丁承剛，羅漢成，潘衛(wèi)國(guó)

(1.上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心，上海 200090;2.上海電力學(xué)院，上海 200090;

3.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612)

電廠排放的大氣污染物，如硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、細(xì)顆粒物和汞等，已經(jīng)嚴(yán)重影響了人類的生存環(huán)境和身體健康，研究相應(yīng)的控制技術(shù)顯得很有必要.對(duì)于脫硫脫硝，目前已經(jīng)有了比較成熟的濕法煙氣脫硫(WFGD)和選擇性催化還原(SCR)技術(shù).對(duì)于汞的減排，目前已有的相關(guān)研究包括采用活性炭吸附劑[1]、飛灰吸收劑、改基吸收劑等，而采用濕式靜電除塵器(WESP)來(lái)降低汞排放的相關(guān)研究則較少.

WESP最早由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)化學(xué)教授COTTRELL F G提出，并于1907年運(yùn)用于工業(yè)化除塵裝置中.此后，該技術(shù)便不斷發(fā)展，逐步運(yùn)用在冶金制造、水泥生產(chǎn)、造紙、石油和火力發(fā)電等行業(yè)中.其中，對(duì)于燃煤電廠，WESP首次投入使用是在1986年，一般安裝在脫硫系統(tǒng)的后面，主要用于脫除煙氣中SO3水霧、細(xì)顆粒物等，脫除效率可達(dá)90%以上.另外，采用濕式靜電除塵技術(shù)的另一個(gè)目的就是降低煙氣的不透明度.[2]

對(duì)于煙氣中汞的排放，早在2005年3月，美國(guó)作為世界上首個(gè)針對(duì)燃煤電站汞排放實(shí)施限制標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家，頒布了汞排放的相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn).[3]我國(guó)最新出臺(tái)的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)把降低汞的排放作為控制指標(biāo)，[4]隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，相應(yīng)的汞減排技術(shù)亟需進(jìn)一步發(fā)展.

1 濕式靜電除塵器

1.1 原理簡(jiǎn)介

WESP的工作原理如下:金屬放電線在直流高電壓的作用下，在其周圍發(fā)生電離，由此而產(chǎn)生的電暈電流向陽(yáng)極流動(dòng).在流動(dòng)過(guò)程中，如果碰到塵粒，則與塵粒結(jié)合形成帶電粒子，這些粒子在電場(chǎng)中受到庫(kù)侖力的作用而向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng).當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極表面時(shí)，便隨流動(dòng)的水膜水帶走.其除塵過(guò)程可以歸納為以下4個(gè)階段，[5]即:氣體的電離;粉塵獲得離子而荷電;荷電粉塵向電極移動(dòng);將電極上的粉塵清除.

濕式靜電除塵器按結(jié)構(gòu)分為管式和板式兩種基本型式.[6]管式WESP的陽(yáng)極板為多根并列的圓形或多邊形金屬管，放電極均勻分布在極板之間;板式 WESP的陽(yáng)極板呈平板狀，極板間的電暈線均勻布置.

1.2 技術(shù)發(fā)展

1.2.1 采用耐腐蝕金屬板

傳統(tǒng)的WESP陽(yáng)極板材料一般選用硬性材料，如金屬板、玻璃鋼板等，這些材料使用一段時(shí)間后，會(huì)因?yàn)闊煔獾母g使得陽(yáng)極板出現(xiàn)斑點(diǎn)，影響其脫除效率.為此，ORITA K 等學(xué)者[7]提出采用耐腐蝕的合金來(lái)克服此問(wèn)題.他們選用了S30400， S31703， S32506， S31727， S32053，N06022，N10276等7種材料來(lái)做研究，并運(yùn)用電化學(xué)測(cè)量法、應(yīng)力腐蝕測(cè)試法和縫隙腐蝕法來(lái)對(duì)不同材料的耐腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試.其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，S32053抗腐蝕性能好且成本較低，適用于高硫煤、SO3酸霧的pH值在0.5～1之間的情況;若pH值低于0.5，則可以采用N06022或N10276.

1.2.2 采用柔性纖維陽(yáng)極板

陽(yáng)極板除了采用金屬材料外，還可以采用碳纖維、硅纖維和柔性絕緣疏水纖維等，[8]其中采用柔性纖維材料是我國(guó)近年來(lái)研究WESP的一個(gè)方向.

常景彩等人[9]對(duì)采用聚丙烯纖維(丙綸)和滌綸材料作為陽(yáng)極的WESP做了相關(guān)研究.該類材料能夠克服水膜布置不均勻的問(wèn)題，且成本較低、耐酸堿、耐腐蝕.他們針對(duì)丙綸和滌綸這兩種材料的液滴浸入擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究(通常認(rèn)為接觸角越小，潤(rùn)濕性能越好，潤(rùn)濕速度越快)，結(jié)果表明:

(1)水液滴與丙綸織物之間接觸角為136.2°，與滌綸織物的液體接觸角為 52.5°;乙醇液滴與丙綸織物的接觸角為41.9°，與滌綸織物的接觸角為 46.5°.

(2)在擴(kuò)散初期，重力的影響作用較為明顯;到擴(kuò)散后期，液滴表面張力、黏度和慣性力則對(duì)液滴擴(kuò)散特性的影響較大.

1.2.3 脫除極細(xì)顆粒物

為了處理極細(xì)顆粒物或粘稠的細(xì)顆粒物，MIKROPUL H等人[10]研究出了一種濕式靜電除塵器——WEP-TR.它有以下特點(diǎn):

(1)陽(yáng)極板表面不會(huì)形成灰層，從而能夠避免火花放電和二次揚(yáng)塵;

(2)管內(nèi)的電場(chǎng)能夠持續(xù)保持荷電狀態(tài)，降低了使用輔助設(shè)備的可能;

(3)低壓沖刷液膜可以在陽(yáng)極板上形成，便于使用非導(dǎo)電性材料來(lái)適應(yīng)酸性環(huán)境.

WEP-TR的收塵管采用耐腐蝕的聚氯乙烯(PVC)材料.洗滌液沖刷收塵管的內(nèi)表面，在沖刷過(guò)程中形成的水膜會(huì)將荷電的顆粒物脫除.

1.2.4 其他技術(shù)

BOLOGA A等人[11]設(shè)計(jì)了一種帶有電暈氣溶膠分離器(CAROLA)的新型濕式靜電除塵器，由高強(qiáng)度電離區(qū)和接地的無(wú)場(chǎng)收塵區(qū)組成，如圖1所示.電離部分由安裝有短管電極的帶孔接地板組成，收塵部分由一個(gè)安裝在電離區(qū)下游的堆原料的塔組成.

圖1 CAROLA-WESP結(jié)構(gòu)

1.3 應(yīng)用情況

美國(guó)作為研究WESP最早的國(guó)家，已經(jīng)在濕式靜電除塵器污染物控制方面取得了很多成果，目前已經(jīng)在很多電廠中擁有成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn).如2000年NB電力公司Dalhousie電廠315 MW容量WFGD系統(tǒng)的WESP改造，2002年NB電力公司Coleson Cove電廠的3×350 MW機(jī)組的WESP和2001年 Xcel能源公司 Sherburne電廠兩臺(tái)750 MW的機(jī)組安裝WESP等.以Sherburne電廠為例，該 WESP采用雙電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)電場(chǎng)12個(gè)模塊各自對(duì)一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行煙氣的不透明度控制.運(yùn)行結(jié)果表明，該 WESP能夠?qū)煔獾牟煌该鞫瓤刂圃?0%的水平，大大低于之前40%的水平.[12]目前，WESP已在我國(guó)諸多燃煤機(jī)組上投入使用，具有良好的發(fā)展前景.

2 利用WESP脫除煙氣中汞的研究

2.1 汞在煙氣中的形態(tài)分布

聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)早在2002年對(duì)全球汞的評(píng)估中就表明:燃煤電廠汞的排放量是人為汞排放的最大來(lái)源.煙氣中汞的形態(tài)分為元素汞、二價(jià)汞和顆粒汞.其中，顆粒汞可以通過(guò)除塵設(shè)備較容易脫除，二價(jià)汞由于水溶性也比較容易控制，而元素汞由于揮發(fā)性強(qiáng)且不溶于水很難被脫除.對(duì)于元素汞，可以考慮采用吸附劑或者將其氧化的方法來(lái)進(jìn)行間接脫除.[13-14]

2.2 美國(guó)BMP電廠使用WESP脫除汞的效果

美國(guó)能源部的國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室曾在2002年10月資助了一個(gè)“利用膜式濕式電除塵器對(duì)多種污染物脫除效率”的項(xiàng)目，選擇的燃煤電廠便是美國(guó) BMP電廠.該廠安裝了兩臺(tái)WESP，一臺(tái)是316L不銹鋼金屬WESP，另一臺(tái)是丙綸纖維材料WESP，均安裝在煙氣脫硫(FGD)裝置后面.其中，前者陽(yáng)極板為圓管式，后者陽(yáng)極板為板式.以上兩種WESP進(jìn)出口汞測(cè)試數(shù)據(jù)均采用OHM法(Ontario Hydro Method)測(cè)得，且均以煙氣流量為13 600 m3/h所得測(cè)試數(shù)據(jù)作比較.[15]

(1)采用316L的WESP脫汞的測(cè)試結(jié)果

煙氣流量為13 600 m3/h時(shí)采用316L的金屬管式WESP的進(jìn)出口脫汞數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 金屬管式WESP脫汞測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1可知，在總汞含量中，元素汞占比最大.計(jì)算3組采樣的元素汞占比分別為79.94%，79.90%，77.21%.對(duì)于元素汞，入口濃度平均值為 6.23 μg/m3，出口濃度平均值為 4.03 μg/m3，脫除效率平均值為36%.對(duì)于氧化汞，入口濃度平均值為 1.63 μg/m3，出口濃度平均值為 0.4 μg/m3，脫除效率平均值為76%.對(duì)于顆粒汞，脫除效率平均值為67%.

(2)采用丙綸的WESP脫汞的測(cè)試結(jié)果

煙氣流量為13 600 m3/h時(shí)采用丙綸的板式WESP脫汞數(shù)據(jù)，如表2所示.

表2 板式WESP脫汞測(cè)試數(shù)據(jù)

比較表1和表2可知，采用丙綸的WESP對(duì)元素汞的脫除效率與采用316L的WESP相差無(wú)幾，這表明對(duì)于元素汞的脫除，陽(yáng)極板是金屬還是纖維材料，影響并不大.而對(duì)于氧化汞和顆粒汞，采用丙綸的WESP對(duì)汞脫除效果要好些.

2.3 干式ESP后布置WESP

對(duì)于燃燒低硫分的次煙煤或褐煤的電廠，煙氣中絕大部分汞以元素汞的形式存在，因此可以采用干式ESP作為一級(jí)除塵裝置.由于干式ESP不能有效收集細(xì)顆粒物，故在其后安裝WESP，而且WESP還對(duì)汞有一定的脫除作用.這種干濕混合靜電除塵器的布置方式可以在煙氣飽和露點(diǎn)溫度以上運(yùn)行，而且煙氣溫度比常規(guī)干式ESP出口溫度低，避免了管道、煙囪腐蝕，有利于揮發(fā)性雜質(zhì)的凝結(jié).[16-18]

2.4 等離子增強(qiáng)型WESP

為了處理煙氣汞排放的問(wèn)題，MSE技術(shù)應(yīng)用公司(MSE)和CR潔凈空氣技術(shù)公司(CRCAT)合作開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，將脈沖等離子體技術(shù)運(yùn)用于 WESP，稱作 PEESP.MONTGOMERY J L 等人[19]對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.最初測(cè)試結(jié)果表明，PEESP能夠脫除模擬煙氣中90%以上的元素汞.該技術(shù)的原理為通過(guò)中心電暈極向煙氣中注入一種反應(yīng)劑氣體，這種氣體在電暈極可以產(chǎn)生一種反應(yīng)物將元素汞氧化，從而形成細(xì)顆粒物或二價(jià)汞，進(jìn)而被脫除.其特點(diǎn)如下:

(1)可以直接對(duì)現(xiàn)有的干、濕式靜電除塵器進(jìn)行改造，不需要額外的投資和土地設(shè)施，而且保持汞控制的成本較低;

(2)滿足了美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)所要求的汞還原效率;

(3)不需要增加壓降，且使用蒸汽和氧氣作為試劑氣體;

(4)沒(méi)有移動(dòng)的構(gòu)件，降低了維護(hù)費(fèi)用;

(5)可以和FGD系統(tǒng)聯(lián)合脫除汞.

3 結(jié)論

(1)濕式靜電除塵器作為火電廠污染物控制設(shè)備，具有能夠高效脫除細(xì)顆粒物、運(yùn)行可靠和無(wú)二次揚(yáng)塵的優(yōu)點(diǎn)，今后必然能夠?qū)档臀覈?guó)大氣污染物排放做出貢獻(xiàn).

(2)傳統(tǒng)WESP的陽(yáng)極材料，如金屬板等，由于其腐蝕性的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致脫除效率下降，目前已經(jīng)研究出了耐腐蝕的陽(yáng)極材料，如合金 S32053等;新型陽(yáng)極板材料，如碳纖維、硅纖維和柔性纖維等，這是近年來(lái)我國(guó)高效除塵研究的一個(gè)方向，其效果良好.具體采用哪種陽(yáng)極板材料使建造和運(yùn)行費(fèi)用最合理，需要考慮到各個(gè)電廠不同的情況.

(3)采用WESP對(duì)顆粒汞和氧化汞的脫除效果較明顯，對(duì)元素汞的脫除效率較低，這跟其本身的特性有關(guān);干濕混合靜電除塵器的布置方式也可以降低汞的排放;等離子增強(qiáng)型WESP是通過(guò)中心電暈極向煙氣中注入一種反應(yīng)劑氣體來(lái)使元素汞氧化，進(jìn)而將其脫除.

[1]STEWART R.The ADESORB process for economical production of sorbents for mercury removal from coal fired power plants[R].USA:Littleton CO，2008.

[2]STAEHLE R，TRISCORI R，KUMAR K，et al. Wet electrostatic precipitators for high efficiency control of fine particulates and sulfuric acid mist[C]∥Institute of Clean Air Companies(ICAC)Forum.Nashville:Tennessee，2003.

[3]O'DOWD W J，PENNLINE H W，F(xiàn)REEMAN M C，et al.A technique to control mercury from flue gas:The thief process[J]. Fuel Processing Technology，2006，87(12):1 071-1 084.

[4]環(huán)境保護(hù)部.GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011:4-8.

[5]閆君.濕式靜電除霧器脫除煙氣中酸霧的試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2010.

[6]劉鶴忠，陶秋根.濕式電除塵器在工程中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2012(3):43-47.

[7]ORITA K，SHIROMARU N.Evaluation of corrosion-resistant alloys for wet electrostatic precipitator[M].Electrostatic Precipitation.Springer Berlin Heidelberg，2009:495-498.

[8]常景彩，張立強(qiáng)，李志強(qiáng)，等.柔性集塵極應(yīng)用于濕法脫硫煙氣深度凈化的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2012，34(11):1-4.

[9]CHANG J C，DONG Y，WANG P，et al.Removal of coalfired pollutants in wet electrostatic precipitators with flexible collection electrodes[C]∥ Proceedings of the 2010 International Conference on Logistics Engineering and Intelligent Transportation Systems.Wuhan:IEEE，2010:1-4.

[10]MIKROPUL H. Innovative wet electrostatic precipitator technology[J].Filtration and Separation，1998，35(5):433.

[11]BOLOGA A，PAUR H，LEHNER M，et al.Collection of fine particles by novel wet electrostatic precipitator[J]. Industry Applications，2009，45(6):2 170-2 177.

[12]KUMAR K.Analysis of wet ESP performance at Xcel Energy’s Sherburne County Generating Station[C]∥Proceedings of the 7thInternational Conference on Electrostatic Precipitation.Birmingham，Alabama，2001.

[13]趙毅，薛方明，董麗彥，等.燃煤鍋爐煙氣脫汞技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱力發(fā)電，2013(1):9-12.

[14]劉飛.ESP弱電離場(chǎng)——鹵硫化物協(xié)同氧化燃煤煙氣中零價(jià)汞的研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2011.

[15]REYNOLD J，BAYLESS D L，CAINE J. Multi-pollutant control using membrane-based up-flow wet electrostatic precipitation[R].DOE Final Report，Akron，Ohio:Ohio University，2004.

[16]田賀忠.利用濕式靜電除塵器(ESP)脫除汞[J].國(guó)際電力，2006，9(6):62-64.

[17]REYNOLD J.Mercury removal via wet ESP[J]. Power，2004(8):54-59.

[18]ALTMAN R，BUCKLEY W，RAY I.Multi-pollutant control with dry-wet hybrid ESP technology[C]∥Proceedings of the Combined Power Plant Air Pollutant Control Mega Symposium.Washington DC，2003.

[19]MONTGOMERY J L，BATTLESON D B，WHITWORTH C G，et al. Latest developments of the plasma-enhanced electrostatic precipitator for mercury removal in coal-fired boiler flue gas[C]∥Air Quality III Conference，2002.