对某1000MW燃煤机组低低温电除尘器的颗粒物脱除特性进行试验研究：对设备前后烟道中的烟气颗粒物进行采样、分析，对设备各级电场的捕集飞灰进行检测；初步探寻了低低温状态下烟温与除尘效果的关系，研究了低低温电除尘器对各级粒径颗粒物的脱除效果、对主要成灰元素的捕集情况。
试验结果表明：降低电除尘器进口烟温至低低温状态(87~100℃)，可有效提升设备对烟尘的总体脱除能力，除尘效率可达99.9%以上，逃逸烟尘浓度可控制在20mg/m3以内；调整进口烟温至90℃，PM1脱除效率可达99.44%；元素Si、Al主要分布于较大颗粒(粒径>10μm)被电场捕集，元素Ca、Fe、Mg、S主要富集于可吸入颗粒物(PM10)被电场捕集。
长期以来，煤炭都在我国能源结构中居主导地位。作为主要电力来源的燃煤电站，在发电的同时，也向大气排放着颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物。这些燃煤电厂排放的污染物迁徙、反应，与其他燃煤燃油固定源、移动源排放的污染物一起相互作用，成为当前频发的雾霾天气的重要成因。
可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)由于比表面积大、吸附性强，易于富集有毒元素，在大气中的滞留时间长、迁移范围广，能够直接进入人体的呼吸道甚至肺部，危害身体健康。随着我国社会经济的发展，能源的需求量将持续保持，随之而来的污染形势愈加严峻；在当前的能源供应格局下，燃煤电站颗粒物污染控制问题将一直是研究的热点。
目前，我国针对大型燃煤电站的颗粒物处理技术主要为干式静电除尘，以浓度为标准时，其对烟气中颗粒物脱除效率可达99%，具有效率高、可靠性强、适用范围广等特点。国内外对于燃煤过程中颗粒物的生成与排放特性、物质元素迁徙分布规律，以及飞灰比电阻等因素影响电除尘器效率的机理等方面均开展了大量研究。
研究表明，干式静电除尘器(dryelectrostaticprecipitator，DESP)虽然总体除尘效率高，但是对于PM2.5的脱除效果较差，在0.1~1μm区间更存在明显的穿透窗口。随着《环境空气质量标准》(GB3095—2012)增设PM2.5排放浓度限值，以及《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)、环保部2013(14)号文件等的出台，燃煤电站颗粒物排放浓度标准日益严格，常规DESP的性能将越来越难以满足排放要求。
为实现更好的环保效果，浙能等国内发电集团进行了“燃煤机组烟气超低排放改造”，烟尘排放限值降至10mg/m3，使得传统DESP技术遇到了新挑战。使用新型高效技术，通过调整影响性能的主要因素对DESP做优化，将是未来阶段DESP升级改造，进一步降低颗粒物排放的同时提高PM2.5脱除效果的主要技术途径。
低低温电除尘器(coldersideESP或low-lowtemperatureESP，本文中简称LLT-ESP)是在传统DESP前布置热交换装置，使除尘器入口烟气温度由常规的120~160℃降低到酸露点以下的低低温状态(100℃内，一般在85~95℃左右)，从而实现更高效的颗粒物脱除性能的设备。
LLT-ESP在实现余热利用的同时，通过降低烟气温度，减小了烟尘比电阻和烟气粘滞性，减少了烟气处理量，有利于更高效地捕集烟尘；另外，烟温降至酸露点以下时，烟气中的气态硫酸与水蒸气结合冷凝成硫酸雾滴，可以起到烟气调质作用，进一步提升了设备性能。
低低温电除尘技术最早于20世纪70年代，在澳洲(liddell电厂)、丹麦(Ensted电厂)有过实验性利用；20世纪90年代开始，日本多家设备厂家(MHI、IHI、Hitachi等)对这项技术进行了推广；随着“超低排放改造”的进行，国内也有了成功的应用案例。
对于低低温状态下除尘设备的相关特性，目前有通过数值模拟手段与基于实验室台架测试的相关研究，论证了通过降低烟温实现除尘增效的可行性。另外，在较早使用LLT-ESP的实际投运机组上，已有部分通过开展基于现场采样的试验研究，在相对改造前除尘设备进口烟气温度下降达40~50℃不等的情况下，验证了烟气温度降至低低温状态后，LLT-ESP除尘效率提升的效果。
但是，对于LLT-ESP入口烟温改变对其除尘效率和分级除尘特性的具体影响等问题，仍缺少系统性的现场试验研究。基于此，本文在浙江某1000MW燃煤机组LLT-ESP上开展了试验研究：对不同进口烟气温度下设备前后烟道中的烟气颗粒物进行了采样、分析，对设备各级电场的捕集飞灰进行了成分与粒径检测；初步探寻了低低温状态下烟温与除尘效果的关系，研究了LLT-ESP对不同粒径颗粒物的脱除效果、对主要成灰元素的捕集情况等。
1试验方法
1.1基本条件
本文研究的百万千瓦燃煤机组锅炉型号为HG-3101/27.46-YM3，是超超临界参数变压运行直流炉，采用单炉膛、一次中间再热、改进型低NOxPM主燃烧器和MACT型低NOx分级送风燃烧系统、反向双切圆燃烧方式、平衡通风、П型露天布置燃煤锅炉。
该机组通过在原有DESP前设置烟气冷却器，实现了低低温除尘改造，单个机组配置两台LLT-ESP(三室四电场，比集尘面积为93.9m2/(m3/s))。试验期间，机组维持满负荷运行，通过烟气冷却器调整和控制进入除尘器的烟气温度(87~100℃)；各主要生产设备正常投运、稳定运行；燃烧工况不变，燃用煤种为混煤(原煤属烟煤)，其煤质分析情况见表1。
1.2样品采集
试验期间，在LLT-ESP前后烟道(见图1)布置采样点，分别用烟尘平行采样仪(TH-880F)、颗粒物撞击采样器(DekatiPM10)采集烟气中的飞灰样品。
本次试验的采样与检测方法主要依据GB/T16157—1996和ISO23210—2009。采样时，TH-880F烟尘测试仪取对应采样点烟道性能测试孔的中间测孔及其两侧共3处测孔放入采样枪，等速取样头在烟道中心深度及上下两点移动采样，各点采样时间相同，由此得到测试断面的平均烟尘浓度；为研究除尘设备除尘效率，对除尘器前后烟道烟气进行同时采样。
DekatiPM10采样器是一种通过空气动力学确定粒径分布的三阶冲击式采样器，可将颗粒物分为>10、10~2.5、2.5~1和<1μm这4个部分。采样时，DekatiPM10取样枪的采样头位于采样位置烟道中心点，各工况重复采样3次。同时，收集除尘器各级分电场灰斗中捕集的飞灰样品。
1.3样品分析
对于烟道中采集的飞灰样品，按照标准方法(GB/T16157—1996、ISO23210—2009)经过烘干、冷却等程序处理后，用0.01mg精度分析天平称重确定滤膜与滤筒增重质量；再根据采样器中采样体积等相关记录，根据GWPB—1999《锅炉污染物排放标准》和GB5468-91《锅炉烟尘测试方法》中相关规定，折算对应颗粒物在6%氧量、标况干态下的排放浓度。
将各级分电场灰斗中采集的捕集飞灰样品使用马尔文激光粒度分析仪(Mastersizer2000)进行粒径分析，研究其粒径分布特征；用X射线荧光光谱法(ARLADVANT’XIntelliPowerTM4200)分析飞灰样品的化学组成。
2结果与讨论
2.1颗粒物总体脱除性能
本次试验利用烟气冷却器调整和控制除尘器入口烟气温度，测试了不同低低温运行温度条件下(87~100℃)除尘设备对烟气中颗粒物(烟尘)的脱除性能。试验期间，进口烟尘浓度范围在5.29~8.82g/m3间。
图2给出了低低温除尘器进口烟气温度对其逃逸颗粒物浓度(即出口烟尘浓度)的影响情况。由图可知，测试期间，在运行烟温保持100℃以内的条件下，LLT-ESP设备的逃逸烟尘浓度均值为7.42mg/m3，最高逃逸烟尘浓度为20.40mg/m3。
如图2所示，在试验温度范围内(87~100℃)，经过LLT-ESP的处理，设备出口烟尘浓度可稳定控制在20mg/m3以内。93、99℃这2个工况期间，由于烟气流量变化干扰气流均匀性等原因，进口烟尘浓度值较大(8.05~8.82g/m3)，导致出现逃逸颗粒物浓度间歇性增高的情况；除此以外，出口烟尘浓度基本可以控制在10mg/m3内。上述测试结果基于本次试验煤种(灰分11.67%)，反映了LLT-ESP对于烟尘具有较好的总体控制效果。
图3给出了本文试验中的LLT-ESP进口烟气温度与除尘效率的关系。由图3可知，在本次试验的LLT-ESP运行温度范围内，除尘效率始终维持较高水平，均值达99.88%；与改造前的99.65%相比，低低温除尘设备的除尘效果提升非常明显。
究其原因，进入除尘器的烟气温度由改造前的120~140℃左右降到了100℃内，引起了烟气流速变小、烟尘比电阻降低等变化，使得颗粒物更易被除尘设备脱除。同时，图3测试结果显示，在87~90℃工况条件下，LLT-ESP除尘效率较高，均值超过99.90%，最高可达99.92%；当进口烟温高于90℃时，除尘效率随进口烟温上升有下降趋势。
2.2各级粒径颗粒物脱除特性
不同进口烟温条件下，LLT-ESP出口烟气中不同粒径颗粒物浓度分布特性如下图4所示，粒径>10μm的颗粒物逃逸率极低，排放均值仅为0.55mg/m3；而PM2.5、PM1的排放浓度仍较高，均值分别达6.72和5.12mg/m3；排放的PM1占逃逸颗粒物的比重最高，平均质量百分比达59.63%，最高逃逸浓度为6.83mg/m3。
图4所示结果表明，烟温条件能很大程度地影响各级逃逸颗粒物的浓度以及占总尘的质量百分比；维持LLT-ESP进口烟温在90℃状态，可明显优化除尘器对细颗粒物尤其是亚微米颗粒物的脱除效果(PM1逃逸浓度降为2.12mg/m3)。
将除尘器进、出口位置采集的同一粒径范围颗粒物质量浓度值代入式(1)，可以得到低低温除尘器对不同粒径颗粒物的脱除效率。除尘器进、出口各级粒径颗粒物的质量浓度均采用多次采样的平均值。
图5给出了LLT-ESP对于不同粒径颗粒物的分级脱除效率及其与进口烟温的关系。可以看出，在不同进口烟温工况下，LLT-ESP对烟气中颗粒物的脱除效率均有随其粒径减小而逐渐降低的趋势；LLT-ESP对较大颗粒物(>10μm)的控制效果极佳，平均脱除率在99.99%以上；对于PM1的脱除效果同样受到DESP穿透窗口效应的制约，但平均脱除率仍可达97.50%，相对常规四电场ESP设备90%[4,6]左右的PM1除尘率，捕集性能提升明显。
另外，随着进口烟气温度的变化，PM2.5、PM1的脱除效率受到很大影响；仅仅通过降低进口烟温(10℃内)，就能将粒径处于1~2.5、<1μm范围的颗粒物脱除效率分别提升0.69、3.12个百分点；当进口烟温处于90℃时，LLT-ESP对于所有粒径颗粒物均有着较强的捕集能力，对PM1的脱除效率可达99.44%，超越常规五电场ESP的对应性能。
2.3主要成灰元素在各电场中的分布特征
试验期间，同步采集了除尘器各电场捕集的飞灰样品，分别用马尔文激光粒度分析仪与X射线荧光光谱法分析研究了样品的粒径分布特征和化学组成情况。各个工况下采集样品的粒径分布、元素分布规律基本一致，本文只对典型工况(烟温条件约97℃)的取样检测结果进行讨论。
3结论
1）利用烟气冷却器降低干式静电除尘器进口烟气温度至低低温状态(87~100℃)，可有效提升设备对烟尘的总体脱除能力；低低温电除尘器的除尘效率可达到99.9%以上，逃逸烟尘浓度可稳定控制在20mg/m3以内，对于日趋严格的环保标准有着很强的适应性。
2）随着颗粒物粒径减小，低低温除尘器的捕集效率逐渐降低；调整进口烟温至90℃左右，PM1的脱除效率可达99.44%，极大改善了常规干式静电除尘设备对亚微米级颗粒物捕集时存在的“穿透窗口”问题，可以更好地控制燃煤电厂细颗粒物的排放。
3）低低温电除尘器一、二电场捕集飞灰以较大颗粒物(>10μm)为主，三、四电场捕集飞灰以可吸入颗粒物为主；元素Si、Al主要分布于较大颗粒被电场捕集，元素Ca、Fe、Mg、S主要富集于PM10被电场捕集。