提高静电除尘器及脱硫协同深度除尘能力的技术综述*

于宏朋， 于宏林

(1.南京净环热冶金工程有限公司，江苏 南京　210016；2.大峘集团有限公司，江苏 南京　211112)



提高静电除尘器及脱硫协同深度除尘能力的技术综述*

于宏朋1， 于宏林2

(1.南京净环热冶金工程有限公司，江苏 南京210016；2.大峘集团有限公司，江苏 南京211112)

为适应新的环保要求，提高深度除尘效果，近年来针对干式静电除尘器进行升级改造，并考虑与湿法脱硫设施协同深度除尘，出现了各类提升、改造技术。对此类技术进行综述和应用分析，为企业改善大气污染排放提供借鉴。

静电除尘器； 多复式双区； 电袋复合； 湿式静电； 脱硫协同深度除尘

引言

冶金企业的烧结、球团、燃煤锅炉等工序，通常采用干式静电除尘器进行烟气的除尘处理，但由于设备运行使用水平有差异，静电除尘器的实际除尘效率并不高，甚至无法达到设计要求的排放指标。

另一方面，目前很多企业在干式静电除尘器后，又配置了湿式脱硫系统。有些企业过于依赖湿式脱硫塔自身的喷淋除尘功能，对前道除尘工序维护不足，造成烟气进入吸收塔时的粉尘含量超过100 mg/m3。这些超量的含氧化铁粉尘一方面和钙离子络合，降低了脱硫效率，另一方面加剧了吸收塔内设备的磨损，这也是实际使用中，很多企业湿法脱硫后的烟气粉尘浓度仍超过排放指标的原因。

随着国家对节能减排工作的不断深入，环保标准已不断提高，排放监督也愈发严格。国家环保部颁布的GB28662—2012《钢铁烧结球团工业大气污染物排放标准》中，烧结、球团排放限值为：粉尘50 mg/m3，SO2浓度200 mg/m3，NOx浓度300 mg/m3。而在重点控制区，排放限值进一步降低为：粉尘40 mg/m3，SO2浓度180 mg/m3。具体执行过程中，山东、山西、河北、江苏、福建等省市自行制定的标准更加严格，如山东提出烧结、球团、燃煤锅炉的排放标准要求为：2015年粉尘30 mg/m3，2017年粉尘20 mg/m3，2019年粉尘10 mg/m3。因此，现有或新建的干式电除尘器设施，包括配套湿法脱硫后，均要考虑适应粉尘浓度为10～20 mg/m3的深度除尘排放标准。燃煤锅炉甚至要考虑将来适应粉尘浓度为5～10 mg/m3的超低排放标准的要求。

1　干式静电除尘器改造技术

对现有干式静电除尘器进行改造，是常见的快速提高除尘设施效率，达到深度除尘要求的方法，目前已经工业化的主要改造技术如下：

1.1电除尘扩容改造技术

电除尘扩容改造的常用方法有三种：一是将原有除尘器加高；二是增加电场；三是将侧部振打方式改为顶部振打方式，或三种方法结合应用。其改造主要原理，是将原有电除尘的流道面积增大，增大烟气与极板的接触面积，减缓烟气的流速，以增加烟气粉尘荷电捕集的时间，提高除尘效率。

电除尘扩容改造是最常见的改造方法，一般情况下由于场地和设备外壳限制，多采用除尘器加高，增加电场方式进行，如国电丰城电厂的电除尘器，采用了加高和侧部改顶部振打的改造方法，将原有三电场除尘器改为四电场除尘器。国电谏壁电厂11#, 12#机组甚至采用6电场、7电场扩容改造静电除尘器。但就实际效果而言，很多只是能将原来烟气粉尘排放浓度从100 mg/m3以上，降低到50～100 mg/m3左右，对于原本烟气流速较高的场合，除尘效率提升并不明显，达到50 mg/m3以下深度除尘效果相当困难。

1.2微细粉尘静电凝聚技术

微细粉尘静电凝聚技术是近年来提出的一种利用不同极性放电，导致粉尘颗粒负荷不同电荷，进而在湍流输运和静电力共同作用下使粉尘颗粒凝聚变大的技术。该技术的应用，不仅可提高除尘器的除尘效率，降低除尘器本体体积及制造成本，还能减少微小颗粒的排放。试验结果表明粉尘颗粒凝聚效果显著。颗粒中位径的凝聚效率在凝聚前后中位径增大的百分数高达30.7%～120%，可提高除尘效率0.21%～0.76%。

该技术主要优势是除尘器本体体积占地较小，但没有解决静电除尘器二次振打扬尘、烟气流速较高等问题，因此提升的除尘效率有限，也鲜有能够实现深度除尘效果的应用案例。

1.3低低温电除尘技术

低低温电除尘技术由日本三菱和日立公司开发，已在日本有近20年成功使用经验，其主要原理是采用汽机冷凝水与热烟气换热的原理，将进入电除尘器的烟气温度降低到90℃左右的酸露点温度以下，利用烟气中的SO3冷凝成硫酸雾，并附着在粉尘上，从而大幅度降低粉尘的比电阻，消除反电晕现象，从而提高除尘效率。试验数据表明，烟气温度每降低10℃，电场击穿电压将上升2.3%，除尘效率与烟气温度的关系如图1所示。

图1　电除尘效率与烟气温度关系

另一方面，烟气温度的降低，也使得烟气量减少，减缓了烟气流速，增加了粉尘在电场中的停留时间，比集尘面积提高，提升了除尘效率。

低低温电除尘技术在节能方面有着优势，因为其回收的烟气热量用于锅炉冷凝水的升温时，可节约煤耗。而烟气温度的降低，也能够减少后续湿法脱硫系统的水耗及系统风机的电耗。也有采用烟气换热器将烟气热量用于对脱硫除尘后的烟气进行再加热的方式，以提高烟囱扩散效果。

低低温电除尘技术应用中存在的问题有：燃煤灰硫比(D/S)一般要求在100以上，以确保硫酸雾完全被粉尘吸附，避免酸露点温度以下时，烟气中硫酸雾对设备的腐蚀，因此对于高硫、低灰煤种，需要慎重考虑。

另外低低温电除尘器对于烟气换热温度控制要求范围比较严格，一方面只有烟气温度降低到90℃左右的酸露点以下时，气态SO3才能转化为液态硫酸雾粘附在粉尘上，提高粉尘比电阻。但当烟气温度低于85℃时，除尘灰流动性会变差，影响灰的收集，同时带来积灰斗和人孔门的腐蚀问题。粉尘比电阻的下降，也带来了粉尘与极板的粘附力下降，除尘器振打时的二次扬尘有所增加。

从应用效果来看，日本投运的低低温电除尘器超过20个电厂，国内已投运的浙能集团嘉华、台二、温州电厂，华能集团榆社、长兴电厂，大唐集团宁德电厂等，均达到了低低温静电除尘器出口粉尘浓度20 mg/m3的效果。

1.4移动极板技术

移动极板电除尘技术从日本引进，其和固定静电除尘机理完全相同。最大的区别是采用旋转的刷子清理极板上的粉尘，保持收尘极板的清洁，防止反电晕的发生，能有效地解决高比电阻粉尘的收集，不采用传统的振打清灰方式，从而减少了二次扬尘。

具体原理如图2所示。

图2　末电场采用旋转电极除尘器示意图

国外已有几十台燃煤锅炉采用移动极板电除尘器，在国内，燃煤电厂目前已有多台燃煤锅炉采用移动极板除尘器技术，例如常州广源热电厂75 t/h燃煤锅炉，广东南海电厂130 t/h燃煤锅炉，包头第三电厂300 MW燃煤机组，包头第一电厂300 MW燃煤机组，达旗达拉特电厂300 MW燃煤机组，华电句容电厂1000 MW机组等。但该技术在国内电厂应用的时间不长，还缺少配套且成熟的操作和检修规程。就笔者参与的中铝集团中州铝厂热电8套燃煤机组使用情况，由于国内设备制作水平、设备维护经验的缺乏，其投运的多套移动极板除尘设施，容易出现因冷热变形造成设备的卡阻故障，实际使用效果仍难以达到国外同类设备水平。

1.5机电多复式双区电除尘器技术

常规的单区电除尘器的荷电和收尘在同一区段进行，很难兼顾荷电和收尘都达到最好的状态。对于高比电阻粉尘，由于在收尘板上粉尘的电荷难释放，沉积到一定厚度的尘层上产生一定的压降，导致尘层间气隙击穿而发生反电晕现象，使除尘效率大大下降；而对于低比电阻粉尘，当它一旦达到收尘极板不仅立即释放电荷，且因静电感应获得与收尘极板同极性的正电荷，若正电荷形成的排斥力大得足以克服粉尘的粘附力，则已经沉积在收尘极上的粉尘会重返气流，最后可能被气流带走，使除尘效率大大下降。

机电多复式双区电除尘器的特点是将收尘与荷电的过程分开，避免互相影响。新型的机电多复式双区电除尘器的结构将荷电和收尘过程分开，而且采用连续的多个小区复式配置，同时荷电和收尘采用分开的电源供电。在400 mm极距条件下，运行电压可达80 kV，大大强化了收尘效果，使各区段的电气运行条件最佳化，以适应高比电阻和低比电阻粉尘的收集，防止高比电阻反电晕现象的发生及低比电阻粉尘的反弹。这种电除尘器还可以通过不同的供电方式(比如采用高频电源或间歇供电)，合理调整振打周期及电气参数，使其在最佳状态下工作，以达到防止或延缓反电晕现象的产生，提高除尘效率。

在电除尘器的后电场采用双区电除尘结构捕集微细粉尘、高比电阻粉尘或高飞灰可燃性粉尘，对提高除尘效率，保证出口排放低于50 mg/m3以下是比较有效的。

该技术比较成熟，对安装和调试的要求也比较严格，已在国内的300 MW机组和600 MW机组得到成功应用。

1.6新型电源电除尘器技术

高频高压开关电源是电除尘器高压供电的新动向，具有重量轻、体积小、结构紧凑、三项负压对称、功率高等特点。高频电源输出直流电压比工频电源平均电压高约20%，电流提高近一倍，从而提高电除尘器效率(一般认为粉尘排放浓度降低30%)。

高频电源特别适合于在前电场应用，由于前电场烟尘浓度较高，大量的粉尘需要快速负荷上电荷。配上高频电源，在提高前电场电压近10 kV的情况下，提高了近一倍的电流，粉尘荷电效率大幅提高，避免了因粉尘浓度高而产生的电晕封闭；有助于后电场提高电压电流，也有助于电场T/R的提效运行，从而提高整体除尘效率。(有资料介绍，前电场的出灰量可增加25%～30%)。

高频电源也特别适合于由于燃煤变化引起的烟气量增加、电场烟气流速过高情况下的电除尘器改造。目前智能中频变频电源、高效脉冲电源也开始在电除尘改造中得到应用。但目前业绩极少，技术成熟度、稳定性和可靠性有待时间验证。

1.7电袋复合除尘器技术

电袋复合除尘器是电除尘器与袋式除尘器的有机组合，它的最大优点是不受煤种和粉尘特性的影响，保持高效的除尘效率，但更换电袋的工作量仍然比较大，费用较高。电袋复合除尘器的特点在于含尘气体进入除尘器后，可通过电场除去70%～80%的粉尘，减少了后部袋式除尘单元的负荷，大大降低了滤袋的清灰频率，延长了滤袋的使用寿命。

电袋复合除尘器适应于各种煤种，正常情况下出口排放浓度能够满足≤30 mg/m3的要求。

由于电场区的作用，进入滤袋区烟气流的粉尘浓度大幅降低，剩余的少部分细粉尘由于静电凝聚作用使滤袋表面粉层结构呈蓬松絮状，有利于清灰，降低了滤袋内外的压差，正常投运的电袋复合除尘器其整体压差仅为800 Pa左右。

应该注意的是：电袋复合除尘器电区在运行过程中有可能产生臭氧(O3)，而O3在高温下对滤袋中的PPS成分有强烈的腐蚀作用。因此要求烟气温度必须控制在150℃以内，烟气含氧量不超过6%，要求滤料具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀的性能。

2　脱硫深度协同除尘技术

不管是袋式还是干式静电除尘器，在微细粉尘的捕捉上都存在缺陷，因此出口粉尘浓度难以控制到很低水平，除尘器出口一般最低可控制在20 mg/m3左右。

烟气经过干式除尘器后，进入脱硫吸收塔进行湿式除尘。在逆流喷淋塔中，烟气从喷淋区下部进入吸收塔，并向上运动。石灰石浆液通过循环泵送至塔中布置在不同高度喷淋层的喷嘴，从喷嘴喷出的浆液形成分散的小液滴向下运行，与烟气逆流接触，气流充分接触并对烟气中的SO2进行洗涤，同时气流中的部分粉尘颗粒与液滴接触而被捕集。从喷淋塔的结构来看，其除尘机理与湿法除尘设备中重力喷雾洗涤器相似。水与含尘气流的接触大致有水滴、水膜和气泡三种方式。因此，湿法脱硫深度除尘主要有以下几种形式：

(1)通过喷淋出来的液滴捕捉：在喷淋塔内，气流中的粉尘主要靠液滴来捕集，捕集机理主要有惯性碰撞、截留、布朗扩散、静电沉降、凝聚和重力沉降等；

(2)增加类托盘装置：通过液柱泡沫洗涤的方式除尘；

(3)通过除雾器对液滴的捕捉：除雾器可以在设备表面把小液滴聚集，来实现捕捉，如果要提高效率，可以增加级数或者减小节距，但会导致冲洗水量增加以及冲洗困难，一段时间以后就会因除雾器受污染而降低效率。

以上无论哪种液滴的表面张力较大，而微细颗粒有“气团”效应，难以被捕捉，所以喷淋冲洗的效率一般不高，而且当负荷发生变化或停泵时，效果更差；所以实际工程应用中，都要结合几种装置综合考虑来达到协同除尘的效果。

目前脱硫协同湿式除尘主要的技术为：采用更精细的屋脊式除雾器，保证出口液滴排放浓度<20 mg/m3；改造喷淋层，尤其是优化喷嘴的设计选型，增加托盘；增加其它水膜除尘器等类似装置。

2.1采用双托盘+三级屋脊式除雾器

通过在吸收塔内布置双层托盘+三级屋脊式除雾器来实现高效脱硫除尘的装置。装置以立式布置为主。

该装置主要特点如下：

a.通过设置两层托盘，改善吸收塔内流场均匀度，提高烟气与浆液的接触机率；增大持液层高度，提高微细粉尘(PM2.5)的捕集效率；筛孔泄露的浆液捕集粉尘，因惯性力作用，较粗的粉尘沉入塔底部被液膜捕集，大部分微细粉尘通过托盘，进入泡沫层被捕集。

b.通过喷淋层烟气与浆液小液滴逆流接触，气流中的粉尘颗粒与液滴之间的惯性碰撞、拦截、扩散、凝聚以及重力沉降等作用，使尘粒被捕集。

c.将除雾器安装三级屋脊式除雾器(目前进口产品已达到要求)，除雾器出口雾滴含量小于20 mg/Nm3，以减少雾滴携带粉尘量。

2.2采用旋流耦合器+离心管束式除雾器

引风机出口烟气进入吸收塔，经过高效旋流耦合装置，形成气液固三态混合，实现高效脱硫和初步除尘，之后烟气再经离心管束式除尘装置进一步完成高效除尘、除雾过程；离心管束式除尘装置由分离器、增速器、导流环、汇流环及管束等构成。烟气在一级分离器作用下使气流高速旋转，液滴在壁面形成一定厚度的动态液膜，烟气携带的细颗粒灰尘及液滴持续被液膜捕获吸收，连续旋转上升的烟气经增速器调整后再经二级分离器去除微细颗粒物及液滴。同时在增速器和分离器叶片表面形成较厚的液膜，会在高速气流的作用下发生“散水”现象，大量的大液滴从叶片表面被抛洒出来，穿过液滴层的细小液滴被捕获，大液滴变大后被筒壁液膜捕获吸收，实现对细小雾滴的脱除。

2.3高效水膜除尘器+两级屋脊式除雾器

该装置采用一级屋脊式+高效水膜除尘器+二级屋脊式除雾器结构形式，其中高效水膜除尘器由气液导向分离装置(GLGS Gas Liquid Guide/Seperator)+水膜除尘设备(WDE Water film De-dust Equipment)组成。

除尘装置采用亲水性的PP材料，布置于两层屋脊式除雾器之间，烟气首先经过一级屋脊式除雾器，然后通过GLGS装置实现气液分离，其上布置除尘功能核心单元WDE，工作用水和冲洗水经过内部循环至除雾器冲洗水箱，新鲜的工业水补充至该水箱，用来冲洗第一级除雾器并实现系统内水质的更新与稳定；

该装置具有主要特点如下：

a.高效的微细颗粒捕捉设备WDE。在第一级除雾器后布置WDE，采用独家设计，具有大开孔率，无扰流单元，高碰撞几率的特点。

b.采用雾化效果良好的实心喷嘴，保证一定的冲洗强度和雾化效果。

c.对喷嘴排列形式和格栅板型式进行优化，可保证对烟气中粉尘和液滴的清洗效果，同时喷出的雾化水，可以对格栅板起到最佳的洗涤作用。

d.由于一级除雾器的冲洗水排入吸收塔系统，因此运行中需要不断的补水进入除雾器冲洗水箱，维持水箱的PH值和水的含固量，保证了系统的可靠运行。

2.4三种技术的经济性比较

三种脱硫协同除尘技术经济性对比如表1所示。

表1　三种脱硫协同除尘技术经济性对比表

从技术经济性比较来看，以上三种技术均为脱硫除尘一体化技术，分别有各自的特点，但都处于工业化起步阶段，都没有大规模推广业绩；各自的除尘机理出于商业保密很难从理论上进行有力的佐证；例如旋流耦合器+管束式除雾器湿式除尘装置技术，在山西、重庆万州、河南的部分电厂使用中，仍能够肉眼从烟囱排放尾迹中看到“蓝烟”现象，因此其真实深度除尘效果有可疑猜想。

3　湿式静电除尘器技术

袋式、干式静电除尘器均适用于脱硫前的干烟气，目前的技术只能控制到出口粉尘浓度20～50 mg/m3。然而烟气在进入脱硫吸收塔进行喷淋脱硫过程中，又会带来石膏和雾滴颗粒的夹带，反而造成粉尘浓度的增高。因此，若要达到5～20 mg/m3深度除尘的效果，需要在脱硫后设置湿式静电除尘器。

湿式静电除尘器工作原理为：在湿式静电除尘装置的阳极和阴极线之间施加数万伏直流高压电，在强电场的作用下，电晕线周围产生电晕层，电晕层中的空气发生雪崩式电离，从而产生大量的负离子和少量的阳离子，这个过程叫电晕放电；随烟气进入湿式静电除尘装置内的尘(雾)粒子与这些正、负离子相碰撞而荷电，荷电后的尘(雾)粒子由于受到高压静电场库仑力的作用，向阳极运动；到达阳极后，将其所带的电荷释放掉，尘(雾)粒子就被阳极所收集，在水膜的作用下靠重力自流向下而与烟气分离；极小部分的尘(雾)粒子本身则附着在阴极线上形成小液滴靠重力自流向下，或通过停机后冲洗的方法将其清除。

湿式静电除尘装置处理的是脱硫后的湿烟气，一般布置在除尘脱硫系统的尾部或后部。其与干式静电除尘器的不同点在于：

(1)湿式静电除尘装置在饱和湿烟气条件下工作，尘雾粒子荷电性能好，电晕电流大，脱除微细颗粒物和除雾效率高；

(2)湿式静电除尘装置借助水力清灰，没有阴、阳极振打装置，不会产生二次飞扬，确保出口粉尘达标；

(3)湿式静电除尘装置对于微细颗粒以及SO3, NH3等气溶胶有很好的去除效果；使得烟羽林格曼黑度等级小于1，烟囱出口粉尘浓度可满足最新标准中5 mg/m3最严格要求。

(4)湿式静电除尘装置不受粉尘比电阻影响，不仅对PM2.5的去除效率高，而且可以有效消除“石膏雨”和“大白烟”现象。

目前中国国电集团的深度除尘或超低排放改造，全部采用湿式静电除尘技术作为保证粉尘达标排放的措施，华能、大唐、浙能、中远投等集团的类似项目也多采用湿式静电除尘技术。为满足山东省粉尘20 mg/m3的排放要求，山东省的钢铁行业，如济钢、莱钢、日照、西王等企业的烧结脱硫设施均加装了湿式静电除尘器。

4　结束语

为满足日益严格的大气污染排放要求，需要对各种提高静电除尘器除尘效率的提升技术进行不断研究和改进，并结合脱硫协同除尘技术进行综合考量、对比。针对各类技术的组合使用，仍要根据企业的燃煤性质、烟气特点、场地条件、综合能耗等多方面进行规划，并结合不同技术适用的场合和特点完成设计，才能真实有效地达到相应的深度除尘环保要求。

2016-03-09

于宏朋(1977—)，男，高级工程师。电话：13851481980

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