燃煤电站湿式电除尘器对PM2.5、SO3和Hg的脱除性能及排放特性
摘要：对典型装机容量机组湿式电除尘器的PM2.5、SO3及Hg的脱除性能进行了分析，并研究了PM2.5、SO3及Hg的排放特性。结果表明：湿式电除尘器对PM2.5、SO3和Hg的脱除效率分别能达到78%、62%和58%以上，PM2.5排放绩效在6.00～15.00mg/(kW˙h)之间，SO3排放绩效在3.00～24.00mg/(kW˙h)之间，Hg排放绩效在11.00～26.00μg/(kW˙h)之间。通过非线性回归模型模拟得出湿式电除尘器出口PM2.5、SO3、Hg的排放绩效计算模型，降低了燃煤机组烟气中PM2.5、SO3、Hg排放总量预估的难度。
随着燃煤机组超低排放改造逐渐深入，各类新型环保技术快速发展，为控制大气污染物排放提供了技术路线。湿式电除尘器作为引入燃煤发电领域的新型环保技术，其高效的除尘性能得到国内外科技工作者广泛认可。湿式电除尘器运行性能良好，污染物协同脱除性能好，在燃煤发电领域发展迅速，国内投运的湿式电除尘器数量已超过欧美日等国在役设备总和。
目前，对湿式电除尘器除尘性能影响因素的研究报道较多，然而，针对湿式电除尘器出口非常规污染物的排放特性的研究报道很少，在超低排放的环保背景下，对非常规污染物排放总量的预测鲜见报道。
本文通过对四种不同容量等级的燃煤机组的湿式电除尘器进行性能测试研究，分析湿式电除尘器对烟气中PM2.5、SO3及Hg的协同脱除性能，并研究其排放特性，建立排放绩效模型预测其排放总量。
1研究方法
1.1机组概况
本文选择了4台典型燃煤机组湿式电除尘器作为研究对象，对湿式电除尘器的污染物协同脱除能力和污染物排放特性进行分析研究，涉及机组装机容量等级分别为150MW、300MW、600MW、1000MW级。为了便于测试结果比较研究，选择的各机组环保技术工艺均为低氮燃烧(LNB)+SCR脱硝装置+静电除尘器(ESP)+石灰石-石膏湿法脱硫装置(FGD)+湿式电除尘器(WESP)。
1.2测试依据及仪器
测试期间要求机组及环保设施正常运行，燃用煤质、运行负荷稳定、在线CEMS表计指示正确。试验依据及仪器如表1所示。 
表1试验依据及主要仪器
测试方法依照表1所列相关标准执行，文中PM2.5采用芬兰生产的DekatiPM-10测试，颗粒物粒径测试范围为>PM10>PM2.5>PM1，采用称重法计算得到PM2.5浓度。全自动便携式汞采样系统(PMS30B)进行烟气中汞样品采集，采用美国生产的汞分析仪(HydraIIC)进行汞浓度检测。SO3浓度依据《石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置性能验收试验规范》(DL/T998-2016)进行测试，红外气体分析仪测试烟气中SO2、NOx、O2等浓度。为了保证测试结果的准确性，采用了平行采样及平行样分析的方法。现场采样位置示意图如图1所示。
图1采样测点示意图
1.3WESP条件下PM2.5、SO3及Hg的绩效模型计算
为了分析湿式电除尘器对PM2.5、SO3及Hg的排放特性的影响，引入烟气中PM2.5、SO3及Hg排放绩效和湿式电除尘器PM2.5、SO3及Hg消减绩效两个概念。烟气中PM2.5、SO3及Hg排放绩效指燃煤机组单位发电量(1kW˙h)产生的烟气中的PM2.5、SO3及Hg对环境贡献的总量(质量)，湿式电除尘器PM2.5、SO3及Hg消减绩效指燃煤机组单位发电量(1kW˙h)时湿式电除尘器脱除某一污染物的总量(质量)。文中无特别注明，所述汞排放浓度,均指总汞(Hg)排放浓度，所述机组为纯发电机组，所述气体成分状态为标态、干基、6%O2。
通过非线性回归模型模拟得到烟气中PM2.5、SO3及Hg排放绩效的计算公式和湿式电除尘器PM2.5、SO3及Hg消减绩效的计算公式，如式(1)、(2)所示。
式(1)中，θi为某一种烟气成分的排放绩效，mg/(kW˙h)(Hg以μg/(kW˙h)计)；i指PM2.5、SO3及Hg中的任一种成分；ε为烟气排放体积与机组发电量比值系数，3.15≤ε≤3.75，m3/(kW˙h)，与空气过剩系数正相关；Cout为湿式电除尘器出口PM2.5、SO3及Hg排放浓度，mg/m3(Hg以μg/(kW˙h)计)。
式(2)中，σi为某一种气体成分湿式电除尘器消减绩效，mg/(kW˙h)(Hg以μg/(kW˙h)计)；ηi为某一种气体成分的湿式电除尘器脱除率，%。
由式(1)和式(2)可以得到烟气中PM2.5、SO3及Hg排放绩效与湿式电除尘器PM2.5、SO3及Hg消减绩效之间的关系，如式(3)所示。
污染物排放绩效比排放浓度更清晰的反映不同容量等级燃煤机组外排污染物对大气环境的影响，污染物排放绩效能侧面反映环保设施的运行性能。取得污染物排放浓度数据，即可进行排放绩效计算，然后进行污染物排放总量预估，消除机组运行工况、运行参数等不确定性因素影响污染物排放总量数据的准确度。污染物消减绩效反映湿式电除尘器对减排污染物所作的贡献，也能体现湿式电除尘器对污染物的脱除效率。
2结果与讨论
2.1WESP对PM2.5、SO3及Hg的脱除性能
为了考察装机容量大小对湿式电除尘器协同脱除PM2.5、SO3及Hg性能的影响，以及我国燃煤机组实施超低排放后，PM2.5、SO3及Hg排放值在世界范围内所处水平，选取典型机组湿式电除尘器PM2.5、SO3及Hg的脱除效率和排放浓度进行现场测试，结果如图2所示。
图2WESP对PM2.5、SO3及Hg的脱除性能
如图2(a)可知，机组容量等级对湿式电除尘器除尘性能并没有明显影响，且湿式电除尘器对PM2.5脱除效率均在78%以上。PM2.5/PM体现了PM2.5在总颗粒物中的占比(质量浓度百分数)，更体现湿式电除尘器对不同粒径颗粒物的脱除性能，比值越大，则PM2.5的脱除性能越差。图2(a)还显示出口烟气中PM2.5在PM中的占比在45%~80%之间，大颗粒物脱除量明显高于PM2.5，同时测试结果也反映了当前湿式电除尘器对PM2.5的脱除能力有限(相比于静电除尘器99.9%以上的除尘效率)。目前，可以从增强细颗粒物凝聚、增大热泳力、强化液桥力等技术层面提升湿式电除尘器对PM2.5的脱除性能。湿式电除尘器出口PM2.5排放浓度平均水平在3mg/m3以下，能够很好的满足烟尘超低排放要求，但实现PM排放浓度达到1mg/m3以下，则需要进一步提升湿式电除尘器的除尘性能，特别是PM2.5的脱除性能。
如图2(b)所示，世界范围内，美国佛罗里达州SO3排放限值(0.6mg/m3)要求最严，中国上海地区的SO3排放限值严于美国最高限值(马里兰州20mg/m3)、德国限值(10mg/m3)和新加坡限值(10mg/m3)。现场实测SO3排放浓度范围在0.7~8.0mg/m3之间，浓度值波动范围较大，但不可忽视的是，虽然装机容量大的机组SO3排放浓度值低，但装机容量大的机组SO3排放量(质量)比装机容量小的机组大得多。目前，SO3脱除性能最佳的技术为湿式电除尘器和低低温电除尘器，已有研究表明，影响湿式电除尘器SO3脱除效率的因素主要有电极形式、停留时间、二次电压、烟尘粒径、入口浓度、温度等。图2(b)显示湿式电除尘器对SO3脱除效率在60%以上，机组容量等级对湿式电除尘器SO3脱除效率影响甚小，但机组容量等级高，外排烟气量大，影响SO3排放量(质量)。
如图2(c)可知，四种装机容量机组的Hg排放浓度范围为2.0~9.0μg/m3，接近国内燃煤机组Hg排放浓度的平均水平，同样Hg排放浓度也接近美国低阶煤Hg排放限值，高于美国非低阶煤Hg排放限值，但远低于中国Hg标准排放限值和德国标准排放限值。采用环保超低排放工艺后，湿式电除尘器出口Hg排放浓度远低于国家标准，其Hg脱除效率在60%以上。图2(c)显示装机容量大的机组Hg脱除率高于装机容量小的机组，并呈现增大趋势，表明大容量机组对控制Hg排放浓度具有积极意义，但大容量机组Hg排放量(质量)要高于小容量机组，应引起足够重视。
2.2WESP条件下PM2.5、SO3及Hg的排放特性
基于现场实测试验数据，根据式(1)和式(2)对PM2.5、SO3及Hg的排放绩效和消减绩效平均值进行计算，得到PM2.5、SO3及Hg的排放绩效和消减绩效结果如图3所示。
图3PM2.5、SO3及Hg的排放特性
由图3(a)可知，PM2.5、SO3排放绩效范围分别为6.00~15.00mg/(kW˙h),3.00~24.00mg/(kW˙h)，主要受PM2.5、SO3排放浓度控制，机组发电量和烟气量的不确定性影响通过式(1)尽可能降低，同容量等级机组、相同的烟气系统下PM2.5、SO3排放浓度高，则排放绩效高，反之亦然。对于不同容量等级机组、不同环保技术工艺，低的污染物排放浓度并不能说明外排到大气中的污染物的质量少，采用污染物排放绩效指标可以清晰的反映燃煤机组排放到大气中的污染物质量，即根据发电量多少判断不同机组对大气环境的污染物贡献量。
PM2.5、SO3消减绩效主要体现湿式电除尘器对PM2.5、SO3的脱除性能。根据式(2)可知，PM2.5、SO3的脱除率越高，则消减绩效值越高，湿式电除尘器对PM2.5、SO3的脱除能力越强，性能越好。在进行同类型湿式电除尘器PM2.5、SO3脱除性能对比时，在PM2.5、SO3脱除效率接近的情况下，PM2.5、SO3排放浓度对消减绩效的影响不容忽视。图3(a)显示PM2.5、SO3消减绩效范围分别为39.00~119.00mg/(kW˙h),
16.00~90.00mg/(kW˙h)。
由图3(b)可知，Hg的排放绩效范围在11.00~26.00μg/(kW˙h)之间，且机组装机容量越大，Hg排放绩效越低，并呈现向下趋势。根据式(1)可知，排放绩效与排放浓度呈正线性相关，依据式(1)可以根据PM2.5、SO3、Hg的排放浓度进行其排放绩效预估，实时掌握PM2.5、SO3、Hg的排放总量。
由图3(b)可知，基于实测数据的湿式电除尘器汞消减绩效范围在41.00~60.00μg/(kW˙h)之间。根据式(3)可知，湿式电除尘器消减绩效与排放绩效呈函数关系，随湿式电除尘器脱除率的升高或降低呈现单调递增或单调递减。图3(b)中1000MW机组汞消减绩效逆趋势增大是由于汞脱除率增大引起的。为了进一步分析式(3)中的控制因素，确定计算结果的主要影响参数，本文以Hg为例进行对比研究，选取了湿式电除尘器汞脱除率为50%和汞排放绩效为15.00μg/(kW˙h)两个值，分别考察汞排放绩效和汞脱除率对汞消减绩效的影响，具体结果如图4所示。
图4烟气中汞排放绩效和汞脱除率对汞消减绩效的影响
如图4所示，设定条件下，两条曲线存在两个交点，即Hg消减绩效分别为10、15μg/(kW˙h)，对应Hg脱除率分别为40%、50%。由图4可知，存在若干点对(Hg脱除率值与汞排放绩效值)，使得Hg脱除率和Hg排放绩效对Hg消减绩效具有同样的影响效果，在点对低值范围(图4所示Hg排放绩效小于10μg/(kW˙h)、Hg脱除率小于40%)，Hg排放绩效对Hg消减绩效的影响较大；在点对高值范围(图4所示Hg排放绩效大于15μg/(kW˙h)、Hg脱除率大于50%)，Hg脱除率对Hg消减绩效的影响较大。
3结论
(1)不同容量等级机组湿式电除尘器对PM2.5、SO3和Hg的脱除效率分别能达到78%、62%和58%以上，PM2.5、SO3及Hg的排放绩效范围分别为6.00~15.00mg/(kW˙h),
3.00~24.00mg/(kW˙h),
11.00~26.00μg/(kW˙h)，
湿式电除尘器对PM2.5、SO3及Hg的消减绩效范围分别为39.00~119.00mg/(kW˙h),
16.00~90.00mg/(kW˙h),
41.00~60.00μg/(kW˙h)。
(2)通过非线性回归模型模拟得出湿式电除尘器出口PM2.5、SO3、Hg的排放绩效计算模型和湿式电除尘器对PM2.5、SO3、Hg的消减绩效计算模型，尽可能降低机组发电量和烟气量对排放绩效和消减绩效的影响。基于计算模型，可以通过PM2.5、SO3、Hg的排放浓度进行其排放绩效预估，实时掌握PM2.5、SO3、Hg的排放总量，降低了燃煤机组烟气中PM2.5、SO3、Hg排放总量预估的难度，实时对比不同机组对大气中外排PM2.5、SO3、Hg的贡献值。
(3)湿式电除尘器对PM2.5、SO3、Hg等污染物的协同脱除能力较好，为将来上述各项污染物控制技术路线提供了发展方向。
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