濕電除塵器方案

1. 濕式電除塵器的工作原理

濕式靜電除塵器的主要工作原理：將水霧噴向放電極和電暈區(qū)，水霧在芒刺電極形成的強大的電暈場內(nèi)荷電后分裂進一步霧化，電場力、荷電水霧的碰撞攔截、吸附凝并，共同對粉塵粒子起捕集作用，最終粉塵粒子在電場力的驅(qū)動下到達集塵極而被捕集。水在集塵極上形成連續(xù)的水膜，將捕獲的粉塵沖刷到灰斗中隨水排出。原理圖如下

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1.1 濕式電除塵器工作原理

靜電除塵器的除塵過程可分為四個階段：氣體的電離；粉塵獲得離子而荷電；荷電粉塵向電極移動；將電極上的粉塵清除。

只是濕式靜電除塵脫除的對象由粉塵和霧滴，但是由于霧滴與粉塵的物理特性存在差別，其工作原理也有所差異。從原理上來講，首先由于水滴的存在對電極放電產(chǎn)生了影響，要形成發(fā)射離子，金屬電極中的自由電子必須獲得足夠的能量，才能克服電離能而越過表面勢壘成為發(fā)射電子。讓電極表面帶水是降低表面勢壘的一種有效措施。水覆蓋金屬表面后，將原來的“金屬一空氣”界面分割成“金屬一水”界面和“水一空氣”界面，后兩種界面的勢壘比前一種界面的勢壘低很多。這樣，金屬表面帶水后，將原來的高勢壘分解為兩種低勢壘，大大削弱表面勢壘對自由電子的阻礙作用，使電子易于發(fā)射。另外，水中的多種雜質(zhì)離子在電場作用下，也易越過表面勢壘而成為發(fā)射離子。這些都改變了電極放電效果，使之能在低電壓下發(fā)生電暈放電。其次由于水滴的存在，水的電阻相對較小，水滴與粉塵結合后，使得高比電的粉塵比電阻下降，因此濕式靜電除塵的工作狀態(tài)會更加穩(wěn)定；另外由于濕式靜電除塵器采用水流沖洗，沒有振打裝置，所以不會產(chǎn)生二次揚塵。^【7】

放電極結構和電暈場荷電示意圖

1.2 影響濕式靜電除塵器除塵效率的主要因素

靜電電壓值、水量、粉塵濃度三因素對濕式靜電除塵效率的效應都為正，即除塵效率隨著電壓的升高、水量的增大、粉塵濃度的加大而上升。其中電壓對除塵效率的影響最為顯著，其次是水量，粉塵濃度的影響最小。靜電和水霧相結合可顯著地提高了除塵效率^【7】。

1.3 濕式靜電除塵中水的作用

濕式靜電除塵器中的水主要以霧化的水滴存在，根據(jù)國內(nèi)研究水霧對濕式電除塵的除塵效率的提高有一系列的影響，主要機理：

l 水霧可以保持放電極清潔，使電暈一直旺盛；霧粒擊打在集塵極上形成薄而均勻的水膜，它可以阻止低比電阻粉塵的“二次飛揚”對高比電阻粉塵起到調(diào)質(zhì)作用而防止了“反電暈”現(xiàn)象的發(fā)生；對粘滯性強的粉塵又可防止粘掛電極；它還適合于收集那些易燃、易爆的粉塵。

l 水霧直接噴向放電極和電暈區(qū)，放電極還兼起霧化器的作用，采用同一電源可實現(xiàn)電暈放電、水的霧化、水霧和粉塵粒子荷電，實現(xiàn)了靜電和水霧的有機結合。

l 水霧直接噴向放電極，荷電量高，這種高荷質(zhì)比水霧在電場中的碰撞攔截、吸附凝并作用可大大提高除塵效率。

l 水霧擊打到集塵極上形成水流流下，使集塵極始終保持清潔，省去了振打裝置，同時避免了干式除塵由于振打清灰?guī)淼囊幌盗袉栴}。

l 將水霧噴向放電極和電暈區(qū)使水霧進一步霧化的方法，靜電并不和噴霧裝置直接接觸，所以幾乎不存在絕緣問題。這種方法完全有別于“電暈放電使水霧化”的除塵技術，后者由于水與電直接接觸，絕緣幾乎不可能，實際上很難實現(xiàn)工業(yè)應用。

l 芒刺電極能產(chǎn)生很強的靜電場，、同時具有很好的電暈放電能力，靜電和水霧協(xié)同作用，具有很高的除塵效率。

1.4 濕式靜電除塵器與干式靜電除塵器比較

干式靜電除塵器與濕式靜電除塵器比較表^【8】

2. 濕式電除塵器的分類和結構特點

近100年濕式靜電除塵器為冶金工業(yè)和其他行業(yè)作為一種控制煙氣中硫酸、顆粒有效手段廣泛應用。目前全世界范圍內(nèi)投入運行的濕式靜電除塵器超過1000 個裝置。

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2.1 基本型式：

濕式靜電除塵器在結構上有兩種基本型式：管式和板式。管式靜電除塵器的集塵極為多根并列的園形或多邊形金屬管，放電極均布于極板之間，管狀濕式靜電除塵器只能用于處理垂直流動的煙氣。板式靜電除塵器的集塵極呈平板狀，可獲得良好的水膜形成的特性，極板間均布電暈線，板式濕式靜電除塵器可用于處理水平或垂直流動的煙氣。

在相同的集塵面積時，管式靜電除塵器內(nèi)的煙氣流速可以是設計為板式除塵器的兩倍，因此在達到相同除塵效率時，管式除塵器的占地面積要遠小于板式除塵器。

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2.2 濕式靜電除塵器的布置方式

垂直獨立布置

在化工和冶金行業(yè)應用的大型濕式靜電除塵器一般為垂直煙氣流獨立布置，一般為模塊化設計的管式設計，這種設計便于安裝和解列維修，但其需要額外的布置空間。

水平獨立布置：在美國的AES Deepwater電廠和日本的火力發(fā)電廠中濕式靜電除塵器采用水平煙氣流獨立布置。^【9】如圖所示

水平布置在吸收塔后煙道

垂直組合布置：2000年以后，較早采用濕式石灰石石膏法脫硫系統(tǒng)的加拿大New Brunswick電力公司的Dalhousie和Coleson Cove電廠（315MW機組）^【9】，采用的濕式靜電除塵器對吸收塔除霧器進行改造，即將濕式除塵器布置在吸收塔的上方替代原有的機械除霧器，這種方式可以使成本和運行費用也是最低的，占地面積也很小。

布置在吸收塔上方的濕式靜電除霧器

2.3 水沖刷方法

常用的沖刷方法有^【7】：自沖刷：就是利用捕集的液滴來濕潤集塵極(此方法適用于捕集顆粒為液體顆粒)；噴霧沖刷：霧化噴嘴采用水或空氣或水和空氣連續(xù)地沖刷集塵極，使霧化液滴和顆粒在集塵極表面形成一層沖刷膜；液膜沖刷：采用連續(xù)的液膜沖洗集塵極。由于液膜能充當集塵板，管狀式、極式的集塵板只不過是它的支承物。因此，沖刷液是否具有導電性能極為重要。其次，液膜的物理特性和分布情況也很重要。

2.4 結構材料

影響濕式靜電除塵器運行可靠性的重要因素是結構材料的選擇，這是因為濕式靜電除塵器通常在低于沖刷液的絕熱飽和溫度下運行，易引起腐蝕。因此，需合理地選擇各部位的結構材料。

從結構材料上講，殼體是濕式靜電除塵器中最安全的，通常采用普通鋼，為防止腐蝕，其內(nèi)表面需涂有薄層防腐材料，安裝時還需嚴格殼體內(nèi)表面的易腐蝕性，如焊接點、構件連接處及蓋板等。

集塵板表面需具有較強的抗腐蝕能力。同時應將易產(chǎn)生腐蝕的聯(lián)接點減至最小，因為集塵極一旦發(fā)生故障。不僅會擾亂電場，而且會產(chǎn)生火花，引起除塵性能的下降。

放電極的抗腐蝕性能應高于其它部件，因為其表面易造成粉塵液結，局部腐蝕較快，因此，需有特殊的保護措施。

各種不銹鋼和鈦在模擬濕式電除塵中腐蝕環(huán)境下失重情況對比^【6】

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3. 濕式靜電除塵器對各種污染物去除能力

據(jù)國外相關文獻表明，濕式靜電除塵器對酸霧、有毒重金屬以及 PM10，尤其是PM2.5的微細粉塵有良好的脫除效果。可以使用濕式靜電除塵器來控制電廠的SO₃酸霧，具有聯(lián)合脫除的前景。根據(jù)國外濕式靜電除塵器的研究和應用表明，在濕法脫硫系統(tǒng)后布置濕式電除塵器可以有效地去除煙氣中的PM2.5粉塵、SO₃和汞及氧化物等污染物。^【8】

美國在2000年在Bruce Mansfield電廠的2#機組（835MW燃用3%高硫煤）安裝了一個試驗性的濕式靜電除塵裝置（管式安裝在FGD上部），以測試濕式電除塵對多種污染物的去除率。在2003年的試驗表明，濕式靜電除塵器在較高的煙氣流速下對污染物的去除率都達到較高水平。^【9】

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3.1 濕式靜電除塵器對PM2.5和SO₃的去除機理

在電除塵器中對粉塵顆粒有兩種類型的荷電過程，對于直徑大于1μm的顆粒來說場荷電是主要作用，顆粒碰撞沿電力線運動的負離子而帶電，這時電壓的強弱是影響這個過程的最主要因素。對直徑大于0.5μm的顆粒來說擴散荷電是主要作用，亞微米粒子在隨機運動時與負離子碰撞而帶電，注入的電流密度是影響擴散放電最重要的因素。濕式靜電除塵中，因放電極被水浸潤后，電子較易溢出，同時水霧被放電極尖端的強大電火花進一步擊碎細化，使電場中存在加上大量帶電霧滴，大大增加亞微米粒子碰撞帶電的機率，而帶電粒子在電場中運動的速度是布朗運行的數(shù)十倍，這樣就大幅度提高了亞微米粒子向集電極運行的速度，可以在較高的煙氣流速下，捕獲更多的微粒。

國外的研究表明，在高于露點溫度以上時，煙氣中的SO₃在205℃（400F）以下時，主要以H₂SO₄的微液滴形式存在^【9】。其平均顆粒的直徑在0.4μm以下，屬于亞微米顆粒范疇。這也是干式靜電除塵器和FGD對SO₃的去除率較低的主要原因。濕式靜電除塵器對亞微米顆粒的高捕獲率，可對SO₃的微液滴起相同作用。

因此濕式靜電除塵能夠高效地去除亞微米粒子，霧滴，小至0.01μm的微塵，除塵效率根據(jù)運行的電場數(shù)不同一般都可達到99.9 %以上。^【8】

3.2 濕式靜電除塵對石膏粉塵和液滴作用

國外因濕式脫硫的吸收塔出口的除霧器設計的要求較高，除霧器出口所攜帶的液滴濃度只有20mg/Nm³，基本上沒有石膏液滴帶出，所以沒有相關研究資料。國內(nèi)已投用吸收塔的除霧器出口霧滴濃度設計為75mg/Nm³，而運行時往往還高于設計值，造成吸收塔出口有大量的石膏液滴帶出，針對濕式靜電除塵器對石膏以及石膏液滴的去除機理，可以作如下分析：

對于電除塵對石膏粉塵的去除機理，我們查閱了相關資料^【12】，總結如下：

根據(jù)電除塵的除塵效率計算公式（多依奇公式）

其中S為比集塵面積，ω是粉塵在電場中的理論驅(qū)進速度，理論驅(qū)進速度是直接反映粉塵在電暈場中運動的難易程度的指標，查閱相關資料得石膏粉塵的理論驅(qū)進速度為0.16~0.2m/s，煤粉爐灰的理論驅(qū)進速度為0.1~0.14 m/s，當比集塵面積為10m²/(m³/s)條件下，可計算出電場對石膏粉塵的除塵效率為98%，煤灰為96.4%。可看出在相同條件中，石膏粉塵比煤灰更容易被捕獲。因為濕式靜電除塵工作原理與普通的電除塵相同，同時國外的相關資料也明確說明，這公式對濕式電除塵同樣適用。因此濕式電除塵去除石膏粉塵效率要高于去除煤灰的效率。

在脫硫系統(tǒng)出口石膏是以CaSO₄·2H₂O的液滴形式存在，經(jīng)過除霧器后，其粒徑基本上在20μm以下。液滴的脫除一般采用濕式除塵技術，而濕式靜電除塵器的水噴淋作用可以近似看作為一個重力噴霧濕式除塵。查閱相關資料，濕式除塵的效率計算公式^【13】：

其中E_t濕式除塵總能量消耗，△P_g是指煙氣通過濕式除塵的壓力損失，△P_L是指濕式除塵噴水壓力，Q_b是指濕式除塵的噴水流量，Q_g是濕式除塵中煙氣流量，其中α和β是與煙氣中粉塵類型相關的常數(shù)。根據(jù)三菱提供的濕式靜電除塵方案中各項數(shù)據(jù)計算可得E_t=0.8，對應于石膏液滴的α和β目前還沒有查到，但是當E_t=0.8時對于各種酸霧（近似為微液滴），濕式除塵的效率均可達到70%以上。

雖然沒有實際的測試數(shù)據(jù)說明，但是根據(jù)電除塵和濕式除塵的機理，已能說明濕式靜電除塵器可有效地除去煙氣中石膏粉塵和石膏液滴。

目前國外研究和運行經(jīng)驗表明，1電場濕式靜電除塵器的除塵效率在70%左右，2電場的除塵效率在90%以上，這樣濕式靜電除塵器除去石膏的效率應高于除去粉塵的效率。也就是說如果吸收塔出口石膏液滴濃度在100 mg/m³時，進入1電場濕式靜電除塵器后，最多不可能超過30 mg/m³（石膏粉塵濃度6 mg/m³），如果是2電場的濕式除塵器則會更低。可以達到國外吸收塔出口的水平，不會在煙囪出口出現(xiàn)石膏雨現(xiàn)象。鹽城大天力環(huán)境治理有限公司專一生產(chǎn)濕電除塵

4. 濕式電除塵器的應用情況

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4.1 濕式靜電除塵器在北美應用情況

根據(jù)相關國外資料的介紹^【12】，目前濕式靜電除塵器在北美的火電機組中情況如下：

布置在FGD內(nèi)濕式靜電除霧器示意圖

目前在美國正在有6臺新建的燃用高硫煤的600~750MW，采用在濕法脫硫系統(tǒng)后加裝濕式靜電除塵器，作為控制SO₃酸霧的措施，以替代原有在電除塵器前煙道內(nèi)噴氨除SO₃酸霧的方案^【15】。

4.2 日本三菱濕式靜電除塵器技術

三菱濕式靜電除塵器從1975年開始應用，最早是用于處理化工廠的重油鍋爐產(chǎn)生的煙氣。目前用于處理鍋爐后煙氣共有25臺套投入運行，其中燃煤鍋爐為碧南700MW機組鍋爐。業(yè)績表如下：

三菱濕式靜電除塵器的主要技術特點

l 采用水平板式濕式靜電除塵器設計方式，獨立布置在FGD出口煙道上。除塵器內(nèi)煙氣流速2.4m/s。

l 采用霧化效果良好的噴嘴，在沖洗時放電極和集塵極同時通電，可保證不產(chǎn)生有害放電現(xiàn)象。

l 放電極采用特殊形狀和安裝方法，不會因振動或腐蝕而損壞。

l 對噴嘴排列形式和集塵極板型式進行優(yōu)化，可保證對極板最佳的清洗效果，同時噴出的霧化水，可以對煙氣中粉塵和液滴起洗滌作用。

三菱濕式電除塵技術的主要問題

l 除塵原理與普通電除塵原理相同，噴淋水僅對集塵極板表面進行清洗作用，提高了集塵效率，但是因除塵面積較小單一電場的除塵效率在70%左右，一般采用2電場時除塵效率在90%左右。

l 循環(huán)水需加入NaOH進行中和，如果煙氣中SO₃含量較高時，NaOH加入量相應增大，運行成本增加，同時廢水排入脫硫系統(tǒng)后也將加重脫硫廢水處理負擔。

l 濕式電除塵器殼體內(nèi)表面鱗片襯里耐溫只能達到80℃水平。

l 噴嘴、濾網(wǎng)為易損件，更換周期較短。三菱提供數(shù)據(jù)為噴嘴的壽命在5~10年。還增加了循環(huán)水泵、廢水泵和加堿泵等轉(zhuǎn)動機械，運行和維護費用較干式除塵器高。

三菱濕式電除塵器的系統(tǒng)圖：

4.3 日立的濕式靜電除塵技術

日立的濕式靜電除塵器于2001年開始應用于中部電力的碧南電廠4、5號1000MW機組上，日立的濕式電除塵技術與三菱重工基本一致，只是在噴嘴型式和布置方式、放電極的形式、集塵極板的形式上有所不同外，其最大的差異就是極間距較小只有300mm，在對放電極進行水沖洗時必須要斷電。

日立濕式靜電除塵器的主要技術差異：

l 放電極采用帶芒刺片的鋼管制成，由于圓柱電容容量大，因而能產(chǎn)生強電場:芒刺尖端放電效果好，能產(chǎn)生強電流，即氣體電離效果好。集塵板采用大平板設計，極間距300mm。

l 集塵極與放電極的噴淋水由不同管道提供，在電除塵運行過程中集塵極一直保持噴淋狀態(tài)，而放電極一般一天只噴淋一次，放電極噴淋時電除塵需暫時停電幾分鐘。

l 集塵極噴淋的噴嘴在設計上指向性較強，可避免將水噴淋到放電極上，對煙氣的洗滌作用較三菱噴淋方式較弱。

l 濕式電除塵中的煙氣流速較高，達到3.6m/s左右，除塵效率較低只有60～70%。

l 日立濕式電除塵器的殼體、噴嘴、放電極和集塵極等與煙氣和水接觸的部件均采用SUS317耐蝕不銹鋼制作，基本上不會腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

4.4 碧南電廠濕式靜電除塵器運行情況

碧南電廠1-3號機組為超臨界700MW機組，4-5號機組為超臨界1000MW機組，設計煤種為灰份10%左右的高發(fā)熱量無煙煤；煙氣排放處理方式為：1-3號機組采用鍋爐出口+SCR+干式靜電除塵器+煙氣換熱器+FGD+濕式靜電除塵器+煙氣換熱器的方式，4-5號機組采用鍋爐出口+SCR+煙氣換熱器+2電場固定電極和1電場轉(zhuǎn)動電極的干式電除塵器+FGD+濕式靜電除塵器+煙氣換熱器的方式，其中煙氣換熱器主要用高溫煙氣加熱脫硫后的低溫煙氣提高排煙溫度，使煙囪出口處煙氣溫度達到90℃左右，因煙氣內(nèi)含塵量極低且排煙溫度高無水蒸汽凝結，煙囪排放的煙氣基本透明。鹽城大天力環(huán)境治理有限公司專一生產(chǎn)濕電除塵

碧南發(fā)電廠4-5號機組煙氣排放處理流程：

碧南電廠5臺機組均在濕式脫硫系統(tǒng)后設置濕式靜電除塵器，其中1-3號機為三菱重工產(chǎn)品，分前后二電場，殼體為鱗片襯里，噴嘴、極板和極線均為SUS316L不銹鋼，總的長度12.44米。4、5號機為日立公司產(chǎn)品，只有一個電場，殼體、噴嘴、極板和極線均采用SUS317耐蝕不銹鋼，長度在9米左右。投產(chǎn)后運行情況良好，排放煙氣中粉塵濃度長期保持在2-5 mg/Nm³水平，在煤質(zhì)較好情況最低達到1 mg/Nm³，運行十五年來，經(jīng)介紹殼體和內(nèi)件未發(fā)生嚴重的腐蝕問題。運行過程中循環(huán)水流量在80～100t/h左右，循環(huán)泵為45KW，每臺機組補水量為35t/h，每臺機組每天消耗20%的NaOH溶液100～500Kg（根據(jù)煤中含硫量不同）。

碧南電廠污染物排放情況

4.5 鞍鋼第二發(fā)電廠濕式靜電除塵器應用情況

2006年建成的鞍鋼第二發(fā)電廠是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，總裝機容量300MW（燃機183.3MW，汽機117MW）。燃料為低熱值高爐煤氣（約47Nm³/h）和焦爐煤氣（約3萬Nm³/h）的混合氣體，煤氣從高爐、焦爐出來后已經(jīng)過除塵、脫硫處理。濕式靜電除塵器安裝在煤氣壓縮機前，對煤氣再進行除塵凈化，除塵凈化后的煤氣經(jīng)壓縮后進入燃氣輪機燃燒。濕式電除塵器、煤氣壓縮機、M701S(F)高爐煤氣燃氣輪機均由日本三菱重工提供。

濕式靜電除塵器為水平板式、單電場，處理煤氣量560,000Nm³/h，設計除塵效率為80%，。本體包括整流變?yōu)槿毡救庵毓ぬ峁o助系統(tǒng)（泵、管道）為三菱重工設計、國內(nèi)采購。濕式電除塵器前后未裝粉塵濃度檢測裝置，日本三菱重工曾經(jīng)人工取樣檢測過濕式電除塵器前后的裝粉塵濃度，但具體數(shù)據(jù)不詳。

濕式電除塵器外殼材料為20G，內(nèi)部構件為SUS304。氣體通道數(shù)：46個，通道寬度（同極距）：300mm，有效電極高度：7.6m，有效電場長度：3.299 m，噴水管：3根，噴嘴數(shù)合計：60個。循環(huán)水流量：42m³/h，壓力0.25Mpa。

運行后主要問題：個別放電極尖頭處存在積垢現(xiàn)象，但不影響除塵效率。噴嘴在2009年進行了更換。電除塵器的故障主要是電場內(nèi)進入異物、噴淋水霧化不良、放電極結垢等。濕式電除塵器后本體維護工作量很少，但廢水坑中的灰泥每年機組檢修時需進行清理，給水泵、廢水泵需定期保養(yǎng)維護鹽城大天力環(huán)境治理有限公司專一生產(chǎn)濕電除塵