湿式静电除尘器及其脱除烟气中汞的研究进展

丁承刚，罗汉成，潘卫国

(1.上海发电环保工程技术研究中心，上海 200090;2.上海电力学院，上海 200090;

3.上海电气电站环保工程有限公司，上海 201612)

电厂排放的大气污染物，如硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、细颗粒物和汞等，已经严重影响了人类的生存环境和身体健康，研究相应的控制技术显得很有必要.对于脱硫脱硝，目前已经有了比较成熟的湿法烟气脱硫(WFGD)和选择性催化还原(SCR)技术.对于汞的减排，目前已有的相关研究包括采用活性炭吸附剂[1]、飞灰吸收剂、改基吸收剂等，而采用湿式静电除尘器(WESP)来降低汞排放的相关研究则较少.

WESP最早由美国加利福尼亚大学化学教授COTTRELL F G提出，并于1907年运用于工业化除尘装置中.此后，该技术便不断发展，逐步运用在冶金制造、水泥生产、造纸、石油和火力发电等行业中.其中，对于燃煤电厂，WESP首次投入使用是在1986年，一般安装在脱硫系统的后面，主要用于脱除烟气中SO3水雾、细颗粒物等，脱除效率可达90%以上.另外，采用湿式静电除尘技术的另一个目的就是降低烟气的不透明度.[2]

对于烟气中汞的排放，早在2005年3月，美国作为世界上首个针对燃煤电站汞排放实施限制标准的国家，颁布了汞排放的相关控制标准.[3]我国最新出台的火电厂大气污染物排放标准也已经把降低汞的排放作为控制指标，[4]随着环保标准越来越严格，相应的汞减排技术亟需进一步发展.

1 湿式静电除尘器

1.1 原理简介

WESP的工作原理如下:金属放电线在直流高电压的作用下，在其周围发生电离，由此而产生的电晕电流向阳极流动.在流动过程中，如果碰到尘粒，则与尘粒结合形成带电粒子，这些粒子在电场中受到库仑力的作用而向阳极运动.当粒子运动到阳极表面时，便随流动的水膜水带走.其除尘过程可以归纳为以下4个阶段，[5]即:气体的电离;粉尘获得离子而荷电;荷电粉尘向电极移动;将电极上的粉尘清除.

湿式静电除尘器按结构分为管式和板式两种基本型式.[6]管式WESP的阳极板为多根并列的圆形或多边形金属管，放电极均匀分布在极板之间;板式 WESP的阳极板呈平板状，极板间的电晕线均匀布置.

1.2 技术发展

1.2.1 采用耐腐蚀金属板

传统的WESP阳极板材料一般选用硬性材料，如金属板、玻璃钢板等，这些材料使用一段时间后，会因为烟气的腐蚀使得阳极板出现斑点，影响其脱除效率.为此，ORITA K 等学者[7]提出采用耐腐蚀的合金来克服此问题.他们选用了S30400， S31703， S32506， S31727， S32053，N06022，N10276等7种材料来做研究，并运用电化学测量法、应力腐蚀测试法和缝隙腐蚀法来对不同材料的耐腐蚀性能进行测试.其实验结果表明，S32053抗腐蚀性能好且成本较低，适用于高硫煤、SO3酸雾的pH值在0.5～1之间的情况;若pH值低于0.5，则可以采用N06022或N10276.

1.2.2 采用柔性纤维阳极板

阳极板除了采用金属材料外，还可以采用碳纤维、硅纤维和柔性绝缘疏水纤维等，[8]其中采用柔性纤维材料是我国近年来研究WESP的一个方向.

常景彩等人[9]对采用聚丙烯纤维(丙纶)和涤纶材料作为阳极的WESP做了相关研究.该类材料能够克服水膜布置不均匀的问题，且成本较低、耐酸碱、耐腐蚀.他们针对丙纶和涤纶这两种材料的液滴浸入扩散动力学特性进行研究(通常认为接触角越小，润湿性能越好，润湿速度越快)，结果表明:

(1)水液滴与丙纶织物之间接触角为136.2°，与涤纶织物的液体接触角为 52.5°;乙醇液滴与丙纶织物的接触角为41.9°，与涤纶织物的接触角为 46.5°.

(2)在扩散初期，重力的影响作用较为明显;到扩散后期，液滴表面张力、黏度和惯性力则对液滴扩散特性的影响较大.

1.2.3 脱除极细颗粒物

为了处理极细颗粒物或粘稠的细颗粒物，MIKROPUL H等人[10]研究出了一种湿式静电除尘器——WEP-TR.它有以下特点:

(1)阳极板表面不会形成灰层，从而能够避免火花放电和二次扬尘;

(2)管内的电场能够持续保持荷电状态，降低了使用辅助设备的可能;

(3)低压冲刷液膜可以在阳极板上形成，便于使用非导电性材料来适应酸性环境.

WEP-TR的收尘管采用耐腐蚀的聚氯乙烯(PVC)材料.洗涤液冲刷收尘管的内表面，在冲刷过程中形成的水膜会将荷电的颗粒物脱除.

1.2.4 其他技术

BOLOGA A等人[11]设计了一种带有电晕气溶胶分离器(CAROLA)的新型湿式静电除尘器，由高强度电离区和接地的无场收尘区组成，如图1所示.电离部分由安装有短管电极的带孔接地板组成，收尘部分由一个安装在电离区下游的堆原料的塔组成.

图1 CAROLA-WESP结构

1.3 应用情况

美国作为研究WESP最早的国家，已经在湿式静电除尘器污染物控制方面取得了很多成果，目前已经在很多电厂中拥有成功的运行经验.如2000年NB电力公司Dalhousie电厂315 MW容量WFGD系统的WESP改造，2002年NB电力公司Coleson Cove电厂的3×350 MW机组的WESP和2001年 Xcel能源公司 Sherburne电厂两台750 MW的机组安装WESP等.以Sherburne电厂为例，该 WESP采用双电场结构，每个电场12个模块各自对一台机组进行烟气的不透明度控制.运行结果表明，该 WESP能够将烟气的不透明度控制在10%的水平，大大低于之前40%的水平.[12]目前，WESP已在我国诸多燃煤机组上投入使用，具有良好的发展前景.

2 利用WESP脱除烟气中汞的研究

2.1 汞在烟气中的形态分布

联合国环境规划署(UNEP)早在2002年对全球汞的评估中就表明:燃煤电厂汞的排放量是人为汞排放的最大来源.烟气中汞的形态分为元素汞、二价汞和颗粒汞.其中，颗粒汞可以通过除尘设备较容易脱除，二价汞由于水溶性也比较容易控制，而元素汞由于挥发性强且不溶于水很难被脱除.对于元素汞，可以考虑采用吸附剂或者将其氧化的方法来进行间接脱除.[13-14]

2.2 美国BMP电厂使用WESP脱除汞的效果

美国能源部的国家能源技术实验室曾在2002年10月资助了一个“利用膜式湿式电除尘器对多种污染物脱除效率”的项目，选择的燃煤电厂便是美国 BMP电厂.该厂安装了两台WESP，一台是316L不锈钢金属WESP，另一台是丙纶纤维材料WESP，均安装在烟气脱硫(FGD)装置后面.其中，前者阳极板为圆管式，后者阳极板为板式.以上两种WESP进出口汞测试数据均采用OHM法(Ontario Hydro Method)测得，且均以烟气流量为13 600 m3/h所得测试数据作比较.[15]

(1)采用316L的WESP脱汞的测试结果

烟气流量为13 600 m3/h时采用316L的金属管式WESP的进出口脱汞数据如表1所示.

表1 金属管式WESP脱汞测试数据

由表1可知，在总汞含量中，元素汞占比最大.计算3组采样的元素汞占比分别为79.94%，79.90%，77.21%.对于元素汞，入口浓度平均值为 6.23 μg/m3，出口浓度平均值为 4.03 μg/m3，脱除效率平均值为36%.对于氧化汞，入口浓度平均值为 1.63 μg/m3，出口浓度平均值为 0.4 μg/m3，脱除效率平均值为76%.对于颗粒汞，脱除效率平均值为67%.

(2)采用丙纶的WESP脱汞的测试结果

烟气流量为13 600 m3/h时采用丙纶的板式WESP脱汞数据，如表2所示.

表2 板式WESP脱汞测试数据

比较表1和表2可知，采用丙纶的WESP对元素汞的脱除效率与采用316L的WESP相差无几，这表明对于元素汞的脱除，阳极板是金属还是纤维材料，影响并不大.而对于氧化汞和颗粒汞，采用丙纶的WESP对汞脱除效果要好些.

2.3 干式ESP后布置WESP

对于燃烧低硫分的次烟煤或褐煤的电厂，烟气中绝大部分汞以元素汞的形式存在，因此可以采用干式ESP作为一级除尘装置.由于干式ESP不能有效收集细颗粒物，故在其后安装WESP，而且WESP还对汞有一定的脱除作用.这种干湿混合静电除尘器的布置方式可以在烟气饱和露点温度以上运行，而且烟气温度比常规干式ESP出口温度低，避免了管道、烟囱腐蚀，有利于挥发性杂质的凝结.[16-18]

2.4 等离子增强型WESP

为了处理烟气汞排放的问题，MSE技术应用公司(MSE)和CR洁净空气技术公司(CRCAT)合作开发了一种新技术，将脉冲等离子体技术运用于 WESP，称作 PEESP.MONTGOMERY J L 等人[19]对此进行了实验研究.最初测试结果表明，PEESP能够脱除模拟烟气中90%以上的元素汞.该技术的原理为通过中心电晕极向烟气中注入一种反应剂气体，这种气体在电晕极可以产生一种反应物将元素汞氧化，从而形成细颗粒物或二价汞，进而被脱除.其特点如下:

(1)可以直接对现有的干、湿式静电除尘器进行改造，不需要额外的投资和土地设施，而且保持汞控制的成本较低;

(2)满足了美国环境保护局(EPA)所要求的汞还原效率;

(3)不需要增加压降，且使用蒸汽和氧气作为试剂气体;

(4)没有移动的构件，降低了维护费用;

(5)可以和FGD系统联合脱除汞.

3 结论

(1)湿式静电除尘器作为火电厂污染物控制设备，具有能够高效脱除细颗粒物、运行可靠和无二次扬尘的优点，今后必然能够对降低我国大气污染物排放做出贡献.

(2)传统WESP的阳极材料，如金属板等，由于其腐蚀性的问题会导致脱除效率下降，目前已经研究出了耐腐蚀的阳极材料，如合金 S32053等;新型阳极板材料，如碳纤维、硅纤维和柔性纤维等，这是近年来我国高效除尘研究的一个方向，其效果良好.具体采用哪种阳极板材料使建造和运行费用最合理，需要考虑到各个电厂不同的情况.

(3)采用WESP对颗粒汞和氧化汞的脱除效果较明显，对元素汞的脱除效率较低，这跟其本身的特性有关;干湿混合静电除尘器的布置方式也可以降低汞的排放;等离子增强型WESP是通过中心电晕极向烟气中注入一种反应剂气体来使元素汞氧化，进而将其脱除.

[1]STEWART R.The ADESORB process for economical production of sorbents for mercury removal from coal fired power plants[R].USA:Littleton CO，2008.

[2]STAEHLE R，TRISCORI R，KUMAR K，et al. Wet electrostatic precipitators for high efficiency control of fine particulates and sulfuric acid mist[C]∥Institute of Clean Air Companies(ICAC)Forum.Nashville:Tennessee，2003.

[3]O'DOWD W J，PENNLINE H W，FREEMAN M C，et al.A technique to control mercury from flue gas:The thief process[J]. Fuel Processing Technology，2006，87(12):1 071-1 084.

[4]环境保护部.GB 13223—2011火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社，2011:4-8.

[5]闫君.湿式静电除雾器脱除烟气中酸雾的试验研究[D].济南:山东大学，2010.

[6]刘鹤忠，陶秋根.湿式电除尘器在工程中的应用[J].电力勘测设计，2012(3):43-47.

[7]ORITA K，SHIROMARU N.Evaluation of corrosion-resistant alloys for wet electrostatic precipitator[M].Electrostatic Precipitation.Springer Berlin Heidelberg，2009:495-498.

[8]常景彩，张立强，李志强，等.柔性集尘极应用于湿法脱硫烟气深度净化的试验研究[J].环境污染与防治，2012，34(11):1-4.

[9]CHANG J C，DONG Y，WANG P，et al.Removal of coalfired pollutants in wet electrostatic precipitators with flexible collection electrodes[C]∥ Proceedings of the 2010 International Conference on Logistics Engineering and Intelligent Transportation Systems.Wuhan:IEEE，2010:1-4.

[10]MIKROPUL H. Innovative wet electrostatic precipitator technology[J].Filtration and Separation，1998，35(5):433.

[11]BOLOGA A，PAUR H，LEHNER M，et al.Collection of fine particles by novel wet electrostatic precipitator[J]. Industry Applications，2009，45(6):2 170-2 177.

[12]KUMAR K.Analysis of wet ESP performance at Xcel Energy’s Sherburne County Generating Station[C]∥Proceedings of the 7thInternational Conference on Electrostatic Precipitation.Birmingham，Alabama，2001.

[13]赵毅，薛方明，董丽彦，等.燃煤锅炉烟气脱汞技术研究进展[J].热力发电，2013(1):9-12.

[14]刘飞.ESP弱电离场——卤硫化物协同氧化燃煤烟气中零价汞的研究[D].上海:上海交通大学，2011.

[15]REYNOLD J，BAYLESS D L，CAINE J. Multi-pollutant control using membrane-based up-flow wet electrostatic precipitation[R].DOE Final Report，Akron，Ohio:Ohio University，2004.

[16]田贺忠.利用湿式静电除尘器(ESP)脱除汞[J].国际电力，2006，9(6):62-64.

[17]REYNOLD J.Mercury removal via wet ESP[J]. Power，2004(8):54-59.

[18]ALTMAN R，BUCKLEY W，RAY I.Multi-pollutant control with dry-wet hybrid ESP technology[C]∥Proceedings of the Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium.Washington DC，2003.

[19]MONTGOMERY J L，BATTLESON D B，WHITWORTH C G，et al. Latest developments of the plasma-enhanced electrostatic precipitator for mercury removal in coal-fired boiler flue gas[C]∥Air Quality III Conference，2002.