运行条件对耦合电袋除尘性能影响的试验研究

王建朋，段 璐，夏少波，贾东亮

(北京天地融创科技股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

燃煤颗粒物对空气质量和公众健康产生严重的影响。为了减少大气污染，近年来我国政府相继出台一系列针对燃煤颗粒物排放的法规和标准。新版《大气污染防治法》[1]于2016年1月实施并给出全国统一的燃煤颗粒物排放限值，以期减少由燃煤引起的大气污染。为了提升燃煤电厂的室内空气污染物排放量监控水平，《燃煤电厂超低排放和节能改造计划》中要求，到2020年中国全省区域内近6 亿kW燃煤电厂将达到超低排放量[2]。另外，根据《中华人民共和国环境保护法》要求，燃煤设施须按照排放许可制度进行管理，以确保排放达标[3]。总之，中国政府已对燃煤颗粒物排放实施一系列强制性措施，从法规制定、排放标准、改造升级和排放许可等方面对燃煤颗粒物排放进行严格控制。随着日益严苛的排放标准颁布，我国燃煤颗粒物排放治理技术也发展迅速，其中电袋除尘技术作为1款新型除尘技术，既融合静电除尘与布袋除尘的优势，又具备电除尘的有效捕集特性，同时可解决布袋除尘器的滤袋易磨损、更换周期短、气流阻力大等问题，因而近年来电袋除尘器在各种领域得到广泛应用[4-5]。通过中电联发布的《火电厂环保产业登记信息》中数据可知，电厂电袋除尘器的装机量从2016年开始逐年增加，电袋除尘器的装机量至2019年初已占除尘器总装机量的39.62%；另外，华经情报网中发布的《2022年中国除尘设备行业分析》中提及在除尘设备市场中电袋复合式占比最重(占比46%)，其次为占比16%的袋式除尘器[6]。

燃煤电站锅炉行业的排放标准严苛，其污染物排放与控制技术发展到一定程度则会影响并推进工业锅炉污染物排放的技术应用发展。电袋除尘器依靠自身优越的脱除效果，逐渐在燃煤工业锅炉行业中占据市场一席之地，但由于工业锅炉与电站锅炉的应用场景和需求不同，电袋除尘器技术针对工业锅炉的适用性也需通过小型实验或工业试验来深入探讨。其中影响电袋除尘器除尘性能的因素众多，尤其目前工业锅炉系统还普遍采用半干法脱硫与布袋除尘技术用以控制污染物排放，在含尘烟气经过脱硫反应器之后，省煤器出口的颗粒物浓度、成分及其他物理特性会发生很大的变化。脱硫反应器出口的颗粒物物理、化学等特性变化直接影响后续除尘装置的除尘性能[7]。为探讨电袋除尘器结构是否能够满足工业应用，首先需了解工业应用中除尘器的运行条件，由此设计试验系统的运行工况，通过分析其除尘效率及能耗，确定适合的电袋除尘器结构以及在工业锅炉应用环境中的最佳运行工况。

1 实验系统介绍

耦合静电袋除尘实验平台如图1所示，实验系统主要由供料系统、耦合电袋除尘器实验平台、电源系统、测试系统等组成[8-10]。实验用粉尘颗粒物源自某电厂煤粉燃烧机组除尘系统脱除的颗粒物。电源系统采用负极性高压电源，可供电压、电流范围分别为0～20 kV、0～20 mA。颗粒物采样系统主要有采用低压颗粒物撞击器(ELPI)系统，ELPI分级取样结果通过微量天平秤重，计算分级浓度及脱除效率。压力损失测试系统主要采用压差测量仪实时记录试验运行期间的压力损失值。

1—烟气入口；2—供料器变频电机；3—料仓；4—粉尘入口；5—高压电源；6—布风板；7—入口锥体；8—电晕电极；9—压差计；10—滤袋；11—测孔；12—引风机；13—引风机变频控制器；14—烟气出口；15—灰斗；16—取样枪；17—ELPI；18—PM10切割器；19—真空泵图1 耦合静电袋除尘试验平台Fig.1 Coupled electrostatic bag dust removal experimental platform

耦合电袋除尘器试验平台的主体结构由前后两级结构组成，一级结构为单通道静电除尘单元，其中两侧阳极板采用冷轧碳钢薄板(SPCC)，通道中间设置4根电晕电极。二级为嵌入式电袋耦合结构，由4个静电除尘区和3个布袋除尘区交叉结合而成，每个静电除尘区由两块阳极板组成[11]，接近箱体的2块阳极板采用SPCC材质，其余布置在电场区与布袋除尘区交界处的阳极板采用多孔板形式，可避免电区电晕烧毁布袋。

实验过程中也可通过除尘器压差来计算由压力损失带来的能耗，布袋压力损失带来的能耗(Wb，kW·h/m3)的计算办法依据式(1)：

(1)

式中，Q为处理烟气量，m3；A为出口管道的横截面积，m2；v为出口管道风速，m/s；ΔP为滤袋压损，Pa；t为运行时间，s。

实验过程中也可通过实验过程中实时记录的电压电流值，计算电耗(Wd，kW·h/m3)，其计算办法见式(2)。

(2)

式中，U为施加电压，V；I为电晕电流，mA。

处理风量是指单位时期内流过的气体体积流速，其高低体现除尘器对含尘气体的净化处理能力[10]。通常使用断面流量法，通过测量除尘器入口的气流流量，来判断除尘器运行时处理风量的能力，烟气流量(qv，m3/s)的计算办法见式(3)。

qv=vA

(3)

除尘效果是反映除尘器效能的主要指标，除尘效率(η，%)是指含灰尘气体在流过除尘器时被捕集的灰尘浓度与除尘器入口处的灰尘总数的比例，其计算办法见式(4)。

(4)

式中，Q0为入口烟气流量，m3/h；Qi为出口烟气流量，m3/h；C0为入口烟气含尘量，mg/m3；Ci为出口烟气含尘浓度，mg/m3。

3 实验设计与结果讨论

3.1 入口浓度对耦合电袋除尘性能的影响

3.1.1入口浓度实验参数设计

对某基于半干法脱硫技术的煤粉工业锅炉污染物控制系统沿程进行取样测试，对不同测点的浓度变化进行详细分析，为耦合电袋除尘器实验平台入口浓度范围确定提供依据[12-13]。为更好地探讨此实验平台对入口颗粒物浓度的适用区间，需采用不同入口浓度来对除尘器实验平台进行性能评价。

(1)工业测试方法。测试过程中采用3012H 型自动烟尘(气)测试仪[11]，采样办法参照 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》[14]和GB 5468—1991 《锅炉烟尘测试方法》[15]。选取4个位置设置测点，测点分布及采样点在测点断面上的布置如图2所示[12]。

各检测点的烟尘平均流速、平均体积流量、平均烟温和采样时间等技术参数见表1。

表1 各检测点的采样技术参数Table 1 Sampling technical parameters of each time point

采集时对玻纤滤筒进行烘干称重，并通过烟尘采样仪测定所得到的烟尘数量，烟尘粒子含量(C，mg/Nm3)的计算见式(5)。

(5)

式中，g1、g2分别为滤筒的初重、终重，g；Vnd为标况的采样体积，NL。

(2)检测结果。通过称重结果统计得出各测点处的烟气中颗粒物含量，结果如图3所示。测点1～4的颗粒物含量依次为9.90、793.50、92.16、26.72 mg/Nm3。该系统采用旋风分离器和布袋除尘器串联脱除烟气中的颗粒物，旋风分离器除尘效果为88.39%，而布袋除尘器的除尘效果为99.97%，除尘系统的除尘效果达到99.99%。

图3 每个测量点的颗粒浓度Fig.3 Particle concentration at each measurement point

以GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》中基准 O2含量为9% 计算，布袋除尘器进出口颗粒物浓度分别为 54.86、12.69 mg/m3，无法满足颗粒物排放限值 30 mg/m3的要求。以GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》 中基准 O2含量为 6% 计算，布袋除尘器进出口颗粒物浓度分别为 68.57、19.54 mg/m3，无法满足颗粒物超低排放限值 10 mg/m3的要求。

(3)实验系统入口颗粒物浓度范围参数设计。通过改变供料平台电机频率以改变除尘器入口粉尘总质量，若引风机运行频率不变，则除尘器处理烟气流量保持413.7 m3/h左右不变，通过计算便可得不同供料频率下入口颗粒物总浓度，即供料频率10、15、20、25、30、35、40、45、50 Hz所对应的颗粒物浓度分别为32.03、47.15、64.86、84.23、92.37、109.58、118.04、134.68、162.12 g/m3。在实验过程中，除尘器结构采用一级电场3根电极，AHPC区全部电极通电，施加电压为-20 kV。

3.1.2结果与讨论

不同供料频率下除尘器出口颗粒物分级排放浓度结果如图4所示。

图4 不同工况出口采样细颗粒物体积分数分布Fig.4 Distribution of fine particle mass concentration sampled at outlet under different working conditions

图4中除50 Hz 供料频率下出口处颗粒物分级浓度有较明显的波动外，其他几个工况的颗粒物排放分级浓度在 2 μm 左右存在峰值，随着入口浓度的增加则峰值浓度也在增加。在粒径大于 1 μm 的颗粒物分级浓度中，各级排放浓度随着入口浓度的增加而增加。在粒径小于 1 μm 的颗粒物分级浓度中，每个工况颗粒物分级浓度曲线在上升过程中均存在先上升、再下降、后上升的趋势，且中间下降的程度均不相同，其中各个工况出现下降趋势的粒径范围分别为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，上述工况下各粒径范围内谷值排放dM/dlgDp分别为0.015、0.081、0.016、0.051、0.073、0.031、0.137、0.046 mg/m3。

不同入口浓度下在运行过程中产生的压降变化曲线如图5所示。随着运行时间推移压降会一直上升，但不同的工况下压降上升的速率会有所差别。由比较发现，随着入口浓度的增加，压降上升平均速率也越大，主要由于入口浓度越大则进入布袋除尘区的颗粒物总量就越多，颗粒物堆积使得过滤压降也就越大。

图5 不同入口浓度运行过程中压降曲线Fig.5 Pressure drop curve during operation with different inlet concentrations

不同工况下运行过程中电晕电流的变化曲线如图6所示。整体分析图6可知，各个工况随着运行时间的推移，电晕电流会越来越小，下降速率也会由快变缓，主要由于颗粒物电场中被阳极板捕集，灰层越厚电阻越大，电流就越小。

图6 不同入口浓度运行过程中电晕电流变化曲线Fig.6 Corona current variation curve during operation at different inlet concentrations

不同工况下除尘器的出入口浓度比较如图7所示。随着供料频率的增加，入口的颗粒物浓度也随之增加，经过除尘器净化之后，出口处颗粒物排放总浓度随供料频率的增加呈现先上升再下降后上升的趋势，其中在供料频率为25 Hz时，即入口浓度为84.233 g/m3时，出口颗粒物排放浓度出现第1个峰值，其排放浓度为13.07 mg/m3。当供料频率为50 Hz时，排放浓度为37.14 mg/m3，已超出工业锅炉现行的排放标准，其他工况均可满足。当入口颗粒物浓度小于80 g/m3时，排放浓度小于10 mg/m3，可以满足普通地区的超低排放标准。

图7 不同工况出入口颗粒物总浓度Fig.7 Total concentration of particulate matter at the inlet and outlet under different working conditions

各个工况运行过程中产生的能耗比较如图8所示。随着入口浓度的增加，整个过程中由于压差导致逐步增加能耗，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%。相比压降能耗，电耗则呈现下降趋势，而总能耗呈现上升趋势。当入口浓度为162.12 g/m3时，总能耗达到最高值。

图8 除尘器的不同工况能耗Fig.8 Energy consumption under different working conditions

3.2 滤袋过滤风速对实验平台除尘性能的影响

3.2.1滤袋过滤风速实验参数设计

通过引风机运行频率改变除尘器烟气处理量，便可依据烟气流量得到滤料在不同引风机频率下的过滤风速。耦合电袋除尘实验平台在入口浓度为80 g/m3以下时可以达到超低排放，入口浓度超过80 g/m3时无法达到超低排放，入口浓度80 g/m3为此除尘器实验平台的一个临界值，为了更好地探讨高浓度下过滤风速对实验平台除尘性能影响，故将供料浓度提高并控制在80 g/m3左右，此实验运行参数设计数值见表2。

表2 实验运行参数设计数值Table 2 Design values of experimental operating parameters

3.2.2结果与讨论

5种不同过滤风速下除尘器的出口颗粒物分级排放浓度分布如图9所示。不同过滤风速下，在粒径 2 μm 左右颗粒物的排放浓度存在峰值；随着过滤风速的增加，峰值排放dM/dlgDp分别为11.12、13.49、18.10、19.35、22.63 mg/m3。在粒径0.6 μm以上的颗粒物中，每级排放含量会因为过滤速度的增加而增加；在粒径0.6 μm以内的颗粒物中，各个工况在不同的粒径段存在浓度谷值，在该粒径段内分级排放浓度曲线存在先下降再增加的趋势，5个工况存在低谷分级浓度值时分别对应的粒径范围为0.057～0.154、0.057～0.154、0.029～0.093、0.093～0.260、0.154～0.38 μm。随着过滤风速的增加，工况对应的低谷先向小粒径再向大粒径平移。

图9 出口颗粒物分级浓度Fig.9 Grading concentration of particulate matter at the outlet

5种过滤风速下运行过程中的压降曲线如图10所示。

图10 不同过滤风速下压降曲线Fig.10 Pressure drop curve under different filtration wind speeds

由图10可知，随着过滤风速的增加，除尘器运行压降随运行时间则上升速率越来越大，且最终达到的压降也越来越大，最终达到的压降分别为301、520、719、721、1 062 Pa。究其原因主要在于不同的过滤风速下所处理的烟气量也不相同，过滤风速越大则处理烟气量越大，为使除尘器的入口浓度作为实验中的不变量，故也需随之增加入口灰总量。各级电场中的施加电压、比集尘面积不变，理论除尘能力也不会变化，但风速增大，颗粒物在电场中的受力平衡会发生变化；当气流曳力不断增加时，便会增加穿透颗粒物的粒径分布宽度及总量，从而削弱电场的除尘效果；进入布袋除尘区的颗粒物总量增加，灰饼堆积厚度增厚，压降便随之增加。

运行过程中电晕电流的变化曲线如图11所示。

图11 不同过滤风速下电晕电流变化曲线Fig.11 Corona current variation curve under different filtering wind speeds

随着运行时间的推移，每个工况的电晕电流均在减小，产生该种现象的原因在于运行过程中有颗粒物不断被阳极板收集,使得电阻增大而电流减小。

5种过滤风速下除尘器出口排放总浓度如图12所示。随着过滤风速的增加，出口颗粒物排放浓度也随之增加。前2种工况下，颗粒物排放总浓度低于10 mg/m3，符合普通地区的超低排放标准；后3种过滤风速下颗粒物排放浓度高于10 mg/m3。

图12 不同过滤风速出排放总浓度Fig.12 Total concentration of emissions from different filtering wind speeds

该5种过滤风速下总能耗比较如图13所示，在运行过程中，过滤风速为 1.40 m/min 时，电耗最大，约 1.13×10-4kW·h/m3；而当过滤风速为 2.22 m/min 时，布袋压降产生的能耗最大，约1.76×10-4kW·h/m3。总体而言，总能耗随着过滤风速的增大而增加。

图13 不同过滤风速下能耗变化Fig.13 Energy consumption changes under different filtering wind speeds

4 结 论

模拟工业锅炉半干法脱硫与布袋除尘器污染物处理模式下的颗粒物排放特性，依托耦合电袋除尘器实验平台，通过改变耦合电袋除尘器入口颗粒物浓度和耦合电袋除尘器布袋除尘过滤风速，探讨入口浓度及过滤风速对除尘器除尘性能的影响，得到以下结论：

(1)改变除尘器入口颗粒物浓度，其他条件均不变，实验结果发现：随着入口浓度的增加，颗粒物排放浓度也会相应增加，当入口浓度为 162.12 g/m3时，排放浓度超出工业锅炉现行的排放标准；当入口浓度小于 80 g/m3时，颗粒物排放浓度低于10 mg/m3，符合普通地区的超低排放标准。随着浓度的增加，总能耗呈上升趋势。

(2)保持入口浓度、除尘器结构和施加的电压不变，仅改变过滤风速，发现随着过滤风速的增加则除尘器的出口浓度逐渐增加，当过滤风速 ≤1.62 m/min时，出口排放总浓度< 10 mg/m3；当过滤风速 >1.62 m/min 时，排放浓度>10 mg/m3。随着过滤风速的增加则电耗减小，由压降产生的能耗越来越大，2种能耗总和也越来越大。

(3)由于工业锅炉炉膛容积热负荷相对小、负荷变化幅度大、启停频繁且多应用干法/半干法脱硫技术等特点，新型耦合电袋除尘技术若应用于燃煤工业锅炉行业，需参考电站锅炉电袋除尘技术研究进展及经验，探索适合工业锅炉环境的结构和运行条件，并进行经济性分析，评价其适宜性后才方可推广。