烟气超低排放用湿式静电除尘器技术应用分析①

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)



烟气超低排放用湿式静电除尘器技术应用分析①

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)

结合国家环保要求，介绍了实现烟气超低排放的湿式静电除尘器的原理，并对比了三种主流结构湿式静电除尘器的技术特点，通过对燃煤锅炉超低排放工程实际应用情况，进行了技术分析。

湿式静电除尘器； 超低排放； 柔性电极； 导电玻璃钢； 不锈钢极板

前　言

为改善大气排放质量，2014年9月，国家发改委、环境保护部、国家能源局联合发布《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)》的通知(发改能源[2014]2093号)中，明确提出要求东部地区(辽宁、北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建、广东、海南等11省市)稳步推行燃煤发电机组,实施大气污染物排放浓度达到天然气燃气轮机机组排放限值的要求，即执行烟尘排放5 mg/m3，二氧化硫排放35 mg/m3，氮氧化物排放50 mg/m3的排放标准，统称为烟气执行“超低排放”、“近零排放”、“5、35、50”标准。

随着国家对节能减排工作的不断深入，环保标准不断提高，排放监督愈发严格。2015年12月，国家发改委、能源局、环保部下发的关于印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知(环发[2015]164号)，要求到2020年，全国所有具备改造条件的燃煤电厂达到超低排放水平，加快现役燃煤发电机组超低排放改造步伐，将东部地区原计划2020年前完成的超低排放改造任务提前至2017年前总体完成；将对东部地区的要求逐步扩展至全国有条件地区，其中，中部地区力争在2018年前基本完成，西部地区在2020年前完成。

基于以上环保要求，自2014年起，全国火电行业逐步开展符合超低排放要求的环保改造项目，并推行到钢铁、有色、造纸等所有行业的自备燃煤电厂和燃煤热电厂。部分省市自行制定的环保标准中，对燃煤锅炉和设施也提出了超低排放要求。

而超低排放改造中，针对烟尘的达标排放，尤其是包含PM10、PM2.5的超细烟尘的有效捕集，是改造技术中的重点。

1　湿式静电除尘器介绍

1.1超低排放除尘工艺

燃煤机组目前配置的烟尘处理装置，采用脱硝、除尘、脱硫分布工艺。针对氮氧化物的去除，对于煤粉炉大多采用选择性催化还原法(SCR)，对于流化床炉大多采用非选择性催化还原法(SNCR)。脱硝后的烟气，进入卧式干静电除尘器(ESP)进行粉尘收集，之后进入湿法脱硫设施脱除二氧化硫后达标排放。

目前常规干式除尘器改进技术，包括扩大除尘器容量、微细粉尘静电凝聚技术、低温除尘技术、移动极板技术、机电多复式双区电除尘器技术、新型电源(高频电源、脉冲电源)、电袋复合除尘、腹膜滤袋除尘等，更多适用于湿法脱硫前的干烟气。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，因此出口粉尘浓度一般最低可控制在20 mg/m3左右。然而除尘后的烟气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，在脱硫塔后，设置适应湿烟气的湿式静电除尘器，是达到粉尘超低排放要求的唯一选择。

1.2湿式静电除尘器原理

湿式静电除尘装置作为一个独立装置布置，主要由装置本体、阴极系统、阳极系统、绝缘箱、供电电源和冲洗系统组成。其工作原理为：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，或通过冲洗的方法将其清除，原理如图1所示。

图1　湿式静电除尘原理

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，不会产生二次扬尘，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；

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。湿式电除尘装置可以有效地脱除烟气中的微细粒子和气溶胶，使得烟气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最严格要求。

1.3湿式静电除尘器作用

湿式静电除尘器的直接作用为：可有效去除SO3、微细粉尘(PM2.5)、石膏液滴、重金属及其氧化物等，去除效率可达90%左右。

其间接作用为：SO3和水雾的大量去除，可以有效降低对烟囱的腐蚀。同时其运行的阻力较低(本体阻力一般不超过200 Pa)，冲洗水全部循环或回用，没有新水消耗，没有蒸汽或压缩空气消耗。

湿式静电除尘器的应用效果数据如表1所示。

表1　湿式静电除尘器应用效果表

2　不同湿式静电除尘器结构介绍

湿式静电除尘器分为立式湿式静电除尘器和卧式湿式静电除尘器。根据集尘极材质的不同又主要分为导电玻璃钢阳极、柔性纤维织物阳极和不锈钢板式阳极。目前国内应用较成熟的湿式静电除尘器主要有三种：采用导电玻璃钢阳极的立式湿式静电除尘器、采用柔性纤维织物阳极的立式湿式静电除尘器和采用不锈钢阳极的卧式湿式静电除尘器。

2.1柔性阳极湿式静电除尘器

柔性阳极湿式静电除尘器最早由国电科学技术研究院与山东大学开发，主要特点是柔性集尘极采用柔性纤维织物，柔性纤维织物通过张紧装置固定，形成井字形网格状，装置为立式布置，烟气可实现上进下出或下进上出。

正常运行时，阳极先进行冲洗润湿而后具有导电性，柔性集尘极表面形成一层连续水膜，收集下来的烟尘随水膜重力自流至下部积液槽内，实现在线清灰。柔性极板具有抗腐蚀性能好，可实现在线连续工作等特点，其结构特点如图2所示。采用柔性阳极湿式静电除尘器的部分用户如表2所示。

图2　柔性阳极静电除尘器内部照片

柔性阳极湿式静电除尘器的技术优劣点有：

(1)技术优点

①高效去除微细颗粒物、高比电阻粉尘；

②压力损失较低；

③可以避免二次扬尘；

④可以去除Hg，NH3等气相污染物；

⑤可利用柔性织物自身毛细孔作用，自形成均匀水膜，无需连续冲洗，废水量少，可直接排入脱硫系统；

⑥无碱液等水系统，水耗和能耗都较低；

⑦重量轻，设备本体投资费用低。

(2)技术有待优化点

①阴极需要定期断电冲洗；

②阳极安装精度要求较高；

③阳极柔性材料的使用寿命待长时间验证；

④该技术是新兴技术，目前工业化时间较短。

表2　柔性阳极湿式静电除尘器使用厂家

2.2导电玻璃钢湿式静电除尘器

导电玻璃钢湿式静电除尘器是在冶金、化工行业使用的类似设备基础上开发的设备，主要特点是阳极采用碳纤维导电玻璃钢蜂窝体，耐腐蚀不锈钢支撑；阴极线采用耐腐蚀合金针刺线，并采用电加热陶瓷绝缘箱支撑，绝缘子为复合陶瓷材质并增设电加热装置；其它不能进行表面防腐处理的部件采用双相合金不锈钢，并根据不同的位置及使用条件进行局部加厚、加强处理。

导电玻璃钢湿式静电除尘器通常采用立式布置。正常运行时，集尘极表面形成一层连续水膜，收集下来的烟尘随水膜重力自流至下部积液槽内，具体结构如图3所示。采用导电玻璃钢湿式静电除尘器的部分用户如表3所示。

图3　导电玻璃钢湿式静电除尘器内部照片

导电玻璃钢湿式静电除尘器的技术优劣点有：

(1)技术优点

①高效去除微细颗粒物、高比电阻粉尘；

②压力损失较低；

③可以避免二次扬尘；

④可以去除Hg，NH3等气相污染物；

⑤耐腐蚀性高，自身防腐，无需额外防腐设施；

⑥自身具有导电性，无需利用水膜导电；

⑦可自形成均匀水膜，无需连续冲洗，废水量少，可直接排入脱硫系统；

⑧无碱液等水系统，水耗和能耗都较低；

⑨重量轻；

⑩模块化布置方式，易于安装。

(2)技术有待优化点

①检修便利性有待提高；

②装置断面有效利用率有待进一步提高。

表3　导电玻璃钢湿式静电除尘器使用厂家

2.3不锈钢极板湿式静电除尘器

不锈钢极板湿式静电除尘器技术源自日本，其中以三菱和日立的技术最为成熟。该技术是对干式电除尘器进行改良，主要差异在于增设喷淋、碱液循环水系统，采用液膜清灰方式，主要解决振打的二次扬尘和高比电阻粉尘荷电难题。

不锈钢极板湿式静电除尘器和传统干式电除尘器结构接近，多采用316L不锈钢作为电极板，电极采用板式布置，除尘器多为卧式结构。极板上设置连续喷淋系统，通过喷淋NaOH碱液，在不锈钢极板上形成均匀覆盖的液膜，对不锈钢极板进行防腐保护，同时将极板上的粉尘冲洗下来，在单独设置的碱液循环系统中对除尘灰进行集中、捞取脱水工艺。其结构如下图4所示。采用不锈钢极板湿式静电除尘器的部分用户如表4所示。

图4　不锈钢极板湿式静电除尘器内部照片

不锈钢极板湿式静电除尘器的技术优劣点有：

(1)技术优点

①高效去除微细颗粒物、高比电阻粉尘；

②压力损失低；

③可以避免二次扬尘；

④可以去除Hg，NH3等气相污染物；

⑤阳极冲洗采用连续冲洗方式，保证极板的清洁；

⑥结构形式成熟，国外应用较多。

(2)技术有待优化点

①水耗和废水量大，需要配置碱液等复杂的水系统，设备投资大，能耗高；

②由于极板材质采用316L不锈钢，不具备很好的防腐性能。主要依靠极板上的一层均匀的水膜以避免极板受到烟气的腐蚀，水膜一旦出现破损，阳极板将很快被腐蚀。这就需要在设计、制造及安装上有极高的要求，并且要求具有良好的现场管理能力；

③材料表面张力特征及极板长度易形成水膜不均和枝丫流，存在腐蚀风险；

④无法去除湿烟气中的水雾含量，甚至会增加湿烟气中的水雾含量，加大烟囱冒“白烟”的现象；

⑤易出现“干斑点”和“火花放电”；

⑥存在旁路串气问题，影响除尘效率；

⑦连续喷淋导致液滴逃逸浓度较高。

表4　不锈钢极板湿式静电除尘器使用厂家

3　不同湿式静电除尘器对比分析

柔性阳极湿式静电除尘器、导电玻璃钢湿式静电除尘器、金属极板湿式静电除尘器的比较分析如表5所示。

表5　不同湿式静电除尘器技术比较

4　结束语

燃煤机组增加湿式静电除尘器，是满足超低排放环保改造要求的必选方案，选择哪种湿式静电除尘器需要结合企业的原料条件、水资源条件、生产工艺特点；相对而言，导电玻璃钢和柔性阳极湿式静电除尘器，运行过程中不需要喷淋水及碱液，不产生新的二次污染，具有较高的推广应用价值。其各自的使用寿命和检修难易，还有待在长期使用中进行总结和验证。

2016-02-28

于宏朋(1977—)，男，高级工程师。E-mail:3137797@qq.com

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