王建朋，段 璐，夏少波，賈東亮

(北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

燃煤顆粒物對空氣質(zhì)量和公眾健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了減少大氣污染，近年來我國政府相繼出臺一系列針對燃煤顆粒物排放的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。新版《大氣污染防治法》[1]于2016年1月實(shí)施并給出全國統(tǒng)一的燃煤顆粒物排放限值，以期減少由燃煤引起的大氣污染。為了提升燃煤電廠的室內(nèi)空氣污染物排放量監(jiān)控水平，《燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造計(jì)劃》中要求，到2020年中國全省區(qū)域內(nèi)近6 億kW燃煤電廠將達(dá)到超低排放量[2]。另外，根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》要求，燃煤設(shè)施須按照排放許可制度進(jìn)行管理，以確保排放達(dá)標(biāo)[3]。總之，中國政府已對燃煤顆粒物排放實(shí)施一系列強(qiáng)制性措施，從法規(guī)制定、排放標(biāo)準(zhǔn)、改造升級和排放許可等方面對燃煤顆粒物排放進(jìn)行嚴(yán)格控制。隨著日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)頒布，我國燃煤顆粒物排放治理技術(shù)也發(fā)展迅速，其中電袋除塵技術(shù)作為1款新型除塵技術(shù)，既融合靜電除塵與布袋除塵的優(yōu)勢，又具備電除塵的有效捕集特性，同時(shí)可解決布袋除塵器的濾袋易磨損、更換周期短、氣流阻力大等問題，因而近年來電袋除塵器在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5]。通過中電聯(lián)發(fā)布的《火電廠環(huán)保產(chǎn)業(yè)登記信息》中數(shù)據(jù)可知，電廠電袋除塵器的裝機(jī)量從2016年開始逐年增加，電袋除塵器的裝機(jī)量至2019年初已占除塵器總裝機(jī)量的39.62%；另外，華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)中發(fā)布的《2022年中國除塵設(shè)備行業(yè)分析》中提及在除塵設(shè)備市場中電袋復(fù)合式占比最重(占比46%)，其次為占比16%的袋式除塵器[6]。

燃煤電站鍋爐行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛，其污染物排放與控制技術(shù)發(fā)展到一定程度則會影響并推進(jìn)工業(yè)鍋爐污染物排放的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。電袋除塵器依靠自身優(yōu)越的脫除效果，逐漸在燃煤工業(yè)鍋爐行業(yè)中占據(jù)市場一席之地，但由于工業(yè)鍋爐與電站鍋爐的應(yīng)用場景和需求不同，電袋除塵器技術(shù)針對工業(yè)鍋爐的適用性也需通過小型實(shí)驗(yàn)或工業(yè)試驗(yàn)來深入探討。其中影響電袋除塵器除塵性能的因素眾多，尤其目前工業(yè)鍋爐系統(tǒng)還普遍采用半干法脫硫與布袋除塵技術(shù)用以控制污染物排放，在含塵煙氣經(jīng)過脫硫反應(yīng)器之后，省煤器出口的顆粒物濃度、成分及其他物理特性會發(fā)生很大的變化。脫硫反應(yīng)器出口的顆粒物物理、化學(xué)等特性變化直接影響后續(xù)除塵裝置的除塵性能[7]。為探討電袋除塵器結(jié)構(gòu)是否能夠滿足工業(yè)應(yīng)用，首先需了解工業(yè)應(yīng)用中除塵器的運(yùn)行條件，由此設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，通過分析其除塵效率及能耗，確定適合的電袋除塵器結(jié)構(gòu)以及在工業(yè)鍋爐應(yīng)用環(huán)境中的最佳運(yùn)行工況。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

耦合靜電袋除塵實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由供料系統(tǒng)、耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺、電源系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成[8-10]。實(shí)驗(yàn)用粉塵顆粒物源自某電廠煤粉燃燒機(jī)組除塵系統(tǒng)脫除的顆粒物。電源系統(tǒng)采用負(fù)極性高壓電源，可供電壓、電流范圍分別為0～20 kV、0～20 mA。顆粒物采樣系統(tǒng)主要有采用低壓顆粒物撞擊器(ELPI)系統(tǒng)，ELPI分級取樣結(jié)果通過微量天平秤重，計(jì)算分級濃度及脫除效率。壓力損失測試系統(tǒng)主要采用壓差測量儀實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)運(yùn)行期間的壓力損失值。

1—煙氣入口；2—供料器變頻電機(jī)；3—料倉；4—粉塵入口；5—高壓電源；6—布風(fēng)板；7—入口錐體；8—電暈電極；9—壓差計(jì)；10—濾袋；11—測孔；12—引風(fēng)機(jī)；13—引風(fēng)機(jī)變頻控制器；14—煙氣出口；15—灰斗；16—取樣槍；17—ELPI；18—PM10切割器；19—真空泵圖1 耦合靜電袋除塵試驗(yàn)平臺Fig.1 Coupled electrostatic bag dust removal experimental platform

耦合電袋除塵器試驗(yàn)平臺的主體結(jié)構(gòu)由前后兩級結(jié)構(gòu)組成，一級結(jié)構(gòu)為單通道靜電除塵單元，其中兩側(cè)陽極板采用冷軋?zhí)间摫“?SPCC)，通道中間設(shè)置4根電暈電極。二級為嵌入式電袋耦合結(jié)構(gòu)，由4個靜電除塵區(qū)和3個布袋除塵區(qū)交叉結(jié)合而成，每個靜電除塵區(qū)由兩塊陽極板組成[11]，接近箱體的2塊陽極板采用SPCC材質(zhì)，其余布置在電場區(qū)與布袋除塵區(qū)交界處的陽極板采用多孔板形式，可避免電區(qū)電暈燒毀布袋。

實(shí)驗(yàn)過程中也可通過除塵器壓差來計(jì)算由壓力損失帶來的能耗，布袋壓力損失帶來的能耗(Wb，kW·h/m3)的計(jì)算辦法依據(jù)式(1)：

(1)

式中，Q為處理煙氣量，m3；A為出口管道的橫截面積，m2；v為出口管道風(fēng)速，m/s；ΔP為濾袋壓損，Pa；t為運(yùn)行時(shí)間，s。

實(shí)驗(yàn)過程中也可通過實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄的電壓電流值，計(jì)算電耗(Wd，kW·h/m3)，其計(jì)算辦法見式(2)。

(2)

式中，U為施加電壓，V；I為電暈電流，mA。

處理風(fēng)量是指單位時(shí)期內(nèi)流過的氣體體積流速，其高低體現(xiàn)除塵器對含塵氣體的凈化處理能力[10]。通常使用斷面流量法，通過測量除塵器入口的氣流流量，來判斷除塵器運(yùn)行時(shí)處理風(fēng)量的能力，煙氣流量(qv，m3/s)的計(jì)算辦法見式(3)。

qv=vA

(3)

除塵效果是反映除塵器效能的主要指標(biāo)，除塵效率(η，%)是指含灰塵氣體在流過除塵器時(shí)被捕集的灰塵濃度與除塵器入口處的灰塵總數(shù)的比例，其計(jì)算辦法見式(4)。

(4)

式中，Q0為入口煙氣流量，m3/h；Qi為出口煙氣流量，m3/h；C0為入口煙氣含塵量，mg/m3；Ci為出口煙氣含塵濃度，mg/m3。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果討論

3.1 入口濃度對耦合電袋除塵性能的影響

3.1.1入口濃度實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

對某基于半干法脫硫技術(shù)的煤粉工業(yè)鍋爐污染物控制系統(tǒng)沿程進(jìn)行取樣測試，對不同測點(diǎn)的濃度變化進(jìn)行詳細(xì)分析，為耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺入口濃度范圍確定提供依據(jù)[12-13]。為更好地探討此實(shí)驗(yàn)平臺對入口顆粒物濃度的適用區(qū)間，需采用不同入口濃度來對除塵器實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行性能評價(jià)。

(1)工業(yè)測試方法。測試過程中采用3012H 型自動煙塵(氣)測試儀[11]，采樣辦法參照 GB/T 16157—1996 《固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法》[14]和GB 5468—1991 《鍋爐煙塵測試方法》[15]。選取4個位置設(shè)置測點(diǎn)，測點(diǎn)分布及采樣點(diǎn)在測點(diǎn)斷面上的布置如圖2所示[12]。

各檢測點(diǎn)的煙塵平均流速、平均體積流量、平均煙溫和采樣時(shí)間等技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 各檢測點(diǎn)的采樣技術(shù)參數(shù)Table 1 Sampling technical parameters of each time point

采集時(shí)對玻纖濾筒進(jìn)行烘干稱重，并通過煙塵采樣儀測定所得到的煙塵數(shù)量，煙塵粒子含量(C，mg/Nm3)的計(jì)算見式(5)。

(5)

式中，g1、g2分別為濾筒的初重、終重，g；Vnd為標(biāo)況的采樣體積，NL。

(2)檢測結(jié)果。通過稱重結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出各測點(diǎn)處的煙氣中顆粒物含量，結(jié)果如圖3所示。測點(diǎn)1～4的顆粒物含量依次為9.90、793.50、92.16、26.72 mg/Nm3。該系統(tǒng)采用旋風(fēng)分離器和布袋除塵器串聯(lián)脫除煙氣中的顆粒物，旋風(fēng)分離器除塵效果為88.39%，而布袋除塵器的除塵效果為99.97%，除塵系統(tǒng)的除塵效果達(dá)到99.99%。

圖3 每個測量點(diǎn)的顆粒濃度Fig.3 Particle concentration at each measurement point

以GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中基準(zhǔn) O2含量為9% 計(jì)算，布袋除塵器進(jìn)出口顆粒物濃度分別為 54.86、12.69 mg/m3，無法滿足顆粒物排放限值 30 mg/m3的要求。以GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 中基準(zhǔn) O2含量為 6% 計(jì)算，布袋除塵器進(jìn)出口顆粒物濃度分別為 68.57、19.54 mg/m3，無法滿足顆粒物超低排放限值 10 mg/m3的要求。

(3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)入口顆粒物濃度范圍參數(shù)設(shè)計(jì)。通過改變供料平臺電機(jī)頻率以改變除塵器入口粉塵總質(zhì)量，若引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率不變，則除塵器處理煙氣流量保持413.7 m3/h左右不變，通過計(jì)算便可得不同供料頻率下入口顆粒物總濃度，即供料頻率10、15、20、25、30、35、40、45、50 Hz所對應(yīng)的顆粒物濃度分別為32.03、47.15、64.86、84.23、92.37、109.58、118.04、134.68、162.12 g/m3。在實(shí)驗(yàn)過程中，除塵器結(jié)構(gòu)采用一級電場3根電極，AHPC區(qū)全部電極通電，施加電壓為-20 kV。

3.1.2結(jié)果與討論

不同供料頻率下除塵器出口顆粒物分級排放濃度結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況出口采樣細(xì)顆粒物體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Distribution of fine particle mass concentration sampled at outlet under different working conditions

圖4中除50 Hz 供料頻率下出口處顆粒物分級濃度有較明顯的波動外，其他幾個工況的顆粒物排放分級濃度在 2 μm 左右存在峰值，隨著入口濃度的增加則峰值濃度也在增加。在粒徑大于 1 μm 的顆粒物分級濃度中，各級排放濃度隨著入口濃度的增加而增加。在粒徑小于 1 μm 的顆粒物分級濃度中，每個工況顆粒物分級濃度曲線在上升過程中均存在先上升、再下降、后上升的趨勢，且中間下降的程度均不相同，其中各個工況出現(xiàn)下降趨勢的粒徑范圍分別為0.093～0.260、0.093～0.260、0.029～0.057、0.093～0.260、0.260～0.609、0.029～0.057、0.057～0.154、0.057～0.154 μm，上述工況下各粒徑范圍內(nèi)谷值排放dM/dlgDp分別為0.015、0.081、0.016、0.051、0.073、0.031、0.137、0.046 mg/m3。

不同入口濃度下在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的壓降變化曲線如圖5所示。隨著運(yùn)行時(shí)間推移壓降會一直上升，但不同的工況下壓降上升的速率會有所差別。由比較發(fā)現(xiàn)，隨著入口濃度的增加，壓降上升平均速率也越大，主要由于入口濃度越大則進(jìn)入布袋除塵區(qū)的顆粒物總量就越多，顆粒物堆積使得過濾壓降也就越大。

圖5 不同入口濃度運(yùn)行過程中壓降曲線Fig.5 Pressure drop curve during operation with different inlet concentrations

不同工況下運(yùn)行過程中電暈電流的變化曲線如圖6所示。整體分析圖6可知，各個工況隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，電暈電流會越來越小，下降速率也會由快變緩，主要由于顆粒物電場中被陽極板捕集，灰層越厚電阻越大，電流就越小。

圖6 不同入口濃度運(yùn)行過程中電暈電流變化曲線Fig.6 Corona current variation curve during operation at different inlet concentrations

不同工況下除塵器的出入口濃度比較如圖7所示。隨著供料頻率的增加，入口的顆粒物濃度也隨之增加，經(jīng)過除塵器凈化之后，出口處顆粒物排放總濃度隨供料頻率的增加呈現(xiàn)先上升再下降后上升的趨勢，其中在供料頻率為25 Hz時(shí)，即入口濃度為84.233 g/m3時(shí)，出口顆粒物排放濃度出現(xiàn)第1個峰值，其排放濃度為13.07 mg/m3。當(dāng)供料頻率為50 Hz時(shí)，排放濃度為37.14 mg/m3，已超出工業(yè)鍋爐現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)，其他工況均可滿足。當(dāng)入口顆粒物濃度小于80 g/m3時(shí)，排放濃度小于10 mg/m3，可以滿足普通地區(qū)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 不同工況出入口顆粒物總濃度Fig.7 Total concentration of particulate matter at the inlet and outlet under different working conditions

各個工況運(yùn)行過程中產(chǎn)生的能耗比較如圖8所示。隨著入口濃度的增加，整個過程中由于壓差導(dǎo)致逐步增加能耗，即由10 Hz的8.96×10-5kW·h/m3增加至50 Hz的1.26×10-4kW·h/m3，同比增加150%。相比壓降能耗，電耗則呈現(xiàn)下降趨勢，而總能耗呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)入口濃度為162.12 g/m3時(shí)，總能耗達(dá)到最高值。

圖8 除塵器的不同工況能耗Fig.8 Energy consumption under different working conditions

3.2 濾袋過濾風(fēng)速對實(shí)驗(yàn)平臺除塵性能的影響

3.2.1濾袋過濾風(fēng)速實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

通過引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率改變除塵器煙氣處理量，便可依據(jù)煙氣流量得到濾料在不同引風(fēng)機(jī)頻率下的過濾風(fēng)速。耦合電袋除塵實(shí)驗(yàn)平臺在入口濃度為80 g/m3以下時(shí)可以達(dá)到超低排放，入口濃度超過80 g/m3時(shí)無法達(dá)到超低排放，入口濃度80 g/m3為此除塵器實(shí)驗(yàn)平臺的一個臨界值，為了更好地探討高濃度下過濾風(fēng)速對實(shí)驗(yàn)平臺除塵性能影響，故將供料濃度提高并控制在80 g/m3左右，此實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值Table 2 Design values of experimental operating parameters

3.2.2結(jié)果與討論

5種不同過濾風(fēng)速下除塵器的出口顆粒物分級排放濃度分布如圖9所示。不同過濾風(fēng)速下，在粒徑 2 μm 左右顆粒物的排放濃度存在峰值；隨著過濾風(fēng)速的增加，峰值排放dM/dlgDp分別為11.12、13.49、18.10、19.35、22.63 mg/m3。在粒徑0.6 μm以上的顆粒物中，每級排放含量會因?yàn)檫^濾速度的增加而增加；在粒徑0.6 μm以內(nèi)的顆粒物中，各個工況在不同的粒徑段存在濃度谷值，在該粒徑段內(nèi)分級排放濃度曲線存在先下降再增加的趨勢，5個工況存在低谷分級濃度值時(shí)分別對應(yīng)的粒徑范圍為0.057～0.154、0.057～0.154、0.029～0.093、0.093～0.260、0.154～0.38 μm。隨著過濾風(fēng)速的增加，工況對應(yīng)的低谷先向小粒徑再向大粒徑平移。

圖9 出口顆粒物分級濃度Fig.9 Grading concentration of particulate matter at the outlet

5種過濾風(fēng)速下運(yùn)行過程中的壓降曲線如圖10所示。

圖10 不同過濾風(fēng)速下壓降曲線Fig.10 Pressure drop curve under different filtration wind speeds

由圖10可知，隨著過濾風(fēng)速的增加，除塵器運(yùn)行壓降隨運(yùn)行時(shí)間則上升速率越來越大，且最終達(dá)到的壓降也越來越大，最終達(dá)到的壓降分別為301、520、719、721、1 062 Pa。究其原因主要在于不同的過濾風(fēng)速下所處理的煙氣量也不相同，過濾風(fēng)速越大則處理煙氣量越大，為使除塵器的入口濃度作為實(shí)驗(yàn)中的不變量，故也需隨之增加入口灰總量。各級電場中的施加電壓、比集塵面積不變，理論除塵能力也不會變化，但風(fēng)速增大，顆粒物在電場中的受力平衡會發(fā)生變化；當(dāng)氣流曳力不斷增加時(shí)，便會增加穿透顆粒物的粒徑分布寬度及總量，從而削弱電場的除塵效果；進(jìn)入布袋除塵區(qū)的顆粒物總量增加，灰餅堆積厚度增厚，壓降便隨之增加。

運(yùn)行過程中電暈電流的變化曲線如圖11所示。

圖11 不同過濾風(fēng)速下電暈電流變化曲線Fig.11 Corona current variation curve under different filtering wind speeds

隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，每個工況的電暈電流均在減小，產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因在于運(yùn)行過程中有顆粒物不斷被陽極板收集,使得電阻增大而電流減小。

5種過濾風(fēng)速下除塵器出口排放總濃度如圖12所示。隨著過濾風(fēng)速的增加，出口顆粒物排放濃度也隨之增加。前2種工況下，顆粒物排放總濃度低于10 mg/m3，符合普通地區(qū)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)；后3種過濾風(fēng)速下顆粒物排放濃度高于10 mg/m3。

圖12 不同過濾風(fēng)速出排放總濃度Fig.12 Total concentration of emissions from different filtering wind speeds

該5種過濾風(fēng)速下總能耗比較如圖13所示，在運(yùn)行過程中，過濾風(fēng)速為 1.40 m/min 時(shí)，電耗最大，約 1.13×10-4kW·h/m3；而當(dāng)過濾風(fēng)速為 2.22 m/min 時(shí)，布袋壓降產(chǎn)生的能耗最大，約1.76×10-4kW·h/m3?？傮w而言，總能耗隨著過濾風(fēng)速的增大而增加。

圖13 不同過濾風(fēng)速下能耗變化Fig.13 Energy consumption changes under different filtering wind speeds

4 結(jié) 論

模擬工業(yè)鍋爐半干法脫硫與布袋除塵器污染物處理模式下的顆粒物排放特性，依托耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺，通過改變耦合電袋除塵器入口顆粒物濃度和耦合電袋除塵器布袋除塵過濾風(fēng)速，探討入口濃度及過濾風(fēng)速對除塵器除塵性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)改變除塵器入口顆粒物濃度，其他條件均不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著入口濃度的增加，顆粒物排放濃度也會相應(yīng)增加，當(dāng)入口濃度為 162.12 g/m3時(shí)，排放濃度超出工業(yè)鍋爐現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)入口濃度小于 80 g/m3時(shí)，顆粒物排放濃度低于10 mg/m3，符合普通地區(qū)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著濃度的增加，總能耗呈上升趨勢。

(2)保持入口濃度、除塵器結(jié)構(gòu)和施加的電壓不變，僅改變過濾風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)隨著過濾風(fēng)速的增加則除塵器的出口濃度逐漸增加，當(dāng)過濾風(fēng)速 ≤1.62 m/min時(shí)，出口排放總濃度< 10 mg/m3；當(dāng)過濾風(fēng)速 >1.62 m/min 時(shí)，排放濃度>10 mg/m3。隨著過濾風(fēng)速的增加則電耗減小，由壓降產(chǎn)生的能耗越來越大，2種能耗總和也越來越大。

(3)由于工業(yè)鍋爐爐膛容積熱負(fù)荷相對小、負(fù)荷變化幅度大、啟停頻繁且多應(yīng)用干法/半干法脫硫技術(shù)等特點(diǎn)，新型耦合電袋除塵技術(shù)若應(yīng)用于燃煤工業(yè)鍋爐行業(yè)，需參考電站鍋爐電袋除塵技術(shù)研究進(jìn)展及經(jīng)驗(yàn)，探索適合工業(yè)鍋爐環(huán)境的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，評價(jià)其適宜性后才方可推廣。