环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (6): 937-942  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.17

引用本文  

陈奎续. 基于实测的电袋复合除尘器脱除多污染物效果[J]. 环境科学研究, 2017, 30(6): 937-942.
CHEN Kuixu. Removal of Multi-Pollutants from Coal-Fired Flue Gas by Electrostatic-Fabric Integrated Precipitator based on Field Tests[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(6): 937-942.

基金项目

国家重点研发计划课题(2016YFC0203703);中国科学院战略性先导科技专项(B类)课题(XDB05050100)

责任作者

作者简介

陈奎续(1979-), 男, 海南乐东人, 高级工程师, 硕士, 主要从事大气污染物防治技术及装备的开发及应用研究, 13859585878@139.com

文章历史

收稿日期:2017-01-09
修订日期:2017-02-28
基于实测的电袋复合除尘器脱除多污染物效果
陈奎续1,2     
1. 福建龙净环保股份有限公司, 福建 龙岩 364000;
2. 国家环境保护电力工业烟尘治理工程技术中心, 福建 龙岩 364000
摘要:为了考察电袋复合除尘器脱除多污染物的能力,分别采用US EPA Method 30B方法、DL/T 998-2006《石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置性能验收试验规范》、HJ/T 342-2007《水质硫酸盐的测定铬酸钡分光光度法(试行)》、GB/T 16157-1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》和国际标准化组织ISO23210-2009《Stationary Source Emissions-Determination of PM10/PM2.5 Mass Concentration in Flue Gas-Measurement at Low Concentrations by Use of Impactors》对A、B两个燃煤电厂中循环流化床锅炉后的电袋复合除尘器脱除烟气中汞、SO3、烟尘、PM1、PM2.5、PM10六种污染物的效率进行测试试验.结果表明:电袋复合除尘器对烟尘、PM10等颗粒态污染物捕集效率高达99%以上;两个电厂电袋复合除尘器中汞的质量平衡分别为112.05%、72.78%,在70%~130%的允许范围之内;B电厂中电袋复合除尘器进口处烟气中颗粒态汞占总汞含量的比例高达97%,电袋复合除尘器对颗粒态汞的捕集效率达99.93%,对气态汞的捕集效率达86.84%;由于滤袋表面烟尘粉饼具有一定的吸附作用,电袋复合除尘器对SO3也有一定的捕集能力,A、B电厂电袋复合除尘器对SO3的脱除效率分别达到90.04%和61.73%,脱除效率可能受到飞灰组分及其吸附能力的影响.研究显示,电袋复合除尘器对循环流化床锅炉烟气中的多污染物具有较高的协同捕集效率.
关键词电袋复合除尘器    多污染物    颗粒物        三氧化硫    
Removal of Multi-Pollutants from Coal-Fired Flue Gas by Electrostatic-Fabric Integrated Precipitator based on Field Tests
CHEN Kuixu1,2     
1. FujianLongking Co., Ltd., Longyan 364000, China;
2. State Environmental Protection Engineering Technology Center for Power Industry Dust Control, Longyan 364000, China
Abstract: The installed capacity of electrostatic-fabric integrated precipitators (EFIPs), a new type of dust collector, in coal-fired power plants has exceeded 200 billion watts in China. However, there still lacks a better understanding of the removal performance on multiple pollutants of EFIPs. Therefore, the removal efficiencies for six kinds of pollutants in flue gas from the circulating fluidized bed boiler, including Hg, SO3, dust, PM1, PM2.5 and PM10 were tested in coal-fired power plants A and B, respectively. Mercury was tested by the 30B method of US EPA, SO3 was tested by Performance Test Code for Wetlimestonegypsum Flue Gas Desulphurization(DL/T 998-2006) for sampling and Water Quality-Determination of Sulfate-barium Chromate Spectrophotometry(HJ/T 342-2007) for analysis, dust was tested by Determination of Particulates and Sampling Methods of Gaseous Pollutants Emitted from Exhaust Gas of Stationary Source (GB/T 16157-1996), and fine particles were tested by Stationary Source Emissions-Determination of PM10/PM2.5 Mass Concentration in Flue Gas-Measurement at Low Concentrations by Use of Impactors (ISO 23210-2009) to ensure the reliability of the data. The results showed that the particulate matter collection efficiency of dust, PM10 and other particulate pollutants by EFIP were higher than 99%. Meanwhile, the mass balance of mercury across the EFIP of power plants A and B was 112.05% and 72.78%, respectively, within the acceptable ranges. The proportion of particulate-bound mercury in the flue gas at the inlet of EFIP in power plant B was as high as 97%, the collection efficiency of the particulate-bound mercury by EFIP was 99.93%, and the efficiency of gaseous mercury was 86.84%. The dust layer attached on the surface of the filter bag showed a certain adsorption to mercury, and SO3 as well. The removal efficiencies of SO3 by EFIP in power plants A and B were 90.04% and 61.73%, respectively. The removal efficiencies were also influenced by the composition of fly ash and the adsorption capacity of fly ash.
Keywords: electrostatic-fabric integrated precipitator    multi-pollutants    particulate matter    mercury    SO3    

在超低排放政策的要求下,燃煤电厂烟气中主要污染物烟尘、SO2和NOx排放已得到有效控制,微细颗粒物、汞、SO3等污染物的排放逐渐成为人们关注的焦点.由于成本、占地等因素的影响,燃煤电厂利用现有的污染物控制设备,在控制烟尘、SO2和NOx排放的基础上,增加或提高对微细颗粒物、汞、SO3等污染物的协同脱除能力,成为多污染物治理技术的发展方向之一.

除尘器作为燃煤电厂污染物控制的关键设备之一,在多污染物的协同控制中起着重要作用.目前除尘器包括静电除尘器(ESP)、袋式除尘器(FF)以及电袋复合除尘器(EFIP).井鹏等[1]认为,布袋除尘器脱除细微颗粒物的能力比静电除尘器强,这导致布袋除尘器脱除颗粒汞的效率比静电除尘器高.同时,布袋除尘器可以脱除一部分气态汞[1],而静电除尘器基本只能脱除颗粒汞[2].有学者对燃煤电站布袋除尘器和静电除尘器的脱汞性能进行了比较,发现布袋除尘器的协同脱汞效率为20%~80%,静电除尘器的协同脱汞效率为4%~20%[3-4],布袋除尘器在协同脱汞的能力上具有优势[5]. Sporl等[6]的研究结果表明,布袋除尘器对SO3的脱除效率为44%~80%,飞灰的含量和成分对脱除效率有影响.而静电除尘器必须在系统中增加烟冷器设备,将烟气温度降低至酸露点以下,才能捕集部分凝结的SO3[7].基于目前的研究结果,袋式除尘方式在多污染物的协同脱除上更加具有优势[8-9].

电袋复合除尘器作为新生的除尘技术,在国内燃煤电厂中的装机容量已超过20×104 MW,但是目前对微细颗粒物、汞和SO3等多污染物的脱除能力研究较少.鉴于此,该研究通过对两个电厂中电袋复合除尘器对多污染物的协同脱除效率进行测试试验,着重分析了电袋复合除尘器对多污染物的脱除能力及其相关机理,为今后电袋复合除尘器实现多污染物协同治理提供参考.

1 研究方法 1.1 试验内容

为考察电袋复合除尘器对多污染物的协同脱除效率,对A、B电厂中的电袋复合除尘器脱除多污染物的效率进行测试试验.试验项目包括汞、SO3、烟尘、PM1、PM2.5、PM10共六种污染物的脱除效率.

A电厂中的锅炉设备为220 t/h的循环流化床锅炉,B电厂中的锅炉设备为1 025 t/h的循环流化床锅炉.两家电厂都采用了炉内喷钙的方式进行脱硫,采用选择性非催化还原(SNCR)的方式进行脱硝.

1.2 测试方法及仪器

测试方法及仪器如表 1所示.

表 1 测试方法及测试仪器 Table 1 Measuring methods and measuring instruments of items
1.3 测点位置及试验数据处理

分别在电袋复合除尘器进口和出口布置测点以检测该位置处烟气中的污染物浓度.测试项目中所包含的污染物同时以气态和固态两种形式存在,其中气态污染物均匀分布在烟道中,而固态污染物由于粒径大小不同,导致其受到烟气流场的影响较大,在烟道中分布并不均匀.因此,为保证测试结果更具有代表性,在代表测试断面平均流速的采样通道上进行多点等速采样,以减小烟道中流场的不均匀性给测试结果造成的影响.同时,每次测试共进行三次平行采样,进一步提高测试结果的可靠性.对电袋复合除尘器进口污染物浓度和出口污染物浓度进行测试后,通过式(1) 计算电袋复合除尘器对各种污染物的脱除效率.

$ \eta = \frac{{{C_{\text{i}}} - {C_{\text{o}}}}}{{{C_{\text{i}}}}} \times 100\% $ (1)

式中:η为脱除效率,%;CiCo分别为除尘器进、出口标准状态下干烟气(6% O2)中污染物浓度,mg/m3.

2 结果与讨论 2.1 电袋复合除尘器对烟尘、PM1等颗粒物的协同脱除分析

A、B电厂电袋复合除尘器多污染物脱除效率测试试验结果如表 2所示.

表 2 电袋复合除尘器对多污染物的脱除效率 Table 2 Removal efficiency of pollutants removed by EFIP

表 2可见,电袋复合除尘器对烟尘具有很高的脱除效率,同时对PM1、PM2.5、PM10等细微颗粒物也有较高的捕集效率.与袋式除尘相比,电除尘对细微颗粒物的捕集能力较弱.根据WANG等[10]对各类除尘器脱除烟尘颗粒物的对比研究,静电除尘器的除尘效率随着颗粒物粒径减小而降低,在1 μm处出现最低值91.9%,而电袋复合除尘器对所有粒径颗粒物的脱除效率均在99.9%以上,这与笔者测试结果相符,即使是近年来作为电厂污染物控制最后一道屏障的湿式静电除尘器,也达不到99.9%的微细颗粒物的脱除效果[11].在电袋复合除尘器中,大部分颗粒物在电区被捕集,袋区脱除的基本上是小粒径的颗粒物,这使袋区的粉饼结构上也几乎没有大颗粒的粉尘,比表面积更高.与此同时,这些小粒径的粉尘经过电区时被荷电,到达滤袋表面,由于静电力的影响,同性电荷的粉尘在滤袋表面形成蓬松的粉饼,而布袋除尘器中的粉饼则较为致密(见图 1).这些独特的特点保证了各种粒径烟尘捕集效率超过99%的同时,可有效降低除尘器的阻力,达到节能的效果.

图 1 无荷电粉饼与荷电粉饼状态对比 Figure 1 Comparison of the charged dust and not charged dust on the bag filter
2.2 电袋复合除尘器对汞的协同脱除分析 2.2.1 汞的质量平衡

由于在烟气中汞的含量极低,同时现场取样和分析技术非常复杂,如煤种、负荷、烟气流速、取样误差等不确定性的存在,导致对其进行准确的测量是极其困难的.因此,一般认为汞的质量平衡在70%~130%是可以接受的[12-13].为尽量保证测试结果的可靠性,选取3个平行样进行测试,A、B电厂中电袋复合除尘器汞的质量平衡分析结果如表 3所示.

表 3 A、B电厂中电袋复合除尘器中汞的质量平衡 Table 3 The mass balance of mercury in the EFIP in power plants A and B

测试结果中,高浓度工况下测试结果的最大误差为8.8%,低浓度工况下测试结果的最大误差为22.7%,数据整体平行性良好,符合US EPA method 30B标准要求.由平行测试结果得出的均值对汞的质量平衡进行计算,A、B电厂中电袋复合除尘器前后的汞质量平衡处于70%~130%之间,说明该研究中采用的取样及分析方法是可信的.

2.2.2 电袋复合除尘器对不同状态汞的脱除效率

进入除尘器前的汞根据形态分为零价汞、二价汞与颗粒汞[14],其中零价汞即为单质汞,二价汞的主要表现形式为氯化汞[15-16],二者在除尘器中的状态为气态[17],单质汞具有不溶于水,并且化学性质稳定,平衡蒸汽压高的特点,是最难被现有污染物控制设备脱除的污染物之一[18].该研究统一将单质汞以及二价汞称为气态汞,以存在形式将总汞区分为颗粒汞和气态汞.

表 2可见,电袋复合除尘器对总汞有较高的捕集效率. A、B电厂为循环流化床锅炉,都采用了炉内喷钙的脱硫方式.通常认为循环流化床的燃烧方式可以提高烟气中的颗粒汞含量,降低气态汞含量,炉内较低的温度能够提高二价汞的比例[19].喷入炉内的钙基物质本身即为一种脱汞吸附剂[20-21].赵毅等[22]认为,钙基吸附剂对二价汞具有较强的吸附能力;韩斌杰等[23]认为,飞灰与钙基吸附剂混合后,可通过自身的微孔和表面结构对烟气中的汞进行物理吸附.炉内喷入的钙基吸附剂可进一步提高烟气中颗粒汞在总汞中所占的比例.电袋复合除尘器对颗粒物脱除效率较高,这使其对颗粒态汞的脱除效率也非常高. A、B电厂中电袋复合除尘器对汞的脱除效率都在90%以上,这与烟气中汞的形态组成有极大的关系.为分别考察电袋复合除尘器对气态汞及颗粒汞的脱除效率,对B电厂电袋复合除尘器前、后的汞形态分别进行了检测,结果如表 4所示.

表 4 B电厂电袋复合除尘器前、后汞形态分布及脱除效率 Table 4 The removal efficiency and Hg form of inlet and outlet of EFIP in power plant B

测试结果中,高浓度工况下测试结果的最大误差为4.5%,低浓度工况下测试结果的最大误差为18.9%,数据整体平行性良好,符合US EPA method 30B标准要求.采用平行测试结果的算术平均值对脱除效率进行计算.从表 4中可以看出,在电袋复合除尘器的入口处,颗粒汞在总汞中所占的比例超过97%,电袋复合除尘器对颗粒汞的脱除效率高达99.93%,基本上所有的颗粒汞都被捕集,电袋复合除尘器捕集气态汞的效率也高达86.84%.与井鹏等[1]的研究结果相比较,电袋复合除尘器在脱除颗粒汞的能力上与布袋除尘器相同,但对气态汞的脱除能力,B电厂中的电袋复合除尘器要优于布袋除尘器和静电除尘器.

已有大量研究表明,烟尘对烟气中的汞具有吸附脱除作用[16, 24-25],具体的脱除效率随其成分、含碳量的不同而变化.在电袋复合除尘器的袋区,烟尘聚集在滤袋外形成了粉饼,烟气透过粉饼的过程与透过固定床反应器的过程相同,烟气中的汞透过粉饼,进而被粉饼吸附脱除.在电袋复合除尘器中,滤袋外的粉饼不仅将颗粒汞脱除,同时吸附了一部分的气态汞,使电袋复合除尘器的协同脱汞效率达到了较高水平.由于颗粒汞的脱除效率已达到了99.9%的高水平,如何提高电袋复合除尘器的协同脱汞效率,关键在于提高粉饼对气态汞的吸附能力.

2.3 电袋复合除尘器对气态污染物SO3的协同脱除分析

表 2可见,电袋复合除尘器对SO3的捕集效率超过60%. SO3在除尘器的温度范围内主要的表现形式为H2SO4气体[26-27].试验结果表明,电袋复合除尘器对SO3具有一定的脱除效率.常规静电除尘方式对于气态污染物的脱除效率非常低,因此,袋区完成了脱除以上气态污染物的主要工作.无论是布袋除尘器或者是电袋复合除尘器的袋区,都依赖吸附作用来实现气态污染物的脱除,其中吸附作用包括物理吸附作用和化学吸附作用.

对于物理吸附,被吸附分子的结构越复杂,沸点越高,被吸附的能力就越强.烟气中各组分的沸点如表 5所示.

表 5 烟气中各个组分的沸点 Table 5 Boiling point of each component in flue gas

表 5可见,CO2、NO、O2和N2属于较难被吸附的物质,而Hg、H2SO4、H2O和SO3属于较易被吸附的物质,这与实测的结果相吻合.

在浓度相同的情况下,被吸附分子难易程度排序为Hg>H2SO4>H2O>SO3>NO2>SO2>CO2>NO>O2>N2.而烟气中烟尘本身就可以作为吸附剂使用[28].在锅炉运行过程中,烟气中的Hg、SO3等易被吸附的污染物有部分被吸附在烟尘上,随着烟尘被除尘器捕集,这些污染物也相应被捕集.电袋复合除尘器的优势:烟尘在滤袋表面形成的粉饼具有较大的比表面积,之前未被烟尘吸附的污染物气体在穿透粉饼的过程中,会与粉饼充分接触而被吸附,从而达到污染物深度脱除的目的.

在物理吸附脱除污染物的基础上,化学吸附也同时起着作用.相比于物理吸附,化学吸附更加高效、稳定,作用更加明显.烟尘中所含有的金属碱性氧化物如CaO、Na2O、Fe2O3等对SO3具有一定的化学吸附作用[29-30].气态污染物经过粉饼的过程与透过固定床吸附剂的过程类似,在物理吸附和化学吸附的双重作用下,粉饼将SO3捕集,达到脱除的目的.

在布袋除尘器中,由于烟尘未被荷电,粉饼结构致密,使其比表面积较小.而在电袋复合除尘器中,大部分大颗粒的烟尘都被电区所捕集,其余大部分的小颗粒烟尘被荷电后在滤袋表面形成粉饼,这些烟尘由于同性电荷相互排斥的作用,使粉饼的结构比较蓬松,具有更大的比表面积,这使电袋复合除尘器相比于布袋除尘器在脱除SO3方面更加具有优势.

3 结论

a) 电袋复合除尘器对烟尘具有极高的捕集效率,对脱除难度较大的细微颗粒物如PM1、PM2.5、PM10的脱除效率也达99%以上.

b) 由于电袋复合除尘器对颗粒物具有极高的捕集效率,其对颗粒汞的脱除效率可达99.93%.且由于粉饼的物理吸附作用,使其对气态汞也有较强的脱除效果,在本文条件下,电袋复合除尘器对气态汞的脱除效率达86.84%, 对烟气中总汞的捕集效率达90%以上.

c) 电袋复合除尘器主要依靠滤袋外的粉饼对SO3进行物理和化学吸附,从而对SO3进行脱除,脱除效率达到60%以上.不同燃煤电厂中电袋复合除尘器对SO3的脱除效率不同,捕集效果受到滤袋外粉饼比表面积和烟尘成分等因素的影响.

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