湿式静电除尘技术的发展及应用

张传波

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）



湿式静电除尘技术的发展及应用

张传波

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

摘 要：湿式静电除尘（WESP）广泛应用于冶金、化工等领域，用于处理酸雾烟雨及细颗粒物等。20世纪80年代美国首先将其引入电厂后，WESP与湿法烟气脱硫（WFGD）联用技术在欧洲、美国、日本等发达地区和国家得到推广。由于WFGD对细颗粒物、气溶胶、SO3、水雾、Hg等去除效率不高，容易出现烟囱雨、蓝烟等现象；随着排放标准的趋严，近年来WESP在电厂迅速得到了应用推广，并向烧结市场延伸。

关键词：湿式静电除尘（WESP）；湿法烟气脱硫（WFGD）；超净排放；细颗粒物；石膏雨；SO3

1 引言

三部委联合印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的主要目标是：到2020年，全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放，即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3。多地超低排放的烟尘指标甚至为5mg/m3。

为实现超低排放，脱硝首先采用先进的低氮燃烧技术，然后在原有的SCR脱硝基础上，增加SCR催化剂的填装层数或催化剂的体积，改造工程多将原有的2+1层催化剂直接更改为3层全部填装，部分电厂采用3+1层SCR催化剂，改造后系统的脱硝效率可达到85%～90%。脱硫新技术主要有双循环技术、单塔双区技术、托盘塔技术、增加喷淋层等。上述技术都是在常规湿法技术上的改进和创新［1］。

目前，我国火电行业已基本实现了全部烟气的脱硫与脱硝［2］。98%的火电机组和90%以上球团均采用湿法脱硫工艺。300MW以上火力发电厂机组超过90%采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术［3］。

由于环保排放标准的趋严（见表1），湿法脱硫存在的短板（颗粒物/PM2.5去除率不高，存在“烟囱雨”现象，SO3去除率不足50%，产生酸雾、气溶胶、蓝烟，汞脱除困难等）暴露出来。为达到粉尘指标的超低排放，湿式静电除尘（WESP）技术受到青睐。

表1 锅炉及烧结、球团烟尘排放指标（部分）

2 湿式静电除尘技术（WESP）

2.1 原理

WESP和ESP原理相同，都是通过阴极放电使电场中的粉尘荷电后收集到阳极的收尘极，不同的是，WESP是采用喷淋的方式在收尘板上形成连续的流动水膜，将收尘极板上捕获的粉尘冲刷到灰斗中，避免了传统振打清灰方式造成的二次扬尘。

2.2 技术特点

2.2.1 优点

（1）对于亚微米大小的颗粒，包括微细颗粒物（PM2.5粉尘）、SO3酸雾、重金属（汞等）都有较好的收集性能。

（2）收尘性能与粉尘特性无关，对黏性大或高比电阻粉尘能有效收集，同时也适用于处理高湿的烟气。

（3）流动水膜清灰，避免反电晕现象，抑制二次扬尘。可靠性较高。

（4）电除尘器内的电场气流速度较高，灰斗倾斜角减小，设备布置更紧凑。

（5）电场空间的水雾对细微粉尘和有害气体有捕集作用。水雾在一定程度上提高了电场特性，增大粉尘特别是微细粉尘荷电量，进一步提高除尘效率。

2.2.2 缺点

湿式电除尘器需选用耐腐蚀性强的高等级不锈钢作为电极材料，烟气流速较低，设备体积庞大、工程造价偏高等，都是制约该技术推广的重要因素。

2.3 湿式电除尘器的类型

2.3.1 基本型式

WESP在结构上有管式和板式两种基本型式。相同的集尘面积设计条件下，管式静电除尘器内的烟气流速是板式除尘器的2倍，因此在达到相同除尘效率时，管式除尘器的占地面积要远小于板式除尘器，可装在湿式脱硫塔的上部，可适用于50MW以下小机组，组成一体化的脱硫、除尘装置。

2.3.2 按阳极板材料分类

根据收尘阳极板的不同材质，WESP分为金属收尘极WESP、柔性收尘极WESP和导电玻璃钢收尘极WESP 3种。其中，金属极板WESP为国外燃煤机组应用的主流技术［4］，在国内市场占主导地位，其技术成熟，基建投资较低。但该技术水耗、碱耗等运行费用较高。

2.3.3 布置形式

目前投入应用的WESP的工程设计形式为：

（1）垂直烟气流独立布置。适用于化工、冶金行业；

（2）水平烟气流独立布置。适用于中大型或超大型机组，处理烟气量大、除尘效率要求高的场合，是目前国外燃煤电厂主流技术；

（3）垂直烟气流与WFGD整体式布置。这种方式将WESP集成布置于吸收塔顶部（也称顶置WESP），可替代机械除雾器；占地面积小，减小了内部连接管道、支撑结构、土建等，且简化了冲洗水收集、存储、工艺系统，因此成本和运行费用也是最低的，是近年来最常用的布置形式。更适用于小型机组、处理烟气量少、除尘效率要求不太高的场合。

3 湿式静电除尘器的发展与应用

3.1 适用范围

目前，市场上常见的几种除尘器特点见表2。

表2 四类除尘技术特点比较［5］

通过比较可知，在如下情况可选用WESP技术：

（1）要求烟尘排放浓度低于特别排放限值或要求更低排放（如≤5mg/m3），且对SO3浓度、雾滴浓度、PM2.5浓度有较严要求时；

（2）除尘设备改造难度大或费用很高、原除尘设备不改造也不影响脱硫系统安全运行，且场地允许时；

（3）湿法脱硫后烟尘浓度增加，导致排放超标，且湿法脱硫系统较难改造时。

3.2 燃煤电厂湿法脱硫+湿式电除尘器典型系统布置

（如图1）

图1 燃煤电厂超低排放典型流程图

3.3 国外湿式电除尘器应用概况

WESP的商业应用始于1907年，至今安装有数千台，主要应用于硫酸、冶金和垃圾焚烧等行业。1987年首次应用于燃煤电厂，作为末端净化设备，绝大部分用于燃油机组的污染控制，少量用于燃煤机组［6］。据不完全统计，已有100余套不同类型的WESP应用于美国、欧洲及日本的电厂［7］，主要作为大气复合污染物控制系统的最终精处理技术装备，用于去除WFGD无法收集的酸雾、控制PM2.5微细颗粒物及解决烟气排放浊度问题。

在欧洲，WESP技术的应用领域很广泛。大部分WESP应用在化工、冶金等行业，用于处理酸雾烟雨及细颗粒物。欧洲地区燃煤火电机组相对较少，因此大型火电机组WESP应用业绩不多［8］。

日本的WESP技术起步较早，已经有30多年的应用经验，工程应用相对成熟，其中以日立与三菱重工公司为代表。仅三菱重工就有33台/套应用于电厂。1997年三菱制造的一套WESP装置安装于Werndorf电厂2#锅炉，这是欧洲电厂第一套安装于WFGD后的WESP装置，该装置至今运行良好［9］。日本碧南电厂5 台/套WESP投产20年来，烟尘排放浓度长期保持在2～5mg/m3的水平，并且WESP本体和内部构件均未发生严重腐蚀。

美国在湿式电除尘方面研究也较早，与日本不同的是，美国应用较多的是垂直烟气流独立设计及与WFGD的整体式设计［10］。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5mg/Nm3，酸雾的去除率可超过90%，烟气浊度降低到10%以下。

3.4 国内湿式电除尘器应用概况

3.4.1 传统领域

我国在WESP技术研究方面起步较晚，最早主要是硫酸和冶金工业（钢厂的煤气净化除尘系统）应用了一些中小型的湿式电除尘器［10］。钢铁企业煤气用湿式电除尘标准JB/T 6409-1992及JB/T 6409-2008分别针对管型和卧式湿式电除尘器进行了描述，处理煤气量分别为5000～5万Nm3/h和5000～10万Nm3/h，出口含尘浓度≤10mg/Nm3。国内企业在冶金领域的WESP工程业绩颇多，用于除尘净化进入煤气压缩机前的高炉、转炉、焦炉煤气。

3.4.2 电厂

从2009年开始，国内逐步开展了针对燃煤电厂应用WESP的研究和探索，从产品研发、试验装置试生产到1000MW燃煤机组上的应用仅用了2～3年的时间［11］，取得了多个项目的成功应用。

由于环保排放标准的趋严，湿法脱硫排放已不能适应排放要求，并且随着雾霾频发，使得WESP技术重新得到关注。分别以“湿式电除尘器”和“PM2.5”为主题检索中文文献，其年数量的变化关系如图2，可以看出：随着PM2.5的关注度提高，对于湿式电除尘器的研究急剧增多。

WESP可有效收集微细颗粒物（PM2.5、SO3酸雾、气溶胶）、重金属（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有机污染物（多环芳烃、二英等）。因此可作为燃煤电厂大气污染物综合治理的终端设备，布置在WFGD装置后面，除尘效率达70%～85%，同时解决WFGD带来的“石膏雨”、蓝烟问题，缓解下游烟道烟囱腐蚀、节约防腐成本［12］。

图2 近年PM2.5及WESP中文文章发表数量

我国燃煤电厂湿式除尘技术发展较晚，目前WESP呈现不同的技术流派（如表3）。

神华国华舟山电厂4#炉350MW机组的WESP于2014年6月并网成功，出口烟尘浓度为2.55mg/Nm3，SO2为2.8mg/Nm3，NOx为20.5mg/Nm3，实现了“超洁净排放”目标，这也是国内电厂首台（套）WESP的成功应用项目［13］。

国内相关机构及科研院所通过自主研发或引进技术，不仅在核心技术上实现了突破，并迅速得到了工业应用，积累了一定经验。截至2014年底，国内已有多套300MW及以上机组WESP投入运行，并取得了较好的减排效果。

2015年底，浙能长兴电厂30万机组烟气超低排改造项目投运，采用的是顶置WESP，脱硫塔与WESP整体式布置。

表3 WESP国内供应商

3.4.3 钢铁厂

占钢铁企业50%废气排放的烧结工序中，烧结机头（球团）颗粒物新排放标准限值为40mg/m3。目前国内采用的湿法脱硫，几乎都没有加装WESP，这种情况下颗粒物排放浓度一般只能达到50～80mg/m3。因此钢铁企业脱硫系统后加装WESP是达到环保排放的必要措施，具有广阔应用前景。

刘辰等人对WESP对烧结烟气除尘效果进行了实验研究。莱钢180m2、450m2烧结机及日照钢铁600m2烧结机均建设了WESP。山东闽源钢铁有限公司烧结机机头烟气脱硫除尘改造工程，配套WESP。

4 结语

WESP可有效控制脱硫塔后细颗粒物、硫酸雾滴及石膏浆液等污染物的排放。工程应用方面，WESP技术在美国、欧洲、日本等发达地区及国家的大型燃煤电厂脱硫塔后及冶金、化工、制酸、造纸、煤气化等领域均有广泛应用，可实现粉尘排放浓度低于10mg/m3，甚至可低于2mg/m3，同时可有效脱除SO3等污染物及“石膏雨”。近年来我国WESP技术发展很快，国外引进与自主研发的技术，伴随电厂超净排放要求得到大规模的应用，业已实现大型燃煤电厂脱硫塔后WESP的应用，并达标排放。

参考文献：

［1］ 朱召平，郑晓盼.湿式电除尘器在煤电超低排放中的应用［J］.中国环保产业，2015（11）：52-56.

［2］ 殷旭，樊响.烧结烟气污染物减排技术发展趋势浅析［J］.山西冶金，2015（3）：4-7.

［3］ 吴永杰，戴永阳，董凌宏，等.华能杨柳青电厂2x300MW机组湿烟囱烟囱雨治理研究［J］.能源环境保护， 2014，28（5）：16-19.

［4］ 中国环境保护产业协会电除尘委员会.电除尘行业2014年发展综述［J］.中国环保产业，2015（6）：6-15.

［5］ 钟史明.湿式静电除尘器（WESP）研发概况［C］.南京：2015.

［6］ 沈浩.湿式电除尘器用于控制燃煤烟气污染物的测评［J］.电力与能源，2014，35 （1）：54-58.

［7］ 陈招妹，孙真真，赵金达，等.湿式电除尘器在漕泾电厂2#机1000MW燃煤机组上的应用［C］.2015.

［8］ 廖大兵.湿式电除尘器的发展及其在火电厂的应用［D］.华南理工大学，2014.

［9］ 刘媛，闫骏，井鹏，等.湿式静电除尘技术研究及应用［J］.环境科学与技术，2014，37（6）：83-88.

［10］ 尹连庆，唐志鹏，刘佳.湿式电除尘器技术分析［J］.电力科技与环保，2015，31（3）：18-20.

［11］ 王敏，王东歌，朱法华，等.燃煤电厂采用湿式电除尘器深度除尘的应用研究［J］.电力科技与环保，2016，32（1）：26-29.

［12］ 赵金龙，胡达清，单新宇，等.燃煤电厂超低排放技术综述［J］.电力与能源，2015，36（5）：701-707.

［13］ 陈招妹，高志丰，吕明玉.WESP在燃煤电厂超洁净排放工程中的应用［J］.电站系统工程，2014，30（6）： 18-20.

中图分类号：X701

文献标志码：A

文章编号：1006-5377（2016）06-0055-04

Development and Application of Wet Electrostatic Precipitation Technology

ZHANG Chuan-bo
（MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited Beijing 100176， China）

Abstract：WESP is widely used in metallurgy and chemical industry for treating acid mist and fine particulate matter and so on. After being firstly introduced into power plants by America in 1980s， WESP+WFGD was widely popularized and promoted in developed areas and countries such as Europe， America and Japan. Since the removal efficiency of WFGD to fine particulate matter， aerosols， SO3， mist and Hg is not so high that it is easy for chimney rain and blue smoke to occur. With upgrading of emission standard of emission in recent years， WESP is widely applied and promoted in power plant and extended to sinter area.

Keywords：WESP； wet flue gas desulfurization （WFGD）； ultra-cleaning emission； fine particulate matter； gypsum rain； SO3