濕式靜電除塵器在鎂法脫硫煙氣凈化中的應用

孫玉，王會

（1.長春發電設備總廠，長春 130031；2.長春凱希環保有限責任公司，長春 130033）

濕式靜電除塵器在鎂法脫硫煙氣凈化中的應用

孫玉1，王會2

（1.長春發電設備總廠，長春 130031；2.長春凱希環保有限責任公司，長春 130033）

濕式靜電除塵器是高效煙氣除塵凈化設備，適用于采用氧化鎂濕法脫硫的燃煤鍋爐煙氣污染物的深度凈化，能高效去除煙氣中的PM10、PM2.5細微顆粒物，并能同步有效去除煙氣中的SO3、重金屬、水霧滴、脫硫副產物等污染物，實現燃煤鍋爐煙氣污染物“超低排放”，減小燃煤鍋爐煙氣污染物排放對環境質量的影響。

濕式電除塵器；鎂法脫硫；超低排放

1 前言

隨著社會的不斷發展，我國對燃煤鍋爐煙氣污染物的排放標準日趨嚴格，但由于國內燃煤鍋爐污染源的基數大，燃煤鍋爐煙氣污染物排放總量仍然相當可觀，為了最大程度減少燃煤鍋爐煙氣污染，2014年9月國家發改委、環保部、國家能源局聯合下發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，其中對燃煤發電鍋爐污染物排放提出新的要求：“在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米，支持同步開展大氣污染物聯合協同脫除，減少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。”與此同時，各級地方政府也據此“行動計劃”紛紛出臺燃煤鍋爐污染物排放的地方標準，有些地方標準比國家標準更加嚴苛，普遍的要求是“煙塵排放濃度不高于5毫克/立方米”，這就要求煤電生產企業要對現有的除塵設施進行升級改造，以滿足新的排放標準要求。

根據目前國家《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的規定，煤電鍋爐粉塵排放濃度為≤30mg/Nm3（其中47個重點地區要求≤20mg/Nm3），這與新要求≤5mg/Nm3還有相當大的差距。根據理論計算，將粉塵排放濃度從30mg/Nm3降低至5mg/Nm3，需要去除煙氣中83.33%的粉塵，也就是說在現有的排放標準基礎上，需要增加一個效率能夠達到83.33%以上的除塵設備，而干式電除塵器及布袋除塵器由于自身條件限制已無法滿足這樣的要求。

在上述背景下，對燃煤鍋爐煙氣中細微粉塵等顆粒物具有優異去除性能的濕式靜電除塵器（簡稱WESP）得到了快速發展和應用，并取得了非常好的效果，為我國燃煤鍋爐煙氣深度協同治理起到了重要的作用。

2 WESP的應用情況

從1986年開始至今，WESP在全世界燃煤鍋爐發電行業已有近30年的應用歷史，有近50套WESP應用于美國、日本和歐洲等國家和地區的電廠，單臺機組最大容量為1000MW。WESP在我國燃煤鍋爐煙氣治理行業應用僅有5年左右的時間，盡管時間較短，但發展迅速，目前在各種容量的燃煤發電鍋爐煙氣治理中應用已較普遍。根據工藝設計要求，WESP一般布置于濕法脫硫（簡稱WFGD）和煙囪之間，采用WESP的燃煤鍋爐發電廠典型的系統工藝流程如圖1所示。

圖1 采用WESP的燃煤鍋爐發電廠典型的系統工藝流程圖

WESP作為煙氣凈化終端處理設備，用于深度凈化從脫硫塔出來的絕熱飽和濕煙氣，能夠高效去除煙氣中的粉塵、霧滴、重金屬、硫酸霧（SO3）、脫硫副產物（如石膏、硫酸鎂）等污染物，而這些污染物中約有90%是PM2.5級別的超細顆粒物及氣溶膠，所以WESP的應用對霧霾的治理起到了積極作用。

3 WESP原理及主要結構

濕式電除塵器的原理與干式電除塵器基本相同，都是利用粉塵等顆粒物在電場內荷電，然后在電場力的作用下將粉塵收集到陽極表面。不同之處是對于收集到的粉塵的清除方式不同，WESP采用水或水基液體沖洗方式清除收集到的粉塵，而干式電除塵器采用的是振打敲擊等方式清除粉塵，從主要結構上看，濕式電除塵器主要由以下部分結構組成：

（1）陰、陽極系統：為WESP的核心結構，作用是使氣體電離，使粉塵荷電并收集粉塵。

（2）供電系統：采用工頻、中頻或高頻變壓器為陰、陽極系統所構成的電場提供直流高壓電源。

（3）水系統：包括超細霧化水系統、電場沖洗水系統、廢水系統。

（4）熱風系統：主要由風機、加熱器和管路系統構成，通過吹入熱空氣用于保持絕緣瓷件表面干燥和絕緣件空間的溫度，避免絕緣瓷件表面因濕爬電或擊穿短路。

（5）氣液分離器：多數用于煙氣上進下出的結構中，設置在WESP出口，作用是將液滴和凈化后的煙氣分離，防止煙氣將液滴夾帶出WESP，類似除霧器作用，而對于煙氣下進上出的結構多不需設置。

4 鎂法WFGD脫硫后WESP的設計、調試及運行

4.1 鎂法WFGD的應用及煙氣特點

不同的國家和地區針對燃煤鍋爐煙氣所采用的脫硫方式也不盡相同，比如我國大陸地區多數采用的是石灰石-石膏法，而鎂法脫硫應用很少，而在我國臺灣地區有95%以上的燃煤鍋爐煙氣脫硫采用的是鎂法。在日本有100多套鎂法脫硫設備在運行，在美國、德國等國家，鎂法脫硫也同樣有非常成熟的應用。

與石灰石-石膏法脫硫相比，鎂法脫硫有顯著的優點，其最大的優點是不會發生設備結垢，所以也不會產生因結垢后引起的堵塞問題，能夠保證整個系統的高效長期運行，而且由于pH值控制適當，腐蝕問題也得到了一定程度的解決。因而鎂法脫硫工藝越來越受到重視，應用越來越多，針對鎂法脫硫后采用WESP進行煙氣深度凈化治理的研究及應用案例也越來越多。

由于WESP處理的是從WFGD出來的煙氣，所以WESP的設計選型及運行方式都與WFGD息息相關，不同類型及方式的WFGD出來的煙氣特點也不一樣，以一般造紙行業燃煤鍋爐鎂法脫硫后煙氣為例，主要特點如下：

（1）煙氣成分復雜，多種污染物共存，主要含有超細粉煤灰、水霧滴、脫硫副產物（MgSO4或MgSO3）、未反應的MgO、Hg等重金屬、SO3形成的硫酸霧滴、SO2、NOx以及來自造紙污泥、輕渣燃燒產生的HF、HCl等酸性氣體以及二英等。

（2）煙氣腐蝕性強，進入WESP的煙氣為絕熱濕飽和狀態，濕度高，一般含濕量約11%，而煙氣溫度低，一般在50℃左右，設備長期在SO3酸露點溫度以下運行，加之有時燃煤中摻燒污泥產生的HF、HCl等，煙氣腐蝕性更嚴重。

（3）煙氣壓力為正壓：由于WESP多數布置在引風機出口，WESP內部煙氣壓力為1000Pa左右的正壓，因此對WESP系統的密封性要求嚴格，一旦有煙氣泄露不但會造成污染，還會對設備產生嚴重腐蝕。

（4）煙氣中夾帶的脫硫副產物為易溶于水的MgSO4和微溶于水的MgSO3，而不同于石灰石-石膏法中難溶于水的CaSO4·2H2O，所以不易在WESP內產生結垢現象，可以大大減少沖洗頻率，從而降低工藝水的消耗。

4.2 WESP的設計、調試、運行

4.2.1 WESP的主要設計參數（見表1，以某廠500t/h循環流化床鍋爐為例）

4.2.2 WESP高壓供電設備選擇

電除塵器常用的供電電源主要有兩種：一種為工頻變壓器電源，另一種為高頻變壓器電源。工頻電源的工作頻率為當地市電50Hz或60Hz，高頻電源工作頻率一般在10kHz以上。同常規的工頻電源相比，高頻電源采用逆變工作方式，能夠提供幾乎無波動的直流輸出，這使得濕式電除塵器能夠以次火花發生點電壓運行，從而提高靜電除塵器的供電電壓和電流，高頻電源產生的 輸出直流電壓要比工頻電源高25%～30%，可提高除塵效率10%～30%。且高頻電源的轉換效率可高達90%以上，比常規工頻電源節能20%以上。

由于高頻電源無論從節能、提高除塵效率、運行穩定方面都明顯優于工頻電源，所以該項目采用2臺美國NWL公司生產的高頻變壓器對WESP的2個供電區分別進行供電，高頻變壓器的主要參數為：二次電流：2300mA，二次電壓：70kV。

圖2為高頻變壓器冷態空載和熱態負載運行時的伏安特性曲線，從曲線可看出，在電場穩定無火花的狀態下，冷態時變壓器最高運行數據為50kV、2315mA，熱態運行時數據最高值為57kV、2185mA（詳細運行數據見表2）。

圖2 高頻電源冷態空載和熱態負載運行時的伏安特性曲線

表2 高頻電源熱態運行數據表

4.2.3 WESP運行效果

WESP設備運行一年后，對其進行全面檢查，結果如下：1）設備內部構件良好，未發現任何明顯腐蝕之處，說明現有的防腐設計完全可以滿足濕式電除塵器的運行環境；2）設備內部干凈，沒有任何明顯積灰，說明清洗效果良好，可以進一步降低沖洗頻率，減少水耗；3）自除塵器投運以來，電場運行非常穩定，包括電場沖洗期間，無拉弧，偶爾有火花，火花率SPM≤20；4）除塵效率高且性能穩定，從CEMS曲線看，出口煙塵排放濃度一直維持在2～3mg/Nm3，優于國家超低排放≤5mg/Nm3的要求。

4.2.4 WESP性能檢測

WESP設備運行1年后，由專業測試單位對WESP進行了相關性能測試，測試結果各項性能指標均優于設計值（見表3）。

表3 濕式電除塵器煙塵數據（試驗期間平均值）

5 WESP的特點

（1）除塵效率高，粉塵排放濃度低，只要設計參數合理，采用一級電場除塵效率可達到90%以上，粉塵的排放優于國家超低排放≤5mg/Nm3的要求。

（2）粉塵排放穩定，由于采用水沖洗方式清灰，不會產生二次揚塵，所以WESP的出口粉塵濃度排放指標能夠保持長期穩定，受入口煙氣條件變化的影響很小。

（3）對煤質的適應性好，除塵效率基本不受煤質變化的影響。

（4）不停電沖洗，在電場沖洗時無需關閉變壓器，只要適當降低變壓器的運行參數即可，沖洗時將變壓器設定在額定電壓或電流的50%～70%，這樣就不會因為沖洗電場時變壓器關閉而影響除塵效率，可以始終保持出口粉塵排放濃度值的穩定。

（5）耗水量低，由于在WESP的入口采用雙流體霧化水系統，在運行時霧化水被吸收到極管和極線表面，和冷凝水一起形成自清洗水，完全可以保持陰、陽極系統表面的清潔，大大降低電場沖洗頻率，減少灰水的排放量。

（6）節能效果明顯，采用高頻變壓器作為供電電源，不但可獲得理想的運行參數，提高除塵器效率，而且節能效果明顯，可節能20%以上。

（7）可將變壓器的運行參數和CEMS數據聯鎖，根據WESP出口粉塵排放濃度實時調節變壓器的運行電壓和電流，在保證粉塵排放達標的同時將能耗降到最低。

（8）系統自動化程度高，全自動運行，無需人員值守。

6 WESP應用展望及建議

濕式電除塵在我國燃煤鍋爐煙氣治理行業應用的時間相對較短，雖然其優異的性能得到了普遍認可，但有些問題還需要進一步研究和思考，比如，如何更好地處理WESP與WFGD的水系統平衡問題及廢水綜合處理問題，如何降低運行成本等問題。對于短時間內沒有暴露出來的問題，需要繼續跟蹤運行效果，分析運行數據，不斷完善其不足之處。

總之，WESP技術成熟，除塵效率高且穩定，對多種煙氣污染物具有協同去除效果，適用于鎂法脫硫WFGD后的煙氣超低排放工藝路線，對減少煙塵等超細顆粒物及氣溶膠類物質的排放起到積極作用，能夠減輕灰霾天氣對環境造成的影響，有效改善空氣質量，濕式電除塵器的應用及發展前景值得關注。

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Application of Wet Electrostatic Precipitator in Desulphurization Flue Gas Purification by Magnesium Process

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X701 文獻標志碼：A 文章編號：1006-5377（2017）09-0043-04