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 摘要：介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)燃煤鍋爐煙氣除塵技術(shù),包括靜電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵的原理、特點(diǎn)和改進(jìn)方向,并對近年來國內(nèi)外發(fā)展的煙氣除塵新技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行評述,展望了國內(nèi)燃煤鍋爐煙氣除塵技術(shù)的發(fā)展前景與技術(shù)方向。
我國是煤炭消費(fèi)大國，每年消耗原煤約21.5億t，約70%被燃煤電廠使用。我國能源結(jié)構(gòu)決定了以煤炭為主的火力發(fā)電格局。煤炭燃燒會產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，其中細(xì)微粉塵PM2.5會引起心肺呼吸道疾病，同時也會引起灰霾天氣，導(dǎo)致大氣能見度下降。
國家環(huán)保部于2011年發(fā)布了GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定火力發(fā)電鍋爐煙塵排放濃度最高限值為30mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)最高限值為20mg/m3;2012年發(fā)布GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，將PM2.5寫入國標(biāo)，并納入各省市的強(qiáng)制監(jiān)測范疇;2013年國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，明確了具體任務(wù)，提出了十條具體措施。隨著各文件的出臺，燃煤鍋爐除塵領(lǐng)域面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)，僅靠對現(xiàn)有除塵器的常規(guī)改造，很難滿足新的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)。特別對PM2.5的排放控制，成為燃煤電廠亟待解決的難題。

1我國煙氣除塵技術(shù)現(xiàn)狀
目前我國電除塵器的生產(chǎn)規(guī)模和使用數(shù)量均居世界首位，電除塵技術(shù)接近世界先進(jìn)水平。布袋除塵器的技術(shù)核心在于濾料，隨著材料科技的不斷進(jìn)步，袋式除塵技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。電袋復(fù)合除塵技術(shù)是基于靜電除塵和袋式除塵兩種成熟的除塵理論，由我國自行研發(fā)提出的新型除塵技術(shù)，近幾年已在多家電廠成功應(yīng)用。我國火電廠各除塵方式所占比例見圖1。


1.1靜電除塵技術(shù)
靜電除塵器(ESP)的主要工作原理是在電暈極和收塵極之間通上高壓直流電，所產(chǎn)生的強(qiáng)電場使氣體電離、粉塵荷電，帶有正、負(fù)離子的粉塵顆粒分別向電暈極和收塵極運(yùn)動而沉積在極板上，使積灰通過振打裝置落進(jìn)灰斗。
由于靜電除塵器基于荷電收塵機(jī)理，靜電除塵器對飛灰性質(zhì)(成分、粒徑、密度、比電阻、黏附性等)十分敏感，特別對高比電阻粉塵、細(xì)微煙塵捕集困難，運(yùn)行工況變化對除塵效率也有較大影響。另外其不能捕集有害氣體，對制造、安裝和操作水平要求較高。
對現(xiàn)有靜電除塵器提效改造技術(shù)有三種可行方向:改進(jìn)靜電除塵器(包括靜電除塵器擴(kuò)容、采用電除塵新技術(shù)及多種新技術(shù)的集成)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)、濕式電除塵技術(shù)。

1.2袋式除塵技術(shù)
袋式除塵器的主要工作原理包含過濾和清灰兩部分。過濾是指含塵氣體中粉塵的慣性碰撞、重力沉降、擴(kuò)散、攔截和靜電效應(yīng)等作用結(jié)果。布袋過濾捕集粉塵是利用濾料進(jìn)行表面過濾和內(nèi)部深層過濾。清灰是指當(dāng)濾袋表面的粉塵積聚達(dá)到阻力設(shè)定值時，清灰機(jī)構(gòu)將清除濾袋表面煙塵，使除塵器保持過濾與清灰連續(xù)工作。
袋式除塵器最大缺點(diǎn)是受濾袋材料的限制，在高溫、高濕度、高腐蝕性氣體環(huán)境中，除塵時適應(yīng)性較差。運(yùn)行阻力較大，平均運(yùn)行阻力在1500Pa左右，有的袋式除塵器運(yùn)行不久阻力便超過2500Pa。另外，濾袋易破損、脫落，舊袋難以有效回收利用。
美國環(huán)保署的環(huán)境技術(shù)認(rèn)證(EnvironmentalTechnologyVerification，ETV)項(xiàng)目對ePTFE覆膜濾料做過的性能檢測發(fā)現(xiàn)濾料覆膜可一定程的地控制PM2.5和消除有害氣體，此項(xiàng)目對袋式除塵技術(shù)的發(fā)展有較好的引導(dǎo)作用。改進(jìn)袋式除塵器可從三個方面進(jìn)一步研究:濾料覆膜，濾料的改進(jìn)創(chuàng)新，舊袋的有效回收利用。

1.3電袋復(fù)合除塵技術(shù)
電袋復(fù)合式除塵器的工作過程是，含塵煙氣進(jìn)入除塵器后，70%～80%的煙塵在電場內(nèi)荷電被收集下來，剩余20%～30%的細(xì)煙塵被濾袋過濾收集。電袋復(fù)合式除塵器兼容了靜電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點(diǎn)，較好的彌補(bǔ)了兩者的不足，除塵機(jī)理科學(xué)合理。
電袋復(fù)合式除塵器主要有臭氧腐蝕、運(yùn)行阻力較高、投資大、占地面積大等缺點(diǎn)，濾袋壽命短及換袋成本高仍是其重要問題。
電袋復(fù)合式除塵器的改進(jìn)有三個方面:優(yōu)化靜電除塵單元和袋式除塵單元的長時間協(xié)同作用以及相對結(jié)構(gòu)布置，消除靜電除塵單元產(chǎn)生的臭氧，濾料的技術(shù)創(chuàng)新。

2煙氣除塵新技術(shù)
由于種種實(shí)際因素，上述三種除塵器很難滿足煙氣出口排塵量低于30mg/m3的新標(biāo)準(zhǔn)，尤其對PM2.5的排放控制不佳。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對除塵新技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)論證，如聚并技術(shù)、濕式電除塵技術(shù)、旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)、高頻電源技術(shù)、煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)，許多技術(shù)已獲得突破性進(jìn)展并初步開始應(yīng)用，但仍需完善和改進(jìn)。

2.1聚并技術(shù)
聚并是指微細(xì)粉塵通過物理或化學(xué)的途徑互相接觸、碰撞而結(jié)合成較大顆粒的過程。微細(xì)煙塵聚并成較大顆粒后，更容易被除塵器捕集，提高了微細(xì)煙塵的脫除效率。當(dāng)前國內(nèi)外研究的聚并技術(shù)主要有:電聚并、湍流凝并、聲聚并、蒸汽相變聚并、化學(xué)聚并和光聚并等。
電聚并是各聚并技術(shù)中最實(shí)用有效的方法。電聚并是通過細(xì)顆粒荷電，促使細(xì)顆粒相互吸引、碰撞、聚并，使細(xì)顆粒團(tuán)聚成大顆粒。電聚并的效果取決于粒子的濃度、粒徑、電荷的分布以及外電場的強(qiáng)弱(圖2)。

澳大利亞Indigo(英迪格)技術(shù)有限公司于2002年推出了Indigo凝聚器工業(yè)產(chǎn)品，至2008年10月，Indigo凝聚器已經(jīng)在澳大利亞、美國、中國等國家的8家電廠中使用，測試結(jié)果表明，PM2.5、PM1.0排放可分別減少80%、90%以上。自2007年始，華北電力大學(xué)和北京大學(xué)共同參與國家“863”課題“超細(xì)顆粒物聚并新技術(shù)開發(fā)”，從實(shí)驗(yàn)和理論計算兩方面對超細(xì)顆粒物湍流聚并技術(shù)進(jìn)行了大量研究，自行研發(fā)出一套雙極荷電-湍流聚并裝置。此外，自2011年始，北京大學(xué)與長沙理工大學(xué)合作，設(shè)計了2臺超細(xì)顆粒聚并器，并在大唐湖南耒陽電廠300MW鍋爐機(jī)組上開展了實(shí)驗(yàn)研究，目前仍在考核實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果中超細(xì)顆粒聚并效果顯著。
該技術(shù)不僅能較大幅度提高除塵效率，還能對PM2.5有效控制，工藝簡單可靠，有廣闊的應(yīng)用前景。由于電聚并器一般安裝在電除塵器的煙道前，其安裝空間受到了一定限制。另一方面因煙道內(nèi)氣流速度大，不適用于收集磨琢性強(qiáng)的煙塵。此外，如何減少在電聚并器段的壓力損失也是目前測試階段需要解決的問題。

2.2濕式電除塵技術(shù)
濕式電除塵技術(shù)與干法靜電除塵技術(shù)對粉塵捕集的原理基本相同，兩者結(jié)構(gòu)也類似。所不同的是清灰方式，濕式除塵器取消了傳統(tǒng)的機(jī)械振打清灰方式，通過煙氣與水接觸使飛灰沉降。根據(jù)濕式除塵器原理和結(jié)構(gòu)的不同，有自激式除塵、麻石水膜除塵、噴淋式除塵三種主要形式。
日本中部電力碧南電廠五臺機(jī)組(3×700MW+2×1000MW)使用濕式靜電除塵器后，其排放濃度長期穩(wěn)定在2～5mg/m3，遠(yuǎn)低于日本國家標(biāo)準(zhǔn)和新國標(biāo)的要求，表明濕式靜電除塵器能高效地除去煙氣中的煙塵[6]。2010年，由中國重型機(jī)械研究院有限公司設(shè)計的濕式電除塵器應(yīng)用于浙江某工業(yè)窯爐生產(chǎn)線，實(shí)測煙塵排放遠(yuǎn)低于設(shè)計值(30mg/m3)達(dá)到20mg/m3以下，最低可達(dá)到12mg/m3，且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定[7]。濕式靜電除塵器沖洗水對煙氣有洗滌作用，對煙氣的脫硫及去除重金屬離子有一定作用，尤其對控制PM2.5效果明顯(圖3)。

 
濕式靜電除塵器也有一些缺陷:濕式靜電除塵器布置在脫硫系統(tǒng)后，場地空間受限制;雖然濕式靜電除塵系統(tǒng)的沖洗水采用閉式循環(huán)，但由于水中含塵量增加，仍需不斷補(bǔ)充原水;其大量部件長期處于潮濕環(huán)境，對材料的耐腐蝕性要求較高。

2.3旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)
旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器與常規(guī)電除塵器的除塵原理完全相同，在清灰方式上有很大改變。旋轉(zhuǎn)電極是由若干個小塊極板固定在板鏈上低速旋轉(zhuǎn)，極板由原來的整體壓型板改為小塊極板，通過板鏈帶動旋轉(zhuǎn)。其清灰方式采用旋轉(zhuǎn)鋼刷清灰，從根本上改變了常規(guī)電除塵器的振打裝置清灰，徹底避免了振打清灰造成的二次揚(yáng)塵，同時也解決了高比電阻粉塵的“反電暈”問題]。
早在20世紀(jì)70年代，國外就旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)做了大量研究。其中日本日立公司首次研發(fā)出移動電極式電除塵技術(shù)(MEEP)。在我國，自2010年以來，浙江菲達(dá)環(huán)保科技股份有限公司研發(fā)生產(chǎn)的大型燃煤電站配套旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器，先后應(yīng)用于內(nèi)蒙古包頭第一熱電廠300MW機(jī)組、內(nèi)蒙古達(dá)拉特電廠330MW機(jī)組，經(jīng)過測試，該除塵器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計要求，粉塵出口排放濃度達(dá)到30mg/m3以下]。
旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器能較大限度地減少二次揚(yáng)塵，避免反電暈效應(yīng)，從而大幅提高除塵效率，顯著降低煙氣出口PM2.5濃度。由于不需另占空間，只需將固定電場改成旋轉(zhuǎn)電極式電場，特別適合于老機(jī)組電除塵器改造。同時也具有常規(guī)電除塵器的阻力損失小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)(圖4)。


 
旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器也有部分缺陷，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對制造和安裝工藝要求較高，具有一定的局限性。另外，其長時間穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性仍需考證。

2.4高頻電源技術(shù)
高頻電源采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，是將工頻交流經(jīng)三相整流橋整流成約530V的直流，再經(jīng)逆變電路變成20kHz以上的高頻交流電流，最后通過高頻變壓器升壓和頻整流器整流濾波，形成40kHz以上的高頻脈動直流，供給電除塵器電場。其功率控制方法有脈沖高度調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制3種方法。目前，多數(shù)高頻電源采用的是脈沖頻率調(diào)制方法。
NakhornThonglek等人通過對常規(guī)靜電除塵器和高頻脈沖電源式除塵器做對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高頻脈沖式除塵器不僅能量消耗低并且除塵效率更高，可在9000V條件下長時間運(yùn)行而無火花或閃絡(luò)現(xiàn)象。我國于21世紀(jì)初開始自主研制該項(xiàng)技術(shù)，上海外高橋第三發(fā)電有限公司8號機(jī)組(1000MW)節(jié)能改造，采用國電環(huán)境保護(hù)研究院研制的HF-01型高頻電源，在日常運(yùn)行工況條件下監(jiān)測，煙塵排放濃度由42mg/m3下降至17mg/m3，減排59.5%，電除塵器能降低71.7%。其結(jié)果同樣說明高頻電源式除塵器除塵效率高，并且可以大幅度減少電能損耗。另外，其控制方式靈活多樣，可根據(jù)電除塵器運(yùn)行工況選擇最合適的電壓波形。
高頻電源的成功實(shí)踐令電源技術(shù)水平有質(zhì)的飛躍，使電除塵器有更廣闊的適用范圍。越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也激勵著高頻電源技術(shù)向更成熟、更完善、更現(xiàn)代化的方向發(fā)展，相信高頻電源技術(shù)將會為除塵領(lǐng)域做出更大貢獻(xiàn)。

2.5煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)
煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)是指在除塵器前對煙氣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，向煙氣中注入調(diào)質(zhì)劑，改變煙塵的一些物理化學(xué)特性，如飛灰比電阻，化學(xué)成分，黏附性，顆粒的形態(tài)等。調(diào)質(zhì)后的煙塵更容易被除塵器捕捉，從而提高除塵效率。用于實(shí)驗(yàn)研究的調(diào)質(zhì)劑有無水氨、氨溶液、硫酸、三氧化硫、磷酸、氯化鈉等，目前應(yīng)用較多的調(diào)質(zhì)劑是SO3。
在國外，SO3調(diào)質(zhì)技術(shù)己經(jīng)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，被不少公司采用。例如在過去20年中，世界各地大電廠安裝應(yīng)用了500多臺由美國Wellco公司研發(fā)的SO3煙氣調(diào)質(zhì)裝置，并且運(yùn)行效果良好。我國在新世紀(jì)初就對煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并且在多家電廠測試應(yīng)用，例如華潤電力登封有限公司一期2×320MW機(jī)組電除塵器原先的除塵效率只有98.5%左右，引入煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)后，除塵效率大于99.8%。
煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)可保留電除塵器阻力低、可靠性高的特點(diǎn)。調(diào)質(zhì)系統(tǒng)具有集成度高、全自動控制、維護(hù)費(fèi)用低、操作靈活、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合老機(jī)組的提效改造。針對高比電阻工況下提高除塵效率也是一項(xiàng)實(shí)用的補(bǔ)丁技術(shù)。需要注意的是，煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)并不適用于所有工況，需要對煤種、煙氣條件和煙塵性質(zhì)分析后使用。

3各新式除塵技術(shù)綜合比較
各新式除塵技術(shù)比較見表1。
 
4建議與展望
燃煤鍋爐排放的大量粉塵已經(jīng)給大氣環(huán)境和人類健康帶來了嚴(yán)重威脅，國家對工業(yè)粉塵的治理已經(jīng)提高到一個前所未有的高度。節(jié)能環(huán)保行業(yè)被列為國家七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之首，在“十二五”期間，工業(yè)煙氣除塵行業(yè)將面臨更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)大多除塵設(shè)備相對老舊，煙塵排放量遠(yuǎn)不能達(dá)到低于30mg/m3的新要求。結(jié)合我國目前除塵現(xiàn)狀，提出以下建議:
1)逐步淘汰老舊除塵設(shè)備，找到相對適合改造的新除塵技術(shù)。對新建燃煤電廠的常規(guī)除塵器進(jìn)行升級改造，使其達(dá)到新的煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)。
2)加快除塵新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，積極引進(jìn)國外已成功工業(yè)化的新式除塵技術(shù)，開發(fā)和示范適合我國國情的煙氣除塵技術(shù)。更多濾芯材料請?jiān)L問www.hemaxy.com
3)針對PM2.5排放控制，結(jié)合新除塵技術(shù)對我國煤種適應(yīng)性的研究，進(jìn)一步對新技術(shù)優(yōu)化集成，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保與清潔電力生產(chǎn)的目標(biāo)。