濕式靜電除塵器及其脫除煙氣中汞的研究進展

丁承剛，羅漢成，潘衛(wèi)國

(1.上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心，上海 200090;2.上海電力學(xué)院，上海 200090;

3.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612)

電廠排放的大氣污染物，如硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、細顆粒物和汞等，已經(jīng)嚴重影響了人類的生存環(huán)境和身體健康，研究相應(yīng)的控制技術(shù)顯得很有必要.對于脫硫脫硝，目前已經(jīng)有了比較成熟的濕法煙氣脫硫(WFGD)和選擇性催化還原(SCR)技術(shù).對于汞的減排，目前已有的相關(guān)研究包括采用活性炭吸附劑[1]、飛灰吸收劑、改基吸收劑等，而采用濕式靜電除塵器(WESP)來降低汞排放的相關(guān)研究則較少.

WESP最早由美國加利福尼亞大學(xué)化學(xué)教授COTTRELL F G提出，并于1907年運用于工業(yè)化除塵裝置中.此后，該技術(shù)便不斷發(fā)展，逐步運用在冶金制造、水泥生產(chǎn)、造紙、石油和火力發(fā)電等行業(yè)中.其中，對于燃煤電廠，WESP首次投入使用是在1986年，一般安裝在脫硫系統(tǒng)的后面，主要用于脫除煙氣中SO3水霧、細顆粒物等，脫除效率可達90%以上.另外，采用濕式靜電除塵技術(shù)的另一個目的就是降低煙氣的不透明度.[2]

對于煙氣中汞的排放，早在2005年3月，美國作為世界上首個針對燃煤電站汞排放實施限制標準的國家，頒布了汞排放的相關(guān)控制標準.[3]我國最新出臺的火電廠大氣污染物排放標準也已經(jīng)把降低汞的排放作為控制指標，[4]隨著環(huán)保標準越來越嚴格，相應(yīng)的汞減排技術(shù)亟需進一步發(fā)展.

1 濕式靜電除塵器

1.1 原理簡介

WESP的工作原理如下:金屬放電線在直流高電壓的作用下，在其周圍發(fā)生電離，由此而產(chǎn)生的電暈電流向陽極流動.在流動過程中，如果碰到塵粒，則與塵粒結(jié)合形成帶電粒子，這些粒子在電場中受到庫侖力的作用而向陽極運動.當粒子運動到陽極表面時，便隨流動的水膜水帶走.其除塵過程可以歸納為以下4個階段，[5]即:氣體的電離;粉塵獲得離子而荷電;荷電粉塵向電極移動;將電極上的粉塵清除.

濕式靜電除塵器按結(jié)構(gòu)分為管式和板式兩種基本型式.[6]管式WESP的陽極板為多根并列的圓形或多邊形金屬管，放電極均勻分布在極板之間;板式 WESP的陽極板呈平板狀，極板間的電暈線均勻布置.

1.2 技術(shù)發(fā)展

1.2.1 采用耐腐蝕金屬板

傳統(tǒng)的WESP陽極板材料一般選用硬性材料，如金屬板、玻璃鋼板等，這些材料使用一段時間后，會因為煙氣的腐蝕使得陽極板出現(xiàn)斑點，影響其脫除效率.為此，ORITA K 等學(xué)者[7]提出采用耐腐蝕的合金來克服此問題.他們選用了S30400， S31703， S32506， S31727， S32053，N06022，N10276等7種材料來做研究，并運用電化學(xué)測量法、應(yīng)力腐蝕測試法和縫隙腐蝕法來對不同材料的耐腐蝕性能進行測試.其實驗結(jié)果表明，S32053抗腐蝕性能好且成本較低，適用于高硫煤、SO3酸霧的pH值在0.5～1之間的情況;若pH值低于0.5，則可以采用N06022或N10276.

1.2.2 采用柔性纖維陽極板

陽極板除了采用金屬材料外，還可以采用碳纖維、硅纖維和柔性絕緣疏水纖維等，[8]其中采用柔性纖維材料是我國近年來研究WESP的一個方向.

常景彩等人[9]對采用聚丙烯纖維(丙綸)和滌綸材料作為陽極的WESP做了相關(guān)研究.該類材料能夠克服水膜布置不均勻的問題，且成本較低、耐酸堿、耐腐蝕.他們針對丙綸和滌綸這兩種材料的液滴浸入擴散動力學(xué)特性進行研究(通常認為接觸角越小，潤濕性能越好，潤濕速度越快)，結(jié)果表明:

(1)水液滴與丙綸織物之間接觸角為136.2°，與滌綸織物的液體接觸角為 52.5°;乙醇液滴與丙綸織物的接觸角為41.9°，與滌綸織物的接觸角為 46.5°.

(2)在擴散初期，重力的影響作用較為明顯;到擴散后期，液滴表面張力、黏度和慣性力則對液滴擴散特性的影響較大.

1.2.3 脫除極細顆粒物

為了處理極細顆粒物或粘稠的細顆粒物，MIKROPUL H等人[10]研究出了一種濕式靜電除塵器——WEP-TR.它有以下特點:

(1)陽極板表面不會形成灰層，從而能夠避免火花放電和二次揚塵;

(2)管內(nèi)的電場能夠持續(xù)保持荷電狀態(tài)，降低了使用輔助設(shè)備的可能;

(3)低壓沖刷液膜可以在陽極板上形成，便于使用非導(dǎo)電性材料來適應(yīng)酸性環(huán)境.

WEP-TR的收塵管采用耐腐蝕的聚氯乙烯(PVC)材料.洗滌液沖刷收塵管的內(nèi)表面，在沖刷過程中形成的水膜會將荷電的顆粒物脫除.

1.2.4 其他技術(shù)

BOLOGA A等人[11]設(shè)計了一種帶有電暈氣溶膠分離器(CAROLA)的新型濕式靜電除塵器，由高強度電離區(qū)和接地的無場收塵區(qū)組成，如圖1所示.電離部分由安裝有短管電極的帶孔接地板組成，收塵部分由一個安裝在電離區(qū)下游的堆原料的塔組成.

圖1 CAROLA-WESP結(jié)構(gòu)

1.3 應(yīng)用情況

美國作為研究WESP最早的國家，已經(jīng)在濕式靜電除塵器污染物控制方面取得了很多成果，目前已經(jīng)在很多電廠中擁有成功的運行經(jīng)驗.如2000年NB電力公司Dalhousie電廠315 MW容量WFGD系統(tǒng)的WESP改造，2002年NB電力公司Coleson Cove電廠的3×350 MW機組的WESP和2001年 Xcel能源公司 Sherburne電廠兩臺750 MW的機組安裝WESP等.以Sherburne電廠為例，該 WESP采用雙電場結(jié)構(gòu)，每個電場12個模塊各自對一臺機組進行煙氣的不透明度控制.運行結(jié)果表明，該 WESP能夠?qū)煔獾牟煌该鞫瓤刂圃?0%的水平，大大低于之前40%的水平.[12]目前，WESP已在我國諸多燃煤機組上投入使用，具有良好的發(fā)展前景.

2 利用WESP脫除煙氣中汞的研究

2.1 汞在煙氣中的形態(tài)分布

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)早在2002年對全球汞的評估中就表明:燃煤電廠汞的排放量是人為汞排放的最大來源.煙氣中汞的形態(tài)分為元素汞、二價汞和顆粒汞.其中，顆粒汞可以通過除塵設(shè)備較容易脫除，二價汞由于水溶性也比較容易控制，而元素汞由于揮發(fā)性強且不溶于水很難被脫除.對于元素汞，可以考慮采用吸附劑或者將其氧化的方法來進行間接脫除.[13-14]

2.2 美國BMP電廠使用WESP脫除汞的效果

美國能源部的國家能源技術(shù)實驗室曾在2002年10月資助了一個“利用膜式濕式電除塵器對多種污染物脫除效率”的項目，選擇的燃煤電廠便是美國 BMP電廠.該廠安裝了兩臺WESP，一臺是316L不銹鋼金屬WESP，另一臺是丙綸纖維材料WESP，均安裝在煙氣脫硫(FGD)裝置后面.其中，前者陽極板為圓管式，后者陽極板為板式.以上兩種WESP進出口汞測試數(shù)據(jù)均采用OHM法(Ontario Hydro Method)測得，且均以煙氣流量為13 600 m3/h所得測試數(shù)據(jù)作比較.[15]

(1)采用316L的WESP脫汞的測試結(jié)果

煙氣流量為13 600 m3/h時采用316L的金屬管式WESP的進出口脫汞數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 金屬管式WESP脫汞測試數(shù)據(jù)

由表1可知，在總汞含量中，元素汞占比最大.計算3組采樣的元素汞占比分別為79.94%，79.90%，77.21%.對于元素汞，入口濃度平均值為 6.23 μg/m3，出口濃度平均值為 4.03 μg/m3，脫除效率平均值為36%.對于氧化汞，入口濃度平均值為 1.63 μg/m3，出口濃度平均值為 0.4 μg/m3，脫除效率平均值為76%.對于顆粒汞，脫除效率平均值為67%.

(2)采用丙綸的WESP脫汞的測試結(jié)果

煙氣流量為13 600 m3/h時采用丙綸的板式WESP脫汞數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2 板式WESP脫汞測試數(shù)據(jù)

比較表1和表2可知，采用丙綸的WESP對元素汞的脫除效率與采用316L的WESP相差無幾，這表明對于元素汞的脫除，陽極板是金屬還是纖維材料，影響并不大.而對于氧化汞和顆粒汞，采用丙綸的WESP對汞脫除效果要好些.

2.3 干式ESP后布置WESP

對于燃燒低硫分的次煙煤或褐煤的電廠，煙氣中絕大部分汞以元素汞的形式存在，因此可以采用干式ESP作為一級除塵裝置.由于干式ESP不能有效收集細顆粒物，故在其后安裝WESP，而且WESP還對汞有一定的脫除作用.這種干濕混合靜電除塵器的布置方式可以在煙氣飽和露點溫度以上運行，而且煙氣溫度比常規(guī)干式ESP出口溫度低，避免了管道、煙囪腐蝕，有利于揮發(fā)性雜質(zhì)的凝結(jié).[16-18]

2.4 等離子增強型WESP

為了處理煙氣汞排放的問題，MSE技術(shù)應(yīng)用公司(MSE)和CR潔凈空氣技術(shù)公司(CRCAT)合作開發(fā)了一種新技術(shù)，將脈沖等離子體技術(shù)運用于 WESP，稱作 PEESP.MONTGOMERY J L 等人[19]對此進行了實驗研究.最初測試結(jié)果表明，PEESP能夠脫除模擬煙氣中90%以上的元素汞.該技術(shù)的原理為通過中心電暈極向煙氣中注入一種反應(yīng)劑氣體，這種氣體在電暈極可以產(chǎn)生一種反應(yīng)物將元素汞氧化，從而形成細顆粒物或二價汞，進而被脫除.其特點如下:

(1)可以直接對現(xiàn)有的干、濕式靜電除塵器進行改造，不需要額外的投資和土地設(shè)施，而且保持汞控制的成本較低;

(2)滿足了美國環(huán)境保護局(EPA)所要求的汞還原效率;

(3)不需要增加壓降，且使用蒸汽和氧氣作為試劑氣體;

(4)沒有移動的構(gòu)件，降低了維護費用;

(5)可以和FGD系統(tǒng)聯(lián)合脫除汞.

3 結(jié)論

(1)濕式靜電除塵器作為火電廠污染物控制設(shè)備，具有能夠高效脫除細顆粒物、運行可靠和無二次揚塵的優(yōu)點，今后必然能夠?qū)档臀覈髿馕廴疚锱欧抛龀鲐暙I.

(2)傳統(tǒng)WESP的陽極材料，如金屬板等，由于其腐蝕性的問題會導(dǎo)致脫除效率下降，目前已經(jīng)研究出了耐腐蝕的陽極材料，如合金 S32053等;新型陽極板材料，如碳纖維、硅纖維和柔性纖維等，這是近年來我國高效除塵研究的一個方向，其效果良好.具體采用哪種陽極板材料使建造和運行費用最合理，需要考慮到各個電廠不同的情況.

(3)采用WESP對顆粒汞和氧化汞的脫除效果較明顯，對元素汞的脫除效率較低，這跟其本身的特性有關(guān);干濕混合靜電除塵器的布置方式也可以降低汞的排放;等離子增強型WESP是通過中心電暈極向煙氣中注入一種反應(yīng)劑氣體來使元素汞氧化，進而將其脫除.

[1]STEWART R.The ADESORB process for economical production of sorbents for mercury removal from coal fired power plants[R].USA:Littleton CO，2008.

[2]STAEHLE R，TRISCORI R，KUMAR K，et al. Wet electrostatic precipitators for high efficiency control of fine particulates and sulfuric acid mist[C]∥Institute of Clean Air Companies(ICAC)Forum.Nashville:Tennessee，2003.

[3]O'DOWD W J，PENNLINE H W，F(xiàn)REEMAN M C，et al.A technique to control mercury from flue gas:The thief process[J]. Fuel Processing Technology，2006，87(12):1 071-1 084.

[4]環(huán)境保護部.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標準[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011:4-8.

[5]閆君.濕式靜電除霧器脫除煙氣中酸霧的試驗研究[D].濟南:山東大學(xué)，2010.

[6]劉鶴忠，陶秋根.濕式電除塵器在工程中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計，2012(3):43-47.

[7]ORITA K，SHIROMARU N.Evaluation of corrosion-resistant alloys for wet electrostatic precipitator[M].Electrostatic Precipitation.Springer Berlin Heidelberg，2009:495-498.

[8]常景彩，張立強，李志強，等.柔性集塵極應(yīng)用于濕法脫硫煙氣深度凈化的試驗研究[J].環(huán)境污染與防治，2012，34(11):1-4.

[9]CHANG J C，DONG Y，WANG P，et al.Removal of coalfired pollutants in wet electrostatic precipitators with flexible collection electrodes[C]∥ Proceedings of the 2010 International Conference on Logistics Engineering and Intelligent Transportation Systems.Wuhan:IEEE，2010:1-4.

[10]MIKROPUL H. Innovative wet electrostatic precipitator technology[J].Filtration and Separation，1998，35(5):433.

[11]BOLOGA A，PAUR H，LEHNER M，et al.Collection of fine particles by novel wet electrostatic precipitator[J]. Industry Applications，2009，45(6):2 170-2 177.

[12]KUMAR K.Analysis of wet ESP performance at Xcel Energy’s Sherburne County Generating Station[C]∥Proceedings of the 7thInternational Conference on Electrostatic Precipitation.Birmingham，Alabama，2001.

[13]趙毅，薛方明，董麗彥，等.燃煤鍋爐煙氣脫汞技術(shù)研究進展[J].熱力發(fā)電，2013(1):9-12.

[14]劉飛.ESP弱電離場——鹵硫化物協(xié)同氧化燃煤煙氣中零價汞的研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2011.

[15]REYNOLD J，BAYLESS D L，CAINE J. Multi-pollutant control using membrane-based up-flow wet electrostatic precipitation[R].DOE Final Report，Akron，Ohio:Ohio University，2004.

[16]田賀忠.利用濕式靜電除塵器(ESP)脫除汞[J].國際電力，2006，9(6):62-64.

[17]REYNOLD J.Mercury removal via wet ESP[J]. Power，2004(8):54-59.

[18]ALTMAN R，BUCKLEY W，RAY I.Multi-pollutant control with dry-wet hybrid ESP technology[C]∥Proceedings of the Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium.Washington DC，2003.

[19]MONTGOMERY J L，BATTLESON D B，WHITWORTH C G，et al. Latest developments of the plasma-enhanced electrostatic precipitator for mercury removal in coal-fired boiler flue gas[C]∥Air Quality III Conference，2002.