电除尘器在30 MW 氧燃料示范装置中的运行表现

基于 Vattenfall（Schwarze Pumpe）30 MWth 氧燃料示范厂的实测：Alstom、Vattenfall 与 Linnaeus University 联合研究亮点

关键词
电除尘器, 氧燃烧, 颗粒物粒径分布, 飞灰, CO2捕集, 节能减排, 烟气治理, 艾尼科

随着电力与工业用能增长，碳捕集与烟气治理成为行业重点，尤其在氧燃烧（oxyfuel）与CO2捕集链路中，电除尘器（ESP）对下游气体压缩净化设备的保护至关重要[1]。本文由 Alstom Power Sweden、Vattenfall R&D 与 Linnaeus University 联合开展，对位于德国 Schwarze Pumpe 的 30 MWth 氧燃料试验装置上的一台全规模 ESP 进行了系统性现场测试（作者：Andreas Bäck 等），评估了氧燃烧工况下 ESP 的除尘性能及粒径特性，并与传统空气燃烧进行了对比[2,3]。

试验对象为一台标准 Alstom FPA 型 ESP，沿气流方向设有三电场（spiral discharge 电极，底部振打集灰），集板高度约 5 m，处理炉尾全量烟气，约三分之二烟气回流以稀释纯氧。测试分为两部分：第一，采用等速率重量法在 ESP 进口与出口测定飞灰浓度以获得总体收尘效率；第二，使用稀释探针联合 SMPS（0.01–1 μm）与 APS（0.5–10 μm）进行在线粒径数谱测试，探讨电场设置对排放粒径/数量的影响[8,9]。

燃料为经预干的卢萨蒂亚褐煤，灰分与硫含量偏低，但灰分组分中 Fe、Ca、Mg 含量较高（试验分析见原文表），实验在“Expert Mode A”燃烧模式下开展，氧燃烧工况相比空气燃烧烟气含湿量显著增高（约 35% vs 9%）[2]。重力测量表明，在仅启用两电场的条件下，ESP 对飞灰的捕集效率均超过 99.9%，出口颗粒物低于 5 mg/Nm3（干基），随电流密度提升排放进一步下降（试验点电流密度从 ~60 到 450 μA/m2 不等）。

在线粒径谱显示，氧燃烧与空气燃烧条件下 ESP 出口的数谱与质量谱基本重合，数谱在约 0.1 μm 处达到峰值，质量谱在 ~4 μm 处最大，综合积分得到的总颗粒排放量在两种工况下相近（氧燃烧示例约 4.1 mg/Nm3，空气燃烧约 3.5 mg/Nm3），这表明在该工况与燃料下，氧燃烧并未引起明显的超细颗粒增生[6,7]。此外，在空气燃烧条件下提升电流至 330 μA/m2 时，总排放可降至约 0.3 mg/Nm3，但对此类极低排放值的测量需考虑取样系统损失与称重极限的不确定性[9]。

基于本次研究，可得若干对中国工业的启示：一是商业化 ESP 在氧燃烧工况下能保持高效收集能力，足以保护下游 CO2 压缩净化装置并防止回流烟气的颗粒污染，这对浆纸、钢铁、水泥、化工等高排放行业在推行碳捕集时尤为重要；二是通过优化电场配置（电流密度、脉冲/连续充电、场数）与电极结构（极板、极线与螺旋放电设计）可以在兼顾能耗与排放的前提下显著降低逃逸颗粒；三是燃料矿物组成（如高 Ca/Fe）会影响灰分电阻率与空间电荷特性，需在选型与运行策略上予以考虑。

面向市场，艾尼科（Enelco）在电除尘器极板材料、极线与电场优化、能耗控制及运维数字化方面积累了丰富案例，可为中国工况提供定制化升级与改造服务，例如采用优化的放电线几何、抗腐蚀集板材质、在线电场监测与智能脉冲驱动，以实现更低排放与更可靠的长周期运行。展望未来，随着氧燃烧与碳捕集示范项目推进，ESP 技术将在能源密集型行业的减排路径中扮演核心角色，结合在线诊断与模型优化可进一步降低运维成本并保障工艺安全。

总之，本次现场测试证明，针对低硫低灰燃料的商业 ESP 在氧燃烧体系下可达到优异的除尘效果（出口 <5 mg/Nm3 干基，收尘率 >99.9%），并且通过电场调节可实现更低排放。对于正在推进碳捕集及烟气治理的中国工业用户，合理选型、运行优化与供应商合作（如艾尼科）是实现合规、节能与可持续运行的关键路径[4–9]。

参考文献
[1] Paelinck P., Altmann H., Overview on CCS technologies and results of Vattenfall’s oxyfuel pilot plant; VGB PowerTech 03/2010; pp.43-47.
[2] Strömberg L., Lindgren G., Jacoby J., et al., Update on Vattenfall’s 30 MWth oxyfuel pilot plant in Schwarze Pumpe; Energy Procedia 1; 2009; pp.581-589.
[3] Kluger F., Mönckert P., Stamatelopoulos G-N., Nsakala N., Levasseur A., Leandri J-F., Oxy-combustion technology development – Ready for large scale demonstration; 9th Annual Conference on Carbon Capture and Sequestration; Pittsburgh PA, USA; May 10-13, 2010.
[4] Suriyawong A., Hogan C.J. Jr., Jiang J., Biswas P., Charged fraction and electrostatic collection of ultrafine and submicrometer particles formed during O2-CO2 coal combustion; Fuel 87; 2008; pp.673-682.
[5] Han B., Kim HJ., Kim YJ., Fine particle collection of an electrostatic precipitator in CO2-rich gas conditions for oxy-fuel combustion; Science of the Total Environment 408; 2010; pp.5158-5164.
[6] Suriyawong A., Gamble M., Lee M-H., Axelbaum R., Biswas P., Submicrometer particle formation and mercury speciation under O2-CO2 coal combustion; Energy & Fuels 20; 2006; pp.2357-2363.
[7] Sheng C., Li Y., Liu X., Yao H., Xu M., Ash particle formation during O2/CO2 combustion of pulverized coals; Fuel Processing Technology 88; 2007; pp.1021-1028.
[8] Strand M., Pagels J., Szpila A., et al., Fly ash penetration through electrostatic precipitator and flue gas condenser in a 6 MW biomass fired boiler; Energy & Fuels 16; 2002; pp.1499-1506.
[9] Wierzbicka A., Lillieblad L., Pagels J., et al., Particle emissions from district heating units operating on three commonly used biofuels; Atmospheric Environment 39; 2005; pp.139-150.