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湿式静电除尘器(WESP)研发概况
作者:管理员    发布于:2016-05-13 11:48:17    文字:【】【】【
湿式静电除尘器(WESP)研发概况
  (东南大学能源与环境学院 025-210096)
  摘 要:首先介绍了国家最近公布的《大气污染物排放标准》;然后,阐述了WESP湿式电除尘器的机理;脱SO2脱NOX和除杂等污染物脱除的基本原理;其特点优势;定性技经分析;我国研发概况和几个工程实例。
  关键词:WESP湿式电除尘器 脱硫脱硝机理 结构型式 技经定性分析 研发概况
  工程案例
  前 言
  燃煤电厂是NOX、CO2和SO2与PM2.5的重要来源。而NOX与PM2.5是造成大气污染雾霾天气主要元凶;是造成酸雨和光化学的主要杀手;是产生温室气体,地球变暖主要来源;严重地污染了大气,破坏了生态,威胁人们的身心健康和人类舒适的生存环境。“节能减排”减少大气污染已成为人民群众息息相关的最大的民生问题之一,还“蓝天白云、碧水青山”是众望所归的宜居人类的生活环境,《国十条》重拳出击,下决心治理和淘汰高耗能、重污染的落后产能设备,一些技术落后的燃煤电厂,已处在风口浪尖上,众矢之的,坚决推行新国标(GB13223-2011)刻不容缓。
  新国标《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对烟气粉尘排放浓度要求越严,但是常规静电除电器去除PM2.5以下微细粉尘很困难。且当AL2O3和SiO2大于85%时,比电阻高,又是微细粉尘易粘电极造成除尘效率下降,尤其是在煤种多变时,燃烧不好,不达标排放,时有发生。因此,对它进行各种改进:电除尘(EPS)改高频或脉冲电源后节能效果明显,改移动电极,虽有效果不稳定;采用回转极板除尘器限定排放浓度为41mg/m3,脱硫后为20mg/m3,但半年后,排放浓度增加很快并超标;在烟道中加装双荷电扰流聚合技术,在一台300MW机组上试验有一定效果,排放浓度下降率为32.59%,PM2.5质量浓度下降为34.1%,但该项技术还有待长期考验等等。
  最近国外研发一种新型先进的烟气治理技术——湿式电除尘器(WESP)已在欧、美和日本等发达国家试用,我国也在近期引进消化,开发创新之中,已悉国内《菲达》等企业引进开发自主创新,已在300~1000MW的多台燃煤电厂取得应用成功。达到了粉尘排放5mg/m3浓度超低排放水平,还可去除难以捕获的微米以下颗粒PM2.5粉尘,SO2酸雾和气溶胶及重金属(Hg、As、Se、Pb和Cr等)等污染物。据报导其稳定可靠、效率高,彻底解决了燃煤电厂烟尘排放问题,实现超低排放,达到燃气电厂排放水平,有一种“一劳永逸”的效果,为燃煤电厂的生存提供了环保达标的保证。目前正在推广应用。因此,对它的机理、系统、结构、布置、特点、技经定性分析和几个案例作一介绍供同仁参考。
  1、日益严格的排放标准
  随着人们环保意识的不断增强,以及国家对环境保护事业的日益重视,大气污染物排放标准也日益提高。2015年7月1日开始执行新《环保法》(GB1322-2011),加大了环保部门的执法力度和对企业违法排污的处罚力度。同时,在强制执行新的国家标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011),又对燃煤电厂烟尘特别排放限值降低至20mg/Nm3,提出了更严要求,如表1所示。
  表1 大气污染物特别排放限值 单位:mg/Nm3(烟气黑度除外)
  序号燃料和热能
  转化设施类型污染物项目适用条件限值污染物排放监控位置
  1燃煤锅炉烟尘全部20烟囱或烟道
  二氧化硫SO2全部50
  氮氧化物(以NO2计)全部100
  汞及其化合物全部0.03
  2燃气锅炉烟尘全部5烟囱或烟道
  二氧化硫全部35
  氮氧化物(以NO2计)全部50
  汞及其化合物全部0.03
  还有,新的《环境空气质量标准》(GB-3095-2012)。增设了PM2.5浓度限值,规定一类区的PM2.5年平均浓度限值为15μg/m3,二类区的PM2.5的平均浓度限值为75μg/m3。2016年1月1日起,全国将实施该新标准。
  但是当前运行的电厂,普遍达不到新标准,需要加快改造升级。因此,迫切需要寻找适合国情的除尘新技术、新工艺。鉴于此,国家环保部2013年第59号公告《环境空气细颗粒物污染综合防治技术政策》中明确提出“鼓励火电机组和大型燃煤锅炉采用湿式电除尘等新技术”。
  2、WESP脱硫脱硝机理
  湿式静电除尘器脱硫硝机理:WESP在直流高电压下放电极周围释放出高能量电子,这些高能量电子会通过打断周围化学分子的化学链在附近形成具有强氧化性的自由集团,而水雾的存在作用更有利于OH基团的产生。这些强氧化性自由集团将NOX和SO2氧化成极易溶于水的化学物质,在浓相下被吸收。若喷入NH3会使SO2和NOX被氧化成铵酸,再在电场力的作用下被集尘极吸收而除去,或者作肥料使用。
  常见的WESP脱硫脱硝技术包括直流电晕脱硫脱硝和脉冲电晕脱硫脱硝,它们都属于等离子法脱硫脱硝的范畴,只是WESP有稳定水膜,烟气湿度大,本身又存在集尘极,这就使得WESP电晕脱硫脱硝在某些方面与常见的电晕脱硫脱硝又有差异,且因为负极作为放电极时形成电晕区大,故大都采用负极作为电晕极,正极作为集尘极的布置。
  (1)WESP脱硫脱硝化学物理反应
  WESP脱硫脱硝的主要机理是电晕区的自由电子从外电场获得足够能量后与周围气体分子发生碰撞,气体分子会电离,裂解而获得具有强氧化性的活性粒子,而水雾的存在有利于OH基团的产生。这些活性粒子将SO2和NOX氧化,并在有添加剂(一般为NH3)情况下生成铵盐而除去,或作农肥使用。
  电晕脱硫脱硝过程可分成三个阶段[3]
  ● 烟气进入电晕极组成的强电场中,气体分子中的O2和H2O等被活化成具有强氧化性的自由集团:
  (1) (2)
  (3) (4)
  ● SO2和NOX被这些强氧化性的自由集团氧化,并在水中生成相应的酸
  (5) (6)
  (7) (8)
  (9) (10)
  (11) (12)
  ● 在添加剂NH3存在时与这些酸反应生成铵盐
  (13) (14)
  (2)WESP湿式电除尘工作原理流程示意图
  图1 WESP湿式电除尘工作原理流程示意图
  金属放电线在直流高电压的作用下①,将其周围气体电离②,使粉尘或雾滴粒子表面荷电③,荷电粒子在电场力的作用下向收尘极运动④,并沉积在收尘极上⑤,水流从集尘板顶端流下,在集尘板上形成一层均匀稳定的水膜⑥,将板上的颗粒带走⑦。因此,湿式电除尘器与干式ESP的除尘原理基本相同,都要经历荷电、收集和清灰三个阶段,最大的区别在于清灰方式的不同,湿式电除尘器采用液体冲刷集尘极表面来进行清灰。
  3、WESP主要优点与特点
  (1)氧化性极强,脱硫脱硝效率高:
  能提供几倍于干式电除尘器的电晕功率,因为会在电晕区周围形成OH基团、O3而OH基团、O3本身的氧化性极强。表1列出了包括OH基团、O3在内的几种粒子的氧化强弱比较[3],由表1可看出OH基团、O3的氧化能力是很强的,独特的喷水清灰工艺,有利于OH基团产生和水膜形成防止二次扬尘及集尘极保持清洁,提高脱除效率。
  表1 几种氧化剂氧化能力比较
  氧化剂F2OHO3H2O2KMnO4ClO2ClO2备注
  标准极电
  电位/V2.872.802.071.771.691.501.361.23
  (2)反应速度快:
  OH基团会诱发链式反应的发生,所以WESP对NOX和SO2的氧化速率很快,又因湿度大,更利于OH基团的产生,这无疑对反应是有利的。
  (3)清洁无二次污染:
  反应产物清洁,无二次污染。在NH3存在时,可将SO2和NOX氧化成铵盐,可做农肥,可形成水膜,避免二次扬尘的发生,降低污染物排放浓度。
  (4)布局灵活:
  本体结构小,设备布置灵活,可以将WESP布局在脱硫塔上方,占地面积小;
  (5)多种污染物同时脱除:
  WESP电除尘器能有效收集黏性大或高电阻比粉尘,去除PM2.5微细粉尘、石膏雨和SO3气溶胶等多种污染物同时脱除;还可与其它烟气治理设备相互结合多样化、一体化设计。
  (6)无运动部件,可靠性高,大大降低了运行费用和维护工作。
  4、四类除尘器技术特性比较
  表2为四类除尘器技术特性比较。
  表2 四类除尘技术特点性比较
  项目常规干式电除尘器旋转电极式电
  除尘器袋式或电袋复合
  除尘器WESP
  湿式电除尘器
  除尘性能受燃料、灰分的影响,对设计煤种可以保证排放达标,但无法控制复合污染物。煤种变化,粉尘排放都可达标,能清除部分PM2.5、汞。煤种变化,排放都可达标,能清除部分PM2.5、汞,但布袋发生破损时,性能会急剧下降。不受燃料、灰分的影响,能保证出口低浓度,同时有效控制PM2.5、SO3酸雾、气溶胶、汞、二恶英等复合污染物
  最小排放浓度100mg/m380~30mg/m350~20mg/m310mg/m3
  清灰方式振打清灰刷脉冲喷吹水冲洗
  平均阻力损失200~300Pa200~300Pa800~1500Pa200~300Pa
  维护及检修消耗品少、维护容易。需停炉检修运动部件多,维护费较高,需停炉检修。滤袋需更换、维护费用高,但能在线分室检修没有运动部件,容易保养。但需耗水
  安全性对烟气温度影响及烟气成分不敏感对烟气温度影响及烟气成分不敏感高温烟气虽可外排,但滤袋受到影响需在饱和温度下运行
  锅炉点火的燃料限制油类和煤燃料,在启动时都可以使用。油类和煤燃料,在启动时都可以使用。不能使用油料燃料。启动需用旁路烟道油类和煤燃料,在启动时都可以使用。
  5、WESP湿式电除尘器系统、结构与布置
  (1)WESP系统
  湿式电除尘器系统主要由电除尘器本体、阴阳极系统、喷淋系统、水循环系统、和电控系统等组成。分为电除尘本体系统和水处理系统二大部分组成。
  ● 本体系统 本体结构与干式电除尘器基本相同,包括进出口封头、壳体、放电极及框架,集尘板、绝缘子、水喷咀、管道及灰斗等。
  ● 水处理系统 水处理与水循环利用,经过化学与物理处理:加碱(NaOH)中和除酸与分离固体悬浮物,使污水变成适合喷淋循环使用的工业水。
  (2)WESP本体结构
  湿式静电除尘器在结构上有管式(图B)和板式(图A)两种基本型式,如图2所示。
  ● 管式 管式静电除尘器的集尘极为多根并列的圆形或多边形金属管等,放电极均布于管极之中,管状湿式静电除尘器只能用于处理垂直流烟气。
  ● 板式 板式静电除尘器的集尘极呈平板状,可获得良好的水膜形成的特性,极板间均布电晕线,板式湿式静电除尘器可用于处理水平流或垂直烟气。
  ● 管式与板式比较 它们在相同的集尘面积时,管式静电除尘器内的烟气流速可设计为板式除尘器的两倍,因此在达到相同除尘效率时,管式除尘器的占地面积要远小于板式除尘器,可装在湿式脱硫塔上部,适用于50MW以下小机组,组成一体化的脱硫、除尘装置。
  图2 水平板式和垂直管式电除尘器原理图
  (3)WESP湿式电除尘器的布置
  ● 垂直烟气气流与WFGD整体式布置形成脱硫,除尘一体化布置,占地面积小。
  图3为板式WESP安装在湿式WFGD脱硫塔上部,适于小机组和运行机组超低排放改造机组。
  ● 水平烟气流独立布置,WESP容量较大时采用,占地面积较大。
  图4为水平烟气流独立布置WESP电除尘器,一般用于新设计机组。
  图3 垂直.烟气流与WFGD整体式 图4 水平烟气流独立布置WESP图
  5、技经定性分析
  (1)终端把关WESP的技术特点
  湿式电除尘技术工艺,设一电场即可,由于其终端把关的技术特点,布置在WESP湿式电除尘器前的除尘装置,只要满足湿法脱除工艺要求即可,出口排放无需做到很低。这样,既可降低前端除尘装置的投资和运行成本,又能够解决脱硫设备改造升级场地紧张问题。同时,由于湿式电除尘器运行中的喷淋作用,对烟气中SO2具有一定的洗涤脱除作用,可以减少湿法脱硫的投资和运行成本。
  (2)WESP系统投资与运行成本
  湿式电除尘器虽然原理和结构并不复杂,但因阳极和阴极线、喷嘴等接触烟气的部件采用耐腐蚀不锈钢材料,成本较高。同时运行过程中除了除尘器本体消耗的电量外,还增加了循环水等的电量消耗。此外,循环水箱中添加NaOH溶液,喷嘴更换和泵的维护也增加了额外费用,因此湿式电除尘器的总运行成本也将高于干式除尘器。
  由于湿式电除尘技术工艺具有终端把关的技术特点,可降低前端除尘装置的投资和运行成本,以及节省一定的布置场地。另外,湿式电除尘器大量减少了烟气中的SO3,可有效缓解下游烟道、烟囱的腐蚀,降低烟道、烟囱防腐成本。所以,综合投资与运行成本基本上与干式电除尘器投资额相当。
  (3)超低排放,社会效益显著
  湿式电除尘器能实现粉尘超低排放、有效控制细微颗粒物(PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶)的排放、解决“石膏雨”等难题,有很好的社会效益。从长远的经济效益、社会效益来看,国内燃煤电厂湿法脱硫后增设湿式除尘器是一种很好的选择。是完全能做到粉尘5mg/Nm3的超低排放!
  (4)安装湿式电除尘器后烟气中污染物含量情况变化如图5所示。
  图5 设置WESP湿式除尘器后烟气中污染物含量情况(mg/m3)
  7、自主研发,核心技术和关键难题有突破[4]
  以菲达一批企业为首,从2009年以来,通过引进先进国家技术,经反复研究,迅速掌握湿式电除尘器的核心技术,创造出具有自主知识产权、适合中国国情的性能优越、价格低廉的新型湿式电除尘器,并完成300MW(含)以上等级机组的新型湿式电除尘器示范工程,形成新型湿式电除尘的各项专利、行业标准等,从而填补国内大型湿式电除尘技术和产品的空白。
  特别是水的循环利用,一是中和除酸,二是分离固体悬浮物,使污水变成适合喷淋可循环使用的工业用水。掌握了湿式电除尘器的喷淋系统及均匀水膜形成规律和极配、结构、高压供电等关键技术;研发了悬浮物高效分离、水循环利用系统,解决了水的二次污染和水耗问题,和灰水循环利用问题,采用不锈钢、玻璃钢等,解决了防腐蚀,防电漏等问题获得具有领先世界的多项创新专利技术。
  8、湿式电除尘器几个工程应用实例
  (1)上海长兴岛第二发电厂
  装机容量为2×12MW,配套两台燃煤锅炉安装WESP后,烟尘排放浓度降低到6.1mg/m3。
  上海长兴岛第二发电厂位于上海市和崇明岛之间,属于污染物排放重点控制地区,两台机组各配备一台三电场干式电除尘器,由于排放标准提高,为满足SO2和粉尘的排放要求,决定在电除尘器之后建设湿法脱硫,并在湿法脱硫之后增设湿式电除尘器,以满足SO2和10mg/m3粉尘排放要求。
  设备如图3所示,首次采用了灰水循环处理技术,工程于2013年1月成功投运。现场测试结果表明,湿式电除尘器出口粉尘排放浓度为6.1mg/m3,测试时出口烟道处的采样装置是干燥的,说明湿式电除尘器对粉尘与水雾均有很强的脱除作用。湿式电除尘器的循环水PH值由喷淋时的7降低至2~3,表明湿式电除尘器对SO3去除率相当高。灰水循环处理系统运行稳定,完全能满足循环用水的要求,可大大减少湿式电除尘器的用水量。
  长兴岛湿式电除尘项目的成功投运,是石灰石—石膏法脱硫工艺之后应用的湿式电除尘系统的成功,包括湿式电除尘器和水循环利用系统。这证明国产湿式电除尘系统能够适用燃煤电厂工艺流程的使用。取得了超低排放的特好效果。
  (2)福建上杭瑞翔纸业电厂
  装湿式电除尘器后,烟尘排放浓度仅为9.3mg/m3
  2011年12月,福建上杭瑞翔纸业循环流化床锅炉安装一台湿式电除尘器。这台湿式电除尘器为立式布置,烟气从电除尘器上部进入,经引风机从烟囱排出。经测试,湿式电除尘器入口含尘浓度达513mg/m3,出口排放仅为9.3mg/m3。对捕集到的粉尘进行粒径分析,PM10以下粉尘占70%,PM2.5以下粉尘占30%,表明湿式电除尘器对细微粉尘具有高效脱除效果;对喷淋水与排出水的pH值对比测试,pH值由7变为3,表明湿式电除尘器对SO3具有很高的脱除能力。
  (3)其他
  还有宁波中华纸业电厂的50MW机组;嘉兴嘉爱斯热电的260t/h锅炉;舟山电厂2×1000MW超超临界机组均已安装湿式电除尘装置,据悉效果都很好。
  结 语:
  我国WESP湿式电除尘技术发展迅速,从2009年研发至今,已有近百台工程业绩,并且已有燃煤电厂1000MW机组的合同。已投运WESP湿式电除尘器的成功经验表明,燃煤热电厂在湿法脱硫后增建湿式电除尘器,可以作为烟囱前的最后一道技术把关措施,在实现超低排放,能解决烟尘、PM2.5、石膏雨、SO3、汞、多种重金属、二恶英及多环芳烃(PAHS)等多种污染物排放问题,为治理雾霾改善空气质量起到了很好的作用,为早日实现绿色化做贡献。
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