火電廠電除塵器應(yīng)用現(xiàn)狀及新技術(shù)探討

李奎中，莫建松

1.浙江大學(xué)環(huán)境工程研究所，浙江 杭州 310058 2.浙江天藍(lán)環(huán)保技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 311202

火電廠電除塵器應(yīng)用現(xiàn)狀及新技術(shù)探討

李奎中1，莫建松2*

1.浙江大學(xué)環(huán)境工程研究所，浙江 杭州 310058 2.浙江天藍(lán)環(huán)保技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 311202

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，對(duì)電除塵器行業(yè)來(lái)說(shuō)將面臨前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。概述了國(guó)內(nèi)外火電廠電除塵器的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，重點(diǎn)探討了煙氣預(yù)處理技術(shù)、電除塵本體技術(shù)、高頻電源技術(shù)、一體化、協(xié)同技術(shù)等的開發(fā)應(yīng)用情況及其適用性，提出電除塵技術(shù)今后的發(fā)展方向主要以本體創(chuàng)新、新型電源開發(fā)及多污染物協(xié)同脫除為主。

電除塵技術(shù)；PM2.5；新技術(shù)；火電廠

環(huán)境保護(hù)部于2011年發(fā)布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)火電廠大氣污染物排放進(jìn)行了更加嚴(yán)格地限制；2012年又發(fā)布了GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，將PM2.5(細(xì)顆粒物)寫入國(guó)標(biāo)，并納入各省市的強(qiáng)制監(jiān)測(cè)范疇。

電除塵器作為大氣污染物細(xì)顆粒物治理最重要的設(shè)備，從20世紀(jì)80年代以來(lái)在技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模上發(fā)展迅速，但其技術(shù)水平僅能滿足原排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，隨著新標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，電除塵器行業(yè)面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)，僅靠電除塵器本體的常規(guī)改進(jìn)，現(xiàn)有新建、擴(kuò)建、改建的火電項(xiàng)目絕大多數(shù)都難以滿足新的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)要求?？v觀我國(guó)火電廠電除塵技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，要實(shí)現(xiàn)電除塵技術(shù)質(zhì)的飛躍，需加快電除塵器新技術(shù)的研發(fā)力度和深度，以滿足大氣污染物的達(dá)標(biāo)排放。

1 國(guó)內(nèi)外火電廠電除塵器應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)、歐盟和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)新建電廠的污染物排放提出了嚴(yán)格的要求，煙塵排放限值均在30 mgm3以下。電除塵器的應(yīng)用比例美國(guó)約為80%，歐盟約為85%，日本則絕大部分采用電除塵器。歐美等國(guó)新建電廠經(jīng)電除塵器處理后煙塵排放濃度普遍在30 mgm3以下[1]。目前國(guó)外電除塵器比集塵面積可達(dá)170～300 m2(m3·s)，單室電場(chǎng)數(shù)可達(dá)7～8個(gè)。歐洲暖通空調(diào)協(xié)會(huì)聯(lián)盟組織認(rèn)為，干式電除塵器的煙塵排放在10～20 mgm3是比較平常的事情，甚至可以保證降到5 mgm3的極限值[1]。發(fā)達(dá)國(guó)家燃煤條件較好，熱值高，灰分低，應(yīng)用電除塵器比較有利，但值得注意的是，印度、越南等發(fā)展中國(guó)家火電廠也大都采用電除塵器。印度的煤種具有高灰分、高比電阻、低熱值、低硫、低氧化鈉等特性，近年其新建的660 MW機(jī)組燃煤電廠也選擇了具有多電場(chǎng)和大比集塵面積的電除塵器。目前印度引進(jìn)我國(guó)的電除塵器一般為7～10個(gè)電場(chǎng)，比集塵面積均大于150 m2(m3·s)，甚至高達(dá)315 m2(m3·s)。有數(shù)據(jù)顯示，印度90%以上的火電廠使用電除塵器[2]。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代我國(guó)相關(guān)企業(yè)先后引進(jìn)瑞典的FIAKT，德國(guó)的LURGI，英國(guó)的Peabody，美國(guó)的GE、EE等公司的先進(jìn)電除塵技術(shù)，到90年代電除塵技術(shù)得到迅速發(fā)展。目前我國(guó)電除塵器的生產(chǎn)規(guī)模和使用數(shù)量均居世界首位[3]，電除塵技術(shù)接近世界先進(jìn)水平。GB 13223—2011規(guī)定燃煤鍋爐和燃油鍋爐煙塵的排放限值為30 mgm3(重點(diǎn)地區(qū)為20 mgm3)[4]，提高了對(duì)除塵器除塵效率的要求。我國(guó)火電廠除塵方式以電除塵器為主，其占除塵方式的比例如圖1所示。電除塵器電場(chǎng)數(shù)量多為3～5個(gè)，但由于種種原因，電除塵器比集塵面積普遍偏小。在新的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)限值(30 mgm3)發(fā)布以前，大部分電除塵器比集塵面積在110 m2(m3·s)以下。2004年7月—2009年8月對(duì)國(guó)內(nèi)100套300 MW及以上機(jī)組，2002年1月—2010年4月對(duì)國(guó)內(nèi)175套600 MW及以上機(jī)組配套電除塵器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，相當(dāng)一部分的電除塵器出口煙塵濃度實(shí)測(cè)值大于30 mgm3(表1)[5]。由于部分電廠出現(xiàn)電除塵器出口煙塵濃度超標(biāo)，造成了各界對(duì)電除塵技術(shù)能否達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)疑。

圖1 我國(guó)火電廠各除塵方式所占比例Fig.1 The proportion of dust removal technology for thermal power plants in China

表1 300 MW和600 MW及以上機(jī)組配套電除塵器測(cè)試結(jié)果分析[5]

1)電場(chǎng)數(shù)為4個(gè)，比集塵面積lt;110 m2(m3·s)；2)電場(chǎng)數(shù)為3～4個(gè)，比集塵面積為80～110 m2(m3·s)。

中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電除塵委員會(huì)編制的《燃煤電廠電除塵器選型設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》對(duì)2006—2008年國(guó)內(nèi)招標(biāo)的138套電除塵器所使用的122種煤種(含9種混煤)的煤、飛灰樣進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2[6]所示?？傮w上來(lái)說(shuō)，30 mgm3煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)下電除塵器對(duì)86%的煤種具有較好的適應(yīng)性；對(duì)于適應(yīng)性差或較差的煤種，電除塵器通過(guò)適當(dāng)增加電場(chǎng)數(shù)量和比集塵面積，或采用配套實(shí)用新技術(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)30 mgm3甚至更低的煙塵排放。

表2 電除塵器對(duì)煤種的適應(yīng)性分析[6] (煙塵排放限值30 mgm3)

Table 2 Analysis of adaptability for coal on electrostatic precipitator of its dust emission at the standard 30 mgm3

表2 電除塵器對(duì)煤種的適應(yīng)性分析[6] (煙塵排放限值30 mgm3)

ωk1)收塵難易程度占統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目總數(shù)量比例2)∕%占統(tǒng)計(jì)煤種總數(shù)量比例2)∕%電除塵器適應(yīng)性分析3)≥55容易15．9413．11較好45～55較容易40．5740．16較好40～45一般16．6720．49較好35～40一般12．3212．30較好25～35較難11．6011．48適應(yīng)性較差，可以使用電除塵器lt;25難2．902．46適應(yīng)性差，建議在進(jìn)行全面、細(xì)致的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析后決定

1)ωk為煙塵的表觀驅(qū)進(jìn)速度，用來(lái)評(píng)價(jià)電除塵器對(duì)煙塵的收塵難易程度，ωk越大，電除塵器對(duì)煙塵的收集效果越好，電除塵器的性能越優(yōu)越。2)占統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目總數(shù)量比例、占統(tǒng)計(jì)煤種總數(shù)量比例均為參考值。3)當(dāng)ωk≥35時(shí)，電除塵器對(duì)煤種適應(yīng)性較好；當(dāng)ωklt;35時(shí)，電除塵器對(duì)煤種適應(yīng)性差或較差。

2 目前面臨的突出問(wèn)題

電除塵器在西方已走過(guò)百年歷史，在中國(guó)也已發(fā)展將近40年，成為成熟的產(chǎn)業(yè)。但隨著近年來(lái)我國(guó)對(duì)火電廠燃煤鍋爐煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，很多電除塵器需進(jìn)行改造升級(jí)；另外布袋除塵器濾料國(guó)產(chǎn)化以后有了很大的競(jìng)爭(zhēng)力，使電除塵器遭遇了前所未有的危機(jī)。與國(guó)外電除塵器應(yīng)用情況，特別是與情況相似的印度對(duì)比之后，我國(guó)電除塵器目前面臨的突出問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。

2.1 煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格

我國(guó)的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)隨著時(shí)代的不同而變化，我國(guó)各時(shí)期火電廠除塵技術(shù)及煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示[7]。

圖2 我國(guó)各時(shí)期火電廠除塵技術(shù)及煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)[7]Fig.2 Dust removal technologies and emission standard of Chinese thermal power plant in different times

依據(jù)某一時(shí)代排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電除塵器無(wú)法隨著時(shí)代的進(jìn)步而提高，出現(xiàn)電場(chǎng)數(shù)偏少，比集塵面積偏小的問(wèn)題；另外即使同一時(shí)期的電除塵器，隨著投運(yùn)時(shí)間的推移，設(shè)備的老化也會(huì)導(dǎo)致其除塵效率明顯下降。圖3為從日本引進(jìn)的某機(jī)組三電場(chǎng)電除塵器運(yùn)行時(shí)間與除塵效率的關(guān)系[8]。

圖3 電除塵運(yùn)行時(shí)間與除塵效率的關(guān)系[8]Fig.3 Relationships of operating time and dust removal efficiency for electrostatics precipitator

2.2 煙氣工況變化

由于煤炭資源的短缺或?yàn)榱斯?jié)約成本，電廠鍋爐煤種時(shí)常變化，另外國(guó)家對(duì)SO2排放要求日趨嚴(yán)格，電廠改燃低硫煤，或改用循環(huán)流化床鍋爐，導(dǎo)致由于實(shí)際煤種與設(shè)計(jì)煤種偏差很大，煙氣工況發(fā)生了改變。

2.3 選型設(shè)計(jì)不合理

選型是決定電除塵器能否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電除塵器選型規(guī)格偏小，電場(chǎng)數(shù)偏少，比集塵面積偏小是目前最突出的問(wèn)題。造成選型不合理的原因?yàn)椋?)對(duì)電除塵器煤種適應(yīng)性的了解不夠深入，特別是高硅、高鋁、低硫、低鈉、低含濕量、高比電阻的煤灰，如準(zhǔn)格爾煤、宣威煤、淮北煤、鄭州煤；2)選型設(shè)計(jì)時(shí)難以適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中的煤種變化、工況變化等；3)電除塵器市場(chǎng)的惡性競(jìng)爭(zhēng)，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)被降到了最低，只能滿足當(dāng)前的要求，如對(duì)于設(shè)計(jì)條件一樣的項(xiàng)目，同樣是國(guó)內(nèi)選型設(shè)計(jì)，但國(guó)內(nèi)的選型結(jié)果和印度的選型結(jié)果區(qū)別很大；4)缺乏技術(shù)規(guī)范，《電除塵工程通用技術(shù)規(guī)范》遲遲未出臺(tái)，造成技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能沒有可比性；5)機(jī)電配合不合理，在電除塵器行業(yè)內(nèi)，電源始終處在配套和從屬的地位，在整套電除塵器中，電源所占比例僅為10%～12%。由于這種關(guān)系定位，在應(yīng)用中很少去深入研究機(jī)電合理配合的問(wèn)題，致使應(yīng)用效果不夠理想。

2.4 制造和安裝質(zhì)量問(wèn)題

1)制造方面存在認(rèn)識(shí)誤區(qū)，認(rèn)為電除塵器技術(shù)含量不高，是精密度要求不高的金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求；2)安裝施工隊(duì)伍的素質(zhì)參差不齊，施工過(guò)程中，如果用戶缺乏監(jiān)督，電除塵器的安裝質(zhì)量就無(wú)法保障。

2.5 運(yùn)行管理問(wèn)題

1)對(duì)電除塵器“三分技術(shù)，七分管理”的理念認(rèn)識(shí)不足，未制訂嚴(yán)格和科學(xué)的操作、維護(hù)、管理規(guī)程；2)技術(shù)力量不足，出現(xiàn)問(wèn)題找不到能承擔(dān)除塵設(shè)備改造或維修的單位，致使電除塵器長(zhǎng)期帶病運(yùn)行。

由于電除塵器存在的這些問(wèn)題，特別是新排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施以及國(guó)家對(duì)PM2.5的逐步重視，電除塵技術(shù)面臨“對(duì)高比電阻煙塵除塵效率低”及“二次揚(yáng)塵引起煙塵排放濃度增加”兩個(gè)技術(shù)瓶頸的挑戰(zhàn)。因此，亟需創(chuàng)新性的除塵技術(shù)。

3 實(shí)用電除塵新技術(shù)

3.1 煙氣預(yù)處理技術(shù)

3.1.1 電凝并技術(shù)

煙塵的凝并機(jī)理主要有熱凝并、紊流擴(kuò)散凝并、聲凝并和電凝并等。其中，電凝并是提高煙塵凝并速率最實(shí)用有效的方法。電凝并是通過(guò)使細(xì)顆粒荷電，促進(jìn)細(xì)顆粒以電泳方式到達(dá)其他細(xì)顆粒表面，從而增強(qiáng)顆粒間的凝并效應(yīng)；電凝并的效果取決于粒子的濃度、粒徑、電荷的分布以及外電場(chǎng)的強(qiáng)弱。截至2008年10月，由澳大利亞Indigo(因迪格)技術(shù)有限公司開發(fā)的電凝并器，已在澳大利亞、美國(guó)和中國(guó)的八家電廠中使用。除了Indigo的電凝并技術(shù)有工程應(yīng)用實(shí)例外，電凝并技術(shù)研究總體上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。幾家電廠的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，Indigo電凝并技術(shù)和電除塵器結(jié)合能顯著提高對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效果，PM2.5排放可減少80%～90%以上；煙塵總濃度可降低30%～60%；濁度降低50%～80%[9-10]，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。電凝并器安裝前后的測(cè)試結(jié)果如表3所示[11]。

表3 美國(guó)Watson電廠安裝和未安裝Indigo凝并器時(shí)細(xì)顆粒物測(cè)試比較[11]

目前，大多數(shù)研究將電凝并技術(shù)與電除塵器相結(jié)合，采用電除塵器捕集電凝并長(zhǎng)大后的顆粒。由于電凝并器一般安裝在電除塵器前的煙道內(nèi)，一方面由于凝并器的安裝需要一定長(zhǎng)度的進(jìn)口煙道，使用受到一定限制；另一方面因煙道氣流速度大，提效具有一定范圍，不適用于收集磨琢性強(qiáng)的煙塵。

3.1.2 煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)

煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)是通過(guò)調(diào)整煙氣組分及物理特性，從而降低煙塵比電阻或改變煙塵的物理化學(xué)特性，提高電除塵器效率的技術(shù)。煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用徹底改變傳統(tǒng)電除塵器被動(dòng)適應(yīng)煙塵、工況參數(shù)的除塵技術(shù)模式，是電除塵技術(shù)的革命性革新。煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)主要有水調(diào)質(zhì)、NH3調(diào)質(zhì)、SO3+NH3雙重調(diào)質(zhì)等，用SO3調(diào)質(zhì)是燃煤電廠最成熟可靠的技術(shù)。目前我國(guó)煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入了活躍期，已有多臺(tái)300 MW以上機(jī)組使用了SO3調(diào)質(zhì)系統(tǒng)，最大應(yīng)用機(jī)組達(dá)到1 000 MW。SO3煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)對(duì)煙塵比電阻的影響和煙塵排放的影響如表4[12]和表5[13]所示。SO3煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)對(duì)在燃用低硫煤，或者鍋爐飛灰含鋁、硅成分高，比電阻較高時(shí)電除塵器提效有很大作用，可作為進(jìn)一步提高電除塵效率，滿足低排放要求的一種有效技術(shù)手段。但并不適用所有的工況，要對(duì)煙氣條件和煙塵性質(zhì)分析后采用。

3.2 電除塵本體技術(shù)

3.2.1 電袋除塵技術(shù)

綜合電除塵器和布袋除塵器兩種成熟除塵理論而提出的電袋復(fù)合除塵技術(shù)，被認(rèn)為是最有希望取得細(xì)顆粒物高效脫除的技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)已有多家燃煤電廠應(yīng)用了該技術(shù)，從應(yīng)用情況來(lái)看，電袋復(fù)合除塵器無(wú)論是技術(shù)指標(biāo)還是經(jīng)濟(jì)性都具有極大的優(yōu)勢(shì)。電袋除塵技術(shù)按布袋區(qū)和電除塵器布置的相對(duì)位置可分為分體式、整體式、嵌入式結(jié)構(gòu)，其中，整體式結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最廣泛。雖然整體式電袋除塵技術(shù)已有大量工程應(yīng)用實(shí)例，并且除塵效率明顯高于電除塵器，但仍有不少關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未得到解決，限制了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。美國(guó)的北達(dá)科他大學(xué)能源與環(huán)境研究中心(EERC)應(yīng)用嵌入式電袋除塵技術(shù)在某鍋爐(相當(dāng)于250 MW機(jī)組)上進(jìn)行了煙氣凈化[14]處理，該設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行性能穩(wěn)定。目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究、中試階段，鮮有采用該電袋復(fù)合除塵器的工程應(yīng)用實(shí)例。山西某燃煤鍋爐(35 th)應(yīng)用了電袋復(fù)合除塵器，雖然具有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在結(jié)構(gòu)布置、陰極放電對(duì)濾袋的影響和濾袋更換等方面還存在問(wèn)題，需進(jìn)一步的突破。嵌入式電袋結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表4 某電廠616 MW機(jī)組煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)對(duì)比電阻影響分析[12]

表5 某電廠600 MW 2#機(jī)組煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)對(duì)煙塵排放的影響分析[13]

注：污染物排放執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)限值為SO2濃度，2 100 mgm3；煙塵濃度，100 mgm3。煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)于2004年8月投入運(yùn)行。

圖4 嵌入式電袋結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of embedded electric-bag precipitator

3.2.2 移動(dòng)電極除塵技術(shù)

移動(dòng)電極的除塵機(jī)理與常規(guī)電除塵器相同，然而，與常規(guī)電除塵器所采用的清灰方式不同，其采用清灰刷來(lái)進(jìn)行清灰。由于集塵極能保持清潔狀態(tài)且煙塵在灰斗中被清除，有效克服了困擾常規(guī)電除塵器對(duì)高比電阻煙塵的反電暈及振打二次揚(yáng)塵問(wèn)題，大幅度提高了除塵效率。日本日立公司(Hitachi Plant)1979年率先成功開發(fā)應(yīng)用了該技術(shù)，至今該公司已有多套移動(dòng)電極電除塵器投入工業(yè)應(yīng)用(圖5)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球已有近12 000 MW裝機(jī)采用了該技術(shù)，其中最大單機(jī)容量為1 000 MW[15]。目前日立公司和國(guó)內(nèi)某公司合作，在中國(guó)推廣應(yīng)用移動(dòng)電極除塵技術(shù)，并已成功應(yīng)用于常州某熱電有限公司兩臺(tái)75 th燃煤鍋爐的除塵工程。設(shè)備采用三個(gè)電場(chǎng)解決了場(chǎng)地受限制的同時(shí)，保證了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的要求，測(cè)試結(jié)果如表6所示。由于該技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)制造和安裝工藝要求較高，運(yùn)動(dòng)構(gòu)件位于煙塵中，維護(hù)復(fù)雜，可靠性差，具有一定的局限性，能否在國(guó)內(nèi)的大型機(jī)組上應(yīng)用還需要進(jìn)一步摸索。

圖5 移動(dòng)電極除塵技術(shù)內(nèi)部構(gòu)造Fig.5 Mobile electrode internal structure

表6 常州某熱電廠燃煤鍋爐測(cè)試結(jié)果

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于2006年12月7日江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和常州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心聯(lián)合測(cè)試報(bào)告。

3.2.3 濕式電除塵技術(shù)(WESP)

濕式電除塵器結(jié)構(gòu)與常規(guī)電除塵器結(jié)構(gòu)基本類似，所不同的是濕式電除塵器取消了傳統(tǒng)的振打清灰方式，采用一套噴淋系統(tǒng)清灰。濕式電除塵器不僅能高效處理高比電阻微細(xì)煙塵，而且效率比布袋除塵器還高，出口煙塵濃度可控制在1 mgm3以下。工業(yè)應(yīng)用表明，濕式電除塵器對(duì)煙氣中的PM2.5、酸霧等有害氣體及汞、鉛等重金屬均有較佳的脫除效果。EPRI(美國(guó)電力研究院)曾在2004年進(jìn)行了一系列干式電除塵器后安裝獨(dú)立的濕式電除塵器的中試試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示[16]。

表7 不同污染物脫除效率測(cè)試結(jié)果[16]

目前濕式電除塵器在電廠的應(yīng)用還不普及，在北美僅有幾家美國(guó)電廠使用濕式電除塵器來(lái)控制煙氣濁度及收集酸霧、煙塵顆粒。在日本，三菱重工研究開發(fā)的濕式電除塵器已有10多套在燃煤電廠中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)某紙業(yè)集團(tuán)20 th循環(huán)流化床鍋爐配套的濕式電除塵器中試裝置于2012年投入運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明，煙塵濃度可降至10 mgm3以下，且性能穩(wěn)定，能耗指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良水平。由于濕式電除塵器在潮濕的環(huán)境中運(yùn)行，存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重和水二次污染的問(wèn)題，導(dǎo)致該技術(shù)難以推廣應(yīng)用，為此，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)于20世紀(jì)90年代末提出了薄膜濕式電除塵技術(shù)(圖6)[17]。該技術(shù)利用纖維薄膜取代傳統(tǒng)的金屬集塵電極，一方面解決了濕式電除塵器在潮濕環(huán)境中金屬極板被腐蝕的難題，另一方面所需的沖洗水量?jī)H為采用金屬收塵極板的160，減少了污水的處理量。濕式電除塵器如能在燃煤電廠與濕法脫硫聯(lián)合應(yīng)用，上述兩個(gè)問(wèn)題都能得到解決。目前，國(guó)內(nèi)一些高等學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)及環(huán)保公司已把濕式電除塵技術(shù)作為“十二五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目進(jìn)行研究。

圖6 薄膜濕式電除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)[17]Fig.6 Wet membrane ESP internal structure

3.2.4 庫(kù)侖技術(shù)

庫(kù)侖技術(shù)的基本原理源自靜電學(xué)的庫(kù)侖定律：

F1,2=k(q1·q2r2)

式中，F(xiàn)1,2為靜電場(chǎng)的庫(kù)侖力；k為比例系數(shù)，9.0×109；q1和q2為電荷量；r為二個(gè)點(diǎn)電荷q1，q2之間的距離。利用流體的動(dòng)壓轉(zhuǎn)為靜壓時(shí)的臨界流速趨向于零的機(jī)理，讓氣體從一個(gè)進(jìn)口通道流入，再?gòu)呐詡?cè)通道流出，迫使荷電塵粒近乎零距離趨向陽(yáng)極板，即r→0，則庫(kù)侖力趨向極大，以最大限度地增大庫(kù)侖力。庫(kù)侖技術(shù)除塵機(jī)理如圖7所示。與傳統(tǒng)電除塵器比較，庫(kù)侖技術(shù)除塵器效率更高，出口煙塵濃度可控制在10 mgm3以下[18]。目前該項(xiàng)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)幾家熱電廠的75和130 th燃煤鍋爐上進(jìn)行了應(yīng)用，但能否在火電廠大型機(jī)組上推廣應(yīng)用，還有待時(shí)間考驗(yàn)。

圖7 庫(kù)侖技術(shù)除塵機(jī)理Fig.7 Coulomb technology dust removal mechanism

3.3 高效節(jié)能電源控制技術(shù)——高頻電源

近年來(lái)，高效節(jié)能控制技術(shù)是電除塵行業(yè)另一個(gè)熱點(diǎn)話題。高頻電源通過(guò)工頻交流-直流-高頻交流-高頻脈動(dòng)直流的能量轉(zhuǎn)換形式，供給電場(chǎng)一系列的窄電流脈沖，脈沖寬度為5～20 μs，脈沖頻率為20～50 kHz。高頻電源在純直流供電方式時(shí)，電壓波動(dòng)小，電暈電壓高，電暈電流大，從而增加了電暈功率，從根本上解決了煙塵荷電效率低的難題(尤其是高比電阻煙塵)，提高了除塵效率。同時(shí)，在煙塵帶有足夠電荷的前提下，盡量減少無(wú)效的電場(chǎng)電離，從而大幅度降低電除塵電場(chǎng)供電能量損耗，達(dá)到了既提效又節(jié)能的目的[19]，工頻電源與高頻電源特點(diǎn)比較如表8所示。目前，高頻電源在國(guó)內(nèi)300、600和1 000 MW機(jī)組的電除塵器上已成功應(yīng)用。上海某發(fā)電廠1 000 MW機(jī)組的四電場(chǎng)電除塵器(A、B兩側(cè))工頻電源改高頻電源前后出口煙塵排放濃度的測(cè)試結(jié)果和運(yùn)行功耗對(duì)比如表9和表10所示[20]。由于高頻電源容量、自身特點(diǎn)、電除塵器性價(jià)比等因素，目前高頻電源主要應(yīng)用于電除塵器的前級(jí)電場(chǎng)。實(shí)踐表明，僅在第一電場(chǎng)應(yīng)用高頻電源，對(duì)整臺(tái)電除塵器性能(即對(duì)集塵面積的等效增加)的改善系數(shù)至少在5%以上，如果多個(gè)電場(chǎng)采用高頻電源，無(wú)疑改善系數(shù)還會(huì)更高。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，當(dāng)前級(jí)電場(chǎng)入口煙塵濃度gt;30 gm3，前級(jí)電場(chǎng)煙氣流速gt;1.1 ms，后級(jí)電場(chǎng)煙塵比電阻gt;1011Ω·cm時(shí)，電除塵器應(yīng)優(yōu)先考慮選用高頻電源。

表8 工頻電源與高頻電源特點(diǎn)比較

3.4 一體化、協(xié)同技術(shù)

面對(duì)更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要從整個(gè)電廠的角度來(lái)考慮燃煤煙氣所帶來(lái)的運(yùn)行和環(huán)境綜合效益問(wèn)題，才能真正滿足多種污染物全部達(dá)標(biāo)排放的要求。雖然目前火電廠已有脫硝、除塵、脫硫等污染物控制技術(shù)，但是傳統(tǒng)的控制技術(shù)模式是相對(duì)孤立的，均是針對(duì)某種污染物設(shè)計(jì)各自的控制技術(shù)，各自為戰(zhàn)，表現(xiàn)為：1)傳統(tǒng)治理模式中各項(xiàng)控制技術(shù)，從設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝到運(yùn)行難以較好配合，使得整個(gè)末端污染物控制系統(tǒng)龐大復(fù)雜，無(wú)法做到最優(yōu)化，導(dǎo)致電廠治污成本提高；2)煙氣中單一污染物治理可能對(duì)其他設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響；3)單一的污染物控制技術(shù)，除了能夠有效脫除主要的對(duì)象污染物之外，還可能具備脫除其他類型污染物的潛力，即各種控制技術(shù)之間存在協(xié)同能力。目前國(guó)內(nèi)某些高等學(xué)校、多家環(huán)保公司均開展了以單項(xiàng)技術(shù)為基礎(chǔ)，深入研究各污染物相互影響機(jī)理和多種污染物控制技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，挖掘協(xié)同潛力，追求系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出燃煤煙氣中PM2.5，酸霧，汞、鉛等重金屬多種污染物的一體化、協(xié)同控制技術(shù)(圖8)。

表9 某電除塵器(A、B兩側(cè))改造前后除塵器出口煙塵排放對(duì)比[20]

注：機(jī)組負(fù)荷為997～1 005 MW；燃燒煤種為神木煙煤。

表10 某電除塵器(A、B兩側(cè))改造前后及優(yōu)化后電除塵器運(yùn)行功耗對(duì)比[20]

圖8 煙氣污染物控制一體化、協(xié)同模式Fig.8 Flue gas pollutant control integration synergy mode

4 電除塵技術(shù)的發(fā)展方向

隨著對(duì)環(huán)境污染控制要求的不斷提高，特別是對(duì)煙塵排放濃度的控制越來(lái)越嚴(yán)格，促進(jìn)了電除塵技術(shù)的不斷發(fā)展。各種電除塵新技術(shù)的開發(fā)和研究方興未艾，當(dāng)前電除塵技術(shù)的研究主要是圍繞提高后級(jí)電場(chǎng)除塵效率、捕集細(xì)微煙塵、克服反電暈以達(dá)到極低排放要求的本體創(chuàng)新和新型電源開發(fā)等，概括為：1)電除塵本體技術(shù)的深入細(xì)化研究；2)電除塵本體與高效節(jié)能電源控制合理配合技術(shù)應(yīng)用研究；3)除塵機(jī)理及理論方面更深入細(xì)致研究；4)PM2.5高效除塵技術(shù)研究；5)整體工藝(燃燒過(guò)程、除塵過(guò)程、脫硫脫硝等)一體化、協(xié)同除塵、脫硫、脫硝技術(shù)的綜合性能、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)電廠電除塵器普遍存在電場(chǎng)數(shù)少，比集塵面積小的問(wèn)題。

(3)電除塵器目前面臨的問(wèn)題是多方面的，要想達(dá)到更高效穩(wěn)定的除塵效果，需要對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)、煙氣工況、設(shè)計(jì)選型、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、制造安裝及運(yùn)行管理等多種因素進(jìn)行綜合考慮。

(4)對(duì)于適應(yīng)性差或較差的煤種，在適當(dāng)增加電場(chǎng)數(shù)量和比集塵面積，或采用配套實(shí)用新技術(shù)的情況下，電除塵器完全可以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，電除塵技術(shù)仍有很好的應(yīng)用前景。

(5)電除塵技術(shù)今后的發(fā)展方向主要以本體創(chuàng)新、新型電源開發(fā)及多污染物協(xié)同脫除為主。在鍋爐燃用煤種適用性差、老電除塵器改造或新建項(xiàng)目場(chǎng)地受限制時(shí)，可采用煙氣預(yù)處理技術(shù)或高頻電源技術(shù)；在鍋爐燃用煤種適用性較好的新建項(xiàng)目或改造項(xiàng)目則以電除塵器本體技術(shù)為主導(dǎo)技術(shù)；在傳統(tǒng)單一污染物控制技術(shù)難以滿足多種污染物同時(shí)達(dá)標(biāo)排放的情況下可采用一體化、協(xié)同技術(shù)；在煙氣治理工藝為煙氣脫硝-除塵器-濕法脫硫的燃煤電廠，結(jié)合濕法脫硫塔布置情況與工藝特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮新型濕式電除塵技術(shù)與濕法脫硫系統(tǒng)的集成應(yīng)用，強(qiáng)化控制煙氣中的PM2.5、SO3等多種污染物。

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ElectrostaticPrecipitatorforPowerPlants:PresentStatusandProspectsofNewTechnologies

LI Kui-zhong1, MO Jian-song2

1.Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China 2.Zhejiang Tianlan Environment Protection Technology Co., Ltd., Hangzhou 311202, China

With the implementation of theEmissionStandardofAirPollutantsforThermalPowerPlants(GB 13223-2011), the industry of electrostatic precipitator (ESP) will face unprecedented pressure and challenge. The present status and application problems of the electrostatic precipitator were summarized, and the development and application of flue gas pretreatment technology, electrostatic precipitator optimization technology, high-frequency power supply technology, synergy technology and other new technologies were discussed in detail. Finally, the prospects of the electrostatic precipitator technology were forecasted, mainly on ontology-based innovation, new power supply development and synergistic removal of multiple pollutants.

electrostatic precipitator technology; PM2.5; new technology; thermal power plants

1674-991X(2013)03-0231-09

2013-03-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(SQ2013AAJY3238)

李奎中(1977—)，男，工程師，主要從事工業(yè)煙塵治理技術(shù)研究，likuizhong7612@163.com

*責(zé)任作者:莫建松(1977—)，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事大氣污染控制與治理方面的研究，mojs1977@163.com

X701.2

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.03.037