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燃煤锅炉烟气除尘技术的现状及进展 陈冬林吴康曾稀 长沙理工大学 能源与动力工程学院， 长沙 410004 摘要 介绍了现阶段国内燃煤锅炉烟气除尘技术，包括静电除尘、 袋式除尘和电袋复合除尘的原理、 特点和改进方向， 并对近年来国内外发展的烟气除尘新技术的原理及研究现状进行评述， 展望了国内燃煤锅炉烟气除尘技术的发展前 景与技术方向。 关键词 燃煤锅炉;除尘技术;新技术;PM2. 5 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409016 ＲEVIEW ON TECHNOLOGY FOＲ DUST ＲEMOVAL FＲOM FLUE GAS OF COAL- FIＲED BOILEＲS Chen DonglinWu KangZeng Xi School of Energy and Power Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China AbstractThe present technologies for dust removal from flue gas， such as electrostatic precipitation， bag hose precipitation and electric and bag composite precipitation were discussed． Principles， characteristics and improvement direction of then were introduced． Then the situation of application and principle of new technologies for dust removal from flue gas developed in recent years were commented． As well as the development of technology for dust removal from flue gas of coal- fired boilers in China was presented． Keywordscoal- fired boilers;dust removal technology;new technology;PM2. 5 收稿日期 2013 －10 －24 我国是煤炭消费大国， 每年消耗原煤约 21. 5 亿 t， 约 70被燃煤电厂使用 ［1 ］。我国能源结构决定了以 煤炭为主的火力发电格局。煤炭燃烧会产生大量的 粉尘颗粒， 其中细微粉尘 PM2. 5会引起心肺呼吸道疾 病，同时也会引起灰霾天气， 导致大气能见度下降。 国家环保部于 2011 年发布了 GB 132232011 火电厂大气污染物排放标准 ， 规定火力发电锅炉 烟尘排放浓度最高限值为 30 mg/m3， 重点地区最高 限值为 20 mg/m3; 2012 年发布 GB 30952012环境 空气质量标准 ， 将 PM2. 5写入国标， 并纳入各省市的 强制监测范畴; 2013 年国务院发布大气污染防治行 动计划 ， 明确了具体任务， 提出了十条具体措施。 随着各文件的出台， 燃煤锅炉除尘领域面临着前所未 有的压力和挑战， 仅靠对现有除尘器的常规改造， 很 难满足新的烟尘排放标准。特别对 PM2. 5的排放控 制， 成为燃煤电厂亟待解决的难题。 1我国烟气除尘技术现状 目前我国电除尘器的生产规模和使用数量均居 世界首位， 电除尘技术接近世界先进水平。布袋除尘 器的技术核心在于滤料， 随着材料科技的不断进步， 袋式除尘技术得到广泛应用。电袋复合除尘技术是 基于静电除尘和袋式除尘两种成熟的除尘理论， 由我 国自行研发提出的新型除尘技术， 近几年已在多家电 厂成功应用。我国火电厂各除尘方式所占比例见 图 1。 图 1我国火电厂各除尘方式所占比例 Fig．1Proportion of different dust removal technologies for thermal power plants in China 07 环境工程 Environmental Engineering 1. 1静电除尘技术 静电除尘器 ESP 的主要工作原理是在电晕极 和收尘极之间通上高压直流电， 所产生的强电场使气 体电离、 粉尘荷电，带有正、 负离子的粉尘颗粒分别 向电晕极和收尘极运动而沉积在极板上， 使积灰通过 振打装置落进灰斗。 由于静电除尘器基于荷电收尘机理， 静电除尘器 对飞灰性质 成分、 粒径、 密度、 比电阻、 黏附性等 十 分敏感， 特别对高比电阻粉尘、 细微烟尘捕集困难， 运 行工况变化对除尘效率也有较大影响。另外其不能 捕集有害气体， 对制造、 安装和操作水平要求较高。 对现有静电除尘器提效改造技术有三种可行方 向 改进静电除尘器 包括静电除尘器扩容、 采用电 除尘新技术及多种新技术的集成 、 电袋复合除尘技 术、 湿式电除尘技术。 1. 2袋式除尘技术 袋式除尘器的主要工作原理包含过滤和清灰两 部分。过滤是指含尘气体中粉尘的惯性碰撞、 重力沉 降、 扩散、 拦截和静电效应等作用结果。布袋过滤捕 集粉尘是利用滤料进行表面过滤和内部深层过滤。 清灰是指当滤袋表面的粉尘积聚达到阻力设定值时， 清灰机构将清除滤袋表面烟尘， 使除尘器保持过滤与 清灰连续工作。 袋式除尘器最大缺点是受滤袋材料的限制， 在高 温、 高湿度、 高腐蚀性气体环境中， 除尘时适应性较 差。运行阻力较大， 平均运行阻力在 1 500 Pa 左右， 有的袋式除尘器运行不久阻力便超过 2 500 Pa［2 ］。 另外， 滤袋易破损、 脱落， 旧袋难以有效回收利用。 美国环保 署 的 环 境 技 术 认 证 Environmental Technology Verification， ETV 项目对 ePTFE 覆膜滤料 做过的性能检测发现滤料覆膜可一定程的地控制 PM2. 5和消除有害气体［3 ］， 此项目对袋式除尘技术的 发展有较好的引导作用。改进袋式除尘器可从三个 方面进一步研究 滤料覆膜， 滤料的改进创新， 旧袋的 有效回收利用。 1. 3电袋复合除尘技术 电袋复合式除尘器的工作过程是， 含尘烟气进入 除尘器后， 70 ～80的烟尘在电场内荷电被收集下 来， 剩余 20 ～ 30 的细烟尘被滤袋过滤收集。电 袋复合式除尘器兼容了静电除尘器和袋式除尘器的 优点， 较好的弥补了两者的不足， 除尘机理科学合理。 电袋复合式除尘器主要有臭氧腐蚀、 运行阻力较 高、 投资大、 占地面积大等缺点， 滤袋寿命短及换袋成 本高仍是其重要问题。 电袋复合式除尘器的改进有三个方面 优化静电 除尘单元和袋式除尘单元的长时间协同作用以及相 对结构布置， 消除静电除尘单元产生的臭氧， 滤料的 技术创新。 2烟气除尘新技术 由于种种实际因素， 上述三种除尘器很难满足烟 气出口排尘量低于30 mg/m3的新标准， 尤其对 PM2. 5 的排放控制不佳。近年来， 国内外学者对除尘新技术 进行了大量的理论研究和实验论证， 如聚并技术、 湿 式电除尘技术、 旋转电极技术、 高频电源技术、 烟气调 质技术， 许多技术已获得突破性进展并初步开始应 用， 但仍需完善和改进。 2. 1聚并技术 聚并是指微细粉尘通过物理或化学的途径互相 接触、 碰撞而结合成较大颗粒的过程。微细烟尘聚并 成较大颗粒后， 更容易被除尘器捕集， 提高了微细烟 尘的脱除效率。当前国内外研究的聚并技术主要有 电聚并、 湍流凝并、 声聚并、 蒸汽相变聚并、 化学聚并 和光聚并等。 电聚并是各聚并技术中最实用有效的方法。电 聚并是通过细颗粒荷电， 促使细颗粒相互吸引、 碰撞、 聚并， 使细颗粒团聚成大颗粒。电聚并的效果取决于 粒子的浓度、 粒径、 电荷的分布以及外电场的强弱 图 2 。 图 2电聚并原理示意 Fig．2Principle of particle agglomeration in electric field 澳大利亚 Indigo 英迪格 技术有限公司于 2002 年推出了 Indigo 凝聚器工业产品， 至 2008 年 10 月， Indigo 凝聚器已经在澳大利亚、 美国、 中国等国家的 8 家电厂中使用， 测试结果表明， PM2. 5、 PM1. 0排放可 分别减少 80、 90 以上 ［4 ］。自 2007 年始， 华北电 力大学和北京大学共同参与国家“863” 课题“超细颗 粒物聚并新技术开发” ， 从实验和理论计算两方面对 超细颗粒物湍流聚并技术进行了大量研究， 自行研发 17 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 出一套双极荷电 － 湍流聚并装置 ［5 ］。此外， 自 2011 年始， 北京大学与长沙理工大学合作， 设计了 2 台超 细颗粒聚并器， 并在大唐湖南耒阳电厂 300 MW 锅炉 机组上开展了实验研究， 目前仍在考核实验， 测试结 果中超细颗粒聚并效果显著。 该技术不仅能较大幅度提高除尘效率， 还能对 PM2. 5有效控制， 工艺简单可靠， 有广阔的应用前景。 由于电聚并器一般安装在电除尘器的烟道前， 其安装 空间受到了一定限制。另一方面因烟道内气流速度 大， 不适用于收集磨琢性强的烟尘。此外， 如何减少 在电聚并器段的压力损失也是目前测试阶段需要解 决的问题。 2. 2湿式电除尘技术 湿式电除尘技术与干法静电除尘技术对粉尘捕 集的原理基本相同， 两者结构也类似。所不同的是清 灰方式， 湿式除尘器取消了传统的机械振打清灰方 式， 通过烟气与水接触使飞灰沉降。根据湿式除尘器 原理和结构的不同， 有自激式除尘、 麻石水膜除尘、 喷 淋式除尘三种主要形式。 日本中部电力碧南电厂五台机组 3 700 MW 2 1 000 MW 使用湿式静电除尘器后， 其排放浓度 长期稳定在 2 ～ 5 mg/m3， 远低于日本国家标准和新 国标的要求， 表明湿式静电除尘器能高效地除去烟气 中的烟尘 ［6 ］。2010 年， 由中国重型机械研究院有限 公司设计的湿式电除尘器应用于浙江某工业窑炉生 产线， 实测烟尘排放远低于设计值 30 mg/m3 达到 20 mg/m3以下， 最低可达到12 mg/m3， 且设备运行稳 定 ［7 ］。湿式静电除尘器冲洗水对烟气有洗涤作用， 对烟气的脱硫及去除重金属离子有一定作用， 尤其对 控制 PM2. 5效果明显 图 3 。 湿式静电除尘器也有一些缺陷 湿式静电除尘器 布置在脱硫系统后， 场地空间受限制; 虽然湿式静电 除尘系统的冲洗水采用闭式循环， 但由于水中含尘量 增加， 仍需不断补充原水; 其大量部件长期处于潮湿 环境， 对材料的耐腐蚀性要求较高。 2. 3旋转电极技术 旋转电极式电除尘器与常规电除尘器的除尘原 理完全相同， 在清灰方式上有很大改变。旋转电极是 由若干个小块极板固定在板链上低速旋转， 极板由原 来的整体压型板改为小块极板， 通过板链带动旋转。 其清灰方式采用旋转钢刷清灰， 从根本上改变了常规 电除尘器的振打装置清灰， 彻底避免了振打清灰造成 图 3喷淋式电除尘器喷淋系统示意 Fig．3Spray system of the spray type electrostatic precipitator 的二次扬尘，同时也解决了高比电阻粉尘的“反电 晕” 问题 ［8 ］。 早在 20 世纪 70 年代， 国外就旋转电极技术做了 大量研究。其中日本日立公司首次研发出移动电极 式电除尘技术 MEEP 。在我国， 自 2010 年以来， 浙 江菲达环保科技股份有限公司研发生产的大型燃煤 电站配套旋转电极式电除尘器， 先后应用于内蒙古包 头第一热电厂 300 MW 机组、 内蒙古达拉特电厂 330 MW 机组， 经过测试， 该除尘器各项技术指标达 到或 优 于 设 计 要 求，粉 尘 出 口 排 放 浓 度 达 到 30 mg/m3以下［9 ］。 旋转电极式电除尘器能较大限度地减少二次扬 尘，避免反电晕效应， 从而大幅提高除尘效率， 显著 降低烟气出口 PM2. 5浓度。由于不需另占空间， 只需 将固定电场改成旋转电极式电场， 特别适合于老机组 电除尘器改造。同时也具有常规电除尘器的阻力损 失小， 运行维护费用低等优点 图 4 。 图 4旋转电极结构示意 Fig．4Structure of the rotating collection electrode 27 环境工程 Environmental Engineering 旋转电极式电除尘器也有部分缺陷， 其结构相对 复杂， 对制造和安装工艺要求较高， 具有一定的局限 性。另外， 其长时间稳定运行的可靠性仍需考证。 2. 4高频电源技术 高频电源采用现代电力电子技术， 是将工频交流 经三相整流桥整流成约 530 V 的直流， 再经逆变电路 变成 20 kHz 以上的高频交流电流， 最后通过高频变 压器升压和频整流器整流滤波， 形成 40 kHz 以上的 高频脉动直流， 供给电除尘器电场。其功率控制方法 有脉冲高度调制、 脉冲宽度调制和脉冲频率调制 3 种 方法。目前， 多数高频电源采用的是脉冲频率调制 方法。 Nakhorn Thonglek 等人通过对常规静电除尘器和 高频脉冲电源式除尘器做对比试验发现， 高频脉冲式 除尘器不仅能量消耗低并且除尘效率更高， 可在 9 000 V条件下长时间运行而无火花或闪络现象［10 ］。 我国于 21 世纪初开始自主研制该项技术， 上海外高 桥第三发电有限公司 8 号机组 1 000 MW 节能改 造， 采用国电环境保护研究院研制的 HF- 01 型高频电 源， 在日常运行工况条件下监测， 烟尘排放浓度由 42 mg/m3下降至17 mg/m3， 减排59. 5， 电除尘器能 耗降低 71. 7［11 ］。其结果同样说明高频电源式除尘 器除尘效率高， 并且可以大幅度减少电能损耗。另 外， 其控制方式灵活多样， 可根据电除尘器运行工况 选择最合适的电压波形。 高频电源的成功实践令电源技术水平有质的飞 跃，使电除尘器有更广阔的适用范围。越来越严格 的排放标准也激励着高频电源技术向更成熟、 更完 善、 更现代化的方向发展， 相信高频电源技术将会为 除尘领域做出更大贡献。 2. 5烟气调质技术 烟气调质技术是指在除尘器前对烟气进行调质 处理， 向烟气中注入调质剂， 改变烟尘的一些物理化 学特性， 如飞灰比电阻， 化学成分， 黏附性， 颗粒的形 态等。调质后的烟尘更容易被除尘器捕捉， 从而提高 除尘效率。用于实验研究的调质剂有无水氨、 氨溶 液、 硫酸、 三氧化硫、 磷酸、 氯化钠等， 目前应用较多的 调质剂是 SO3。 在国外， SO3调质技术己经是一项成熟的技术， 被不少公司采用。例如在过去 20 年中， 世界各地大 电厂安装应用了 500 多台由美国 Wellco 公司研发的 SO3烟气调质装置， 并且运行效果良好［12 ］。我国在 新世纪初就对烟气调质技术进行了大量的实验研究， 并且在多家电厂测试应用， 例如华润电力登封有限公 司一期 2 320 MW 机组电除尘器原先的除尘效率只 有 98. 5左右， 引入烟气调质系统后， 除尘效率大于 99. 8［13 ］。 烟气调质技术可保留电除尘器阻力低、 可靠性高 的特点。调质系统具有集成度高、 全自动控制、 维护 费用低、 操作灵活、 占用空间小等优点， 特别适合老机 组的提效改造。针对高比电阻工况下提高除尘效率 也是一项实用的补丁技术。需要注意的是， 烟气调质 技术并不适用于所有工况， 需要对煤种、 烟气条件和 烟尘性质分析后使用。 3各新式除尘技术综合比较 各新式除尘技术比较见表 1。 表 1各新式除尘技术比较 Table 1Comparison of the new dust removal technologies 技术种类 PM2. 5去除率 投资可靠性 聚并技术高小较高 湿式电除尘技术高大较低 旋转电极技术较高较大较低 高频电源技术较高小 有节能效果高 烟气调质技术较低小高 4建议与展望 燃煤锅炉排放的大量粉尘已经给大气环境和人 类健康带来了严重威胁， 国家对工业粉尘的治理已经 提高到一个前所未有的高度。节能环保行业被列为 国家七大战略新兴产业之首， 在“十二五” 期间， 工业 烟气除尘行业将面临更大的机遇和挑战。目前国内 大多除尘设备相对老旧， 烟尘排放量远不能达到低于 30 mg/m3的新要求。结合我国目前除尘现状， 提出 以下建议 1逐步淘汰老旧除尘设备， 找到相对适合改造 的新除尘技术。对新建燃煤电厂的常规除尘器进行 升级改造， 使其达到新的烟尘排放标准。 2加快除尘新技术的研发和应用， 积极引进国 外已成功工业化的新式除尘技术， 开发和示范适合我 国国情的烟气除尘技术。 3针对 PM2. 5排放控制， 结合新除尘技术对我国 煤种适应性的研究， 进一步对新技术优化集成， 实现 绿色环保与清洁电力生产的目标。 参考文献 ［1］国家统计局能源统计司． 中国能源统计年鉴 2011［M］ ． 北京 中国统计出版社， 2011. 下转第 162 页 37 大 气 污 染 防 治 Air Pollution Control 图 6现场运行 NOx去除情况 Fig． 6The removal rate of NOxat operation conditions 参考文献 ［1］水泥行业准入条件． 中华人民共和国工业和信息化部公告 ［ EB］ ． 工原［ 2010］ 127 号． 2010 －11 －16. ［2］胡浩毅． 以尿素为还原剂的 SNCＲ 脱硝技术在电厂的应用 ［ J］． 电力技术， 2009， 3 3 22- 25. ［3］黄荣富，刘学炎，王岳军，等． SNCＲ 脱硝技术在某水泥厂脱 硝工程应用［ J］ ． 环境工程， 2013， 31 S1 409- 411. ［4］范海燕，朱虹，金瑞奔，等． 水泥炉窑 SNCＲ 及 SCＲ 烟气脱硝 技术比较［ J］． 环境工程， 2012， 30 S1 183- 186. ［5］童时中． 模块化原理设计方法及应用［ M］ ． 北京中国标准出 版社， 2000. ［6］胡晓鹏． 模块化整合标准化 产业模块化研究［J］． 中国工业 经济， 2005 9 67- 74. 第一作者 张会来 1989 － ， 硕士研究生， 工程师， 从事大气污染控制 技术研究。huilai． zhang talroad． com． cn 通讯作者 宋宝华 1980 － ， 硕士研究生， 副总工程师， 从事大气污染 控制技术研究。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 baohua． song talroad． com． cn 上接第 73 页 ［2］赵毅， 王志轩， 马双忱， 等． 袋式除尘器在燃煤电厂的应用与前 景［J］． 华北电力大学学报， 2003 6 90- 93. ［3］Johnson P C， Jackson Ｒ． Frictional- collisional constitutive relations for granular materials， with application to plane shearing［J］ ． Journal of Fluid Mechanics， 1987， 176 67- 93. ［4］李奎中， 莫建松． 火电厂电除尘器应用现状及新技术探讨［J］ ． 环境工程技术学报， 2013， 3 3 231- 239. ［5］米建春， 杜诚， 杨立清． 促进颗粒物相互作用的装置及方法 中 国， CN102000472A［P］ ． 2011 －04 －06. ［6］刘鹤忠， 陶秋根． 湿式电除尘器在工程中的应用［J］． 电力勘测 设计， 2012 3 43- 47. ［7］张磊， 李彦涛， 艾华， 等． 燃煤锅炉烟气微细颗粒物控制技术 ［ J］． 工业安全与环保， 2012 6 28- 30. ［8］朱继保． 细颗粒物的电收集技术研究［D］． 杭州 浙江大学， 2010. ［9］王成福． 工业微细粉尘的危害与有效捕集研究［J］ ． 科技通报， 2013， 29 1 185- 189. ［ 10］NakhornThonglek， ChanchaiDechthummarong， Tanongkiat Kiatsiriroat． Soot treatment by using high voltage pulse energized electrostatic precipitator［ J］ ． Energy Procedia， 2011 9 292- 298. ［ 11］朱法华， 李辉， 王强． 高频电源在我国电除尘器上的应用及节能 减排潜力分析［J］． 环境工程技术学报， 2011， 1 1 26- 32. ［ 12］EsperanzaAlvarez，Jess，CariosKnapp， etal． Pilotplant peraner of a SO2to SO3oxidation eatalyst for flue- gas conditioning［ J］ ． Catalysis Today， 2000， 59 417- 422. ［ 13］刘全辉， 邹标， 陈文瑞， 等． 国产化烟气调质设备的成功应用及 经济性分析［ C］∥第十三届中国电除尘学术会议论文集． 青 岛， 2009 561- 569. 第一作者 陈冬林 1963 － ， 男， 教授， 主要从事高效洁净燃烧技术和 污染物排放控制方面的研究。 通讯作者 吴康 1990 － ， 男， 硕士研究生， 主要从事污染物排放控制 方面的研究。243064692 qq． com 261 环境工程 Environmental Engineering