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四种湿电除尘的对比分析

1、引言

进入新世纪,随着我国经济的高速发展,火电装机容量仍在不断增长。按中电联《电力行业节能环保信息》推算,2015年,我国新增火电装机容量约0.51亿kW。根据电力规划设计总院预测,到2020年,全国火电装机容量将达到12.2亿kW,新增装机容量约为3亿kW。火电厂的快速发展导致了大气环境的污染并引发了公共环境及健康危机,虽然国家采取一系列政策,大力推动煤炭清洁高效利用与发展清洁能源,但由于我国燃煤发电的基数较大,火电厂仍将是大气污染物的主要排放源之一,而降低排放强度的主要措施就是制定和实施更加严格的排放标准。同时湿式电除尘器作为燃煤电厂污染物控制的精处理技术设备,其处理对象为含大量游离水的饱和湿烟气,主要去除粉尘(含石膏)、SO3、雾滴和有害气体,并可有效控制PM2.5的排放,本文介绍4种湿式电除尘器技术,并从性能、可靠性及除尘效果等方面进行比较。

2、湿式电除尘器简介

湿式电除尘器(简称WESP),与干式电除尘器的除尘原理基本相同,先依靠高压电晕放电使得粉尘荷电,荷电后的粉尘在电场力的作用下到达集尘板(或集尘管),再采用冲洗方式,使粉尘随着冲刷液的流动而清除。在目前的湿除技术中,主要差别在于阳极板材质的选取及清灰技术。根据阳极材质的不同,主要分为不锈钢湿式电除尘器、导电玻璃钢电极湿式电除尘器、柔性电极湿式电除尘器;根据清灰技术(即水膜的形成原理)不同,分为水膜自清灰技术和水膜冲洗清灰技术,前者为间断喷淋,靠烟气中的水汽在阳极表面自凝结实现在线清灰,后者为通过喷淋水在阳极表面形成水膜清灰。

3、湿式电除尘器性能对比

3.1 金属电极湿式电除尘器

20世纪90年代,为应对地方环保法规提出的对烟尘排放控制的要求,日本三菱公司研发并建成湿式电除尘器,用于燃煤电厂的烟尘治理。2006年,美国专门针对PM2.5提出控制要求,在燃煤电厂安装湿式电除尘器。目前我国通过引进技术并优化设计,已掌握其核心技术。

(1)金属电极湿式电除尘器的技术特点如下:

1)大多采用卧式布置,气流沿水平方向进出,烟气流速较低(流速在2.5m/s左右),能有效控制气流带出粉尘,提高PM2.5细微颗粒及气溶胶脱除效率。

2)阴阳极均平行于气流方向布置,金属极板采用悬挂方式,极板通过悬挂梁固定于壳体中,电晕电极采用框架式结构,通过吊杆吊挂在壳体中。这种安装方式由于阴阳极不易变形,极间距有保证,故电场稳定性好,运行电压高。

3)耐高温,脱硫系统出现故障时,可以在较高的烟气温度下运行。

(2)金属电极湿式电除尘器存在的问题如下:

1)阳极板一般高度在8~10m左右,要形成均匀的水膜对阳极板的设计、制造、安装及维护有严格的要求,更换时难度较大。

2)极板材质多采用316L,需要通过水膜保护以防腐蚀,一旦水膜保护出现失效,造成极板腐蚀严重,甚至丧失除尘效率。

3)清灰方式采用在线单线连续喷淋工艺,需要设置专门的水处理系统,喷淋水经NaOH水溶液中和后循环使用,这种清灰方式对于水耗、电耗、碱的消耗较大,对喷嘴性能要求更高。

根据各企业发布的环境监测报告显示,金属电极湿式电除尘器粉尘去除率(粉尘+石膏):≥70%;SO3去除率:≥70%;雾滴含量:低于20mg/m3。目前,浙江嘉兴三期2×1000MW机组、大唐黄岛电厂670MW机组、神华国华舟山电厂350MW机组等都采用了金属极板湿式电除尘器。

3.2 导电玻璃钢湿式电除尘器

导电玻璃钢湿式电除尘技术来源于化工行业的湿式电除雾器,在化工、煤气净化等领域已经有几十年的应用历史,技术成熟。

导电玻璃钢(Fiber Reinforced Plastics,FRP)是一种以树脂为基体,碳纤维、玻璃纤维等为增强材料,通过成型工艺制成的高导复合材料。使用导电玻璃钢作为收尘极可以采用管式或蜂窝状形式(立式布置),也可采用板式形式(卧式布置),目前,以蜂窝状结构居多。

(1)导电玻璃钢湿式电除尘器的技术特点如下:

1)导电玻璃钢具有重量轻、比强度高、耐腐蚀等特性。

2)收尘极组件采用工厂成型,实现整体模块化,有利于保证安装精度。

3)除尘器运行时,收集下来的液滴在沉淀极表面形成液膜,由于玻璃钢具有很强的疏水性,能有效阻隔粉尘和石膏对沉淀极壁的粘接,靠重力自流至下部集液槽。

4)为防止少量烟尘的沉积,在沉淀极管上部设置一层间断喷淋装置,将湿式电除尘器分为多个电场,当需要进行间断冲洗时,控制系统自动停掉其中一个电场或将电场降压运行,冲洗结束后开启该电场。由于耗水量较小,集液槽中的收集液可返回脱硫塔内循环使用。

(2)导电玻璃钢湿式电除尘器存在的问题如下:

1)烟气流速在2.5m/s左右时,PM2.5细微颗粒及气溶胶脱除率高,提高烟气流速后,影响除尘性能。

2)一般FRP不能在高温下长期使用,烟气温度较高时对阳极板寿命有影响,严重时可能烧灼。FRP的使用寿命在10~15年左右,与产品的质量及制作产品所用的树脂等原材料性能有关。

3)如果出现部分导电玻璃钢损坏,需要整个模块更换,将大大增加维护费用和难度。

根据各企业发布的环境监测报告显示,导电玻璃钢湿式电除尘器粉尘去除率(粉尘+石膏):≥70%;SO3去除率:≥70%;雾滴含量:低于25mg/m3。 目前,黄台8号、9号2×300MW机组、上海石洞口300MW机组、蒙西300MW机组、白杨河两台300MW机组等都采用了导电玻璃钢湿式电除 尘器。

3.3 柔性电极湿式电除尘器

20世纪90年代末,美国俄亥俄州立大学提出了柔性电极湿式电除尘技术的概念,2003年美国Croll-Reynolds、First Energy、Southern Environmental公司和俄亥俄州立大学共同研究制作出第一台实验装置。

湿式除尘器存在的问题,集中体现在集尘极材料和表面水膜分布不均匀引发的系列问题上,基于上述原因,我国最早由山东大学和国电环保院共同研发,开始了柔性绝缘疏水纤维织物用于湿式除尘器的研究工作,并于2012年在益阳300MW燃煤机组中完成首次工业化应用。

通过相关资料显示,耐腐蚀性优良的柔性绝缘疏水纤维织物通过润湿使其导电,可以形成水膜,并靠重力自流向下与烟气分离,柔性织物材料作为收尘极布置成方形孔道(立式布置),烟气沿孔道 流过。

(1)柔性湿式电除尘器的技术特点如下:

1)柔性阳极具有重量轻、防腐性能好的特点。

2)柔性绝缘疏水纤维本身的结构特性,有利于表面形成均匀水膜,利用从烟气中收集的酸液带出灰,实现自清灰,冲洗水量小。

3)阳极部件可组装拆卸,有利于后期的维护和更换。

(2)柔性湿式电除尘器存在的问题如下:

1)柔性阳极不耐高温,烟气温度较高时,对阳极寿命有影响,严重时可能烧蚀,使用寿命6年左右。

2)柔性纤维织物的伸缩率较大,阳极布的张紧程度和浸水后发生的伸缩都会影响实际的极间距,进而影响到电场的稳定性、电压的正常运行。

3)烟气流速较高,产生气流带出,PM2.5细微颗粒及气溶胶脱除率低。

性能结果表明:粉尘去除率(含石膏):≥70%;SO3去除率:≥70%;雾滴含量:低于20mg/m3。目前,国电益阳发电有限公司300MW机组,国电荥阳煤电一体化有限公司一期600MW机组采用了柔性电极湿式静电除尘技术。

3.4 径流湿式电除尘器

径流湿式电除尘器是北京华能达公司自主研发的具有自主知识产权的除尘技术。与上述湿式静电除尘器结构不同,该结构布置是将收尘阳极板垂直于气流方向,使电场力与引风力的方向在同一水平线上,粉尘颗粒在引风力与电场力的共同作用下,在新型阳极板上完成捕集。装置主要由壳体、分布板、阳极装置、阴极装置、喷淋系统、热风系统和供电电源等组成。

(1)径流湿式电除尘器的技术特点如下:

1)与烟气接触部位全部采用2205双相不锈钢材质,具有强度高、耐高温、耐腐蚀(尤其对氯离子和硫化物的应力腐蚀)等特性,使用寿命能够达到30年。

2)新型阳极板的通孔率达到 98%以上,其几乎全通透的结构大大降低了径流式湿式除尘器的运行阻力,并且和普通的阳极板相比,相同体积下新型阳极板具有最大的集尘面积,相当于普通阳极板的20 倍。

3)阳极系统采用旋转电极设计,在旋转电极下部设立独立的清洗室,由高压喷嘴在旋转电极内部向外冲洗网板,清洗网板后的污水通过排水泵和排污管道送入脱硫塔补水。在工程运行中,利用压差监测,实现在线喷淋,无水循环系统,故耗水、耗电量小。

(2)径流湿式电除尘器存在的问题如下:

1)由于接触烟气的部件全部采用2205双相不锈钢,前期成本投入较高。

2)阳极系统零部件多,安装工艺较复杂。

测试结果表明:粉尘去除率(含石膏):≥86%;SO3去除率:≥70% ;雾滴含量:低于20mg/m3。目前,宣化热电有限责任公司1号330MW机组、大唐国际唐山热电有限责任公司300MW机组及大唐清苑热电有限公司300MW机组等均采用径流湿式电除尘器。

4、结束语

上述4种湿式电除尘器是目前国内燃煤电厂普遍采用的高效除尘的终端精处理设备,其主要特性对比结果如表1所示(以300MW机组为例,数据仅供参考)。