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湿式电除尘器在火电厂的应用及其对污染物的去除研究

编辑:广州华润热电有限企业   发布时间:2019-03-07

       一、项目实施必要性
       当前我国大气环境形势十分严峻,以细颗粒物(PM2.5)、酸雨等为特征的复合型大气污染日益突出,雾霾天气增多,空气重度污染时常发生,气候变化十分恶劣,已制约了社会经济的可持续发展,严重威胁到人民的身体健康和未来的生产状况。各级政府已引起相当重视,短时间内出台了多项环保政策和治理措施,下大力气治理大气污染,改善大气环境质量。国家能源局、广东省发改委、广州市政府纷纷提出燃煤电厂主要大气污染物“超洁净排放”的目标,将广州华润电厂#1机组“超洁净排放”改造项目列为国家能源局和广州市政府首批环保改造示范项目。目前国内火电厂主要采用的除尘方式:静电除尘、袋式除尘、电袋复合除尘等。目已投产的大型火电厂95%采用电除尘器,但是为达到低的烟尘排放,电除尘器向更多的电场数、更大的比集尘面积的方向发展,受到了极大的限值。常规电除尘器还存在除尘效率受粉尘比电阻影响大,污染物去除功能单一。由于脱硫后吸取塔出口烟气中携带石膏等液滴量较大,石膏雨、PM2.5、SO3气溶胶、重金属离子等极难除去。因此,当前火电厂烟气粉尘排放浓度极难达到5mg/Nm3的标准。新标准的实施,对高效静电除尘器提出了巨大的挑战,迫切需要对国内外的除尘新技术、新工艺进行全面论证研究。湿式电除尘技术在全世界范围内应用极少,但他可以有效去除烟气中的PM2.5、酸雾、气溶胶、亚徽米颖拉物、汞、重金属及二恶英等大气污染物,是大气复合污染物控制系统的最终精处理设备,已列入国家863科研计划。2014年国家发改委计划了十三个燃煤火电厂超低排放改造示范项目,并联合国家环保部下发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》,要求2020年前现役燃煤发电机组基本达到燃气轮机排放限值,大力鼓励和推动加装湿式电除尘器。因此,我司对湿式电除尘器的应用及其对污染物的去除研究就变得十分迫切和极其有意义。
       二、创新工作组织及开展情况
       1.创新工作组织情况。
       湿式电除尘器的应用及其对污染物的去除研究是一套涵盖专业多、多系统的创新研究工作,为了保证改造工程按规定建成投产并达到预期效果,实施的全过程中,通过建立和健全相应的组织机构,组织、联系、协调各有关单位,对工程建设项目实施有效的管理和研究。主要举措有:
       (1)成立重大技改专项工作组。
       成立重大技改领导小组和专业组,企业总经理亲自挂帅,统一组织、协调改造项目的进度、质量、安全、费用等情况,确保工作顺利完成。
       (2)落实动态管理及汇报制度。
       定期召开工作协调会议,对工作进度、遇到问题、需要协调问题以及相关物料人员安排进行汇报,企业根据实际问题提出要求,落实需要协调问题,确保工作推进。
       (3)运用精益管理的思想和共计工具。
       敢于创新,运用精益管理的科学工具,针对湿式电除尘器的应用及其对污染物的去除研究工作,成立了专题SDA改善项目,利用TPM、minitab统计分析等精益工具,采用PDCA的手法,对湿式电除尘器的推广应用及污染物的去除进行了深入的研究。
       (4)建立研究标准并规范化。
       湿式电除尘器在国内火电厂的应用完全是一个全新的东西,在安装、调试、试运行及应用方便结合现场制定了一系列的标准和规范,并将研究成果固化,形成可供推广和复制的先进经验。
       2.创新工作开展情况。
       广州华润热电有限企业(2×300兆瓦机组)环保升级改造为国家能源局十三个示范项目之一,企业自2013年10月成立湿式电除尘器专项课题研究和实施小组,企业1号机组湿式电除尘器于2014年7月21日投入运行,2号机组湿式电除尘器于2015年6月6日投入运行,在此过程中,专项小组从技术的论证选取、设备的选型、工程的实施、项目的调试、对污染物的去除研究等多方面入手,且开展了大量的创新性试验研究工作,全方位做好本示范项目。
       三、主要技术创新研究成果
       1.对粉尘的去除研究。
       湿式电除尘器与干式静电除尘器的机理相同,但是除尘过程完全不一样。首先,将水雾喷向放电极和电晕区,水雾在芒刺电极形成的强大的电晕场内荷电后分裂进一步雾化,电场力、荷电水雾的碰撞拦截、吸附凝并,共同对粉尘粒子起捕集作用,最终粉尘粒子在电场力的驱动下到达集尘极而被捕集。静电电压值、水量、粉尘浓度三因素对湿式静电除尘效率的效应都为正,即除尘效率随着电压的升高、水量的增大、粉尘浓度的加大而上升。其中电压对除尘效率的影响最为显著,其次是水量,粉尘浓度的影响最小。静电和水雾相结合可显著地提高了除尘效率。
       烟尘浓度的计算见公式:
      式中:C—标准状态下干燥烟气的含尘浓度,mg/m3;m1—采样前的滤筒重量,mg;m2—采样后的滤筒重量,mg。Vsd的计算见公式6-4。

       式中:Vsd—标准状态下的干燥烟气采样体积,L;Vtd—实际工况下的干燥烟气采样体积,L;B—当地大气压,Pa;P—流量计前烟气压力,Pa;t—流量计前烟气温度,℃。
       为了测试在不同的入口粉尘浓度下,得出湿式电除尘器的除尘效率,在设计煤种(高灰分)满负荷情况下进行了2个工况测试,其中在工况一和工况二是进行粉尘浓度的测试,工况一干式电除尘为高效运行模式,工况二中干式电除尘调整为节能模式。
       实测结果汇总于表1,从结果来看,在电除尘器处于两种不同模式时,脱硫塔出口粉尘浓度有一定程度的变化,分别为26.84毫克/标准立方米和30.07毫克/标准立方米,但湿式除尘器出口粉尘浓度还是低于5毫克/标准立方米的排放水平。在两工况下,湿式电除尘器出口粉尘浓度分别为2.77、3.46毫克/标准立方米(标,干,6%O2),平均为3.12毫克/标准立方米,粉尘脱除效率为89.68%和88.49%,平均为89.09%。

表1:粉尘和粉尘去除率测量结果汇总

项目 单位 工况1 工况2(节能模式)
进口取样体积 L 595.42 312.48
修正至标态后取样体积 Nm3 0.49 0.24
原始滤筒质量 mg 1003.19 985.34
取样后滤筒质量 mg 1016.41 992.64
入口粉尘浓度 mg/Nm3 26.84 30.07
出口取样体积 L 850.6 414.29
修正至标态后取样体积 Nm3 0.70 0.32
原始滤筒质量 mg 974.21 987.54
取样后滤筒质量 mg 976.16 988.64
出口粉尘浓度 mg/Nm3 2.77 3.46
脱除效率 % 89.68 88.49
评价除尘效率 % 89.09  

       为了研究湿式电除尘器出口粉尘排放浓度的长期变化,查阅了1号机组投运后3个月的历史曲线(8月1日-11月1日),见图1。


图1:粉尘排放3个月历史曲线

       其中各排放浓度的数据取自湿式电除尘器出口环保CEMS(广州市环保监测站定期进行CEMS数据的比对)。
       从图1看出,湿式电除尘器投运3个月以来,出口粉尘排放浓度十分稳定,在0.27-4.7毫克/标准立方米之间波动,平均值为3.06毫克/标准立方米,出口粉尘浓度排放浓度长期保持在5毫克/标准立方米以下,满足性能指标和超洁净排放的要求。
       同时,为了研究湿式电除尘器出口粉尘排放与机组负荷变化的关系,查阅了#1机组投运后3个月的机组负荷与粉尘排放浓度的历史曲线(8月1日-11月1日),见图2。



图2:粉尘排放浓度3个月历史曲线

       从图2看出,湿式电除尘器投运3个月以来,机组负荷在195兆瓦-331兆瓦之间变化,平均负荷为251兆瓦,但期间出口粉尘浓度排放十分稳定,平均值为3.06毫克/标准立方米,基本不随机组负荷的变化而变化。为了研究湿式电除尘器出口粉尘排放与SO2及NOx排放的关系,查阅了1号机组投运后3个月的粉尘、SO2及NOx排放浓度的历史曲线(8月1日-11月1日),见图3。


图3:粉尘、SO2及NOx排放浓度3个月历史曲线

       从图3看出,湿式电除尘器投运3个月以来,NOx排放浓度在10-50毫克/标准立方米之间波动,平均浓度为32.25毫克/标准立方米;SO2排放浓度在2-30毫克/标准立方米之间波动,平均浓度为10.38毫克/标准立方米;但期间出口粉尘排放浓度一直稳定在3毫克/标准立方米左右小幅变化,不受SO2和NOx排放浓度变化的影响。
       2.对PM2.5的去除研究。
       电除尘器中粉尘颗粒有两种类型的荷电过程,对于直径大于1微米的颗粒来说场荷电荷电是主要作用,颗粒碰撞沿电力线运动的负离子而带电,这时电压的强弱是影响这个过程的最主要因素。对直径小于0.5微米的颗粒来说扩散荷电是主要作用,PM2.5为主的亚微米粒子在随机运动时与负离子碰撞而带电,注入的电流密度是影响扩散放电最重要的因素。湿式静电除尘中,因放电极被水浸润后,电子较易溢出,同时水雾被放电极尖端的强大电火花进一步击碎细化,使电场中存在加上大量带电雾滴,大大增加亚微米粒子碰撞带电的机率,而带电粒子在电场中运动的速度是布朗运动的数十倍,这样就大幅度提高了亚微米粒子向集电极运行的速度,可以在较高的烟气流速下,捕获更多的PM2.5粒。
       PM2.5浓度的计算见公式:
       式中:C—标准状态下干燥烟气的PM2.5浓度,毫克/立方米;m1—采样前(1-10级)收集膜的重量和,毫克;m2—采样后(1-10级)收集膜的重量和,毫克。Vsd的计算见公式:

       式中:Vsd—标准状态下的干燥烟气采样体积,L;Vtd—实际工况下的干燥烟气采样体积,L;B—当地大气压,Pa;P—抽气泵前烟气压力,Pa;t—抽气泵前烟气温度,℃。
       通过利用烟气流量测试时得到的截面动压分布结果,确定流速代表点,采用Dekati企业生产的DLPI进行PM2.5取样,取样测试结果汇总于表2,从表中可以看出,湿式电除尘器出口的PM2.5浓度小于1毫克/标准立方米,脱除效率为80.2%。

表2:PM2.5取样测试结果汇总

项目 单位 工况3
进口取样体积 L 1682.44
修正至标态后取样体积 Nm3 1.1838
1-10级冲击盘铝膜原始重量 mg 156.53
1-10级冲击盘铝膜取样后重量 mg 158.63
入口PM2.5浓度 mg/Nm3 1.77
出口取样体积 L 1892.75
修正至标态后取样体积 Nm3 1.332
1-10级冲击盘铝膜原始重量 mg 156.52
1-10级冲击盘铝膜取样后重量 mg 156.96
出口PM2.5浓度 mg/Nm3 0.35
脱除效率 % 80.2

       3.对SO3的去除研究。
       湿式电除尘器内部烟气温度在50~60℃,虽然高于三氧化硫露点温度,但是湿烟气中的三氧化硫在205℃以下时,以微液滴形式存在,平均直径在0.4微米以下,湿式静电除尘对亚微米颗粒的高捕获率,所以对三氧化硫微液滴有很高的脱除率。吸取塔出口即湿式电除尘器入口及湿式电除尘器出口SO3的化验和浓度计算结果见表3所列,吸取塔出口SO3浓度为0.73毫克/标准立方米,湿式电除尘器出口SO3浓度为0.11毫克/标准立方米,湿式电除尘器对SO3的脱除率为84.9%。

表3:湿式电除尘器入口及湿式电除尘器出口SO3的浓度结果

项目 采样烟气参数 液体总体积 测试读数    SO3(6%O2) 平均值
参数 V(L) p0(Pa) p(Pa) t(℃) O2(%)    mL mg/L mg/Nm3 mg/Nm3
入口 450.9 100220 -7170 43.3 5.57 94 2 0.59 0.73
400.2 100350 -2041 47 5.53 126 2 0.86
出口 612.7 100300 -2090 40 5.61 102 1 0.22 0.11
308.4 100350 -3090 40 5.53 110 0 0.00

       4.对液滴的去除研究。
       国内大部分已投用吸取塔的除雾器出口液滴浓度设计为75mg/Nm3,而运行时还经常高于此设计值,造成吸取塔出口有大量的石膏液滴带出。
       湿式电除尘器对石膏以及石膏液滴的去除机理遵循多依奇公式,见公式:

       其中S为比集尘面积,ω是粉尘在电场中的理论驱进速度,理论驱进速度是直接反映粉尘在电晕场中运动的难易程度的指标,查阅相关资料得石膏粉尘的理论驱进速度为0.16-0.2米/秒,煤粉炉灰的理论驱进速度为0.1-0.14米/秒,当比集尘面积为10平方米/(立方米/秒)条件下,可计算出电场对石膏粉尘的除尘效率为98%,煤灰为96.4%。可看出在相同条件中,石膏粉尘比煤灰更容易被捕获。因为湿式静电除尘工作原理与普通的电除尘相同,同时国外的相关资料也明确说明,这公式对湿式电除尘同样适用。在脱硫系统出口石膏是以CaSO4·2H2O的液滴形式存在,经过除雾器后,其粒径基本上在20微米以下。液滴的脱除一般采用湿式除尘技术,而湿式静电除尘器的水喷淋作用可以近似看作为一个重力喷雾湿式除尘器。
       湿式除尘的效率计算见公式:
       
       Et—湿式除尘总能量消耗;△Pg—烟气通过湿式除尘的压力损失;△PL—湿式除尘喷水压力;Qb—湿式除尘的喷水流量;Qg—湿式除尘中烟气流量;α和β为常数,与烟气粉尘类型相关。
       根据技术方三菱企业提供的湿式电除尘器的数据及本湿式电除尘器的设计参数,计算可得Et=0.8,因此湿式电除尘器对液滴有较好的去除效果,不会在烟囱出口出现石膏雨现象。
因电厂脱硫改造时,对除雾器同步进行了改造,安装了管式除雾器+两层屋脊式除雾器,因此吸取塔出口(即为湿式电除尘器入口)的雾滴含量较低。为测量液滴含量,委托广东科立恩环保科技有限企业对烟气冷凝液中Mg2+进行了化验,化验结果见表4。

表4:烟气冷凝液中Mg2+化验结果

计算方法见公式:
       
       M1—冷凝水中Mg2+浓度,0.33×10-3毫克/毫升;M2—吸取塔浆液滤液中Mg2+浓度,1730×10-3毫克/毫升;V—采气的烟气量,0.253标准立方米;—冷凝水质量,48毫克。
WESP出口的雾滴含量为22.9毫克/标准立方米,各数据如下:M1—冷凝水中Mg2+浓度,0.31×10-3毫克/毫升;M2—吸取塔浆液滤液中Mg2+浓度,1730×10-3毫克/毫升;V—采气的烟气量,0.305标准立方米;K—冷凝水质量,39毫克。
       根据Mg2+浓度化验结果和取样参数,得到吸取塔出口(即为湿式电除尘器入口)的雾滴含量仅为36.2毫克/标准立方米,湿式电除尘器出口的雾滴含量为22.9毫克/标准立方米,湿式电除尘器雾滴脱除率为36.7%。
       5.对汞的去除研究。
       干式静电除尘器、布袋除尘器等对汞的脱除效率不高,但湿式电除尘器对汞有良好的脱除效果。
       汞去除测试试验采样方法为EPAMethod30B标准方法,EPAMethod30B为美国环保局的标准方法,采用活性炭管对汞进行吸附后分析,不需要繁琐的化学处理步骤,操作相对简单。EPAMethod30B方法采样系统的示意图如图4所示,气体泵将烟气通过探头吸入,烟气中的汞被安装在探头前端的吸附管所吸取,然后烟气被干燥后在后面的采样调节部分给出干烟气的流量。整个采样过程的烟气量可以通过采样调节部分的流量计和采样时间来进行控制。


图4:EPAMethod30B采样系统示意图

       采样对于探头端的汞吸附管一般设定为一对(A管和B管),同时每根活性炭管中分为吸取段和穿透段两部分,用以对整个取样过程进行质量控制。对于烟气中汞浓度大于1ug/dscm,两根管的相对标准偏差不能超过10%,同时穿透段的总汞不能超过吸取段总汞的10%;对于烟气中汞浓度不大于1ug/dscm,两根管的相对标准偏差不能超过20%,同时穿透段的总汞含量不能超过吸取段总汞的20%。系统选用美国APEX企业的汞污染源手动采样器(XC-260),如图5所示。在室温为16℃下,采样的干烟气量控制在20L左右,采样时间控制在20分钟左右。另外,本研究中采用的30B吸附管为可以分价态的碳管(SpeciationTraps,OhioLumexCo.)。该管采用活化的椰壳活性炭填装制成,空白值相对较低,其中AGS为洗涤酸性气体的物质,氯化钾用来吸取氧化汞,活性炭用于吸取元素汞,各固体物质间采用石英棉隔离开。


图5XC-260型汞污染源手动采样器

       汞测试结果如下:湿式电除尘器进口汞浓度为:3.83微克/立方米,湿式电除尘器出口汞浓度为:3.55、1.53微克/立方米,平均浓度2.54微克/立方米,总汞除去率平均为:34%(7.3%、60.1%)。
       四、经济效益和社会效益
      各污染物排放浓度达到甚至超过了国家重点地区“燃气轮机大气污染物特别排放限值”,粉尘排放浓度稳定在0.5~3.5mg/Nm3之间,每年粉尘减排119.29吨,削减量达87%以上,成为目前国内最环保的煤电机组之一;为国家彻底解决火电厂大气污染物防治问题找到了路径,大幅削减了燃煤电厂污染物排放总量,不仅保障了区域经济社会发展所需清洁高效能源的供应,同时还满足国家、广东省及广州市对空气污染治理的要求,为国家的空气污染治理和建设美丽幸福中国做出积极的贡献,是企业对建设美丽生态中国和保护地球环境的责任之举。(主创人员:刘求阳、陈  华、崔乘亮、赵光军、廖大兵、陈青海、彭洪亮、鲁建国)

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