赵 亮，刘平元

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

近年来中国大力治理燃煤电站粉尘排放问题，出台了严格的排放标准，要求电厂按计划开展超低排放改造(粉尘排放质量浓度低于10 mg/m3或5 mg/m3)[1]，以缓解和控制国内的雾霾现象。

目前，大型燃煤电站普遍采用干式静电除尘器用以控制粉尘排放，其对粉尘的脱除效率在99%以上，使粉尘排放质量浓度在50～100 mg/m3 [2]。然而，经干式静电除尘器处理后烟气中所含粉尘主要为可吸入颗粒物(PM10)，常规方法对其脱除难度大。近年来在湿法脱硫后增设湿式静电除尘器，可有效捕集烟气中的PM10。利用湿式静电除尘器脱除粉尘，协同脱硫、脱硝的工艺，已被应用在电厂超低排放改造中[3-5]。

研究表明：电场电压、烟气流速、粉尘特性、温度、湿度、气流均布性、极配形式、清灰方式等对湿式静电除尘器性能均有显著影响[6-8]。烟气流速既影响除尘效率，又影响集尘面积，进而影响工程造价。因此，选择合适的烟气流速对于湿式静电除尘器的设计至关重要。

笔者利用实际燃煤机组配套的立式管式湿式静电除尘器作为研究对象，重点考察烟气流速变化对湿式静电除尘器脱除PM10性能的影响，以获得烟气流速对PM10脱除效果的影响规律，为实际工程设计中湿式静电除尘器内烟气流速的选择提供参考依据。

1 烟气流速影响分析

以管式湿式静电除尘器为例，根据多依奇公式[2]可获得颗粒物脱除效率为：

η=1-exp(-2Lω/Rv)

(1)

式中：η为除尘器的粉尘脱除效率；L为除尘器的极管长度；ω为粉尘有效趋进速度；R为除尘器极管半径；v为烟气流速。

从式(1)可以看出：在其他参数不变的情况下，烟气流速与脱除效率呈负相关关系，即烟气流速越低，颗粒物脱除效率越高。然而，在实际工程应用中，受造价、结构等因素制约，烟气流速的选取受到一定限制。

趋进速度是尘粒在电场力、黏滞力等多种作用力下向收尘极的运动速度。湿式静电除尘器的伏安特性、粉尘的物理性质、烟气粉尘质量浓度、电晕闭塞、反电晕、气流均匀性、烟气流速等均会影响趋进速度，其中很多因素对于特定烟气、特定湿式除尘器结构而言难以改变。然而，流速过高可在除尘器内形成强紊流，对于细颗粒物，在强紊流的作用下极易产生悬浮扩散和二次扬尘，影响趋进速度。另外，气流速度的增加还会导致极线周围飞灰和电荷量降低，从而降低趋进速度。

综上，烟气流速可影响湿式静电除尘器的流场均匀性、趋进速度、荷电强度等；同时，湿式静电除尘器由于极板、极线材料造价高，阴阳极及其附属系统占工程造价的60%以上。因此，笔者进行了管式湿式静电除尘器在不同烟气流速下对PM10脱除性能的研究。

2 试验系统

2.1 试验机组

试验机组为260 t/h循环流化床锅炉，50 MW汽轮发电机组，配备一套选择性非催化还原(SNCR)烟气脱硝装置+干式静电除尘器+石灰石-石膏湿法全烟气脱硫装置+湿式静电除尘器。测试过程中，机组负荷始终保持稳定，烟气体积流量约为3 500 000 m3/h。

2.2 湿式静电除尘器

该试验采用的湿式静电除尘器为管式立式，其阳极采用蜂窝管，阴极为鱼骨形铅锑合金阴极线，电源为工频高压恒流源。湿式静电除尘器布置于脱硫塔与烟囱之间，烟气经脱硫塔流出后进入湿式静电除尘器，烟气流向自上而下，处理后的烟气最终经烟囱排放至大气。

2.3 试验系统

试验系统图见图1。湿式静电除尘器进出口设置有完全隔断的旁路烟道，通过调整烟道挡板门A和B可以调整进入湿式静电除尘器的烟气量，从而实现对电场内烟气流速的调节。由于尾部烟道为负压，因此旁路烟道烟气并不会倒流至湿式静电除尘器出口，不会对测试结果造成干扰。

图1 试验系统图

该试验恒流源基于二次电流为780 mA的额定工况下，试验中除烟气流速变化外，其他参数保持稳定。烟气取样测点为湿式静电除尘器进出口烟道上的测点1和测点2(见图1)。

2.4 测试系统

PM10数量及质量浓度分布测量采用了芬兰Dekati公司生产的静电低压撞击器(ELPI)实时在线测量；该仪器可测试粒径在0.023～9.314 μm，是目前测试烟气中细颗粒浓度与粒径分布最常用的仪器设备。测试中，烟气依次进入采样枪、旋风分离器，并由旋风分离器脱除空气动力学直径大于10 μm的颗粒，然后与经净化的高温稀释气混合后进入ELPI主体。通过颗粒荷电、惯性分级并测量分级荷电量来确定颗粒物数量浓度(每立方厘米所含有的粉尘颗粒数目)、质量浓度和粒径分布。对于试验中的高湿烟气环境，将烟气在采样系统中进行加热处理。另外，采用加热、净化后的高温空气作为稀释气体，防止水蒸气在采样管路和ELPI冲击盘上凝结，对测量结果造成影响。

3 结果与分析

3.1 入口数据

考察不同烟气流速下，湿式静电除尘器对PM10的脱除效率。使用ELPI对测点1处进行在线测量，选取一段时间，测得粉尘质量浓度和数量浓度结果见图2～图5。

图2 入口PM10数量浓度

图3 入口PM10质量浓度

图4 入口不同粒径粉尘颗粒数量浓度分布

图5 入口不同粒径粉尘颗粒质量浓度分布

从图2和图3可以看出：进口PM10平均数量浓度为7.3×106cm-3，平均质量浓度为36 mg/m3。从图4和图5可以看出：粉尘颗粒粒径为0.1 μm以下的数量占比99%以上，粉尘颗粒粒径为0.1 μm以上的质量占比99.9%以上。

3.2 烟气流速

3.2.1 对数量浓度及质量浓度的影响

保持挡板门A常开，调整旁路挡板门B开度，当挡板门B开度分别约为0%、20%、50%、100%时，测得测点1烟道内的对应烟气流速分别为16.1 m/s、14.2 m/s、12.1 m/s、10.4 m/s、8.8 m/s，出口测点2处的粉尘数量浓度见图6，质量浓度见图7。随着入口烟道内的流速降低，数量浓度由1.40×106cm-3降至0.80×106cm-3，质量浓度由约7.75 mg/m3降至4.50 mg/m3。

图6 出口PM10数量浓度随烟气流速的变化

图7 出口PM10质量浓度随烟气流速的变化

3.2.2 对脱除效率的影响

图8为烟气流速对粉尘颗粒的分级脱除效率的影响。

图8 烟气流速对不同粒径粉尘颗粒脱除效率的影响

从图8中可以看出：随着粉尘颗粒粒径的增大，湿式静电除尘器对其脱除效率呈现出先降低后增加的趋势。这主要是因为在湿式静电除尘器脱除颗粒物的过程中，对于小粒径的粉尘以布朗扩散作用为主，稍大粒径以惯性运动为主，处于穿透区间(粒径为0.1～1.0 μm)内的细颗粒物，布朗扩散与惯性运动作用均不明显，脱除效率最低[9]。

从图8还可以看出：烟气流速变化对小粒径颗粒物脱除效率的影响较为显著，且烟气流速对处于穿透区间的细颗粒物脱除效率影响最大。烟气流速直接影响粉尘的惯性运动，其变化可能打破了布朗扩散与惯性运动的平衡，促进了颗粒物的脱除。

4 结语

(1)湿式静电除尘器入口和出口的粉尘颗粒从数量浓度角度来看，主要是亚微米级的颗粒物；从质量浓度角度来看，主要是微米级及以上的颗粒物。鉴于可吸入颗粒物中亚微米颗粒对人体的伤害更为严重[4]，通过湿式静电除尘器降低亚微米级颗粒物的有害粉尘排放具有重要意义。

(2)湿式静电除尘器出口PM10数量浓度和质量浓度随烟气流速降低而减小。入口烟气流速由16.1 m/s降至8.8 m/s，PM10数量脱除效率由80.8%增至88.4%，质量脱除效率由78.5%增至87.5%，应根据实际需要探索选择经济合适的流速。

(3)小粒径颗粒物脱除效率对于烟气流速的变化更为敏感，烟气流速对于处于穿透区间的颗粒物脱除效率影响最大，通过降低流速来提高烟气中极细颗粒物脱除效率的方式是可行的。