燃煤鍋爐 PM2.5治理技術(shù)

蔣 濤，白慧莉，陳 超

（1.陜西省西安市環(huán)境保護(hù)局，陜西 西安 710021；2.陜西省銅川市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，陜西 銅川 727000）

1 引言

研究顯示，燃煤污染對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)率約占20%～25%，是影響空氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要因素［1］。燃煤鍋爐煙氣特點(diǎn)在于：燃煤鍋爐生產(chǎn)地點(diǎn)固定，生產(chǎn)過程集中，生產(chǎn)節(jié)奏較強(qiáng)，便于煙氣處理和操作；煙塵排量大；由于燃煤鍋爐24h不間斷生產(chǎn)，故煙氣連續(xù)排放；煙塵粒度為0.3～200μm，其中小于5μm的占粉煤灰總量的20%。

氣象專家和醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，由細(xì)顆粒物造成的灰霾天氣對(duì)人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大［2］。粒徑10μm以上的顆粒物，會(huì)被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5～10μm之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會(huì)被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋，對(duì)人體健康危害相對(duì)較??；而粒徑在2.5μm以下的細(xì)顆粒物，直徑相當(dāng)于人類頭發(fā)的1／10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。每個(gè)人每天平均要吸入約1萬升的空氣，進(jìn)入肺泡的微塵可迅速被吸收、不經(jīng)過肝臟解毒直接進(jìn)入血液循環(huán)分布到全身；其次，會(huì)損害血紅蛋白輸送氧的能力，喪失血液。中國(guó)工程院院士、中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站原總工程師魏復(fù)盛研究結(jié)果還表明，PM2.5和PM10濃度越高，兒童及其雙親呼吸系統(tǒng)病癥的發(fā)生率也越高，而PM2.5的影響尤為顯著［3］。世界衛(wèi)生組織在2005年版《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》中也指出：當(dāng)PM2.5年均濃度達(dá)到每立方米35μg時(shí)，人的死亡風(fēng)險(xiǎn)比每立方米10μg／m3的情形約增加15%。一份來自聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署的報(bào)告稱，PM2.5每立方米的濃度上升20mg，中國(guó)和印度每年會(huì)有約34萬人死亡。

因此，控制細(xì)顆粒物排放是迫切需要解決的關(guān)鍵問題，也是國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的重大需求。2012年，環(huán)保部首次制定出 PM2.5標(biāo)準(zhǔn)，將各方爭(zhēng)議的 PM2.5、臭氧（8h濃度）納入常規(guī)空氣質(zhì)量評(píng)介，并收緊了PM10、氮氧化物等標(biāo)準(zhǔn)限值。很顯然，從制定標(biāo)準(zhǔn)到徹底改善環(huán)境還有很長(zhǎng)的一段路要走，但這是一個(gè)良好的開端。下面將介紹幾種目前主流的最有應(yīng)用前景的PM2.5脫除設(shè)備。

2 主要 PM2.5脫除設(shè)備

2.1 電袋復(fù)合除塵器

電袋復(fù)合除塵器，是一種有機(jī)集成靜電除塵和過濾除塵兩種除塵機(jī)理的新型節(jié)能高效除塵器［4］。電袋復(fù)合除塵器是在一個(gè)箱體內(nèi)，有規(guī)律地布置電場(chǎng)和袋場(chǎng)，達(dá)到低排放、節(jié)能的目的。自20世紀(jì)中葉人們提出將兩種高效的除塵方式有機(jī)結(jié)合在一起，開發(fā)一種更加高效的新型除塵器以來，“靜電布袋”聯(lián)合除塵的理論已經(jīng)比較成熟，迄今主要有以下3種聯(lián)合除塵方式。

2.1.1 “預(yù)荷電＋布袋”形式

含塵氣流先通過預(yù)荷電區(qū)，在高壓電場(chǎng)中，粉塵充分荷電并凝并成較大的粒子，然后由袋式除塵器收集。還有的在袋式除塵器內(nèi)設(shè)置電場(chǎng)，可加與荷電塵粒極性相同的電場(chǎng)，也可加與荷電塵粒極性相反的電場(chǎng)。極性相同時(shí)，電場(chǎng)力與流場(chǎng)力相反，塵粒不斷透過纖維層，效率很高，同時(shí)由于排斥作用，沉積于濾袋表面的粉塵層較疏松，過濾阻力減小，使清灰變得更容易一些。

2.1.2 “靜電布袋”并列式

這種方式是將一排袋濾器和一組電極相間排列，實(shí)現(xiàn)了電除塵與袋式除塵機(jī)理的有機(jī)融合，其形式如圖1所示。它既適用于新建的設(shè)備，也適用于老電除塵器的改造。

圖1 并列式靜電－布袋除塵器

2.1.3 “靜電布袋”串聯(lián)式

這種形式的聯(lián)合除塵方式，前級(jí)收塵為電除塵，后級(jí)為袋式除塵（圖2）。這種除塵器特別適用于已投產(chǎn)不達(dá)標(biāo)、場(chǎng)地受到限制的電除塵器的改造，一般情況是保留原電除塵器的前級(jí)電場(chǎng)，將后級(jí)電場(chǎng)改為袋式除塵。由于不增加原電除塵器的寬度、高度，改造的工作量小，施工周期短，投資可低于單獨(dú)采用袋式除塵器或電除塵器的費(fèi)用，同時(shí)排放質(zhì)量濃度可長(zhǎng)期穩(wěn)定保持在50mg／m3以下，性能優(yōu)越。

圖2 串聯(lián)式靜電布袋除塵器

2.2 濕式靜電協(xié)同除塵器

濕式靜電協(xié)同除塵器（WESP）對(duì)粉塵的捕集原理與干式靜電除塵器（ESP）基本相同，都是采用電暈放電的方法使氣體發(fā)生電離［5］，產(chǎn)生正離子和自由電子，在放電機(jī)和集塵極形成穩(wěn)定的電暈，使該區(qū)域的粉塵顆粒荷電，最終被集塵極捕集。但在捕集粉塵的清灰方式上WESP采用沖刷沖洗集塵極表面凝結(jié)形成一層液膜，進(jìn)而清除捕集的粉塵顆粒；干式ESP則采用機(jī)械振打的方式清除集塵極上的積灰。相比而言，濕式靜電除塵器得到更為廣泛的應(yīng)用。而在日常生產(chǎn)運(yùn)行中，電除塵器會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些故障，降低了設(shè)備的運(yùn)行效率，影響到生產(chǎn)正常進(jìn)行。

常見濕式電除塵器為管式除塵器，主要由沉淀極、電暈極、絕緣子箱、沖洗裝置和煤氣分布裝置構(gòu)成［6］。沉淀極由相切管束構(gòu)成，是電除塵器的正極，煤氣中的焦油和塵粒由此捕集。電暈極多由鎳鉻合金制成，被上下吊架拉伸到每個(gè)沉淀管的中心，電暈極上的高壓電將煤氣分子電離，負(fù)離子附著在焦油和塵埃上，被沉淀極所吸引，從而達(dá)到去除焦油和塵粒的目的。電暈極通過高壓電線與高壓電源相連，而高壓電線則通過穿墻套管和柱形絕緣子，接入高壓電源，并承吊電暈極。絕緣子箱夾套內(nèi)通入蒸汽，給絕緣子保溫，減輕煤氣對(duì)其表面的污染，延長(zhǎng)使用壽命。沖洗裝置由連續(xù)沖洗裝置和間接沖洗裝置組成。連續(xù)沖洗水在沉淀管內(nèi)壁上形成8～10mm厚的均勻水膜，沖洗沉淀極捕集下來的焦油；間接沖洗水有較高的壓力和流量，可較徹底地沖去黏在管壁上的焦油。煤氣分布裝置位于電除塵的底部，由2～3層煤氣分布篩板構(gòu)成，起到均勻布?xì)獾淖饔谩?/p>

目前主要有3種設(shè)計(jì)方式的WESP。

2.2.1 垂直煙氣流獨(dú)立布置

這種方式的系統(tǒng)可以模件形式供貨，然后在現(xiàn)場(chǎng)以多種形式鏈接起來，這種設(shè)計(jì)便于安裝和維護(hù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，但其需要提供專門的布置空間，AES Deepwater電廠應(yīng)用的就是這種方式。

2.2.2 水平煙氣流獨(dú)立布置

這種方式也被提供給電廠或類似的工業(yè)領(lǐng)域，作為模塊式的設(shè)計(jì)會(huì)有困難，與垂直煙氣流獨(dú)立布置方式一樣，該布置也需要獨(dú)立的空間。Dakota煤氣廠就是應(yīng)用這種方式。

2.2.3 煙氣垂直流與WFGD系統(tǒng)整體式布置

這種方式是近年來 WESP最常用的布置方式，同時(shí)成本和運(yùn)行費(fèi)用也是最低的，占地面積也很小。Dalhousie電廠和Coleson Cove電廠用的就是這種方式。

對(duì)于 WESP來說，結(jié)構(gòu)材料的選用一直是最主要的問題，在20世紀(jì)90年代中期，典型的用于酸霧控制的WESP通常采用防腐的鉛作集塵器和用鉛包裹的高壓電極（板和管子），用鉛保護(hù)低碳鋼的高壓支撐系統(tǒng)，以及用鉛在金屬礦表面燒熔并覆蓋從而保護(hù)金屬板和框架不受酸性煙氣流的腐蝕。但鉛的機(jī)械性能較差，且在運(yùn)行溫度高于65.6℃時(shí)，鉛易于加速機(jī)械故障，這些問題導(dǎo)致幾乎每次停機(jī)都需要徹底地保養(yǎng)和維修。目前諸如含6%的鉬鋼、C－276等級(jí)的合金鋼都在 WFGD系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)的利用織物薄膜取代傳統(tǒng)金屬集塵極的薄膜濕式靜電除塵技術(shù)可使成本更低，且防腐性能更佳。

2.3 靜電顆粒層協(xié)同除塵器

靜電增強(qiáng)顆粒層除塵器是在顆粒床層中施加靜電，利用靜電吸引和其他幾種機(jī)理的共同作用，促使粉塵向顆粒床層滲透，提高床層的利用率，從而提高除塵效率。

靜電顆粒層除塵器（EGB）是一種高效可行的除塵設(shè)備，早在19世紀(jì)就開始采用顆粒材料過濾流體中的粉塵和雜質(zhì)，在水泥、煉焦、化工和冶金業(yè)得到廣泛運(yùn)用［7］。其具有耐高溫和高效性等特點(diǎn)，在IGCC和PFBC燃煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)入口煙氣凈化方面得到了重點(diǎn)研究。

靜電顆粒層除塵器的主要優(yōu)點(diǎn)是：①耐高溫、抗磨損、耐腐蝕；②過濾效率受粉塵比電阻的影響較小，除塵效率較高；③能夠凈化易燃易爆的含塵氣體，并可以除去SO2等多種污染物；④維修費(fèi)用低。因此廣泛用于高溫?zé)煔獾膬艋?。靜電顆粒層除塵器的性能有除塵效率、床層阻力和過濾風(fēng)速，影響靜電顆粒層除塵器的主要因素是床層顆粒的粒徑和床層的厚度。實(shí)踐證明：顆粒的粒徑越大，床層的孔隙率也越大，粉塵對(duì)床層的穿透越強(qiáng)，除塵效率越低，但阻力損失也比較??；反之，顆粒的粒徑越小，床層的孔隙率越小，除塵的效率就越高，阻力也隨之增加。因此在阻力損失允許的情況下，為提高除塵效率，最好選用小粒徑的顆粒。床層的厚度增加以及床層內(nèi)粉塵層增加，除塵效率和阻力損失也會(huì)隨之而增加。選擇合適的顆粒粒徑配比和最佳的床層厚度是保持顆粒層除塵器良好性能的重要因素。

靜電顆粒層協(xié)同除塵器主要是在傳統(tǒng)顆粒層除塵器上依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選擇一種荷電方式以便達(dá)到合理高效協(xié)同除塵。目前只有清華大學(xué)、武漢大學(xué)等少數(shù)高校研究其機(jī)理，尚未見工業(yè)應(yīng)用報(bào)道。

2.4 靜電旋風(fēng)協(xié)同除塵器

靜電增強(qiáng)旋風(fēng)分離器的基本思想就是在旋風(fēng)分離器空腔主軸上加入電暈極，在其周圍能產(chǎn)生較高的電子密度Ni和較強(qiáng)的電場(chǎng)力E，增強(qiáng)對(duì)細(xì)顆粒的控制作用。若近似地把其看做是串聯(lián)，那么在下行流區(qū)旋風(fēng)分離起主要作用，脫除掉較大的顆粒，未能分離的小顆粒將隨氣流進(jìn)入上行區(qū)，上行區(qū)離電暈極較近，這將使其受到更強(qiáng)的電場(chǎng)力而徑向運(yùn)動(dòng)到下行流區(qū)直至撞到壁面被捕獲。由于下行流區(qū)同樣受到靜電力的作用，對(duì)大顆粒的分級(jí)效率也將提高，如圖3所示。

圖3 靜電增強(qiáng)旋風(fēng)分離器

紀(jì)萬里等的實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)風(fēng)速為8m／s時(shí)，1μm粒徑的分級(jí)效率從不加電時(shí)的35.5%上升到90.6%；而15μm的升高幅度也達(dá)到8.2%［8］。實(shí)踐中，這種方式容易出現(xiàn)兩種機(jī)理的沖突。如對(duì)于入口風(fēng)速，若太大，顆粒停留時(shí)間短，靜電作用降低，分級(jí)效率與旋風(fēng)分離器的效率相似；太小，旋風(fēng)作用減弱，在較低風(fēng)速下還會(huì)出現(xiàn)類似靜電作用下的某段粒徑分級(jí)效率“低谷”。

王志等的實(shí)驗(yàn)顯示，電場(chǎng)為10～25kV時(shí)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到16m／s時(shí)，總效率與不加電場(chǎng)時(shí)相同［9］?？偟膩碚f，在一個(gè)較大風(fēng)速范圍內(nèi)，效率隨著風(fēng)速的降低會(huì)有所升高。另外，此種系統(tǒng)還有其他一些特點(diǎn)。比如，效率與入口濃度關(guān)系不大，在氣體負(fù)荷較低的情況下仍能保持較高的除塵效率，可適應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)較大的工況。高速氣流能起到清灰作用，能有效防止后電暈發(fā)生，對(duì)各種比電阻都有較好的適應(yīng)性。

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)已有研究人員開始研究在系統(tǒng)中使用脈沖供電技術(shù)。所謂脈沖供電技術(shù)就是在向除塵器提供的基礎(chǔ)電壓上疊加一定重復(fù)頻率、寬度很窄而電壓峰值很高的脈沖電壓。由荷電機(jī)理計(jì)算可知，顆粒荷電決定于Nit，脈沖電壓能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高密度電子使顆粒荷電飽和，這一方面提高了顆粒荷電，節(jié)約電能；另一方面，也對(duì)克服高比阻粉塵形成反電暈現(xiàn)象很有作用。

靜電協(xié)同旋風(fēng)除塵器系統(tǒng)對(duì)PM2.5有較顯著作用，對(duì)于已具有旋風(fēng)分離器或有特殊要求必須使用旋風(fēng)分離器而又對(duì)細(xì)顆粒要求高的情況，可參考此系統(tǒng)進(jìn)行改造或新建，并建議使用脈沖供電方式，降低運(yùn)行能耗，減少運(yùn)行成本。

2.5 旋轉(zhuǎn)填充床濕式除塵器

旋轉(zhuǎn)填充床（rotating packed bed，簡(jiǎn)稱 RPB），又稱超重機(jī)，是一種用離心力強(qiáng)化傳遞、混合及分離的新型設(shè)備。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。用電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)填有填料（金屬或非金屬）的環(huán)形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，液相由轉(zhuǎn)子內(nèi)緣進(jìn)入并在比重力加速度大得多的離心加速度環(huán)境下，向外緣高速運(yùn)動(dòng)最終被甩出轉(zhuǎn)子，氣相從轉(zhuǎn)子最外層進(jìn)入與液體逆向接觸，并由轉(zhuǎn)子中心離開。旋轉(zhuǎn)填充床不僅是一種非常高效的強(qiáng)化傳遞過程的設(shè)備，而且是一種高效的混合或分離的設(shè)備，它可用于氣－液、氣－固、液－固、液－液和氣－液－固多相系統(tǒng)［10］。

圖4 旋轉(zhuǎn)床結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

旋轉(zhuǎn)填充床除塵是濕法除塵過程，氣液在填料層中做逆向接觸進(jìn)行除塵，與纖維填料床洗滌器類似。但轉(zhuǎn)旋的填料使液滴更小、分布更均勻，同時(shí)氣液相對(duì)運(yùn)動(dòng)加大，對(duì)粉塵的捕集效果更好。在轉(zhuǎn)子與外殼之間，由轉(zhuǎn)子甩出的液體與氣相之間接觸進(jìn)行除塵，類似噴淋式洗滌器。由于填料層內(nèi)的氣液流動(dòng)特性有利于液體對(duì)粉塵的捕集作用，因此旋轉(zhuǎn)填充床除塵有如下特點(diǎn)：

（1）除塵作用必然發(fā)生在氣液接觸的界面上，氣、液之間相界面越大除塵效果越好，RPB中氣液界面并非只有填料的表面，還有在填料自由空間中的液滴、液絲和液膜，因此除塵效果極佳；

（2）在填料自由空間中，氣體以快于填料的切向速度運(yùn)動(dòng)，而液體以慢于填料切向速度運(yùn)動(dòng)，因而兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速率較大，這有利于粉塵與液體之間有效碰撞概率的增大，大大提高了除塵效果；

（3）氣體與液體之間并非沿法線方向運(yùn)動(dòng)，還有很大的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于加長(zhǎng)了氣液接觸的途徑，提高了除塵效果；

（4）在轉(zhuǎn)子外緣處存在氣體的端效應(yīng)區(qū)，此處氣相無邊界層，將有利于粉塵與液體的接觸，使粉塵易于捕集。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)許多燃煤鍋爐的除塵系統(tǒng)將在不久的將來進(jìn)行改造，以適應(yīng)對(duì)PM2.5的脫除要求。因此，根據(jù)顆粒物特性及現(xiàn)場(chǎng)要求，可以選取一種或多種除塵設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合除塵，而采用傳統(tǒng)方式相互組合的工藝，則是高效脫除PM2.5，并能很快在工業(yè)上運(yùn)用的技術(shù)。

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