, ,,,

(1.北京京橋熱電有限責任公司，北京 100067；2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

220 MW煤粉爐PM2.5濃度排放特性的試驗研究

馬萬軍1,杜謙2,高建民2,趙廣播2,吳少華2

(1.北京京橋熱電有限責任公司，北京 100067；2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文采用荷電低壓撞擊器(ELPI)，通過對二級稀釋系統(tǒng)采樣對某電廠220 MW煤粉鍋爐PM2.5的濃度排放特性進行了研究。研究結果顯示，煤粉鍋爐所產(chǎn)生煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度呈較明顯的雙峰分布，小顆粒峰值一般在0.12 μm或0.07 μm，較大顆粒峰值一般在0.76 μm，PM2.5粒數(shù)濃度一般為幾百萬粒/cm3，主要取決于由氣化凝結機理形成的細模態(tài)顆粒物PM0.38，PM2.5質(zhì)量濃度呈單峰分布，一般為幾百mg/m3，其質(zhì)量濃度主要取決于由中間模態(tài)顆粒物PM0.38～2.5；采用覆膜濾料的布袋除塵器和電袋聯(lián)合除塵器對PM2.5具有較好的除塵效果，二電場電袋復合除塵器出口煙氣中PM2.5最小可達200 μg/m3，粒數(shù)濃度在幾萬粒/cm3；當除塵效果較好時，濕法脫硫裝置出口煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度可能會有所增加。

煤粉爐；PM2.5；濃度；排放特性

1 試驗方法及測試對象

1.1 試驗對象

某大型股份制發(fā)電供熱企業(yè)現(xiàn)有4臺220 MW燃煤供熱汽輪發(fā)電機組，采用哈鍋一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構架Π 型布置的超高壓鍋爐(鍋爐型號：HG-670/140-13型)。各煤粉爐采用低氮燃燒器及SCR聯(lián)合脫硝；#1、#3爐采用二電場與三布袋室的電袋聯(lián)合除塵器，#2爐采用一電場與三布袋室的電袋聯(lián)合除塵器，#4爐采用純布袋除塵器(所有鍋爐除塵器均采用覆膜濾料布袋)；采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫，其中#1、#2共用一個吸收塔，#3、#4分別單獨建吸收塔。所燒煤種主要為晉煤和蒙煤的混合煙煤，試驗期間各鍋爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

1.2 測試方法

采用二級稀釋采樣系統(tǒng)(如圖1所示)對煙氣采樣， 煙氣首先經(jīng)過帶加熱保溫套的PM10預割器將10 μm以上顆粒切割，然后依次進入兩級稀釋器。兩級稀釋器通入經(jīng)過濾的干潔空氣對含塵煙氣進行稀釋，一級稀釋器通入加熱空氣并伴熱保溫，二級稀釋器常溫稀釋。經(jīng)過稀釋降溫后的煙氣，采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的荷電低壓撞擊器(ELPI)在線分級測量煙塵的粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度[1-4]。試驗過程中，采用武漢市天虹儀表有限責任公司TH-880F自動煙塵煙氣分析儀對煙氣成分進行分析。

表1 電廠鍋爐煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

圖1 二級稀釋采樣系統(tǒng)Fig.1 Two stage dilution sampling system

本實驗采用的ELPI可以測空氣動力學直徑在0.007～10 μm區(qū)間的顆粒，顆粒進入ELPI主機后，先在一個靜電場內(nèi)被電暈放電器荷電，然后自上而下通過每一級沖擊采樣器，通過慣性分離將顆粒按粒徑從大到小分為12級。各級收集顆粒平均粒徑分別為：0.021 μm、0.041 μm、0.076 μm、0.13 μm、0.21 μm、0.32 μm、0.50 μm、0.79 μm、1.26 μm、1.99 μm、3.13 μm、6.35 μm。采用ELPI對PM2.5測量，只需截取第10至第1級數(shù)據(jù)即可。

1.3 測點布置

現(xiàn)場采樣位置布置如圖2，在鍋爐后除塵裝置前的測點代表鍋爐產(chǎn)污特性，除塵后和脫硫裝置之后的測點代表鍋爐排污特性。

圖2 采樣位置布置Fig.2 Arrangement of sampling location

2 試驗結果及討論

2.1 煤粉爐除塵前PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度

Where: ra is armature winding; rf is excitation winding;rD is direct-axis damping winding;rQ is cross-axis damping winding; w is electrical angular velocity of rotor.

試驗時，鍋爐負荷均在額定負荷(De)的75%以上，各鍋爐出口PM2.2的粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布如圖3(a)和(b)所示。煤粉爐各鍋爐出口的總粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度見表2。煤粉爐鍋爐出口的PM2.5各區(qū)段粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度比例見表3。

由圖3(a)，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度呈較明顯的雙峰分布，小顆粒峰值一般在0.12 μm或0.07 μm，大顆粒峰值峰值一般在0.76 μm，小顆粒粒數(shù)濃度明顯高于大顆粒。參考文獻[5]，小顆粒峰值區(qū)(PM0.38)對應細模態(tài)形成機理，即無機礦物氣化-凝結機理。在燃燒高溫區(qū)，某些礦物質(zhì)發(fā)生氣化，煙氣冷凝時，這些氣化礦物則通過均相成核和異相凝結，凝并或聚結形成細顆粒。大顆粒峰值區(qū)(PM0.38～2.5)主要由中間模態(tài)機理形成，即由細顆粒物外部包裹氣化礦物質(zhì)的凝結物形成，這些細顆粒物主要來源于煤粒燃燒過程中表面破碎形成的碎片燃燒后所包含的內(nèi)在礦物質(zhì)熔融聚合形成的顆粒物、外在礦物質(zhì)細顆粒、外在礦物質(zhì)破碎形成的細顆粒物及單個細微煤粒燃燒后形成的細灰粒[6]。

圖3 煤粉爐除塵前PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布Fig.3 Number and mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler before dust collector

圖4 煤粉爐除塵后PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布Fig.4 Number and mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler after dust collector

圖5 煤粉爐脫硫前后PM2.5粒數(shù)及質(zhì)量濃度分布Fig.5 Number and Mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler after desulfurization

由表3可知，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度為幾百萬粒/cm3。由表4知，PM10粒數(shù)濃度主要取決于PM2.5,PM2.5粒數(shù)占PM10 99.5%以上；PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于PM1.0，更直接取決于0.38 μm 以下的小顆粒(PM0.38)。PM1.0粒數(shù)占PM2.5 98%以上，PM0.38粒數(shù)占PM2.5 96%以上。通常認為PM0.38主要由礦物質(zhì)氣化凝結機理形成，即煤粉爐PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于礦物質(zhì)氣化凝結機理形成的細模態(tài)顆粒物。

由圖3(b)，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度在0.12 μm或0.2 μm附近有一峰值。由表3知，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度為幾百mg/m3。由表4知，PM0.38質(zhì)量濃度占PM2.5質(zhì)量濃度比例很小，一般小于5%,PM2.5質(zhì)量濃度主要取決于PM0.38～2.5，即PM2.5質(zhì)量濃度主要中間模態(tài)顆粒物。

2.2 煤粉爐除塵后PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度

試驗時，鍋爐負荷均在75%De以上，各鍋爐除塵器后PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度分布見圖4(a)和(b)。煤粉爐各除塵器出口的總粒數(shù)和質(zhì)量濃度見表3。煤粉爐鍋爐出口的PM2.5各區(qū)段粒數(shù)和質(zhì)量濃度比例見表4。煤粉爐除塵器PM2.5總粒數(shù)和質(zhì)量脫除效率見表2。

表2 煤粉爐除塵器PM2.5總粒數(shù)和質(zhì)量脫除效率

由圖4(a)經(jīng)過除塵設施后，PM2.5粒數(shù)濃度基本上仍然呈雙峰分布，且各級顆粒的粒數(shù)濃度均有大幅下降。由表3，220 MW煤粉鍋爐除塵后煙氣中PM2.5的粒數(shù)濃度為幾萬粒/cm3。由表2，各除塵器的顆粒數(shù)除塵效率均較高，達到99.2%以上。由表4可看出， PM0.38粒數(shù)占PM2.5粒數(shù)在97%以上；而PM1.0所占PM2.5比例及PM0.38所占PM2.5比例均有所增加，說明除塵器對較細顆粒物的脫除效果相對較差。

由圖4(b)經(jīng)過除塵設施后，PM2.5的質(zhì)量濃度仍呈單峰分布，由表3知，220 MW煤粉爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度在幾百μg/m3；由表2，各除塵器質(zhì)量除塵效率均較高，達到99.8%以上，#3鍋爐采用兩電場及覆膜濾料布袋復合的電袋除塵器除塵效率達到99.93%，出口濃度在200 μg/m3以下。由表4知，PM2.5質(zhì)量濃度仍主要取決于PM0.38～2.5，PM0.38～2.5質(zhì)量濃度占PM2.5質(zhì)量濃度一般在95%以上。

由表2，各除塵器對PM2.5的除塵效果通過對比分析可看出，二電場電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于一電場電袋聯(lián)合除塵器，一電場電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于布袋除塵器(#2鍋爐、#3鍋爐和#4鍋爐除塵器后的PM2.5排放濃度分別為431 μg/Nm3、168 μg/Nm3、597 μg/Nm3)[7-8]。

2.3 煤粉爐脫硫后PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度

煤粉爐石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置出口的PM2.5粒數(shù)濃度分布見圖5(a)和(b)，PM2.5總粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度見表3，PM2.5各區(qū)段粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度比例見表4。

表3 煤粉爐各測點PM2.5總粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度

由圖5(a)和(b)，煤粉爐濕法煙氣脫硫裝置出口煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布峰值不明顯；由表3可看出，脫硫裝置后PM2.5的顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度可能有所增加，也可能有所下降，分析認為一方面脫硫塔對PM2.5各級顆粒有一定脫除效果，使得PM2.5濃度有所下降，同時可能是由于濕法脫硫噴淋塔內(nèi)除霧器不可能去除所有的霧滴(要求15 μm以上的霧滴低于75 mg/m3)，這種小霧滴在GGH內(nèi)被烘干，小霧滴內(nèi)的固體顆粒被干燥和水溶性物質(zhì)結晶析出，從而造成PM2.5各級顆粒濃度有所上升。這兩者的影響，從而造成了脫硫裝置后PM2.5總的粒數(shù)和質(zhì)量濃度可能有所增加，也可能有所下降[9-10]。

表4 煤粉爐各位置不同粒徑范圍顆粒粒數(shù)和質(zhì)量百分含量

3 結論

(1)220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度呈較明顯的雙峰分布，小顆粒峰值在0.12 μm或0.07 μm，大顆粒峰值在0.76 μm，小顆粒區(qū)顆粒濃度明顯高于大顆粒區(qū)；PM2.5粒數(shù)濃度一般為幾百萬粒/cm3，PM0.38粒數(shù)占PM2.5粒數(shù)96%以上，煤粉爐PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于由氣化凝結機理形成的細模態(tài)顆粒PM0.38。

(2)220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度在0.12 μm或0.2 μm附近出現(xiàn)一峰值， PM2.5質(zhì)量濃度一般為幾百mg/m3。0.38～2.5 μm之間顆粒物占PM2.5質(zhì)量95%以上，PM2.5的質(zhì)量濃度主要取決于中間模態(tài)顆粒。

(3)采用覆膜濾料的布袋除塵器和電袋聯(lián)合除塵器對PM2.5有較好的除塵效果，二電場電袋復合除塵器出口的PM2.5最小可達200 μg/m3以下，粒數(shù)濃度為幾萬粒/cm3。各除塵器對PM2.5除塵效果對比為二電場電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于一電場電袋聯(lián)合除塵器，一電場電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于布袋除塵器。

(4)當除塵器具有較好除塵效果時，煤粉爐濕法煙氣脫硫裝置出口煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度可能會有所增加，這是由于吸收塔溢出霧滴蒸干后，造成PM2.5各級顆粒濃度有所上升引起的。

[1]殷永文，程金平，段玉森,等．上海市霾期間PM2.5、PM10污染與呼吸科、兒呼吸科門診人數(shù)的相關分析[J]．環(huán)境科學，2011,32(7):1894-1898.

[2]史妍婷，杜謙，高建民,等．燃煤鍋爐PM2.5控制現(xiàn)狀及改進建議[J]．節(jié)能技術，2013,31(4)：345-352.

[3]郝吉明,段雷,易紅宏,等.燃燒源可吸入顆粒物的物理化學特性[M].北京:科學出版社,2008.

[4]倪斌.煤炭在我國能源結構優(yōu)化中基礎性作用的思考[J].中國能源,2004,26(7):0016-0021.

[5]王書肖,趙秀娟,李興華,等.工業(yè)燃煤鏈條爐細粒子排放特征研究[J].環(huán)境科學,2009,30(4):963-968.

[6]岳勇,陳雷,姚強,等.燃煤鍋爐顆粒物粒徑分布和痕量元素富集特性實驗研究[J].中國電機工程學報,2005,25(18):74-79.

[7]祝冠軍,周林海,余順利,等.燃煤電廠PM2.5及其治理技術[J].電站系統(tǒng)工程,2012,28(4):19-20.

[8]徐明厚,于敦喜,劉小偉.燃煤可吸收顆粒物形成與排放[M].北京:科學出版社,2009.

[9]王琿,宋薔,姚強,等.電廠濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中細顆粒物脫除作用的試驗研究[J].中國電機工程學報,2008,28(5):1-7.

[10]Meij R,Winkel H.The emissions and environmental impact of PM10 and trace elements from a modern coal-fired power plant equipped with ESP and wet FGD[J].Fuel processing Technology,2004,86(6-7):641-656.

ExperimentStudyonPM2.5ConcentrationEmissionCharacteristicsof220MWPulverizedCoalBoilers

MA Wan-jun1,DU Qian2,GAO Jian-min2,ZHAO Guang-bo2,WU Shao-hua2

(1.Beijing Jingqiao Thermal Power Co., Ltd., Beijing 100067,China;2.School of Energy Science and Technology, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

PM2.2 concentration emission characteristics of 220 MW pulverized coal Boilers was studied by two stage dilution sampling system and electrical low pressure impactor(ELPI). The study results show that the number concentration size distributions of PM2.5 made by boilers present double peaks with smaller particle peak 0.12 μm or 0.07 μm and bigger particle peak 0.76 μm, and the number concentrations are about millions per cm3, which depends on the smaller particles(PM0.38) made by mineral gasification and condensation. The mass concentration size distributions of PM2.5 made by boilers present single peaks, and the mass concentrations are about hundreds mg per cm3, and it depends on the bigger particles(PM0.38～2.5). Better removal efficiency of PM2.5 can be achieved by bag filter and electrostatic fabric filter which are made by membrane complex fabric.The mass concentration of PM2.5 in flue gas after electrostatic fabric filter with two electric fields can be less than 200 μg per m3, and the number concentrations are about tens of thousand per cm3. The mass concentrations and number concentrations of PM2.5 in flue gas after wet flue gas desulfurization system are perhaps increased for better dust removal efficiency.

pulverized coal Boiler; PM2.5; concentration; emission characteristics

2013-11-19修訂稿日期2014-01-20

國家環(huán)保公益性行業(yè)科研經(jīng)費專項項目(201009006);中央高校基本科研業(yè)務費專項基金資助項目(HIT NSRIF.2013095)

馬萬軍，男，碩士，高級工程師。

TK16

A

1002-6339 (2014) 02-0103-05