多种负荷工况下湿式电除尘器的PM2.5脱除效率及排放特征

摘要： 在燃煤发电机组带100%、75%、50%负荷，每种负荷下湿式电除尘器（WESP）以高功率和节能优化2种模式运行共6种工况下，使用ELPI+测试湿式电除尘器入口和出口烟尘的质量浓度和排放特征。实验结果表明，在高负荷下，湿式电除尘器采用节能模式会导致总烟尘、PM10、PM2.5浓度均显著升高，甚至排放质量浓度超过5 mg/m3；而在中低负荷下，湿式电除尘器采用节能模式会导致总烟尘排放浓度显著升高，但PM10、PM2.5浓度则变化不显著，且粒径越小变化越小；PM10、PM2.5浓度变化对总排放的影响较小，除尘系统节能优化试验可为机组实现超低排放下的优化运行提供有力支持；湿式电除尘器入口和出口飞灰颗粒质量呈现出典型的双模态分布；湿式电除尘器以高功率运行时，2~10 μm的颗粒仅占PM10质量的30%左右，湿式电除尘器以节能模式运行时，2~10 μm的颗粒可占到PM10质量的50%以上。

0 引言

湿式电除尘器（WESP）作为燃煤电厂实现超低排放的主要设备之一[1-3]，已在中国燃煤电厂得到广泛应用[4]。在控制烟尘排放及去除PM2.5 细颗粒物方面，该技术有明显的优势[5-6]。有研究表明，湿式电除尘器可有效增强烟尘颗粒间的团聚作用，从而有效去除干式电除尘器难以去除的细颗粒物，其除尘效率可达85% 以上，最终烟尘排放质量浓度可低于3 mg/m3[7]。在增强PM2.5 细颗粒物脱除方面，湿式电除尘技术仍是主要的研究方向[8-9]。

当前煤电机组多承担深度调峰任务，普遍无法长期保持100% 负荷运行，今后中低负荷运行或成常态化。在机组带中低负荷运行时，各环保设备也应进行调整，从而在确保排放达标的前提下实现节能降耗、优化运行的目标[10-11]。湿式电除尘器是燃煤电厂环保系统中去除PM2.5细颗粒物的关键一环，目前缺少对中低负荷下湿式电除尘器运行方式和细颗粒物去除效果的相关研究。

因此，有必要对多种负荷与电场参数下湿式电除尘器对细颗粒物的去除能力进行实验研究。本文对多种负荷多工况下湿式电除尘器对PM2.5 的脱除效率及排放特征进行了实验研究，研究结论有助于燃煤电厂在保证排放达标的前提下实现运行优化。

如未特殊说明，文中烟尘排放浓度均指标准状态、干烟气、氧浓度为6% 时的质量浓度。

1 实验内容

1.1 实验仪器

实验使用静电低压撞击器ELPI+进行采样与测试。ELPI+以低压荷电撞击原理[12] 测量颗粒物的粒径分布，测量精度高，反应时间短，可实现直径为6 nm~10 μm（均为空气动力学直径）的细颗粒物变化浓度的在线监测。ELPI+设备由采样枪、干燥管、稀释器、预切割器、荷电器、分级采样装置和在线分析系统构成。

实验对象为湿式电除尘器，其入口和出口烟气温度约为50 ℃，湿度为当前气压下的饱和湿度并有水滴存在。ELPI+设备内部的电子元件要求烟气样本干燥，且温度不高于60 ℃。测试高温烟气时应使用稀释器，测试高湿度烟气时应使用干燥管。有研究表明，相较于不使用稀释器，使用稀释器时ELPI+会高估直径3~7 μm 间颗粒的数浓度，而低估其他直径颗粒的数浓度[13]。为保证结果的准确性，实验中仅使用干燥管而不使用稀释器[14]。实验结果中的颗粒物均指干烟尘，不包含水滴。

1.2 实验对象与测点布置

实验机组为某660 MW 超超临界燃煤机组，配备双室四电场电除尘器、湿法脱硫装置和湿式电除尘器。其湿式电除尘器为四室两电场结构，采用不锈钢金属极板，在出口位置前方设有不锈钢材质的除雾装置。

湿式电除尘器入口和出口烟道均包含喇叭状扩张段。入口烟道测点位于扩张段前的直烟道上，出口烟道测点位于扩张段后水平烟箱前的直烟道上。测点均按国家标准布置，以保证能遍历流场断面且各测点均具有代表性[15]。

1.3 实验工况

实验应选取具有代表性的工况，从而能覆盖燃煤电厂常见运行负荷。该负荷下电除尘器、脱硫、脱硝等环保设备的运行参数应符合实际状况。因此，选取机组运行中常带的典型负荷，即100%，75% 和50% 负荷，湿式电除尘器高压段分别采用高功率和节能优化2 种模式、共6 种工况进行实验。湿式电除尘器的节能优化运行模式由现场优化试验结合设备运行特征确定。入炉煤煤质等指标维持不变，使相同负荷下电除尘器入口烟尘浓度、处理烟气量及烟温在同一水平，以排除干扰。

电除尘器和脱硫系统参照一般情况下中低负荷机组的运行状况来设定参数。在100% 负荷时，电除尘器以高功率模式运行，吸收塔3 台循环泵全部投运。在75% 和50% 负荷时，电除尘器以节能模式运行，吸收塔2 台循环泵投运。电除尘器和吸收塔运行参数的减少会导致除尘效率下降，全粒径烟尘排放浓度均有所上升，但其影响主要体现在粒径大于10 μm 的颗粒上，对细颗粒物影响较小。

2 结果与讨论

2.1 细颗粒物去除效率对比

6 种工况下，湿式电除尘器的电耗、入口和出口PM2.5、PM10 和总烟尘（TP）质量浓度及脱除效率见表3 和图1。

实验结果表明，首先，湿式电除尘器高压部分功率降低会对全粒径范围内烟尘的脱除效率和排放浓度产生不利影响。在100% 负荷下，功率的降低导致了总烟尘、PM10、PM2.5 的排放明显升高。其中湿式电除尘器出口总烟尘浓度由4.17 mg/m3增至6.75 mg/m3， 增加了61.9%； PM10 浓度由4 . 0 6 m g / m 3 增至5 . 3 2 m g / m 3， 增加了3 1 . 0 %；PM2.5 浓度由2.72 mg/m3 增至3.39 mg/m3，增加了24.6%。而在75% 和50% 负荷下，功率的降低导致了总烟尘排放浓度明显升高，PM10 变化幅度次之，而PM2.5 则变化不明显。在75% 负荷下，湿式电除尘器出口总烟尘浓度由3.41 mg/m3 增至5.05 mg/m3，增加了48.1%；PM10 浓度由3.12 mg/m3增至3.50 mg/m3， 增加了12.2%； PM2.5 浓度由2.12 mg/m3 变为2.03 mg/m3， 减少了4.2%。在50% 负荷下， 湿式电除尘器出口总烟尘浓度由2 . 5 4 m g / m 3 增至3 . 7 8 m g / m 3， 增加了4 8 . 8 %；PM10 浓度由2.29 mg/m3 增至2.57 mg/m3，增加了12.2%；PM2.5 浓度由1.49 mg/m3 增至1.64 mg/m3，增加了10.1%。这一结果与电除尘理论一致，即对粒径大于0.1 μm 的颗粒而言，其粒径越小则越难荷电[16-17]，驱进速度越小[18]，越难以被电除尘装置收集。湿式电除尘器仍然遵循这一规律。中低负荷下，湿式电除尘器入口烟尘浓度低，荷电与迁移过程更加缓慢，导致高压部分功率的提升对PM10 和PM2.5 脱除效率的提升依次降低。中低负荷下降低PM10 和PM2.5 的排放浓度会比降低总烟尘浓度产生更多的厂用电消耗。

其次，在排放浓度方面，机组处于75% 负荷时，总烟尘排放在湿式电除尘器处于高功率模式运行时达到了＜5 mg/m3 的标准，在湿式电除尘器处于节能优化模式运行时未能达到标准，但仅超出了0.05 mg/m3。而在50% 负荷时，无论湿式电除尘器处于何种运行方式， 总烟尘排放均可达标。这意味着在保证实现超低排放的前提下，中低负荷下除尘设备有一定的节能空间。该结果可为中低负荷下环保设备的节能优化运行提供参考。工况3~6 的实验结果表明，随着湿式电除尘器高压功率的提高， 粒径超过10 μm 的大颗粒（PM10+）脱除效率显著提升，而微细颗粒的脱除效率变化不大。现役机组配备的一般环保设备，如电除尘器、湿法脱硫装置等在去除PM10+方面均可发挥作用。为实现在排放达标的前提下尽量节能的目的，应配合节能优化实验确定湿式电除尘器运行参数[ 1 0 ]， 进而得到详细的运行方案。在机组带中低负荷运行时，以现场试验获得可靠的实际烟尘排放浓度，再通过调节各环保设备的运行参数来使排放达标，无须特别关心细颗粒物的影响。

2.2 不同工况下湿式电除尘器细颗粒物的粒径分布和排放特征

ELPI+设备将10 μm 以下的飞灰按粒径大小分为14 级，分别记录每级的质量浓度。工况1 和工况2 下湿式电除尘器入口出口各粒径区间烟尘颗粒的量浓度如图2 所示。工况1 下，各级颗粒的脱除效率为42.4%~84.8%。工况2 下，各级颗粒的脱除效率为39.4%~71.9%。

工况3 和工况4 下湿式电除尘器入口出口各粒径区间烟尘颗粒的质量浓度如图3 所示。工况3下，各级颗粒的脱除效率为46.3%~85.6%。工况4下，各级颗粒的脱除效率为44.2%~76.7%。

工况5 和工况6 下湿式电除尘器入口出口各粒径区间烟尘颗粒的质量浓度如图4 所示。工况5下，各级颗粒的脱除效率为50.0%~89.5%。工况6下，各级颗粒的脱除效率为43.6%~81.1%。

实验结果表明，100% 负荷下湿式电除尘器入口出口的烟尘颗粒的质量分布遵循如下规律：粒径小于0.5 μm 时，颗粒质量浓度随粒径增大而增加；在0.5 μm 附近增长速度显著放缓；0.5~2.5 μm区间内颗粒质量浓度再次随粒径增大而增加；大于2.5 μm 时则随粒径增大而减小。这意味着不同粒径烟尘颗粒的质量呈现出典型的双模态分布[19-20]，即由2 个对数正态分布叠加而成。75% 和50% 负荷时，因飞灰总量的减少，各级的质量浓度均有降低，但整体分布趋势不变。

6 种工况下的实验结果有以下共同点。（1）大颗粒仍是烟尘质量浓度的主要组成部分，0.7 μm以上的飞灰占据了全部PM10 质量浓度的95% 以上。（2）对直径2.5 μm 以上的颗粒而言，湿式电除尘器的脱除效果随粒径增大而显著提升，在图2~4 上表现为出口质量浓度曲线比入口质量浓度曲线以更陡的趋势下降。而对2 μm 以下的颗粒而言，其脱除效率和粒径大小基本无关，且脱除效率普遍不高。（3）湿式电除尘器脱除效率最低的通常是1 μm 左右的颗粒。因该区间的颗粒荷电迁移速度最低。

对比相同机组负荷、不同除尘功率下的结果可以发现，减小湿式电除尘器的除尘功率不但导致全粒径范围的除尘效率降低，还导致2 μm 以上大颗粒的除尘效率的下降，且粒径越大影响越显著。这说明湿式电除尘器对2 μm 以上大颗粒的捕集效果远超小颗粒，且在10 μm 以内的区间内，颗粒越大捕集效果越好。机组总除尘效率较高，即湿式电除尘器以高功率运行时，2~10 μm 的颗粒仅占PM10 质量的30% 左右。而机组总除尘效率较低， 即湿式电除尘器以节能模式运行时，2~10 μm 的颗粒可占到PM10 质量的50% 以上。

3 结论

使用ELPI+对多种负荷下湿式电除尘器进行实验，得到以下结论：中低负荷下，湿式电除尘器采用节能模式会导致总烟尘排放浓度显著升高，但PM10 以下的颗粒浓度变化不显著；湿式电除尘器入口和出口飞灰颗粒质量呈现出典型的双模态分布； 节能模式时2~10 μm 的颗粒可占到PM10 质量的50% 以上。