提高靜電除塵器及脫硫協(xié)同深度除塵能力的技術綜述*

于宏朋， 于宏林

(1.南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司，江蘇 南京　210016；2.大峘集團有限公司，江蘇 南京　211112)

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提高靜電除塵器及脫硫協(xié)同深度除塵能力的技術綜述*

于宏朋1， 于宏林2

(1.南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司，江蘇 南京210016；2.大峘集團有限公司，江蘇 南京211112)

為適應新的環(huán)保要求，提高深度除塵效果，近年來針對干式靜電除塵器進行升級改造，并考慮與濕法脫硫設施協(xié)同深度除塵，出現了各類提升、改造技術。對此類技術進行綜述和應用分析，為企業(yè)改善大氣污染排放提供借鑒。

靜電除塵器； 多復式雙區(qū)； 電袋復合； 濕式靜電； 脫硫協(xié)同深度除塵

引言

冶金企業(yè)的燒結、球團、燃煤鍋爐等工序，通常采用干式靜電除塵器進行煙氣的除塵處理，但由于設備運行使用水平有差異，靜電除塵器的實際除塵效率并不高，甚至無法達到設計要求的排放指標。

另一方面，目前很多企業(yè)在干式靜電除塵器后，又配置了濕式脫硫系統(tǒng)。有些企業(yè)過于依賴濕式脫硫塔自身的噴淋除塵功能，對前道除塵工序維護不足，造成煙氣進入吸收塔時的粉塵含量超過100 mg/m3。這些超量的含氧化鐵粉塵一方面和鈣離子絡合，降低了脫硫效率，另一方面加劇了吸收塔內設備的磨損，這也是實際使用中，很多企業(yè)濕法脫硫后的煙氣粉塵濃度仍超過排放指標的原因。

隨著國家對節(jié)能減排工作的不斷深入，環(huán)保標準已不斷提高，排放監(jiān)督也愈發(fā)嚴格。國家環(huán)保部頒布的GB28662—2012《鋼鐵燒結球團工業(yè)大氣污染物排放標準》中，燒結、球團排放限值為：粉塵50 mg/m3，SO2濃度200 mg/m3，NOx濃度300 mg/m3。而在重點控制區(qū)，排放限值進一步降低為：粉塵40 mg/m3，SO2濃度180 mg/m3。具體執(zhí)行過程中，山東、山西、河北、江蘇、福建等省市自行制定的標準更加嚴格，如山東提出燒結、球團、燃煤鍋爐的排放標準要求為：2015年粉塵30 mg/m3，2017年粉塵20 mg/m3，2019年粉塵10 mg/m3。因此，現有或新建的干式電除塵器設施，包括配套濕法脫硫后，均要考慮適應粉塵濃度為10～20 mg/m3的深度除塵排放標準。燃煤鍋爐甚至要考慮將來適應粉塵濃度為5～10 mg/m3的超低排放標準的要求。

1　干式靜電除塵器改造技術

對現有干式靜電除塵器進行改造，是常見的快速提高除塵設施效率，達到深度除塵要求的方法，目前已經工業(yè)化的主要改造技術如下：

1.1電除塵擴容改造技術

電除塵擴容改造的常用方法有三種：一是將原有除塵器加高；二是增加電場；三是將側部振打方式改為頂部振打方式，或三種方法結合應用。其改造主要原理，是將原有電除塵的流道面積增大，增大煙氣與極板的接觸面積，減緩煙氣的流速，以增加煙氣粉塵荷電捕集的時間，提高除塵效率。

電除塵擴容改造是最常見的改造方法，一般情況下由于場地和設備外殼限制，多采用除塵器加高，增加電場方式進行，如國電豐城電廠的電除塵器，采用了加高和側部改頂部振打的改造方法，將原有三電場除塵器改為四電場除塵器。國電諫壁電廠11#, 12#機組甚至采用6電場、7電場擴容改造靜電除塵器。但就實際效果而言，很多只是能將原來煙氣粉塵排放濃度從100 mg/m3以上，降低到50～100 mg/m3左右，對于原本煙氣流速較高的場合，除塵效率提升并不明顯，達到50 mg/m3以下深度除塵效果相當困難。

1.2微細粉塵靜電凝聚技術

微細粉塵靜電凝聚技術是近年來提出的一種利用不同極性放電，導致粉塵顆粒負荷不同電荷，進而在湍流輸運和靜電力共同作用下使粉塵顆粒凝聚變大的技術。該技術的應用，不僅可提高除塵器的除塵效率，降低除塵器本體體積及制造成本，還能減少微小顆粒的排放。試驗結果表明粉塵顆粒凝聚效果顯著。顆粒中位徑的凝聚效率在凝聚前后中位徑增大的百分數高達30.7%～120%，可提高除塵效率0.21%～0.76%。

該技術主要優(yōu)勢是除塵器本體體積占地較小，但沒有解決靜電除塵器二次振打揚塵、煙氣流速較高等問題，因此提升的除塵效率有限，也鮮有能夠實現深度除塵效果的應用案例。

1.3低低溫電除塵技術

低低溫電除塵技術由日本三菱和日立公司開發(fā)，已在日本有近20年成功使用經驗，其主要原理是采用汽機冷凝水與熱煙氣換熱的原理，將進入電除塵器的煙氣溫度降低到90℃左右的酸露點溫度以下，利用煙氣中的SO3冷凝成硫酸霧，并附著在粉塵上，從而大幅度降低粉塵的比電阻，消除反電暈現象，從而提高除塵效率。試驗數據表明，煙氣溫度每降低10℃，電場擊穿電壓將上升2.3%，除塵效率與煙氣溫度的關系如圖1所示。

圖1　電除塵效率與煙氣溫度關系

另一方面，煙氣溫度的降低，也使得煙氣量減少，減緩了煙氣流速，增加了粉塵在電場中的停留時間，比集塵面積提高，提升了除塵效率。

低低溫電除塵技術在節(jié)能方面有著優(yōu)勢，因為其回收的煙氣熱量用于鍋爐冷凝水的升溫時，可節(jié)約煤耗。而煙氣溫度的降低，也能夠減少后續(xù)濕法脫硫系統(tǒng)的水耗及系統(tǒng)風機的電耗。也有采用煙氣換熱器將煙氣熱量用于對脫硫除塵后的煙氣進行再加熱的方式，以提高煙囪擴散效果。

低低溫電除塵技術應用中存在的問題有：燃煤灰硫比(D/S)一般要求在100以上，以確保硫酸霧完全被粉塵吸附，避免酸露點溫度以下時，煙氣中硫酸霧對設備的腐蝕，因此對于高硫、低灰煤種，需要慎重考慮。

另外低低溫電除塵器對于煙氣換熱溫度控制要求范圍比較嚴格，一方面只有煙氣溫度降低到90℃左右的酸露點以下時，氣態(tài)SO3才能轉化為液態(tài)硫酸霧粘附在粉塵上，提高粉塵比電阻。但當煙氣溫度低于85℃時，除塵灰流動性會變差，影響灰的收集，同時帶來積灰斗和人孔門的腐蝕問題。粉塵比電阻的下降，也帶來了粉塵與極板的粘附力下降，除塵器振打時的二次揚塵有所增加。

從應用效果來看，日本投運的低低溫電除塵器超過20個電廠，國內已投運的浙能集團嘉華、臺二、溫州電廠，華能集團榆社、長興電廠，大唐集團寧德電廠等，均達到了低低溫靜電除塵器出口粉塵濃度20 mg/m3的效果。

1.4移動極板技術

移動極板電除塵技術從日本引進，其和固定靜電除塵機理完全相同。最大的區(qū)別是采用旋轉的刷子清理極板上的粉塵，保持收塵極板的清潔，防止反電暈的發(fā)生，能有效地解決高比電阻粉塵的收集，不采用傳統(tǒng)的振打清灰方式，從而減少了二次揚塵。

具體原理如圖2所示。

圖2　末電場采用旋轉電極除塵器示意圖

國外已有幾十臺燃煤鍋爐采用移動極板電除塵器，在國內，燃煤電廠目前已有多臺燃煤鍋爐采用移動極板除塵器技術，例如常州廣源熱電廠75 t/h燃煤鍋爐，廣東南海電廠130 t/h燃煤鍋爐，包頭第三電廠300 MW燃煤機組，包頭第一電廠300 MW燃煤機組，達旗達拉特電廠300 MW燃煤機組，華電句容電廠1000 MW機組等。但該技術在國內電廠應用的時間不長，還缺少配套且成熟的操作和檢修規(guī)程。就筆者參與的中鋁集團中州鋁廠熱電8套燃煤機組使用情況，由于國內設備制作水平、設備維護經驗的缺乏，其投運的多套移動極板除塵設施，容易出現因冷熱變形造成設備的卡阻故障，實際使用效果仍難以達到國外同類設備水平。

1.5機電多復式雙區(qū)電除塵器技術

常規(guī)的單區(qū)電除塵器的荷電和收塵在同一區(qū)段進行，很難兼顧荷電和收塵都達到最好的狀態(tài)。對于高比電阻粉塵，由于在收塵板上粉塵的電荷難釋放，沉積到一定厚度的塵層上產生一定的壓降，導致塵層間氣隙擊穿而發(fā)生反電暈現象，使除塵效率大大下降；而對于低比電阻粉塵，當它一旦達到收塵極板不僅立即釋放電荷，且因靜電感應獲得與收塵極板同極性的正電荷，若正電荷形成的排斥力大得足以克服粉塵的粘附力，則已經沉積在收塵極上的粉塵會重返氣流，最后可能被氣流帶走，使除塵效率大大下降。

機電多復式雙區(qū)電除塵器的特點是將收塵與荷電的過程分開，避免互相影響。新型的機電多復式雙區(qū)電除塵器的結構將荷電和收塵過程分開，而且采用連續(xù)的多個小區(qū)復式配置，同時荷電和收塵采用分開的電源供電。在400 mm極距條件下，運行電壓可達80 kV，大大強化了收塵效果，使各區(qū)段的電氣運行條件最佳化，以適應高比電阻和低比電阻粉塵的收集，防止高比電阻反電暈現象的發(fā)生及低比電阻粉塵的反彈。這種電除塵器還可以通過不同的供電方式(比如采用高頻電源或間歇供電)，合理調整振打周期及電氣參數，使其在最佳狀態(tài)下工作，以達到防止或延緩反電暈現象的產生，提高除塵效率。

在電除塵器的后電場采用雙區(qū)電除塵結構捕集微細粉塵、高比電阻粉塵或高飛灰可燃性粉塵，對提高除塵效率，保證出口排放低于50 mg/m3以下是比較有效的。

該技術比較成熟，對安裝和調試的要求也比較嚴格，已在國內的300 MW機組和600 MW機組得到成功應用。

1.6新型電源電除塵器技術

高頻高壓開關電源是電除塵器高壓供電的新動向，具有重量輕、體積小、結構緊湊、三項負壓對稱、功率高等特點。高頻電源輸出直流電壓比工頻電源平均電壓高約20%，電流提高近一倍，從而提高電除塵器效率(一般認為粉塵排放濃度降低30%)。

高頻電源特別適合于在前電場應用，由于前電場煙塵濃度較高，大量的粉塵需要快速負荷上電荷。配上高頻電源，在提高前電場電壓近10 kV的情況下，提高了近一倍的電流，粉塵荷電效率大幅提高，避免了因粉塵濃度高而產生的電暈封閉；有助于后電場提高電壓電流，也有助于電場T/R的提效運行，從而提高整體除塵效率。(有資料介紹，前電場的出灰量可增加25%～30%)。

高頻電源也特別適合于由于燃煤變化引起的煙氣量增加、電場煙氣流速過高情況下的電除塵器改造。目前智能中頻變頻電源、高效脈沖電源也開始在電除塵改造中得到應用。但目前業(yè)績極少，技術成熟度、穩(wěn)定性和可靠性有待時間驗證。

1.7電袋復合除塵器技術

電袋復合除塵器是電除塵器與袋式除塵器的有機組合，它的最大優(yōu)點是不受煤種和粉塵特性的影響，保持高效的除塵效率，但更換電袋的工作量仍然比較大，費用較高。電袋復合除塵器的特點在于含塵氣體進入除塵器后，可通過電場除去70%～80%的粉塵，減少了后部袋式除塵單元的負荷，大大降低了濾袋的清灰頻率，延長了濾袋的使用壽命。

電袋復合除塵器適應于各種煤種，正常情況下出口排放濃度能夠滿足≤30 mg/m3的要求。

由于電場區(qū)的作用，進入濾袋區(qū)煙氣流的粉塵濃度大幅降低，剩余的少部分細粉塵由于靜電凝聚作用使濾袋表面粉層結構呈蓬松絮狀，有利于清灰，降低了濾袋內外的壓差，正常投運的電袋復合除塵器其整體壓差僅為800 Pa左右。

應該注意的是：電袋復合除塵器電區(qū)在運行過程中有可能產生臭氧(O3)，而O3在高溫下對濾袋中的PPS成分有強烈的腐蝕作用。因此要求煙氣溫度必須控制在150℃以內，煙氣含氧量不超過6%，要求濾料具有耐高溫、抗氧化、抗腐蝕的性能。

2　脫硫深度協(xié)同除塵技術

不管是袋式還是干式靜電除塵器，在微細粉塵的捕捉上都存在缺陷，因此出口粉塵濃度難以控制到很低水平，除塵器出口一般最低可控制在20 mg/m3左右。

煙氣經過干式除塵器后，進入脫硫吸收塔進行濕式除塵。在逆流噴淋塔中，煙氣從噴淋區(qū)下部進入吸收塔，并向上運動。石灰石漿液通過循環(huán)泵送至塔中布置在不同高度噴淋層的噴嘴，從噴嘴噴出的漿液形成分散的小液滴向下運行，與煙氣逆流接觸，氣流充分接觸并對煙氣中的SO2進行洗滌，同時氣流中的部分粉塵顆粒與液滴接觸而被捕集。從噴淋塔的結構來看，其除塵機理與濕法除塵設備中重力噴霧洗滌器相似。水與含塵氣流的接觸大致有水滴、水膜和氣泡三種方式。因此，濕法脫硫深度除塵主要有以下幾種形式：

(1)通過噴淋出來的液滴捕捉：在噴淋塔內，氣流中的粉塵主要靠液滴來捕集，捕集機理主要有慣性碰撞、截留、布朗擴散、靜電沉降、凝聚和重力沉降等；

(2)增加類托盤裝置：通過液柱泡沫洗滌的方式除塵；

(3)通過除霧器對液滴的捕捉：除霧器可以在設備表面把小液滴聚集，來實現捕捉，如果要提高效率，可以增加級數或者減小節(jié)距，但會導致沖洗水量增加以及沖洗困難，一段時間以后就會因除霧器受污染而降低效率。

以上無論哪種液滴的表面張力較大，而微細顆粒有“氣團”效應，難以被捕捉，所以噴淋沖洗的效率一般不高，而且當負荷發(fā)生變化或停泵時，效果更差；所以實際工程應用中，都要結合幾種裝置綜合考慮來達到協(xié)同除塵的效果。

目前脫硫協(xié)同濕式除塵主要的技術為：采用更精細的屋脊式除霧器，保證出口液滴排放濃度<20 mg/m3；改造噴淋層，尤其是優(yōu)化噴嘴的設計選型，增加托盤；增加其它水膜除塵器等類似裝置。

2.1采用雙托盤+三級屋脊式除霧器

通過在吸收塔內布置雙層托盤+三級屋脊式除霧器來實現高效脫硫除塵的裝置。裝置以立式布置為主。

該裝置主要特點如下：

a.通過設置兩層托盤，改善吸收塔內流場均勻度，提高煙氣與漿液的接觸機率；增大持液層高度，提高微細粉塵(PM2.5)的捕集效率；篩孔泄露的漿液捕集粉塵，因慣性力作用，較粗的粉塵沉入塔底部被液膜捕集，大部分微細粉塵通過托盤，進入泡沫層被捕集。

b.通過噴淋層煙氣與漿液小液滴逆流接觸，氣流中的粉塵顆粒與液滴之間的慣性碰撞、攔截、擴散、凝聚以及重力沉降等作用，使塵粒被捕集。

c.將除霧器安裝三級屋脊式除霧器(目前進口產品已達到要求)，除霧器出口霧滴含量小于20 mg/Nm3，以減少霧滴攜帶粉塵量。

2.2采用旋流耦合器+離心管束式除霧器

引風機出口煙氣進入吸收塔，經過高效旋流耦合裝置，形成氣液固三態(tài)混合，實現高效脫硫和初步除塵，之后煙氣再經離心管束式除塵裝置進一步完成高效除塵、除霧過程；離心管束式除塵裝置由分離器、增速器、導流環(huán)、匯流環(huán)及管束等構成。煙氣在一級分離器作用下使氣流高速旋轉，液滴在壁面形成一定厚度的動態(tài)液膜，煙氣攜帶的細顆?；覊m及液滴持續(xù)被液膜捕獲吸收，連續(xù)旋轉上升的煙氣經增速器調整后再經二級分離器去除微細顆粒物及液滴。同時在增速器和分離器葉片表面形成較厚的液膜，會在高速氣流的作用下發(fā)生“散水”現象，大量的大液滴從葉片表面被拋灑出來，穿過液滴層的細小液滴被捕獲，大液滴變大后被筒壁液膜捕獲吸收，實現對細小霧滴的脫除。

2.3高效水膜除塵器+兩級屋脊式除霧器

該裝置采用一級屋脊式+高效水膜除塵器+二級屋脊式除霧器結構形式，其中高效水膜除塵器由氣液導向分離裝置(GLGS Gas Liquid Guide/Seperator)+水膜除塵設備(WDE Water film De-dust Equipment)組成。

除塵裝置采用親水性的PP材料，布置于兩層屋脊式除霧器之間，煙氣首先經過一級屋脊式除霧器，然后通過GLGS裝置實現氣液分離，其上布置除塵功能核心單元WDE，工作用水和沖洗水經過內部循環(huán)至除霧器沖洗水箱，新鮮的工業(yè)水補充至該水箱，用來沖洗第一級除霧器并實現系統(tǒng)內水質的更新與穩(wěn)定；

該裝置具有主要特點如下：

a.高效的微細顆粒捕捉設備WDE。在第一級除霧器后布置WDE，采用獨家設計，具有大開孔率，無擾流單元，高碰撞幾率的特點。

b.采用霧化效果良好的實心噴嘴，保證一定的沖洗強度和霧化效果。

c.對噴嘴排列形式和格柵板型式進行優(yōu)化，可保證對煙氣中粉塵和液滴的清洗效果，同時噴出的霧化水，可以對格柵板起到最佳的洗滌作用。

d.由于一級除霧器的沖洗水排入吸收塔系統(tǒng)，因此運行中需要不斷的補水進入除霧器沖洗水箱，維持水箱的PH值和水的含固量，保證了系統(tǒng)的可靠運行。

2.4三種技術的經濟性比較

三種脫硫協(xié)同除塵技術經濟性對比如表1所示。

表1　三種脫硫協(xié)同除塵技術經濟性對比表

從技術經濟性比較來看，以上三種技術均為脫硫除塵一體化技術，分別有各自的特點，但都處于工業(yè)化起步階段，都沒有大規(guī)模推廣業(yè)績；各自的除塵機理出于商業(yè)保密很難從理論上進行有力的佐證；例如旋流耦合器+管束式除霧器濕式除塵裝置技術，在山西、重慶萬州、河南的部分電廠使用中，仍能夠肉眼從煙囪排放尾跡中看到“藍煙”現象，因此其真實深度除塵效果有可疑猜想。

3　濕式靜電除塵器技術

袋式、干式靜電除塵器均適用于脫硫前的干煙氣，目前的技術只能控制到出口粉塵濃度20～50 mg/m3。然而煙氣在進入脫硫吸收塔進行噴淋脫硫過程中，又會帶來石膏和霧滴顆粒的夾帶，反而造成粉塵濃度的增高。因此，若要達到5～20 mg/m3深度除塵的效果，需要在脫硫后設置濕式靜電除塵器。

濕式靜電除塵器工作原理為：在濕式靜電除塵裝置的陽極和陰極線之間施加數萬伏直流高壓電，在強電場的作用下，電暈線周圍產生電暈層，電暈層中的空氣發(fā)生雪崩式電離，從而產生大量的負離子和少量的陽離子，這個過程叫電暈放電；隨煙氣進入濕式靜電除塵裝置內的塵(霧)粒子與這些正、負離子相碰撞而荷電，荷電后的塵(霧)粒子由于受到高壓靜電場庫侖力的作用，向陽極運動；到達陽極后，將其所帶的電荷釋放掉，塵(霧)粒子就被陽極所收集，在水膜的作用下靠重力自流向下而與煙氣分離；極小部分的塵(霧)粒子本身則附著在陰極線上形成小液滴靠重力自流向下，或通過停機后沖洗的方法將其清除。

濕式靜電除塵裝置處理的是脫硫后的濕煙氣，一般布置在除塵脫硫系統(tǒng)的尾部或后部。其與干式靜電除塵器的不同點在于：

(1)濕式靜電除塵裝置在飽和濕煙氣條件下工作，塵霧粒子荷電性能好，電暈電流大，脫除微細顆粒物和除霧效率高；

(2)濕式靜電除塵裝置借助水力清灰，沒有陰、陽極振打裝置，不會產生二次飛揚，確保出口粉塵達標；

(3)濕式靜電除塵裝置對于微細顆粒以及SO3, NH3等氣溶膠有很好的去除效果；使得煙羽林格曼黑度等級小于1，煙囪出口粉塵濃度可滿足最新標準中5 mg/m3最嚴格要求。

(4)濕式靜電除塵裝置不受粉塵比電阻影響，不僅對PM2.5的去除效率高，而且可以有效消除“石膏雨”和“大白煙”現象。

目前中國國電集團的深度除塵或超低排放改造，全部采用濕式靜電除塵技術作為保證粉塵達標排放的措施，華能、大唐、浙能、中遠投等集團的類似項目也多采用濕式靜電除塵技術。為滿足山東省粉塵20 mg/m3的排放要求，山東省的鋼鐵行業(yè)，如濟鋼、萊鋼、日照、西王等企業(yè)的燒結脫硫設施均加裝了濕式靜電除塵器。

4　結束語

為滿足日益嚴格的大氣污染排放要求，需要對各種提高靜電除塵器除塵效率的提升技術進行不斷研究和改進，并結合脫硫協(xié)同除塵技術進行綜合考量、對比。針對各類技術的組合使用，仍要根據企業(yè)的燃煤性質、煙氣特點、場地條件、綜合能耗等多方面進行規(guī)劃，并結合不同技術適用的場合和特點完成設計，才能真實有效地達到相應的深度除塵環(huán)保要求。

2016-03-09

于宏朋(1977—)，男，高級工程師。電話：13851481980

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