王樹軍，馮 杉 ，顧新盛，陳令杰

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039)(2.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471039)

0 引 言

美國航天局指出，霧霾的主要成分是硫酸鹽氣溶膠，而燃煤是引發(fā)霧霾的罪魁禍?zhǔn)?。各種霧霾成分分析報告表明，燃煤電廠對霧霾的貢獻(xiàn)在20%左右[1]。煤炭是我國的主體能源，也是我國最經(jīng)濟(jì)的能源，未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，我國以煤電為主體能源的格局不會改變。中國煤炭工業(yè)協(xié)會會長王顯政在出席“2016世界煤炭協(xié)會技術(shù)委員會會議”時介紹：據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2015年全國規(guī)模以上煤炭企業(yè)的煤炭產(chǎn)量為36.98億噸，其中電力行業(yè)用煤18.39億噸，約占50%。因此，我國要治理霧霾,首先要對燃煤電廠煙氣進(jìn)行嚴(yán)格的治理，實(shí)現(xiàn)超低排放或近零排放。

2014年初，以浙江省為代表的部分省市陸續(xù)出臺節(jié)能減排相關(guān)指導(dǎo)性文件，要求各大燃煤電廠開展煙氣治理流程中增加濕式電除塵的效果研究。2014年6月27日，國家能源局印發(fā)了《關(guān)于下達(dá)2014年煤電機(jī)組環(huán)保改造示范項(xiàng)目的通知》(以下簡稱《通知》)?！锻ㄖ凤@示：煤電機(jī)組環(huán)保改造示范項(xiàng)目共涉及天津、河北、山東、江蘇、浙江、上海、廣東7省市的10家企業(yè)，13臺在役燃煤發(fā)電機(jī)組。同年9月，國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知。通知規(guī)定：全國新建燃煤發(fā)電機(jī)組平均供電煤耗低于300克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時；東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值；中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值；鼓勵西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。2015年12月，國家發(fā)改委、環(huán)保部及能源局聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于實(shí)行燃煤電廠超低排放電價支持政策有關(guān)問題的通知》(以下簡稱《通知》)?！锻ㄖ访鞔_：為了鼓勵和引導(dǎo)超低排放，對于達(dá)到國家超低排放要求的燃煤電廠給予適當(dāng)?shù)碾妰r補(bǔ)貼。這一政策為濕式電除塵器的推廣應(yīng)用提供了資金支持。2016年1月1日在全國實(shí)施GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)?！稑?biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：一類地區(qū)PM2.5的年平均濃度低于15 μg/m3，二類地區(qū)PM2.5的年平均濃度低于35 μg/m3。由于濕式電除塵器對PM10、PM2.5以及SO3、重金屬都具有一定的去除效果，能夠?qū)⒎蹓m的排放濃度最終控制在10 mg/Nm3甚至5 mg/Nm3以下，實(shí)現(xiàn)超低排放或近零排放，因此，隨著我國新的環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，濕式電除塵器必然會成為燃煤電廠的標(biāo)配，從而得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 濕式電除塵技術(shù)及濕式電除塵器

1.1 濕式電除塵技術(shù)

1.1.1 工作原理

濕式電除塵器(WESP)與干式電除塵器(DESP)的除塵原理基本相同，兩者都經(jīng)歷了粉塵荷電、收集、清灰3個階段，并都是依靠高壓電暈放電(陰極系統(tǒng))使粉塵荷電，之后荷電粉塵在電場力的作用下到達(dá)集塵板或管(陽極系統(tǒng))，對集塵板或管捕獲到的粉塵若采用機(jī)械振打或聲波清除即為干式電除塵；若采用沖刷液沖洗電極，將集塵板或管捕獲到的粉塵沖刷到灰斗中排出即為濕式電除塵。

1.1.2 濕式電除塵技術(shù)的特點(diǎn)

優(yōu)勢：①去除粉塵效率高，能夠有效地去除重金屬等亞微米級顆粒以及SO3氣溶膠、石膏液滴，對PM2.5、藍(lán)煙等也有良好的控制效果；②通過水膜的方式處理和沖洗集塵板或管的粉塵，避免了粉塵堆積和二次揚(yáng)塵發(fā)生；③設(shè)備布置緊湊，無運(yùn)動部件，可靠性高。

劣勢：①被處理的煙氣溫度不能過高，需低于沖刷液的絕熱飽和溫度，否則集塵極液膜會被蒸發(fā)，粉塵顆粒變的干燥，影響除塵效果；②被處理煙氣的粉塵濃度和SO2濃度也不能過高，若濃度過高，一些部件則可能會被腐蝕，需采取良好的防腐措施；③耗水量相對較大，需要有循環(huán)水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)；④單機(jī)成本高，新機(jī)組需單獨(dú)占用爐后場地，老機(jī)組改造也存在場地問題。

1.2 濕式電除塵器的結(jié)構(gòu)

濕式電除塵器有板式和管式2種結(jié)構(gòu)形式。板式濕式電除塵器的陽極呈平板狀，陽極板間均勻布置放電系統(tǒng)，見圖1a。管式濕式電除塵器的陽極為多根并列的金屬管或?qū)щ姽埽帢O位于陽極的中間，見圖1b。

圖1 板式和管式濕式電除塵器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of plate-type(a)and tube-type(b) wet electrostatic precipitators

2 濕式電除塵器的運(yùn)行環(huán)境及用鈦優(yōu)勢

2.1 濕式電除塵器的運(yùn)行環(huán)境

濕式電除塵器是布置在燃煤電廠煙氣處理過程末端的煙氣處理裝置，是煙氣處理的最后屏障。燃煤電廠產(chǎn)生的煙氣在濕法脫硫處理前均為干煙氣，處理設(shè)備基本不存在腐蝕問題。經(jīng)濕式脫硫系統(tǒng)處理后，成為溫度為50 ℃左右的飽和濕煙氣，且其中存在SO2、SO3、NOx、HCl等酸性較強(qiáng)的氣體，會對后序處理設(shè)備——濕式電除塵器造成一定的腐蝕。

盡管我國煤質(zhì)相對比較復(fù)雜，但是燃煤電廠煙氣經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫處理后，通常主要?dú)怏w成分及微量氣體成分大體相似，見表1[2]。其中，僅占體積分?jǐn)?shù)0.02%的微量氣體卻是造成濕式電除塵設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素，這些氣體會腐蝕濕式電除塵器的大梁、極線等內(nèi)部構(gòu)件及殼體內(nèi)表面、管道。因此，合理地選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料是保證濕式電除塵器穩(wěn)定、高效運(yùn)行的核心問題。

表1 脫硫處理后煙氣的主要成分及微量成分

2.2 濕式電除塵器的用鈦優(yōu)勢

濕式電除塵器殼體是濕式電除塵器比較安全的部位，在整個系統(tǒng)中防腐要求相對較低，通常采用內(nèi)部涂有玻璃鱗片或其他防腐涂層的普通碳素鋼制造，但安裝過程中需要嚴(yán)格控制關(guān)鍵部位的防腐，如焊縫連接處、蓋板等。而濕式電除塵器的陽極集塵板是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，要求具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。這是因?yàn)樵谑褂靡后w沖刷吸附在陽極板上的灰塵時，沖刷液與煙氣相遇會產(chǎn)生腐蝕性較強(qiáng)的液體，一旦陽極板發(fā)生局部腐蝕，不僅會造成陰陽極之間電流不穩(wěn)定，而且會產(chǎn)生火花，導(dǎo)致除塵效果差或者其他危險性較高的事故，因此陽極板材料必須選擇能夠抵御濕煙氣腐蝕的材料。從陰極板的工作環(huán)境看，其表面容易凝結(jié)粉塵液滴，粉塵液滴具有較強(qiáng)的腐蝕性，如果極板材料選擇或防護(hù)不當(dāng)，均會造成極板局部迅速腐蝕，因此陰極板也必須選用耐腐蝕性能良好的材料或施加有效保護(hù)措施。 濕式電除塵器的陰極板和陽極板主要有3類：剛性金屬極板、柔性極板和導(dǎo)電玻璃鋼極板。鈦及鈦合金是被譽(yù)為海洋金屬的新型結(jié)構(gòu)材料，在許多酸、堿、鹽等苛刻的環(huán)境下具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，被廣泛用于酸堿及化纖制造、無機(jī)合成、染料中間體生產(chǎn)等許多化工領(lǐng)域。近幾年，我國在火電廠燃煤煙氣脫硝、脫硫處理后煙囪的改造中大量使用了鈦鋼復(fù)合材料，耐腐蝕性能良好。而濕式電除塵器是火電廠為了進(jìn)一步降低燃煤煙氣對空氣的污染指標(biāo)，在脫硝、脫硫后新增的煙氣處理裝置，所處的環(huán)境與火電廠煙囪的環(huán)境基本一致，具有可復(fù)制性，因此鈦及鈦合金是制造濕式電除塵器剛性金屬極板的首選材料。

筆者通過與濕式電除塵器制造廠家和用戶交流，歸納總結(jié)了不同陽極板材料的濕式電除塵器的性能差異(見表2)。此外，某知名濕式電除塵器廠家通過對本公司投運(yùn)設(shè)備的跟蹤調(diào)研，分析對比了鈦陽極和玻璃鋼陽極2種濕式電除塵器的相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(見表3)。

綜合表2、3可知，不銹鋼陽極防腐是依靠良好的水膜技術(shù)來保證良好的防腐效果，但是目前國內(nèi)水膜技術(shù)并不成熟，因此不銹鋼陽極濕式電除塵器存在不可預(yù)見的腐蝕風(fēng)險，壽命周期最長也只能達(dá)到15 a。導(dǎo)電玻璃鋼陽極不但原料生產(chǎn)時會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且到目前還沒有成熟的回收方法，回收成本估算將超過新的陽極板生產(chǎn)成本，15 a后壽命終結(jié)的回收過程仍是嚴(yán)重的污染過程。鈦陽極板的一次性投資成本是導(dǎo)電玻璃鋼陽極板的1.3倍，但是鈦陽極板的使用壽命是導(dǎo)電玻璃鋼陽極板的2倍。綜合分析鈦陽極板和導(dǎo)電玻璃鋼陽極板的制造成本和使用壽命，鈦陽極板一次性投資成本僅為導(dǎo)電玻璃鋼陽極板的65%，而且鈦陽極濕式電除塵器的運(yùn)營成本更具優(yōu)勢，每年可節(jié)約水費(fèi)約4.2萬元(水費(fèi)按1元/t計)，節(jié)省電費(fèi)約34萬元(電廠用電成本約為0.3元/千瓦時)。

表2 3種不同陽極板材料的濕式電除塵器性能對比

表3 鈦陽極和玻璃鋼陽極濕式電除塵器相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比分析

3 濕式電除塵器的開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外濕式電除器的開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

國外濕式電除塵器的開發(fā)和應(yīng)用比國內(nèi)早，其中，日本已有30多年的歷史，具有代表性的制造技術(shù)有日立技術(shù)和三菱技術(shù)。兩者從除塵原理上講基本是一致的，主要是內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式上存在較大的差異，表現(xiàn)在噴嘴形式及其布置方式、陰極放電方式、陽極集塵方式和極間距。其中，極間距的差異較大，日立的極間距為300 mm，必須斷電清洗電極；而三菱的極間距為400 mm，可在線連續(xù)清洗[3]。2種技術(shù)的濕式電除塵器除塵效果均可達(dá)到小于5 mg/Nm3的煙塵排放濃度。三菱公司生產(chǎn)的濕式電除塵設(shè)備，早在1991年就在日本壁南電廠1～3號機(jī)組投入運(yùn)行，迄今為止已經(jīng)穩(wěn)定使用了26年。相關(guān)檢測數(shù)據(jù)表明，該設(shè)備除塵效果良好，煙塵排放濃度長期保持在2～5 mg/Nm3之間[4]。截至2016年年底，三菱公司已生產(chǎn)了33臺套該設(shè)備，均已用于燃煤電廠。

美國在濕式電除塵方面的研究起步也比較早。美國電力研究所(EPRI)率先把濕式電除塵和干式電除塵相結(jié)合，發(fā)明了干濕復(fù)合除塵法，即先用干式電除塵器去除大顆粒，再用濕式電除塵器去除小顆粒。結(jié)果表明，干濕復(fù)合電除塵器對PM2.5的去除率達(dá)到95%，對HgO的去除率達(dá)到50%[5]。美國俄亥俄大學(xué)Pasic等人[6]提出了膜式濕式電除塵理論，并申請了基于該理論的濕式電除塵器專利。膜式濕式電除塵器的陽極采用導(dǎo)電的碳纖維或硅纖維編織膜，通過纖維膜的毛細(xì)作用，將水流均勻地分布在纖維膜的表面，保證陽極板在收集粉塵過程中不會出現(xiàn)干粉塵，有效避免了反電暈的形成，使得陰陽極板間的電流穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，在保證穩(wěn)定除塵的同時，還能有效地去除SOx、NOx、重金屬等有害物質(zhì)。AES Deepwater電廠是美國最早安裝使用濕式電除塵設(shè)備的電廠，其目的是為了治理可濾性顆粒物和硫酸酸霧。檢測數(shù)據(jù)表明，該濕式電除塵設(shè)備對硫酸酸霧的脫除率高于90%，達(dá)到了可濾性顆粒物排放要求，同時還可將煙囪濁度(煙氣中的懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度)控制在10%以下。Dalhousie電廠在2000年也加裝了濕式電除塵系統(tǒng)，該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，一直處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，煙塵排放濃度始終保持在5 mg/Nm3以下。

歐洲地區(qū)燃煤發(fā)電機(jī)組相對較少，因此濕式電除塵器的研究和應(yīng)用范例并不多。1997年，Werndorf電廠2號機(jī)組使用了三菱重工制造的濕式電除塵器[5]，這是歐洲第1套用于火電行業(yè)的濕式電除塵器。從投入運(yùn)行以來一直穩(wěn)定工作，煙塵排放濃度長期保持在5 mg/Nm3以下。

近幾年，國外濕式電除塵器的研究熱點(diǎn)主要集中在如何使水膜更加均勻化以及探索耐腐蝕性和導(dǎo)電性更好的陽極電極材料上，并已取得卓有成效的進(jìn)展，為濕式電除塵器在火電行業(yè)的大力推廣和應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

3.2 國內(nèi)濕式電除器的開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國濕式電除塵器的開發(fā)及應(yīng)用起步都比較晚。國內(nèi)火電行業(yè)中最早使用濕式電除塵器的廠家是鞍鋼第二發(fā)電廠，該發(fā)電廠于2006年安裝了由日本三菱重工設(shè)計、制造的設(shè)備，目前仍處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[7]。由于沒有安裝粉塵檢測設(shè)備，所以始終未見粉塵排放濃度數(shù)據(jù)。2012年，山大能源自主研發(fā)的柔性金屬極板濕式電除塵器在華電益陽電廠2×300MW機(jī)組投入運(yùn)行，檢測結(jié)果表明，粉塵濃度小于5 mg/Nm3，并且有效地去除了煙氣中的氣態(tài)Hg、重金屬物質(zhì)，同時基本消除了“石膏雨”，實(shí)現(xiàn)超低排放[4]。2013年1月，福建龍凈環(huán)保股份有限公司自主設(shè)計、制造的濕式電除塵器在長興島第二發(fā)電廠12MW機(jī)組投入使用，檢測結(jié)果表明，煙塵處理效果良好；同年，該公司為華電淄博電廠300MW機(jī)組設(shè)計、制造的濕式電除塵器又投入運(yùn)行，檢測結(jié)果表明，達(dá)到了超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。2014年6月，浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰疽M(jìn)日本三菱技術(shù)制造的濕式電除塵器在國華舟山電廠350MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行，出口粉塵濃度為3 mg/Nm3，實(shí)現(xiàn)超低排放；同年，該公司為廣州恒運(yùn)電廠9號機(jī)組設(shè)計、制造的濕式電除塵器投入運(yùn)行，出口粉塵濃度為3 mg/Nm3，實(shí)現(xiàn)超低排放[9]。2015年4月，南通亞泰工程技術(shù)有限公司與華電合作為天生港發(fā)電有限公司2×330MW機(jī)組研制的濕式電除塵器陽極板使用了鈦板，這是我國首次在濕式電除塵器上用鈦板作為陽極板。目前，這種鈦陽極板濕式電除塵器已在1、2號機(jī)組投入使用，治理煙塵效果非常好，出口煙塵濃度小于1 mg/Nm3。

隨著濕式電除塵器在火電行業(yè)煙塵治理良好效果的凸顯，及我國對火電行業(yè)煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)的提升，濕式電除塵器在火電行業(yè)的用量將會增多。

4 我國火電行業(yè)濕式電除塵器用鈦預(yù)測

鈦制濕式電除塵器陰極早已批量使用，圖2為濕式電除塵器用2種形式的鈦材陰極線實(shí)物照片。鈦材作為濕式電除器陽極也已有工程化應(yīng)用，如前所述的天生港發(fā)電有限公司2×330MW機(jī)組濕式電除塵器陽極板采用的就是鈦板。濕式電除塵器除了陰極、陽極可以使用鈦材外，同樣存在腐蝕風(fēng)險的陰極大梁和其它零部件也可以采用槽形、L形等鈦型材制作。例如2016年10月，江蘇國信靖江發(fā)電有限公司對2×660MW機(jī)組濕式電除塵器進(jìn)行改造，僅陰極大梁就使用了槽形和L形的鈦型材近11 t，所用型材均是由厚度為5 mm的TA1純鈦板制作的。

圖2 鈦材陰極線實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photos of cathode lines made of titanium： (a)plate-type；(b)wire-type

未來相當(dāng)長一段時間我國仍將以煤炭發(fā)電為主。有關(guān)規(guī)劃部門預(yù)測，到2020年我國燃煤裝機(jī)發(fā)電量達(dá)到11.2億千瓦，耗煤量將由2015年的18.39億噸增加到24.4億噸。截至2015年10月，我國已投入運(yùn)行的濕式電除塵器超過50臺，在建合同超過160臺，總裝機(jī)容量超過1 200 000萬千瓦?！笆濉逼陂g，隨著我國環(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)格及環(huán)保監(jiān)管力度的加強(qiáng)，將會對燃煤電廠全面實(shí)施超低排放改造。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會測算，以每千瓦煤電超低排放改造的費(fèi)用為100～150元計算，到2020年濕式電除塵器將會有1 000億～1 500億元市場空間。根據(jù)市場調(diào)查，陰、陽極系統(tǒng)的材料費(fèi)用約占整個濕式電除塵器造價的4%。用鈦材代替不銹鋼、玻璃鋼或其他材料作為濕式電除塵器的陽極，如果替代量達(dá)到50%的話，那么就會有20億～30億元的鈦材市場空間，從而拉動對鈦板、帶、管的需求，隨之拉動海綿鈦的需求。未來隨著我國煤電行業(yè)超低排放改造的全面實(shí)施，濕式電除塵器將會成為朝陽產(chǎn)業(yè)，而鈦材應(yīng)用也將會隨著濕式電除塵器的發(fā)展迎來美好的明天。

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