基于高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極材料（SDD—CF）的燃煤電廠濕煙氣深度凈化裝置研發(fā)與應(yīng)用

胡文森 董志國(guó) 王錫勝

摘 要：文章針對(duì)燃煤電廠濕煙氣粉塵治理采用濕式靜電電除塵器（WESP）后出現(xiàn)的問(wèn)題現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了以研發(fā)新型陽(yáng)極材料為突破口，利用玻璃鋼（FRP）材料的特性，采用特殊工藝配方研制出了高導(dǎo)復(fù)合材料SDD-CF，為滿足陽(yáng)極材料特殊需要，對(duì)材料表面進(jìn)行納米工藝處理，成功研制了基于高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極新材料SDD-CF的濕式靜電電除塵器，重點(diǎn)解決了濕煙氣除塵設(shè)備中設(shè)備易腐蝕、防腐困難、設(shè)備壽命短問(wèn)題，并利用高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極材料SDD-CF的特殊性，對(duì)濕式電除塵器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決了濕煙氣逃逸、電場(chǎng)中存在煙氣走廊、存在電暈盲區(qū)以及濕式電除塵沖洗水量大、產(chǎn)生二次廢水等諸多問(wèn)題。該成果成功應(yīng)用配套某電廠#1、#2機(jī)組2014年濕式電除塵技術(shù)改造工程，該項(xiàng)工程在當(dāng)年建成投產(chǎn)并通過(guò)環(huán)保驗(yàn)收。該項(xiàng)目投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能、環(huán)保和社會(huì)效益明顯。該成果于2017年8月17日通過(guò)中國(guó)電機(jī)工程協(xié)會(huì)成果鑒定，總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中，在新型陽(yáng)極材料的研發(fā)與應(yīng)用方面居國(guó)際領(lǐng)先水平。該項(xiàng)目在2018年被國(guó)家能源集團(tuán)評(píng)為科技創(chuàng)新一等獎(jiǎng)。截止目前，該成果在國(guó)內(nèi)外已成功應(yīng)用100多臺(tái)（套），為我國(guó)燃煤電廠煙氣尾部粉塵綜合治理提供了新的工藝和技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：高導(dǎo)復(fù)合材料；陽(yáng)極；濕煙氣；煙塵治理

中圖分類號(hào)：X773 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）16-0004-04

Abstract： In view of the the problems caused by the treatment of wet flue gas dust in coal-fired power plants by using the wet electrostatic precipitator （WESP）， the characteristics of using the FRP material as the breakthrough point and using the new type of anode material as the breakthrough point are expounded in this paper. In order to meet the special needs of anode materials， the high conductivity composite material SDD-CF was developed using special process formula. A wet electrostatic precipitator based on SDD-CF， a new high conductivity composite anode material， was successfully developed. The problems of easy corrosion， difficult anticorrosion and short life of wet flue gas dust remover are solved， and the whole structure of wet electrostatic precipitator is optimized by using the particularity of high conductivity composite anode material SDD-CF. Many problems have been solved， such as escape of wet flue gas， the existence of flue gas corridor in electric field， the existence of corona blind area， the large amount of water washed by wet electric precipitator and the production of secondary wastewater and so on. This result has been successfully applied to a certain power plant's #1 and #2 units in 2014 wet electric dust removal technology transformation project， the project was completed and put into production in that year and passed environmental acceptance. After the project was put into operation， the operation is stable， energy saving， environmental protection and social benefits are obvious. The achievement， as appraised by the China Electrical Engineering Association on August 17， 2017， has reached the international advanced level， among which， it is the international leader in the research and development and application of new anode materials. The project was awarded the first prize for scientific and technological innovation by the State Energy Group in 2018.

Keywords： high conductivity composite material； anode； wet flue gas； soot treatment

引言

在人們生活水平的不斷提升下，對(duì)電力使用需求也越來(lái)越高，直接增加了電廠的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。燃煤電廠作為發(fā)電廠的重要組成部分之一，應(yīng)不斷提高其發(fā)電效率，為人們提供更優(yōu)質(zhì)的電力能源。燃煤電廠在生產(chǎn)發(fā)電的過(guò)程中，需要消耗大量的煤炭資源，而煤炭資源在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害污染氣體和粉塵顆粒，如果直接將其排放到大氣中，將會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成極大的威脅。在環(huán)保理念下，燃煤電廠應(yīng)做好相關(guān)的環(huán)保工作，在燃煤發(fā)電過(guò)程中通過(guò)有效地處理裝置降低污染氣體的排放量。

2011年環(huán)保部發(fā)布了GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，在06版環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上對(duì)火電廠大氣污染物排放進(jìn)行了更加嚴(yán)格的限制。2012年環(huán)保部又發(fā)布了GB3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，將PM2.5（細(xì)顆粒物）寫(xiě)入國(guó)標(biāo)，并納入各省市強(qiáng)制監(jiān)測(cè)范疇。為滿足新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，從2013年起，某電廠結(jié)合自身實(shí)際，通過(guò)廣泛的調(diào)研研究工作，把尋求大氣治理、尤其是粉塵治理方面的突破做為企業(yè)大氣污染治理工作的重點(diǎn)工作。2014年，某電廠利用高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極材料在濕式除塵技術(shù)的這一新產(chǎn)品技術(shù)在濕式電除塵器中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)#1、#2機(jī)組脫硫系統(tǒng)尾部煙道增加濕式電除塵裝置的技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)大幅度降低粉塵排放，同步減少“石膏雨”和SO3排放。

1 火電廠濕式電除塵器中陽(yáng)極的應(yīng)用現(xiàn)狀

陽(yáng)極是濕式電除塵器設(shè)備的核心部件，其主要作用是作為設(shè)備內(nèi)部陽(yáng)極導(dǎo)電級(jí)，需要滿足燃煤電廠煙氣的腐蝕性條件，并具有良好的導(dǎo)電性能。國(guó)內(nèi)外濕式電除塵器一般采用價(jià)格昂貴的合金鋼材質(zhì)，但由于沒(méi)有徹底解決耐腐蝕問(wèn)題，運(yùn)行過(guò)程中不可避免的帶來(lái)二次污染和運(yùn)行成本高等問(wèn)題。

同時(shí)國(guó)內(nèi)外濕式電除塵器中陽(yáng)極材料多采用為金屬極板，或者柔性陽(yáng)極板的濕式電除塵器，需配套用于保護(hù)金屬極板不受腐蝕的噴淋系統(tǒng)，噴淋系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不但消耗大量的堿和水，而且產(chǎn)生了新的廢水，由此需再配套建設(shè)一套新的廢水處理裝置，整套裝置存在配置復(fù)雜，設(shè)備易腐蝕、防腐困難、設(shè)備壽命短等問(wèn)題，也存在除塵中濕煙氣逃逸、電場(chǎng)中存在煙氣走廊、電暈盲區(qū)以及解決濕式電除塵沖洗水量大、產(chǎn)生二次廢水等諸多問(wèn)題。

2 復(fù)合陽(yáng)極新材料在濕式電除塵器的研發(fā)

某電廠根據(jù)自身設(shè)備特點(diǎn)和燃煤特性，在#1、#2機(jī)組濕式除塵改造工程中對(duì)濕式電除塵器陽(yáng)極進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)改造為蜂窩式的模塊化導(dǎo)電玻璃鋼陽(yáng)極。玻璃鋼又稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料（又稱FRP），是以玻璃纖維及其制品（如玻璃布、帶、氈、紗等）做為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂做為基體材料的一種用途廣泛的復(fù)合材料。其硬度相當(dāng)于鋼材，又含有玻璃組分，具有玻璃樣的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能。

玻璃鋼是一種設(shè)計(jì)自由度大，節(jié)能型、使用適應(yīng)性廣、無(wú)需維修且壽命長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)前景大的材料品種，其同時(shí)具有重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣性能好、傳熱慢、熱絕緣性好、耐瞬時(shí)超高溫性能好等特性。

根據(jù)脫硫后煙氣的介質(zhì)條件，選用玻璃鋼樹(shù)脂為環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂，其突出特點(diǎn)是在低壓常溫下易固化，通過(guò)固化劑和催化劑的加入可使得樹(shù)脂在較大范圍內(nèi)變性，使樹(shù)脂獲得不同的用途。導(dǎo)電玻璃鋼（FRP）的耐腐性主要取決于樹(shù)脂的性能，其腐蝕機(jī)理主要包括：（1）化學(xué)腐蝕作用，從化學(xué)角度上分析，樹(shù)脂中含有特定的基團(tuán)，而這些基團(tuán)將會(huì)在堿性、酸性環(huán)境中并與腐蝕介質(zhì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中物質(zhì)中的大分子斷裂，從而對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。（2）物理作用，主要是所產(chǎn)生的物理特性，主要會(huì)產(chǎn)生膨脹、增塑等現(xiàn)象，并會(huì)逐漸溶解，從而造成FRP出現(xiàn)脫皮、鼓泡等物理現(xiàn)象，甚至是造成強(qiáng)度失效。總的來(lái)說(shuō)，F(xiàn)RP設(shè)備的材料結(jié)構(gòu)主要由防腐層、防滲層、結(jié)構(gòu)層、外表層由里向外的幾個(gè)結(jié)構(gòu)層所組成。該設(shè)備所采用的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效形成腐蝕防滲阻擋層，而所產(chǎn)生的負(fù)荷則主要結(jié)構(gòu)層來(lái)承擔(dān)，結(jié)構(gòu)層的材質(zhì)主要由含量高的玻璃纖維所組成。其中，與介質(zhì)接觸的最內(nèi)層是富樹(shù)脂層，由表面氈增強(qiáng)耐腐蝕樹(shù)脂組成，樹(shù)脂含量在90%以上；中間層是結(jié)構(gòu)層，由短切氈與纖維組織物重復(fù)交替鋪層得到，樹(shù)脂含量在45%左右，厚度由強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算決定；最外層也是富樹(shù)脂防腐層，并且一般加有抗老化劑，抗紫外線以防大氣腐蝕及老化，其樹(shù)脂含量在90%以上。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，玻璃鋼材料的耐腐蝕性能與腐蝕因子的濃度和溫度等有關(guān)。濕式電除塵器內(nèi)腐蝕介質(zhì)為煙氣中攜帶的脫硫漿液，其中含有硫酸、亞硫酸、氯離子、氟離子等。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂玻璃鋼具有優(yōu)異的耐酸堿腐蝕性能。燃煤鍋爐脫硫后煙氣一般為弱酸性介質(zhì)條件，完全適應(yīng)環(huán)氧乙烯基樹(shù)脂玻璃鋼的耐酸堿腐蝕參數(shù)。同時(shí)，其耐腐蝕性能明顯優(yōu)于316L、2205、2507、1.4529等金屬材料。

導(dǎo)電玻璃鋼材料利用了以上玻璃鋼材料的耐腐蝕性能，同時(shí)由于單一的玻璃鋼材料不具有導(dǎo)電性，研究應(yīng)用了以玻璃鋼材料為基體，添加增強(qiáng)材料、高碳纖維等功能材料加工而成的復(fù)合材料（SDD-CF）。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，探索出最優(yōu)樹(shù)脂改良特性和組成配比方案，在保證高阻燃性氧指數(shù)達(dá)到32的條件下，該種復(fù)合材料體積電阻率在100Ω·cm以下，使材料特性接近于導(dǎo)體指標(biāo)，具有與金屬相似的導(dǎo)電性能。

3 高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極新材料在濕式電除塵器的應(yīng)用

3.1 解決濕式電除塵器過(guò)流部件防腐問(wèn)題

濕式電除塵器陽(yáng)極采用了耐腐蝕性能更好的導(dǎo)電玻璃鋼材料，材料本身已經(jīng)具備了燃煤機(jī)組運(yùn)行工況下的濕煙氣運(yùn)行要求。從成本上來(lái)看，新型材料的應(yīng)用，一方面解決了金屬濕式電除塵器采用鋼襯鱗片或高級(jí)合金材質(zhì)價(jià)格昂貴的問(wèn)題；另一方面解決了金屬濕式電除塵器殼體鱗片或合金鋼熱膨脹系數(shù)差異大，運(yùn)行過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋或脫層情況而出現(xiàn)的設(shè)備腐蝕，從而首次系統(tǒng)解決了濕式電除塵器的防腐問(wèn)題。

3.2 解決濕式電除塵器內(nèi)部結(jié)垢問(wèn)題

通過(guò)濕式電除塵器高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極新材料的應(yīng)用，解決了濕式電除塵器連續(xù)噴淋用水無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。由于濕式電除塵器收集的漿液中含有石膏成分，粘結(jié)性較強(qiáng)，因此，不論金屬還是其它非金屬電除塵器都需要設(shè)置間歇性的沖洗裝置用于設(shè)備內(nèi)部的清洗。而為減少濕式電除塵器的間歇沖洗水量，就要以防結(jié)垢為突破口進(jìn)行研究。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)濕式電除塵器收集下來(lái)的主要有粉塵、液滴、石膏漿液等，這些成分在重力作用下會(huì)被收集到濕式電除塵器底部排出，但由于收集物的粘結(jié)性，會(huì)造成陽(yáng)極管壁有粘結(jié)，長(zhǎng)時(shí)間粘結(jié)就會(huì)造成結(jié)垢。玻璃鋼材料級(jí)管表面進(jìn)行了納米處理，其本身疏水性能優(yōu)于金屬或柔性電極，通過(guò)新型材料的應(yīng)用，提高了疏水性，防止了結(jié)垢的產(chǎn)生。

3.3 實(shí)現(xiàn)高效噴淋的應(yīng)用，耗水量大幅減少，有效節(jié)約運(yùn)行成本，解決濕式電除塵二次水污染問(wèn)題

基于高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極新材料在濕式電除塵器中應(yīng)用后對(duì)疏水性能的提高，調(diào)整了高通量噴淋的分區(qū)沖洗方案。通過(guò)短時(shí)間高通量的分區(qū)沖洗，提高一定時(shí)間內(nèi)沖洗水的強(qiáng)度，從而顯著減少了每次沖洗的時(shí)間，減少了沖洗水量和二次污染的產(chǎn)生。它具有以下特點(diǎn)：

保持穩(wěn)定水平衡，耗水量大幅減少。陽(yáng)極管定期24h～48h沖洗一次，每次每個(gè)分區(qū)噴淋3～5分鐘，改變以往金屬濕式電除塵器使用堿性連續(xù)水膜的現(xiàn)狀。濕式電除塵器收集下來(lái)的漿液中不再含有堿性添加劑，漿液成分全部為來(lái)自脫硫塔的漿液和粉塵顆粒，可以直接返回脫硫塔回用，不再外排處理，噴淋水可以作為脫硫島補(bǔ)充水，不再造成系統(tǒng)水平衡破壞，節(jié)約了大量的脫硫工藝水，有效的降低了環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行成本。

杜絕了二次污染。在運(yùn)行過(guò)程中不需要噴淋水和堿液，收集下來(lái)的液體僅含煙氣中固體顆粒物、氣溶膠等污染物，該液體返回脫硫島中不會(huì)產(chǎn)生新的污染。操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行免維護(hù)、運(yùn)行成本低。主體設(shè)備免維護(hù)，運(yùn)行中僅消耗維持場(chǎng)強(qiáng)所需電量，不需要噴淋水和堿液，收集下來(lái)的液體僅含煙氣中固體顆粒物、氣溶自動(dòng)回流至脫硫系統(tǒng)。

3.4 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，布置靈活

陽(yáng)極采用蜂窩六邊型模塊化結(jié)構(gòu)，整體一次模壓成型，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，占地面積小。煙氣流向可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用上進(jìn)下出或下進(jìn)上出等各種形式，流場(chǎng)阻力小，安裝方便，施工周期短，建設(shè)價(jià)格更低等鮮明特點(diǎn)。

3.5 有效消除大白煙及石膏雨

大白煙主要是由煙囪中攜帶的水汽造成的。這些水汽的主要形成原因是脫硫過(guò)程中形成的液滴顆粒在脫硫塔的機(jī)械式除霧器中沒(méi)有脫除干凈，進(jìn)而在離開(kāi)煙囪后呈現(xiàn)出白煙。石膏雨形成主要原因是煙氣中脫硫漿液在脫硫塔除霧器未處理干凈，帶出煙囪后氣速降低進(jìn)而就近飄落造成。

某廠針對(duì)大型燃煤電廠粉塵治理與探索，利用高導(dǎo)復(fù)合陽(yáng)極新材料在濕式電除塵器中的研發(fā)與應(yīng)用，通過(guò)2014年配套#1、#2機(jī)組濕式電除塵技術(shù)改造工程，改善了尾氣煙囪的外觀，提高了企業(yè)煙粉塵中的去除效率。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

基于高導(dǎo)復(fù)合材料SDD-CF靜電濕式除塵器，整體性能優(yōu)于采用柔性電極和金屬電極的濕式除塵器，表3為各項(xiàng)主要指標(biāo)對(duì)比表。

5 社會(huì)環(huán)境效益

通過(guò)高導(dǎo)復(fù)合材料陽(yáng)極在濕式電除塵器中的成功應(yīng)用，對(duì)滿足國(guó)家今后更嚴(yán)格的環(huán)保排放要求，特別是對(duì)杜絕石膏雨現(xiàn)象，降低粉塵濃度，減少滴液排放，具有特別重要的意義。

該技術(shù)的成功應(yīng)用解決了大煙氣量煙氣均流、陽(yáng)極管易腐蝕、柔性電極可靠性差、廢水量大且難處理、運(yùn)行成本高等諸多問(wèn)題。該技術(shù)成果成功實(shí)現(xiàn)投運(yùn)后，先后在范坪電廠、國(guó)電泰州電廠等100多臺(tái)國(guó)內(nèi)不同容量大型燃煤電廠正式投入使用。截至目前，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，煙粉塵排放均達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且在成功后在行業(yè)內(nèi)普遍得到認(rèn)可，得到廣泛推廣使用，取得了巨大的環(huán)保效益和社會(huì)效益。

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