燃煤鍋爐煙氣除塵技術(shù)研究現(xiàn)狀及進展

杜寧波 李 明 呂瑞亮

（寶雞市熱力有限責任公司 陜西寶雞 721006）

引言

2020 年、2021 年我國煤炭消耗量均超過25億tce（數(shù)據(jù)來源于國家能源局），盡管上漲速率有所減緩，但基數(shù)仍然較大。2022 年以煤炭為主的能源格局雖有所優(yōu)化和調(diào)整，但占比仍達到50%以上。煤炭燃燒不可避免地產(chǎn)生了大量粉塵，對大氣環(huán)境和人體造成嚴重危害。為有效控制粉塵污染，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271-2014），明確規(guī)定在建鍋爐煙氣顆粒物（煙塵）排放濃度限值，其值從80mg/m3降低到30 mg/m3。

隨著各地地方標準的發(fā)布與實施，陜西省也規(guī)定燃煤鍋爐煙氣顆粒物排放濃度不得超過10mg/m3，因此陜西省有關企業(yè)對燃煤鍋爐均實施了超低排放改造并順利投入運行，其中煙氣除塵技術(shù)得到了廣泛應用和發(fā)展。本文著重介紹了傳統(tǒng)除塵技術(shù)與新型除塵技術(shù)的工業(yè)應用情況，并針對現(xiàn)有技術(shù)和工業(yè)應用過程中存在的問題，展望了未來煙氣除塵技術(shù)的發(fā)展方向和前景。

1 傳統(tǒng)除塵技術(shù)

我國火電裝機容量一直居世界前列，隨著生態(tài)文明建設的深入，各類大氣污染物治理設施的生產(chǎn)規(guī)模和使用數(shù)量迅速增長，其中袋氏除塵、電除塵等傳統(tǒng)除塵技術(shù)應用最為廣泛，工藝也最為成熟。

1.1 袋式除塵技術(shù)

袋式除塵是一種以濾塵機制為原理的干式除塵技術(shù)，其除塵效率可達99%以上，主要包括過濾和清灰2 個過程。其中，過濾是指通過篩分、慣性碰撞、攔截、擴散、靜電及重力等作用實現(xiàn)；清灰過程則通過機械振動、脈沖噴吹等方式清除濾袋表面累積的粉塵。

影響布袋除塵效率的因素主要包括濾料材質(zhì)、粉塵性質(zhì)、厚度、流速等。其中，濾袋的材質(zhì)對處理煙氣的溫度、濕度、酸堿度有著嚴格的要求，主要缺點為隨著運行時間的加長，運行阻力增加，運行成本有所上升，并且濾袋易破損或粘袋，更換后的濾袋無法回收利用。目前，濾袋覆膜技術(shù)的發(fā)展為布袋除塵技術(shù)提供了新的方向。宋朋澤[1]制備的高硅氧(改性)覆膜濾袋具有耐高溫耐腐蝕、高強低伸、低阻高效、長壽命、可回收等特征，可達到顆粒物超凈排放（5mg/m3）的要求，同時濾袋覆膜技術(shù)也可有效控制PM2.5[2]的排放。

1.2 靜電除塵技術(shù)

靜電除塵技術(shù)是利用高壓直流電場使煙塵的氣體分子電離、粉塵荷電，在強電場力的作用下使帶有正負電荷的顆粒物分別向電暈極和落塵極移動，不斷在極板上積累，最后通過振達裝置進入落灰斗。

靜電除塵技術(shù)具有除塵效率高，可在遠程微機操作條件下處理不同溫度、流量、粒徑的煙塵。然而，由于荷電除塵的機理，對靜電除塵器的制備、安裝及操作要求較高，處理過程中煙塵的密度、比電阻、粘附性等性質(zhì)也會不同程度地影響除塵效率，且處理過程中也會產(chǎn)生臭氧氣體，造成二次污染。

為有效解決靜電除塵對粘附性及含油煙塵處理的局限性，翟美丹等[3]綜述了霧化電暈放電技術(shù)的研究背景及其優(yōu)勢，指出放電極形式、煙氣溫度、電極材料的電導率是影響靜電除塵的主要因素。另外，燃煤電廠超低排放改造中濕電除塵技術(shù)的應用，也是對靜電除塵的再提效、再改造[4]。

1.3 電袋復合除塵技術(shù)

電袋復合除塵是聯(lián)用靜電除塵器和布袋除塵器的一種高效除塵技術(shù)，通過前級電場的預收塵、荷電作用去除約70%的煙塵，剩余煙塵則通過后級濾袋過濾去除。但電袋復合除塵雖然結(jié)合了電除塵器和布袋除塵器的優(yōu)點，還彌補了兩者的不足，是現(xiàn)階段燃煤鍋爐超低排放改造后應用較為廣泛的一種除塵技術(shù)[5]，可靜電除塵和布袋除塵技術(shù)仍然存在運行阻力大、濾袋壽命短、更換代價大等的缺點，因此2 座除塵器協(xié)同運行，不僅占地面積大、投資成本高，而且靜電除塵器產(chǎn)生的臭氧還會增加濾袋腐蝕的可能性[6]。

2 新型除塵技術(shù)

20 世紀70 年代至今，我國傳統(tǒng)除塵技術(shù)研究和應用取得了不錯的成績，不僅技術(shù)領先于國際水平，大顆粒物的去除效率最高可達99.9%。但由于各行業(yè)產(chǎn)生的煙塵性質(zhì)不一，除塵技術(shù)大范圍推廣存在困難，如微米級細顆粒物的去除效率還比較低，并且溫度與比電阻對袋式除塵和靜電除塵影響也較大，現(xiàn)有除塵技術(shù)均存在運行阻力大、運行費用高等缺點，因此開發(fā)新型除塵設備或技術(shù)是大氣污染防治工作的重中之重，更是實現(xiàn)綠色發(fā)展的必由之路。

2.1 低低溫電除塵技術(shù)

低低溫電除塵技術(shù)是利用低低溫電除塵器，通過煙氣冷卻器等換熱裝置將煙氣溫度降低至酸露點（約90℃左右）以下，從而使煙氣量減少，粉塵性質(zhì)得以改變。該技術(shù)具有除塵效率高、設備阻力低、處理煙氣量大等常規(guī)電除塵器的優(yōu)點，可有效解決高比電阻引起的反電暈、細粉塵荷電困難等電除塵器運行過程中的問題。

目前，低低溫電除塵技術(shù)已成燃煤鍋爐超低排放改造的主流技術(shù)之一。劉含笑等[7]對低低溫電除塵效率的影響因素進行了分析和研究，結(jié)果表明煤種的灰硫比大于100 時，采用低低溫電除塵技術(shù)不會發(fā)生低溫腐蝕的風險，同時可大幅降低飛灰比電阻，提高飛灰平均粒徑和電場起暈、擊穿電壓，從而大幅提高電除塵效率。黃怡民[8]通過實驗室研究與工程實測相結(jié)合的手段，對低低溫電除塵技術(shù)的污染物減排特性進行了研究，結(jié)果表明當煙氣溫度從100℃降低至90℃時，不同工況下電除塵器對TSP 和SO3脫除的提效幅度分別為88.92%、84.17%，且細顆粒物存在明顯的團聚現(xiàn)象，有效提高了除塵效率。另外，酈建國等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)低低溫電除塵技術(shù)組合旋轉(zhuǎn)電極式電除塵技術(shù)，不但可以實現(xiàn)電除塵器出口5mg/m3的煙塵濃度，而且還可實現(xiàn)高灰煤煙塵超低排放。

2.2 濕式電除塵技術(shù)

濕式電除塵技術(shù)主要利用濕式電除塵器，即一種用來處理含微量粉塵和微顆粒的新除塵設備，并將其設置在濕法脫硫工藝之后，主要去除濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、臭味、PM2.5等有害物質(zhì)，可使粉塵排放濃度降至5mg/m3及以下。濕式電除塵與靜電除塵原理相似，除塵過程主要包括荷電、收集和清灰，唯一不同的是清灰方式。濕式電除塵采用噴水或溢流水方式使集塵極高效清灰，不僅可以避免已捕集粉塵的再飛揚，達到很高的除塵效率，還可以有效收集微細顆粒物（PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機污染物（多環(huán)芳烴、二噁英）等，但運行過程中也存在導電膜裝置腐蝕，污泥和污水的再處理等問題。

Liu Hanxiao 等[10]通過收集WESP 的158 個數(shù)據(jù)集，對多種污染物和能源消耗的減排特征進行分析。結(jié)果表明，濕式電除塵器對PM、PM2.5、SO3、霧滴和Hg 均有較好的去除效果，出口濃度均符合現(xiàn)行的排放標準，同時也可實現(xiàn)CO2的減排，為濕式電除塵器在碳中和領域的應用中提供了數(shù)據(jù)支撐。Liang Yingguang 等[11]通過現(xiàn)場測量燃煤電廠濕式電除塵器和監(jiān)測分析處理過后的樣品，探究末端控制裝置對可濾性顆粒物( FPM )和可凝性顆粒物( CPM )排放的影響，結(jié)果表明WESP 和除霧器（NDDs）均能有效去除FPM 和CPM，達到超低排放標準。

2.3 聚并技術(shù)

聚并是指煙塵中微細顆粒通過物理、化學方式相互接觸與碰撞，最終結(jié)合形成較大顆粒物的過程。相比微細顆粒，大顆粒物質(zhì)更易被除塵裝置捕集，因此聚并技術(shù)在一定程度上提高了除塵效率。目前,聚并技術(shù)主要有電聚并、湍流聚并、聲聚并、化學聚并等，其中湍流聚并技術(shù)研究最廣泛、效果更顯著[12]。

湍流聚并技術(shù)是指顆粒在急速的湍流射流中由于流體的剪切作用力而加劇碰撞團聚的現(xiàn)象。王國昌等[13]采用數(shù)值模擬方法研究了聚并器結(jié)構(gòu)和煙氣顆粒特征對煙氣湍流聚并的影響，結(jié)果表明方翼和V 型鈍體結(jié)構(gòu)均能提升流場的渦量和湍動能耗散率，從而促進顆粒碰撞和聚并的發(fā)生,當來流中既有大顆粒又有小顆粒時，大、小顆粒之間的碰撞明顯加強，提升聚并效果。陳冬林等[14]研究了煙氣參數(shù)對湍流聚并效果的影響，結(jié)果表明煙氣流速能顯著增大聚并器內(nèi)湍流強度，提高飛灰顆粒的聚并效率；煙氣溫度在酸露點以上時，其對飛灰顆粒聚并效率的促進作用有限；同時，顆粒物濃度越大，則煙道內(nèi)單位體積的顆粒物數(shù)量越多，從而增加了顆粒間的碰撞概率，使得飛灰顆粒聚并效率明顯提高。

2.4 協(xié)同脫除技術(shù)

協(xié)同脫除技術(shù)是指在同一設備內(nèi)同時脫除2種及2 種以上煙氣污染物，或者為下一流程設備脫除污染物創(chuàng)造有利條件，如脫硝系統(tǒng)便可以協(xié)同脫除粉塵和Hg，濕式靜電除塵器也可以協(xié)同脫除氣溶膠、Hg、NH3等污染物。

干法煙氣脫除技術(shù)與濕法煙氣脫除技術(shù)相比，無需液體清灰及廢液回收處置工藝，避免了設備腐蝕及堵塞的可能。與煙氣聯(lián)合脫除技術(shù)相比，干法煙氣協(xié)同脫除技術(shù)具有能耗低、節(jié)省設備投資費用、占地面積小及運行費用低等優(yōu)點，因此干法煙氣協(xié)同脫除技術(shù)符合可持續(xù)及綠色發(fā)展的要求，未來在煙氣除塵領域具有廣闊的發(fā)展前景。

侯勇等[15]在某燃煤電廠開展活性炭噴射耦合布袋除塵協(xié)同脫除燃煤煙氣污染物的分析測試，結(jié)果表明活性炭噴射對有機物有較好的脫除性能，特別是SVOC，并且可協(xié)同脫除燃煤煙氣中氣態(tài)汞、可凝結(jié)顆粒物，脫除效率分別達到56.14%,49.1%。潘超群[16]采用網(wǎng)格化等速采樣法對某600MW 燃煤機組進行了現(xiàn)場測試，并分析了濕式電除塵器對主要污染物指標的協(xié)同脫除效果，結(jié)果表明濕式電除塵器對2.5μm 及以上的顆粒物脫除效率在80%以上，對SO2、SO3、霧滴的脫除效率不低于30%，對汞的脫除效率達到60%以上。

結(jié)語

傳統(tǒng)除塵技術(shù)對煙氣中大顆粒物去除效率較高，且工藝成熟，運行可靠。然而，隨著國家對工業(yè)粉塵治理決心的提高和愈發(fā)嚴格的環(huán)保排放標準，因此由于對微細顆粒去除效率低，經(jīng)傳統(tǒng)除塵技術(shù)處理后的煙氣顆粒物排放濃度往往達不到現(xiàn)行標準。

目前，雖然新型除塵技術(shù)解決了微細顆粒去除率低和排放不達標的問題，但仍存在技術(shù)不成熟、投資及運行成本高等亟待解決的問題，因此應根據(jù)實際情況，對在用鍋爐除塵系統(tǒng)進行提效改造，對新建項目選擇因地制宜、合理的除塵工藝；加快新型除塵技術(shù)的優(yōu)化和集成，開發(fā)和應用適合我國國情的協(xié)同式污染物脫除技術(shù)；開發(fā)新除塵技術(shù)的同時，也要考慮PM2.5排放控制和國家“雙碳”目標，真正實現(xiàn)綠色、清潔生產(chǎn)。