煤粉炉PM10 PM2.5排放规律的试验研究.doc

煤粉炉PM10/PM2.5排放规律的试验研究刘建忠, 范海燕, 周俊虎, 曹欣玉, 岑可法（浙江大学热能工程研究所，能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室，浙江 杭州 310027） 摘 要：采用冲击式尘粒分级仪对煤粉锅炉电除尘器前后细灰组成进行测量，研究表明除尘器后PM10和PM2.5占总灰的比例为92.47%和35.56%，比除尘器前均有大幅度提高。除尘器对细灰捕集效率不高，PM2.5除尘效率为90.6%。 煤粉细度、制粉系统投运方式、锅炉负荷是影响粉尘颗粒特性的主要因素。煤粉越细，乏气全部投入将使排放的粉尘组成越细，锅炉负荷越低，除尘效率会有所提高，但粉尘组成也将变细。 关键词：PM10/PM2.5；细颗粒；煤粉炉；除尘器1 引言 我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是唯一以煤炭为主要能源的大国，并且这种能源结构在长期内不会改变，因此，我国目前的大气污染总体上还是煤烟型污染。随着经济的发展，对能源需求的不断增加和对环境质量要求的不断提高，大气污染问题将更加突出。原先对污染物的研究深度已不能满足新的要求，如大气颗粒物污染方面，已开始注意可吸入颗粒物浓度(10 mm)和超细颗粒物(2.5 mm)浓度对环境和人体健康的危害和影响14。研究表明大气细颗粒物不仅影响气候和空气质量、破坏生态环境和历史文物，而且严重危害人体呼吸系统，甚至被吸入血液，长期蓄积在体内。我国已在1996年把可吸入颗粒物浓度列入10种大气环境质量标准之一，美国在1997年对PM2.5(2.5 mm)首次制定了严格的大气环境质量标准5。分析其危害的目的是为了控制，而治理势必要分析污染物的来源和成因。本文对我国耗煤大户煤粉炉燃烧过程中细灰排放规律和电除尘器对细灰的捕捉效率进行初步研究，希望能为治理大气细颗粒物污染提供有用依据。2 测试方法和装置2.1 测试仪器 粉尘采样使用中国预防医学科学院研制的WY-1型冲击式尘粒分级仪，见图1。该仪器由7级串联的不同大小的带喷孔的冲击孔板和捕集板组成，含尘气流进入分级仪后，逐级提高速度通过各级板上的喷孔（孔径逐级缩小），当它遇到孔正前方的捕集板时，惯性大的尘粒，脱离流线撞击到捕集板上，被捕集下来（捕集板上放接尘玻璃纤维纸垫），小粒子则随气流进入下一级。以后含尘气流以更高的速度通过下一级板的喷孔，又将次大的粒子捕集到这级捕集板上。这样把不同大小的尘粒分别捕集到7级捕集板上，各级捕集板上均放置玻璃纤维滤膜，从而得出尘粒的重量分散度。 冲击式尘粒分级仪是利用惯性冲击系数来计算被捕集的粉尘粒径。冲击系数为停止距离S和喷孔定型尺寸D之比。根据气固两相流动理论可计算如下：式中 S为停止距离，即粒径为d的球形粒子，以一定速度由孔径为D的喷孔射入静止气体介质中所能喷射的距离；C为cunningham修正系数；p为尘粒真比重；Q为采样流量；为介质气体粘度；N为喷孔个数；P0为分级仪进口处压力；Pn为第n级孔板处压力；50为对尘粒的捕集效率为50%的惯性冲击系数值；d50为对尘粒的捕集效率为50%时的尘粒直径。 冲击式尘粒分级仪在使用前需要标定获得各级冲击孔板的惯性冲击系数与捕集效率的关系及各级冲击孔板的50值。分级仪尘粒测量范围为1.142 mm（空气动力直径），每级接尘板的最大容尘量可达100 mg左右，测试最高浓度可达30 g/Nm3，仪器适用温度可达500 。2.2 测试方法 试验在某电厂410 t/h煤粉锅炉尾部静电除尘器上进行，在除尘器前后烟道上按等截面原则布置粉尘测量孔。使用分级仪按照国标GB546891规定的等速采样过滤记重法进行，同时记录烟气温度、氧量、湿度等数据。接尘滤膜采用中国预防医学科学院环卫所提供的玻璃纤维滤膜，用前按规定在烘箱和马福炉里进行烘干处理。分级仪在使用前用超声波进行清洗，采样后沾壁的尘粒用毛刷刷下，与接尘盘上的灰放在一起。除尘器前后取样时间分别为1.251.5 min和1.52.0 h，流量为3031 L/min。3 煤粉炉PM10/PM2.5排放特性3.1 细灰重量分散度一致性分析 分散度是指粉尘中不同大小粒子组成的比例，分计数分散度和计重分散度。分散度的测定方法很多，如显微镜法、筛分法、液体沉降法、电传感法、惯性冲击分离法等，本文采用惯性冲击分离法。煤粉燃烧产生的飞灰粒径分布一般遵循对数正态分布，如以粒径的对数logd为纵坐标，以单位对数筛下累计频率dR/d(logd)为横坐标，可获得呈正态分布的曲线，曲线峰值即为中位粒径d506。 采用筛下累计频率分布R%，即d50的全部细灰质量占总细灰的百分数，R%可由测量得到的各级粉尘质量求得，见表1。在数据整理时，根据仪器标定要求，取第6级粉尘重量的1/2加第7级滤纸上的尘重作为小于d50(6)的总尘重；取第5级尘重的1/2加第6级尘重和第7级滤纸上的尘重作为小于d50(5)的总尘重；依次类推。同时舍去最初一级的尘重数据，因为它包括大于d50更大范围(需进一步分级，没进行标定)的粉尘，会产生一定的误差。再利用百分比与几率单位对照表由R%查出筛下累计几率分布Y，以灰尘粒径的对数值logd为横坐标，筛下累计几率分布值Y为纵坐标，得到除尘器前后细灰重量分散度回归直线如图2，直线方程式Y=a+blogd50可通过数据回归求得。具体如下： 根据上式可计算得到粒径分布的特征量，除尘器前中位直径d50=10.1，几何标准偏差sg =2.187；除尘器后中位直径d50=3.2，几何标准偏差sg =2.148。通过对10个工况细灰进行重量分散度计算回归，均能获得类似图1的平行直线，相关系数r都在0.92以上，大部分大于0.95。说明粉尘分散度具有一致性，测量装置准确、方法合理。3.2 除尘器前后PM10/PM2.5组成特性 表1和图3同时给出了除尘器前后细灰分级浓度、各级细灰分布的百分率和除尘器效率。由图表可见除尘器前后细灰分布特征有明显不同，总趋势是除尘器前灰尘由细到粗，浓度和重量百分比也迅速增加；而除尘器后，恰相反，灰尘由细到粗，浓度和重量百分比却有规律减少。这显然说明了除尘器效率与灰尘粒径关系很大，灰尘越细，除尘效率越低。 通过式(4)和式(5)计算并反查百分比与几率单位对照表，可得到小于某一粒径d50的细灰重量百分率和粉尘浓度，表2为除尘器前后PM10、PM2.5和TP（total particulates：总灰尘）分布特征（已换算为相同氧量下对比）。由表可见除尘器前PM2.5占TP和PM10(1m范围内下降趋势随着粉尘越细变得越快。因此，应采取有效措施，开发新型除尘器，控制电厂煤粉炉大量的细灰的排放，这也是控制目前我国大气细颗粒物污染的有效途径。4 燃烧工况对PM10/PM2.5排放影响4.1 煤粉细度的影响 煤燃烧过程中的细灰主要来自燃料煤中的灰分，而排放的细灰粒径大小也与煤粉细度密切相关，因此，进行煤粉细度变化对排放的细灰特性影响的试验是很有现实意义的。表3为3种不同煤粉细度工况(调节细粉分离器挡板)，图5(a)为粉尘排放物中PM10和PM2.5所占比例，可见煤粉细度与排放的细灰组成相对应，煤粉越细，显然燃烧后的飞灰也就越细，因此排放的灰中细颗粒含量就越高。如煤粉R90由24.0降到18.4，灰中PM2.5/TP由33.85%提高到36.68%。注：R200和R90分别表示煤粉在200 m和90 m孔径筛子上的筛余量。4.2 制粉系统运行方式的影响 制粉系统对细灰排放影响除表现在煤粉细度变化而直接影响细灰组成特性外，另一个重要的影响因素是制粉系统运行方式，该电厂采用中间储仓式制粉系统，乏气作为三次风送入炉内。制粉系统分2套，各控制2个对角三次风。通常乏气带粉10%左右，且粒度一般在10 mm以下，大部分为5 mm以下，因此，制粉系统是否投运对锅炉排放的细灰组成特性影响很大。图5(b)为制粉系统不同运行方式对细灰排放影响的试验结果。“二套制粉”表示制粉系统全投，“一套制粉”表示制粉系统投运一套，即投运2个对角三次风（乏气），“停制粉”表示制粉系统没有投运。由图可见，制粉系统全部投入后，PM10占TP的百分比将由85.34%提高到92.47%，PM2.5占TP的百分比将由31.89%提高到35.56%，提高幅度是很明显的。因此，在锅炉运行期间粉仓满时停运制粉系统不仅能降低能耗，还有利于减少锅炉细颗粒排放。4.3 锅炉负荷的影响 锅炉负荷对粉尘排放特性的影响体现在2个方面： 负荷下降，送风量和烟气量也都下降，炉内烟气速度也随之降低，使烟气中的大颗粒粉尘容易沉降或粘附在炉内或受热面上，因此会导致烟尘排放浓度有所下降，并使粉尘颗粒组成特征发生变化，即细灰相对浓度会提高，所占的份额也将提高。表2给出了锅炉100%负荷和80%负荷下除尘器前后PM10/PM2.5组成特性，说明了负荷下降，细灰所占的比例会有所提高。 负荷下降，通过除尘器的烟气速度也将下降，根据电除尘器的原理，除尘效率将提高，对照图6(80%负荷)和图4(100%负荷)，负荷降低后，TP、PM10和PM2.5的除尘效率均有不同程度提高。5 结论 本文采用冲击式尘粒分级仪对煤粉锅炉电除尘器前后细灰组成进行了详细的测量研究，通过对灰样的分析和计算，表明除尘器前后粉尘分散度具有一致性，回归直线的相关系数大部分在0.95以上。除尘器前粉尘大颗粒占大多数，PM10和PM2.5占总灰百分比为39.35%和2.42%，而除尘器后高达92.47%和35.56%，说明电除尘器对细灰捕集效率不高，PM2.5除尘效率只有90.6%。试验还表明，煤粉细度、制粉系统投运方式、锅炉负荷是影响粉尘颗粒特性的主要因素。煤粉越细，或制粉乏气全部投入运行，将使排放的粉尘组成越细，细颗粒浓度会增加；此外，锅炉负荷越低，除尘效率会有所提高，但粉尘组成也将变细。参考文献1 王玮, 汤大钢, 刘红杰, 等(Wang Wei，Tang Dagang，Liu Hongjie, et al). 中国PM2.5污染状况和污染特征的研究(Research on pollution status and pollution characteristics of PM2.5 in China)J. 环境科学研究(Research of Environmental Sciences), 2000, 13(1)：1-5.2 赵毓梅, 杨文敏(Zhao Yumei, Yang Wenmin). 大气粗细颗粒物的成分分析及其肺毒性研究(The analysis of components in air thick and thin particles and studies on their lung toxicity)J. 卫生研究(Journal of Hygiene Research), 1996, 25(2)：89-91.3 Durlak, Susan K, et al Characterization of polycyclic aromatic hydrocarbon particulate and gaseous emissions from polystyrene combustionJ. Environmental Science and Technology, 1998, 32(15)：2301-2307.4 Seggiani, M. et al, Prediction of fly-ash size distribution：a correlation between the char transition radius and coal propertiesJ. Fuel, 2000, 79(8)：999-1002.5 US EPA Office of Air and Radiation, Office of Air Quality Planning and Standards. Fact sheet-EPAs recommended final ozone and particulate ma