220 MW煤粉爐PM2.5濃度排放特性的試驗(yàn)研究

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(1.北京京橋熱電有限責(zé)任公司，北京 100067；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

220 MW煤粉爐PM2.5濃度排放特性的試驗(yàn)研究

馬萬(wàn)軍1,杜謙2,高建民2,趙廣播2,吳少華2

(1.北京京橋熱電有限責(zé)任公司，北京 100067；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文采用荷電低壓撞擊器(ELPI)，通過對(duì)二級(jí)稀釋系統(tǒng)采樣對(duì)某電廠220 MW煤粉鍋爐PM2.5的濃度排放特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，煤粉鍋爐所產(chǎn)生煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度呈較明顯的雙峰分布，小顆粒峰值一般在0.12 μm或0.07 μm，較大顆粒峰值一般在0.76 μm，PM2.5粒數(shù)濃度一般為幾百萬(wàn)粒/cm3，主要取決于由氣化凝結(jié)機(jī)理形成的細(xì)模態(tài)顆粒物PM0.38，PM2.5質(zhì)量濃度呈單峰分布，一般為幾百mg/m3，其質(zhì)量濃度主要取決于由中間模態(tài)顆粒物PM0.38～2.5；采用覆膜濾料的布袋除塵器和電袋聯(lián)合除塵器對(duì)PM2.5具有較好的除塵效果，二電場(chǎng)電袋復(fù)合除塵器出口煙氣中PM2.5最小可達(dá)200 μg/m3，粒數(shù)濃度在幾萬(wàn)粒/cm3；當(dāng)除塵效果較好時(shí)，濕法脫硫裝置出口煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度可能會(huì)有所增加。

煤粉爐；PM2.5；濃度；排放特性

1 試驗(yàn)方法及測(cè)試對(duì)象

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

某大型股份制發(fā)電供熱企業(yè)現(xiàn)有4臺(tái)220 MW燃煤供熱汽輪發(fā)電機(jī)組，采用哈鍋一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架Π 型布置的超高壓鍋爐(鍋爐型號(hào)：HG-670/140-13型)。各煤粉爐采用低氮燃燒器及SCR聯(lián)合脫硝；#1、#3爐采用二電場(chǎng)與三布袋室的電袋聯(lián)合除塵器，#2爐采用一電場(chǎng)與三布袋室的電袋聯(lián)合除塵器，#4爐采用純布袋除塵器(所有鍋爐除塵器均采用覆膜濾料布袋)；采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫，其中#1、#2共用一個(gè)吸收塔，#3、#4分別單獨(dú)建吸收塔。所燒煤種主要為晉煤和蒙煤的混合煙煤，試驗(yàn)期間各鍋爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

1.2 測(cè)試方法

采用二級(jí)稀釋采樣系統(tǒng)(如圖1所示)對(duì)煙氣采樣， 煙氣首先經(jīng)過帶加熱保溫套的PM10預(yù)割器將10 μm以上顆粒切割，然后依次進(jìn)入兩級(jí)稀釋器。兩級(jí)稀釋器通入經(jīng)過濾的干潔空氣對(duì)含塵煙氣進(jìn)行稀釋，一級(jí)稀釋器通入加熱空氣并伴熱保溫，二級(jí)稀釋器常溫稀釋。經(jīng)過稀釋降溫后的煙氣，采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的荷電低壓撞擊器(ELPI)在線分級(jí)測(cè)量煙塵的粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度[1-4]。試驗(yàn)過程中，采用武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司TH-880F自動(dòng)煙塵煙氣分析儀對(duì)煙氣成分進(jìn)行分析。

表1 電廠鍋爐煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

圖1 二級(jí)稀釋采樣系統(tǒng)Fig.1 Two stage dilution sampling system

本實(shí)驗(yàn)采用的ELPI可以測(cè)空氣動(dòng)力學(xué)直徑在0.007～10 μm區(qū)間的顆粒，顆粒進(jìn)入ELPI主機(jī)后，先在一個(gè)靜電場(chǎng)內(nèi)被電暈放電器荷電，然后自上而下通過每一級(jí)沖擊采樣器，通過慣性分離將顆粒按粒徑從大到小分為12級(jí)。各級(jí)收集顆粒平均粒徑分別為：0.021 μm、0.041 μm、0.076 μm、0.13 μm、0.21 μm、0.32 μm、0.50 μm、0.79 μm、1.26 μm、1.99 μm、3.13 μm、6.35 μm。采用ELPI對(duì)PM2.5測(cè)量，只需截取第10至第1級(jí)數(shù)據(jù)即可。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)采樣位置布置如圖2，在鍋爐后除塵裝置前的測(cè)點(diǎn)代表鍋爐產(chǎn)污特性，除塵后和脫硫裝置之后的測(cè)點(diǎn)代表鍋爐排污特性。

圖2 采樣位置布置Fig.2 Arrangement of sampling location

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 煤粉爐除塵前PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度

Where: ra is armature winding; rf is excitation winding;rD is direct-axis damping winding;rQ is cross-axis damping winding; w is electrical angular velocity of rotor.

試驗(yàn)時(shí)，鍋爐負(fù)荷均在額定負(fù)荷(De)的75%以上，各鍋爐出口PM2.2的粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布如圖3(a)和(b)所示。煤粉爐各鍋爐出口的總粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度見表2。煤粉爐鍋爐出口的PM2.5各區(qū)段粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度比例見表3。

由圖3(a)，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度呈較明顯的雙峰分布，小顆粒峰值一般在0.12 μm或0.07 μm，大顆粒峰值峰值一般在0.76 μm，小顆粒粒數(shù)濃度明顯高于大顆粒。參考文獻(xiàn)[5]，小顆粒峰值區(qū)(PM0.38)對(duì)應(yīng)細(xì)模態(tài)形成機(jī)理，即無(wú)機(jī)礦物氣化-凝結(jié)機(jī)理。在燃燒高溫區(qū)，某些礦物質(zhì)發(fā)生氣化，煙氣冷凝時(shí)，這些氣化礦物則通過均相成核和異相凝結(jié)，凝并或聚結(jié)形成細(xì)顆粒。大顆粒峰值區(qū)(PM0.38～2.5)主要由中間模態(tài)機(jī)理形成，即由細(xì)顆粒物外部包裹氣化礦物質(zhì)的凝結(jié)物形成，這些細(xì)顆粒物主要來源于煤粒燃燒過程中表面破碎形成的碎片燃燒后所包含的內(nèi)在礦物質(zhì)熔融聚合形成的顆粒物、外在礦物質(zhì)細(xì)顆粒、外在礦物質(zhì)破碎形成的細(xì)顆粒物及單個(gè)細(xì)微煤粒燃燒后形成的細(xì)灰粒[6]。

圖3 煤粉爐除塵前PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布Fig.3 Number and mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler before dust collector

圖4 煤粉爐除塵后PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布Fig.4 Number and mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler after dust collector

圖5 煤粉爐脫硫前后PM2.5粒數(shù)及質(zhì)量濃度分布Fig.5 Number and Mass concentration distribution of PM2.5 of pulverized coal boiler after desulfurization

由表3可知，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度為幾百萬(wàn)粒/cm3。由表4知，PM10粒數(shù)濃度主要取決于PM2.5,PM2.5粒數(shù)占PM10 99.5%以上；PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于PM1.0，更直接取決于0.38 μm 以下的小顆粒(PM0.38)。PM1.0粒數(shù)占PM2.5 98%以上，PM0.38粒數(shù)占PM2.5 96%以上。通常認(rèn)為PM0.38主要由礦物質(zhì)氣化凝結(jié)機(jī)理形成，即煤粉爐PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于礦物質(zhì)氣化凝結(jié)機(jī)理形成的細(xì)模態(tài)顆粒物。

由圖3(b)，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度在0.12 μm或0.2 μm附近有一峰值。由表3知，220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度為幾百mg/m3。由表4知，PM0.38質(zhì)量濃度占PM2.5質(zhì)量濃度比例很小，一般小于5%,PM2.5質(zhì)量濃度主要取決于PM0.38～2.5，即PM2.5質(zhì)量濃度主要中間模態(tài)顆粒物。

2.2 煤粉爐除塵后PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度

試驗(yàn)時(shí)，鍋爐負(fù)荷均在75%De以上，各鍋爐除塵器后PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度分布見圖4(a)和(b)。煤粉爐各除塵器出口的總粒數(shù)和質(zhì)量濃度見表3。煤粉爐鍋爐出口的PM2.5各區(qū)段粒數(shù)和質(zhì)量濃度比例見表4。煤粉爐除塵器PM2.5總粒數(shù)和質(zhì)量脫除效率見表2。

表2 煤粉爐除塵器PM2.5總粒數(shù)和質(zhì)量脫除效率

由圖4(a)經(jīng)過除塵設(shè)施后，PM2.5粒數(shù)濃度基本上仍然呈雙峰分布，且各級(jí)顆粒的粒數(shù)濃度均有大幅下降。由表3，220 MW煤粉鍋爐除塵后煙氣中PM2.5的粒數(shù)濃度為幾萬(wàn)粒/cm3。由表2，各除塵器的顆粒數(shù)除塵效率均較高，達(dá)到99.2%以上。由表4可看出， PM0.38粒數(shù)占PM2.5粒數(shù)在97%以上；而PM1.0所占PM2.5比例及PM0.38所占PM2.5比例均有所增加，說明除塵器對(duì)較細(xì)顆粒物的脫除效果相對(duì)較差。

由圖4(b)經(jīng)過除塵設(shè)施后，PM2.5的質(zhì)量濃度仍呈單峰分布，由表3知，220 MW煤粉爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度在幾百μg/m3；由表2，各除塵器質(zhì)量除塵效率均較高，達(dá)到99.8%以上，#3鍋爐采用兩電場(chǎng)及覆膜濾料布袋復(fù)合的電袋除塵器除塵效率達(dá)到99.93%，出口濃度在200 μg/m3以下。由表4知，PM2.5質(zhì)量濃度仍主要取決于PM0.38～2.5，PM0.38～2.5質(zhì)量濃度占PM2.5質(zhì)量濃度一般在95%以上。

由表2，各除塵器對(duì)PM2.5的除塵效果通過對(duì)比分析可看出，二電場(chǎng)電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于一電場(chǎng)電袋聯(lián)合除塵器，一電場(chǎng)電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于布袋除塵器(#2鍋爐、#3鍋爐和#4鍋爐除塵器后的PM2.5排放濃度分別為431 μg/Nm3、168 μg/Nm3、597 μg/Nm3)[7-8]。

2.3 煤粉爐脫硫后PM2.5粒數(shù)和質(zhì)量濃度

煤粉爐石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置出口的PM2.5粒數(shù)濃度分布見圖5(a)和(b)，PM2.5總粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度見表3，PM2.5各區(qū)段粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度比例見表4。

表3 煤粉爐各測(cè)點(diǎn)PM2.5總粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度

由圖5(a)和(b)，煤粉爐濕法煙氣脫硫裝置出口煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度分布峰值不明顯；由表3可看出，脫硫裝置后PM2.5的顆粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度可能有所增加，也可能有所下降，分析認(rèn)為一方面脫硫塔對(duì)PM2.5各級(jí)顆粒有一定脫除效果，使得PM2.5濃度有所下降，同時(shí)可能是由于濕法脫硫噴淋塔內(nèi)除霧器不可能去除所有的霧滴(要求15 μm以上的霧滴低于75 mg/m3)，這種小霧滴在GGH內(nèi)被烘干，小霧滴內(nèi)的固體顆粒被干燥和水溶性物質(zhì)結(jié)晶析出，從而造成PM2.5各級(jí)顆粒濃度有所上升。這兩者的影響，從而造成了脫硫裝置后PM2.5總的粒數(shù)和質(zhì)量濃度可能有所增加，也可能有所下降[9-10]。

表4 煤粉爐各位置不同粒徑范圍顆粒粒數(shù)和質(zhì)量百分含量

3 結(jié)論

(1)220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5粒數(shù)濃度呈較明顯的雙峰分布，小顆粒峰值在0.12 μm或0.07 μm，大顆粒峰值在0.76 μm，小顆粒區(qū)顆粒濃度明顯高于大顆粒區(qū)；PM2.5粒數(shù)濃度一般為幾百萬(wàn)粒/cm3，PM0.38粒數(shù)占PM2.5粒數(shù)96%以上，煤粉爐PM2.5粒數(shù)濃度主要取決于由氣化凝結(jié)機(jī)理形成的細(xì)模態(tài)顆粒PM0.38。

(2)220 MW煤粉鍋爐產(chǎn)生的PM2.5質(zhì)量濃度在0.12 μm或0.2 μm附近出現(xiàn)一峰值， PM2.5質(zhì)量濃度一般為幾百mg/m3。0.38～2.5 μm之間顆粒物占PM2.5質(zhì)量95%以上，PM2.5的質(zhì)量濃度主要取決于中間模態(tài)顆粒。

(3)采用覆膜濾料的布袋除塵器和電袋聯(lián)合除塵器對(duì)PM2.5有較好的除塵效果，二電場(chǎng)電袋復(fù)合除塵器出口的PM2.5最小可達(dá)200 μg/m3以下，粒數(shù)濃度為幾萬(wàn)粒/cm3。各除塵器對(duì)PM2.5除塵效果對(duì)比為二電場(chǎng)電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于一電場(chǎng)電袋聯(lián)合除塵器，一電場(chǎng)電袋聯(lián)合除塵器優(yōu)于布袋除塵器。

(4)當(dāng)除塵器具有較好除塵效果時(shí)，煤粉爐濕法煙氣脫硫裝置出口煙氣中PM2.5粒數(shù)濃度和質(zhì)量濃度可能會(huì)有所增加，這是由于吸收塔溢出霧滴蒸干后，造成PM2.5各級(jí)顆粒濃度有所上升引起的。

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ExperimentStudyonPM2.5ConcentrationEmissionCharacteristicsof220MWPulverizedCoalBoilers

MA Wan-jun1,DU Qian2,GAO Jian-min2,ZHAO Guang-bo2,WU Shao-hua2

(1.Beijing Jingqiao Thermal Power Co., Ltd., Beijing 100067,China;2.School of Energy Science and Technology, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

PM2.2 concentration emission characteristics of 220 MW pulverized coal Boilers was studied by two stage dilution sampling system and electrical low pressure impactor(ELPI). The study results show that the number concentration size distributions of PM2.5 made by boilers present double peaks with smaller particle peak 0.12 μm or 0.07 μm and bigger particle peak 0.76 μm, and the number concentrations are about millions per cm3, which depends on the smaller particles(PM0.38) made by mineral gasification and condensation. The mass concentration size distributions of PM2.5 made by boilers present single peaks, and the mass concentrations are about hundreds mg per cm3, and it depends on the bigger particles(PM0.38～2.5). Better removal efficiency of PM2.5 can be achieved by bag filter and electrostatic fabric filter which are made by membrane complex fabric.The mass concentration of PM2.5 in flue gas after electrostatic fabric filter with two electric fields can be less than 200 μg per m3, and the number concentrations are about tens of thousand per cm3. The mass concentrations and number concentrations of PM2.5 in flue gas after wet flue gas desulfurization system are perhaps increased for better dust removal efficiency.

pulverized coal Boiler; PM2.5; concentration; emission characteristics

2013-11-19修訂稿日期2014-01-20

國(guó)家環(huán)保公益性行業(yè)科研經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(201009006);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(HIT NSRIF.2013095)

馬萬(wàn)軍，男，碩士，高級(jí)工程師。

TK16

A

1002-6339 (2014) 02-0103-05