燃煤電站污染物控制設(shè)施增強(qiáng)PM2.5脫除的方法

劉 勇，楊林軍，趙 汶

（東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

大氣中空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的細(xì)顆粒物（PM2.5）污染，是導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度降低、灰霾天氣和全球氣候變化等重大環(huán)境問(wèn)題的重要因素。由于PM2.5比表面積大，易富集各種重金屬及化學(xué)致癌物質(zhì)，從而對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。

目前，PM2.5污染已成為我國(guó)突出的大氣環(huán)境問(wèn)題，其中，燃煤電站是引起我國(guó)大氣環(huán)境中PM2.5含量增加的主要原因之一。我國(guó)大中型燃煤電站采用的煙氣治理流程大多為煙氣經(jīng)SCR脫硝、電除塵后進(jìn)入濕法煙氣脫硫（WFGD）系統(tǒng)，最后經(jīng)煙囪排入大氣環(huán)境。除SCR脫硝外，電除塵、WFGD等現(xiàn)有污染物控制設(shè)施本身具有脫除顆粒物的功效，如電除塵器的總除塵效率可達(dá)99%以上，但對(duì)PM2.5的捕集效果不佳。由于脫硫漿液的洗滌作用，WFGD系統(tǒng)可協(xié)同脫除煙氣中的粗粉塵，但PM2.5反而有所增加[1、2]。因此，對(duì)現(xiàn)有污染物控制設(shè)施進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化以及利用電、聲、化學(xué)、水汽相變等外場(chǎng)作用以提高其對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效果是近期控制PM2.5的重要技術(shù)發(fā)展方向[3]。

1 利用外場(chǎng)作用增強(qiáng)PM2.5的脫除

粒徑過(guò)小是導(dǎo)致現(xiàn)有污染物控制設(shè)施對(duì)PM2.5捕集效果不佳的主要因素。因此，利用電、聲、化學(xué)、水汽相變等外場(chǎng)作用，使PM2.5通過(guò)物理或化學(xué)作用長(zhǎng)大成較大顆粒后再加以脫除是增強(qiáng)現(xiàn)有污染物控制設(shè)施脫除PM2.5的重要技術(shù)途徑[3]。

1.1 聲波團(tuán)聚技術(shù)

聲波團(tuán)聚主要是利用高強(qiáng)度聲場(chǎng)對(duì)不同大小顆粒夾帶程度的不同，使大小不同的顆粒物發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而提高它們的碰撞團(tuán)聚速率，實(shí)現(xiàn)顆粒物團(tuán)長(zhǎng)大。通常，按所用聲源頻率及有無(wú)外加種子顆粒可分為3類(lèi)：1）低頻聲波團(tuán)聚：主要以電聲喇叭、汽笛等為聲源，頻率大多≤6kHz；2）高頻聲波團(tuán)聚：主要以壓電陶瓷換能器為聲源，頻率≥10kHz；3）雙模態(tài)聲波團(tuán)聚：團(tuán)聚室內(nèi)加入一定濃度、適當(dāng)大小（約幾十微米）的種子顆粒，利用種子顆粒幾乎不發(fā)生聲波夾帶與細(xì)顆粒的充分夾帶，進(jìn)而提高碰撞團(tuán)聚效率。

有關(guān)聲波團(tuán)聚技術(shù)的研究已有較長(zhǎng)歷史，其中國(guó)外以美國(guó)賓夕法尼亞州大學(xué)及西班牙馬德里聲學(xué)所所作的工作最具代表性。前者主要針對(duì)頻率≤6kHz的低頻聲波團(tuán)聚技術(shù)，涉及聲波團(tuán)聚的操作參數(shù)影響規(guī)律、團(tuán)聚后微粒的堅(jiān)固性、雙模態(tài)團(tuán)聚等方面的研究。西班牙馬德里聲學(xué)研究所主要針對(duì)高頻聲波團(tuán)聚技術(shù)的研究，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，一直致力于高頻聲源（頻率10k～20kHz）的開(kāi)發(fā)研制工作，并于20世紀(jì) 90年代進(jìn)行了高頻聲波團(tuán)聚微粒的中試研究[4]。國(guó)內(nèi)的東南大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)等單位也均做過(guò)相關(guān)研究，但目前聲波團(tuán)聚技術(shù)仍基本處于試驗(yàn)研究階段，未見(jiàn)工業(yè)應(yīng)用，這與以下兩方面因素有關(guān)：1）已有研究主要集中于聲波團(tuán)聚操作參數(shù)影響等宏觀特性的研究，缺乏深層次的理論探究；2）缺乏適宜在高溫?zé)焿m環(huán)境下可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的聲源且能耗偏高，也是制約該技術(shù)發(fā)展的重要原因。

1.2 電凝并技術(shù)

電凝并是通過(guò)提高細(xì)顆粒物的荷電能力，促進(jìn)細(xì)顆粒以電泳方式到達(dá)飛灰顆粒表面的數(shù)量，從而增強(qiáng)顆粒間的凝并效應(yīng)。電凝并的效果取決于粒子的濃度、粒徑、電荷的分布以及外電場(chǎng)的強(qiáng)弱，不同粒子的不同運(yùn)動(dòng)速率和方向?qū)е铝思?xì)顆粒物間的碰撞和凝并。20世紀(jì)90年代，Watanabe等[5]提出的同極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中凝并的三區(qū)式靜電凝并除塵器引起了除塵領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。目前，電凝并研究主要可概括為四方面：1）異極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中的凝并；2）同極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中的凝并；3）異極性荷電粉塵在直流電場(chǎng)中的凝并；4）異極性荷電粉塵的庫(kù)侖凝并。其中，異極性荷電粉塵在交變電場(chǎng)中的凝并被認(rèn)為是電凝并除塵技術(shù)的主要發(fā)展方向。

電凝并是一種可使細(xì)顆粒長(zhǎng)大的重要預(yù)處理手段，在聲、磁、電、熱、化學(xué)等多種外場(chǎng)促進(jìn)技術(shù)中，電凝并被認(rèn)為是最為可行的方式，將其和現(xiàn)有電除塵器結(jié)合可望顯著提高對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效果，具有重要的工業(yè)應(yīng)用前景。

澳大利亞Indigo（因迪格）技術(shù)有限公司于2002年推出了Indigo凝聚器工業(yè)產(chǎn)品[6]，至2008年10月，Indigo凝聚器已經(jīng)在澳大利亞、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家的8家電廠中使用，測(cè)試結(jié)果表明，PM2.5、PM1.0排放可分別減少80%、90%以上。但目前除了利用雙級(jí)靜電凝并技術(shù)的Indigo凝聚器有工程應(yīng)用實(shí)例，以及浙江菲達(dá)公司與浙江大學(xué)于2012年5月在上海吳涇電廠投入工業(yè)化試驗(yàn)外，其他相關(guān)工程的實(shí)際應(yīng)用報(bào)道較少，因而電凝并技術(shù)研究總體上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

1.3 化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)

化學(xué)團(tuán)聚是一種通過(guò)添加團(tuán)聚劑（吸附劑、黏結(jié)劑）促進(jìn)細(xì)顆粒物脫除的預(yù)處理方法。根據(jù)化學(xué)團(tuán)聚劑加入位置的不同，又可分為燃燒中化學(xué)團(tuán)聚和燃后區(qū)化學(xué)團(tuán)聚，其中燃燒后化學(xué)團(tuán)聚的技術(shù)原理如圖1所示。該技術(shù)是通過(guò)向煙氣中噴入少量團(tuán)聚促進(jìn)劑，利用絮凝作用增加細(xì)顆粒之間的液橋力和固橋力，促使細(xì)顆粒物團(tuán)聚長(zhǎng)大，進(jìn)而提高后續(xù)現(xiàn)有常規(guī)除塵設(shè)備的脫除效率，具有改造簡(jiǎn)單、投資運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)。該技術(shù)與在電除塵器入口煙道噴NH3、SO3等物質(zhì)的煙氣調(diào)質(zhì)措施有些相似，但后者主要用以降低粉塵比電阻，無(wú)法促使細(xì)顆粒物團(tuán)聚長(zhǎng)大。

圖1 細(xì)微顆粒化學(xué)團(tuán)聚長(zhǎng)大原理示意

國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)及美國(guó)ADA-ES Inc公司開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。華中科技大學(xué)趙永椿等[7]采用由SiO2細(xì)顆粒（平均粒徑0.10μm）與預(yù)熱空氣配成的模擬煙氣試驗(yàn)考察了團(tuán)聚促進(jìn)劑溶液pH值、濃度和團(tuán)聚室溫度及細(xì)顆粒濃度等因素對(duì)團(tuán)聚效果的影響。東南大學(xué)楊林軍等使用電稱低壓沖擊器（ELPI）分析測(cè)試了團(tuán)聚劑添加前后細(xì)顆粒物濃度及其粒度分布的變化；并采用燃煤熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了在電除塵器、脫硫塔入口煙道噴入化學(xué)團(tuán)聚劑促進(jìn)電除塵器、WFGD系統(tǒng)脫除PM2.5的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：化學(xué)團(tuán)聚技術(shù)可使PM2.5平均粒徑增大約4倍，濃度降低40%以上，電除塵器、WFGD系統(tǒng)對(duì)PM2.5的脫除效率可分別提高約40%、30%。

1.4 水汽相變技術(shù)

在利用外場(chǎng)作用促進(jìn)PM2.5的脫除中，基于過(guò)飽和水汽在微粒表面凝結(jié)特性的水汽相變技術(shù)是一種重要手段。其促進(jìn)細(xì)顆粒長(zhǎng)大的機(jī)理是：在過(guò)飽和水汽環(huán)境中，水汽以細(xì)顆粒為凝結(jié)核發(fā)生相變，并同時(shí)產(chǎn)生熱泳和擴(kuò)散泳作用，促使細(xì)顆粒遷移運(yùn)動(dòng)，相互碰撞接觸，使顆粒質(zhì)量增加、粒度增大；特別適合于煙氣中水汽含量較高的過(guò)程。

利用水汽相變促進(jìn)顆粒物脫除已有較久的研究歷史，其中以美國(guó)Calvert等提出的流量力/冷凝洗滌器、德國(guó)Heidenreich等的多級(jí)填料塔串聯(lián)工藝、我國(guó)東南大學(xué)的應(yīng)用水汽相變促進(jìn)WFGD系統(tǒng)脫除PM2.5最具代表性。東南大學(xué)楊林軍等[8、9]針對(duì)濕法煙氣脫硫過(guò)程中水汽含量較高的特點(diǎn)，分別開(kāi)展了在脫硫塔入口煙氣中添加適量蒸汽提高煙氣含濕量，再利用煙氣與脫硫液間的熱質(zhì)交換，使PM2.5發(fā)生凝結(jié)長(zhǎng)大并由脫硫液捕集，以及在脫硫凈煙氣中添加適量蒸汽使PM2.5發(fā)生凝結(jié)長(zhǎng)大并由高效除霧器捕集的研究（后者的技術(shù)原理如圖2所示）。結(jié)果表明，脫硫洗滌過(guò)程中相變促進(jìn)PM2.5脫除的效果與塔設(shè)備類(lèi)型、空塔氣速、塔進(jìn)口氣液溫差等緊密相關(guān)，采用填料塔、旋流板塔等氣液接觸性能較好的塔設(shè)備，并取較低的空塔氣速（≤2m/s）才有一定的效果。與之相比，由于燃煤煙氣經(jīng)濕法脫硫后已達(dá)到飽和狀態(tài)，且煙溫降至45℃～65℃，在脫硫凈化濕煙氣中添加蒸汽較易建立PM2.5凝結(jié)長(zhǎng)大所需的過(guò)飽和水汽環(huán)境。該技術(shù)現(xiàn)已成功應(yīng)用于某50×104Nm3/h規(guī)模的濕式氨法脫硫工業(yè)裝置，可使PM2.5排放濃度降低30%～50%。

圖2 水汽相變促進(jìn)脫硫凈煙氣中細(xì)顆粒凝結(jié)長(zhǎng)大的技術(shù)原理

2 高效除塵技術(shù)

利用高效除塵技術(shù)脫除PM2.5，主要包括電袋復(fù)合除塵器、濕式靜電除塵器及新型電除塵器等。

2.1 電袋復(fù)合除塵器

電袋復(fù)合除塵器是一種新型除塵設(shè)備，其綜合了靜電除塵和袋除塵兩種成熟的除塵技術(shù)特點(diǎn)。通常，常規(guī)電除塵器的第一電場(chǎng)除塵量大，能除去煙氣中80%～90%的粉塵，剩下的10%～20%的粉塵則由剩余電場(chǎng)去除。電袋除塵器充分利用了電除塵器的這一特性，只采用第一電場(chǎng)，余下的細(xì)微粉塵由袋除塵脫除，使袋除塵單元的除塵負(fù)荷顯著降低，這樣一方面可以選擇更高的過(guò)濾速度，并使除塵壓降大大減小，同時(shí)，還發(fā)揮了袋除塵器對(duì)超細(xì)粉塵除塵效率高的特點(diǎn)，從而大大提高了對(duì)PM2.5的捕集效率。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)電力研究所開(kāi)發(fā)了靜電和袋除塵器串連的緊湊型混合顆粒收集器（COHPAC），隨后，美國(guó)北達(dá)科他（North Dakota）大學(xué)能源與環(huán)境研究中心（EERC）開(kāi)發(fā)了更緊湊的先進(jìn)混合型除塵器（AHPC），實(shí)現(xiàn)了電除塵與袋除塵的協(xié)同作用，并進(jìn)行了工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明，該技術(shù)對(duì)粒徑介于0.01～50μm的粉塵有99.98%以上的捕集效率。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)的企業(yè)和科研院所相繼開(kāi)展了電袋復(fù)合除塵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，如清華大學(xué)、福建龍凈、浙江菲達(dá)等院校或企業(yè)，在實(shí)際燃煤電廠中應(yīng)用的實(shí)例也日趨增多。

電袋除塵被認(rèn)為是最有希望取得PM2.5高效脫除的技術(shù)途徑，但也仍有不少關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未得到解決。如靜電收集區(qū)和袋過(guò)濾區(qū)協(xié)同作用的長(zhǎng)期維持、靜電除塵單元臭氧的產(chǎn)生及其對(duì)袋除塵單元是否存在影響等，目前均尚無(wú)定論。

2.2 濕式靜電除塵器（WESP）

WESP對(duì)粉塵的捕集原理與干式ESP基本相同，都是采用電暈放電的方法，使氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和自由電子，在放電極和集塵極間形成穩(wěn)定的電暈，使該區(qū)域的粉塵顆粒荷電，最終被集塵極捕集。但在捕集粉塵的清灰方式上，WESP采用沖刷液沖洗集塵極，使粉塵呈泥漿狀清除，也可通過(guò)冷卻集塵極板促使煙氣中水汽在集塵極表面凝結(jié)形成一層液膜，進(jìn)而清除捕集的粉塵顆粒。干法ESP則主要采用機(jī)械振打的方式清除集塵極上的積灰。因此，顆粒的重新攜帶和由于振打帶來(lái)的損失對(duì)于干式ESP來(lái)說(shuō)是需要考慮的，而WESP需關(guān)注的主要問(wèn)題是使集塵極表面的水膜均勻穩(wěn)定，不產(chǎn)生斷流和干區(qū)，以及集塵極的防腐等。與干式ESP相比，WESP特別適合于以下場(chǎng)合：1）煙氣含濕量高，煙溫接近露點(diǎn)溫度；2）煙氣中含有黏性顆粒和霧滴（如硫酸霧）；3）需要有效捕集亞微米細(xì)顆粒。因此，目前WESP常與濕法煙氣脫硫系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)置于脫硫塔塔頂或塔出口，用于捕集脫硫凈化濕煙氣中的細(xì)粉塵、酸霧及汞等。

使用WESP最大的優(yōu)點(diǎn)是不但可以脫除燃煤飛灰，還可有效脫除濕法煙氣脫硫過(guò)程中形成的細(xì)顆粒及酸霧。WESP現(xiàn)已在制酸和冶金等工業(yè)過(guò)程中取得了廣泛和成功的應(yīng)用，但在電廠中的應(yīng)用還不普及，投資運(yùn)行費(fèi)用也較高。隨著國(guó)家對(duì)PM2.5的控制要求不斷提高，WESP在新建電廠或電廠改造中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。

2.3 新型電除塵器

電除塵器是目前治理工業(yè)粉塵污染的主要設(shè)備，90%～95%的燃煤電廠采用的都是電除塵器。針對(duì)影響電除塵效率的主要因素，對(duì)傳統(tǒng)電除塵器加以升級(jí)改造，提高其對(duì)PM2.5的脫除效果，是降低PM2.5排放的重要技術(shù)途徑。通常，影響電除塵器捕集PM2.5性能的因素主要有：1）振打清灰引起的二次揚(yáng)塵；2）微細(xì)粉塵荷電不充分；3）電極結(jié)構(gòu)和形狀、電除塵器內(nèi)氣體流動(dòng)方式等。

有研究表明，在電除塵器的出口粉塵中，約有20%是由清灰過(guò)程中的二次揚(yáng)塵造成的。特別是PM2.5，在振打時(shí)易造成二次揚(yáng)塵，是導(dǎo)致電除塵器對(duì)PM2.5捕集效率低的主要原因之一。采用移動(dòng)電極電除塵可有效提高對(duì)微細(xì)粉塵的捕集效果。移動(dòng)電極ESP采用可移動(dòng)的集塵極板和可旋轉(zhuǎn)的刷子來(lái)構(gòu)成移動(dòng)電極電場(chǎng)，附著于集塵極上的粉塵在尚未達(dá)到形成反電暈的厚度時(shí)，就隨移動(dòng)電極運(yùn)行至沒(méi)有煙氣通過(guò)的灰斗內(nèi)，被旋轉(zhuǎn)的清灰刷徹底清除，可有效抑制高比電阻粉塵引起的反電暈和振打引起的二次揚(yáng)塵問(wèn)題。

電除塵器對(duì)PM2.5捕集效率較低與其荷電不充分也存在較大關(guān)系，采用高壓窄脈沖放電、高頻電源、三相電源等先進(jìn)電控設(shè)備，增加細(xì)顆粒的荷電量，可提高電除塵器對(duì)PM2.5的捕捉能力。此外，采用新型雙區(qū)電除塵器也可提高PM2.5的捕集效果，其主要特點(diǎn)是將粉塵荷電區(qū)與收塵區(qū)分開(kāi)，并采用獨(dú)立電源分別對(duì)荷電區(qū)與收塵區(qū)供電，使荷電與收塵各區(qū)段的電氣運(yùn)行條件最佳化，從而提高電除塵效率。

3 氣態(tài)污染物控制設(shè)施中PM2.5的形成

燃燒產(chǎn)生的顆粒物在最終排放到大氣環(huán)境中之前，還需經(jīng)過(guò)（濕法）脫硫、脫硝等氣態(tài)污染物控制設(shè)施。在WFGD過(guò)程中，一方面，通過(guò)脫硫漿液的洗滌作用可協(xié)同脫除煙氣中的PM2.5；同時(shí)，由于存在脫硫漿液霧化夾帶、脫硫產(chǎn)物結(jié)晶析出，以及各種氣-液、氣-液-固脫硫反應(yīng)等物化過(guò)程，本身又可能會(huì)形成PM2.5，使得煙氣經(jīng)濕法脫硫后PM2.5排放濃度反而增加[1,2]。以石灰石-石膏法為例，在脫硫漿液霧化噴淋中，細(xì)小的脫硫漿液有可能被煙氣直接攜帶出脫硫系統(tǒng)或蒸發(fā)析出細(xì)小晶粒隨煙氣帶出，石膏結(jié)晶過(guò)程中也會(huì)形成非常細(xì)小的晶粒并有可能帶出脫硫系統(tǒng)。氨法脫硫則因產(chǎn)生大量的(NH4)2SO3、(NH4)2SO4等氣溶膠微粒，導(dǎo)致脫硫后PM2.5濃度顯著增加。除無(wú)機(jī)鹽微粒外，WFGD過(guò)程中還可形成硫酸霧，硫酸霧排入大氣環(huán)境后可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二次氣溶膠微粒。采用新型電除塵、電袋等高效除塵技術(shù)，只能降低進(jìn)入濕法脫硫塔的PM2.5濃度，而對(duì)于WFGD過(guò)程中形成的PM2.5無(wú)能為力。又如在SCR脫硝裝置中，SCR催化劑可促使少量SO2氧化成SO3，使煙氣中的SO3含量增加，SO3可進(jìn)一步與NH3、H2O反應(yīng)形成硫酸鹽類(lèi)細(xì)顆粒物，從而增加脫硝后煙氣中PM2.5的濃度[10]。因此，抑制SCR脫硝、濕法煙氣脫硫過(guò)程中PM2.5的形成，也是最終降低燃煤電站PM2.5排放必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，但在這方面鮮有相關(guān)報(bào)道。

4 結(jié)語(yǔ)

燃煤電站排放的大量PM2.5已經(jīng)給大氣環(huán)境和人類(lèi)健康帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有污染物控制設(shè)施進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化，以及利用電、聲、化學(xué)、水汽相變等外場(chǎng)作用，提高其對(duì)PM2.5的脫除效果，是近期控制燃煤電站PM2.5排放的重要技術(shù)途徑；同時(shí)，抑制SCR脫硝、濕法煙氣脫硫等現(xiàn)有氣態(tài)污染物控制設(shè)施中PM2.5的形成也是降低燃煤電站PM2.5排放必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

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