超低排放机组湿式电除尘器多污染物减排及能效测试研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21055

超低排放机组湿式电除尘器多污染物减排及能效测试研究

刘含笑, 郭高飞, 陈招妹

浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江省诸暨市 311800

Study on WESP Multi-pollutant Emission Reduction and Energy Efficiency Test of Ultra-low Emission Unit

LIU Hanxiao, GUO Gaofei, CHEN Zhaomei

Zhejiang Feida Environmental Science & Technology Co. , Ltd. , Zhuji 311800, Zhejiang Province, China

收稿日期: 2022-02-28

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2016YFC0209107

Received: 2022-02-28

作者简介 About authors

刘含笑(1987)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力环保技术研发工作，gutounan@163.com；

郭高飞(1987)，男，工程师，主要从事气力输送技术设计及相关环保技术研发工作；

陈招妹(1969)，女，硕士，教授级高级工程师，研究方向为湿式电除尘器、工业烟气重金属及SO3脱除技术等。

摘要

湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP)是燃煤烟气治理的精处理设备，以某660 MW超低排放机组配套金属板式湿式电除尘器为研究对象，对湿式电除尘器的多污染物脱除性能和能效参数开展系统测试研究和分析。湿式电除尘器对颗粒物、雾滴、SO₃和Hg的脱除效率分别为81.12%、75.60%、76.13%、53.08%，电耗为402.6 (kW·h)/h，满足设计要求。各污染物排放质量浓度分别为4.20、17.25、9.80、4.08×10^-4 mg/m³，排放因子分别为13.76、56.49、32.10、1.34×10^-3 g/(kW·h)，比电耗为1.48×10^-4 (kW·h)/m³，单位质量颗粒物脱除能耗为22.87 (kW·h)/kg，均处于行业平均水平。研究结果可为燃煤电厂后续污染物减排和能效控制提供借鉴。

关键词： 湿式电除尘器(WESP) ; 燃煤电厂 ; 污染物减排 ; 脱除效率 ; 能效指标

Abstract

Wet electrostatic precipitator (WESP) is a fine treatment equipment for the treatment of coal flue gas. Taking a 660 MW ultra-low emission unit as the research object, the multi-pollutant removal performance and energy efficiency parameters of WESP were tested and analyzed systematically. The removal efficiencies of particulate matter, fog drop, SO₃ and Hg of WESP were 81.12%, 75.60%, 76.13% and 53.08%, respectively, and the power consumption was 402.6 (kW·h)/h, which met the design requirements. The emission mass concentration of each pollutant were 4.20, 17.25, 9.80, 4.08×10^-4 mg/m³, respectively, the emission factors were 13.76, 56.49, 32.10, 1.34×10^-3 g/(kW·h),respectively, the specific power consumption was 1.48×10^-4 (kW·h)/m³.The energy consumption for particle removal per unit mass was 22.87 (kW·h)/kg, which was in the industry average level. This study can provide reference for the subsequent pollutant reduction and energy efficiency control of coal-fired power plants.

Keywords： wet electrostatic precipitator (WESP) ; coal-fired power plant ; pollutant emission reduction ; removal efficiency ; indicators of energy efficiency

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本文引用格式

刘含笑, 郭高飞, 陈招妹. 超低排放机组湿式电除尘器多污染物减排及能效测试研究. 发电技术[J], 2023, 44(1): 94-99 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21055

LIU Hanxiao, GUO Gaofei, CHEN Zhaomei. Study on WESP Multi-pollutant Emission Reduction and Energy Efficiency Test of Ultra-low Emission Unit. Power Generation Technology[J], 2023, 44(1): 94-99 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21055

0 引言

作为燃煤烟气治理的精处理设备，湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP)不仅可以实现烟尘超低排放，还可以协同脱除多种污染物，在燃煤电厂超低排放改造中具有重要作用。赵磊等^[1]对300 MW机组湿式电除尘器进行测试分析，除尘效率超过88%，烟气中颗粒物的质量浓度由16.1 mg/m³降至1.8 mg/m³；刘玺璞等^[2]使用ELPI+对多种负荷下湿式电除尘器进行测试实验，发现低负荷下湿式电除尘器采用节能模式会导致总烟尘排放浓度显著升高，但PM₁₀浓度变化不显著，节能模式时2~10 μm颗粒占PM₁₀质量比例超50%；杜振等^[3]对26台超低排放机组湿式电除尘器进出口颗粒物排放情况进行测试分析，湿式电除尘器出口PM_2.5占总尘的比重较入口平均增加了13.76%，出口主要为粒径小于2.5 μm的颗粒物；刘含笑等^[4]研究发现，湿式电除尘器对SO₃具有较高的脱除率，金属板式湿式电除尘器脱除率多在50%~80%，导电玻钢管式湿式电除尘器脱除率多在60%~90%。

上述研究对湿式电除尘器的能效参数研究较少，本研究以某660 MW超低排放机组配套金属板式湿式电除尘器为研究对象，对湿式电除尘器的多污染物脱除性能和能效参数开展系统研究和分析，旨在为后续污染物减排和能效控制提供借鉴。

1 湿式电除尘器系统简介

该660 MW超低排放机组尾部烟气治理流程如图1所示。锅炉为DG-1900/25.4-II1型超临界、一次再热、固态排渣变压直流锅炉，尾部烟气配选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)脱硝装置、双室五电场干式电除尘器(末电场为旋转电极)、石灰石-石膏湿法脱硫装置、湿式电除尘器。设计煤种和试验煤种的煤质分析数据如表1所示，湿式电除尘器的基本设计参数如表2所示。

图1

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图1 工艺流程图

Fig. 1 Diagram of process flow

表1 煤质分析数据

Tab.1 Analysis data of coal quality

项目	参数	设计煤种	试验煤种
工业分析	收到基水分质量分数M_ar/%	7.48	8.80
	收到基灰分质量分数A_ar/%	24.61	26.27
	干燥无灰基挥发分质量分数V_daf/%	15.70	18.18
	收到基低位发热量Q_net，ar/(MJ/kg)	22.97	21.75
	可磨性系数K_YT1	1.585	—
元素分析	收到基碳质量分数C_ar/%	60.4	56.78
	收到基氢质量分数H_ar/%	2.89	2.90
	收到基氧质量分数O_ar/%	3.07	3.47
	收到基氮质量分数N_ar/%	0.87	0.94
	收到基硫质量分数S_ar/%	0.68	0.84

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表2 湿式电除尘器主要设计参数

Tab. 2 Main design parameters for WESP

参数	数值
入口烟气量/(m³/s)	802.8
入口烟气温度/℃	50
出口烟气温度/℃	49
入口烟尘质量浓度/(mg/m³)	≤25
设计除尘效率/%	≥80
入口雾滴质量浓度/(mg/m³)	≤75
设计雾滴脱除效率/%	≥75
入口SO₃质量浓度/(mg/m³)	≤50
设计SO₃脱除效率/%	≥70
设计Hg脱除效率/%	≥50
流通面积/m²	2×149
烟气流速/(m/s)	2.7
极间距/m	0.3
总集尘面积/m²	8741
比集尘面积/[m²/(m³/s)]	10.9

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2 测试研究过程

在额定工况下对湿式电除尘器开展测试研究，测点布置如图1所示，湿式电除尘器进口采样点布置在湿法脱硫出口水平烟道上，烟道截面积为9.5×6.2 m²，烟道顶部布置了10个侧孔，共计10×5=50个采样点；湿式电除尘器出口采样点布置在烟囱入口水平烟道上，烟道截面积为10.5×5.5 m²，烟道顶部布置了6个侧孔，共计6×5=30个采样点。实验期间工况稳定(稳定在604 MW)，煤种无变化，制粉系统设置固定，配风方式一定，且锅炉不打焦、不吹灰等。

使用的主要测试仪器如表3所示。烟气温度、烟气量、含氧量、烟气压力及烟尘采样均采用青岛崂应的3012H平行自动型烟尘采样仪，其中烟尘采样需开展空白实验，空白实验值不超过测试期间颗粒物浓度限值的10%，且试验期间采样用滤筒收集的颗粒物增重需超过空白样品质量偏差正值的5倍；用冷凝法采集烟气中的雾滴，并定时取样脱硫塔浆液，分析雾滴和浆液中镁离子浓度；采用控制冷凝法采集烟气中SO₃，采用去离子水对冷凝盘管进行清洗，采用紫外可见光分光光度计对硫酸根浓度进行测定，正式采样时首先采用三级冷凝盘管进行采样，若第三级盘管分析不到硫酸根，统一换用双级盘管；采用30B法采集烟气中气态总Hg，然后用RA-915F分析仪及活性炭吸附管中的Hg进行测定分析，用以计算烟气中总Hg浓度，气态Hg样品吸附在活性炭中，本次试验采用两段式活性炭吸附管，第二段用于判定样品是否失效(透率≤10%)；在湿式电除尘器二次回路安装功率计进行耗电量测量。测试方法符合GB 13931—2017、HJ 917—2017、GB/T 16157—1996等相关标准规定和湿式电除尘器性能测试相关要求^[5-13]。

表3 试验仪器

Tab. 3 Test instruments

型号名称	型号	厂家
大气压力表	Testo 622	—
烟尘采样仪	3012H	青岛崂应
紫外可见光分光光度计	Hach DR5000	哈希
高温烟气采样枪	ZR-D03A	青岛众瑞
电子天平	AE-100	瑞士梅特勒
汞分析仪	RA-915F	鲁梅克斯
烟气汞综合采样器	ZR-3700A	青岛众瑞

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3 测试结果及分析

3.1 污染物减排

在600 M稳定工况时开展测试，湿式电除尘器进口烟气量为271.84×10⁴ m³/h，出口烟气量为274.22×10⁴ m³/h，换算成标准干烟气量分别为197.58×10⁴、197.81×10⁴ m³/h，通过标准干烟气量计算，得到湿式电除尘器漏风率为0.12%，满足≤0.2%的设计要求；阻力测试结果为431 Pa，满足≤450 Pa的设计要求。

各参数的测定均采用多次测定计算平均值的方式来提高数据的准确性和可靠性。以湿式电除尘器出口颗粒物浓度为例开展空白实验，并验证实验期间采样用滤筒收集的颗粒物增重是否超过空白样品质量偏差正值的5倍。经测定，滤筒样品增重、空白实验值及换算质量浓度数据如图2所示。滤筒的空白实验值为-0.1~0.2 mg，最大正值的5倍为1 mg，而实际采样的增重是3.6~5.7 mg，均远超空白实验要求。经换算，湿式电除尘器出口颗粒物质量浓度在3.91~4.69 mg/m³，平均值为4.23 mg/m³。

图2

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图2 滤筒测试结果

Fig. 2 Test results of filter cartridge

湿式电除尘器进出口的氧质量分数均为5.7%，过量空气系数均为1.37，经测试及换算，湿式电除尘器颗粒物、雾滴、SO₃和Hg的进出口质量浓度(标况、干基，氧质量分数为6%)及脱除效率如表3所示，颗粒物排放满足超低排放要求，对各污染物的脱除效率分别为81.12%、75.60%、76.13%、53.08%，均满足设计要求。

表3 污染物减排效果

Tab. 3 Emission reduction effect of pollutants

污染物	质量浓度/(mg/m³)		脱除效率/%
污染物	进口	出口	脱除效率/%
颗粒物	22.24	4.20	81.12
雾滴	70.70	17.25	75.60
SO₃	41.06	9.80	76.13
气态总Hg	8.70×10^-4	4.08×10^-4	53.08

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计算各污染物的单位发电量排放浓度，以客观评价其排放水平，计算公式为

N_{i} = \frac{C_{i} \times Q}{M} \times 10^{- 3}

(1)

式中：N_i 为污染物i的排放因子，g/(kW·h)；C_i 为污染物i的排放浓度，mg/m³；Q为湿式电除尘器出口烟气量，m³/h；M为机组对应的发电容量，此处为604 MW。

经计算，湿式电除尘器出口颗粒物、雾滴、SO₃和Hg的排放因子分别为13.76、56.49、32.10、1.34×10^-3 g/(kW·h)，其中，颗粒物排放因子与文献[3]研究结果相符(10~20 g/(MW·h))，远低于超低改造前未使用湿式电除尘器的排放值(国内45.9~134.8 g/(MW·h)^[14]，国外39~118 g/(MW·h)^[15])，Hg的排放明显低于文献所述超低排放机组的平均水平^[16-18]。

3.2 能效参数

在湿式电除尘器变压器二次回路安装功率计进行电耗测量，经测试，试验期间的平均值为402.6 kW·h /h，满足设计要求(≤650 kW·h/h)。计算湿式电除尘器比电耗，用于评价其效能水平，计算公式为

= \frac{W}{Q'}

(2)

式中：λ为湿式电除尘器的比电耗，kW·h/m³；W为湿式电除尘器单位时间的电耗，kW·h/h；Q'为电除尘器进口烟气量，此处为271.84×10⁴ m³/h。

经计算，该湿式电除尘器比电耗为1.48×10^-4 kW·h/m³，基本处于文献[8]所述的平均水平(1.5×10^-4 kW·h/m³)，文献[8]所述的金属板式湿式电除尘器电耗及比电耗统计如图2所示，电耗在81.2~611 kW·h/h，平均值为316.9 kW·h/h，比电耗在0.68×10^-4~2.4×10^-4 kW·h/m³，平均值为1.5×10^-4 kW·h/m³，本项目的电耗和比电耗值如图3中蓝线所示，均处在平均值附近。

图3

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图3 金属板式湿式电除尘器电耗及比电耗统计

Fig. 3 Power consumption and specific power consumption statistics of metal plate WESP

为进一步评价脱除单位质量颗粒物所消耗的电耗，计算颗粒物脱除能耗，计算公式为

= \frac{W \times Q'}{C_{P M 1} - C_{P M 2}} \times 10^{6}

(3)

式中：Ω为湿式电除尘器的颗粒物脱除能耗，kW·h/kg；C_PM1、C_PM2分别为湿式电除尘器进出口的颗粒物质量浓度，mg/m³；Q'为湿式电除尘器进口烟气量，此处为97.58×10⁴ m³/h。

经计算，试验期间该项目湿式电除尘器的单位质量颗粒物脱除能耗为22.87 kW·h/kg，与文献[3]研究结果相符。

4 结论

1）在污染物减排方面，该660 MW机组湿式电除尘器对颗粒物、雾滴、SO₃和Hg的脱除效率分别为81.12%、75.60%、76.13%、53.08%，均满足设计要求，各污染物排放质量浓度分别为4.20、17.25、9.80、4.08×10^-4 mg/m³，排放因子分别为13.76、56.49、32.10、1.34×10^-3 g/(kW·h)。

2）在能效参数方面，该660 MW机组湿式电除尘器试验期间的电耗平均值为402.6 kW·h/h，满足设计要求，比电耗为1.48×10^-4kW·h/m³，单位质量颗粒物脱除能耗为22.87 kW·h/kg，处于行业平均水平。

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超低排放机组湿式电除尘器颗粒物脱除特性分析

2020

... 经计算，湿式电除尘器出口颗粒物、雾滴、SO₃和Hg的排放因子分别为13.76、56.49、32.10、1.34×10^-3 g/(kW·h)，其中，颗粒物排放因子与文献[3]研究结果相符(10~20 g/(MW·h))，远低于超低改造前未使用湿式电除尘器的排放值(国内45.9~134.8 g/(MW·h)^[14]，国外39~118 g/(MW·h)^[15])，Hg的排放明显低于文献所述超低排放机组的平均水平^[16-18]. ...

... 经计算，试验期间该项目湿式电除尘器的单位质量颗粒物脱除能耗为22.87 kW·h/kg，与文献[3]研究结果相符. ...

超低排放机组湿式电除尘器颗粒物脱除特性分析

2020

... 经计算，试验期间该项目湿式电除尘器的单位质量颗粒物脱除能耗为22.87 kW·h/kg，与文献[3]研究结果相符. ...

燃煤电厂SO₃排放特征及其脱除技术

2019

燃煤电厂SO₃排放特征及其脱除技术

2019

燃煤电厂 WESP颗粒物脱除机制及排放特征研究

2017

... 使用的主要测试仪器如表3所示.烟气温度、烟气量、含氧量、烟气压力及烟尘采样均采用青岛崂应的3012H平行自动型烟尘采样仪，其中烟尘采样需开展空白实验，空白实验值不超过测试期间颗粒物浓度限值的10%，且试验期间采样用滤筒收集的颗粒物增重需超过空白样品质量偏差正值的5倍；用冷凝法采集烟气中的雾滴，并定时取样脱硫塔浆液，分析雾滴和浆液中镁离子浓度；采用控制冷凝法采集烟气中SO₃，采用去离子水对冷凝盘管进行清洗，采用紫外可见光分光光度计对硫酸根浓度进行测定，正式采样时首先采用三级冷凝盘管进行采样，若第三级盘管分析不到硫酸根，统一换用双级盘管；采用30B法采集烟气中气态总Hg，然后用RA-915F分析仪及活性炭吸附管中的Hg进行测定分析，用以计算烟气中总Hg浓度，气态Hg样品吸附在活性炭中，本次试验采用两段式活性炭吸附管，第二段用于判定样品是否失效(透率≤10%)；在湿式电除尘器二次回路安装功率计进行耗电量测量.测试方法符合GB 13931—2017、HJ 917—2017、GB/T 16157—1996等相关标准规定和湿式电除尘器性能测试相关要求^[5-13]. ...

燃煤电厂 WESP颗粒物脱除机制及排放特征研究

2017

Highly efficient removal of sulfuric acid aerosol by a combined wet electrostatic precipitator

2016

燃煤电厂电除尘器能效评测

2017

燃煤电厂电除尘器能效评测

2017

湿式电除尘器排放特征及高效能指标研究

2019

... 经计算，该湿式电除尘器比电耗为1.48×10^-4 kW·h/m³，基本处于文献[8]所述的平均水平(1.5×10^-4 kW·h/m³)，文献[8]所述的金属板式湿式电除尘器电耗及比电耗统计如图2所示，电耗在81.2~611 kW·h/h，平均值为316.9 kW·h/h，比电耗在0.68×10^-4~2.4×10^-4 kW·h/m³，平均值为1.5×10^-4 kW·h/m³，本项目的电耗和比电耗值如图3中蓝线所示，均处在平均值附近. ...

... )，文献[8]所述的金属板式湿式电除尘器电耗及比电耗统计如图2所示，电耗在81.2~611 kW·h/h，平均值为316.9 kW·h/h，比电耗在0.68×10^-4~2.4×10^-4 kW·h/m³，平均值为1.5×10^-4 kW·h/m³，本项目的电耗和比电耗值如图3中蓝线所示，均处在平均值附近. ...

湿式电除尘器排放特征及高效能指标研究

2019

湿式电除尘器性能测试方法及排放特征研究

2018

湿式电除尘器性能测试方法及排放特征研究

2018

Study on the mercury captured by mechanochemical and bromide surface modification of coal fly ash

2017

电荷法测试WESP进出口烟气中PM_2.5的试验研究

2014

电荷法测试WESP进出口烟气中PM_2.5的试验研究

2014

低低温电除尘系统对SO₃脱除性能研究

2022

低低温电除尘系统对SO₃脱除性能研究

2022

Field measurements on the emission and removal of PM_2.5 from coal-fired power stations：4 PM removal performance of wet electrostatic precipitators

2016

基于实测的燃煤电厂细颗粒物排放特性分析与研究

2011

基于实测的燃煤电厂细颗粒物排放特性分析与研究

2011

The rates of emissions of fine particles from some Canadian coal-fired power plants

2006

燃煤电厂烟气中Hg的生成、治理、测试及排放特征研究火电厂

2019

燃煤电厂烟气中Hg的生成、治理、测试及排放特征研究火电厂

2019

Using modified fly ash for mercury emissions control for coal-fired power plant applications in China

2016

Trace element (Hg，As，Cr，Cd，Pb) distribution and speciation in coal-fired power plants

2017

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