使用湿式电除尘器收集湿法烟气脱硫后的酸雾和细小颗粒

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1、使用湿式电除尘器（WESP ）收集湿法烟气脱硫（WFGD ）后的酸雾和细小颗粒湿式电除尘器（WESPs）使用在工业领域将近100年了，但是在电厂中使用并不普遍，将 来这种情况可能会有改变。目前在北美仅有4家美国电厂使用WESP来控制烟气混浊度和 收集酸雾和干燥的颗粒。本文要讨论的一个新的主要装置将于2004年底启动，该电厂的容 量为1100MW,这是一个改烧奥利油的电厂并有WFGD的改造项目oWESP直接安装在FGD 脱硫塔的顶部。美国有很多新建的电厂可能需要WESP来达到低的排放规定，国际市场的 需要也在上升。本文回顾了过去和现在工业使用WESP实际情况，同时讨论了由于SCR系 统的使用，和

2、比如法规的健全原因。由于对控制微粒和酸雾的要求不断提高，将来WESP 在新建或改造的化石类燃料电厂的应用也会越来越多，文章也介绍了几种可供选择的酸雾控 制方法，成本和其他因素。湿式和干式灰电除尘器的异同也将一并介绍。1. 应用背景自电除尘器在1907年投入商业运行以来，WESP已经在制酸和冶金等工业过程中取得 广泛和成功的应用。然而，在电厂应用还是近期的事，其标志是Joy公司于1975年在宾西 法尼亚电力照明公司的燃烧无烟煤的Sudbury电站安装的一套中试装置。这套早期试验装置 的成功和Joy公司丰富的工业酸雾经验帮助Joy公司将其WESP系统成功地于1979年在 Getty石油Delawa

3、re市精炼厂投入商业运行。每一个WESP系统设计处理来自石油焦燃烧产 生的220,000 ACFM的烟气，该WESP系统一直良好运行了 20多年，直到其服役期满。这 些烟气中的硫酸最终成为亚微米级的酸的烟雾，但它们可以被WESP可靠地捕捉下来。同期还有更多的WESP系统应用在电厂中（日前这一情况仍在继续）o 1986年，美国巴 布科克&威尔科克斯公司（以下称B& W）为AES Deepwater电厂提供了一套FLS Airtech （FLS-AT） WESP 系统，该系统是对石油焦燃烧产生烟气进行综合处理的一个重要部分。AES Deepwater电厂的设计烟气流量是634,000 ACFM，进

4、入WESP系统的硫酸浓度为35到 100ppm。 1999 年， FLS 对 AES 一套 WESP 模件进行了一次成功的改造使其内件升级为更 现代的、全合金结构。2000年，对NB电力公司旗下的315MW容量的Dalhousie电厂中原B&W供货的WFGD 系统进行了 WESP改造。该WESP系统被设计安装在WFGD的吸收塔的上部的有限的空间 里，用来收集垂直上升气流中的硫酸雾。此后我们称这种布置方式为整体式WESPo尽管有 限的 空间极大地限制了 WESP 的尺寸（因此也限制了其性能），但是这个单电场的 WESP 系统自投运以来一直很可靠。FLS-AT WESP的主要改造项目于2001年在

5、Xcel能源公司的Sherburne县电厂完成。 这是两台750MW的机组，该WESP系统改装项目解决了过去该电厂由于燃烧Powder River Basin煤的粉尘所造成的烟气混浊度问题。下面的例子虽不是严格意义的WESP在电厂应用，但这也是一个大型120万ACFM改造项目，完成于2001年。它位于北达科它州Buelah的Dakota煤气厂，WESP系统设在氨 氢吸收塔下游以控制氨和硫的混合物排放。这个改造项目有效地将烟气混浊度降低到 10% 以下 。在2002年，NB电力与B&W 公司签定了关于为Coleson Cove电厂的3x350MW机组 提供两套配有整体式WESP的WFGD系统的合

6、同。该系统计划于2004年秋季投运。umuj.EnPinFnxam附图1表示Coleson Cove电厂的整体式WFGD/WESP的简图。图 1 垂直上升烟气流整体式 WESPWFGD 系统上述所讨论的 WESP 系统都是应用在特定情况下的，近来对新建燃煤电厂的新排放要 求已要求电厂考虑采用WESP技术以达到必要的性能指标。2. 向 WESP 喷入不同的吸收剂以解决硫酸问题向烟气中喷入添加剂的方法来减少硫酸排放的研究已经开始了。相对于WESP系统的 设备价格而言，该方法的主要吸引力在于能够减少初投资。然而， 喷入添加剂的方法却会 带来高的运行成本，并且影响干式除尘设备，空气预热器或其他锅炉设备

7、的性能，同时还会 影响飞灰的最终处理（含有添加剂反应产物），导致无法控制非酸性微粒子排放，而这原是 WESP系统固有的优点。以前公布的经济分析已经指出，以电厂总的寿命为基础，若按酸脱除效率为50%计算， 注入吸收剂的花费将是采用WESP的1.5到5.5倍；若按酸脱除效率为95%计算，前者的花 费将是后者2到6.5倍。这些成本比较需要根据目前的信息和技术进行细调。另外，这些对 比没有估计因WESP总排放 低（可低于0.005 lbs/MBtu）而带来的额外的和潜在的效益。 这些是吸收剂喷射技术所无法达到的。现场的特定参数如空气预热器出口温度，煤的特性，是否装有干式ESP或布袋除尘器，ESP 的热

8、端和冷端的位置，允许的排烟混浊度，消耗品和处理费用，资金状况等等，将最终 决定采用哪一种技术来控制新旧机组的羽状烟尘和粉尘。因此，选择酸和细颗粒的控制技术 应该具有长远的眼光，而不仅仅局限于眼下存在的问题。3. WESP设计情况一主要形式近百年来，数以百计的 WESP 应用在工业领域来控制硫酸和微粒排放。今天数以千计 的WESP模件在世界范围内投入商业运行。目前有几种形式的WESP设计在实际运行中得 到验证。 WESP 内部结构既可用管状的也可以用平行板状的收集电极。管状的 WESP 只用 于垂直烟气流向，板状的则既有水平烟气流向也有垂直烟气流向。绝大多数已经安装的 WESP采用垂直的烟气流向

9、，这和北美电厂WESP的应用情况是一致的。垂直式的WESP 已经 象水平干式电除尘器一样在电厂中经常采用。这样，一般有三种主要形式的WESP将 来可能要会在市场上出现：（1）垂直烟气流独立布置。很多时候这种形式的系统可以以模件形式供货然后在工地 以多种方式连接起来。这种设计便于安装和解列维修。该形式广泛应用在工业领域中，但其 需要提供专门的布置空间。 AES Deepwater 电厂应用的就是这种形式；（2）水平烟气流独立布置。有时这种形式也被提供给电厂或类似的工业领域。这种布 置方法作成模块式的设计会有困难，像垂直烟气流独立布置方式一样，该布置方式需要专门 的空间。 Dakota 煤气厂就应

10、用这种形式；（3）垂直烟气流，与WFGD系统整体式布置。这种方式采用经典的垂直布置方式，这 也是近些年来 WESP 的最常用的布置方式，同时成本和运行费用也是最低的，占地面积也 很小。 Dalhousie 电厂和 Coleson Cove 电厂用的就是这种形式。4. WESP设计情况一主要形式的考虑如果设计合理，上述的三种基本形式的 WESP 都可以在电厂成功运行。在实际选择时 要考虑下列因素：（1）垂直气流的 WESP 作为酸雾脱除装置已经优先成功地应用几十年，而水平烟气流 的WESP仅仅有为数不多的工程实例。（2）整体布置的WESP的高可靠性已经在Dalhousie电厂得到证明。此型设计在

11、结构上 没有活动内件，可靠的刚性电极，正确选择的结构材料，所以在线保养和维修量工作量很小。（3）整体布置的WESP具有比任何一种独立布置的WESP大得多的优势： 没有内部连接管道，因此也没有相应的压降； 没有与独立布置式WESP相关的内部连接管道，支撑结构，检修门孔，土 建和 BOP 等； 简化酸液收集/存储/工艺系统； 由于接入烟囱的位置较高，减少了烟囱内衬费用。（4）事实上，所有的 WESP 都需要一定形式的冲洗或洗涤来维持正常运行。洗涤可分 为连续洗或定期喷雾清理。整体布置式的WESP内件较之水平布置式的WESP冲洗更强烈，具体情况如下： 在一个在线工作的水平式WESP中，收集板上的冲洗

12、水膜由于重力的作用而流下， 但同时也因烟气流动能的作用会水平运动到下游。问题是这样就不能保证整个板 上都会盖满水，尤其是在下部和上游的 角部区域。对于为电厂设计的大型水平式 WESP来说，庞大的烟气流量要求集灰板的高度大大增加，从而使得的这个问题更 严重。它会导致集灰板清理不彻底、湿 界面分界有问题、和集灰能力下降或维修 量增加等。在整体式 WESP 中，优化了的清洗水喷雾冲洗、能适用于顺流（向上 喷水）和逆流（向下喷水）、并能保证完 全冲洗、且冲洗水能直接作为补给水被 下面的WFGD所利用，而且整体式的WESP的较短的集灰板也进一步提高了清洗 效率； 为了在运行中对水平式WESP的内件得到适

13、当的冲洗，冲洗水的耗量会比整体式 的 WESP 大为增加。这种情况下，要考虑循环使用冲洗水。再循环水滴重新进入 烟气中大概也会增加出口烟气的颗粒量。同时，必须考虑再循环冲洗系 统的初投 资和运行/维护费、诸如设备维护和与之相关的停机或解列。通过比较可见，整体 式 WESP 的清洗系统的高效率可以极大的减小冲洗水的用量。 对于水平式的WESP系统，还应该考虑来自临近电场的冲洗水和捕捉的酸液滴的 携带可能会导致下游电场的电气故障（过早放电）从而增加总排放水平。从出口 电场来的清洗水和酸再携带，特别是当清洗时，如果没有采用最后的消雾 器，就 能逃逸到烟囱中，当然也会增加排放量。通过对比，整体式的WE

14、SP收集的酸和 冲洗水通过精心设计的内部流槽系统排除，减少潜在的、在运行和冲洗时出现的 电场相互间的电气干扰，同时由于已考虑了最后的出口 除雾器，最大程度的降低 整个电厂的排放水平。（5）整体式WESP系统省掉了独立式WESP系统的冲洗和酸处理系统相关的管道、阀 门、箱罐、控制、仪表等设备，大大的简化了运行、减少了维护。整体式WESP系统中，酸 液直接流到下部的FGD的石灰石浆液中并在其中中和；（6）对于现场的改造项目，WESP系统的选择需要有针对性的考虑。除了设备和安装费 用外，场地的约束和相关的停机次数也要在运行成本中考虑。对有些电厂来说，经过全面衡 量，独立式的WESP是最好的选择。5.

15、 WESP设计情况一结构材料对于设计用来作为酸液脱除设备的 WESP 系统的来说，结构材料的选用一直是最主要 的问题。以铜冶炼过程中的焙烧炉为例，被处理的烟气中SO2的浓度往往超过10%，这是 因为矿石中黄铁矿含量较高。为减少SO2的排放量，要求回收SO2,并将其且转化成一种 可用的资源一硫酸。为此，WESP对工艺过程中的氧化钒催化剂提供了额外的保护，通过减 少酸转化设备前的颗粒物和SO3防止其中毒和堵塞。同时WESP通过脱除烟气中所含的如 砷、铬、铅等痕量元素提高了硫酸的品质。由于这些原因，WESP成为这个领域中的常用 设备。在上世纪中九十年代中，用于酸雾控制的典型的 WESP 通常采用防腐

16、的铅作收集器和 用铅包裹的高压电极（板和管子），用铅保护低炭钢的高电压支撑 系统，以及用铅在金属框 架表面烧熔并覆盖从而保护金属护板和框架不受酸性烟气流的腐蚀。由于铅的机械性能较 差，加之下游制酸设备运行压力和脉冲压力导致其 泄漏，这样它下面的金属便会迅速地遭 受严重的腐蚀。另外，在运行温度高于150F时，铅也易于加速机械故障。这些问题导致几 乎在每一次停机都需要彻底的 保养和维修。最终，包复板设计也发展为选择如玻璃纤维加强的塑料（FRP）来包复铅和由其包裹的 内件。这种新设计提高了 WESP的寿命同时也将对专门的烧铅技工的需求降到了最低。在 这个进程中，一些制造厂开始使用塑料和 FRP 收集

17、电极来进一步减少铅的用量。这要求专 门设计来保证运行时的表面导电率。在20世纪70年代，一些制造厂 开始使用特殊的不锈 钢来代替他们设计中仍保留的铅包裹的部件。因为使用铅使结构复杂化和维修费上升、可靠 性降低、还有不得不时时考虑的铅中毒问题等，所有 这些都迫使设计人员改进结构材料。 在20世纪70年代到80年代，合金钢在WFGD系统的成功应用为此提供了足够的信心。今 天，诸如317、含6%的钼钢、C-276等级的合金 钢都已在WFGD系统中得以广泛的应用。 WESP 系统中合金材料的选择也要考虑电厂的特殊情况，主要是受 WESP 系统中氯离子的 浓度而定，而氯离子浓度决定于FGD除雾器性能、水

18、品质、煤的种类以及其他工艺过程因 素等。6. WESP设计情况一充电和收集在 WESP 运行并在处理硫酸雾滴时，一种对工艺过程挑战情况就会显露出来，这就是 一种称为空间充电效应或电晕抑制的现象。电晕抑制对于干式ESP工艺工程师来说是一个 熟悉的因数，它主要是与大量的超细颗粒的出现密切相关的。SO3蒸汽与烟气水分在一起会 产生一种带有极细粉尘的酸雾。 这种酸雾可以严重的抑制运行时 WESP 的电晕电流，在 WESP的入口电场中，和净空气荷载条件电流读数相比其在线电流的衰减可达90%以上。电 晕抑制将会导致WESP的功率和收集效率降低。当WFGD中的细硫酸雾滴和凝结水雾水 平均很高时在WESP中就

19、会促成这些因素进一步加强。为有效地对付预期的电晕抑制，ESP集电极和放电电极几何形状必须合适和有效。目前 正在开发一种低电晕发生电压的具有特殊几何形状的中间电极，通过仔细考虑电晕电极和集 电极之间合理的距离，电晕电流在进口电场中可以建立和保持一个适当的水平。这会降低对 下游电场的细颗粒的负荷和电晕抑制影响，从而可使下游WESP电场在充足的功率水平下 运行，使其达到设计的收集效率。现在已能解决电晕抑制问题，这是基于过去在WESP使 用中获得的经验，同时也包 括在造纸厂的黑液炉（主要是硫酸钠）和干水泥窑炉（发现有 高浓度的细颗粒）等其他应用中，出现过电晕抑制问题的干式ESP中获得的经验。7. WE

20、SP设计情况一排放物性能WESP和干式ESP有很大的区别，这些对决定WESP的尺寸和形状非常重要。空间充电效应或电晕抑制对于它们来说都是共同的因素，这已经在上面讨论过了。另外，电厂WESP是在较低的温度下运行的，干式ESP在300F以上运行，而WESP 大约在130F的饱和温度下运行。干式ESP的烟气湿度一般是低于10%，而WESP的烟气 湿度一般接近100%。正常设计的WESP的功率密度要比干式ESP大得多。在干式ESP中， 一般烟气速度为5ft/s，停留时间约10秒；而WESP中的烟气速度可达10ft/s以上，停留时 间可根据要求的分离效率设计为1-5秒。颗粒的重新携带（收集到的颗粒物重新

21、返回烟气流 中的损失）和由于振打带来的损失对于干式ESP来说是需要考虑的，但是对WESP来说却 不是问题。最后是粒子的比电阻，这是关系到干式ESP性能的重要因素，但对于绝大多数 的WESP应用场合来说却没有影响。AES Deepwater电厂WESP系统的尺寸是基于工业应用的WESP的运行数据设计的。 这是一个能满足严格性能保证的成功设计，它甚至可以达到今天新建电厂的允许值。该 WESP设计为三电场，拥有12个平行模块，为烟气向上流动系统。表1列出了 Deepwater电厂的干式ESP，WFGD，和WESP系统的相关数据。表 1 AES Deepwater 电厂空气污染控制系统规范干式 ESP

22、进口烟气流量634,000 ACFM 在 360F比收集面积粒子捕捉效率FGDSO2 脱除效率 前置吸收塔/冷却塔 塔中烟气速度 除雾器 烟囱烟气再热 亚硫酸钙氧化376 ft2/1000 ACFM97%90%文丘里型, 逆流/顺流9 ft/sec两级, 百叶窗式再热到175F,顺列蒸汽加热器分塔，抽吸加压氧化湿式 ESP烟气流速9.2 ft/sec处理时间4.2 secSO3,ppmv 干态 3% O2粒子捕捉效率出口荷载限制器30 to 10098.9% 包括酸雾0.005 grains/scfd, 包括硫酸在 Deepwater 电厂，对包括硫酸和凝结物在内的总颗粒排放要求为 0.005

23、 grains/scfd, 因 而对硫酸的脱除效率要高于90%。WESP系统对非酸颗粒的控制要求一般为9597%。这还 不包括上游的干式ESP，湿式文丘里前置塔和WFGD系统 的对粒子脱除。这是极高的脱除 效率，总的系统的粒子控制必须在1986年在该非达标地区完全被满足。德克萨斯州要求对 硫酸排放进行控制以满足严格的粒子排 放限制，但直到今天还没有对电厂酸雾排放出台任 何的联邦标准。NB电力的Coleson Cove电厂的WESP系统展示了在电厂WESP性能设计上的继续和 改进。电厂场地限制和和来自先前的Dalhousie电厂WESP改造项目中采用的整体式FGD 和 WESP 所获得的信心，加

24、上资金和运行成本的优点，使该电厂下决心也用垂直的整体式 的WESP用在所有新建的525MW的WFGD塔上。工艺流程与Deepwater电厂相似即烟气 向上流动和三个独立的电场等。从Deepwater电厂1999年合金内件改造过程中获得的并经 过证实的的经验也被应用在更新的Coleson Cove项目的设计中。WESP的设计可将硫酸排 放控制在5 ppmvd以下(3% O2的情况下)，并将飞灰颗粒物限制在0.015 lb/MBtu以下。 为了把硫酸的排放在任何时侯都控制在这个水平，脱除效率必须超过90%。8. 电厂 WESP 现在和未来发展的驱动力迄令，现存在电厂的 WESP 系统都是特定要求下

25、的产物，即若不加控制，排烟混浊度 会很高。但现在的新建电厂设计中有这样一种趋势，即在WFGD系统的下游布置WESP来 达到排放要求。对总的颗粒排放(干态可滤过的加上后半部可凝结的)要求更高促使 WESP 成为新建电厂的一个附属设备来控制细颗粒 和酸雾的排放。到目前为止，为了得到许可， 下列新建燃煤电厂要求在WFGD下游布置WESP系统。 Elm Road (Wisconsin) Peabody Thoroughbred (Kentucky) Peabody Prairie State (Illinois)一般来讲，配置WFGD再加上WESP系统的燃煤电厂颗粒物排放可以降低95%以上， 即便是在

26、干ESP和FGD系统后也一样。WESP还可以降低90%以上的SO3排放。这些方 法结合起来可以将新建电厂的湿烟囱排放的可见烟气混浊度降将到10%以下。此外， WESP 还可以有效的减少危险空气污染物和细颗粒中的微量金属的排放。对已经有WFGD系统的电厂是否需要及何时需要加WESP改造或是否需要和何时需要 与 WFGD 一起改造至今没有规定。然而，一旦对降低可见羽状烟雾的要求和减少硫酸和其 他细微颗粒物排放的要求最终建立起来，采用WESP的解决方案就可以执行。用WESP的 改造在某些情况下可能是具有挑战性的，如 现场特殊的限制或计划停机时间不足等。此时 部件的模块化设计、运输、安装工艺、结构材料

27、方面的革新和设计的改进对于项目的经济性 是重要决定因素。9. 未来WESP发展需求预计未来对电厂的汞和其他金属物的排放会有规定，这会导致对 WESP 及其他功能类 同的污染物控制设备进行综合评价和刻画oWESP在这种污染物脱除上的能力已经在工业应 用中展现过了。随着商业运行电厂中WESP产品走向成熟的，对WESP后湿烟囱中质量流速与烟气混 浊度相互关系进行准确的预测尤其重要。在有WFGD和湿烟囱的电厂中，为了检测干颗粒 排放和上游的除尘器（干式ESP或布袋除尘器）的性能，在WFGD前测量烟气混浊度是非 常平常的做法。这是因为在湿烟囱的饱和烟气中，光学仪器（混浊度仪）受自身的限制很难 精确地实现

28、它们的功能。随着由于酸雾的构成而产生的可见排放物问题，及基于EPA方法 9 可视方法（人眼在一定距离观测）对烟气混浊度保证的要求，依赖先前使用的 烟气混浊 度对（干态）质量荷载的关系已不再可靠了。鉴于预计到 WESP 后总粒子（干态可滤过的加上可凝结的）排放水平极低， 我们发 现决定烟囱排放物传统的试验方法的精确度和正确性是不够的，不能满足实际工程的要求。 新的改进型的测定烟囱排放物方法正在开发之中，该方法能直接用来解决上述问题。 在 WESP技术继续完善的过程中，为了定量的观察这些改进的方法对出口排放物的影响，也需 要有一种新的测量方法和方式。通常，由来自市场方面的压力，我们必须不断地降低W

29、ESP的设备成本，同时还要不 断的提高设备的性能。对于内件、操作方法、材料和其他设计方面的改进和创新，需要供货 商们和有关部门投入更多的研发资金，以不断优化WESP系统使其适应电厂应用要求。10. 结论在电厂WFGD系统之后加装WESP的技术是经过检验的，与常规的工业使用的WESP 相比只是规模更大一些。过去在电厂中这项技术主要应用在燃 烧特定燃料和特定情况下； 今天它是被用来满足新建电厂的更低排放要求，并且事实证明它能够胜任；将来这项技术在 现有电厂的应用可能基于一种或多种需要， 如：满足出口烟气最低的混浊度要求、进一步 减少硫酸排放、进一步减少微量元素及其他细微颗粒污染物等从而要求额外的颗

30、粒控制设 备。尽管商业运行的 WESP 过去和现在已在电厂中出现，但仍要求我们不断地进一步优化 系统、提高性能价格比。参考文献1Erickson, Clayton A. and Jambhekar Rajaram, “Current work on the impacts and control of SO3 emissions from Selective Catalytic Reduction systems,” 2002 Conference on SCR and SNCR for NOx Control, Pittsburgh, Pa, May 2002.2Shroff, G. H.,

31、 Papa, A. F. and Whaler, J. M., “Sulfur emissions control at a coke fired cogeneration plant,” Spring National meeting of AIChE, Houston, Texas, March 1985.3Damle, A. S., Ensor, D. S., Sparks, L. E, “Prediction of the opacity of detached plumes formed by condensation of vapors,” Atmospheric Environm

32、ent, Volume 18, No. 2, （1984）.4 Keeth, R.J., Balfour, D.A., Meserole, F.M., and Defries, T., Utility Stack Opacity Troubleshooting Guidelines, EPRI report GS-7180, March 19915 Staehle, R.C., Triscori, R.J., Kumar, K.S., Ross, G., Cothron, R., “Wet Electrostatic Precipitators for High Efficiency Cont

33、rol of Fine Particulates and Sulfuric Acid Mist”, Institute of Clean Air Companies Forum 03, Nashville, Tennessee, October 2003.6 Kumar, K. S., “Analysis of wet ESP performance at Xcel Energys Sherburne County Generating Station,” 7th International Conference on Electrostatic Precipitation, Birmingh

34、am, Alabama, August 2001.7 7.Hall, H. J., “Critical electrostatic precipitator technology for very fine particle collection,” 3rd International Conference on Electrostatic Precipitation, Padova, Italy, October 1987.8 8.Kumar, K. S. and Staehle, R. C., “Corona management in recovery boiler electrosta

35、tic precipitators,” 77th Annual meeting of Canadian Pulp and Paper Association, Montreal, January 1991.Copyright 2004 by The Babcock & Wilcox Companya McDermott companyAll rights reserved.No part of this work may be published, translated or reproduced in any form or by any means, or incorporated int

36、o any information retrieval system, without the written permission of the copyright holder. Permission requests should be addressed to: Market Communications, The Babcock & Wilcox Company, P.O. Box 351, Barberton, Ohio, U.S.A. 44203-0351.DisclaimerAlthough the information presented in this work is b

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