浙江大学湿式静电烟气深度净化技术

浙江大学湿式静电烟气深度净化技术浙江大学能源工程学院能源清洁利用国家重点实验室国家环境保护燃煤大气污染控制工程技术中心2015年12月中国大气污染形势非常严峻区域性大气复合污染继续加剧城市空气污染严重2012-2013北京市PM2.5来源（2014年4月北京环保局)2014年，74个城市中仅8个城市细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)等6项污染物年均浓度均达标。2015年上半年北京空气质量2014年全国近地面PM2.5浓度卫星反演图数据来源：中国空气质量管理评估报告（2015），清洁空气创新中心备注：对于地表面明亮的区域如雪原和沙漠，由于反光背景较亮，卫星很难有效提取颗粒物浓度信息，因此西部的高PM2.5浓度数据与实际情况差距较大2014年PM2.5污染状况重点省（市）/地区PM2.5年均浓度目标对标及年度变化图PM2.5污染区域性特征明显京津冀及周边以及河南地区形成了一个大面积的连续的严重PM2.5严重污染区域，河南污染严重湖北、湖南两省部分区域以及川渝部分区域的污染程度超过长三角地区4截至2013年底，我国累计已投运火电厂烟气脱硫机组总装机容量约7.5亿千瓦，占火电装机容量的87.6%。已投运火电厂烟气脱硝机组总容量超过4.3亿千瓦，占火电总装机容量的50%，其中SCR技术应用比例为95%左右。已全部安装除尘装备(电除尘器约占90%，其余为布袋除尘器和电袋复合除尘器)，大量除尘器正在升级改造以满足新标准要求已投运脱硫机组各种技术应用情况已投运脱硝机组各种技术应用情况我国电力行业大气污染物控制装备应用现状技术路线PM5mg/Nm3SO235mg/Nm3NOx50mg/Nm3单位:mg/m3单位:mg/m3超低排放限值污染物项目燃煤锅炉烟尘5二氧化硫35氮氧化物（以NO2计）50汞及其化合物0.005针对高用能密度，能否通过深度治理实现燃煤发电更清洁，为环境空气质量达标提供支撑燃煤电站标准国家发改委、环保部及国家能源局于2014年9月12日联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》：全国新建燃煤发电机组平均供电煤耗低于300克标准煤/千瓦时，东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，中部地区原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，并鼓励西部地区接近或达到燃气轮机组排放限值。《2015年政府工作报告》打好节能减排和环境治理攻坚战。深入实施大气污染防治行动计划，实行区域联防联控，推动燃煤电厂超低排放改造，促进重点区域煤炭消费零增长。国家出台政策支持污染物超低排放湿式静电除尘器发展世界上第一台静电除尘器为湿式静电除尘器（1907）主要用于控制硫酸酸雾第一台干式电除尘器于1922年运行目前世界各地有几千台湿式静电除尘器囊括钢铁，石化，制药，食品加工，采矿，纺织等行业用于处理燃煤烟气的湿式静电除尘装置大量发展中国、日本、北美有100多套（最大机组1000MW）湿式静电除尘vs干式静电除尘尽管湿式静电除尘器无法完全替代干式静电除尘器，但可作为燃煤烟气污染物深度净化的补充项目湿式静电除尘干式静电除尘清灰方式喷淋水机械振打位置脱硫塔后空预器后运行温度~60℃~150℃湿度饱和非饱和反电晕无高比电阻粉尘时严重二次扬尘无低比电阻粉尘时严重PM10脱除高一般PM2.5脱除高一般SO3脱除高无效果重金属高低废水处理有无湿式静电除尘器优势分析可实现多种污染物的协同控制PM2.5的脱除效率可达99%SO3的捕集效率可达95%以上，减少酸雾排放减少脱硫塔出口的浆液携带，减少电厂附近的石膏雨现象减少汞等重金属的排放系统运行优势压损小，无移动部件极板清洁容易实现多种气流布置方式可实现与脱硫塔的结合湿式静电除尘器工业应用现状——整体布置按照除尘器布置方式，主要可分为立式和卧式布置LurgiMitsubishiSiemensHitachiB&W浙江大学（国内首个与湿法脱硫塔结合的湿式静电除尘器）湿式静电除尘器工业应用现状——极配系统MitsubishiLurgiSiemens湿式静电除尘器的极配形式的不同主要体现在极线形式（如芒刺线、鱼骨线和锯齿线）；极间距的大小差异（如300mm，400mm）；以及极板材料及形式（不锈钢、柔性极板、玻璃钢等）。B&WAlstom浙江大学湿式静电除尘器工业应用现状——极配系统柔性极板立式刚性极板卧式刚性极板湿式静电除尘器工业应用现状——喷淋系统美国B&W公司目前湿式静电除尘器的清灰方式主要为连续喷淋及间歇喷淋，常见的喷嘴形式有实心锥、空心锥、扇形等。浙江大学日本Hitachi公司空心锥扇形法国Alstom公司技术研发平台基础-实验平台14湿式静电除尘小试试验系统喷淋碰撞测试系统极板材料浸润特性试验系统材料腐蚀性测试系统技术研发平台基础-实验平台15对湿式静电除尘喷淋系统、极配系统、水循环系统及材料选型等进行优化，开发了新型湿式静电深度除尘技术（WESP），实现对脱硫塔后PM2.5深度脱除。浙江大学建立的湿式静电除尘工业示范装置（2009年建成投运），除尘效率达99.15％。喷淋系统优化研究立式湿式静电除尘效果对比加电停运湿式静电出口浓度变化卧式中试试验平台技术研发平台基础-测试仪器16颗粒分级测试仪DGI电子低压撞击器ELPI+浙江大学拥有ELPI、ELPI+、高速摄影仪、PDA、PIV、DGI、PLIF、光谱分析仪、SMPS等颗粒、液滴测试仪器。可同时通过称重或在线测量WESP进出口颗粒分级浓度，并进一步分析颗粒粒度分布、总质量、聚集度测量，和化学成分/元素的分析。电子低压撞击器ELPI扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(SMPS-3938)高速摄像机技术研发-基础研究高湿静电除尘器内离子浓度分布规律采用数值模拟方法，研究高湿、高压电场中颗粒荷电、迁移、捕集规律，为湿式静电除尘的设计及优化提供理论指导。静电除尘器内场强分布规律不同粒径的荷电量变化规律不同粒径颗粒的迁移捕集规律技术研发-基础研究18针对高湿度、高流速条件，对湿式静电除尘系统整体布置、极配形式等进行优化，实现系统PM2.5控制效率90%以上。相同SCA不同电场风速时的脱除效率电场风速对驱进速度的影响WESP出口浓度随电压变化液滴喷淋强化PM1.0的脱除小试实验结果表明出口浓度从49mg/Nm3降低到0.5mg/Nm3以下不同极线形式颗粒物脱除效果技术研发-基础研究SO2浓度对放电特性的影响试验结果表明，湿式静电除尘对SO2具有较好的捕集效果，脱硫效率可达80%以上，可有助于实现燃煤烟气SO2的近零排放。采用湿式静电除尘技术，实现SO2浓度从78mg/Nm3降低到15mg/Nm3以下GasPhaseLiquidPhaseSO2SO3H2SO4OH2SO3H2OH2OSO42-SO2-H2OSO3-e-e-+M(O,OH)(O,OH)ElectricaleffectsDiffusionOxidationSO2在湿式静电除尘器中脱除机理入口浓度对SO2强化脱除的影响电晕放电对SO2脱除的强化效果技术研发-湿式静电脱除SO3强化脱除研究SO3催化发生装置不同电压下SO3数目脱除效果SO3控制系统SO3造成可见酸雾SO3气溶胶粒径0.1μm技术研发-整体布置形式优化研究按照除尘器布置方式，主要可分为立式和卧式布置浙江大学卧式实验平台浙江大学立式实验平台立式WESP出口浓度变化卧式WESP出口浓度变化InitialinletPM24mg/m3技术研发-整体布置形式优化研究22立式湿式静电除尘器节省空间，但由于喷淋系统在除尘器顶部出口，液滴易于随气流携带出除尘器；卧式湿式静电除尘器易于多通道大型化布置，且通过喷淋系统分区布置、优化烟道折角等方式明显减少液滴携带。立式WESP液滴携带示意图卧式WESP液滴携带示意图立式WESP风速与临界携带液滴粒径开后两级喷嘴加电不开后两级喷嘴加电技术研发-蜂窝式立式湿电研究随着停留时间的提高，粉尘总脱除效率增加，其中PM2.5脱除效率也随之增加。停留时间对除尘效率的影响清灰方式对分级脱除效率的影响技术研发-蜂窝式立式湿电研究降低烟气流速可以明显的提高小颗粒粉尘脱除效率，从而提高总脱除效率。烟气浓度对除尘效率的影响烟气流速对分级脱除效率的影响技术研发-蜂窝式立式湿电研究随着电压的升高，电晕放电强度持续增强，烟气出口浓度明显降低，并在30kV处达到0.57mg/m3。烟气浓度增加有效的提高了分级脱除效率，PM2.5细微颗粒脱除效率的提高尤为明显。工作电压对除尘效率的影响烟气浓度对分级脱除效率的影响技术研发-蜂窝式立式湿电中试研究浙江大学与美国巴威公司（Babcock&WilcoxCompany）合作，对巴威公司湿式静电除尘器进行高尘、高SO3浓度条件下关键部件优化研究，对其现有产品进行升级。技术研发-卧式湿电高流速适应性结构优化研究27电场风速对脱除效率的影响所设计卧式湿式静电除尘器，在烟气流速在1.83~3.44m/s时的颗粒脱除情况下均可保持出口浓度在2mg/m3以下，除尘效率90%以上。随着烟气流速提高，除尘器出口浓度增加，脱除效率下降，而有效驱进速度提高。相同SCA下电场风速对脱除效率的影响28技术研发-卧式湿电高浓度适应性结构优化研究出口粉尘浓度随入口粉尘浓度的变化PM2.5脱除效率随入口PM2.5浓度的变化随着入口PM2.5浓度的提高，其脱除效率也相应提高，尤其是在低浓度区随着浓度的提高，效率提高明显。所设计卧式湿式静电除尘器，在烟气浓度10~90mg/m3时的颗粒脱除情况下均可保持出口浓度在5mg/m3以下。技术研发-高电流密度极线优化研究29选择鱼骨线、芒刺线、锯齿线、圆杆线等进行实验；同样电压下芒刺线对颗粒脱除效果最佳，基本可保证在93%以上，入口粉尘浓度30mg/m3以内，出口粉尘浓度可2mg/m3；优选获得电流密度大、除尘效率高的最佳极线形式。入口浓度对脱除效率的影响放电特性对比芒刺线技术研发-高均布性耐腐蚀极板材料优化研究30不同材料和的润湿特性除尘器的极板长期处于酸雾和灰尘浆液冲刷，以及高压电源放电的恶劣环境中，极板材料的腐蚀情况成为影响除尘器工作性能和寿命长短的重要因素。测试和对比钢板（304与316L）、PVC、碳纤维三种典型材料的浸润特性和不同金属材料的耐腐蚀性和浸润性；优选获得高可靠性的不锈钢板阳极板材料。铝合金Q235304不锈钢316L不锈钢腐蚀电势(V)-0.617-0.5520.2370.312腐蚀电流(A)-1.036E-4-9.683E-5-5.66E-5-3.837E-5腐蚀速率2.011.7610.67腐蚀电势、腐蚀电流和腐蚀速率石膏浆液调整至Cl-1=1500mg/L,PH=5，以304不锈钢腐蚀速率为基准TafleCurvesatc(Cl-1)=1500mg/L、PH=5TafleCurvesfor316atc(Cl-1)=400mg/L,PH=5电化学工作站技术研发-高稳定性极板布置优化研究31集尘板为悬挂状态，极间距为300mm，与国际主流企业WESP设计一致；为了保证集尘板的“平整”和“坚固”，底梁设在下部，以维持集尘板的间距；风速3.43m/s，施加电压45kV，极间距300mm时，初始浓度50mg/m3以下时，WESP出口浓度在2mg/m3以下。Hitachi极板布置形式干式、喷淋条件下除尘器进出口颗粒浓度浙江大学极配系统技术研发-喷淋系统设计及运行优化研究32大粒径喷嘴布置于除尘器后段，液滴更易被捕集；小粒径喷嘴布置于除尘器前段，强化颗粒液滴碰撞；在连续运行的喷嘴上面布置一层间断运行的喷嘴，该层喷嘴采用大流量喷嘴，间断喷淋保证极板不结垢；由于最后两排喷嘴喷淋的液滴在电场中的停留时间较短，被携带的可能性大，后两排喷嘴和前面几排喷嘴分区域单独运行实心锥和空心锥喷淋放电特性实心锥和空心锥喷下颗粒脱除效率喷嘴选择空心锥实心锥技术研发-喷淋系统设计及运行优化研