基于高導復合陽極材料（SDD—CF）的燃煤電廠濕煙氣深度凈化裝置研發與應用

胡文森 董志國 王錫勝

摘 要：文章針對燃煤電廠濕煙氣粉塵治理采用濕式靜電電除塵器（WESP）后出現的問題現狀，重點闡述了以研發新型陽極材料為突破口，利用玻璃鋼（FRP）材料的特性，采用特殊工藝配方研制出了高導復合材料SDD-CF，為滿足陽極材料特殊需要，對材料表面進行納米工藝處理，成功研制了基于高導復合陽極新材料SDD-CF的濕式靜電電除塵器，重點解決了濕煙氣除塵設備中設備易腐蝕、防腐困難、設備壽命短問題，并利用高導復合陽極材料SDD-CF的特殊性，對濕式電除塵器整體結構進行優化，解決了濕煙氣逃逸、電場中存在煙氣走廊、存在電暈盲區以及濕式電除塵沖洗水量大、產生二次廢水等諸多問題。該成果成功應用配套某電廠#1、#2機組2014年濕式電除塵技術改造工程，該項工程在當年建成投產并通過環保驗收。該項目投產后運行穩定，節能、環保和社會效益明顯。該成果于2017年8月17日通過中國電機工程協會成果鑒定，總體達到國際先進水平，其中，在新型陽極材料的研發與應用方面居國際領先水平。該項目在2018年被國家能源集團評為科技創新一等獎。截止目前，該成果在國內外已成功應用100多臺（套），為我國燃煤電廠煙氣尾部粉塵綜合治理提供了新的工藝和技術路線。

關鍵詞：高導復合材料；陽極；濕煙氣；煙塵治理

中圖分類號：X773 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0004-04

Abstract： In view of the the problems caused by the treatment of wet flue gas dust in coal-fired power plants by using the wet electrostatic precipitator （WESP）， the characteristics of using the FRP material as the breakthrough point and using the new type of anode material as the breakthrough point are expounded in this paper. In order to meet the special needs of anode materials， the high conductivity composite material SDD-CF was developed using special process formula. A wet electrostatic precipitator based on SDD-CF， a new high conductivity composite anode material， was successfully developed. The problems of easy corrosion， difficult anticorrosion and short life of wet flue gas dust remover are solved， and the whole structure of wet electrostatic precipitator is optimized by using the particularity of high conductivity composite anode material SDD-CF. Many problems have been solved， such as escape of wet flue gas， the existence of flue gas corridor in electric field， the existence of corona blind area， the large amount of water washed by wet electric precipitator and the production of secondary wastewater and so on. This result has been successfully applied to a certain power plant's #1 and #2 units in 2014 wet electric dust removal technology transformation project， the project was completed and put into production in that year and passed environmental acceptance. After the project was put into operation， the operation is stable， energy saving， environmental protection and social benefits are obvious. The achievement， as appraised by the China Electrical Engineering Association on August 17， 2017， has reached the international advanced level， among which， it is the international leader in the research and development and application of new anode materials. The project was awarded the first prize for scientific and technological innovation by the State Energy Group in 2018.

Keywords： high conductivity composite material； anode； wet flue gas； soot treatment

引言

在人們生活水平的不斷提升下，對電力使用需求也越來越高，直接增加了電廠的運行負擔。燃煤電廠作為發電廠的重要組成部分之一，應不斷提高其發電效率，為人們提供更優質的電力能源。燃煤電廠在生產發電的過程中，需要消耗大量的煤炭資源，而煤炭資源在燃燒的過程中會產生大量有毒有害污染氣體和粉塵顆粒，如果直接將其排放到大氣中，將會對環境構成極大的威脅。在環保理念下，燃煤電廠應做好相關的環保工作，在燃煤發電過程中通過有效地處理裝置降低污染氣體的排放量。

2011年環保部發布了GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》，在06版環保標準基礎上對火電廠大氣污染物排放進行了更加嚴格的限制。2012年環保部又發布了GB3095-2012《環境空氣質量標準》，將PM2.5（細顆粒物）寫入國標，并納入各省市強制監測范疇。為滿足新環保標準要求，從2013年起，某電廠結合自身實際，通過廣泛的調研研究工作，把尋求大氣治理、尤其是粉塵治理方面的突破做為企業大氣污染治理工作的重點工作。2014年，某電廠利用高導復合陽極材料在濕式除塵技術的這一新產品技術在濕式電除塵器中的應用，通過對#1、#2機組脫硫系統尾部煙道增加濕式電除塵裝置的技術改造，實現大幅度降低粉塵排放，同步減少“石膏雨”和SO3排放。

1 火電廠濕式電除塵器中陽極的應用現狀

陽極是濕式電除塵器設備的核心部件，其主要作用是作為設備內部陽極導電級，需要滿足燃煤電廠煙氣的腐蝕性條件，并具有良好的導電性能。國內外濕式電除塵器一般采用價格昂貴的合金鋼材質，但由于沒有徹底解決耐腐蝕問題，運行過程中不可避免的帶來二次污染和運行成本高等問題。

同時國內外濕式電除塵器中陽極材料多采用為金屬極板，或者柔性陽極板的濕式電除塵器，需配套用于保護金屬極板不受腐蝕的噴淋系統，噴淋系統在運行過程中不但消耗大量的堿和水，而且產生了新的廢水，由此需再配套建設一套新的廢水處理裝置，整套裝置存在配置復雜，設備易腐蝕、防腐困難、設備壽命短等問題，也存在除塵中濕煙氣逃逸、電場中存在煙氣走廊、電暈盲區以及解決濕式電除塵沖洗水量大、產生二次廢水等諸多問題。

2 復合陽極新材料在濕式電除塵器的研發

某電廠根據自身設備特點和燃煤特性，在#1、#2機組濕式除塵改造工程中對濕式電除塵器陽極進行了重新設計，設計改造為蜂窩式的模塊化導電玻璃鋼陽極。玻璃鋼又稱玻璃纖維增強塑料（又稱FRP），是以玻璃纖維及其制品（如玻璃布、帶、氈、紗等）做為增強材料，以合成樹脂做為基體材料的一種用途廣泛的復合材料。其硬度相當于鋼材，又含有玻璃組分，具有玻璃樣的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能。

玻璃鋼是一種設計自由度大，節能型、使用適應性廣、無需維修且壽命長、開發前景大的材料品種，其同時具有重量輕、比強度高、耐腐蝕、電絕緣性能好、傳熱慢、熱絕緣性好、耐瞬時超高溫性能好等特性。

根據脫硫后煙氣的介質條件，選用玻璃鋼樹脂為環氧乙烯基樹脂，其突出特點是在低壓常溫下易固化，通過固化劑和催化劑的加入可使得樹脂在較大范圍內變性，使樹脂獲得不同的用途。導電玻璃鋼（FRP）的耐腐性主要取決于樹脂的性能，其腐蝕機理主要包括：（1）化學腐蝕作用，從化學角度上分析，樹脂中含有特定的基團，而這些基團將會在堿性、酸性環境中并與腐蝕介質發生一系列的化學反應，在這個過程中物質中的大分子斷裂，從而對結構造成一定的破壞。（2）物理作用，主要是所產生的物理特性，主要會產生膨脹、增塑等現象，并會逐漸溶解，從而造成FRP出現脫皮、鼓泡等物理現象，甚至是造成強度失效。總的來說，FRP設備的材料結構主要由防腐層、防滲層、結構層、外表層由里向外的幾個結構層所組成。該設備所采用的復合結構可以有效形成腐蝕防滲阻擋層，而所產生的負荷則主要結構層來承擔，結構層的材質主要由含量高的玻璃纖維所組成。其中，與介質接觸的最內層是富樹脂層，由表面氈增強耐腐蝕樹脂組成，樹脂含量在90%以上；中間層是結構層，由短切氈與纖維組織物重復交替鋪層得到，樹脂含量在45%左右，厚度由強度設計計算決定；最外層也是富樹脂防腐層，并且一般加有抗老化劑，抗紫外線以防大氣腐蝕及老化，其樹脂含量在90%以上。

從以上數據可以看出，玻璃鋼材料的耐腐蝕性能與腐蝕因子的濃度和溫度等有關。濕式電除塵器內腐蝕介質為煙氣中攜帶的脫硫漿液，其中含有硫酸、亞硫酸、氯離子、氟離子等。

從以上數據可以看出，環氧乙烯基樹脂玻璃鋼具有優異的耐酸堿腐蝕性能。燃煤鍋爐脫硫后煙氣一般為弱酸性介質條件，完全適應環氧乙烯基樹脂玻璃鋼的耐酸堿腐蝕參數。同時，其耐腐蝕性能明顯優于316L、2205、2507、1.4529等金屬材料。

導電玻璃鋼材料利用了以上玻璃鋼材料的耐腐蝕性能，同時由于單一的玻璃鋼材料不具有導電性，研究應用了以玻璃鋼材料為基體，添加增強材料、高碳纖維等功能材料加工而成的復合材料（SDD-CF）。經過試驗，探索出最優樹脂改良特性和組成配比方案，在保證高阻燃性氧指數達到32的條件下，該種復合材料體積電阻率在100Ω·cm以下，使材料特性接近于導體指標，具有與金屬相似的導電性能。

3 高導復合陽極新材料在濕式電除塵器的應用

3.1 解決濕式電除塵器過流部件防腐問題

濕式電除塵器陽極采用了耐腐蝕性能更好的導電玻璃鋼材料，材料本身已經具備了燃煤機組運行工況下的濕煙氣運行要求。從成本上來看，新型材料的應用，一方面解決了金屬濕式電除塵器采用鋼襯鱗片或高級合金材質價格昂貴的問題；另一方面解決了金屬濕式電除塵器殼體鱗片或合金鋼熱膨脹系數差異大，運行過程中易產生裂紋或脫層情況而出現的設備腐蝕，從而首次系統解決了濕式電除塵器的防腐問題。

3.2 解決濕式電除塵器內部結垢問題

通過濕式電除塵器高導復合陽極新材料的應用，解決了濕式電除塵器連續噴淋用水無法實現的難題。由于濕式電除塵器收集的漿液中含有石膏成分，粘結性較強，因此，不論金屬還是其它非金屬電除塵器都需要設置間歇性的沖洗裝置用于設備內部的清洗。而為減少濕式電除塵器的間歇沖洗水量，就要以防結垢為突破口進行研究。一般來說，通過濕式電除塵器收集下來的主要有粉塵、液滴、石膏漿液等，這些成分在重力作用下會被收集到濕式電除塵器底部排出，但由于收集物的粘結性，會造成陽極管壁有粘結，長時間粘結就會造成結垢。玻璃鋼材料級管表面進行了納米處理，其本身疏水性能優于金屬或柔性電極，通過新型材料的應用，提高了疏水性，防止了結垢的產生。

3.3 實現高效噴淋的應用，耗水量大幅減少，有效節約運行成本，解決濕式電除塵二次水污染問題

基于高導復合陽極新材料在濕式電除塵器中應用后對疏水性能的提高，調整了高通量噴淋的分區沖洗方案。通過短時間高通量的分區沖洗，提高一定時間內沖洗水的強度，從而顯著減少了每次沖洗的時間，減少了沖洗水量和二次污染的產生。它具有以下特點：

保持穩定水平衡，耗水量大幅減少。陽極管定期24h～48h沖洗一次，每次每個分區噴淋3～5分鐘，改變以往金屬濕式電除塵器使用堿性連續水膜的現狀。濕式電除塵器收集下來的漿液中不再含有堿性添加劑，漿液成分全部為來自脫硫塔的漿液和粉塵顆粒，可以直接返回脫硫塔回用，不再外排處理，噴淋水可以作為脫硫島補充水，不再造成系統水平衡破壞，節約了大量的脫硫工藝水，有效的降低了環保設備的運行成本。

杜絕了二次污染。在運行過程中不需要噴淋水和堿液，收集下來的液體僅含煙氣中固體顆粒物、氣溶膠等污染物，該液體返回脫硫島中不會產生新的污染。操作簡便、運行免維護、運行成本低。主體設備免維護，運行中僅消耗維持場強所需電量，不需要噴淋水和堿液，收集下來的液體僅含煙氣中固體顆粒物、氣溶自動回流至脫硫系統。

3.4 設備結構緊湊，布置靈活

陽極采用蜂窩六邊型模塊化結構，整體一次模壓成型，結構強度高，占地面積小。煙氣流向可以根據現場實際情況，采用上進下出或下進上出等各種形式，流場阻力小，安裝方便，施工周期短，建設價格更低等鮮明特點。

3.5 有效消除大白煙及石膏雨

大白煙主要是由煙囪中攜帶的水汽造成的。這些水汽的主要形成原因是脫硫過程中形成的液滴顆粒在脫硫塔的機械式除霧器中沒有脫除干凈，進而在離開煙囪后呈現出白煙。石膏雨形成主要原因是煙氣中脫硫漿液在脫硫塔除霧器未處理干凈，帶出煙囪后氣速降低進而就近飄落造成。

某廠針對大型燃煤電廠粉塵治理與探索，利用高導復合陽極新材料在濕式電除塵器中的研發與應用，通過2014年配套#1、#2機組濕式電除塵技術改造工程，改善了尾氣煙囪的外觀，提高了企業煙粉塵中的去除效率。

4 技術經濟性對比分析

基于高導復合材料SDD-CF靜電濕式除塵器，整體性能優于采用柔性電極和金屬電極的濕式除塵器，表3為各項主要指標對比表。

5 社會環境效益

通過高導復合材料陽極在濕式電除塵器中的成功應用，對滿足國家今后更嚴格的環保排放要求，特別是對杜絕石膏雨現象，降低粉塵濃度，減少滴液排放，具有特別重要的意義。

該技術的成功應用解決了大煙氣量煙氣均流、陽極管易腐蝕、柔性電極可靠性差、廢水量大且難處理、運行成本高等諸多問題。該技術成果成功實現投運后，先后在范坪電廠、國電泰州電廠等100多臺國內不同容量大型燃煤電廠正式投入使用。截至目前，設備運行穩定，煙粉塵排放均達到超低排放標準要求，且在成功后在行業內普遍得到認可，得到廣泛推廣使用，取得了巨大的環保效益和社會效益。

參考文獻：

[1]劉濤.煤炭行業上市公司資本運營財務績效研究[D].西南財經大學，2009.

[2]陳曉輝.煤礦地質環境與保護[J].陜西煤炭科技，2011.

[3]王剛.加速濕熱老化后玻纖/環氧復合材料疲勞性能及壽命預測[D].哈爾濱工業大學，2012.

[4]趙永振.水性雜化涂層對玻璃纖維/環氧樹脂復合材料界面性能的影響[D].浙江理工大學，2017.

[5]張海濤.不同技術路線濕式電除塵器技術經濟性比較[J].節能與環保，2015（10）.

[6]謝立紀.新型電除霧器的工業應用情況[J].硫酸工業，1995（04）.

[7]陳文耀，林亮.微機控制技術在硫酸電除塵器（電除霧器）上的應用——介紹GGAJ02（WJ）型微機控制多功能高壓硅整流設備[J].硫酸工業，1993（04）.