我國火電行業(yè)用濕式電除塵器及其未來用鈦預測

王樹軍，馮 杉 ，顧新盛，陳令杰

(1.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039)(2.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471039)

0 引 言

美國航天局指出，霧霾的主要成分是硫酸鹽氣溶膠，而燃煤是引發(fā)霧霾的罪魁禍首。各種霧霾成分分析報告表明，燃煤電廠對霧霾的貢獻在20%左右[1]。煤炭是我國的主體能源，也是我國最經濟的能源，未來相當長的時期內，我國以煤電為主體能源的格局不會改變。中國煤炭工業(yè)協會會長王顯政在出席“2016世界煤炭協會技術委員會會議”時介紹：據中國煤炭工業(yè)協會統(tǒng)計，2015年全國規(guī)模以上煤炭企業(yè)的煤炭產量為36.98億噸，其中電力行業(yè)用煤18.39億噸，約占50%。因此，我國要治理霧霾,首先要對燃煤電廠煙氣進行嚴格的治理，實現超低排放或近零排放。

2014年初，以浙江省為代表的部分省市陸續(xù)出臺節(jié)能減排相關指導性文件，要求各大燃煤電廠開展煙氣治理流程中增加濕式電除塵的效果研究。2014年6月27日，國家能源局印發(fā)了《關于下達2014年煤電機組環(huán)保改造示范項目的通知》(以下簡稱《通知》)。《通知》顯示：煤電機組環(huán)保改造示范項目共涉及天津、河北、山東、江蘇、浙江、上海、廣東7省市的10家企業(yè)，13臺在役燃煤發(fā)電機組。同年9月，國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知。通知規(guī)定：全國新建燃煤發(fā)電機組平均供電煤耗低于300克標準煤/千瓦時；東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值；中部地區(qū)新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值；鼓勵西部地區(qū)新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。2015年12月，國家發(fā)改委、環(huán)保部及能源局聯合下發(fā)《關于實行燃煤電廠超低排放電價支持政策有關問題的通知》(以下簡稱《通知》)。《通知》明確：為了鼓勵和引導超低排放，對于達到國家超低排放要求的燃煤電廠給予適當的電價補貼。這一政策為濕式電除塵器的推廣應用提供了資金支持。2016年1月1日在全國實施GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》(以下簡稱《標準》)。《標準》規(guī)定：一類地區(qū)PM2.5的年平均濃度低于15 μg/m3，二類地區(qū)PM2.5的年平均濃度低于35 μg/m3。由于濕式電除塵器對PM10、PM2.5以及SO3、重金屬都具有一定的去除效果，能夠將粉塵的排放濃度最終控制在10 mg/Nm3甚至5 mg/Nm3以下，實現超低排放或近零排放，因此，隨著我國新的環(huán)境空氣質量標準的實施，濕式電除塵器必然會成為燃煤電廠的標配，從而得到進一步推廣應用。

1 濕式電除塵技術及濕式電除塵器

1.1 濕式電除塵技術

1.1.1 工作原理

濕式電除塵器(WESP)與干式電除塵器(DESP)的除塵原理基本相同，兩者都經歷了粉塵荷電、收集、清灰3個階段，并都是依靠高壓電暈放電(陰極系統(tǒng))使粉塵荷電，之后荷電粉塵在電場力的作用下到達集塵板或管(陽極系統(tǒng))，對集塵板或管捕獲到的粉塵若采用機械振打或聲波清除即為干式電除塵；若采用沖刷液沖洗電極，將集塵板或管捕獲到的粉塵沖刷到灰斗中排出即為濕式電除塵。

1.1.2 濕式電除塵技術的特點

優(yōu)勢：①去除粉塵效率高，能夠有效地去除重金屬等亞微米級顆粒以及SO3氣溶膠、石膏液滴，對PM2.5、藍煙等也有良好的控制效果；②通過水膜的方式處理和沖洗集塵板或管的粉塵，避免了粉塵堆積和二次揚塵發(fā)生；③設備布置緊湊，無運動部件，可靠性高。

劣勢：①被處理的煙氣溫度不能過高，需低于沖刷液的絕熱飽和溫度，否則集塵極液膜會被蒸發(fā)，粉塵顆粒變的干燥，影響除塵效果；②被處理煙氣的粉塵濃度和SO2濃度也不能過高，若濃度過高，一些部件則可能會被腐蝕，需采取良好的防腐措施；③耗水量相對較大，需要有循環(huán)水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)；④單機成本高，新機組需單獨占用爐后場地，老機組改造也存在場地問題。

1.2 濕式電除塵器的結構

濕式電除塵器有板式和管式2種結構形式。板式濕式電除塵器的陽極呈平板狀，陽極板間均勻布置放電系統(tǒng)，見圖1a。管式濕式電除塵器的陽極為多根并列的金屬管或導電管，陰極位于陽極的中間，見圖1b。

圖1 板式和管式濕式電除塵器結構示意圖Fig.1 Diagram of plate-type(a)and tube-type(b) wet electrostatic precipitators

2 濕式電除塵器的運行環(huán)境及用鈦優(yōu)勢

2.1 濕式電除塵器的運行環(huán)境

濕式電除塵器是布置在燃煤電廠煙氣處理過程末端的煙氣處理裝置，是煙氣處理的最后屏障。燃煤電廠產生的煙氣在濕法脫硫處理前均為干煙氣，處理設備基本不存在腐蝕問題。經濕式脫硫系統(tǒng)處理后，成為溫度為50 ℃左右的飽和濕煙氣，且其中存在SO2、SO3、NOx、HCl等酸性較強的氣體，會對后序處理設備——濕式電除塵器造成一定的腐蝕。

盡管我國煤質相對比較復雜，但是燃煤電廠煙氣經過脫硝、除塵、脫硫處理后，通常主要氣體成分及微量氣體成分大體相似，見表1[2]。其中，僅占體積分數0.02%的微量氣體卻是造成濕式電除塵設備內部結構腐蝕的主要因素，這些氣體會腐蝕濕式電除塵器的大梁、極線等內部構件及殼體內表面、管道。因此，合理地選擇內部結構材料是保證濕式電除塵器穩(wěn)定、高效運行的核心問題。

表1 脫硫處理后煙氣的主要成分及微量成分

2.2 濕式電除塵器的用鈦優(yōu)勢

濕式電除塵器殼體是濕式電除塵器比較安全的部位，在整個系統(tǒng)中防腐要求相對較低，通常采用內部涂有玻璃鱗片或其他防腐涂層的普通碳素鋼制造，但安裝過程中需要嚴格控制關鍵部位的防腐，如焊縫連接處、蓋板等。而濕式電除塵器的陽極集塵板是該系統(tǒng)的關鍵，要求具有較強的抗腐蝕能力。這是因為在使用液體沖刷吸附在陽極板上的灰塵時，沖刷液與煙氣相遇會產生腐蝕性較強的液體，一旦陽極板發(fā)生局部腐蝕，不僅會造成陰陽極之間電流不穩(wěn)定，而且會產生火花，導致除塵效果差或者其他危險性較高的事故，因此陽極板材料必須選擇能夠抵御濕煙氣腐蝕的材料。從陰極板的工作環(huán)境看，其表面容易凝結粉塵液滴，粉塵液滴具有較強的腐蝕性，如果極板材料選擇或防護不當，均會造成極板局部迅速腐蝕，因此陰極板也必須選用耐腐蝕性能良好的材料或施加有效保護措施。 濕式電除塵器的陰極板和陽極板主要有3類：剛性金屬極板、柔性極板和導電玻璃鋼極板。鈦及鈦合金是被譽為海洋金屬的新型結構材料，在許多酸、堿、鹽等苛刻的環(huán)境下具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，被廣泛用于酸堿及化纖制造、無機合成、染料中間體生產等許多化工領域。近幾年，我國在火電廠燃煤煙氣脫硝、脫硫處理后煙囪的改造中大量使用了鈦鋼復合材料，耐腐蝕性能良好。而濕式電除塵器是火電廠為了進一步降低燃煤煙氣對空氣的污染指標，在脫硝、脫硫后新增的煙氣處理裝置，所處的環(huán)境與火電廠煙囪的環(huán)境基本一致，具有可復制性，因此鈦及鈦合金是制造濕式電除塵器剛性金屬極板的首選材料。

筆者通過與濕式電除塵器制造廠家和用戶交流，歸納總結了不同陽極板材料的濕式電除塵器的性能差異(見表2)。此外，某知名濕式電除塵器廠家通過對本公司投運設備的跟蹤調研，分析對比了鈦陽極和玻璃鋼陽極2種濕式電除塵器的相關經濟指標(見表3)。

綜合表2、3可知，不銹鋼陽極防腐是依靠良好的水膜技術來保證良好的防腐效果，但是目前國內水膜技術并不成熟，因此不銹鋼陽極濕式電除塵器存在不可預見的腐蝕風險，壽命周期最長也只能達到15 a。導電玻璃鋼陽極不但原料生產時會對環(huán)境造成嚴重污染，而且到目前還沒有成熟的回收方法，回收成本估算將超過新的陽極板生產成本，15 a后壽命終結的回收過程仍是嚴重的污染過程。鈦陽極板的一次性投資成本是導電玻璃鋼陽極板的1.3倍，但是鈦陽極板的使用壽命是導電玻璃鋼陽極板的2倍。綜合分析鈦陽極板和導電玻璃鋼陽極板的制造成本和使用壽命，鈦陽極板一次性投資成本僅為導電玻璃鋼陽極板的65%，而且鈦陽極濕式電除塵器的運營成本更具優(yōu)勢，每年可節(jié)約水費約4.2萬元(水費按1元/t計)，節(jié)省電費約34萬元(電廠用電成本約為0.3元/千瓦時)。

表2 3種不同陽極板材料的濕式電除塵器性能對比

表3 鈦陽極和玻璃鋼陽極濕式電除塵器相關經濟指標對比分析

3 濕式電除塵器的開發(fā)及應用現狀

3.1 國外濕式電除器的開發(fā)及應用現狀

國外濕式電除塵器的開發(fā)和應用比國內早，其中，日本已有30多年的歷史，具有代表性的制造技術有日立技術和三菱技術。兩者從除塵原理上講基本是一致的，主要是內部結構形式上存在較大的差異，表現在噴嘴形式及其布置方式、陰極放電方式、陽極集塵方式和極間距。其中，極間距的差異較大，日立的極間距為300 mm，必須斷電清洗電極；而三菱的極間距為400 mm，可在線連續(xù)清洗[3]。2種技術的濕式電除塵器除塵效果均可達到小于5 mg/Nm3的煙塵排放濃度。三菱公司生產的濕式電除塵設備，早在1991年就在日本壁南電廠1～3號機組投入運行，迄今為止已經穩(wěn)定使用了26年。相關檢測數據表明，該設備除塵效果良好，煙塵排放濃度長期保持在2～5 mg/Nm3之間[4]。截至2016年年底，三菱公司已生產了33臺套該設備，均已用于燃煤電廠。

美國在濕式電除塵方面的研究起步也比較早。美國電力研究所(EPRI)率先把濕式電除塵和干式電除塵相結合，發(fā)明了干濕復合除塵法，即先用干式電除塵器去除大顆粒，再用濕式電除塵器去除小顆粒。結果表明，干濕復合電除塵器對PM2.5的去除率達到95%，對HgO的去除率達到50%[5]。美國俄亥俄大學Pasic等人[6]提出了膜式濕式電除塵理論，并申請了基于該理論的濕式電除塵器專利。膜式濕式電除塵器的陽極采用導電的碳纖維或硅纖維編織膜，通過纖維膜的毛細作用，將水流均勻地分布在纖維膜的表面，保證陽極板在收集粉塵過程中不會出現干粉塵，有效避免了反電暈的形成，使得陰陽極板間的電流穩(wěn)定性進一步增強，在保證穩(wěn)定除塵的同時，還能有效地去除SOx、NOx、重金屬等有害物質。AES Deepwater電廠是美國最早安裝使用濕式電除塵設備的電廠，其目的是為了治理可濾性顆粒物和硫酸酸霧。檢測數據表明，該濕式電除塵設備對硫酸酸霧的脫除率高于90%，達到了可濾性顆粒物排放要求，同時還可將煙囪濁度(煙氣中的懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度)控制在10%以下。Dalhousie電廠在2000年也加裝了濕式電除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)自投入運行以來，一直處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，煙塵排放濃度始終保持在5 mg/Nm3以下。

歐洲地區(qū)燃煤發(fā)電機組相對較少，因此濕式電除塵器的研究和應用范例并不多。1997年，Werndorf電廠2號機組使用了三菱重工制造的濕式電除塵器[5]，這是歐洲第1套用于火電行業(yè)的濕式電除塵器。從投入運行以來一直穩(wěn)定工作，煙塵排放濃度長期保持在5 mg/Nm3以下。

近幾年，國外濕式電除塵器的研究熱點主要集中在如何使水膜更加均勻化以及探索耐腐蝕性和導電性更好的陽極電極材料上，并已取得卓有成效的進展，為濕式電除塵器在火電行業(yè)的大力推廣和應用提供了技術支持。

3.2 國內濕式電除器的開發(fā)及應用現狀

我國濕式電除塵器的開發(fā)及應用起步都比較晚。國內火電行業(yè)中最早使用濕式電除塵器的廠家是鞍鋼第二發(fā)電廠，該發(fā)電廠于2006年安裝了由日本三菱重工設計、制造的設備，目前仍處于穩(wěn)定運行狀態(tài)[7]。由于沒有安裝粉塵檢測設備，所以始終未見粉塵排放濃度數據。2012年，山大能源自主研發(fā)的柔性金屬極板濕式電除塵器在華電益陽電廠2×300MW機組投入運行，檢測結果表明，粉塵濃度小于5 mg/Nm3，并且有效地去除了煙氣中的氣態(tài)Hg、重金屬物質，同時基本消除了“石膏雨”，實現超低排放[4]。2013年1月，福建龍凈環(huán)保股份有限公司自主設計、制造的濕式電除塵器在長興島第二發(fā)電廠12MW機組投入使用，檢測結果表明，煙塵處理效果良好；同年，該公司為華電淄博電廠300MW機組設計、制造的濕式電除塵器又投入運行，檢測結果表明，達到了超低排放標準的要求[8]。2014年6月，浙江菲達環(huán)保科技股份有限公司引進日本三菱技術制造的濕式電除塵器在國華舟山電廠350MW超臨界燃煤發(fā)電機組投入運行，出口粉塵濃度為3 mg/Nm3，實現超低排放；同年，該公司為廣州恒運電廠9號機組設計、制造的濕式電除塵器投入運行，出口粉塵濃度為3 mg/Nm3，實現超低排放[9]。2015年4月，南通亞泰工程技術有限公司與華電合作為天生港發(fā)電有限公司2×330MW機組研制的濕式電除塵器陽極板使用了鈦板，這是我國首次在濕式電除塵器上用鈦板作為陽極板。目前，這種鈦陽極板濕式電除塵器已在1、2號機組投入使用，治理煙塵效果非常好，出口煙塵濃度小于1 mg/Nm3。

隨著濕式電除塵器在火電行業(yè)煙塵治理良好效果的凸顯，及我國對火電行業(yè)煙塵排放標準的提升，濕式電除塵器在火電行業(yè)的用量將會增多。

4 我國火電行業(yè)濕式電除塵器用鈦預測

鈦制濕式電除塵器陰極早已批量使用，圖2為濕式電除塵器用2種形式的鈦材陰極線實物照片。鈦材作為濕式電除器陽極也已有工程化應用，如前所述的天生港發(fā)電有限公司2×330MW機組濕式電除塵器陽極板采用的就是鈦板。濕式電除塵器除了陰極、陽極可以使用鈦材外，同樣存在腐蝕風險的陰極大梁和其它零部件也可以采用槽形、L形等鈦型材制作。例如2016年10月，江蘇國信靖江發(fā)電有限公司對2×660MW機組濕式電除塵器進行改造，僅陰極大梁就使用了槽形和L形的鈦型材近11 t，所用型材均是由厚度為5 mm的TA1純鈦板制作的。

圖2 鈦材陰極線實物照片Fig.2 Photos of cathode lines made of titanium： (a)plate-type；(b)wire-type

未來相當長一段時間我國仍將以煤炭發(fā)電為主。有關規(guī)劃部門預測，到2020年我國燃煤裝機發(fā)電量達到11.2億千瓦，耗煤量將由2015年的18.39億噸增加到24.4億噸。截至2015年10月，我國已投入運行的濕式電除塵器超過50臺，在建合同超過160臺，總裝機容量超過1 200 000萬千瓦。“十三五”期間，隨著我國環(huán)境法規(guī)的日益嚴格及環(huán)保監(jiān)管力度的加強，將會對燃煤電廠全面實施超低排放改造。根據中國電力企業(yè)聯合會測算，以每千瓦煤電超低排放改造的費用為100～150元計算，到2020年濕式電除塵器將會有1 000億～1 500億元市場空間。根據市場調查，陰、陽極系統(tǒng)的材料費用約占整個濕式電除塵器造價的4%。用鈦材代替不銹鋼、玻璃鋼或其他材料作為濕式電除塵器的陽極，如果替代量達到50%的話，那么就會有20億～30億元的鈦材市場空間，從而拉動對鈦板、帶、管的需求，隨之拉動海綿鈦的需求。未來隨著我國煤電行業(yè)超低排放改造的全面實施，濕式電除塵器將會成為朝陽產業(yè)，而鈦材應用也將會隨著濕式電除塵器的發(fā)展迎來美好的明天。

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