湿式电除尘技术详解

研究生课程期末作业课程名称燃烧与污染物控制论文题目湿式电除尘技术及火电厂超低排放技术学院能源与机械工程学院专业热能工程姓名周瑞兴学号14101052摘要目前电厂粉尘等污染物排放量日益增多，产生的颗粒物特别是细颗粒物对环境及人类健康危害巨大，而燃煤电厂是细颗粒物的主要排放源，湿式静电除尘器作为大气多污染控制系统的终端精处理装备，具有捕集烟气中超细颗粒物和雾滴的功能，因此在电力领域获得了较多应用，本本论文介绍了湿式静电除尘器的工作原理，除尘遇到的问题以及处理方法，以及试试静电除尘器在燃煤电厂的应用情况好今后的研究发展方向。并介绍了目前超低排放技术。关键词：湿式静电除尘器细颗粒物控制燃煤电厂超低排放技术一、湿式电除尘技术1引言1.1背景及研究意义目前，国际上总颗粒物控制技术虽然已经达到很高的水平，但对于微细颗粒物的捕集效率却很低，造成大量的微细颗粒物排入大气环境中。我国PM2.5排放量大幅度增加。严重影响人们的身体健康和出行活动。细颗粒物污染已成为我国突出的大气环境问题，是引起大气能见度、雾霾天气、气候变化等重大环境问题的重要因素。燃煤电厂是我国大气环境中PM2.5含量增加的主要污染来源，利用现有的燃煤烟气污染控制设备，通过增强其对PM2.5的脱除性能，是控制PM2.5的重要技术发展方向。我国燃煤电厂中干式电除尘技术应用最为广泛，但是电除尘器(ESP)对直径0.1～2μm粉尘的除尘效率较差，原有的电除尘器大部分不能满足排放要求。尤其在火电厂，普遍采用低硫煤以满足二氧化硫的排放要求，而低硫煤燃烧产生的烟尘中粉尘比电阻较高，易发生反电晕现象，使收尘效率下降，导致电除尘器更加无法达标[1]。而要使电除尘器适应新的排放标准，必须对其进行机理性提效改造。湿式电除尘器(简称WESP)不需要振打清灰，而是利用连续水膜清灰，喷水对烟气可以起到调质作用，不会产生二次扬尘现象并且除尘效率比其它烟气净化装置高，已经得到了广泛的应用。湿式电除尘器作为高效精除尘设备，它可以实现多种污染物的协同脱除，特别是对微细粉尘及烟气中含有酸雾、气溶胶、汞等重金属的收集有理想的效果。目前大部分燃煤电厂都采用湿式烟气脱硫系统，其烟气温度符合WESP的要求，安装在湿法脱硫后的湿式电除尘器仅在日本等国家有少量应用，但其对PM2.5微细粉尘和SO3酸雾等污染物的捕集效果十分明显[2][3]。研究湿式电除尘技术，将为燃煤电厂提供一个既能满足极低排放又能控制复合污染物的可行性技术[4]。1.2湿式电除尘器国内外研究现状湿式电除尘器已经在制酸和冶炼行业中得到广泛的应用。20世纪40年代，Penney对湿式电除尘器进行了研究，得出荷电雾滴可以增强亚微米粉尘粒子的捕集效率[5]。到50年代中期，Kraemer和Johnstone[6]利用静电学原理分析了荷电雾滴对粉尘粒子的捕集机理。1975年开始，日本三菱采用湿式静电除尘器来处理化工厂的重油锅炉产生的烟气，日立的湿式静电除尘器应用于碧南电厂，实际应用都达到了预期的效果。由于湿式电除尘器的需求日益增长，为了达到使湿式电除尘器非常紧凑的目的，日本在世界首次开发并使用了一种“高速湿式电除尘器(HV-WESP)”，其特点是电场最大的烟气流速为10m/s。1982年后湿式静电除尘器被大容量燃煤电厂采用，以去除脱硫后烟气中粉尘等污染物，取得了良好的效果[7]。1985年，东京电力公司Yokosukai号265MW机组开始应用湿式电除尘器，运转性能良好，出口含尘浓度在10mg/m3以下[8]。1998年美国俄亥俄州立大学的Pasic等首次定义了膜电除尘器(MESP)，即用织物膜代替钢板用在干、湿式电除尘器上，对超细粉尘的捕集效率比传统的板式电除尘器高[9]。随着对微细颗粒的控制日益引起关注，国外对湿法电除尘器的应用日益增多，特别是日本，开发及应用较为普遍。在铅冶炼工艺、电场酸气洗涤器的后续处理工厂也都得到应用，排放浓度一般都在5mg/Nm3以下。我国在湿式电除尘器方面的研究虽然起步较晚，但是发展十分迅速。20世纪80年代后期，我国研究了荷电水雾除尘器，北京某研究所研制了矿用荷电水雾除尘装置[10]。周文俊[11]做了荷电水雾有利于粉尘凝并的实验研究。1993年鞍钢大连甘井子矿用荷电水雾收集石灰石矿粉尘[12]。1998年，鞍钢在其转炉煤气回收中首次引进国外的湿式静电除尘器[13]。1999年山东沂州水泥集团总公司在15台机立窑上都安装了LSD型湿法高压静电除尘器[14]。2000年，首台国产卧式湿式电除尘器(WSDB)投产应用于宝山钢铁集团公司1450mm板坯连铸机火焰清理工程，实测烟气排放浓度为31.2mg/Nm3，仅为要求排放浓度的62.4%[15]。2005年，济钢的高致远等[16]对转炉煤气精除尘中的湿法板式电除尘器的性能进行了测试，得出入口煤气含尘量小于150mg/m3时，出口煤气含尘量可降低至10mg/m3。同年，清华大学的田贺忠[17]通过在静电除尘器之后布置湿式电除尘器，证实了湿式电除尘器可以除去燃煤锅炉产生的亚微米级颗粒物和酸雾排放。2009年邯钢在转炉煤气回收净化中引进了WESP，满足了用户对煤气质量的要求。2011年，重钢用于煤气净化的燃气-蒸汽联合循环发电机组(CCPP)全部建成，高炉煤气经过湿式电除尘器精除尘后，粉尘含量降至1mg/m3以下，满足CCPP对煤气清洁度的要求。2013年，福建龙净自主研发了我国首台燃煤电厂湿式电除尘设备，并已成功投运。现场初步测试结果远小于国家排放标准。这种设备置于湿法脱硫系统之后，能对进入烟囱的烟气进行最后的排放处置。在排放标准越来越严格的情况下，湿式电除尘器将会得到广泛应用。2湿式电除尘器技术2.1湿式电除尘器原理湿式电除尘器是直接将水雾喷向放电极和电晕区，水雾在芒刺电极形成的强大的电晕场内荷电后分裂，进一步雾化，在这里，电场力、荷电水雾的碰撞拦截、吸附凝并，共同对粉尘粒子起捕集作用，最终粉尘粒子在电场力的驱动下到达集尘极而被捕集；与干式电除尘器通过振打将极板上的灰振落至灰斗不同的是，湿式电除尘器则是将水喷至集尘板上形成连续的水膜，流动水将捕获的粉尘冲刷到灰斗中随水排出。静电除尘器的除尘过程可分为四个阶段：气体的电离；粉尘获得离子而荷电；荷电粉尘向电极移动；将电极上的粉尘清除。只是湿式静电除尘脱除的对象有粉尘和雾滴，由于雾滴与粉尘的物理特性存在差别，所以其工作原理也相应的会有差异。从原理上来讲，首先，由于水滴的存在对电极放电产生了影响，要形成发射离子，金属电极中的自由电子必须获得足够的能量，才能克服电离能而越过表面势垒成为发射电子。让电极表面带水是降低表面势垒的一种有效措施。水覆盖金属表面后，将原来的“金属一空气”界面分割成“金属水”界面和“水一空气”界面，后两种界面的势垒比前一种界面的势垒低很多。这样，金属表面带水后，将原来的高势垒分解为两种低势垒，大大削弱表面势垒对自由电子的阻碍作用，使电子易于发射。另外，水中的多种杂质离子在电场作用下，也易越过表面势垒而成为发射离子。这些都改变了电极放电效果，使之能在低电压下发生电晕放电。其次，由于水滴的存在，水的电阻相对较小，水滴与粉尘结合后，使得高比电阻的粉尘比电阻下降，因此湿式静电除尘的工作状态会更加稳定：再次，由于湿式静电除尘器采用水流冲洗，没有振打装置，所以不会产生二次扬尘；湿式电除尘器对酸雾、有毒重金属以及PM10，尤其是PM2.5的微细粉尘有良好的脱除效果。所以可以使用湿式电除尘器来控制电厂的SO3酸雾，并且还具有联合脱除有毒重金属的前景。2.2湿式静电除尘器工艺布置作为燃煤电厂大气复合污染物终端精细处理设备的湿式电除尘器的最佳布置位置在湿法脱硫和烟囱之间，其工艺布置如图2-1所示：图2-1湿式静电除尘器工艺布置图3湿式静电除尘器存在问题及解决方案湿式电除尘器的收尘性能与粉尘特性无关，对黏性大或高比电阻粉尘能有效收集，同时也适用于处理高温%高湿的烟气；没有二次扬尘，出口粉尘浓度可以达到很低；由于没有如锤击设备的运动部件，可靠性较高，由于在电除尘器内的电场气流速度较高及灰斗的倾斜角减小，设备布置可以更紧凑；对于亚微米大小的颗粒，包括SO3酸雾和微细粉尘、湿烟气中的气溶胶都能有效收集。但在实际运行中，湿式静电除尘器仍存在许多问题。3.1存在问题从设备结构原理分析，主要可能带来的影响有系统的腐蚀、集尘装置的水膜均匀性能否保证稳定、极板结构对除尘效率的影响、湿法脱硫的除雾效果较低导致烟气中浆液含量过高带来的电场参数下降等问题。3.2解决方案随着技术的进步和不断改进，目前较为先进的技术为柔性阳极应用在湿式电除尘的集尘设备上，由于柔性阳极的毛细作用，被收集下来的水雾可在集尘极表面形成一层均匀连续的水膜，依靠收集液完成自身的冲洗清灰，正常运行时不需要另外的喷淋用水，不需要停机冲洗，实现在线连续工作。基本解决了极板结垢和清灰的问题。随系统建设可以附带阳极和阴极冲洗系统，仅在启停机和参数异常时使用。湿式电除尘系统的制作材料应该考虑耐用且防腐蚀。该系统的外壳可以使用普通钢，表面为了加强防腐能力可以涂有薄层防腐材料。其它不做防腐的金属件可以采用防腐的材料制作即可。前端的除雾器可以实施一些改进，诸如增加除雾面积的两层人字形或菱形布置的屋脊式除雾器；另外加强除雾器的冲洗管理，达到合理冲洗频率和压力。降低除雾器出口的液滴量来保证湿式电除尘的运行条件。二火电厂超低排放技术1烟尘超低排放技术为了适应逐渐严格的环保标准要求，目前对于燃煤电厂除尘系统超低排放升级的技术主要包括脱硫前的增效干式除尘技术和脱硫后的湿式静电除尘技术。1.1增效干式除尘技术干式除尘技术主要包括静电除尘、袋式除尘和电袋复合除尘技术。其中静电除尘技术具有处理烟气量大、除尘效率高、设备阻力低、适应烟温范围宽、使用简单可靠等优点，已经应用在我国80%以上的燃煤机组。针对电除尘的增效技术包括:低低温电除尘、旋转电极式电除尘、微颗粒捕集增效、新型高压电源技术等[18][19]。通过增效的干式除尘技术，辅以湿法脱硫的协同除尘，在适宜煤质条件下，能实现烟囱出口烟尘排放浓度低于10mg/m3。这里重点对低低温静电除尘技术及其应用进行介绍。低低温静电除尘技术通过低温省煤器或气气换热器使电除尘器入口烟气温度降到90～100℃低低温状态，除尘器工作温度在酸露点之下，具有以下优点:（1）烟气温度降低，烟尘比电阻降低，能够提高除尘效率；（2）烟气温度降低，烟气量下降，风速降低，有利于细微颗粒物的捕集；（3）烟气余热利用，降低煤耗；（4）烟气中SO3冷凝并粘附到粉尘表面，被协同脱除；(5)对于后续湿法脱硫系统，由于烟温降低，脱硫效率提高，工艺降温耗水量降低[20]。在国际上，日本低低温电除尘技术应用较为广泛，为应对日本排放标准的不断提高并解决引起的酸腐蚀问题，三菱公司1997年开始研究日本基于烟气换热器装置的低低温高效烟气治理技术，现今在日本已得到大面积的推广应用，三菱、日立等低低温电除尘器配套机组容量累计已超13GW。日本橘湾电厂1050MW机组应用数据显示低低温烟气处理技术可实现烟囱出口粉尘排放浓度在5mg/m3以下，出口SO3排放浓度低于2.86mg/m3。我国首台低低温电除尘器应用是在2010年6月广东梅县粤嘉电厂6号炉135MW机组。2012年6月，我国首台600MW低低温电除尘在大唐宁德电厂4号炉成功投运，经第三方测试除尘器出口粉尘排放低于20mg/m3，同时具有较强的SO3、PM2.5、汞等污染物协同脱除能力。2014年浙江嘉华电厂1000MW机组采用低低温电除尘后除尘器出口粉尘浓度降至15mg/m3.相关的工程应用实践表明，低低温电除尘技术集成了烟气降温、高效收尘与减排节能控制等多种技术于一体。综合考虑当前我国极其严峻的“雾霾”大气污染和煤电为主的能源资源状况，低低温电除尘技术具有粉尘减排、节煤、节电、节水以及SO3减排多重效果，是我国除尘行业最急需支持应用推广的技术之一。1.2湿式静电除尘技术湿式静电除尘技术通常用于燃煤电厂湿法脱硫后饱和湿烟气中颗粒物的脱除。要实现烟尘浓度低于SO3的超低排放，