径流湿式静电除尘器在大型供热机组中的应用

陈馨（北京华能达电力技术应用有限责任公司）



径流湿式静电除尘器在大型供热机组中的应用

陈馨（北京华能达电力技术应用有限责任公司）

摘要：为了达到国家自2012年1月1日开始实施的GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》的排放要求（一般地区火电厂的烟尘排放浓度低于30mg/m3，重点地区低于20mg/m3），需升级改造现有除尘设备。湿式电除尘器对粉尘、液滴和重金属浓度的降低具有显著作用，同时能有效解决因浆液（产于湿法脱硫系统中）夹带而产生的石膏雨问题，是目前实现烟尘达标排放的最佳选择方案之一。因此，大唐集团决定在唐山热电300MW供热机组烟尘减排的提效工程中采用径流湿式静电除尘工艺。监测结果表明：该技术适应性强、不受煤种、烟尘特性影响，除尘和去除三氧化硫、液滴效率高，得到国家环保部门高度肯定。

关键词：燃煤电厂PM2.5径流湿式电除尘器工程应用

1　引言

为了达到国家自2012年1月1日开始实施的GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》（一般地区火电厂的烟尘排放浓度低于30mg/m3，重点地区低于20mg/m3）的环保要求，国内多数火电厂现有的除尘系统都需要进行提效改造。

目前，电厂中广泛使用的干式静电除尘器（electrostatic precipitator，简称ESP）存在着三方面技术瓶颈。第一，对细微颗粒物的捕集效率低，由于表面积很小的细微颗粒物主要通过扩散作用来获得很少的电荷量，在电场中受到的电场力很小，很容易被引风吹走而不被阳极板捕集；其次，依靠振打击落粉尘，容易产生严重的二次扬尘，使粉尘排放浓度增加；另外，高比电阻的粉尘容易引起反电晕现象，造成除尘效率降低。特别是电厂采用湿法脱硫装置后，产生的SO3酸雾无法去除，且湿烟气中携带着石膏雾滴，这些都会造成烟气中粉尘浓度超标，导致电厂周围形成石膏雨等严重问题。因此，解决燃煤电厂的PM2.5污染问题，是达到火电厂烟尘排放标准的关键。

2　高效终端处理技术——湿式电除尘技术

2.1湿式电除尘技术（wet electrostatic precipitator，简称WESP）对PM2.5去除机理

电除尘器中对粉尘颗粒的荷电过程分为两种，一种是对于直径大于1mm的颗粒，主要是电场荷电，颗粒与沿电力线运动的负离子发生碰撞而带电，这时电压的强弱是影响这个过程的最主要因素。一种是对于直径小于0.5mm的颗粒，扩散荷电是主要荷电方式，亚微米粒子在运动时与负离子碰撞而带电，电流密度是影响扩散放电最重要的因素。湿式静电除尘中，被水浸润的放电极，溢出更多电子，同时水雾被放电极尖端的强大电火花进一步击碎细化，使电场中存在大量带电雾滴，大大增加亚微米粒子碰撞带电的概率，而带电粒子在电场中运动的速度是布朗运动的数十倍，亚微米粒子向集尘极运行的速度大幅度提高，可以在较高的烟气流速下，捕获更多的微粒。

2.2径流湿式静电除尘技术的特点

早先的WESP装置多采用卧式板式技术（金属极板），这种装置由于采用水膜清灰方式，故需要设置专门的水处理系统，将收集的酸液在稀释加碱中和后，一部分进入脱硫补水，一部分循环使用，这对于碱的消耗很大，对喷嘴性能要求更高，且对水量、电量的消耗也相应增大；此外，湿式电除尘器一般布置在烟气脱硫系统后，故吸收塔后需要增加布置场地，对于新建机组一般影响不明显，对于已投产的老机组由于可供改造的场地有限，在使用空间上就提出了更严格的要求。第三，由于阴阳极均平行于气流方向布置，阳极板采用平行悬挂的金属极板，电晕电极采用框架式结构，若达到85%的除尘效率，需要设置两个电场，烟气的系统阻力也随之增加约为300～400Pa。

与传统金属阳极湿式静电除尘器不同，径流湿式静电除尘器将收尘阳极板垂直于气流方向布置，使电场力的方向与引风力的方向在同一水平线上，使粉尘颗粒在引风力与电场力的共同作用下，在新型阳极板上完成捕集。由于新型阳极板采用横向布置，不仅对粉尘有一定的物理拦截作用，而且对细微颗粒物收集能力更强，减少收尘极数量。此次项目是径流湿式电除尘技术在国内火电厂大型机组中的首次成功应用，为该项技术的进一步优化和推广积累了丰富的数据和经验。

3　项目概况

河北大唐国际唐山热电有限责任公司2号炉（300MW） 燃煤供热机组配2台电袋复合式除尘器，尾部配置湿法石灰石——石膏全烟气脱硫系统，不设GGH（烟气换热器）。目前脱硫后的烟尘指标为30mg/m3，无法达到GB 13223—2011中规定的重点地区低于20mg/m3的排放标准，以及河北省环境保护厅发布的DB13/2209—2015《燃煤电厂大气污染物排放标准》中规定的烟尘浓度低于10 mg/m3的排放标准，并且存在“石膏雨”现象。

经过广泛调研，河北大唐国际唐山热电有限责任公司决定采用径流式湿法静电除尘技术，在脱硫吸收塔后增加径流湿式静电除尘器，实现烟囱出口烟尘排放浓度低于5mg/m3，并解决“石膏雨”问题。

4　设计参数与系统构成

唐山热电厂300MW机组中采用的径流湿式除尘器布置在脱硫后。烟气先经过电袋复合除尘器去除绝大部分粉尘，然后经过湿式石灰石-石膏法去除SO2，最后将湿法脱硫后温度低、湿度大、腐蚀性强的烟气再经过径流湿式静电除尘器进行终端处理。

本装置的原理与常规湿式除尘器相似：金属放电线在直流高压的作用下，将其周围气体电离，使粉尘或雾滴粒子表面荷电，荷电粒子在电场力的作用下向收尘极运动，并沉积在收尘极上。本设备的技术优势体现在下述三方面：

（1）与烟气接触部分全部采用2205双相不锈钢，其具有强度高，冲击韧性好，抵抗氯离子和硫化物的应力腐蚀。与普通不锈钢相比，能大量节省用材。

（2）作用在旋转电极上的、采用2205双相不锈钢制成的新型阳极板，与普通阳极板相比，相同体积下具有更大的集尘面积，且通透率达到98%以上，大大降低了系统运行阻力，减少了占地面积。

（3）由于采用旋转电极式阳极系统，只需在旋转电极下部设计独立的清洗室，清洗室中使用高压喷嘴从旋转电极内部向外冲洗网板，冲洗完的污水通过灰斗和管道排至脱硫塔循环使用，减少了系统的耗电量和耗水量。

4.1设计参数

表1为唐山热电厂的平均煤种的煤质分析数据，其数据可以确定湿式静电除尘器的设计参数，为除尘器性能测试提供重要依据。

表1　煤质分析资料

根据煤质分析数据、脱硫装置烟气参数及电袋复合除尘器的实际参数，最终确定径流湿式除尘装置的主要设计参数，具体数值如表2所示。

表2　径流湿式静电除尘器的主要设计参数

4.2系统构成

本项目的径流湿式除尘器主要由壳体、进出风口、分布板、阳极装置、阴极装置、冲洗装置和供电电源等部分组成。

4.2.1分布板

烟气自脱硫吸收塔出口进入径流湿式除尘装置，此时烟道气流分布不均匀，严重影响粉尘和液滴的去除效率，因此在湿式径流除尘装置进风口处布置2层分布板，通过布置分布板，实现了系统内烟气的充分扩散，减小了涡旋产生的区域并降低了系统的阻力损失。经过现场进行的气流分布均匀性试验，气流均匀性实现σ≤0.15，满足湿式静电除尘对气流均布的要求。

4.2.2阴极装置

由于湿式静电除尘器在湿烟气环境下工作，故阴极系统全部采用具有耐腐蚀性的2205双相不锈钢材料制成。通过对收尘性能和2205加工性能的综合考虑，选用鱼骨状形式作为电晕电极。极配型式可保证稳定运行电压达90kV。

吊杆在保温箱内采用绝缘瓷瓶支撑，保温箱内配有电加热装置并通入热空气，保证保温箱内部温度维持在130～150℃，以防止绝缘子上结露腐蚀和爬电现象的发生。

4.2.3阳极装置

阳极装置与传统湿式静电除尘器形式不同，采用旋转电极作为集尘极，将集尘极做成可以上下移动的形式，用安装在灰斗上侧（即底封板处）的一排喷淋装置将被铺集的粉尘进行喷水清灰。

集尘极由传动系统、主轴系统、上部机架、框架、轨道及网板、链条等组成，通过电焊技术，将金属网板焊接在旋转电极框架内。一般极板运动的线速度为1～3m/min，粉尘比电阻高时移动速度取高值。当前后两层网板间压差＞120Pa时，开启冲洗系统，对阳极板进行清灰。根据目前工程的运作状况，阳极板冲洗频率为2～3天一次，一次用水量约24t，折合每小时0.3～0.5t左右。

4.2.4冲洗系统

冲洗系统主要用于对阳极板、阴极线、分布板进行冲洗，防止它们产生大量粉尘粘附并结块的现象，降低除尘效率。冲洗方式与冲洗常规刚性阳电极不同，常规阳电极通过冲洗水使其表面形成均匀的水膜，使粘附至极板上的烟尘颗粒随水膜自流至下部集液槽。对于径流湿式除尘器，则是通过高压清洗喷嘴对其进行清洗，冲洗完的灰水落入灰斗中，排放至脱硫塔泵坑作为脱硫塔补水，从而实现在线清灰。由于冲洗阳极和阴极装置的要求不同，冲洗系统分开运行。经实际工况显示，在机组100%负荷工况下，耗水量为0.6t/h。

4.2.5电源系统

本装置采用工频电源作为供电电源，为了预防事故等突发事件，采用双电源配置，具有自动切换功能，两电源相互独立运行，以增强系统的可靠性。

5　性能测试结果及分析

施工完毕后，对项目运行情况进行验收监测，监测期间，对供热机组不同工况负荷、不同煤质情况下，对除尘器出口烟尘排放浓度、SO2浓度进行检测。工况安排如下：

近期煤种第四天时间　机组负荷　使用煤质第一天　高负荷（＞90%）　近两年环保指标最差煤质第二天　高负荷（＞90%）　设计煤种第三天　高负荷（＞90%）中负荷（75%左右）低负荷（50%左右）

监测频次：针对每一工况条件，烟尘每小时测试三次，每次不小于10min，计算小时均值；昼、夜共测试9次。

测试结果表明：在负荷最大、煤质最差的情况下，烟囱入口含尘浓度为4mg/m3，除尘效率达到87%，SO2浓度为14 mg/m3，SO2去除率达到60%，性能指标不仅低于GB 13223—2011中要求的限值，且低于DB13/2209—2015中烟尘浓度的排放标准。

安装了湿式电除尘器后，将大大改善电厂周围的环境条件，为当地居民及企业创造一个良好的生活及工作环境。初步测算，一套300MW机组安装湿式电除尘器后每年可减排粉尘约200t。

6　结论

径流湿式静电除尘器与传统湿式静电除尘器类似，都是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电并在电场力作用下与气流分离。两者不同之处在于前者垂直于烟气方向布置，采用喷淋方式对粉尘进行清除，而传统湿式除尘器阴极、阳极系统的结构为平行于烟气方向，采用水膜清灰方式。与传统湿式静电除尘器相比，径流湿式电除尘器具有以下优点：

（1） 径流湿式电除尘器处理的是脱硫系统后的饱和湿烟气，电晕电流大，对湿烟气中的粉尘比电阻没有要求，采用与烟气方向垂直布置，能够使尘粒捕集性能更好，尤其对微细粉尘去除率更高。

（2）由于阳极板具有更大的集尘面积和通透率，使得径流湿式电除尘器结构更加紧凑，占地面积少，不仅适合于新建工程，对场地受限的改造工程更能发挥其优势。

（3）径流湿式电除尘器与烟气接触部位全部采用2205双向不锈钢材质，其具有耐腐蚀性、高强度、良好的冲击韧性和抵抗氯离子等性能，使用寿命能够达到30年。

（4）常规除尘器，在运行过程中，除高压电源及供水水泵会引起电量的消耗外，由于增加了循环水系统，故辅助的循环水泵、碱液泵等还将消耗部分电量；此外，为实现在线的自动清灰，使阳极板表面形成均匀的水膜，需要较多的冲洗水，且冲洗水中添加的NaOH溶液也将提高运行成本，后期喷嘴的更换和泵的维护也会增加额外费用。

径流湿式除尘器相对于常规除尘器而言，无水循环系统，电量主要用于除尘器本体（高压电源、旋转电极）及供水水泵中，在工程运行中，利用压差的检测，实现在线喷淋，从而降低了耗水、耗电量。

湿式电除尘器技术其成功使用的历史近100年，在燃煤电厂也有30多年的应用。从日本及欧美电厂运行情况来看，湿式静电除尘器可以长期高效稳定地去除烟气中PM2.5、SO3酸雾等微细颗粒物。

近年来，随着国家对环境保护的日趋重视，湿式静电除尘器在脱硫烟气深度净化中的优势更加突出。随着技术的不断发展和成熟，可以预计，在我国的燃煤电厂湿式静电除尘器将会得到越来越多的推广应用。

参考文献

[1]Matts S A. Some Experiences with Increased Electrode Spacing[C]. Proc CSIRO Conf on ESP, 1978.

[2]祁君田，郑天安，何育东，等. 常规电除尘器最佳极距极线配置试验研究[J]. 热力发电，1996（2）：5-11.

[3]黄学能. 22m2湿法卧式电除尘器阴极吊挂的改进[J]. 鄂钢科技，2008（3）：71-72.

[4]车凯，李振海，刘同欣，等. 带移动电极电除尘器中流场的数值模拟[C]. 第14届中国电除尘学术会议论文集，2011.

[5]陈招妹，王剑波，姚宇平，等. 湿式电除尘器在燃煤电厂WFGD后的应用分析[C]. 第15届中国电除尘学术会议论文集，2013.

[6]龙辉. 湿式电除尘器在燃煤电厂的应用条件分析[C]. 2015年电力行业节能环保论坛暨技术应用交流会论文集，2015.

[7]张孔瑜，曾之俊. 燃煤电厂PM2.5污染物控制方案[C]. 2015年电力行业节能环保论坛暨技术应用交流会论文集，2015.

Application of Radial Flow Wet Electrostatic Precipitator in High Capacity Thermal Power Unit

Chen Xin （Beijing Huanengda Power Technology Company ）

Abstract:According to the Emission Standard of Air Pollutants for Thermal Power Plants （GB 13223—2011）promulgated by the Ministry of Environmental Protection of the People’s Republic of China, since Jan 1st, 2012, the dust emission concentration limit of the coal- fi red boiler for the existing thermal power plant is 30mg/m3. In addition, the special dust emission concentration limit of the coal-fired boiler for the thermal power plant in the key area is also regulated to be 20mg/m3in the Standard. In order to meet the requirements, the conventional ESP should be improved with latest technology to meet the new national standard. The wet electrostatic precipitator （WESP） can further reduce the emission of the fi ne particle, droplet and heavy metal in the gas fl ue, and prevent slurry entrainment of wet desulfurization system to solve the gypsum rain problem. WESP is one of the best solution for achieving the new emission standard. So Datang group decide to use Radial fl ow WESP technology in Tangshan thermal power plant 300MW unit emission reducing project. According to the test result, Radial fl ow WESP has high adaptability and ef fi ciency in removing dust, droplet and SO3in gas fl ue, with no respect to difference of coal type, the characteristics of gas fl ue. And it has been highly recognized by the State Environmental Protection Department.

Key words:coal- fi red power plant PM2.5, wet electrostatic precipitator, application of project