颗粒物的脱除效率明显高于PM2.5，出口颗粒物和PM2.5浓度大部分都低于5 mg/m3和2.5 mg/m3，且出口颗粒物粒径分布向小粒径方向迁移，PM2.5/PM占比明显升高。

（2）绝大部分湿式电除尘器出口雾滴浓度都低于25 mg/m3，金属板式和导电玻璃湿式电除尘器对雾滴的脱除效率分别为64.5%～87.7%、43.75%～96.2%，平均值分别为76.1%、75.2%，脱除效率与颗粒物相当。导电玻璃钢湿式电除尘器一般为非连续喷淋，其出口雾滴浓度较金属板式普遍会更低一些。

（3）湿式电除尘器出口SO3浓度绝大部分都低于10 mg /m3，金属板式和导电玻璃湿式电除尘器对SO3的脱除效率分别为28.1%～82.8%、40.9%～91.8%，平均值分别为68.7%、73.3%，脱除效率较PM2.5更低一些，主要是因为硫酸溶胶颗粒粒径更小所致，且高浓度SO3会引起电晕屏蔽导致脱除效率下降。导电玻璃钢湿式电除尘器电源参数可以升到更高，因此对SO3脱除效率也较金属板式更高一些。

（4）不同项目的湿式电除尘器高压供电比电耗差异较大，金属板式和导电玻璃钢湿式电除尘器比电耗分别为 0.68×10–4～3.34×10–4kW·h /m3、0.74×10–4～3.38×10–4kW·h /m3，平均值分别为 1.55×10–4、1.75×10–4kW·h /m3。金属板式和导电玻璃湿式电除尘器颗粒物脱除能耗分别为4.7～24.7 kW·h/kg、2.9～37.5 kW·h /kg，平均值分别为 10.8、13.3 kW·h /kg。且入口颗粒物浓度越高颗粒物脱除能耗越低，因此，从节能角度来看，应优先考虑采用金属板式湿式电除尘器，且在满足超低排放的前提下，不应盲目追求极低的颗粒物排放。