曹辰雨，李 貞，任建興，李芳芹，吳 江

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

我國煙塵排放總量每年為1.416×107t，其中工業(yè)粉塵排放量每年為6.17×106t.全國城市中總懸浮微粒的平均濃度為108～815 μg/m3，北方城市的平均濃度為4 075 μg/m3，南方城市的平均濃度為 2 515 μg/m3［1］.隨著《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13223—2011版新標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，火電廠燃煤鍋爐機(jī)組粉塵排放濃度將提高到30 mg/m3［2］.國家環(huán)保局也首次將 PM2.5 的檢測值列入大氣監(jiān)測數(shù)據(jù).PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物.其直徑不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20.雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響.PM2.5主要來源于煤的高溫燃燒，是煙氣中毒害性最大的成分，能吸附多種有毒物質(zhì)并通過呼吸道直達(dá)肺部，甚至進(jìn)入血液系統(tǒng)，導(dǎo)致心血管病等疾病的產(chǎn)生.因此，采用效率高、排放濃度低、適應(yīng)性強(qiáng)的新型除塵設(shè)備是燃煤電廠的必然選擇.

1 燃煤電廠的除塵技術(shù)

燃煤電廠排放的顆粒物約占我國排放顆粒物總量的30%，約占燃煤排放顆粒物總量的40%［3］，其粒徑一般介于 l～100 μm，主要由 SiO2和 A12O3構(gòu)成的玻璃體組成［4］.

由于微粒的直徑過于細(xì)小，所以對(duì)電廠除塵設(shè)備要求較高.靜電除塵器、布袋除塵器、電袋復(fù)合式除塵器是針對(duì)電廠粉塵控制要求所研制的除塵設(shè)備.

在現(xiàn)階段，靜電除塵器是我國燃煤電廠的主要除塵設(shè)備，然而隨著國家新排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，靜電除塵技術(shù)已經(jīng)不能滿足對(duì)微小顆粒的排放控制的要求，很多電廠開始采用布袋除塵器，將排放出的顆粒粒徑控制在PM10以內(nèi).

1.1 靜電除塵技術(shù)

靜電除塵器的工作原理是:含有粉塵的煙氣流經(jīng)除塵器內(nèi)部高壓電場時(shí)，由于陰極發(fā)生電暈放電，氣體被電離，此時(shí)帶負(fù)電的氣體離子與粉塵顆粒相撞，粉塵獲得離子而荷電，荷電粒子在電場力的作用下，向集塵級(jí)移動(dòng)并吸附在集塵極上，然后再通過機(jī)械振打或水洗方式，使粉塵脫離集塵極［5］.靜電除塵器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 靜電除塵器結(jié)構(gòu)示意

與其他除塵設(shè)備相比，靜電除塵器的耗能少，除塵效率高，適用于除去煙氣中0.01～50 μm的粉塵，而且可用于煙氣溫度高、壓力大的場合.實(shí)踐表明，處理的煙氣量越大，使用靜電除塵器就越經(jīng)濟(jì).靜電除塵器設(shè)計(jì)除塵效率在99.5%以上，但在運(yùn)行過程中自身存在著一定的局限性.

粉塵荷電是電除塵的關(guān)鍵步驟，電暈電場中存在兩種荷電機(jī)理:一是靜電力使離子做定向運(yùn)動(dòng)，粒子碰撞離子荷電，稱為電場荷電;二是由離子的擴(kuò)散引起粒子荷電，稱為擴(kuò)散荷電，該過程取決于離子的熱能.粒徑?jīng)Q定粒子的主要荷電過程，粒徑大于0.5 μm 的微粒，以電場荷電為主;粒徑小于0.15 μm的微粒，以擴(kuò)散荷電為主;粒徑介于0.15 ～0.5 μm 的粒子，則需要同時(shí)考慮這兩種過程［6］;粒徑在1 μm 左右的顆粒處于電場荷電和擴(kuò)散荷電混合區(qū)，荷電能力差.研究表明，靜電除塵器對(duì)粒徑在0.1～3.0 μm 的粉塵脫除率較低，其中粒徑為0.1～1.0 μm 粉塵的脫除率最低［7］，通常低于85%.收塵后的氣體含塵量一般在30～50 mg/m3，若要進(jìn)一步降低含塵量，則要增大除塵器的體積，投資成本較高.此外，靜電除塵器的除塵效率受諸多因素(如電極結(jié)構(gòu)和形狀、煙氣流速、飛灰特性等)影響，波動(dòng)較大;對(duì)煤種的變化敏感，設(shè)計(jì)驅(qū)進(jìn)速度命中率低;粉塵電阻比過小易造成二次揚(yáng)塵，而粉塵電阻比過大則會(huì)產(chǎn)生反電暈現(xiàn)象，導(dǎo)致除塵效率迅速下降.

1.2 布袋除塵技術(shù)

布袋除塵技術(shù)的工作原理是:塵粒在繞過濾布纖維時(shí)因慣性力作用與纖維碰撞、摩擦而被攔截，細(xì)微的塵粒(粒徑為1 μm或更小)則受氣體分子沖擊(布朗運(yùn)動(dòng))不斷改變運(yùn)動(dòng)方向，由于纖維間的空隙小于氣體分子布朗運(yùn)動(dòng)的自由路徑，塵粒便與纖維碰撞接觸而被分離出來.其工作過程與布袋材料、編織方法、纖維的密度及粉塵的擴(kuò)散、慣性、質(zhì)量和靜電特性等因素及清灰方式有關(guān)［8］.布袋除塵器的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 布袋除塵器結(jié)構(gòu)示意

袋式除塵器能更有效地捕集微細(xì)粒塵，尤其對(duì)0.1～1 μm的煙塵捕集效果好，除塵效率可達(dá)99.99%以上.

若同時(shí)采取輔助措施，如采用覆膜濾料等，能有效提高PM2.5的脫除率，并協(xié)同脫除 As，Se，Hg等重金屬、硫氧化物和氮氧化物.目前布袋除塵技術(shù)越來越受到國內(nèi)外燃煤電廠的青睞.

在實(shí)際運(yùn)行中，布袋除塵技術(shù)自身也存在一定的缺陷:布袋除塵器對(duì)氣體的濕度有一定的要求，在收集濕度高的含塵氣體時(shí)，需要采取保濕措施，以免因結(jié)露而造成“糊袋”;對(duì)于不同類型的氣體，需選用相應(yīng)類型的布袋，且需要經(jīng)常更換布袋，布袋消耗量較大;對(duì)于高溫氣體，必須采取降溫措施;阻力較大，一般壓力損失為1 000～1 500 Pa，接收粒徑大的含塵氣體時(shí)，布袋較易磨損.

1.3 電袋復(fù)合除塵技術(shù)

電袋復(fù)合除塵技術(shù)的工作原理是:含塵煙氣經(jīng)進(jìn)口喇叭內(nèi)氣流分布板的作用，均勻地進(jìn)入收塵電場，大部分粉塵在電場中荷電，并在電場力作用下向收塵極沉積.當(dāng)有規(guī)律地振打收塵極時(shí)，被收集的粉塵從極板上脫落并落入下部灰斗.含有少量粉塵的煙氣少部分通過多孔板進(jìn)入袋收塵區(qū)，而大部分煙氣折向下部，然后由下而上地進(jìn)入袋收塵區(qū).當(dāng)含塵煙氣通過濾袋(外濾式)時(shí)，粉塵被阻留在濾袋表面，純凈煙氣從濾袋內(nèi)腔進(jìn)入上部的凈氣室，再經(jīng)提升閥進(jìn)入煙道排出［9］.電袋復(fù)合除塵器結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 電袋復(fù)合除塵器結(jié)構(gòu)示意

電袋復(fù)合除塵器的主要特點(diǎn)有以下4個(gè)方面.

(1)技術(shù)安全可靠，機(jī)理科學(xué)，除塵效率高.常規(guī)靜電除塵器除去煙氣中80%～90%的粉塵通常只需要一級(jí)電場即可實(shí)現(xiàn)，其他電場僅用來除去剩余10%～20%的粉塵.電袋復(fù)合式除塵器充分利用了靜電除塵器的這一特點(diǎn)，只利用第一電場，剩下的細(xì)微粉塵的清除由布袋除塵單元完成，這樣就發(fā)揮了布袋除塵器對(duì)超細(xì)粉塵去除率高的特點(diǎn).同時(shí)，電袋復(fù)合式除塵器利用靜電除塵、布袋除塵兩種成熟的除塵技術(shù)，除塵效率可達(dá)99.9%以上，使煙塵排放質(zhì)量濃度降至 50 mg/m3，甚至 30 mg/m3以下［10］.如單獨(dú)使用布袋除塵器，PM2.5的分級(jí)效率為88.92%，而使用電袋復(fù)合除塵器，PM2.5的分級(jí)效率為98.46%，增加了10%左右，這說明電袋復(fù)合除塵器在PM2.5的脫除方面有著較為明顯的優(yōu)勢［11］.

(2)不受粉塵特性的影響，適應(yīng)性強(qiáng).常規(guī)靜電除塵器的除塵效率受煤種、鍋爐負(fù)荷和工況、粉塵電阻比等諸多因素的影響，造成運(yùn)行穩(wěn)定性差甚至不能正常工作.而這種聯(lián)合式除塵技術(shù)發(fā)揮了布袋除塵器煤種適應(yīng)范圍廣、受鍋爐負(fù)荷變化及煙氣波動(dòng)量影響小、不受粉塵電阻比影響的優(yōu)點(diǎn)，使整體除塵效率更加穩(wěn)定可靠［12］.

(3)阻力低，壓降小，濾袋壽命長［13］.利用電除塵系統(tǒng)，電袋復(fù)合式除塵器可以除去80%～90% 的大顆粒粉塵，減輕了主要成分為SiO2和A12O3的粉塵對(duì)布袋的沖刷和磨損;去除80% ～90%的大顆粒粉塵后，大大減輕了后級(jí)布袋除塵系統(tǒng)的“負(fù)擔(dān)”，延長了布袋除塵系統(tǒng)的清灰周期，降低了布袋除塵系統(tǒng)的運(yùn)行阻力，減少了因清灰對(duì)布袋的“損害”，延長了濾袋的使用壽命.

(4)占地空間小，投資和運(yùn)行費(fèi)用低.如果單獨(dú)使用靜電除塵器除塵，要使煙氣排放質(zhì)量濃度達(dá)到新的國家排放標(biāo)準(zhǔn)，就需要增加占地，占地空間的增大勢必會(huì)增加初投資，而電袋復(fù)合除塵器可以在相對(duì)較小的空間里達(dá)到人們所期望的除塵效果.

綜上所述，靜電除塵器對(duì)0.1～1.0 μm 粉塵的脫除率最低，而布袋除塵器對(duì)此范圍內(nèi)的粉塵顆粒脫除率較高，彌補(bǔ)了靜電除塵器對(duì)不同直徑粉塵顆粒脫除效果不同的缺陷.而電袋復(fù)合除塵器具備了靜電除塵器與布袋除塵器對(duì)不同直徑范圍粉塵顆粒脫除效果的優(yōu)勢，其脫除效率可達(dá)99.9%以上，很好地滿足了燃煤電廠粉塵排放的要求.在實(shí)際運(yùn)行中，靜電除塵器對(duì)粉塵性質(zhì)較為敏感，而燃煤電廠所使用的煤，其成分含量不可能一成不變，這就可能對(duì)靜電除塵器的脫除效率產(chǎn)生較為明顯的影響.而布袋除塵器與電袋復(fù)合除塵器對(duì)粉塵的適應(yīng)能力要明顯強(qiáng)于靜電除塵器.

2 除塵設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3種除塵方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較如表1所示［9］.

表1 不同除塵方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

由表1可知，對(duì)于同一臺(tái)機(jī)組，要達(dá)到煙塵排放要求，使用布袋除塵器與電袋復(fù)合除塵器占地面積要小于靜電除塵器;在初投資方面，電袋復(fù)合除塵器最少，靜電除塵器介于兩者之間.然而在實(shí)際運(yùn)行中，靜電除塵器耗能最大，電袋復(fù)合除塵器的耗能要遠(yuǎn)小于其他兩類除塵設(shè)備.因?yàn)橐ㄆ跈z修換袋，布袋除塵器的后期維護(hù)費(fèi)用較其他兩類除塵設(shè)備要高，因此采用高效、耐用、經(jīng)濟(jì)的布袋材料是降低布袋除塵器運(yùn)行維護(hù)成本的關(guān)鍵.

3 結(jié)論

(1)電袋復(fù)合除塵器結(jié)合了兩種除塵器的優(yōu)點(diǎn)，能有效提高對(duì)微細(xì)粒子的捕集效率，除塵效率可達(dá)99.9%以上.對(duì)PM2.5的脫除效果最佳.

(2)電除塵操作要求高，如果操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致除塵效率明顯下降.布袋除塵器和電袋復(fù)合除塵器操作相對(duì)容易，然而在后期維護(hù)中布袋除塵器的維護(hù)較困難，電袋復(fù)合除塵器可在相對(duì)較長的工作周期中穩(wěn)定運(yùn)行.

(3)電袋復(fù)合除塵器初期投資少，占地規(guī)模小，電耗少，每年的維護(hù)費(fèi)用較低，可成為今后燃煤電廠除塵技術(shù)的發(fā)展趨勢.

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