摘要：對典型裝機(jī)容量機(jī)組濕式電除塵器的PM2.5、SO3及Hg的脫除性能進(jìn)行了分析，并研究了PM2.5、SO3及Hg的排放特性。結(jié)果表明：濕式電除塵器對PM2.5、SO3和Hg的脫除效率分別能達(dá)到78%、62%和58%以上，PM2.5排放績效在6.00～15.00mg/(kW˙h)之間，SO3排放績效在3.00～24.00mg/(kW˙h)之間，Hg排放績效在11.00～26.00μg/(kW˙h)之間。通過非線性回歸模型模擬得出濕式電除塵器出口PM2.5、SO3、Hg的排放績效計算模型，降低了燃煤機(jī)組煙氣中PM2.5、SO3、Hg排放總量預(yù)估的難度。

隨著燃煤機(jī)組超低排放改造逐漸深入，各類新型環(huán)保技術(shù)快速發(fā)展，為控制大氣污染物排放提供了技術(shù)路線。濕式電除塵器作為引入燃煤發(fā)電領(lǐng)域的新型環(huán)保技術(shù)，其高效的除塵性能得到國內(nèi)外科技工作者廣泛認(rèn)可。濕式電除塵器運(yùn)行性能良好，污染物協(xié)同脫除性能好，在燃煤發(fā)電領(lǐng)域發(fā)展迅速，國內(nèi)投運(yùn)的濕式電除塵器數(shù)量已超過歐美日等國在役設(shè)備總和。

目前，對濕式電除塵器除塵性能影響因素的研究報道較多，然而，針對濕式電除塵器出口非常規(guī)污染物的排放特性的研究報道很少，在超低排放的環(huán)保背景下，對非常規(guī)污染物排放總量的預(yù)測鮮見報道。

本文通過對四種不同容量等級的燃煤機(jī)組的濕式電除塵器進(jìn)行性能測試研究，分析濕式電除塵器對煙氣中PM2.5、SO3及Hg的協(xié)同脫除性能，并研究其排放特性，建立排放績效模型預(yù)測其排放總量。

1研究方法

1.1機(jī)組概況

本文選擇了4臺典型燃煤機(jī)組濕式電除塵器作為研究對象，對濕式電除塵器的污染物協(xié)同脫除能力和污染物排放特性進(jìn)行分析研究，涉及機(jī)組裝機(jī)容量等級分別為150MW、300MW、600MW、1000MW級。為了便于測試結(jié)果比較研究，選擇的各機(jī)組環(huán)保技術(shù)工藝均為低氮燃燒(LNB)+SCR脫硝裝置+靜電除塵器(ESP)+石灰石-石膏濕法脫硫裝置(FGD)+濕式電除塵器(WESP)。

1.2測試依據(jù)及儀器

測試期間要求機(jī)組及環(huán)保設(shè)施正常運(yùn)行，燃用煤質(zhì)、運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定、在線CEMS表計指示正確。試驗依據(jù)及儀器如表1所示。

表1試驗依據(jù)及主要儀器

測試方法依照表1所列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，文中PM2.5采用芬蘭生產(chǎn)的DekatiPM-10測試，顆粒物粒徑測試范圍為>PM10>PM2.5>PM1，采用稱重法計算得到PM2.5濃度。全自動便攜式汞采樣系統(tǒng)(PMS30B)進(jìn)行煙氣中汞樣品采集，采用美國生產(chǎn)的汞分析儀(HydraIIC)進(jìn)行汞濃度檢測。SO3濃度依據(jù)《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗收試驗規(guī)范》(DL/T998-2016)進(jìn)行測試，紅外氣體分析儀測試煙氣中SO2、NOx、O2等濃度。為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了平行采樣及平行樣分析的方法。現(xiàn)場采樣位置示意圖如圖1所示。

圖1采樣測點(diǎn)示意圖

1.3WESP條件下PM2.5、SO3及Hg的績效模型計算

為了分析濕式電除塵器對PM2.5、SO3及Hg的排放特性的影響，引入煙氣中PM2.5、SO3及Hg排放績效和濕式電除塵器PM2.5、SO3及Hg消減績效兩個概念。煙氣中PM2.5、SO3及Hg排放績效指燃煤機(jī)組單位發(fā)電量(1kW˙h)產(chǎn)生的煙氣中的PM2.5、SO3及Hg對環(huán)境貢獻(xiàn)的總量(質(zhì)量)，濕式電除塵器PM2.5、SO3及Hg消減績效指燃煤機(jī)組單位發(fā)電量(1kW˙h)時濕式電除塵器脫除某一污染物的總量(質(zhì)量)。文中無特別注明，所述汞排放濃度,均指總汞(Hg)排放濃度，所述機(jī)組為純發(fā)電機(jī)組，所述氣體成分狀態(tài)為標(biāo)態(tài)、干基、6%O2。

通過非線性回歸模型模擬得到煙氣中PM2.5、SO3及Hg排放績效的計算公式和濕式電除塵器PM2.5、SO3及Hg消減績效的計算公式，如式(1)、(2)所示。

式(1)中，θi為某一種煙氣成分的排放績效，mg/(kW˙h)(Hg以μg/(kW˙h)計)；i指PM2.5、SO3及Hg中的任一種成分；ε為煙氣排放體積與機(jī)組發(fā)電量比值系數(shù)，3.15≤ε≤3.75，m3/(kW˙h)，與空氣過剩系數(shù)正相關(guān)；Cout為濕式電除塵器出口PM2.5、SO3及Hg排放濃度，mg/m3(Hg以μg/(kW˙h)計)。

式(2)中，σi為某一種氣體成分濕式電除塵器消減績效，mg/(kW˙h)(Hg以μg/(kW˙h)計)；ηi為某一種氣體成分的濕式電除塵器脫除率，%。

由式(1)和式(2)可以得到煙氣中PM2.5、SO3及Hg排放績效與濕式電除塵器PM2.5、SO3及Hg消減績效之間的關(guān)系，如式(3)所示。

污染物排放績效比排放濃度更清晰的反映不同容量等級燃煤機(jī)組外排污染物對大氣環(huán)境的影響，污染物排放績效能側(cè)面反映環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行性能。取得污染物排放濃度數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行排放績效計算，然后進(jìn)行污染物排放總量預(yù)估，消除機(jī)組運(yùn)行工況、運(yùn)行參數(shù)等不確定性因素影響污染物排放總量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。污染物消減績效反映濕式電除塵器對減排污染物所作的貢獻(xiàn)，也能體現(xiàn)濕式電除塵器對污染物的脫除效率。

2結(jié)果與討論

2.1WESP對PM2.5、SO3及Hg的脫除性能

為了考察裝機(jī)容量大小對濕式電除塵器協(xié)同脫除PM2.5、SO3及Hg性能的影響，以及我國燃煤機(jī)組實(shí)施超低排放后，PM2.5、SO3及Hg排放值在世界范圍內(nèi)所處水平，選取典型機(jī)組濕式電除塵器PM2.5、SO3及Hg的脫除效率和排放濃度進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2WESP對PM2.5、SO3及Hg的脫除性能

如圖2(a)可知，機(jī)組容量等級對濕式電除塵器除塵性能并沒有明顯影響，且濕式電除塵器對PM2.5脫除效率均在78%以上。PM2.5/PM體現(xiàn)了PM2.5在總顆粒物中的占比(質(zhì)量濃度百分?jǐn)?shù))，更體現(xiàn)濕式電除塵器對不同粒徑顆粒物的脫除性能，比值越大，則PM2.5的脫除性能越差。圖2(a)還顯示出口煙氣中PM2.5在PM中的占比在45%~80%之間，大顆粒物脫除量明顯高于PM2.5，同時測試結(jié)果也反映了當(dāng)前濕式電除塵器對PM2.5的脫除能力有限(相比于靜電除塵器99.9%以上的除塵效率)。目前，可以從增強(qiáng)細(xì)顆粒物凝聚、增大熱泳力、強(qiáng)化液橋力等技術(shù)層面提升濕式電除塵器對PM2.5的脫除性能。濕式電除塵器出口PM2.5排放濃度平均水平在3mg/m3以下，能夠很好的滿足煙塵超低排放要求，但實(shí)現(xiàn)PM排放濃度達(dá)到1mg/m3以下，則需要進(jìn)一步提升濕式電除塵器的除塵性能，特別是PM2.5的脫除性能。

如圖2(b)所示，世界范圍內(nèi)，美國佛羅里達(dá)州SO3排放限值(0.6mg/m3)要求最嚴(yán)，中國上海地區(qū)的SO3排放限值嚴(yán)于美國最高限值(馬里蘭州20mg/m3)、德國限值(10mg/m3)和新加坡限值(10mg/m3)。現(xiàn)場實(shí)測SO3排放濃度范圍在0.7~8.0mg/m3之間，濃度值波動范圍較大，但不可忽視的是，雖然裝機(jī)容量大的機(jī)組SO3排放濃度值低，但裝機(jī)容量大的機(jī)組SO3排放量(質(zhì)量)比裝機(jī)容量小的機(jī)組大得多。目前，SO3脫除性能最佳的技術(shù)為濕式電除塵器和低低溫電除塵器，已有研究表明，影響濕式電除塵器SO3脫除效率的因素主要有電極形式、停留時間、二次電壓、煙塵粒徑、入口濃度、溫度等。圖2(b)顯示濕式電除塵器對SO3脫除效率在60%以上，機(jī)組容量等級對濕式電除塵器SO3脫除效率影響甚小，但機(jī)組容量等級高，外排煙氣量大，影響SO3排放量(質(zhì)量)。

如圖2(c)可知，四種裝機(jī)容量機(jī)組的Hg排放濃度范圍為2.0~9.0μg/m3，接近國內(nèi)燃煤機(jī)組Hg排放濃度的平均水平，同樣Hg排放濃度也接近美國低階煤Hg排放限值，高于美國非低階煤Hg排放限值，但遠(yuǎn)低于中國Hg標(biāo)準(zhǔn)排放限值和德國標(biāo)準(zhǔn)排放限值。采用環(huán)保超低排放工藝后，濕式電除塵器出口Hg排放濃度遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，其Hg脫除效率在60%以上。圖2(c)顯示裝機(jī)容量大的機(jī)組Hg脫除率高于裝機(jī)容量小的機(jī)組，并呈現(xiàn)增大趨勢，表明大容量機(jī)組對控制Hg排放濃度具有積極意義，但大容量機(jī)組Hg排放量(質(zhì)量)要高于小容量機(jī)組，應(yīng)引起足夠重視。

2.2WESP條件下PM2.5、SO3及Hg的排放特性

基于現(xiàn)場實(shí)測試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)和式(2)對PM2.5、SO3及Hg的排放績效和消減績效平均值進(jìn)行計算，得到PM2.5、SO3及Hg的排放績效和消減績效結(jié)果如圖3所示。

圖3PM2.5、SO3及Hg的排放特性

由圖3(a)可知，PM2.5、SO3排放績效范圍分別為6.00~15.00mg/(kW˙h),3.00~24.00mg/(kW˙h)，主要受PM2.5、SO3排放濃度控制，機(jī)組發(fā)電量和煙氣量的不確定性影響通過式(1)盡可能降低，同容量等級機(jī)組、相同的煙氣系統(tǒng)下PM2.5、SO3排放濃度高，則排放績效高，反之亦然。對于不同容量等級機(jī)組、不同環(huán)保技術(shù)工藝，低的污染物排放濃度并不能說明外排到大氣中的污染物的質(zhì)量少，采用污染物排放績效指標(biāo)可以清晰的反映燃煤機(jī)組排放到大氣中的污染物質(zhì)量，即根據(jù)發(fā)電量多少判斷不同機(jī)組對大氣環(huán)境的污染物貢獻(xiàn)量。

PM2.5、SO3消減績效主要體現(xiàn)濕式電除塵器對PM2.5、SO3的脫除性能。根據(jù)式(2)可知，PM2.5、SO3的脫除率越高，則消減績效值越高，濕式電除塵器對PM2.5、SO3的脫除能力越強(qiáng)，性能越好。在進(jìn)行同類型濕式電除塵器PM2.5、SO3脫除性能對比時，在PM2.5、SO3脫除效率接近的情況下，PM2.5、SO3排放濃度對消減績效的影響不容忽視。圖3(a)顯示PM2.5、SO3消減績效范圍分別為39.00~119.00mg/(kW˙h),

16.00~90.00mg/(kW˙h)。

由圖3(b)可知，Hg的排放績效范圍在11.00~26.00μg/(kW˙h)之間，且機(jī)組裝機(jī)容量越大，Hg排放績效越低，并呈現(xiàn)向下趨勢。根據(jù)式(1)可知，排放績效與排放濃度呈正線性相關(guān)，依據(jù)式(1)可以根據(jù)PM2.5、SO3、Hg的排放濃度進(jìn)行其排放績效預(yù)估，實(shí)時掌握PM2.5、SO3、Hg的排放總量。

由圖3(b)可知，基于實(shí)測數(shù)據(jù)的濕式電除塵器汞消減績效范圍在41.00~60.00μg/(kW˙h)之間。根據(jù)式(3)可知，濕式電除塵器消減績效與排放績效呈函數(shù)關(guān)系，隨濕式電除塵器脫除率的升高或降低呈現(xiàn)單調(diào)遞增或單調(diào)遞減。圖3(b)中1000MW機(jī)組汞消減績效逆趨勢增大是由于汞脫除率增大引起的。為了進(jìn)一步分析式(3)中的控制因素，確定計算結(jié)果的主要影響參數(shù)，本文以Hg為例進(jìn)行對比研究，選取了濕式電除塵器汞脫除率為50%和汞排放績效為15.00μg/(kW˙h)兩個值，分別考察汞排放績效和汞脫除率對汞消減績效的影響，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4煙氣中汞排放績效和汞脫除率對汞消減績效的影響

如圖4所示，設(shè)定條件下，兩條曲線存在兩個交點(diǎn)，即Hg消減績效分別為10、15μg/(kW˙h)，對應(yīng)Hg脫除率分別為40%、50%。由圖4可知，存在若干點(diǎn)對(Hg脫除率值與汞排放績效值)，使得Hg脫除率和Hg排放績效對Hg消減績效具有同樣的影響效果，在點(diǎn)對低值范圍(圖4所示Hg排放績效小于10μg/(kW˙h)、Hg脫除率小于40%)，Hg排放績效對Hg消減績效的影響較大；在點(diǎn)對高值范圍(圖4所示Hg排放績效大于15μg/(kW˙h)、Hg脫除率大于50%)，Hg脫除率對Hg消減績效的影響較大。

3結(jié)論

(1)不同容量等級機(jī)組濕式電除塵器對PM2.5、SO3和Hg的脫除效率分別能達(dá)到78%、62%和58%以上，PM2.5、SO3及Hg的排放績效范圍分別為6.00~15.00mg/(kW˙h),

3.00~24.00mg/(kW˙h),

11.00~26.00μg/(kW˙h)，

濕式電除塵器對PM2.5、SO3及Hg的消減績效范圍分別為39.00~119.00mg/(kW˙h),

16.00~90.00mg/(kW˙h),

41.00~60.00μg/(kW˙h)。

(2)通過非線性回歸模型模擬得出濕式電除塵器出口PM2.5、SO3、Hg的排放績效計算模型和濕式電除塵器對PM2.5、SO3、Hg的消減績效計算模型，盡可能降低機(jī)組發(fā)電量和煙氣量對排放績效和消減績效的影響。基于計算模型，可以通過PM2.5、SO3、Hg的排放濃度進(jìn)行其排放績效預(yù)估，實(shí)時掌握PM2.5、SO3、Hg的排放總量，降低了燃煤機(jī)組煙氣中PM2.5、SO3、Hg排放總量預(yù)估的難度，實(shí)時對比不同機(jī)組對大氣中外排PM2.5、SO3、Hg的貢獻(xiàn)值。

(3)濕式電除塵器對PM2.5、SO3、Hg等污染物的協(xié)同脫除能力較好，為將來上述各項污染物控制技術(shù)路線提供了發(fā)展方向。柴油發(fā)電機(jī)組