燃煤鍋爐 PM2.5治理技術

蔣 濤，白慧莉，陳 超

（1.陜西省西安市環境保護局，陜西 西安 710021；2.陜西省銅川市環境監測站，陜西 銅川 727000）

1 引言

研究顯示，燃煤污染對PM2.5的貢獻率約占20%～25%，是影響空氣質量優劣的重要因素［1］。燃煤鍋爐煙氣特點在于：燃煤鍋爐生產地點固定，生產過程集中，生產節奏較強，便于煙氣處理和操作；煙塵排量大；由于燃煤鍋爐24h不間斷生產，故煙氣連續排放；煙塵粒度為0.3～200μm，其中小于5μm的占粉煤灰總量的20%。

氣象專家和醫學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大［2］。粒徑10μm以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5～10μm之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5μm以下的細顆粒物，直徑相當于人類頭發的1／10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。每個人每天平均要吸入約1萬升的空氣，進入肺泡的微塵可迅速被吸收、不經過肝臟解毒直接進入血液循環分布到全身；其次，會損害血紅蛋白輸送氧的能力，喪失血液。中國工程院院士、中國環境監測總站原總工程師魏復盛研究結果還表明，PM2.5和PM10濃度越高，兒童及其雙親呼吸系統病癥的發生率也越高，而PM2.5的影響尤為顯著［3］。世界衛生組織在2005年版《空氣質量準則》中也指出：當PM2.5年均濃度達到每立方米35μg時，人的死亡風險比每立方米10μg／m3的情形約增加15%。一份來自聯合國環境規劃署的報告稱，PM2.5每立方米的濃度上升20mg，中國和印度每年會有約34萬人死亡。

因此，控制細顆粒物排放是迫切需要解決的關鍵問題，也是國家節能減排戰略的重大需求。2012年，環保部首次制定出 PM2.5標準，將各方爭議的 PM2.5、臭氧（8h濃度）納入常規空氣質量評介，并收緊了PM10、氮氧化物等標準限值。很顯然，從制定標準到徹底改善環境還有很長的一段路要走，但這是一個良好的開端。下面將介紹幾種目前主流的最有應用前景的PM2.5脫除設備。

2 主要 PM2.5脫除設備

2.1 電袋復合除塵器

電袋復合除塵器，是一種有機集成靜電除塵和過濾除塵兩種除塵機理的新型節能高效除塵器［4］。電袋復合除塵器是在一個箱體內，有規律地布置電場和袋場，達到低排放、節能的目的。自20世紀中葉人們提出將兩種高效的除塵方式有機結合在一起，開發一種更加高效的新型除塵器以來，“靜電布袋”聯合除塵的理論已經比較成熟，迄今主要有以下3種聯合除塵方式。

2.1.1 “預荷電＋布袋”形式

含塵氣流先通過預荷電區，在高壓電場中，粉塵充分荷電并凝并成較大的粒子，然后由袋式除塵器收集。還有的在袋式除塵器內設置電場，可加與荷電塵粒極性相同的電場，也可加與荷電塵粒極性相反的電場。極性相同時，電場力與流場力相反，塵粒不斷透過纖維層，效率很高，同時由于排斥作用，沉積于濾袋表面的粉塵層較疏松，過濾阻力減小，使清灰變得更容易一些。

2.1.2 “靜電布袋”并列式

這種方式是將一排袋濾器和一組電極相間排列，實現了電除塵與袋式除塵機理的有機融合，其形式如圖1所示。它既適用于新建的設備，也適用于老電除塵器的改造。

圖1 并列式靜電－布袋除塵器

2.1.3 “靜電布袋”串聯式

這種形式的聯合除塵方式，前級收塵為電除塵，后級為袋式除塵（圖2）。這種除塵器特別適用于已投產不達標、場地受到限制的電除塵器的改造，一般情況是保留原電除塵器的前級電場，將后級電場改為袋式除塵。由于不增加原電除塵器的寬度、高度，改造的工作量小，施工周期短，投資可低于單獨采用袋式除塵器或電除塵器的費用，同時排放質量濃度可長期穩定保持在50mg／m3以下，性能優越。

圖2 串聯式靜電布袋除塵器

2.2 濕式靜電協同除塵器

濕式靜電協同除塵器（WESP）對粉塵的捕集原理與干式靜電除塵器（ESP）基本相同，都是采用電暈放電的方法使氣體發生電離［5］，產生正離子和自由電子，在放電機和集塵極形成穩定的電暈，使該區域的粉塵顆粒荷電，最終被集塵極捕集。但在捕集粉塵的清灰方式上WESP采用沖刷沖洗集塵極表面凝結形成一層液膜，進而清除捕集的粉塵顆粒；干式ESP則采用機械振打的方式清除集塵極上的積灰。相比而言，濕式靜電除塵器得到更為廣泛的應用。而在日常生產運行中，電除塵器會經常出現一些故障，降低了設備的運行效率，影響到生產正常進行。

常見濕式電除塵器為管式除塵器，主要由沉淀極、電暈極、絕緣子箱、沖洗裝置和煤氣分布裝置構成［6］。沉淀極由相切管束構成，是電除塵器的正極，煤氣中的焦油和塵粒由此捕集。電暈極多由鎳鉻合金制成，被上下吊架拉伸到每個沉淀管的中心，電暈極上的高壓電將煤氣分子電離，負離子附著在焦油和塵埃上，被沉淀極所吸引，從而達到去除焦油和塵粒的目的。電暈極通過高壓電線與高壓電源相連，而高壓電線則通過穿墻套管和柱形絕緣子，接入高壓電源，并承吊電暈極。絕緣子箱夾套內通入蒸汽，給絕緣子保溫，減輕煤氣對其表面的污染，延長使用壽命。沖洗裝置由連續沖洗裝置和間接沖洗裝置組成。連續沖洗水在沉淀管內壁上形成8～10mm厚的均勻水膜，沖洗沉淀極捕集下來的焦油；間接沖洗水有較高的壓力和流量，可較徹底地沖去黏在管壁上的焦油。煤氣分布裝置位于電除塵的底部，由2～3層煤氣分布篩板構成，起到均勻布氣的作用。

目前主要有3種設計方式的WESP。

2.2.1 垂直煙氣流獨立布置

這種方式的系統可以模件形式供貨，然后在現場以多種形式鏈接起來，這種設計便于安裝和維護，廣泛應用于工業領域中，但其需要提供專門的布置空間，AES Deepwater電廠應用的就是這種方式。

2.2.2 水平煙氣流獨立布置

這種方式也被提供給電廠或類似的工業領域，作為模塊式的設計會有困難，與垂直煙氣流獨立布置方式一樣，該布置也需要獨立的空間。Dakota煤氣廠就是應用這種方式。

2.2.3 煙氣垂直流與WFGD系統整體式布置

這種方式是近年來 WESP最常用的布置方式，同時成本和運行費用也是最低的，占地面積也很小。Dalhousie電廠和Coleson Cove電廠用的就是這種方式。

對于 WESP來說，結構材料的選用一直是最主要的問題，在20世紀90年代中期，典型的用于酸霧控制的WESP通常采用防腐的鉛作集塵器和用鉛包裹的高壓電極（板和管子），用鉛保護低碳鋼的高壓支撐系統，以及用鉛在金屬礦表面燒熔并覆蓋從而保護金屬板和框架不受酸性煙氣流的腐蝕。但鉛的機械性能較差，且在運行溫度高于65.6℃時，鉛易于加速機械故障，這些問題導致幾乎每次停機都需要徹底地保養和維修。目前諸如含6%的鉬鋼、C－276等級的合金鋼都在 WFGD系統中得到廣泛的應用。美國俄亥俄州立大學研發的利用織物薄膜取代傳統金屬集塵極的薄膜濕式靜電除塵技術可使成本更低，且防腐性能更佳。

2.3 靜電顆粒層協同除塵器

靜電增強顆粒層除塵器是在顆粒床層中施加靜電，利用靜電吸引和其他幾種機理的共同作用，促使粉塵向顆粒床層滲透，提高床層的利用率，從而提高除塵效率。

靜電顆粒層除塵器（EGB）是一種高效可行的除塵設備，早在19世紀就開始采用顆粒材料過濾流體中的粉塵和雜質，在水泥、煉焦、化工和冶金業得到廣泛運用［7］。其具有耐高溫和高效性等特點，在IGCC和PFBC燃煤聯合循環發電系統燃氣輪機入口煙氣凈化方面得到了重點研究。

靜電顆粒層除塵器的主要優點是：①耐高溫、抗磨損、耐腐蝕；②過濾效率受粉塵比電阻的影響較小，除塵效率較高；③能夠凈化易燃易爆的含塵氣體，并可以除去SO2等多種污染物；④維修費用低。因此廣泛用于高溫煙氣的凈化。靜電顆粒層除塵器的性能有除塵效率、床層阻力和過濾風速，影響靜電顆粒層除塵器的主要因素是床層顆粒的粒徑和床層的厚度。實踐證明：顆粒的粒徑越大，床層的孔隙率也越大，粉塵對床層的穿透越強，除塵效率越低，但阻力損失也比較小；反之，顆粒的粒徑越小，床層的孔隙率越小，除塵的效率就越高，阻力也隨之增加。因此在阻力損失允許的情況下，為提高除塵效率，最好選用小粒徑的顆粒。床層的厚度增加以及床層內粉塵層增加，除塵效率和阻力損失也會隨之而增加。選擇合適的顆粒粒徑配比和最佳的床層厚度是保持顆粒層除塵器良好性能的重要因素。

靜電顆粒層協同除塵器主要是在傳統顆粒層除塵器上依據現場條件選擇一種荷電方式以便達到合理高效協同除塵。目前只有清華大學、武漢大學等少數高校研究其機理，尚未見工業應用報道。

2.4 靜電旋風協同除塵器

靜電增強旋風分離器的基本思想就是在旋風分離器空腔主軸上加入電暈極，在其周圍能產生較高的電子密度Ni和較強的電場力E，增強對細顆粒的控制作用。若近似地把其看做是串聯，那么在下行流區旋風分離起主要作用，脫除掉較大的顆粒，未能分離的小顆粒將隨氣流進入上行區，上行區離電暈極較近，這將使其受到更強的電場力而徑向運動到下行流區直至撞到壁面被捕獲。由于下行流區同樣受到靜電力的作用，對大顆粒的分級效率也將提高，如圖3所示。

圖3 靜電增強旋風分離器

紀萬里等的實驗顯示，當風速為8m／s時，1μm粒徑的分級效率從不加電時的35.5%上升到90.6%；而15μm的升高幅度也達到8.2%［8］。實踐中，這種方式容易出現兩種機理的沖突。如對于入口風速，若太大，顆粒停留時間短，靜電作用降低，分級效率與旋風分離器的效率相似；太小，旋風作用減弱，在較低風速下還會出現類似靜電作用下的某段粒徑分級效率“低谷”。

王志等的實驗顯示，電場為10～25kV時，當風速達到16m／s時，總效率與不加電場時相同［9］。總的來說，在一個較大風速范圍內，效率隨著風速的降低會有所升高。另外，此種系統還有其他一些特點。比如，效率與入口濃度關系不大，在氣體負荷較低的情況下仍能保持較高的除塵效率，可適應負荷變動較大的工況。高速氣流能起到清灰作用，能有效防止后電暈發生，對各種比電阻都有較好的適應性。

現在，國內已有研究人員開始研究在系統中使用脈沖供電技術。所謂脈沖供電技術就是在向除塵器提供的基礎電壓上疊加一定重復頻率、寬度很窄而電壓峰值很高的脈沖電壓。由荷電機理計算可知，顆粒荷電決定于Nit，脈沖電壓能在短時間內產生高密度電子使顆粒荷電飽和，這一方面提高了顆粒荷電，節約電能；另一方面，也對克服高比阻粉塵形成反電暈現象很有作用。

靜電協同旋風除塵器系統對PM2.5有較顯著作用，對于已具有旋風分離器或有特殊要求必須使用旋風分離器而又對細顆粒要求高的情況，可參考此系統進行改造或新建，并建議使用脈沖供電方式，降低運行能耗，減少運行成本。

2.5 旋轉填充床濕式除塵器

旋轉填充床（rotating packed bed，簡稱 RPB），又稱超重機，是一種用離心力強化傳遞、混合及分離的新型設備。其組成結構如圖4所示。用電機帶動一個填有填料（金屬或非金屬）的環形轉子旋轉，液相由轉子內緣進入并在比重力加速度大得多的離心加速度環境下，向外緣高速運動最終被甩出轉子，氣相從轉子最外層進入與液體逆向接觸，并由轉子中心離開。旋轉填充床不僅是一種非常高效的強化傳遞過程的設備，而且是一種高效的混合或分離的設備，它可用于氣－液、氣－固、液－固、液－液和氣－液－固多相系統［10］。

圖4 旋轉床結構示意簡圖

旋轉填充床除塵是濕法除塵過程，氣液在填料層中做逆向接觸進行除塵，與纖維填料床洗滌器類似。但轉旋的填料使液滴更小、分布更均勻，同時氣液相對運動加大，對粉塵的捕集效果更好。在轉子與外殼之間，由轉子甩出的液體與氣相之間接觸進行除塵，類似噴淋式洗滌器。由于填料層內的氣液流動特性有利于液體對粉塵的捕集作用，因此旋轉填充床除塵有如下特點：

（1）除塵作用必然發生在氣液接觸的界面上，氣、液之間相界面越大除塵效果越好，RPB中氣液界面并非只有填料的表面，還有在填料自由空間中的液滴、液絲和液膜，因此除塵效果極佳；

（2）在填料自由空間中，氣體以快于填料的切向速度運動，而液體以慢于填料切向速度運動，因而兩者相對運動的速率較大，這有利于粉塵與液體之間有效碰撞概率的增大，大大提高了除塵效果；

（3）氣體與液體之間并非沿法線方向運動，還有很大的旋轉運動，相當于加長了氣液接觸的途徑，提高了除塵效果；

（4）在轉子外緣處存在氣體的端效應區，此處氣相無邊界層，將有利于粉塵與液體的接觸，使粉塵易于捕集。

3 結語

現在國內許多燃煤鍋爐的除塵系統將在不久的將來進行改造，以適應對PM2.5的脫除要求。因此，根據顆粒物特性及現場要求，可以選取一種或多種除塵設備進行聯合除塵，而采用傳統方式相互組合的工藝，則是高效脫除PM2.5，并能很快在工業上運用的技術。

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