濕式靜電除塵技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

張傳波

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

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濕式靜電除塵技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

張傳波

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

摘 要：濕式靜電除塵（WESP）廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，用于處理酸霧煙雨及細(xì)顆粒物等。20世紀(jì)80年代美國首先將其引入電廠后，WESP與濕法煙氣脫硫（WFGD）聯(lián)用技術(shù)在歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家得到推廣。由于WFGD對細(xì)顆粒物、氣溶膠、SO3、水霧、Hg等去除效率不高，容易出現(xiàn)煙囪雨、藍(lán)煙等現(xiàn)象；隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)，近年來WESP在電廠迅速得到了應(yīng)用推廣，并向燒結(jié)市場延伸。

關(guān)鍵詞：濕式靜電除塵（WESP）；濕法煙氣脫硫（WFGD）；超凈排放；細(xì)顆粒物；石膏雨；SO3

1 引言

三部委聯(lián)合印發(fā)的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的主要目標(biāo)是：到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實(shí)現(xiàn)超低排放，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3。多地超低排放的煙塵指標(biāo)甚至為5mg/m3。

為實(shí)現(xiàn)超低排放，脫硝首先采用先進(jìn)的低氮燃燒技術(shù)，然后在原有的SCR脫硝基礎(chǔ)上，增加SCR催化劑的填裝層數(shù)或催化劑的體積，改造工程多將原有的2+1層催化劑直接更改為3層全部填裝，部分電廠采用3+1層SCR催化劑，改造后系統(tǒng)的脫硝效率可達(dá)到85%～90%。脫硫新技術(shù)主要有雙循環(huán)技術(shù)、單塔雙區(qū)技術(shù)、托盤塔技術(shù)、增加噴淋層等。上述技術(shù)都是在常規(guī)濕法技術(shù)上的改進(jìn)和創(chuàng)新［1］。

目前，我國火電行業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了全部煙氣的脫硫與脫硝［2］。98%的火電機(jī)組和90%以上球團(tuán)均采用濕法脫硫工藝。300MW以上火力發(fā)電廠機(jī)組超過90%采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)［3］。

由于環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)（見表1），濕法脫硫存在的短板（顆粒物/PM2.5去除率不高，存在“煙囪雨”現(xiàn)象，SO3去除率不足50%，產(chǎn)生酸霧、氣溶膠、藍(lán)煙，汞脫除困難等）暴露出來。為達(dá)到粉塵指標(biāo)的超低排放，濕式靜電除塵（WESP）技術(shù)受到青睞。

表1 鍋爐及燒結(jié)、球團(tuán)煙塵排放指標(biāo)（部分）

2 濕式靜電除塵技術(shù)（WESP）

2.1 原理

WESP和ESP原理相同，都是通過陰極放電使電場中的粉塵荷電后收集到陽極的收塵極，不同的是，WESP是采用噴淋的方式在收塵板上形成連續(xù)的流動水膜，將收塵極板上捕獲的粉塵沖刷到灰斗中，避免了傳統(tǒng)振打清灰方式造成的二次揚(yáng)塵。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）對于亞微米大小的顆粒，包括微細(xì)顆粒物（PM2.5粉塵）、SO3酸霧、重金屬（汞等）都有較好的收集性能。

（2）收塵性能與粉塵特性無關(guān)，對黏性大或高比電阻粉塵能有效收集，同時也適用于處理高濕的煙氣。

（3）流動水膜清灰，避免反電暈現(xiàn)象，抑制二次揚(yáng)塵?？煽啃暂^高。

（4）電除塵器內(nèi)的電場氣流速度較高，灰斗傾斜角減小，設(shè)備布置更緊湊。

（5）電場空間的水霧對細(xì)微粉塵和有害氣體有捕集作用。水霧在一定程度上提高了電場特性，增大粉塵特別是微細(xì)粉塵荷電量，進(jìn)一步提高除塵效率。

2.2.2 缺點(diǎn)

濕式電除塵器需選用耐腐蝕性強(qiáng)的高等級不銹鋼作為電極材料，煙氣流速較低，設(shè)備體積龐大、工程造價偏高等，都是制約該技術(shù)推廣的重要因素。

2.3 濕式電除塵器的類型

2.3.1 基本型式

WESP在結(jié)構(gòu)上有管式和板式兩種基本型式。相同的集塵面積設(shè)計條件下，管式靜電除塵器內(nèi)的煙氣流速是板式除塵器的2倍，因此在達(dá)到相同除塵效率時，管式除塵器的占地面積要遠(yuǎn)小于板式除塵器，可裝在濕式脫硫塔的上部，可適用于50MW以下小機(jī)組，組成一體化的脫硫、除塵裝置。

2.3.2 按陽極板材料分類

根據(jù)收塵陽極板的不同材質(zhì)，WESP分為金屬收塵極WESP、柔性收塵極WESP和導(dǎo)電玻璃鋼收塵極WESP 3種。其中，金屬極板WESP為國外燃煤機(jī)組應(yīng)用的主流技術(shù)［4］，在國內(nèi)市場占主導(dǎo)地位，其技術(shù)成熟，基建投資較低。但該技術(shù)水耗、堿耗等運(yùn)行費(fèi)用較高。

2.3.3 布置形式

目前投入應(yīng)用的WESP的工程設(shè)計形式為：

（1）垂直煙氣流獨(dú)立布置。適用于化工、冶金行業(yè)；

（2）水平煙氣流獨(dú)立布置。適用于中大型或超大型機(jī)組，處理煙氣量大、除塵效率要求高的場合，是目前國外燃煤電廠主流技術(shù)；

（3）垂直煙氣流與WFGD整體式布置。這種方式將WESP集成布置于吸收塔頂部（也稱頂置WESP），可替代機(jī)械除霧器；占地面積小，減小了內(nèi)部連接管道、支撐結(jié)構(gòu)、土建等，且簡化了沖洗水收集、存儲、工藝系統(tǒng)，因此成本和運(yùn)行費(fèi)用也是最低的，是近年來最常用的布置形式。更適用于小型機(jī)組、處理煙氣量少、除塵效率要求不太高的場合。

3 濕式靜電除塵器的發(fā)展與應(yīng)用

3.1 適用范圍

目前，市場上常見的幾種除塵器特點(diǎn)見表2。

表2 四類除塵技術(shù)特點(diǎn)比較［5］

通過比較可知，在如下情況可選用WESP技術(shù)：

（1）要求煙塵排放濃度低于特別排放限值或要求更低排放（如≤5mg/m3），且對SO3濃度、霧滴濃度、PM2.5濃度有較嚴(yán)要求時；

（2）除塵設(shè)備改造難度大或費(fèi)用很高、原除塵設(shè)備不改造也不影響脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行，且場地允許時；

（3）濕法脫硫后煙塵濃度增加，導(dǎo)致排放超標(biāo)，且濕法脫硫系統(tǒng)較難改造時。

3.2 燃煤電廠濕法脫硫+濕式電除塵器典型系統(tǒng)布置

（如圖1）

圖1 燃煤電廠超低排放典型流程圖

3.3 國外濕式電除塵器應(yīng)用概況

WESP的商業(yè)應(yīng)用始于1907年，至今安裝有數(shù)千臺，主要應(yīng)用于硫酸、冶金和垃圾焚燒等行業(yè)。1987年首次應(yīng)用于燃煤電廠，作為末端凈化設(shè)備，絕大部分用于燃油機(jī)組的污染控制，少量用于燃煤機(jī)組［6］。據(jù)不完全統(tǒng)計，已有100余套不同類型的WESP應(yīng)用于美國、歐洲及日本的電廠［7］，主要作為大氣復(fù)合污染物控制系統(tǒng)的最終精處理技術(shù)裝備，用于去除WFGD無法收集的酸霧、控制PM2.5微細(xì)顆粒物及解決煙氣排放濁度問題。

在歐洲，WESP技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛。大部分WESP應(yīng)用在化工、冶金等行業(yè)，用于處理酸霧煙雨及細(xì)顆粒物。歐洲地區(qū)燃煤火電機(jī)組相對較少，因此大型火電機(jī)組WESP應(yīng)用業(yè)績不多［8］。

日本的WESP技術(shù)起步較早，已經(jīng)有30多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，工程應(yīng)用相對成熟，其中以日立與三菱重工公司為代表。僅三菱重工就有33臺/套應(yīng)用于電廠。1997年三菱制造的一套WESP裝置安裝于Werndorf電廠2#鍋爐，這是歐洲電廠第一套安裝于WFGD后的WESP裝置，該裝置至今運(yùn)行良好［9］。日本碧南電廠5 臺/套WESP投產(chǎn)20年來，煙塵排放濃度長期保持在2～5mg/m3的水平，并且WESP本體和內(nèi)部構(gòu)件均未發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

美國在濕式電除塵方面研究也較早，與日本不同的是，美國應(yīng)用較多的是垂直煙氣流獨(dú)立設(shè)計及與WFGD的整體式設(shè)計［10］。美國Bruce Mansfield電廠、AES Deepwater電廠、日本碧南等多家電廠的測試報告表明，WESP 對PM2.5的去除效率均可高于90%，粉塵排放濃度可低于5mg/Nm3，酸霧的去除率可超過90%，煙氣濁度降低到10%以下。

3.4 國內(nèi)濕式電除塵器應(yīng)用概況

3.4.1 傳統(tǒng)領(lǐng)域

我國在WESP技術(shù)研究方面起步較晚，最早主要是硫酸和冶金工業(yè)（鋼廠的煤氣凈化除塵系統(tǒng)）應(yīng)用了一些中小型的濕式電除塵器［10］。鋼鐵企業(yè)煤氣用濕式電除塵標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6409-1992及JB/T 6409-2008分別針對管型和臥式濕式電除塵器進(jìn)行了描述，處理煤氣量分別為5000～5萬Nm3/h和5000～10萬Nm3/h，出口含塵濃度≤10mg/Nm3。國內(nèi)企業(yè)在冶金領(lǐng)域的WESP工程業(yè)績頗多，用于除塵凈化進(jìn)入煤氣壓縮機(jī)前的高爐、轉(zhuǎn)爐、焦?fàn)t煤氣。

3.4.2 電廠

從2009年開始，國內(nèi)逐步開展了針對燃煤電廠應(yīng)用WESP的研究和探索，從產(chǎn)品研發(fā)、試驗(yàn)裝置試生產(chǎn)到1000MW燃煤機(jī)組上的應(yīng)用僅用了2～3年的時間［11］，取得了多個項(xiàng)目的成功應(yīng)用。

由于環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)，濕法脫硫排放已不能適應(yīng)排放要求，并且隨著霧霾頻發(fā)，使得WESP技術(shù)重新得到關(guān)注。分別以“濕式電除塵器”和“PM2.5”為主題檢索中文文獻(xiàn)，其年數(shù)量的變化關(guān)系如圖2，可以看出：隨著PM2.5的關(guān)注度提高，對于濕式電除塵器的研究急劇增多。

WESP可有效收集微細(xì)顆粒物（PM2.5、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機(jī)污染物（多環(huán)芳烴、二英等）。因此可作為燃煤電廠大氣污染物綜合治理的終端設(shè)備，布置在WFGD裝置后面，除塵效率達(dá)70%～85%，同時解決WFGD帶來的“石膏雨”、藍(lán)煙問題，緩解下游煙道煙囪腐蝕、節(jié)約防腐成本［12］。

圖2 近年P(guān)M2.5及WESP中文文章發(fā)表數(shù)量

我國燃煤電廠濕式除塵技術(shù)發(fā)展較晚，目前WESP呈現(xiàn)不同的技術(shù)流派（如表3）。

神華國華舟山電廠4#爐350MW機(jī)組的WESP于2014年6月并網(wǎng)成功，出口煙塵濃度為2.55mg/Nm3，SO2為2.8mg/Nm3，NOx為20.5mg/Nm3，實(shí)現(xiàn)了“超潔凈排放”目標(biāo)，這也是國內(nèi)電廠首臺（套）WESP的成功應(yīng)用項(xiàng)目［13］。

國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)及科研院所通過自主研發(fā)或引進(jìn)技術(shù)，不僅在核心技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破，并迅速得到了工業(yè)應(yīng)用，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。截至2014年底，國內(nèi)已有多套300MW及以上機(jī)組WESP投入運(yùn)行，并取得了較好的減排效果。

2015年底，浙能長興電廠30萬機(jī)組煙氣超低排改造項(xiàng)目投運(yùn)，采用的是頂置WESP，脫硫塔與WESP整體式布置。

表3 WESP國內(nèi)供應(yīng)商

3.4.3 鋼鐵廠

占鋼鐵企業(yè)50%廢氣排放的燒結(jié)工序中，燒結(jié)機(jī)頭（球團(tuán)）顆粒物新排放標(biāo)準(zhǔn)限值為40mg/m3。目前國內(nèi)采用的濕法脫硫，幾乎都沒有加裝WESP，這種情況下顆粒物排放濃度一般只能達(dá)到50～80mg/m3。因此鋼鐵企業(yè)脫硫系統(tǒng)后加裝WESP是達(dá)到環(huán)保排放的必要措施，具有廣闊應(yīng)用前景。

劉辰等人對WESP對燒結(jié)煙氣除塵效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。萊鋼180m2、450m2燒結(jié)機(jī)及日照鋼鐵600m2燒結(jié)機(jī)均建設(shè)了WESP。山東閩源鋼鐵有限公司燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣脫硫除塵改造工程，配套WESP。

4 結(jié)語

WESP可有效控制脫硫塔后細(xì)顆粒物、硫酸霧滴及石膏漿液等污染物的排放。工程應(yīng)用方面，WESP技術(shù)在美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)及國家的大型燃煤電廠脫硫塔后及冶金、化工、制酸、造紙、煤氣化等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)粉塵排放濃度低于10mg/m3，甚至可低于2mg/m3，同時可有效脫除SO3等污染物及“石膏雨”。近年來我國WESP技術(shù)發(fā)展很快，國外引進(jìn)與自主研發(fā)的技術(shù)，伴隨電廠超凈排放要求得到大規(guī)模的應(yīng)用，業(yè)已實(shí)現(xiàn)大型燃煤電廠脫硫塔后WESP的應(yīng)用，并達(dá)標(biāo)排放。

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中圖分類號：X701

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）06-0055-04

Development and Application of Wet Electrostatic Precipitation Technology

ZHANG Chuan-bo
（MCC Capital Engineering & Research Incorporation Limited Beijing 100176， China）

Abstract：WESP is widely used in metallurgy and chemical industry for treating acid mist and fine particulate matter and so on. After being firstly introduced into power plants by America in 1980s， WESP+WFGD was widely popularized and promoted in developed areas and countries such as Europe， America and Japan. Since the removal efficiency of WFGD to fine particulate matter， aerosols， SO3， mist and Hg is not so high that it is easy for chimney rain and blue smoke to occur. With upgrading of emission standard of emission in recent years， WESP is widely applied and promoted in power plant and extended to sinter area.

Keywords：WESP； wet flue gas desulfurization （WFGD）； ultra-cleaning emission； fine particulate matter； gypsum rain； SO3