电厂湿法烟气脱硫颗粒物排放特性的实验研究

陈 浩， 骆仲泱， 江建平， 许 希， 鲁梦诗， 王 涛， 方梦祥

(1.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027； 2.华电电力科学研究院，杭州 310030)

电厂湿法烟气脱硫颗粒物排放特性的实验研究

陈 浩1， 骆仲泱1， 江建平2， 许 希1， 鲁梦诗1， 王 涛1， 方梦祥1

(1.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027； 2.华电电力科学研究院，杭州 310030)

在锅炉100%和80%负荷工况下，采集某200 MW燃煤电厂湿法烟气脱硫(WFGD)系统前后的颗粒物，得到烟气中颗粒物的质量浓度和粒径分布，并通过观察颗粒物的形貌对颗粒物中元素的组分和含量进行检测.结果表明：WFGD系统入口处总悬浮颗粒物(TSP)的质量浓度约为16.0 mg/m3，出口处TSP的质量浓度低于10.0 mg/m3，TSP的脱除效率为46.8%；随着锅炉负荷的降低，颗粒物的脱除效率提高；WFGD出口处的颗粒物中存在Ca元素，颗粒物凝结团聚成不规则的絮凝状颗粒物；在除雾器冲洗状态下，颗粒物的质量浓度减小，元素Ca、S、C和O的含量显著减小，颗粒物主要呈圆形，且分布较为疏散.

湿法烟气脱硫； 颗粒物； 除雾器； 除尘效率

燃煤电厂排放的一次颗粒物[1]以及SO2、NOx等污染气体与大气发生反应生成的二次颗粒物[2]严重危害着大气环境和人类健康[3].目前，大型燃煤电厂均安装了除尘装置，并在除尘装置后布置湿法烟气脱硫(WFGD)系统，该系统对SO2具有较高的捕集效率.此外，利用WFGD系统喷淋浆液的惯性捕集作用还可实现烟气中飞灰颗粒物以及其他有害物质的协同脱除[4-5].

近年来，国内外学者对燃煤电厂WFGD系统前后颗粒物的排放特性进行了研究. Meij等[6]对某台600 MW锅炉机组测试后发现，颗粒物的质量浓度由WFGD系统入口处的100 mg/m3(标准状态下)减至出口处的10 mg/m3以下，颗粒物的脱除效率高达90%；在WFGD系统出口处的颗粒物中，燃煤飞灰质量仅占总组分质量的40%，其余60%为石膏和石灰石. Nielsen等[7]通过现场测试后发现，WFGD系统对颗粒物的脱除效率高达80%，并在WFGD系统出口处的颗粒物中检测到了Ca元素. 王珲等[8]对广东某300 MW燃煤电厂WFGD系统入口和出口处的颗粒物进行了采样分析，结果表明总飞灰的脱除效率为74.5%，细颗粒物的脱除效率较低，在WFGD系统出口处的颗粒物中也检测到了石灰石和石膏，分别占颗粒物总质量的47.5%和7.9%. 鲍静静等[9]发现燃煤电厂WFGD系统对细颗粒物的脱除效率仅为18.0%，出口处细颗粒物中的Ca、S、O元素含量较入口处有所增加. 上述研究表明，WFGD系统对颗粒物具有一定的脱除效果，但燃煤电厂不同的运行参数和工况对颗粒物排放的影响还有待研究.为此，笔者针对某200 MW燃煤机组WFGD系统出入口处的颗粒物进行采样和分析，研究了锅炉负荷和除雾器状态等运行参数对颗粒物排放特性的影响，为高效脱除烟气中的颗粒物提供参考.

1 实验方法

1.1颗粒物采样方法

实验在浙江某200 MW锅炉机组中进行，颗粒物采样位置为电袋复合式除尘器出口(脱硫塔前)和

烟囱(脱硫塔后)处.该锅炉共配备2台除尘器，每台除尘器的出口分为甲、乙2个水平烟道，共布置4个测点.烟气脱硫系统为立式喷淋塔结构，采用湿法石灰石-石膏脱硫技术，烟囱处布置左右2个测点，如图1所示. 颗粒物的采样方法参照GB/T 16157—1996 《固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》和GB 5468—1991 《锅炉烟尘测试方法》. 采样前，采用3012H系列自动烟尘测试仪测量烟道内烟气的流速，计算实现烟气等速采样所需的喷嘴.采样系统由采样喷嘴尺寸、采样枪、Dekati PM10三阶撞击器、真空泵以及尾气处理装置等组成.为防止烟气中的水蒸气在采样过程中凝结，采用加热装置加热采样管路，将温度控制在130 ℃左右. 随烟气进入采样管的颗粒物按粒径划分为三级，第一级颗粒物的空气动力学直径Dpgt;10 μm，第二级颗粒物为2.5lt;Dp≤10 μm，第三级颗粒物为1lt;Dp≤2.5 μm(Dplt;1 μm的颗粒物质量很小，可以忽略).采样烟气体积流量为10 L/min，脱硫塔前的采样时间为20 min，脱硫塔后的采样时间为30 min. 根据上述方法在每个采样点各采样3次，取3次采样数据的平均值进行计算. 在锅炉100%负荷条件下，烟气体积流量约为118×104m3/h；在锅炉80%负荷条件下，烟气体积流量约为94.6×104m3/h. 实验中入炉煤的工业分析和元素分析结果见表1，锅炉运行参数见表2，采样工况见表3.

图1 采样系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the sampling system

1.2分析测试方法

Dekati PM10三阶撞击器中的收集膜片为清洁铝膜，为防止颗粒物反弹，在铝膜上涂覆可以溶解于四氯化碳的艾皮松脂高温油(不影响颗粒物形貌和元素的表征[10]).采样前后均需将铝膜置于105 ℃的烘箱中烘干1 h，去除其中的水分，然后置于干燥皿中冷却至室温，最后用精度为0.1 mg的天平称重.

表1 入炉煤的工业分析和元素分析

表2 锅炉运行参数

表3 采样工况

对锅炉80%负荷时除雾器冲洗和不冲洗状态下WFGD系统采集的颗粒物进行处理，采用能量色散谱仪(EDS)测定颗粒物中K、Na、Mg、Al、Si、C和Ca等元素的含量，并采用扫描式电子显微镜(SEM)观察颗粒物的形貌.

2 结果与讨论

2.1锅炉负荷对WFGD系统前后颗粒物排放的影响

锅炉100%负荷运行时，除尘器出口处总悬浮颗粒物(TSP)、Dpgt;10 μm的颗粒物(PM10+)、Dp为2.5lt;～10 μm的颗粒物(PM2.5～10)和Dp为1～2.5 μm的颗粒物(PM1～2.5)的质量浓度如图2所示. 从图2可以看出，同一台除尘器的甲、乙2个烟道处颗粒物的质量浓度差别不大，且2台除尘器出口处颗粒物的分布也基本类似；4号除尘器烟道甲中TSP的质量浓度为21.5 mg/m3，而其他烟道中TSP的质量浓度均低于20.0 mg/m3，这表明电袋复合式除尘器对TSP有较好的脱除效果，燃煤飞灰出口总质量浓度较低. 在3号除尘器出口处，PM10+、PM2.5～10和PM1～2.5的质量浓度分别占TSP质量浓度的50.0%、29.0%和21.0%；在4号除尘器出口处，PM10+、PM2.5～10和PM1～2.5的质量浓度分别占TSP质量浓度的51.0%、25.0%和24.0%.从图2还可以看出，细颗粒物PM2.5在总悬浮颗粒物中的比例较大，这主要是由于传统的除尘方法对细颗粒物脱除效果较差造成的[11-12]. 对除尘器后烟道的烟气流速(见表4)进行分析后可知，在锅炉负荷不变的情况下，除尘器后不同烟道中烟气的平均流速基本相等.除尘器出口处TSP的质量浓度随着烟气流速的降低而减小，这是因为随着烟气流速降低，燃煤飞灰在除尘器中的停留时间延长，除尘效果增强.

图2 除尘器出口处颗粒物的质量浓度(100%负荷)

Fig.2 Mass concentration of particulate matters at outlet of dust precipitator (100% boiler load)

表4除尘器出口处烟气的平均流速

Tab.4Averageflowrateoffluegasatoutletofdustprecipitatorm/s

WFGD系统入口和出口处颗粒物的质量浓度和脱除效率如图3所示.从图3可以看出，脱硫塔出口处颗粒物的质量浓度均小于入口处颗粒物的质量浓度，表明脱硫塔对颗粒物具有一定的脱除效果.将颗粒物的脱除效率以WFGD系统前后单位标准体积烟气的质量浓度为基准进行计算[13]，计算式如下：

(1)

式中：η为颗粒物的脱除效率，%；ρ2和ρ1分别为WFGD系统入口和出口处颗粒物的质量浓度，mg/m3.

将WFGD系统入口和出口处同一粒径范围内颗粒物的平均质量浓度代入式(1)，即可得到WFGD系统对不同粒径范围颗粒物的脱除效率.在实验工况范围内，脱硫塔对颗粒物TSP的脱除效率可达46.8%，脱除效率随着粒径的减小而降低，PM10+的脱除效率高达70.0%，而PM1～2.5的脱除效率只有15.0%，这表明WFGD系统对大颗粒物的脱除效果要强于对小颗粒物的脱除效果.这是因为WFGD系统对颗粒物的脱除主要依靠液滴的惯性碰撞捕集，而这种作用机理对细颗粒物PM1～2.5的脱除效率很低[14].与100%负荷相比，80%负荷下WFGD系统入口处TSP的质量浓度显著减小，而PM1～2.5的质量浓度则基本不变.这主要是因为随着锅炉负荷的降低，烟气量减少，烟气流速降低，颗粒物在除尘器中的停留时间延长，故而增强了除尘效果，但这对脱除细颗粒物PM1～2.5的影响不大.从图3还可以看出，与100%负荷相比，80%负荷下各粒径范围内颗粒物的脱除效率更高，特别是PM2.5～10颗粒物的脱除效率由10%升至50.0%，这表明锅炉负荷的改变对脱除PM2.5～10颗粒物的影响比较显著.

图3 WFGD系统入口和出口处颗粒物的质量浓度和脱除效率

Fig.3 Mass concentration and removal efficiency of particulate matters at inlet and outlet of WFGD system

2.2除雾器状态对WFGD系统出口处颗粒物排放的影响

除雾器是WFGD系统的重要组成部分，可以去除烟气中携带的液滴，减轻下游设备的结垢腐蚀，其性能的好坏直接影响到WFGD系统能否连续可靠地工作[15]. 在除雾器不冲洗和冲洗2种状态下，WFGD系统出口处颗粒物的质量浓度如图4所示.从图4可以看出，WFGD系统出口烟囱处左右2个测点采集到的颗粒物质量浓度差别不大；在除雾器不冲洗状态下，烟囱处采集到的TSP质量浓度约为11.0 mg/m3，符合国家排放标准， PM10+、PM2.5～10和PM1～2.5颗粒物质量浓度所占比例分别为30.0%、36.0%和34.0%；在除雾器冲洗状态下，TSP的质量浓度减至6.2 mg/m3，降幅达44%，这表明冲洗能显著提高WFGD系统的除尘效率，此工况下PM10+、PM2.5～10和PM1～2.5颗粒物质量浓度所占比例分别为15.0%、40.0%和45.0%，细颗粒物PM1～2.5所占比例显著增加，而PM10+所占比例则减少，这表明除雾器冲洗能显著提高WFGD系统对大颗粒物PM10+的脱除效率.这主要是因为，在除雾器冲洗时，冲洗水进入吸收塔能增强WFGD系统的除尘效率，而液滴捕集的颗粒物主要是大颗粒物PM10+；另一方面，除雾器冲洗能提高除雾器捕集液滴的效率，减少后续浆液形成的颗粒物.

图4 除雾器状态对WFGD系统出口处颗粒物质量浓度的影响

Fig.4 Influence on mist eliminator status on mass concentration of particulate matters at outlet of WFGD system

2.3WFGD系统出口处颗粒物的形态和成分

通过SEM观察Dekati PM10三阶撞击器采集到的各级颗粒物的形貌特征，同时使用EDS定性分析颗粒物的元素组成. WFGD系统出口处颗粒物的形貌如图5和图6所示.从图5可以看出，在除雾器不冲洗状态下，颗粒物为不规则块状或絮凝状，PM1～2.5颗粒物相互堆积形成致密的块状，且块状颗粒周围分布着细小的颗粒物，这种结构是在捕集过程中颗粒通过相互黏附团聚形成的.从图6可以看出，在除雾器冲洗状态下，视场中颗粒物的数量明显减少(在同样的放大倍数下)，PM10+和PM2.5～10颗粒物亦为不规则块状或链状，这是由煤中外在矿物质于高温下发生破碎形成的；PM1～2.5颗粒物表面较为光滑，且颗粒分布较为疏散，主要呈圆形，几乎没有团聚现象，其主要是由煤焦破碎、易气化元素的异相凝结和细小颗粒物的转化形成的[16].

图7给出了WFGD系统在除雾器冲洗和不冲洗状态下不同粒径颗粒物的元素组成 (测试过程中均测试样品中多个点). 从图7可以看出，在冲洗和不冲洗2种状态下，颗粒物中的元素组成基本一致，颗粒物中含量较多的元素为C、O、Si和Al；在冲洗状态下未检测到Ca元素，且C、O、S元素含量减少，说明燃煤飞灰颗粒物经过脱硫塔时形成的新颗粒物在除雾器冲洗时被大量脱除.在PM10+颗粒物中检测到了K、Na元素，这可能是由气化-凝结形成的细颗粒物与矿物质破碎形成的粗颗粒物碰撞而产生的，周科等[17]在电厂测试中也有类似的发现.

(a) PM10+

(b) PM2.5～10

(c) PM1～2.5图5 除雾器不冲洗状态下WFGD系统出口处颗粒物的微观形貌Fig.5 SEM images of particulate matters at outlet of WFGD system without mist eliminator washing

(a) PM10+

(b) PM2.5～10

(c) PM1～2.5图6 除雾器冲洗状态下WFGD系统出口处颗粒物的微观形貌Fig.6 SEM images of particulate matters at outlet of WFGD system with mist eliminator washing

图7 WFGD系统出口处PM10+和PM2.5～10中元素的组分

Fig.7 Composition of elements in PM10+and PM2.5～10at outlet of WFGD system

图8为在除雾器冲洗和不冲洗状态下PM1～2.5的EDS谱.由图8可知，在除雾器不冲洗状态下，WFGD系统出口处PM1～2.5颗粒物中检测到了Ca元素的谱峰，且C、O、S元素的谱峰较高，说明WFGD系统后的颗粒物不再仅由煤燃烧形成的飞灰组成，还包括脱硫过程中产生的新颗粒物. 一方面，WFGD系统喷淋过程中浆液会形成细小的液滴，这些液滴随烟气进入烟道后脱水形成CaO/CaCO3颗粒；另一方面，在脱硫塔内烟气中的SO2气体与喷淋浆液发生反应生成CaSO3和CaSO4液滴，其经脱水后形成的晶体颗粒被采样器捕集[8-9,18]. 而细小液滴的存在促进了颗粒物间的相互凝结和团聚，从而形成不规则的絮凝状颗粒物. 在除雾器冲洗状态下未检测到Ca峰的存在，C、O、S元素的谱峰也大幅降低. 这是因为在冲洗状态下除雾器的除雾效率提高，大量石灰石和石膏液滴被捕集，进入烟道中的细小液滴大量减少，颗粒物之间的凝结和团聚效果大大减弱.

(a) 冲洗状态下

(b) 不冲洗状态下图8 除雾器冲洗和不冲洗状态下PM1～2.5的EDS谱Fig.8 EDS spectra of PM1～2.5 with/without mist eliminator washing

3 结 论

(1) WFGD系统出口处TSP的质量浓度在10 mg/m3以下，符合国家排放标准，TSP的脱除效率为46.8%；脱除效率随着颗粒物粒径的减小而急剧降低，PM1～2.5细颗粒物的脱除效率仅为15.0%.

(2) 各粒径段颗粒物的脱除效率随着锅炉负荷的降低而升高，其中PM2.5～10颗粒物脱除效率的变化最明显.

(3) 除雾器冲洗可显著增强WFGD系统对颗粒物的脱除效果，冲洗后，PM10+颗粒物所占比例可从冲洗前的30.0%减至15.0%.

(4) 在除雾器不冲洗状态下,WFGD系统出口处的颗粒物中存在Ca元素，颗粒物凝结团聚形成不规则的絮凝状颗粒物；在除雾器冲洗状态下，Ca、S、C、O元素的含量显著减少，颗粒物主要呈圆形，分布较为疏散.

[1] YAO Q，LI S Q，XU H W，et al. Studies on formation and control of combustion particulate matter in China: a review[J].Energy，2010，35(11)：4480-4483.

[2] ZHANG R Y， SUH I，ZHAO J，et al. Atmospheric new particle formation enhanced by organic acids[J].Science，2004，304(5676)：1487-1490.

[3] HOUGHTON J T，DING Y，GRIGGS D J，et al. Climate change 2001：the scientific basis[M]. Cambridge, UK: The Press Syndicate of the University of Cambridge, 2001.

[4] 郝润龙, 赵毅, 郭天祥. 燃煤烟气湿法脱硫系统模型及优化运行[J].动力工程学报, 2016, 36(10): 822-826.

HAO Runlong, ZHAO Yi, GUO Tianxiang. Modeling and operation optimization of wet flue gas desulfurization systems[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2016, 36(10): 822-826.

[5] 牛治国，张勇，陈鸿伟．我国燃煤电厂烟气脱硫技术进展[J]．河北化工，2006(1)：43-45．

NIU Zhiguo，ZHANG Yong， CHEN Hongwei． Review on flue gas desulfurization technology in power plants[J].HebeiChemicalEngineeringandIndustry，2006(1)：43-45．

[6] MEIJ R，WINKEL H．The emissions and environmental impact of PM10and trace elements from a modern coal-fired power plant equipped with ESP and wet FGD[J].FuelProcessingTechnology，2004，85(6/7)：641-656．

[7] NIELSEN M T，LIVBJERG H，FOGH C L，et al．Formation and emission of fine particles from two coal-fired power plants[J]．CombustionScienceandTechnology，2002，174(2):79-113．

[8] 王珲，宋蔷，姚强，等．电厂湿法脱硫系统对烟气中细颗粒物脱除作用的实验研究[J]．中国电机工程学报，2008，28(5)：1-7．

WANG Hui，SONG Qiang，YAO Qiang，et al．Experimental study on removal effect of wet flue gas desulfurization system on fine particles from a coal-fired power plant[J]．ProceedingsoftheCSEE，2008，28(5)：1-7．

[9] 鲍静静，刘杭，潘京，等．石灰石-石膏法脱硫烟气PM2.5排放特性[J]．热力发电，2014,43(10)：1-7．

BAO Jingjing，LIU Hang，PAN Jing，et al．Emission characteristics of PM2.5from flue gas desulfurated by limestone-gypsum method[J]．ThermalPowerGeneration，2014，43(10)：1-7．

[10] 高翔鹏，徐明厚，姚洪，等．燃煤锅炉可吸入颗粒物排放特性及形成机理的试验研究[J]．中国电机工程学报，2007，27(17)：11-17．

GAO Xiangpeng，XU Minghou，YAO Hong，et al．Experimental study on emission characteristics and formation mechanisms of PM10from a coal-fired boiler[J]．ProceedingsoftheCSEE，2007，27(17)：11-17．

[11] JAWOREK A， KRUPA A， CZECH T．Modern electrostatic devices and methods for exhaust gas cleaning：a brief review[J]．JournalofElectrostatics，2007，65(3)：133-155．

[12] MOHR M， YLTALO S， KLIPPEL N， et al．Submicron fly ash penetration through electrostatic precipitators at two coal power plants[J]．AerosolScienceandTechnology，1996，24(3)：191-204．

[13] 徐飞，骆仲泱，王鹏，等．440 t/h循环流化床锅炉颗粒物排放特性的实验研究[J]．中国电机工程学报，2007，27(29)：7-11．

XU Fei，LUO Zhongyang，WANG Peng，et al．Experimental study on the characteristics of particulate matter emitted from a 440 t/h CFB coal-fired boiler[J]．ProceedingsoftheCSEE，2007，27(29):7-11．

[14] BOLOGA A，PAUE H R, LEHNER M, et al．Collection of fine particles by novel wet electrostatic precipitator[J]．IEEETransactionsonIndustryApplications，2009，45(6)：2170-2177．

[15] 周志祥，段建中，薛建明．火电厂湿法烟气脱硫技术手册[M]．北京：中国电力出版社，2006．

[16] 于敦喜，徐明厚．煤焦破碎的模拟研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(9)：90-93．YU Dunxi， XU Minghou．A computer simulation study of char fragmentation[J]．ProceedingsoftheCSEE，2005，25(9)：90-93．

[17] 周科，聂剑平，张广才，等．湿法烟气脱硫燃煤锅炉烟气颗粒物的排放特性研究[J]．热力发电，2013，42(8)：81-85．

ZHOU Ke，NIE Jianping，ZHANG Guangcai，et al．Emission characteristics of particulate matter from coal-fired plant equipped with WFGD[J]．ThermalPowerGeneration，2013，42(8)：81-85．

[18] 颜金培，杨林军，鲍静静．湿法脱硫烟气中细颗粒物的变化特性[J]．东南大学学报(自然科学版)，2011,41(2)：387-392．

YAN Jinpei，YANG Linjun，BAO Jingjing．Impact property on fine particles from coal combustion in wet flue gas desulfurization process[J]．JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition)，2011,41(2)：387-392．

ExperimentalStudyonEmissionCharacteristicsofParticulateMattersfromWetFlueGasDesulfurizationSystemofaCoal-firedPowerPlant

CHENHao1,LUOZhongyang1,JIANGJianping2,XUXi1,LUMengshi1,WANGTao1,FANGMengxiang1

(1.State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

Particulate matters in areas before and after the wet flue gas desulphurization (WFGD) system of a 200 MW coal-fired power plant were collected at 100% and 80% boiler loads, so as to obtain the mass concentration and size distribution of particulate matters in the flue gas, and to detect the composition and content of elements involved by observing the morphology of above particulate matters. Results indicate that the mass concentration of total suspended particulate (TSP) is about 16 mg/m3(in standard state) at the inlet of WFGD system, which is below 10 mg/m3at the outlet, and the removal efficiency of TSP is 46.8%. The removal efficiency of particulate matters increase with the decrease of boiler load. Element calcium is found in the particulate matters at WFGD outlet, where irregular flocculation structures are formed through agglomeration and coagulation of particles. Under mist eliminator washing condition, the mass concentration of particulate matters decreases, and the content of elements Ca, S, C and O reduces obviously, when the particulate matters are mainly in round shape and dispersedly distributed.

wet flue gas desulfurization; particulate matter; mist eliminator; removal efficiency

2016-11-16

2017-01-03

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228504)

陈 浩(1989-)，男，湖北襄阳人，博士研究生，主要从事燃煤电厂细颗粒物及其他污染物控制方面的研究.

电话(Tel.)：0571-87953706；E-mail：hchen0622@zju.edu.cn.

1674-7607(2017)11-0925-06

X701

A

610.30