燃煤锅炉 PM2.5治理技术

蒋 涛，白慧莉，陈 超

（1.陕西省西安市环境保护局，陕西 西安 710021；2.陕西省铜川市环境监测站，陕西 铜川 727000）

1 引言

研究显示，燃煤污染对PM2.5的贡献率约占20%～25%，是影响空气质量优劣的重要因素［1］。燃煤锅炉烟气特点在于：燃煤锅炉生产地点固定，生产过程集中，生产节奏较强，便于烟气处理和操作；烟尘排量大；由于燃煤锅炉24h不间断生产，故烟气连续排放；烟尘粒度为0.3～200μm，其中小于5μm的占粉煤灰总量的20%。

气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康的危害甚至要比沙尘暴更大［2］。粒径10μm以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在2.5～10μm之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5μm以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的1／10大小，不易被阻挡。被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。每个人每天平均要吸入约1万升的空气，进入肺泡的微尘可迅速被吸收、不经过肝脏解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，会损害血红蛋白输送氧的能力，丧失血液。中国工程院院士、中国环境监测总站原总工程师魏复盛研究结果还表明，PM2.5和PM10浓度越高，儿童及其双亲呼吸系统病症的发生率也越高，而PM2.5的影响尤为显著［3］。世界卫生组织在2005年版《空气质量准则》中也指出：当PM2.5年均浓度达到每立方米35μg时，人的死亡风险比每立方米10μg／m3的情形约增加15%。一份来自联合国环境规划署的报告称，PM2.5每立方米的浓度上升20mg，中国和印度每年会有约34万人死亡。

因此，控制细颗粒物排放是迫切需要解决的关键问题，也是国家节能减排战略的重大需求。2012年，环保部首次制定出 PM2.5标准，将各方争议的 PM2.5、臭氧（8h浓度）纳入常规空气质量评介，并收紧了PM10、氮氧化物等标准限值。很显然，从制定标准到彻底改善环境还有很长的一段路要走，但这是一个良好的开端。下面将介绍几种目前主流的最有应用前景的PM2.5脱除设备。

2 主要 PM2.5脱除设备

2.1 电袋复合除尘器

电袋复合除尘器，是一种有机集成静电除尘和过滤除尘两种除尘机理的新型节能高效除尘器［4］。电袋复合除尘器是在一个箱体内，有规律地布置电场和袋场，达到低排放、节能的目的。自20世纪中叶人们提出将两种高效的除尘方式有机结合在一起，开发一种更加高效的新型除尘器以来，“静电布袋”联合除尘的理论已经比较成熟，迄今主要有以下3种联合除尘方式。

2.1.1 “预荷电＋布袋”形式

含尘气流先通过预荷电区，在高压电场中，粉尘充分荷电并凝并成较大的粒子，然后由袋式除尘器收集。还有的在袋式除尘器内设置电场，可加与荷电尘粒极性相同的电场，也可加与荷电尘粒极性相反的电场。极性相同时，电场力与流场力相反，尘粒不断透过纤维层，效率很高，同时由于排斥作用，沉积于滤袋表面的粉尘层较疏松，过滤阻力减小，使清灰变得更容易一些。

2.1.2 “静电布袋”并列式

这种方式是将一排袋滤器和一组电极相间排列，实现了电除尘与袋式除尘机理的有机融合，其形式如图1所示。它既适用于新建的设备，也适用于老电除尘器的改造。

图1 并列式静电－布袋除尘器

2.1.3 “静电布袋”串联式

这种形式的联合除尘方式，前级收尘为电除尘，后级为袋式除尘（图2）。这种除尘器特别适用于已投产不达标、场地受到限制的电除尘器的改造，一般情况是保留原电除尘器的前级电场，将后级电场改为袋式除尘。由于不增加原电除尘器的宽度、高度，改造的工作量小，施工周期短，投资可低于单独采用袋式除尘器或电除尘器的费用，同时排放质量浓度可长期稳定保持在50mg／m3以下，性能优越。

图2 串联式静电布袋除尘器

2.2 湿式静电协同除尘器

湿式静电协同除尘器（WESP）对粉尘的捕集原理与干式静电除尘器（ESP）基本相同，都是采用电晕放电的方法使气体发生电离［5］，产生正离子和自由电子，在放电机和集尘极形成稳定的电晕，使该区域的粉尘颗粒荷电，最终被集尘极捕集。但在捕集粉尘的清灰方式上WESP采用冲刷冲洗集尘极表面凝结形成一层液膜，进而清除捕集的粉尘颗粒；干式ESP则采用机械振打的方式清除集尘极上的积灰。相比而言，湿式静电除尘器得到更为广泛的应用。而在日常生产运行中，电除尘器会经常出现一些故障，降低了设备的运行效率，影响到生产正常进行。

常见湿式电除尘器为管式除尘器，主要由沉淀极、电晕极、绝缘子箱、冲洗装置和煤气分布装置构成［6］。沉淀极由相切管束构成，是电除尘器的正极，煤气中的焦油和尘粒由此捕集。电晕极多由镍铬合金制成，被上下吊架拉伸到每个沉淀管的中心，电晕极上的高压电将煤气分子电离，负离子附着在焦油和尘埃上，被沉淀极所吸引，从而达到去除焦油和尘粒的目的。电晕极通过高压电线与高压电源相连，而高压电线则通过穿墙套管和柱形绝缘子，接入高压电源，并承吊电晕极。绝缘子箱夹套内通入蒸汽，给绝缘子保温，减轻煤气对其表面的污染，延长使用寿命。冲洗装置由连续冲洗装置和间接冲洗装置组成。连续冲洗水在沉淀管内壁上形成8～10mm厚的均匀水膜，冲洗沉淀极捕集下来的焦油；间接冲洗水有较高的压力和流量，可较彻底地冲去黏在管壁上的焦油。煤气分布装置位于电除尘的底部，由2～3层煤气分布筛板构成，起到均匀布气的作用。

目前主要有3种设计方式的WESP。

2.2.1 垂直烟气流独立布置

这种方式的系统可以模件形式供货，然后在现场以多种形式链接起来，这种设计便于安装和维护，广泛应用于工业领域中，但其需要提供专门的布置空间，AES Deepwater电厂应用的就是这种方式。

2.2.2 水平烟气流独立布置

这种方式也被提供给电厂或类似的工业领域，作为模块式的设计会有困难，与垂直烟气流独立布置方式一样，该布置也需要独立的空间。Dakota煤气厂就是应用这种方式。

2.2.3 烟气垂直流与WFGD系统整体式布置

这种方式是近年来 WESP最常用的布置方式，同时成本和运行费用也是最低的，占地面积也很小。Dalhousie电厂和Coleson Cove电厂用的就是这种方式。

对于 WESP来说，结构材料的选用一直是最主要的问题，在20世纪90年代中期，典型的用于酸雾控制的WESP通常采用防腐的铅作集尘器和用铅包裹的高压电极（板和管子），用铅保护低碳钢的高压支撑系统，以及用铅在金属矿表面烧熔并覆盖从而保护金属板和框架不受酸性烟气流的腐蚀。但铅的机械性能较差，且在运行温度高于65.6℃时，铅易于加速机械故障，这些问题导致几乎每次停机都需要彻底地保养和维修。目前诸如含6%的钼钢、C－276等级的合金钢都在 WFGD系统中得到广泛的应用。美国俄亥俄州立大学研发的利用织物薄膜取代传统金属集尘极的薄膜湿式静电除尘技术可使成本更低，且防腐性能更佳。

2.3 静电颗粒层协同除尘器

静电增强颗粒层除尘器是在颗粒床层中施加静电，利用静电吸引和其他几种机理的共同作用，促使粉尘向颗粒床层渗透，提高床层的利用率，从而提高除尘效率。

静电颗粒层除尘器（EGB）是一种高效可行的除尘设备，早在19世纪就开始采用颗粒材料过滤流体中的粉尘和杂质，在水泥、炼焦、化工和冶金业得到广泛运用［7］。其具有耐高温和高效性等特点，在IGCC和PFBC燃煤联合循环发电系统燃气轮机入口烟气净化方面得到了重点研究。

静电颗粒层除尘器的主要优点是：①耐高温、抗磨损、耐腐蚀；②过滤效率受粉尘比电阻的影响较小，除尘效率较高；③能够净化易燃易爆的含尘气体，并可以除去SO2等多种污染物；④维修费用低。因此广泛用于高温烟气的净化。静电颗粒层除尘器的性能有除尘效率、床层阻力和过滤风速，影响静电颗粒层除尘器的主要因素是床层颗粒的粒径和床层的厚度。实践证明：颗粒的粒径越大，床层的孔隙率也越大，粉尘对床层的穿透越强，除尘效率越低，但阻力损失也比较小；反之，颗粒的粒径越小，床层的孔隙率越小，除尘的效率就越高，阻力也随之增加。因此在阻力损失允许的情况下，为提高除尘效率，最好选用小粒径的颗粒。床层的厚度增加以及床层内粉尘层增加，除尘效率和阻力损失也会随之而增加。选择合适的颗粒粒径配比和最佳的床层厚度是保持颗粒层除尘器良好性能的重要因素。

静电颗粒层协同除尘器主要是在传统颗粒层除尘器上依据现场条件选择一种荷电方式以便达到合理高效协同除尘。目前只有清华大学、武汉大学等少数高校研究其机理，尚未见工业应用报道。

2.4 静电旋风协同除尘器

静电增强旋风分离器的基本思想就是在旋风分离器空腔主轴上加入电晕极，在其周围能产生较高的电子密度Ni和较强的电场力E，增强对细颗粒的控制作用。若近似地把其看做是串联，那么在下行流区旋风分离起主要作用，脱除掉较大的颗粒，未能分离的小颗粒将随气流进入上行区，上行区离电晕极较近，这将使其受到更强的电场力而径向运动到下行流区直至撞到壁面被捕获。由于下行流区同样受到静电力的作用，对大颗粒的分级效率也将提高，如图3所示。

图3 静电增强旋风分离器

纪万里等的实验显示，当风速为8m／s时，1μm粒径的分级效率从不加电时的35.5%上升到90.6%；而15μm的升高幅度也达到8.2%［8］。实践中，这种方式容易出现两种机理的冲突。如对于入口风速，若太大，颗粒停留时间短，静电作用降低，分级效率与旋风分离器的效率相似；太小，旋风作用减弱，在较低风速下还会出现类似静电作用下的某段粒径分级效率“低谷”。

王志等的实验显示，电场为10～25kV时，当风速达到16m／s时，总效率与不加电场时相同［9］。总的来说，在一个较大风速范围内，效率随着风速的降低会有所升高。另外，此种系统还有其他一些特点。比如，效率与入口浓度关系不大，在气体负荷较低的情况下仍能保持较高的除尘效率，可适应负荷变动较大的工况。高速气流能起到清灰作用，能有效防止后电晕发生，对各种比电阻都有较好的适应性。

现在，国内已有研究人员开始研究在系统中使用脉冲供电技术。所谓脉冲供电技术就是在向除尘器提供的基础电压上叠加一定重复频率、宽度很窄而电压峰值很高的脉冲电压。由荷电机理计算可知，颗粒荷电决定于Nit，脉冲电压能在短时间内产生高密度电子使颗粒荷电饱和，这一方面提高了颗粒荷电，节约电能；另一方面，也对克服高比阻粉尘形成反电晕现象很有作用。

静电协同旋风除尘器系统对PM2.5有较显著作用，对于已具有旋风分离器或有特殊要求必须使用旋风分离器而又对细颗粒要求高的情况，可参考此系统进行改造或新建，并建议使用脉冲供电方式，降低运行能耗，减少运行成本。

2.5 旋转填充床湿式除尘器

旋转填充床（rotating packed bed，简称 RPB），又称超重机，是一种用离心力强化传递、混合及分离的新型设备。其组成结构如图4所示。用电机带动一个填有填料（金属或非金属）的环形转子旋转，液相由转子内缘进入并在比重力加速度大得多的离心加速度环境下，向外缘高速运动最终被甩出转子，气相从转子最外层进入与液体逆向接触，并由转子中心离开。旋转填充床不仅是一种非常高效的强化传递过程的设备，而且是一种高效的混合或分离的设备，它可用于气－液、气－固、液－固、液－液和气－液－固多相系统［10］。

图4 旋转床结构示意简图

旋转填充床除尘是湿法除尘过程，气液在填料层中做逆向接触进行除尘，与纤维填料床洗涤器类似。但转旋的填料使液滴更小、分布更均匀，同时气液相对运动加大，对粉尘的捕集效果更好。在转子与外壳之间，由转子甩出的液体与气相之间接触进行除尘，类似喷淋式洗涤器。由于填料层内的气液流动特性有利于液体对粉尘的捕集作用，因此旋转填充床除尘有如下特点：

（1）除尘作用必然发生在气液接触的界面上，气、液之间相界面越大除尘效果越好，RPB中气液界面并非只有填料的表面，还有在填料自由空间中的液滴、液丝和液膜，因此除尘效果极佳；

（2）在填料自由空间中，气体以快于填料的切向速度运动，而液体以慢于填料切向速度运动，因而两者相对运动的速率较大，这有利于粉尘与液体之间有效碰撞概率的增大，大大提高了除尘效果；

（3）气体与液体之间并非沿法线方向运动，还有很大的旋转运动，相当于加长了气液接触的途径，提高了除尘效果；

（4）在转子外缘处存在气体的端效应区，此处气相无边界层，将有利于粉尘与液体的接触，使粉尘易于捕集。

3 结语

现在国内许多燃煤锅炉的除尘系统将在不久的将来进行改造，以适应对PM2.5的脱除要求。因此，根据颗粒物特性及现场要求，可以选取一种或多种除尘设备进行联合除尘，而采用传统方式相互组合的工艺，则是高效脱除PM2.5，并能很快在工业上运用的技术。

［1］金银龙，何公理，刘 凡，等.中国煤烟型大气污染对人群健康危害的定量研究［J］.卫生研究，2002，5.

［2］白志鹏，蔡斌彬，董海燕，等.灰霾的健康效应［J］环境污染与防治.2006（3）.

［3］郭 涛，马永亮，贺克斌.区域大气环境中PM2.5／PM10空间分布研究［J］.环境工程学报，2009（1）.

［4］刘金荣.“静电－布袋”联合除尘在燃煤电厂的应用前景［J］.工业安全与环保，2006，32（11）.

［5］吕 馨.William Chabek.湿式静电除尘器IWS技术及在工业废气治理中的运用［J］.环境工程，2013（1）.

［6］鄢小虎，廖 洁.我国常用除尘器的应用现状［J］.环境技术，2005（3）.

［7］黄 斌，姚 强，李水清.静电增强脱除PM2.5研究进展［J］.电站系统工程，2003（6）.

［8］纪万里，叶 龙，冯海燕.一种新型静电强化旋风除尘器的研究［J］.环境工程，2000（6）.

［9］王 志，栾昌才.静电旋风除尘器除尘性能的研究［J］.煤矿安全，2000（1）.

［10］宋云华，陈建铭，付纪文.旋转填充床除尘技术的研究［J］.化工进展，2003（5）.