湿式电除尘技术

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1、研究生课程期末作业课程名称燃烧与污染物控制论文题目湿式电除尘技术及火电厂超低排放技术学 院能源与机械工程学院专 业热能工程姓 名周瑞兴学 号摘要目前电厂粉尘等污染物排放量日益增多，产生的颗粒物特别是细颗粒物对环 境及人类健康危害巨大，而燃煤电厂是细颗粒物的主要排放源，湿式静电除尘器 作为大气多污染控制系统的终端精处理装备，具有捕集烟气中超细颗粒物和雾滴 的功能，因此在电力领域获得了较多应用，本本论文介绍了湿式静电除尘器的工 作原理，除尘遇到的问题以及处理方法，以及试试静电除尘器在燃煤电厂的应用 情况好今后的研究发展方向。并介绍了目前超低排放技术。 关键词：湿式静电除尘器细颗粒物控制燃煤电厂 超

2、低排放技术 一、湿式电除尘技术1 引言1.1 背景及研究意义目前，国际上总颗粒物控制技术虽然已经达到很高的水平，但对于微细颗粒 物的捕集效率却很低，造成大量的微细颗粒物排入大气环境中。我国PM2.5排放 量大幅度增加。严重影响人们的身体健康和出行活动。细颗粒物污染已成为我国 突出的大气环境问题，是引起大气能见度、雾霾天气、气候变化等重大环境问题 的重要因素。燃煤电厂是我国大气环境中PM2.5含量增加的主要污染来源，利用 现有的燃煤烟气污染控制设备，通过增强其对PM2.5的脱除性能，是控制PM2.5 的重要技术发展方向。我国燃煤电厂中干式电除尘技术应用最为广泛，但是电除 尘器(ESP)对直径0.

3、12 口m粉尘的除尘效率较差，原有的电除尘器大部分不能 满足排放要求。尤其在火电厂，普遍采用低硫煤以满足二氧化硫的排放要求，而 低硫煤燃烧产生的烟尘中粉尘比电阻较高，易发生反电晕现象，使收尘效率下降， 导致电除尘器更加无法达标1。而要使电除尘器适应新的排放标准，必须对其进 行机理性提效改造。湿式电除尘器(简称WESP)不需要振打清灰，而是利用连续 水膜清灰，喷水对烟气可以起到调质作用，不会产生二次扬尘现象并且除尘效率 比其它烟气净化装置高，已经得到了广泛的应用。湿式电除尘器作为高效精除尘设备，它可以实现多种污染物的协同脱除，特 别是对微细粉尘及烟气中含有酸雾、气溶胶、汞等重金属的收集有理想的效

4、果。 目前大部分燃煤电厂都采用湿式烟气脱硫系统，其烟气温度符合WESP的要求， 安装在湿法脱硫后的湿式电除尘器仅在日本等国家有少量应用，但其对 PM2.5 微细粉尘和SO酸雾等污染物的捕集效果十分明显。研究湿式电除尘技术，3将为燃煤电厂提供一个既能满足极低排放又能控制复合污染物的可行性技术4。1.2 湿式电除尘器国内外研究现状湿式电除尘器已经在制酸和冶炼行业中得到广泛的应用。20 世纪 40 年代， Penney 对湿式电除尘器进行了研究，得出荷电雾滴可以增强亚微米粉尘粒子的 捕集效率。到50年代中期，Kraemer和Johnstone利用静电学原理分析了荷电 雾滴对粉尘粒子的捕集机理。197

5、5 年开始，日本三菱采用湿式静电除尘器来处 理化工厂的重油锅炉产生的烟气，日立的湿式静电除尘器应用于碧南电厂，实际 应用都达到了预期的效果。由于湿式电除尘器的需求日益增长，为了达到使湿式 电除尘器非常紧凑的目的，日本在世界首次开发并使用了一种“高速湿式电除尘 器(HV-WESP)”，其特点是电场最大的烟气流速为10 m/s。1982年后湿式静电 除尘器被大容量燃煤电厂采用，以去除脱硫后烟气中粉尘等污染物，取得了良好 的效果刀。1985年，东京电力公司Yokosukai号265MW机组开始应用湿式电除 尘器，运转性能良好，出口含尘浓度在10 mg/m3以下。1998年美国俄亥俄州 立大学的Pas

6、ic等首次定义了膜电除尘器(MESP)，即用织物膜代替钢板用在干、 湿式电除尘器上，对超细粉尘的捕集效率比传统的板式电除尘器高9。随着对微 细颗粒的控制日益引起关注，国外对湿法电除尘器的应用日益增多，特别是日本， 开发及应用较为普遍。在铅冶炼工艺、电场酸气洗涤器的后续处理工厂也都得到 应用，排放浓度一般都在5 mg/Nm3以下。我国在湿式电除尘器方面的研究虽然 起步较晚，但是发展十分迅速。 20 世纪80年代后期，我国研究了荷电水雾除尘 器，北京某研究所研制了矿用荷电水雾除尘装置10。周文俊11做了荷电水雾有 利于粉尘凝并的实验研究。 1993 年鞍钢大连甘井子矿用荷电水雾收集石灰石矿 粉尘1

7、2。 1998 年，鞍钢在其转炉煤气回收中首次引进国外的湿式静电除尘器13。 1999年山东沂州水泥集团总公司在15台机立窑上都安装了 LSD型湿法高压静 电除尘器14。2000年，首台国产卧式湿式电除尘器(WSDB)投产应用于宝山钢 铁集团公司 1450 mm 板坯连铸机火焰清理工程，实测烟气排放浓度为 31.2 mg/Nm3，仅为要求排放浓度的62.4%15。2005年，济钢的高致远等16对转炉煤 气精除尘中的湿法板式电除尘器的性能进行了测试，得出入口煤气含尘量小于 150mg/m3时，出口煤气含尘量可降低至10 mg/m3。同年，清华大学的田贺忠17 通过在静电除尘器之后布置湿式电除尘器

8、，证实了湿式电除尘器可以除去燃煤锅 炉产生的亚微米级颗粒物和酸雾排放。 2009 年邯钢在转炉煤气回收净化中引进 了 WESP，满足了用户对煤气质量的要求。2011年，重钢用于煤气净化的燃气- 蒸汽联合循环发电机组(CCPP )全部建成，高炉煤气经过湿式电除尘器精除尘后， 粉尘含量降至 1 mg/m3 以下，满足 CCPP 对煤气清洁度的要求。2013 年，福建 龙净自主研发了我国首台燃煤电厂湿式电除尘设备，并已成功投运。现场初步测 试结果远小于国家排放标准。这种设备置于湿法脱硫系统之后，能对进入烟囱的 烟气进行最后的排放处置。在排放标准越来越严格的情况下，湿式电除尘器将会 得到广泛应用。2

9、湿式电除尘器技术2.1 湿式电除尘器原理湿式电除尘器是直接将水雾喷向放电极和电晕区，水雾在芒刺电极形成的强 大的电晕场内荷电后分裂，进一步雾化，在这里，电场力、荷电水雾的碰撞拦截、 吸附凝并，共同对粉尘粒子起捕集作用，最终粉尘粒子在电场力的驱动下到达集 尘极而被捕集；与干式电除尘器通过振打将极板上的灰振落至灰斗不同的是，湿 式电除尘器则是将水喷至集尘板上形成连续的水膜，流动水将捕获的粉尘冲刷到 灰斗中随水排出。静电除尘器的除尘过程可分为四个阶段：气体的电离；粉尘获得离子而荷电； 荷电粉尘向电极移动；将电极上的粉尘清除。只是湿式静电除尘脱除的对象有粉 尘和雾滴，由于雾滴与粉尘的物理特性存在差别，

10、所以其工作原理也相应的会有 差异。从原理上来讲，首先，由于水滴的存在对电极放电产生了影响，要形成发 射离子，金属电极中的自由电子必须获得足够的能量，才能克服电离能而越过表 面势垒成为发射电子。让电极表面带水是降低表面势垒的一种有效措施。水覆盖 金属表面后，将原来的“金属一空气”界面分割成“金属水”界面和“水一空气” 界面，后两种界面的势垒比前一种界面的势垒低很多。这样，金属表面带水后， 将原来的高势垒分解为两种低势垒，大大削弱表面势垒对自由电子的阻碍作用， 使电子易于发射。另外，水中的多种杂质离子在电场作用下，也易越过表面势垒 而成为发射离子。这些都改变了电极放电效果，使之能在低电压下发生电晕

11、放电。 其次，由于水滴的存在，水的电阻相对较小，水滴与粉尘结合后，使得高比电阻 的粉尘比电阻下降，因此湿式静电除尘的工作状态会更加稳定：再次，由于湿式 静电除尘器采用水流冲洗，没有振打装置，所以不会产生二次扬尘；湿式电除尘 器对酸雾、有毒重金属以及PM10，尤其是PM2.5的微细粉尘有良好的脱除效果。 所以可以使用湿式电除尘器来控制电厂的so3酸雾，并且还具有联合脱除有毒重 金属的前景。2.2湿式静电除尘器工艺布置作为燃煤电厂大气复合污染物终端精细处理设备的湿式电除尘器的最佳布 置位置在湿法脱硫和烟囱之间，其工艺布置如图2-1所示：3湿式静电除尘器存在问题及解决方案湿式电除尘器的收尘性能与粉尘

12、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温高湿的烟气；没有二次扬尘，出口粉尘浓度可以 达到很低；由于没有如锤击设备的运动部件，可靠性较高，由于在电除尘器内的 电场气流速度较高及灰斗的倾斜角减小，设备布置可以更紧凑；对于亚微米大小 的颗粒，包括SO3酸雾和微细粉尘、湿烟气中的气溶胶都能有效收集。但在实际 运行中，湿式静电除尘器仍存在许多问题。3.1存在问题从设备结构原理分析，主要可能带来的影响有系统的腐蚀、集尘装置的水膜 均匀性能否保证稳定、极板结构对除尘效率的影响、湿法脱硫的除雾效果较低导 致烟气中浆液含量过高带来的电场参数下降等问题。3.2解决方案随着技术的进步和不断

13、改进，目前较为先进的技术为柔性阳极应用在湿式电 除尘的集尘设备上，由于柔性阳极的毛细作用，被收集下来的水雾可在集尘极表 面形成一层均匀连续的水膜，依靠收集液完成自身的冲洗清灰，正常运行时不需 要另外的喷淋用水，不需要停机冲洗，实现在线连续工作。基本解决了极板结垢 和清灰的问题。随系统建设可以附带阳极和阴极冲洗系统，仅在启停机和参数异常时使用。湿式电除尘系统的制作材料应该考虑耐用且防腐蚀。该系统的外壳可以使用 普通钢，表面为了加强防腐能力可以涂有薄层防腐材料。其它不做防腐的金属件 可以采用防腐的材料制作即可。前端的除雾器可以实施一些改进，诸如增加除雾面积的两层人字形或菱形布 置的屋脊式除雾器；另

14、外加强除雾器的冲洗管理，达到合理冲洗频率和压力。降 低除雾器出口的液滴量来保证湿式电除尘的运行条件。二 火电厂超低排放技术1 烟尘超低排放技术为了适应逐渐严格的环保标准要求，目前对于燃煤电厂除尘系统超低排放 升级的技术主要包括脱硫前的增效干式除尘技术和脱硫后的湿式静电除尘技术。1.1增效干式除尘技术干式除尘技术主要包括静电除尘、袋式除尘和电袋复合除尘技术。其中静电 除尘技术具有处理烟气量大、除尘效率高、设备阻力低、适应烟温范围宽、使 用简单可靠等优点，已经应用在我国80%以上的燃煤机组。针对电除尘的增效技 术包括:低低温电除尘、旋转电极式电除尘、微颗粒捕集增效、新型高压电源技 术等1819。通

15、过增效的干式除尘技术，辅以湿法脱硫的协同除尘，在适宜煤质条 件下，能实现烟囱出口烟尘排放浓度低于10mg/m3。这里重点对低低温静电除尘 技术及其应用进行介绍。低低温静电除尘技术通过低温省煤器或气气换热器使电除尘器入口烟气温 度降到90100C低低温状态，除尘器工作温度在酸露点之下，具有以下优点： （1）烟气温度降低，烟尘比电阻降低，能够提高除尘效率；（2）烟气温度降低， 烟气量下降，风速降低，有利于细微颗粒物的捕集；（3）烟气余热利用，降低 煤耗；（4）烟气中SO冷凝并粘附到粉尘表面，被协同脱除；（5）对于后续湿法 3脱硫系统，由于烟温降低，脱硫效率提高，工艺降温耗水量降低20。在国际上，日

16、本低低温电除尘技术应用较为广泛，为应对日本排放标准的不 断提高并解决引起的酸腐蚀问题，三菱公司1997年开始研究日本基于烟气换热 器装置的低低温高效烟气治理技术，现今在日本已得到大面积的推广应用，三菱、 日立等低低温电除尘器配套机组容量累计已超13GW。日本橘湾电厂1050MW机组 应用数据显示低低温烟气处理技术可实现烟囱出口粉尘排放浓度在5mg/m3以下， 出口 SO排放浓度低于2.86mg/m3。我国首台低低温电除尘器应用是在2010年63月广东梅县粤嘉电厂6号炉135MW机组。2012年6月，我国首台600MW低低温 电除尘在大唐宁德电厂4号炉成功投运，经第三方测试除尘器出口粉尘排放低于

17、 20mg/m3，同时具有较强的SO、PM2.5、汞等污染物协同脱除能力。2014年浙江3嘉华电厂1000MW机组采用低低温电除尘后除尘器出口粉尘浓度降至15mg/m3.相关的工程应用实践表明，低低温电除尘技术集成了烟气降温、高效收尘与 减排节能控制等多种技术于一体。综合考虑当前我国极其严峻的“雾霾”大气污 染和煤电为主的能源资源状况，低低温电除尘技术具有粉尘减排、节煤、节电、 节水以及SO减排多重效果，是我国除尘行业最急需支持应用推广的技术之一。31.2湿式静电除尘技术湿式静电除尘技术通常用于燃煤电厂湿法脱硫后饱和湿烟气中颗粒物的脱 除。要实现烟尘浓度低于SO的超低排放，一般情况下需要配套湿

18、式静电除尘技3术。湿式静电除尘工作原理是: 烟气被金属放电线的直流高电压作用电离，荷电 后的粉尘被电场力驱动到集尘极，被集尘极的冲洗水除去。与电除尘器的振打清 灰相比，湿式静电除尘器是通过集尘极上形成连续的水膜高效清灰，不受粉尘比 电阻影响，无反电晕及二次扬尘问题：且放电极在高湿环境中使得电场中存在大 量带电雾滴，大大增加亚微米粒子碰撞带电的机率，具有较高的除尘效率。湿式 静电除尘技术突破了传统干式除尘器技术局限，对酸雾、细微颗粒物、超细雾滴、 汞等重金属均具有良好的脱除效果21。全世界第1台除尘器为湿式静电除尘器，1907年投入运行，主要用来去除 硫酸雾，后来被拓展用于电厂细微颗粒捕集。美国

19、在用于多污染物控制的湿式静 电除尘器研究及应用方面处于领先地位。目前已在Dalhousie Sherburne等多个 电厂大型机组上取得了成功运行经验，其中最大机组容量达1000MW。国内，湿 式静电除尘器在冶金行业硫酸工业已有多年成功的运行经验，是一项非常成熟 的技术，并且针对微细雾滴制定出台了环保部标准HJ/T323-2006电除雾器 主要技术特点：单体处理烟气量较小，一般不超过5万m3/h，设计烟气流速较低, 一般为1 m/s左右，电极多采用PV或FRP材质。1.3 SO超低排放技术2燃煤电厂脱硫技术经过几十年的发展已基本成熟，形成了包括石灰石-石膏 湿法瓶颈，国内外都做过一些研究和应用

20、。目前高效脱硫的主要技术包括托盘塔 技术；双塔串脱硫、干法/半干法脱硫、海水脱硫、有机胺脱硫、氨法脱硫、双 碱法等多技术方向。在实际应用中，石灰石-石膏湿法脱硫居于主导地位，占95% 以上。1.3.1 托盘技术 托盘塔技术指在脱硫喷淋塔中增设穿流孔板托盘，使烟气均布在整个喷淋塔 截面上。烟气和脱硫浆液在托盘表面掺混，形成具有较大气液接触界面泡沫层， 从而实现高效脱硫。目前国际主流的托盘是巴布科克-威尔科克斯公司托盘，美 国的一些电厂已经采用了该技术并达到了98%以上的脱硫效率，武汉凯迪电力环 保有限公司引进了该技术22。托盘塔脱硫技术也存在一些问题 :加装托盘导致脱硫系统的阻力上升至 lKPa

21、左右，增加了脱硫运彳丁能耗；为保证较咼的脱硫效率，吸收塔浆液的pH值 较高，使石膏结晶困难，含水率大大增加。1.3.2 双塔串联技术 双塔串联技术是利用两级石灰石-石膏湿法喷淋空塔串联运丁，烟气经过一级塔，先脱掉烟气中的一部分，再经过二级塔，两次叠加，从而达到总的脱硫效 率大于98%的要求。脱硫系统采用串联吸收塔运丁方式出力咼，对锅炉负荷波动 适应性很强，有效地保证了 SO超低排放的要求。2 双塔串联技术较适用于脱硫系统的增效改造，优点主要有:原脱硫系统设备 无需做任何改动，改造期间不影响原系统的运行。国电永福电厂320MW燃煤机组 脱硫系统采用双塔串联技术改造，改造后燃煤硫含量从2.63%提

22、咼到5%以上，脱 硫塔入口 SO浓度从5.965g/m3提高到12.5g/m3，脱硫效率达到98.5%23。21.3.3 单塔双循环技术 单塔双循环技术是对双塔串联工艺流程的进一步优化，该工艺中烟气通过1台吸收塔实现2次SO脱除过程，经过了 2级浆液循环：一级循环的主要功能是2保证亚硫酸钙氧化效果和石灰石的充分溶解，以及充足的石膏结晶时间；二级循 环保证高脱硫效率，而无需考虑亚硫酸钙的氧化和石灰石溶解的彻底性，以及石 膏结晶大小问题。单塔双循环技术主要特点是：烟气分两级脱硫，一级循环pH值控制在4.5 5.3，有利于石灰石的溶解和石膏的结晶，能够得到品质很高的石膏；二级循环 pH值控制在5.8

23、6.4，能够在较低液气比的工况下得到较高的脱硫效率，从而 降低能耗。一级循环还可减少烟气中尘、HCL、HF的含量，有利于二级循环达到 高脱硫效率；每个循环独立控制，易于优化和快速调整，能适应含硫量和负荷的 大幅变化；独立的一级循环浆池和二级循环浆池能够减小事故浆罐的储存容积； 锥型收集碗能够均布烟气流场，提高除雾器除雾效果。因此单塔双循环技术更适 合于高硫煤的高效脱硫，能够较好地适应工况的波动。此外，单塔双循环特殊的 烟气流场分布，更有利于浆液对颗粒物的捕集，能够辅助实现烟尘的超低排放。1.4 NO超低排放技术x 目前国内外能够实际应用于电厂燃煤锅炉的减排技术包括低氮燃烧技术和 选择性催化还原

24、脱硝技术。低氮燃烧技术因其投资少、运行费用低、无二次污染 等优点，我国将其作为首选技术，但当前的低氮燃烧技术水平仍难以达到最新的 火电厂大气污染物排放标准关于NO的排放指标以及超低排放要求，因此仍x需要在尾部烟道加SCR,目前低氮燃烧技术+ SCR已成为我国NO减排控制的大x趋势。1.4.1 低氮燃烧技术低氮燃烧技术的主要思路是抑制燃烧过程中NO的生成反应速率，或使已生x成的被部分还原。要实现NO的超低排放，同时降低脱硝成本，则必然需要对低x氮燃烧技术进行深入研究以降低锅炉出口 NO的排放浓度，以减轻SCR的负担网。x 双尺度低氮燃烧技术是近年来较为常用的一种新技术，通过炉内射流组合使 在空间

25、尺度上中心区和近壁区温度场、速度场、颗粒浓度场特性差异化，在过程 尺度上相关节点区段对一次风射流特殊组合，从而在2个尺度上形成低氮、防渣、 稳燃功能的特性25。1.4.2 SCR脱硝技术SCR脱硝工艺由美国公司开发，而由日本在20世纪70年代工业化，目前商 业应用最为广泛26。SCR脱硝的原理是：一定温度条件下（320C420C），在 催化剂作用下，喷入NH与NOx反应生成N和HO，从而达到脱硝的目的。催3 2 2化剂是SCR反应器的核心元件。国外催化剂工厂主要包括：丹麦Topose公司、 德国Argillon公司，美国Cormetech公司。目前我国催化剂生产技术和原材料 还依赖国外，价格较

26、高，导致脱硝成本较高。因此，实现催化剂的生产技术和原 材料的国产化、降低催化剂成本并生产出适应我国烟气条件的 SCR 催化剂，是 我国脱硝产业当前面临的最迫切难题，是推动NOx减排的必由之路。2 燃煤烟气污染物超低排放技术路线为了达到烟气超低排放的技术指标，必须对目前使用的烟气治理技术进行整 合、优化，统筹考虑，充分发掘各自技术的潜力，发挥各技术的优点又能做到关 联技术的互相配合互补，达到有效利用烟气的资源，实现烟气综合治理，从而形 成一体化的烟气治理工艺体系的目的，实现超低排放的要求。要实现燃煤烟气污 染物的超低排放，需要对煤质条件提出要求，一般情况下低硫、低灰、高挥发份、 高热值的烟煤较为

27、理想。为了控制 NOx 浓度，首先采用低氮燃烧技术，在保证锅 炉效率和稳定的同时，最大限度降低锅炉出口的浓度，然后采用 SCR 脱硝工艺实 现 NOx 超低排放，与常规 SCR 脱硝相比，超低排放机组 SCR 脱硝的区别主要在于 氨烟混合系统的升级和催化剂用量的调整。为了控制so浓度，实现超低排放可选用的技术主要有双循环脱硫工艺和托2盘塔等技术。综合高效脱硫以及煤种、负荷适应性，同时兼顾协同除尘、脱汞， 选用单塔双循环技术。双循环工艺在一座吸收塔内完成了 2次脱硫，达到了双塔 串联效果，同时喷淋系统对烟气的洗涤，实现对粉尘和Hg2+的协同脱除。与传统 湿法脱硫工艺相比，在较低液气比的经济运行工

28、况下实现SO超低排放，由于吸2收塔持液量降低，“石膏雨”问题也可以得到缓解。为了减少烟气中的烟尘，为实现低于 5mg/m3 的超低排放，除了采用增效干 式除尘技术和单塔双循环协同除尘之外，还配套湿式静电除尘器。采用的技术路 线是低低温电除尘+湿式深度净化技术。烟气通过低低温电除尘脱除大部分粉尘、 部分 SO 和颗粒汞，同时通过烟气余热的回收利用，节约电煤消耗，降低烟温和3烟气量，使后续湿法脱硫节水、提效，缓解“石膏雨”现象; 然后通过湿式静电 除尘，一方面使得烟气含尘量达到超低排放要求，另一方面对重金属等多污染物 协同净化，并有效减少“石膏雨”； 此外湿式深度净化装置作为系统的最后治 理单元，

29、还可根据需要对SO或NOx进行终极调控，通过添加脱硫液或脱硝液的2方式，实现其深度净化。三 结论燃煤电厂粉尘等污染物排放量日益增多，产生的颗粒物特别是细颗粒物对环 境及人类健康危害巨大，而燃煤电厂是细颗粒物的主要排放源，湿式电除尘器作 为大气多污染物控制系统的终端处理装备，具有捕集烟气中细颗粒物和雾滴的功 能，因此在电厂得到了较多的应用。湿式电除尘器能有效除去电厂烟气中的细颗 粒物、SO气溶胶、消除石膏雨的问题。燃煤烟气污染物超低排放相对于燃气发3电经济性显著，相对于常规烟气治理投资较高。综合考虑技术经济效益和环境效益，建议有序发展，做到有所侧重 参考文献：1 Czech T, Sobczyk

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