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【科塵】燃煤鍋爐煙氣除塵技術的現狀及進展

人氣:458 發表時間:2019-08-14 【


2019-08-1415:58:18

  介紹了現階段國內燃煤鍋爐煙氣除塵技術,包括靜電除塵、袋式除塵和電袋復合除塵的原理、特點和改進方向,并對近年來國內外發展的煙氣除塵新技術的原理及研究現狀進行評述,展望了國內燃煤鍋爐煙氣除塵技術的發展前景與技術方向。


  我國是煤炭消費大國,每年消耗原煤約21.5億t,約70%被燃煤電廠使用。我國能源結構決定了以煤炭為主的火力發電格局。煤炭燃燒會產生大量的粉塵顆粒,其中細微粉塵PM2.5會引起心肺呼吸道疾病,同時也會引起灰霾天氣,導致大氣能見度下降。


  國家環保部于2011年發布了GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》,規定火力發電鍋爐煙塵排放濃度最高限值為30mg/m3,重點地區最高限值為20mg/m3;2012年發布GB3095—2012《環境空氣質量標準》,將PM2.5寫入國標,并納入各省市的強制監測范疇;2013年國務院發布《大氣污染防治行動計劃》,明確了具體任務,提出了十條具體措施。隨著各文件的出臺,燃煤鍋爐除塵領域面臨著前所未有的壓力和挑戰,僅靠對現有除塵器的常規改造,很難滿足新的煙塵排放標準。特別對PM2.5的排放控制,成為燃煤電廠亟待解決的難題。


  1我國煙氣除塵技術現狀


  目前我國電除塵器的生產規模和使用數量均居世界首位,電除塵技術接近世界先進水平。布袋除塵器的技術核心在于濾料,隨著材料科技的不斷進步,袋式除塵技術得到廣泛應用。電袋復合除塵技術是基于靜電除塵和袋式除塵兩種成熟的除塵理論,由我國自行研發提出的新型除塵技術,近幾年已在多家電廠成功應用。我國火電廠各除塵方式所占比例見圖1。


  1.1靜電除塵技術


  靜電除塵器(ESP)的主要工作原理是在電暈極和收塵極之間通上高壓直流電,所產生的強電場使氣體電離、粉塵荷電,帶有正、負離子的粉塵顆粒分別向電暈極和收塵極運動而沉積在極板上,使積灰通過振打裝置落進灰斗。


  由于靜電除塵器基于荷電收塵機理,靜電除塵器對飛灰性質(成分、粒徑、密度、比電阻、黏附性等)十分敏感,特別對高比電阻粉塵、細微煙塵捕集困難,運行工況變化對除塵效率也有較大影響。另外其不能捕集有害氣體,對制造、安裝和操作水平要求較高。


  對現有靜電除塵器提效改造技術有三種可行方向:改進靜電除塵器(包括靜電除塵器擴容、采用電除塵新技術及多種新技術的集成)、電袋復合除塵技術、濕式電除塵技術。


  1.2袋式除塵技術


  袋式除塵器的主要工作原理包含過濾和清灰兩部分。過濾是指含塵氣體中粉塵的慣性碰撞、重力沉降、擴散、攔截和靜電效應等作用結果。布袋過濾捕集粉塵是利用濾料進行表面過濾和內部深層過濾。清灰是指當濾袋表面的粉塵積聚達到阻力設定值時,清灰機構將清除濾袋表面煙塵,使除塵器保持過濾與清灰連續工作。


  袋式除塵器最大缺點是受濾袋材料的限制,在高溫、高濕度、高腐蝕性氣體環境中,除塵時適應性較差。運行阻力較大,平均運行阻力在1500Pa左右,有的袋式除塵器運行不久阻力便超過2500Pa。另外,濾袋易破損、脫落,舊袋難以有效回收利用。


  美國環保署的環境技術認證(EnvironmentalTechnologyVerification,ETV)項目對ePTFE覆膜濾料做過的性能檢測發現濾料覆膜可一定程的地控制PM2.5和消除有害氣體,此項目對袋式除塵技術的發展有較好的引導作用。改進袋式除塵器可從三個方面進一步研究:濾料覆膜,濾料的改進創新,舊袋的有效回收利用。


  1.3電袋復合除塵技術


  電袋復合式除塵器的工作過程是,含塵煙氣進入除塵器后,70%~80%的煙塵在電場內荷電被收集下來,剩余20%~30%的細煙塵被濾袋過濾收集。電袋復合式除塵器兼容了靜電除塵器和袋式除塵器的優點,較好的彌補了兩者的不足,除塵機理科學合理。


  電袋復合式除塵器主要有臭氧腐蝕、運行阻力較高、投資大、占地面積大等缺點,濾袋壽命短及換袋成本高仍是其重要問題。


  電袋復合式除塵器的改進有三個方面:優化靜電除塵單元和袋式除塵單元的長時間協同作用以及相對結構布置,消除靜電除塵單元產生的臭氧,濾料的技術創新。


  2煙氣除塵新技術


  由于種種實際因素,上述三種除塵器很難滿足煙氣出口排塵量低于30mg/m3的新標準,尤其對PM2.5的排放控制不佳。近年來,國內外學者對除塵新技術進行了大量的理論研究和實驗論證,如聚并技術、濕式電除塵技術、旋轉電極技術、高頻電源技術、煙氣調質技術,許多技術已獲得突破性進展并初步開始應用,但仍需完善和改進。


  2.1聚并技術


  聚并是指微細粉塵通過物理或化學的途徑互相接觸、碰撞而結合成較大顆粒的過程。微細煙塵聚并成較大顆粒后,更容易被除塵器捕集,提高了微細煙塵的脫除效率。當前國內外研究的聚并技術主要有:電聚并、湍流凝并、聲聚并、蒸汽相變聚并、化學聚并和光聚并等。


  電聚并是各聚并技術中最實用有效的方法。電聚并是通過細顆粒荷電,促使細顆粒相互吸引、碰撞、聚并,使細顆粒團聚成大顆粒。電聚并的效果取決于粒子的濃度、粒徑、電荷的分布以及外電場的強弱(圖2)。


  澳大利亞Indigo(英迪格)技術有限公司于2002年推出了Indigo凝聚器工業產品,至2008年10月,Indigo凝聚器已經在澳大利亞、美國、中國等國家的8家電廠中使用,測試結果表明,PM2.5、PM1.0排放可分別減少80%、90%以上。自2007年始,華北電力大學和北京大學共同參與國家“863”課題“超細顆粒物聚并新技術開發”,從實驗和理論計算兩方面對超細顆粒物湍流聚并技術進行了大量研究,自行研發出一套雙極荷電-湍流聚并裝置。此外,自2011年始,北京大學與長沙理工大學合作,設計了2臺超細顆粒聚并器,并在大唐湖南耒陽電廠300MW鍋爐機組上開展了實驗研究,目前仍在考核實驗,測試結果中超細顆粒聚并效果顯著。


  該技術不僅能較大幅度提高除塵效率,還能對PM2.5有效控制,工藝簡單可靠,有廣闊的應用前景。由于電聚并器一般安裝在電除塵器的煙道前,其安裝空間受到了一定限制。另一方面因煙道內氣流速度大,不適用于收集磨琢性強的煙塵。此外,如何減少在電聚并器段的壓力損失也是目前測試階段需要解決的問題。


  2.2濕式電除塵技術


  濕式電除塵技術與干法靜電除塵技術對粉塵捕集的原理基本相同,兩者結構也類似。所不同的是清灰方式,濕式除塵器取消了傳統的機械振打清灰方式,通過煙氣與水接觸使飛灰沉降。根據濕式除塵器原理和結構的不同,有自激式除塵、麻石水膜除塵、噴淋式除塵三種主要形式。


  日本中部電力碧南電廠五臺機組(3×700MW+2×1000MW)使用濕式靜電除塵器后,其排放濃度長期穩定在2~5mg/m3,遠低于日本國家標準和新國標的要求,表明濕式靜電除塵器能高效地除去煙氣中的煙塵[6]。2010年,由中國重型機械研究院有限公司設計的濕式電除塵器應用于浙江某工業窯爐生產線,實測煙塵排放遠低于設計值(30mg/m3)達到20mg/m3以下,最低可達到12mg/m3,且設備運行穩定[7]。濕式靜電除塵器沖洗水對煙氣有洗滌作用,對煙氣的脫硫及去除重金屬離子有一定作用,尤其對控制PM2.5效果明顯(圖3)。


  濕式靜電除塵器也有一些缺陷:濕式靜電除塵器布置在脫硫系統后,場地空間受限制;雖然濕式靜電除塵系統的沖洗水采用閉式循環,但由于水中含塵量增加,仍需不斷補充原水;其大量部件長期處于潮濕環境,對材料的耐腐蝕性要求較高。


  2.3旋轉電極技術


  旋轉電極式電除塵器與常規電除塵器的除塵原理完全相同,在清灰方式上有很大改變。旋轉電極是由若干個小塊極板固定在板鏈上低速旋轉,極板由原來的整體壓型板改為小塊極板,通過板鏈帶動旋轉。其清灰方式采用旋轉鋼刷清灰,從根本上改變了常規電除塵器的振打裝置清灰,徹底避免了振打清灰造成的二次揚塵,同時也解決了高比電阻粉塵的“反電暈”問題]。


  早在20世紀70年代,國外就旋轉電極技術做了大量研究。其中日本日立公司首次研發出移動電極式電除塵技術(MEEP)。在我國,自2010年以來,浙江菲達環??萍脊煞萦邢薰狙邪l生產的大型燃煤電站配套旋轉電極式電除塵器,先后應用于內蒙古包頭第一熱電廠300MW機組、內蒙古達拉特電廠330MW機組,經過測試,該除塵器各項技術指標達到或優于設計要求,粉塵出口排放濃度達到30mg/m3以下]。


  旋轉電極式電除塵器能較大限度地減少二次揚塵,避免反電暈效應,從而大幅提高除塵效率,顯著降低煙氣出口PM2.5濃度。由于不需另占空間,只需將固定電場改成旋轉電極式電場,特別適合于老機組電除塵器改造。同時也具有常規電除塵器的阻力損失小,運行維護費用低等優點(圖4)。


  旋轉電極式電除塵器也有部分缺陷,其結構相對復雜,對制造和安裝工藝要求較高,具有一定的局限性。另外,其長時間穩定運行的可靠性仍需考證。


  2.4高頻電源技術


  高頻電源采用現代電力電子技術,是將工頻交流經三相整流橋整流成約530V的直流,再經逆變電路變成20kHz以上的高頻交流電流,最后通過高頻變壓器升壓和頻整流器整流濾波,形成40kHz以上的高頻脈動直流,供給電除塵器電場。其功率控制方法有脈沖高度調制、脈沖寬度調制和脈沖頻率調制3種方法。目前,多數高頻電源采用的是脈沖頻率調制方法。


  NakhornThonglek等人通過對常規靜電除塵器和高頻脈沖電源式除塵器做對比試驗發現,高頻脈沖式除塵器不僅能量消耗低并且除塵效率更高,可在9000V條件下長時間運行而無火花或閃絡現象。我國于21世紀初開始自主研制該項技術,上海外高橋第三發電有限公司8號機組(1000MW)節能改造,采用國電環境保護研究院研制的HF-01型高頻電源,在日常運行工況條件下監測,煙塵排放濃度由42mg/m3下降至17mg/m3,減排59.5%,電除塵器能降低71.7%。其結果同樣說明高頻電源式除塵器除塵效率高,并且可以大幅度減少電能損耗。另外,其控制方式靈活多樣,可根據電除塵器運行工況選擇最合適的電壓波形。


  高頻電源的成功實踐令電源技術水平有質的飛躍,使電除塵器有更廣闊的適用范圍。越來越嚴格的排放標準也激勵著高頻電源技術向更成熟、更完善、更現代化的方向發展,相信高頻電源技術將會為除塵領域做出更大貢獻。


  2.5煙氣調質技術


  煙氣調質技術是指在除塵器前對煙氣進行調質處理,向煙氣中注入調質劑,改變煙塵的一些物理化學特性,如飛灰比電阻,化學成分,黏附性,顆粒的形態等。調質后的煙塵更容易被除塵器捕捉,從而提高除塵效率。用于實驗研究的調質劑有無水氨、氨溶液、硫酸、三氧化硫、磷酸、氯化鈉等,目前應用較多的調質劑是SO3。


  在國外,SO3調質技術己經是一項成熟的技術,被不少公司采用。例如在過去20年中,世界各地大電廠安裝應用了500多臺由美國Wellco公司研發的SO3煙氣調質裝置,并且運行效果良好。我國在新世紀初就對煙氣調質技術進行了大量的實驗研究,并且在多家電廠測試應用,例如華潤電力登封有限公司一期2×320MW機組電除塵器原先的除塵效率只有98.5%左右,引入煙氣調質系統后,除塵效率大于99.8%。


  煙氣調質技術可保留電除塵器阻力低、可靠性高的特點。調質系統具有集成度高、全自動控制、維護費用低、操作靈活、占用空間小等優點,特別適合老機組的提效改造。針對高比電阻工況下提高除塵效率也是一項實用的補丁技術。需要注意的是,煙氣調質技術并不適用于所有工況,需要對煤種、煙氣條件和煙塵性質分析后使用。


  3各新式除塵技術綜合比較


  各新式除塵技術比較見表1。


  4建議與展望


  燃煤鍋爐排放的大量粉塵已經給大氣環境和人類健康帶來了嚴重威脅,國家對工業粉塵的治理已經提高到一個前所未有的高度。節能環保行業被列為國家七大戰略新興產業之首,在“十二五”期間,工業煙氣除塵行業將面臨更大的機遇和挑戰。目前國內大多除塵設備相對老舊,煙塵排放量遠不能達到低于30mg/m3的新要求。結合我國目前除塵現狀,提出以下建議:


  1)逐步淘汰老舊除塵設備,找到相對適合改造的新除塵技術。對新建燃煤電廠的常規除塵器進行升級改造,使其達到新的煙塵排放標準。


  2)加快除塵新技術的研發和應用,積極引進國外已成功工業化的新式除塵技術,開發和示范適合我國國情的煙氣除塵技術。


  3)針對PM2.5排放控制,結合新除塵技術對我國煤種適應性的研究,進一步對新技術優化集成,實現綠色環保與清潔電力生產的目標。


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