燃煤锅炉烟气除尘技术的现状及进展

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。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GB13223—2011《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30mg/m3，重点地区最高限值为20mg/m3;2012年发布GB3095—2012《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。
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1500Pa左右，有的袋式除尘器运行不久阻力便超过2500Pa。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(EnvironmentalTechnologyVerification，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，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30mg/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)。
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。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，自行研发出一套双极荷电-湍流聚并装置。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300MW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(3×700MW+2×1000MW)使用湿式静电除尘器后，其排放浓度长期稳定在2——5mg/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(30mg/m3)达到20mg/m3以下，最低可达到12mg/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的二次扬尘，同时也解决了高比电阻粉尘的“反电晕”问题]。
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300MW机组、内蒙古达拉特电厂330MW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30mg/m3以下]。
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)。
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530V的直流，再经逆变电路变成20kHz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40kHz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。
NakhornThonglek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9000V条件下长时间运行而无火花或闪络现象。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(1000MW)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42mg/m3下降至17mg/m3，减排59.5%，电除尘器能降低71.7%。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。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2×320MW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%。
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。
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30mg/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。