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 摘要：介紹了現(xiàn)階段國(guó)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(duì)近年來(lái)國(guó)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(píng)述,展望了國(guó)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(guó)是煤炭消費(fèi)大國(guó)，每年消耗原煤約21.5億t，約70%被燃煤電廠使用。我國(guó)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(huì)產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，其中細(xì)微粉塵PM2.5會(huì)引起心肺呼吸道疾病，同時(shí)也會(huì)引起灰霾天氣，導(dǎo)致大氣能見(jiàn)度下降。
國(guó)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(xiě)入國(guó)標(biāo)，并納入各省市的強(qiáng)制監(jiān)測(cè)范疇;2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)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(tái)，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(duì)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(duì)PM2.5的排放控制，成為燃煤電廠亟待解決的難題。

1我國(guó)煙氣除塵技術(shù)現(xiàn)狀
目前我國(guó)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(guó)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(guó)火電廠各除塵方式所占比例見(jiàn)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(chǎng)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(dòng)而沉積在極板上，使積灰通過(guò)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(duì)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(duì)高比電阻粉塵、細(xì)微煙塵捕集困難，運(yùn)行工況變化對(duì)除塵效率也有較大影響。另外其不能捕集有害氣體，對(duì)制造、安裝和操作水平要求較高。
對(duì)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(guò)濾和清灰兩部分。過(guò)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(guò)濾捕集粉塵是利用濾料進(jìn)行表面過(guò)濾和內(nèi)部深層過(guò)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(shí)，清灰機(jī)構(gòu)將清除濾袋表面煙塵，使除塵器保持過(guò)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(shí)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(guò)2500Pa。另外，濾袋易破損、脫落，舊袋難以有效回收利用。
美國(guó)環(huán)保署的環(huán)境技術(shù)認(rèn)證(EnvironmentalTechnologyVerification，ETV)項(xiàng)目對(duì)ePTFE覆膜濾料做過(guò)的性能檢測(cè)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(duì)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(gè)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(guò)程是，含塵煙氣進(jìn)入除塵器后，70%～80%的煙塵在電場(chǎng)內(nèi)荷電被收集下來(lái)，剩余20%～30%的細(xì)煙塵被濾袋過(guò)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(wèn)題。
電袋復(fù)合式除塵器的改進(jìn)有三個(gè)方面:優(yōu)化靜電除塵單元和袋式除塵單元的長(zhǎng)時(shí)間協(xié)同作用以及相對(duì)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(duì)PM2.5的排放控制不佳。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guó)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(guò)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(chǎng)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(guó)、中國(guó)等國(guó)家的8家電廠中使用，測(cè)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(guó)家“863”課題“超細(xì)顆粒物聚并新技術(shù)開(kāi)發(fā)”，從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面對(duì)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(zhǎng)沙理工大學(xué)合作，設(shè)計(jì)了2臺(tái)超細(xì)顆粒聚并器，并在大唐湖南耒陽(yáng)電廠300MW鍋爐機(jī)組上開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，目前仍在考核實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(duì)PM2.5有效控制，工藝簡(jiǎn)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(cè)試階段需要解決的問(wèn)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(duì)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(guò)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(tái)機(jī)組(3×700MW+2×1000MW)使用濕式靜電除塵器后，其排放濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在2～5mg/m3，遠(yuǎn)低于日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和新國(guó)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(guó)重型機(jī)械研究院有限公司設(shè)計(jì)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(cè)煙塵排放遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)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(duì)煙氣有洗滌作用，對(duì)煙氣的脫硫及去除重金屬離子有一定作用，尤其對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，對(duì)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(gè)小塊極板固定在板鏈上低速旋轉(zhuǎn)，極板由原來(lái)的整體壓型板改為小塊極板，通過(guò)板鏈帶動(dòng)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(shí)也解決了高比電阻粉塵的“反電暈”問(wèn)題]。
早在20世紀(jì)70年代，國(guó)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(dòng)電極式電除塵技術(shù)(MEEP)。在我國(guó)，自2010年以來(lái)，浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰狙邪l(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(guò)測(cè)試，該除塵器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)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(chǎng)改成旋轉(zhuǎn)電極式電場(chǎng)，特別適合于老機(jī)組電除塵器改造。同時(shí)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(duì)復(fù)雜，對(duì)制造和安裝工藝要求較高，具有一定的局限性。另外，其長(zhǎng)時(shí)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(guò)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(dòng)直流，供給電除塵器電場(chǎng)。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(guò)對(duì)常規(guī)靜電除塵器和高頻脈沖電源式除塵器做對(duì)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而無(wú)火花或閃絡(luò)現(xiàn)象。我國(guó)于21世紀(jì)初開(kāi)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(hào)機(jī)組(1000MW)節(jié)能改造，采用國(guó)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(cè)，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(shuō)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(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)也激勵(lì)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(huì)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(duì)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(wú)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(guó)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(guò)去20年中，世界各地大電廠安裝應(yīng)用了500多臺(tái)由美國(guó)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(guó)在新世紀(jì)初就對(duì)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(cè)試應(yīng)用，例如華潤(rùn)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(dòng)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(duì)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(duì)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(jiàn)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(lái)了嚴(yán)重威脅，國(guó)家對(duì)工業(yè)粉塵的治理已經(jīng)提高到一個(gè)前所未有的高度。節(jié)能環(huán)保行業(yè)被列為國(guó)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(guó)內(nèi)大多除塵設(shè)備相對(duì)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(guó)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(duì)適合改造的新除塵技術(shù)。對(duì)新建燃煤電廠的常規(guī)除塵器進(jìn)行升級(jí)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(guó)外已成功工業(yè)化的新式除塵技術(shù)，開(kāi)發(fā)和示范適合我國(guó)國(guó)情的煙氣除塵技術(shù)。更多濾芯材料請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.jbmtpc.com
3)針對(duì)PM2.5排放控制，結(jié)合新除塵技術(shù)對(duì)我國(guó)煤種適應(yīng)性的研究，進(jìn)一步對(duì)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)。