火电厂电除尘器和袋式除尘器应用分析比较
栏目:行业新闻 发布时间:2015-08-31
火电厂烟气高效除尘器目前可分为电除尘和袋式除尘两大类。本文对这两类技术从捕集机理及应用进行研究和分析,推荐在不同工况下,适应火电厂应用最合适的控制技术。

1.前言  

2012年底我国发电装机容量为11.4亿千瓦,与美国基本持平。其中火电81917万千瓦,燃煤电厂已达到75811万千瓦。预计2013年底全国装机达12.3亿千瓦,有望超过美国成为世界上发电装机容量最大的国家。其中可再生能源3.6亿千万,火电8.6亿千瓦,核电1461万千瓦[1]。所以,煤电烟尘排放达标及PM2.5控制要求仍需加大力度,方能达到治理要求。  

目前,火电机组烟气除尘主要使用电除尘器和袋式除尘器两大类。可以根据燃用不同煤种的具体情况,选用不同的除尘器。特别我国燃煤情况多变,更应慎重选择。尤其是除了排放浓度要求更高外,还要兼顾到即将要求控制PM2.5微细粉尘和汞的排放。所以有必要将两大类除尘器特点加以分析,以供不同情况选用适用的除尘器。  

2.两大类高效除尘器的捕集机理分析  

两大类的除尘器捕集机理是不同的,也反映出两种除尘器捕集PM2.5的效果也有很大的差别,应用条件也不相同。  

2.1电除尘器  

电除尘器是在电场中使粉尘荷电,在电场驱进力并快速移向收尘极被捕集 ,靠振打使粉尘落入灰斗。即荷电越充分,驱动力越大,荷电越迅速,被收尘极捕集的概率越高。但极易受工况条件的影响,如受烟气性质和粉尘特性的影响。对粉尘比电阻特别敏感,过高或过低时,都会引起除尘效率显著下降。另外,捕集到电极的粉尘是靠振打来收尘的,会造成二次扬尘,PM2.5以下的微细粉尘又会随烟气排到大气中,很难达标排放。  

假如煤质比较稳定,含硫较高,比电阻则相对较低,在5电场以上,仍可能得到较好的效果。所以在西南地区用电除尘器是较好的选择。  

2.2袋式除尘器  

袋式除尘器开始使用时,靠织物孔隙中纤维与尘粒之间的惯性碰撞截留、静电吸引、布朗扩散等作用捕集粉尘,又称表面过滤,当滤袋表层上形式一层粉尘层后,则主要依靠粉尘层的筛分作用捕集粉尘,又称深层过滤,也就是粉尘层过滤粉尘的捕集方式,经过一段周期性过滤清灰后,残留粉尘层趋于稳定,除尘效率一般可达到99.5%以上。粉尘层越厚捕集效果越好,同时收集PM2.5则更多,但阻力会增加,这种收尘方式与煤种、烟气性质无关,适用煤种多变,微细粉尘多的工况。清灰过度或滤袋回缩时与笼骨碰撞,在较高的过滤风速时,会使微细粉尘渗漏出去,过滤风速提高会使这种渗漏加重。所以,过滤风速选取很重要,根据烟气参数合理选用滤料同样重要。袋式除尘器对10μm以下尤其是1μm以下亚微米颗粒物有较好的捕集效果,所以是捕集PM2.5的重要手段。  

2.3两类除尘器除尘简要机理小结  

从以上简单的对两类除尘器粉尘捕集机理分析,不难看出,袋式除尘器除尘效果是最好的,特别捕集1μm以下微细粉尘的能力要优于电除尘[2]。而袋式除尘器不受煤种、烟气及粉尘性质等因素影响,收尘排放浓度可小10mg/m3以下,同时对PM2.5有较高的去除率。重金属和有害的有机化合物极易富集在10μm以下在微细颗粒物上,提高对微细颗粒物的捕集效果同时有利于提高颗粒态汞的脱除率。经测试也证实,捕集微细粉尘越多也同时去除汞越多,这也是袋式除尘器对PM2.5控制能力的优势。  

3. 常规电除尘器  

常规电除尘器在电厂应用最多的除尘器。它的优点;有较高的除尘效率、阻力小、耐高温。它最大的缺点易受工况条件的影响,对粉尘比电阻特别敏感,最适合比电阻为106~1011Ω·cm,过高或过低时,都会引起除尘效率显著下降,特别是高硅高铝这种极微细又轻的粉体大量存在及其含量超过85%时,比电阻特别高,Al2O3又有粘性易粘电极,所以,除尘效率降低更加明显[3]。在近年来煤种多变的情况下,除尘器一年后大多运行在96%~99.5%之间。  

另外,捕集到电极的粉尘是靠振打来收尘,会造成二次扬尘,PM2.5以下的微细粉尘又会随烟气排到大气中,很难达标排放,更不用说收集更多PM2.5的微细粉尘和汞的作用了。总之,电除尘器就是5、6电场都很难达到排放标准,因此,就出现回转电极电除尘器和聚并技术、湿式电除尘器、低温电除尘器等。  

4. 純袋式除尘器  

它是滤袋材料和其面层上的粉尘层过滤粉尘的,所以粉尘层积累越厚,除尘效率越高,甚致可以接近零排放,但阻力较大。它对煤质要求不敏感,对煤质多变能适应。所以,适当调节而高效率的去除PM2.5和排放浓度低于20mg/m3是很容易的。是目前达标排放和捕集PM2.5最理想的除尘器。国内200MW机组已有73~90个月以及300MW、600MW机组也有4年以上的运行业绩,一般都可达到30000小时以上,也有少数运行不当只有25000小时左右。  

目前,一般采用性价比较高的PPS做滤袋,它适应小于160℃烟温,氧量小于9%,NO2小于15mg/m3的烟气参数长期运行。起仃时做好预喷涂,可防止油和水造成糊袋。另外,要高于酸露点20℃以上运行,设计时注意气流分布和滤袋自平衡能力的要求,制造安装注意质量,特别是烟道、除尘器本体的漏风率小于1%,运行中阻力维持1200Pa~1500Pa运行(当然也可拫据需要调至在600~800Pa运行),过分的追求低阻力运行,对寿命、除尘效率和超微细粉尘和汞去除都不利,根据需要设计采用0.9气布比也可低阻力、寿命更长的要求。  

目前,国內已生产PTFE面层十PPS和PTFE作基布复合的滤袋,价格较高但使用寿命较长。当前滤袋有其他型式的复合材料以及增加强力及性能的水刺毡等品种较多,多层不同滤料复合滤布和每层纤网的纤度可以独立调节复合滤布,当然还有不同材质的滤布,设计时可根据各电厂参数选择,可有较宽选择余地。  

由于严格控制PM2.5,澳大利亚已全采用袋式除尘器。美国在2009年EIA数据上显示;石油发电占37%,燃煤发电占21%,天燃气发电占25%,可再生能源占8%。21%煤电中,45%使用布袋除尘器,其他使用电除尘器和电袋。新建电厂及老电厂改造都要采用袋式除尘器。说明袋式除尘器是今后发展的方向。  

5.除尘器除尘的效果比较分析  

   (1) 表1是8台电除尘器改袋式除尘器、阻力在1000Pa以下的测试结果,效率都在99.91%~99.97之间,出口排放浓度都在24mg/m3以下。如测试时除尘器阻力1000Pa以上时则效果会更好。PM10捕集率大于95.45%,PM2.5都在99.31%以上。

(2)  4台电除尘电厂与1台袋除尘检测结果[4]  

 表2  不同粒径的除尘效率/%  


测试结果说明: 1、电除尘器和袋式除尘器对总尘的去除率均较高,分别达到99.0%~99.76%和99.94%。电除尘器对PM1和PM2.5的去除率仅为90.83%~98.59%,相比之下,布袋除尘器的去除率较高,分别可达99.54%和99.72%。2、电除尘器和布袋除尘器的最大穿透率均出现在0.1~1μm范围内,电除尘器中穿透率为1.42%~14.2%,最大达到31%;布袋除尘器中穿透率为0.46%,低于电除尘。  

(3)  6台电除尘器加脱硫控制前后对微细粉尘去除率  

表3 各电厂加脱硫控制前后烟尘PM10和PM2.5分布及其  

参考文献[5]实测6台电除尘器+脱硫除去除PM10及以下微细粉尘的结果,对PM10去除率为98.88%~99.62%,平均为99.29%,对PM2.5去除率为95.68%~98.47%,平均为97.41%。  

(4) 电除尘器与袋式除尘器测试结果对比小结  

从以上数据显示,袋式除尘器总尘去除率高达99.94%以上,对PM2.5一般脱除率也都高于99.30%以上。比电除尘器除尘效率99.89%和PM2.5去除率99.16%都要高。  

(5). 除尘器脱除汞的效果  

(5.1)各类除尘器脱汞的情况引用在参考文献 [6、7]数据来说明,见表4、5:

注:表4 由国内远达、重大专家所测数据,表5 源自美国电力研究协会2000年数据。  

上表数据说明:  

电除尘器对汞的脱除主要利用飞灰的吸附性,脱汞效率一般仅4%~27%[7]。  

袋式除尘器脱汞效率可以达到58%~80%。由于脱汞效率与除尘效率及粉尘粒径有关,而袋式除尘器几乎可以捕集0.1μm以上的尘粒,对5μm以上的捕集效率可达99%以上,同时袋式除尘器还增加气固接触时间[7]。所以,袋式除尘器脱汞效率较高,同时也说明总除尘效率和去除微细粉尘效率也较高。  

(5.2) 湛江、外高桥1厂烟气脱汞的测试结果

1).在准大发电厂2号炉,经过布袋除尘器后,气态汞的去除率较小,为13.21%;颗粒态汞去除率非常大,为97.55%,绝大多部分的灰以及灰上附着的颗粒汞被截留下来。  

2).湛江、外高桥1 电厂测试结果,电除尘器总脱汞率约42%~60.46%,袋式除尘器则约为56.39%~72.55%。总汞脱除率在脱硫前袋式除尘器比电除尘器高12.88%,加脱硫后也高11.6%。  

(6) 电除尘及袋式除尘器除尘率、脱除P2.5及脱汞的分析结果  

1).袋式除尘器总尘去除率高达99.94%以上,对PM2.5一般脱除率也都高于99.30%以上。比电除尘器除尘效率99.89%和PM2.5去除率99.16%都要高。电除尘器总脱汞率约42%~60.46%袋式除尘器则约为56.39%~72.55%,对脱汞率袋式除尘器也比电除尘器高。  

2).  4电场电除尘器与袋式除尘器投资和运行维护费用大体相当。为使排放浓度、PM2.5以及汞达标排放,要根据煤种及变化情况进行选择,已超标排放的电除尘器,可考虑改用袋式除尘除尘器。  

3).最另人担心的问题,换下来大量破损老化的滤袋怎样处理,目前已有几个大厂可以回收处理,不再产生二次污染了。  

6.电除尘和袋式除尘器近况  

6.1电除尘器系列  

6.1.1 回转极板电除尘器  

电除尘由于粉尘荷电量不足或在过程中互相中和、烟气流冲刷、振打清灰二次扬尘等原因,所以,除了高、低比电阻等粉尘特性影响捕集效率外,又以减少二次扬尘是注重点 [3]。我国引进这种技术应用和开发,目前已有三台300MW机组在应用,开始时效果尚可。      

回转极板一般设在电除尘器的最后的电场,极板平行烟气流动方向由链条、链轮、减速电机帶动周而复始运转。粉尘靠设置在灰斗内的旋转钢絲刷清除,避免二次扬尘和反电晕现象。有较好的收尘作用。  

由于转速很低、传动部件均设置在壳体之外,不受高温、粉尘影响,实现安全稳定运行,当出现故障易发现和检修。           

另据曾与日本专家交流得知;移动电极电除尘入口烟尘浓度要低于100mg/m3以下,煤的灰分要小于20%,一般在10%左右的好煤,才能保证排放浓度小于50mg/m3以下。在日本国内有49台使用业绩,电站煤粉炉只有26台,300MW以上的机组也只有8台。据法国专家介绍欧美各国没有使用的案例。  

这种除尘器仍存在电除尘器的缺点,当氧化铝及氧化硅较高仍会粘前级电极,会影响移动电极收尘效果。已投运3台其排放浓度为41mg/m3左右,脱硫后为20mg/m3,半年后,其中2台再测试排放浓度超标,另一台420t/h锅炉投入后不久也同样排放浓度达到60mg/m3~80mg/m3,运行不到二年就有问题,其可靠性和稳定性尚需进一步考验和改进(可能与煤种变化、部件变形、阴极振打等有关)。  

6.1.2 在烟道中加装双极荷电扰流聚合的技术[8、9、10]  

电除尘器对较大的飞灰颗粒(d >2.5μm)的除尘效率理论上很高,但对于0.1~1μm飞灰颗粒的除尘效率只有65%~85%。因此以颗粒数量计仍有占飞灰总数95%以上的超细颗粒物(PM2.5)进入大气中,虽然所占的质量分数较少,但具有更大的危害性。如果将这些小颗粒聚并成大颗粒,电除尘器就可以很容易将其除去。  

带异性电荷的粒子比带同性电荷的粒子的凝并效果好,因此,双极荷电明显优于单极荷电。采用正极、接地极、负极交替布置,构成双极性荷电区,使异性电荷的尘粒得到凝并效果,这就是双极荷电凝并器,  

    尽管粉尘经过双极荷电,有部分粉尘已经凝聚成大粒径颗粒,再通过改变气流的流向以使更多带相反极性电荷的粒子混合,从而促进粒子的凝聚。而当流体处于湍流形态时,创造涡旋就会促进颗粒凝并。涡旋数量越多、旋转强度越大越能促进粒子的接触,提高粒子的凝并概率,从而大幅度提高聚并效率,亚微细粉尘排放减少80%以上,<PM2.5μm减少70%以上,粉尘排放浓度下降30%。前置聚并器的电除尘器在美国、澳大利亚及香港(青山电厂1台20万kw机组)已有应用。我国有专家在1台130t/h锅炉试验排放浓度由548mg/m3下降到375mg/m3,可降低排放浓度约31% [8]。国内某厂家已在一台300MW机组2012年4月份实现了工程应用,排放浓度下降率为32.59%,PM2.5质量浓度下降率为34.1%[11]?。  

缺点:要有较长烟道直管段。存在磨损以及灰沉积等问题;此技术仍保留有电除尘器的部分缺点,长期运行效率可能会下降,目前在国内仍需在更多大机组长期工业试验中考验。  

6.1.3  湿式电除尘  

用湿式电除尘器去除小的难以捕获的微米以下颗粒、雾和金属等组成的污染源的一种方法。因此,对于要求去除酸性物质、SO3、雾状或者粘性颗粒以及PM2.5达到新标准,烟气的温度低于露点等,干式静电除尘器显然不是符合实际的装置。因为湿式电除尘器连续的冲洗收尘表面,被捕捉的尘粒不会再次飞扬。此外,用于燃烧低硫煤将产生高电阻率的烟尘时也不会出现恶化。试验结果二氧化硫和其它微细颗粒物的脱除效率达70%,除尘器出口排放浓度可以小于30mg/m3。  

穿过湿式电除尘器的烟气分布是一个关键的技术。而且,材料必须能够耐烟气中的酸雾的腐蚀。也可以在前面安装一些洗涤器来消除酸性腐蚀性气体。同时,喷入湿式电除尘器再循环利用的水应该处理其酸性。  

湿式电除尘器可以除去0.01微米这样小的颗粒、液滴以及雾,并且工作效率可以达到99.9%以上,国外最早一台835MW机组脱硫塔后装有两级湿式电除尘器,PM2.5收集效率达到95%,烟气中SO3酸雾去除90%,并可收集较多的汞元素[8]。  

  益阳电厂一台300MW机组,为去除石膏雨和酸性水改善烟囱防腐条件。在4电场电除尘及脱硫塔后加有2电场湿式电除尘,收尘用导电布(有机物)的柔性电极。湿式电除尘入口烟尘浓度约350mg/m3,经检测出口排放浓度7~19mg/m3,PM2.5没有测出,只检出粒径0.1~1.1μm的微细粉尘。并脱除酸性水2~3t/h,同时去除HF、HCl、SO3约60% (数据以鉴定会公布为准)。下一台准备在河南荥阳600MW机组进行改造。  

缺点:要考虑扱板水流均匀避免粉尘堆积结垢、喷嘴磨损、堵塞、设备腐蚀等。另外,投入成本较高,以及污水处理困难,对于高粉尘浓度或高NOx浓度的烟气条件不宜采用[5] [10]?。  

6.1.4前置低温换热器的电除尘器(低温电除尘器)  

低温电除尘器;在电除尘器前设置降低烟温的热交换器,使烟温从130℃降到90℃,可大幅度降低比电阻,同时烟气量相对也减少,提高除尘器效率[10]。新机组设计时可减少体积和钢材。另外,还可提高锅炉热效率。日本在90年代己开发应用(低低温电除尘),据报道一般可以小于30mg/m3排放浓度。能否更好收集PM2.5和汞,未收集到有工业应用数据。  

缺点:投资高,热交换器及前级设备可能产生积灰、堵塞和腐蚀。另据有资料介绍,在低烟温下SO3会雾化而被粉尘吸附带走,在酸露点以下运行时,不会结露腐蚀,这种解释尚待考证。但比电阻降低,粉尘粘结力减少,会产生二次扬尘,要对振打、极板结构要进行改进等措施。还要注意含高浓度粉尘原烟气侧使热交换器积灰,要采用特殊清灰装置,如钢球喷射清灰 [10]。  

7. 结束语  

(1).袋式除尘器在滿足环保要求上,总体来看有较大优势,特别是控制PM2.5微细粉尘及重金属的重要手段,符合今后环保发展要求,是当前火电厂PM2.5及汞控制技术的首选。电除尘器在某些煤种下可以使用,但可能要使用5电场以上,会受场地和经济上的制约;  

(2).回转极板式电除尘器在电除尘器改造中虽有一定优势。但当前仍要经过进一步改进,减少排放浓度和提高PM2.5控制,对各种煤种有更宽的适应性函待解决;  

 (3).对凝聚、湿式电除尘等新的技术,案例少,仍有不足之处,主要看今后工业试用中是否能长期稳定运行的效果,当前期情况下选用需慎重;  

(5).对各种除尘器应用选择时,要有前瞻性,除考虑粉尘排放浓度外,也同时考虑PM2.5和汞的脱除效果,袋式除尘器具有多污染物协同控制综合优势。  

(6)推广新技术要经过考验,逐步推广,不要一哄而上。不论采用那种技术,都要保质保量精心制作,才是为环保事业发展和贡献的重要根本。  

参考文献:  

[1]中电联规划与统计信息. 2012年全国电力工业运行简况,2013-01-17,及2013年全国电力供需形势下半年报告,2013-7-26  

[2]嵇敬文,陈安琪.锅炉烟气袋式除尘器技术[M].中国电力出版社,2006,8  

[3]黎在时,电除尘器的选型安装与运行管理[M].北京,中国电力出版社,2005.6  

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