湿式静电除尘器在燃煤电厂的应用前景

王沛迪，王雪涛，刘 予，任建兴

(上海电力学院 能源与机械工程学院，上海 200090)

随着工业的快速发展，大气污染物的排放也日渐增加，近年来我国各地不断出现的大规模雾霾天气给人们的健康生活带来了极大影响.据统计，燃煤电厂的烟尘排放量在我国各个行业中所占的比例最高.[1]在绿色环保的大环境下，最新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》GB13223—2011中规定，我国火电厂粉尘排放量不得高于30 mg/m3，重点地区的火电厂烟尘排放不得超过20 mg/m3.实验表明，脱硫塔入口和出口的烟尘颗粒中，PM2.5和PM10的质量比分别为0.43和0.73，这说明一般静电除尘设备对细灰捕集效率不高，粒径分布向小颗粒方向变化.[2-3]

单纯的干式静电除尘器较难满足最新的排放标准，特别是对社会关注度较高的 PM2.5和PM10，干式静电除尘器的除尘效果更是达不到要求.根据国外烟尘治理的先进技术和经验，湿式静电除尘器(Wet Electrostatic Precipitator，WESP)对酸雾、有毒重金属以及微细粉尘，特别是PM10和PM2.5有良好的脱除效果，同时湿式电除尘还有高效除尘和污染物联合脱除的优势.目前，大多数燃煤电厂采用湿法脱硫技术，这为WESP在燃煤电厂中的应用创造了有利条件.因此，湿式静电除尘器可以作为一种多种污染物联合控制和高效除尘的可靠技术应用于燃煤电厂中.[4-7]

1 WESP的原理与分类

1.1 WESP的技术原理

湿式静电除尘器和干式静电除尘的除尘原理大致相同，都是经过粉尘颗粒荷电、收集、清灰3个阶段，即烟气中的粉尘通过高压电源放电荷电，吸附负离子的粉尘颗粒在电场力的作用下与气流分离向集尘极运动，被吸附至极板或者极线表面，而喷出的水雾在集尘极表面形成连续水膜，捕集到的粉尘随冲洗液流至灰斗中，从而使得烟气净化，具体如图1所示.

图1 WESP技术原理示意

与干式静电除尘器相比，WESP在清除集尘极上捕集到的烟尘的方式上有较大区别.干式ESP一般采用机械振打或者声波清灰等方式清除积灰，而湿式静电除尘器则是利用液体对集尘极表面的积灰进行冲洗，粉尘随冲洗液排出.[8-10]

1.2 WESP的分类

根据结构的不同，WESP一般可分为两种:一是管式湿式电除尘器，其集尘极为多根并列的多边形管或圆形管，只能用于处理垂直流动的烟气;二是板式静电除尘器，其集尘极为平板状，在极板表面可形成良好的水膜特性，电晕线在极板间均匀布置，既适用于处理水平流动的烟气也适用于垂直流动的烟气，其示意图如图2所示.对于给定的除尘效率，在电极长度相同的前提下，管式湿式静电除尘器所允许的烟气流速是板式湿式静电除尘器的两倍.总体来说，管式WESP比板式WESP效率更高且占用空间更少.[11-12]

图2 板式静电除尘器示意

根据极板材质的不同，WESP大致可分为金属极板湿式电除尘、导电玻璃钢极板湿式电除尘、柔性极板湿式电除尘等类型.金属极板WESP中的极板材质多为不锈钢，其结构型式与常规干式静电除尘器基本相同，该技术多为日本和欧洲公司(如三菱，日立，B＆W，SIEMENS等)采用.导电玻璃钢极板WESP中的极板材料采用导电玻璃钢FRP，收尘板结构形式为管式，该技术多用于我国冶金及化工行业，国内也有部分大型燃煤机组采用这种技术，如华能黄台电厂、国电泰州二期工程等.柔性极板WESP采用了有机合成纤维作极板材料，被浸湿的纤维极板有了导电性，可用于收集烟气中的雾滴，采用这种湿式静电除尘器的项目有国电益阳电厂、荥阳电厂等.[13-14]

2 WESP的技术特点

相对于干式静电除尘器，湿式静电除尘器压力损失小，耗能小，除尘效率高，并且操作简单，可以避免二次扬尘，没有易损部件，具有维护费用低、设计形式多样、可在烟气露点温度以下工作等特点，由于结构紧凑还可与其他烟气治理设备相互结合.[15-17]

2.1 WESP 技术优点

(1)协同控制多种污染物效果好.湿式静电除尘对重金属(汞、砷、硒)、微细颗粒物(PM10粉尘及SO3气溶胶)等有显著的脱除效果，达到粉尘接近零排放的目标.[18-19]据研究发现，单电场的WESP对HCl和H2SO4等亚微米气溶胶颗粒物的脱除效率可达90% ～97%，双电场的脱除效率可达 99%以上.粉尘排放低至 10 mg/m3，甚至5 mg/m3以下.[20]因此，WESP 能高效地去除烟气中的多种污染物.[21]

(2)集尘极的粉尘由水膜冲洗，可以有效避免粉尘堆积和二次扬尘的发生，消除反电晕现象，提高集尘极单位面积的除尘效率.

(3)没有运动部件，没有易损件，大大降低了运行维护工作量，可靠性高.[22]

(4)解决了湿法脱硫形成的“石膏雨”问题，解决了酸雾小颗粒导致的“大白烟”现象.

2.2 WESP 技术缺点

(1)不适合处理温度过高的烟气，如果烟气温度高于湿饱和温度，会使集尘极液膜蒸发，使得粉尘颗粒变干燥，影响除尘效果.

(2)不适用于处理粉尘负荷和SOx浓度过高的烟气，否则集尘极上的泥浆不易冲洗，过高的SOx浓度易引起电场部件发生低温腐蚀.

(3)对电场及电场内部构件材质有较高的耐腐蚀要求，造价相对较高.

(4)耗水量较高，需要增加循环水处理和排污水处理系统.[23]

3 WESP的研究现状

WESP对于烟尘特别是亚微米级的微细颗粒物具有高脱除效率，而且对于酸雾、重金属(汞、铬等)多种污染物有良好的脱除效果，因此受到广泛重视.对于如何持续、安全、高效地脱除烟气污染物，国内外开展了大量研究，主要集中在影响脱除效率各因素、材料适用性和多种污染物联合脱除等几个方向.[24]

3.1 脱除效率各影响因素的研究

对于湿式静电除尘效率的研究主要集中在微粒粒径、停留时间、电极特性、电场伏安特性等影响因素对WESP脱除效率的影响.孟买理工学院研究了湿式静电除尘器对纳米级别颗粒物的脱除效率.美国辛辛那提大学在研究中发现，WESP除尘效率随着停留时间的增长、电场强度的增大而提高.台湾交通大学LIN G Y等人[25]研究比较了干式电除尘器与湿式电除尘器对油状颗粒物脱除效率的差别，并研究了不同初始浓度对脱除效率的影响.BOLOGA A M 等人[26]提出了一种采用圆盘型电极的新型湿式静电除尘器结构，其电极周围分布芒刺线有助于加强放电.

3.2 材料适用性研究

阳极板材料是影响 WESP发展的关键，首先，均匀水膜形成所需最小耗水量取决于阳极板材料表面的润湿性能;其次，阳极板材料的耐腐蚀性也会对除尘器持续安全的工作产生重要影响.

为了使WESP中极板表面水膜均匀分布，国内外主要从两个方向对极板材料进行了研究.一种是用碳纤维织物或高分子织物材料替代昂贵的不锈钢材料;另一种是通过极板表面镀膜的方式改善表面润湿性能.通过研究表明，两种路线均有助于降低耗水量，但柔性材料织物表面纹理会影响清灰特性，而且在强度上弱于刚性材料，因此工程的应用发展更倾向第2种.[27]

目前，对于除尘器中材料腐蚀的研究方法主要有失重法(三菱公司的Hidekatsu Fujishima等为代表)和电化学方法(日立公司的 Keigo Orita等为代表).研究表明，通过使用涂层材料来提高耐腐性能和改善润湿特性，是目前除选用现有的抗腐蚀极板材料之外较为可行的办法.[28-29]

3.3 多种污染物脱除研究

实际运行的经验和测试结果表明，WESP不仅可以用于粉尘和酸雾等微细颗粒物的高效脱除，还可以协同脱除 SOx和重金属等多种污染物.

TSENG C H等人的实验结果表明，在不用添加剂条件下，SO2的脱除效率可达70%，随水流量、电晕功率、入口SO2浓度和停留时间等因素的增加，脱除 SO2的效率会相应提高.[30]YATAVELLI L N R研究了膜湿式静电除尘器对可溶性汞脱除是否适用，研究结果表明，在温度为140℃时二价汞离子的脱除效率可达97%.[31]

4 WESP的应用

WESP最早在1907年开始应用于硫酸和冶金工业生产中，1986年后应用于燃煤电厂.据不完全统计，已有50余套不同类型的WESP应用于美国、欧洲及日本的电厂，主要用于微细固体颗粒物的控制，以及解决烟气排放浊度、酸雾脱除等问题，被认为是工业烟气净化系统中的最终精处理设备.WESP在国内外部分电厂的应用情况如表1所示.

美国 Bruce Mansfield电厂、AES Deepwater电厂、日本碧南等多家电厂的测试报告表明，WESP对PM2.5的去除效率均可高于90%，粉尘排放浓度可低于5 mg/Nm3，酸雾的去除率可超过90%，烟气浊度可降低到10%以下.[32]

日本碧南电厂采用“SCR+ESP+MGGH+WFGD+WESP+MGGH”组合模式，实现了燃煤电厂污染物的超低排放，有效脱除了微细颗粒(PM10和PM2.5)、硫酸气溶胶、有毒重金属等多种烟气污染物，减少了石膏雨的产生.其部分机组排烟处理装置如图3所示.据研究表明，[33]配置湿法脱硫系统(WFGD)和湿式电除尘器(WESP)的燃煤电厂可降低80%以上的颗粒物排放，WESP还有助于降低85%以上的SOx排放.这些方法的相互结合同时能够将新建燃煤机组的湿烟囱烟气混浊度降到10%以下.因此，WESP及其组合应用在我国火电厂特别是大型燃煤电厂的烟气污染物脱除领域有较为广阔的发展空间.

表1 WESP在国内外部分电厂的应用

图3 碧南电厂4#和5#机组排烟处理装置和设计值

5 结语

燃煤电厂微细粉尘污染已经越来越被广泛重视，WESP作为火电厂高效除尘设备可以有效除去烟气中 PM2.5，PM10，SOx气溶胶等微细颗粒，以及汞等有毒重金属，可以满足烟囱出口含尘浓度低于10 mg/Nm3的要求，是目前一项较为成熟的技术.国内外学者主要从影响脱除效率各因素、材料适用性和多种污染物联合脱除等方向，对如何应用 WESP持续、安全、高效脱除污染物方面开展了大量研究.实际应用表明，WESP与其他污染物控制设备的组合应用，如SCR+ESP+MG-GH+WFGD+WESP+MGGH的组合型式可以进一步提高烟尘脱除效率，实现多种污染物的超低排放.WESP的研究及应用对于人类健康的保护和社会经济的可持续发展有着重大的意义，因此在燃煤电厂污染物脱除领域有较为广阔的发展空间.

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