我国燃煤电厂烟气超低排放已全面实施^[1-5]，要求颗粒排放限值为10 mg·m⁻³或5 mg·m⁻³，钢厂、水泥厂等也纷纷效仿燃煤电厂，开始实施超低排放。

常规电除尘技术具有细颗粒荷电不充分、高比电阻反电晕和二次扬尘的技术瓶颈^[6]，当遇到高比电阻粉尘时，电除尘器出口颗粒物浓度甚至很难低于30 mg·m⁻³。低低温电除尘技术最早应用于日本，通过控制电除尘器入口烟气温度在90 ℃左右来实现电除尘效率的有效提升^[7-8]。国内相关学者也对该技术开展了相关研究，郦建国等^[9]和赵海宝等^[10]归纳了低低温电除尘技术的发展及技术特点，并对该技术的核心问题及对策措施进行了探讨，为我国燃煤电厂低低温电除尘技术的应用和发展提供了参考，但这些研究主要针对国外文献的综述，未涉及相关实验的研究；叶兴联等^[11]通过数值模拟方法，研究了低低温电除尘器的流场参数，并对其烟道布置型式进行了优化设计，但未涉及污染物减排特性。寿春晖等^[12]对某1 000 MW机组低低温电除尘器的颗粒物脱除特性进行了实验研究，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及对主要成灰元素的捕集情况，但未涉及细颗粒物(PM_2.5)及SO₃脱除性能。刘含笑等^[13]对国内近200种煤种的灰硫比进行了计算分析，发现绝大部分煤种的灰硫比均大于100，同时，采用低低温电除尘技术不发生低温腐蚀风险，并对污染物减排特性进行了初步探讨，但对细颗粒物(PM_2.5)及SO₃脱除性能的描述较少。

针对上述问题，本研究通过实验室研究及工程实测相结合的手段，旨在对低低温电除尘技术的PM_2.5及SO₃的减排特性进行较全面的表征，为该技术的大规模推广应用提供参考。

1.   实验室研究

1.1   实验系统及工况

如图1所示，实验系统主要包括燃油热风炉、加灰系统(储料仓泵、射流器等)、混流装置、加SO_x系统(SO₂、SO₃)、烟温调节装置、单室五电场电除尘器、风机等。实验系统设计风量为1 000 m³·h⁻¹(燃油热风炉出口)，加料系统所采用的原料为电厂的燃煤飞灰，可通过调整加料系统的加料量来控制电除尘器入口的烟尘浓度，最高可实现40 g·m⁻³的给料量，实验时分别调整其浓度在40 g·m⁻³和10 g·m⁻³左右；加SO₃系统可通过调整阀门开度，浓度最高为50 g·m⁻³，实验时分别调整其浓度为50、30、10 mg·m⁻³左右；烟温调节装置可通过调整冷却水的流量来控制电除尘器入口的烟气温度，实验时分别调整其温度为130、100、90和80 ℃。

图 1  实验系统

Figure 1.  Experiment system

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1.2   实验方法

颗粒物及PM_2.5测试方法参照ISO 23210-2009的相关要求，采用低压撞击器(DLPI)采样系统进行采样，采样系统如图2所示。采样时，采样枪须进行加热、保温，温度宜控制在(160 ±5) ℃，根据采样流量和烟气流速，选取合适的采样头直径，以实现等速取样。泵采样烟气流量约为10 L·min⁻¹，烟气通过加热的DLPI撞击器进行粒径分级，DLPI撞击器加热温度约120 ℃。DLPI撞击器共分为13级，各级的累计测试结果为颗粒物的总质量(TSP)，另外12级可分别测定PM₁₀(1~12级)、PM_2.5(1~9级)、PM₁(1~7级)。电除尘器进口采样时，须在DLPI前增设1个旋风分离器，测定TSP时，须用去离子水对旋风内壁进行清洗，并烘干后计入样品总重。

图 2  DLPI采样系统

Figure 2.  Sampling system of DLPI

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在SO₃测试方面，采用GB/T 21508-2008所规定的控制冷凝法，SO₃采样系统如图3所示。水浴温度为65 ℃，石英管采样枪加热温度为300 ℃，抽气流量为20 L·min⁻¹，采样结束后，用80%异丙醇溶液清洗蛇形盘管，硫酸根离子的滴定采用哈希DR 6000紫外-可见分光光度计。

图 3  SO₃采样系统

Figure 3.  SO₃ sampling system

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1.3   实验结果及分析

1)总尘(TSP)。调整实验系统SO₃浓度为50 mg·m⁻³，分别在TSP为40 g·m⁻³和10 g·m⁻³左右时，测定不同电除尘器入口烟气温度时除尘效率，结果如图4所示。随着电除尘器进口烟气温度的降低，电除尘效率逐渐提高，这是因为烟温降低后，烟气量下降，电除尘器的比集尘面积增加，且击穿电压提高、粉尘工况比电阻降低等^[13]，这些因素均可提高电除尘器的除尘效率。当TSP为40 g·m⁻³左右，电除尘器入口烟气温度分别为130、100、90、80 ℃时，电除尘器的除尘效率分别为99.92%、99.93%、99.97%、99.98%；当TSP为10 g·m⁻³左右，电除尘器入口烟气温度分别为130、100、90、80 ℃时，电除尘器的除尘效率分别为99.88%、99.89%、99.94%、99.96%。烟气温度从100 ℃降低至90 ℃时，电除尘器的除尘效率增加幅度最为明显，2种工况(TSP为40 g·m⁻³和10 g·m⁻³左右)条件下，提效幅度分别为54.78%、50.42%，这是因为这个温度区间内存在烟气的酸露点，当烟气温度降至酸露点以下后，气态的SO₃会以硫酸雾滴的形式存在，此时对烟气特性及粉尘性质的改善最为明显。相关研究表明，烟气温度在酸露点前后，粉尘的工况比电阻可降低1~3个数量级^[14-15]。

图 4  不同温度的除尘效率

Figure 4.  Dust removal efficiency at different temperatures

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为进一步研究SO₃冷凝对电除尘提效的影响，调整实验系统TSP为40 g·m⁻³左右，分别在不同SO₃浓度，测定100 ℃和90 ℃时电除尘器出口TSP浓度及提效幅度，测试结果如图5所示。当SO₃浓度分别为50、30、10和0 mg·m⁻³时，降温前后低低温电除尘器的提效幅度分别为54.78%、44.77%、39.07%和24.73%，电除尘器的提效幅度与SO₃浓度正相关。这是因为SO₃本身就是一种烟气调质剂^[16]，尤其当烟气温度低于酸露点温度以后，冷凝后的硫酸雾会大幅改善烟气特性及粉尘性质，从而有效提高电除尘器的除尘效率，且烟气中SO₃浓度越高，其对粉尘性质的改善作用即调质作用越显著。当烟气中不含SO₃时，降温提效则仅依赖于烟气温度，降低后烟气量减少，击穿电压升高^[13]等。

图 5  不同SO₃浓度时电除尘提效幅度测试结果

Figure 5.  The improvement of electric dust removal at different SO₃ concentration

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2)粒径分布及PM_2.5。调整实验系统SO₃浓度为50 mg·m⁻³，TSP为40 g·m⁻³和10 g·m⁻³左右时，测定不同电除尘器入口烟气温度时PM_2.5脱除效率，结果如图6所示。电除尘器入口烟气温度分别为130、100、90、80 ℃时，TSP为40 g·m⁻³左右，电除尘器对PM_2.5的除尘效率分别为93.16%、94.08%、96.65%、97.38%；TSP为10 g·m⁻³左右，电除尘器对PM_2.5的除尘效率分别为92.78%、93.69%、96.36%、97.22%。随着电除尘器进口烟气温度的降低，PM_2.5脱除效率逐渐提高，这与TSP的减排规律是一致的。烟气温度从100 ℃降低至90 ℃时，电除尘器的PM_2.5脱除效率增加幅度最为明显，2种工况条件下提效幅度分别为43.44%、42.37%，较总尘的提效幅度略微低一些。电除尘器对PM_2.5的提效幅度随着SO₃浓度的增加而提高，如图7所示，当TSP为40 g·m⁻³左右时，烟温调节装置入口PM_2.5质量浓度为206.07 mg·m⁻³；当SO₃浓度分别为50、30、10、0 mg·m⁻³时，降温前后低低温电除尘器对PM_2.5的提效幅度分别为43.44%、41.49%、37.18%、27.19%。

图 6  不同温度时PM_2.5脱除效率测试结果

Figure 6.  PM_2.5 removal efficiency at different temperatures

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图 7  不同SO₃浓度时电除尘提效幅度

Figure 7.  Improvement of electric dust removal at different SO₃ concentration

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为进一步研究烟气降温的电除尘提效机制，采用DLPI，在SO₃浓度为50 mg·m⁻³、TSP为40 g·m⁻³左右时，测定不同烟气温度时的烟气调节装置出口的粒径分布，测试结果如图8所示。当烟气温度从100 ℃降至90 ℃时，烟气调节装置出口的小粒径段颗粒物明显减少，而大粒径段颗粒有所增加，推测引起上述粒径变化的主要原因是，烟气温度降至酸露点以下，硫酸雾对粉尘性质，尤其是表面黏性进行改善，有效促进了细颗粒团聚。刘含笑等^[17]曾预测了SO₃促进细颗粒团聚的机制，但尚未得到实验观测结果的验证。史文峥等^[18]指出，SO₃冷凝对小粒径范围的颗粒团聚尤为明显，但该规律是通过理论计算得到的。GUO等^[19]使用FESEM电镜扫描技术观测了化学团聚前后的粉煤灰颗粒变化，有效验证了理论推断和计算规律。为证实SO₃冷凝对细颗粒团聚促进作用的推断，采用电镜扫描对采样进行观测分析，结果如图9所示，130 ℃时颗粒分布较为分散，单个颗粒也较光滑，而90 ℃时颗粒物聚集较多，且多见到大颗粒表面黏附到小颗粒。

图 8  不同温度时粒径分布测试结果

Figure 8.  Particle size distribution test results at different temperatures

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图 9  电镜扫描图

Figure 9.  SEM images

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3) SO₃浓度。调整实验系统SO₃浓度为50 mg·m⁻³，TSP分别为40、10 g·m⁻³左右时，测定不同电除尘器入口烟气温度时SO₃脱除效率，结果如图10所示。电除尘器入口烟气温度分别为130、100、90、80 ℃时，TSP为40 g·m⁻³左右，电除尘器对SO₃的脱除效率分别为10.64%、16.97%、90.79%、93.46%；TSP为10 g·m⁻³左右，电除尘器对SO₃的脱除效率分别为6.54%、10.84%、85.89%、89.37%。130、100 ℃时电除尘器对SO₃的脱除效率有限，仅有10%左右，烟气温度从100 ℃降低至90 ℃时，电除尘器的SO₃脱除效率增加幅度最为明显，2种工况条件下提效幅度分别为88.92%、84.17%。当电除尘器入口烟气温度为90 ℃时，不同SO₃浓度对应的SO₃脱除效率测试结果如图11所示，入口SO₃浓度越高，所对应的SO₃脱除效率越高，且在相同的SO₃浓度时，TSP浓度越高，粉尘对冷凝后的硫酸雾吸附就越完全，对应的SO₃脱除效率越高。为了进一步验证粉尘对冷凝后硫酸雾的吸附作用，采用792 Basic IC离子色谱仪测定电除尘器入口烟气温度分别为130、90 ℃时电除尘器收集飞灰样品中的硫酸根含量，测定结果如图12所示，降温前后飞灰样品中硫元素质量分数明显增加，且SO₃浓度越高，飞灰样品中硫元素质量分数增幅越显著。

图 10  不同温度时SO₃脱除效率测试结果

Figure 10.  SO₃ removal efficiency at different temperatures

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图 11  不同SO₃浓度时SO₃脱除效率测试结果

Figure 11.  SO₃ removal efficiency at different SO₃ concentrations

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图 12  飞灰样品中硫元素质量分数

Figure 12.  Sulfur content in the fly ash samples

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2.   应用效果

针对A电厂600 MW机组、B电厂600 MW机组、C电厂1 000 MW机组配套的低低温电除尘器，开展现场测试研究，3个项目的烟气参数、煤种成分分析、飞灰成分分析结果如表1~表3所示，所烧煤种均为低硫煤(≤1%)，对应的烟气治理技术路线如图13所示。

表 1  烟气参数

Table 1.  Flue gas parameters

项目	机组/MW	烟气量/(m3·h−1)	入口烟尘浓度/(g·m−3)	入口烟气温度/℃
A电厂	600	2 624 800	12.68	90
B电厂	600	2 096 700	29.67	88.5
C电厂	1 000	8 029 700	10.74	90

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表 2  煤种成分分析

Table 2.  Analysis of coal composition

项目	水分/%	灰分/%	硫分/%	低位发热量/(kJ·g−1)
A电厂	20.1	10.1	0.45	20.9
B电厂	9.8	16.8	0.53	18.5
C电厂	15.7	6.5	0.81	24.8

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表 3  飞灰成分分析

Table 3.  Analysis of fly ash composition %

项目	氧化硅	氧化铝	氧化钠	氧化钾	氧化钙
A电厂	44.6	26.5	2.87	0.43	10.4
B电厂	51.9	17.9	0.65	0.35	6.5
C电厂	39.7	29.5	0.71	0.68	7.2

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图 13  烟气治理技术路线

Figure 13.  Flue gas treatment technology

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颗粒物及PM_2.5测试方法参照ISO 23210-2009的相关要求，采用低压撞击器(DLPI)进行实测，TSP及PM_2.5脱除效率测试结果如图14所示。对于A电厂，烟温降低前后，TSP脱除效率分别为99.85%、99.91%，提效幅度达40.11%，PM_2.5脱除效率分别为97.03%、98.15%，提效幅度达37.93%。对于B电厂，烟温降低前后，TSP脱除效率分别为99.93%、99.96%，提效幅度达36.54%，PM_2.5脱除效率分别为97.52%、98.22%，提效幅度达28.13%。对于C电厂，烟温降低前后，TSP脱除效率分别为99.88%、99.93%，提效幅度达42.86%，PM_2.5脱除效率分别为97.49%、97.84%，提效幅度达14.29%。TSP及PM_2.5的提效规律与前文实验一致，但提效幅度的绝对值较实验值略小。

图 14  TSP及PM_2.5脱除效率

Figure 14.  TSP and PM_2.5 removal efficiency

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SO₃采用GB/T 21508-2008规定的控制冷凝法进行实测，各测点SO₃测试结果如图15所示。烟气经过SCR后，SO₃均有所增加，这是因为SCR脱硝的催化剂在催化氧化NO_x的同时，也会将一部分SO₂氧化为SO₃。催化剂厂家为控制SO₂/SO₃转化率，一般会降低配方中V₂O₅的含量^[20]，目前，超低排放机组对SCR脱硝的SO₂/SO₃转化率一般要求≤1%。烟温降低前后，A电厂低低温电除尘系统对SO₃的脱除效率分别为14.56%、77.18%；B电厂低低温电除尘系统对SO₃的脱除效率分别为25.00%、84.06%；C电厂低低温电除尘系统对SO₃的脱除效率分别为32.05%、90.80%，3个机组的低低温电除尘系统对SO₃的减排幅度分别为73.30%、78.74%、86.46%。SO₃的减排规律与前文实验一致，但同样减排幅度的绝对值也较实验值略小。另外，不难发现，湿法脱硫及湿式电除尘器对SO₃也有一定的脱除效果，A电厂湿法脱硫对SO₃脱除效率分别为44.89%、44.68%；B电厂湿法脱硫对SO₃脱除效率分别为34.78%、18.18%，湿式电除尘器对SO₃脱除效率分别为72.59%、66.67%，SO₃在湿式电除尘器中以硫酸气溶胶颗粒的形式存在，而湿式电除尘器对细颗粒物具有较高的脱除效率^[21]。

图 15  各测点SO₃测试结果

Figure 15.  Test results of SO₃ at each measuring point

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3.   结论

1)通过开展实验室实验，发现SO₃浓度为50 mg·m⁻³，TSP分别为40、10 g·m⁻³左右时，电除尘器入口烟气温度从100 ℃降低至90 ℃，电除尘器的除尘效率增加幅度分别为54.78%、54.42%，PM_2.5提效幅度分别为43.44%、42.37%，且TSP和PM_2.5的提效幅度均与SO₃浓度正相关；烟气温度降至酸露点以下，细颗粒物存在明显的团聚现象；在90 ℃时，2种工况条件下电除尘器对SO₃脱除效率分别为90.79%、85.89%，与100 ℃相比，电除尘器的SO₃提效幅度分别为88.92%、84.17%。

2)通过3个工程项目的现场实测，进一步验证了低低温电除尘器对PM_2.5和SO₃的脱除性能。低低温电除尘器对TSP和PM_2.5的提效幅度分别为40.11%、36.54%、42.86%，37.93%、28.13%、14.29%，对SO₃的减排幅度分别为73.30%、78.74%、86.46%，减排规律与前文实验一致，但减排幅度的绝对值较实验值略小。