濕式靜電除塵器在燃煤電廠的應(yīng)用前景

王沛迪，王雪濤，劉 予，任建興

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大氣污染物的排放也日漸增加，近年來我國各地不斷出現(xiàn)的大規(guī)模霧霾天氣給人們的健康生活帶來了極大影響.據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤電廠的煙塵排放量在我國各個行業(yè)中所占的比例最高.[1]在綠色環(huán)保的大環(huán)境下，最新頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223—2011中規(guī)定，我國火電廠粉塵排放量不得高于30 mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)的火電廠煙塵排放不得超過20 mg/m3.實(shí)驗(yàn)表明，脫硫塔入口和出口的煙塵顆粒中，PM2.5和PM10的質(zhì)量比分別為0.43和0.73，這說明一般靜電除塵設(shè)備對細(xì)灰捕集效率不高，粒徑分布向小顆粒方向變化.[2-3]

單純的干式靜電除塵器較難滿足最新的排放標(biāo)準(zhǔn)，特別是對社會關(guān)注度較高的 PM2.5和PM10，干式靜電除塵器的除塵效果更是達(dá)不到要求.根據(jù)國外煙塵治理的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，濕式靜電除塵器(Wet Electrostatic Precipitator，WESP)對酸霧、有毒重金屬以及微細(xì)粉塵，特別是PM10和PM2.5有良好的脫除效果，同時濕式電除塵還有高效除塵和污染物聯(lián)合脫除的優(yōu)勢.目前，大多數(shù)燃煤電廠采用濕法脫硫技術(shù)，這為WESP在燃煤電廠中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件.因此，濕式靜電除塵器可以作為一種多種污染物聯(lián)合控制和高效除塵的可靠技術(shù)應(yīng)用于燃煤電廠中.[4-7]

1 WESP的原理與分類

1.1 WESP的技術(shù)原理

濕式靜電除塵器和干式靜電除塵的除塵原理大致相同，都是經(jīng)過粉塵顆粒荷電、收集、清灰3個階段，即煙氣中的粉塵通過高壓電源放電荷電，吸附負(fù)離子的粉塵顆粒在電場力的作用下與氣流分離向集塵極運(yùn)動，被吸附至極板或者極線表面，而噴出的水霧在集塵極表面形成連續(xù)水膜，捕集到的粉塵隨沖洗液流至灰斗中，從而使得煙氣凈化，具體如圖1所示.

圖1 WESP技術(shù)原理示意

與干式靜電除塵器相比，WESP在清除集塵極上捕集到的煙塵的方式上有較大區(qū)別.干式ESP一般采用機(jī)械振打或者聲波清灰等方式清除積灰，而濕式靜電除塵器則是利用液體對集塵極表面的積灰進(jìn)行沖洗，粉塵隨沖洗液排出.[8-10]

1.2 WESP的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，WESP一般可分為兩種:一是管式濕式電除塵器，其集塵極為多根并列的多邊形管或圓形管，只能用于處理垂直流動的煙氣;二是板式靜電除塵器，其集塵極為平板狀，在極板表面可形成良好的水膜特性，電暈線在極板間均勻布置，既適用于處理水平流動的煙氣也適用于垂直流動的煙氣，其示意圖如圖2所示.對于給定的除塵效率，在電極長度相同的前提下，管式濕式靜電除塵器所允許的煙氣流速是板式濕式靜電除塵器的兩倍.總體來說，管式WESP比板式WESP效率更高且占用空間更少.[11-12]

圖2 板式靜電除塵器示意

根據(jù)極板材質(zhì)的不同，WESP大致可分為金屬極板濕式電除塵、導(dǎo)電玻璃鋼極板濕式電除塵、柔性極板濕式電除塵等類型.金屬極板WESP中的極板材質(zhì)多為不銹鋼，其結(jié)構(gòu)型式與常規(guī)干式靜電除塵器基本相同，該技術(shù)多為日本和歐洲公司(如三菱，日立，B＆W，SIEMENS等)采用.導(dǎo)電玻璃鋼極板WESP中的極板材料采用導(dǎo)電玻璃鋼FRP，收塵板結(jié)構(gòu)形式為管式，該技術(shù)多用于我國冶金及化工行業(yè)，國內(nèi)也有部分大型燃煤機(jī)組采用這種技術(shù)，如華能黃臺電廠、國電泰州二期工程等.柔性極板WESP采用了有機(jī)合成纖維作極板材料，被浸濕的纖維極板有了導(dǎo)電性，可用于收集煙氣中的霧滴，采用這種濕式靜電除塵器的項(xiàng)目有國電益陽電廠、滎陽電廠等.[13-14]

2 WESP的技術(shù)特點(diǎn)

相對于干式靜電除塵器，濕式靜電除塵器壓力損失小，耗能小，除塵效率高，并且操作簡單，可以避免二次揚(yáng)塵，沒有易損部件，具有維護(hù)費(fèi)用低、設(shè)計(jì)形式多樣、可在煙氣露點(diǎn)溫度以下工作等特點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)緊湊還可與其他煙氣治理設(shè)備相互結(jié)合.[15-17]

2.1 WESP 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)協(xié)同控制多種污染物效果好.濕式靜電除塵對重金屬(汞、砷、硒)、微細(xì)顆粒物(PM10粉塵及SO3氣溶膠)等有顯著的脫除效果，達(dá)到粉塵接近零排放的目標(biāo).[18-19]據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，單電場的WESP對HCl和H2SO4等亞微米氣溶膠顆粒物的脫除效率可達(dá)90% ～97%，雙電場的脫除效率可達(dá) 99%以上.粉塵排放低至 10 mg/m3，甚至5 mg/m3以下.[20]因此，WESP 能高效地去除煙氣中的多種污染物.[21]

(2)集塵極的粉塵由水膜沖洗，可以有效避免粉塵堆積和二次揚(yáng)塵的發(fā)生，消除反電暈現(xiàn)象，提高集塵極單位面積的除塵效率.

(3)沒有運(yùn)動部件，沒有易損件，大大降低了運(yùn)行維護(hù)工作量，可靠性高.[22]

(4)解決了濕法脫硫形成的“石膏雨”問題，解決了酸霧小顆粒導(dǎo)致的“大白煙”現(xiàn)象.

2.2 WESP 技術(shù)缺點(diǎn)

(1)不適合處理溫度過高的煙氣，如果煙氣溫度高于濕飽和溫度，會使集塵極液膜蒸發(fā)，使得粉塵顆粒變干燥，影響除塵效果.

(2)不適用于處理粉塵負(fù)荷和SOx濃度過高的煙氣，否則集塵極上的泥漿不易沖洗，過高的SOx濃度易引起電場部件發(fā)生低溫腐蝕.

(3)對電場及電場內(nèi)部構(gòu)件材質(zhì)有較高的耐腐蝕要求，造價相對較高.

(4)耗水量較高，需要增加循環(huán)水處理和排污水處理系統(tǒng).[23]

3 WESP的研究現(xiàn)狀

WESP對于煙塵特別是亞微米級的微細(xì)顆粒物具有高脫除效率，而且對于酸霧、重金屬(汞、鉻等)多種污染物有良好的脫除效果，因此受到廣泛重視.對于如何持續(xù)、安全、高效地脫除煙氣污染物，國內(nèi)外開展了大量研究，主要集中在影響脫除效率各因素、材料適用性和多種污染物聯(lián)合脫除等幾個方向.[24]

3.1 脫除效率各影響因素的研究

對于濕式靜電除塵效率的研究主要集中在微粒粒徑、停留時間、電極特性、電場伏安特性等影響因素對WESP脫除效率的影響.孟買理工學(xué)院研究了濕式靜電除塵器對納米級別顆粒物的脫除效率.美國辛辛那提大學(xué)在研究中發(fā)現(xiàn)，WESP除塵效率隨著停留時間的增長、電場強(qiáng)度的增大而提高.臺灣交通大學(xué)LIN G Y等人[25]研究比較了干式電除塵器與濕式電除塵器對油狀顆粒物脫除效率的差別，并研究了不同初始濃度對脫除效率的影響.BOLOGA A M 等人[26]提出了一種采用圓盤型電極的新型濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)，其電極周圍分布芒刺線有助于加強(qiáng)放電.

3.2 材料適用性研究

陽極板材料是影響 WESP發(fā)展的關(guān)鍵，首先，均勻水膜形成所需最小耗水量取決于陽極板材料表面的潤濕性能;其次，陽極板材料的耐腐蝕性也會對除塵器持續(xù)安全的工作產(chǎn)生重要影響.

為了使WESP中極板表面水膜均勻分布，國內(nèi)外主要從兩個方向?qū)O板材料進(jìn)行了研究.一種是用碳纖維織物或高分子織物材料替代昂貴的不銹鋼材料;另一種是通過極板表面鍍膜的方式改善表面潤濕性能.通過研究表明，兩種路線均有助于降低耗水量，但柔性材料織物表面紋理會影響清灰特性，而且在強(qiáng)度上弱于剛性材料，因此工程的應(yīng)用發(fā)展更傾向第2種.[27]

目前，對于除塵器中材料腐蝕的研究方法主要有失重法(三菱公司的Hidekatsu Fujishima等為代表)和電化學(xué)方法(日立公司的 Keigo Orita等為代表).研究表明，通過使用涂層材料來提高耐腐性能和改善潤濕特性，是目前除選用現(xiàn)有的抗腐蝕極板材料之外較為可行的辦法.[28-29]

3.3 多種污染物脫除研究

實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和測試結(jié)果表明，WESP不僅可以用于粉塵和酸霧等微細(xì)顆粒物的高效脫除，還可以協(xié)同脫除 SOx和重金屬等多種污染物.

TSENG C H等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不用添加劑條件下，SO2的脫除效率可達(dá)70%，隨水流量、電暈功率、入口SO2濃度和停留時間等因素的增加，脫除 SO2的效率會相應(yīng)提高.[30]YATAVELLI L N R研究了膜濕式靜電除塵器對可溶性汞脫除是否適用，研究結(jié)果表明，在溫度為140℃時二價汞離子的脫除效率可達(dá)97%.[31]

4 WESP的應(yīng)用

WESP最早在1907年開始應(yīng)用于硫酸和冶金工業(yè)生產(chǎn)中，1986年后應(yīng)用于燃煤電廠.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有50余套不同類型的WESP應(yīng)用于美國、歐洲及日本的電廠，主要用于微細(xì)固體顆粒物的控制，以及解決煙氣排放濁度、酸霧脫除等問題，被認(rèn)為是工業(yè)煙氣凈化系統(tǒng)中的最終精處理設(shè)備.WESP在國內(nèi)外部分電廠的應(yīng)用情況如表1所示.

美國 Bruce Mansfield電廠、AES Deepwater電廠、日本碧南等多家電廠的測試報告表明，WESP對PM2.5的去除效率均可高于90%，粉塵排放濃度可低于5 mg/Nm3，酸霧的去除率可超過90%，煙氣濁度可降低到10%以下.[32]

日本碧南電廠采用“SCR+ESP+MGGH+WFGD+WESP+MGGH”組合模式，實(shí)現(xiàn)了燃煤電廠污染物的超低排放，有效脫除了微細(xì)顆粒(PM10和PM2.5)、硫酸氣溶膠、有毒重金屬等多種煙氣污染物，減少了石膏雨的產(chǎn)生.其部分機(jī)組排煙處理裝置如圖3所示.據(jù)研究表明，[33]配置濕法脫硫系統(tǒng)(WFGD)和濕式電除塵器(WESP)的燃煤電廠可降低80%以上的顆粒物排放，WESP還有助于降低85%以上的SOx排放.這些方法的相互結(jié)合同時能夠?qū)⑿陆ㄈ济簷C(jī)組的濕煙囪煙氣混濁度降到10%以下.因此，WESP及其組合應(yīng)用在我國火電廠特別是大型燃煤電廠的煙氣污染物脫除領(lǐng)域有較為廣闊的發(fā)展空間.

表1 WESP在國內(nèi)外部分電廠的應(yīng)用

圖3 碧南電廠4#和5#機(jī)組排煙處理裝置和設(shè)計(jì)值

5 結(jié)語

燃煤電廠微細(xì)粉塵污染已經(jīng)越來越被廣泛重視，WESP作為火電廠高效除塵設(shè)備可以有效除去煙氣中 PM2.5，PM10，SOx氣溶膠等微細(xì)顆粒，以及汞等有毒重金屬，可以滿足煙囪出口含塵濃度低于10 mg/Nm3的要求，是目前一項(xiàng)較為成熟的技術(shù).國內(nèi)外學(xué)者主要從影響脫除效率各因素、材料適用性和多種污染物聯(lián)合脫除等方向，對如何應(yīng)用 WESP持續(xù)、安全、高效脫除污染物方面開展了大量研究.實(shí)際應(yīng)用表明，WESP與其他污染物控制設(shè)備的組合應(yīng)用，如SCR+ESP+MG-GH+WFGD+WESP+MGGH的組合型式可以進(jìn)一步提高煙塵脫除效率，實(shí)現(xiàn)多種污染物的超低排放.WESP的研究及應(yīng)用對于人類健康的保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義，因此在燃煤電廠污染物脫除領(lǐng)域有較為廣闊的發(fā)展空間.

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