静电除尘系统在工业大气污染治理中的应用探讨

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随着我国近年来经济的高速发展,相对落后的发展模式带来了严重的环境污染问题,持续的雾霾已经威胁到人民群众的身体健康。根据环境保护部门的分析,目前我国气态污染物的主要成份是可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等组成,也是形成雾霾的主要原因。在我国焦化厂及电厂是大气污染物的主要排放源之焦化厂和电厂若实现粉尘减排对于环境的贡献无疑将是巨大的。

 

由于环保压力大,对于烟气中烟尘、SO2NOx、汞及其化合物的排放浓度要求日益严格。在(GB13223-2011)中规定的排放限值的基础上,要求达到烟尘排放浓度不大于5mg/Nm³,SO2排放浓度不大于35mg/Nm³,NOx排放浓度不大于50mg/Nm

 

一、国内外除尘系统发展介绍

 

第一台电除尘器于1907年投入商业运行以来,已经超过了一百年的历史。百年来的应用实践表明,从投资和长期运行成本综合来看,电除尘设备的总体费用低、技术经济性好、运行维护管理压力小。欧美及其他发达国家目前使用的干式电除尘器,其烟尘排放浓度都低于20mg/m3 ,特别是德国和日本,一般都可以控制在10mg/m3 以下。如果采用湿式、低低温电除尘器,烟尘排放浓度可以控制在5mg/m3以下。

 

1)美国

 

随着火电厂环保治理措施技术的发展和对环保的高度重视,美国具有主要代表性的除尘工艺是电除尘器静电除尘工艺和布袋除尘器除尘工艺。2005 年以来,由于采用旋转喷雾半干法烟气脱硫工艺的增加以及美国国家对粉尘微细颗粒PM2.5排放控制要求的提高,布袋除尘器的应用逐渐增多,目前美国约有 20%以上的电厂采用布袋除尘器[8-10]

 

2)日本

 

2000年前大容量机组主要采用常规静电除尘设备,2000年后随着燃煤电厂大气污染防治技术的日益提高和公众对环保的高度重视,日本新建大容量燃煤机组多采用最具代表的低低温电除尘器和移动极板电除尘器工艺[11]。低低温电除尘工艺的核心是将一套热媒体烟气加热器(MGGH)加装在电除尘器之前,利用 MGGH 热交换作用,将进入电除尘器的烟气温度降低到 900 摄氏度左右,低于常规的 1300-1500摄氏度,同时降低粉尘的比电阻,提高所有煤种条件下电除尘效率,即使集尘面积不变。当入口粉尘浓度为 20g /Nm3时,也能使电除尘器出口的粉尘浓度达到30mg/ Nm3,除尘效率达到 99.85%,然后通过湿法脱硫装置保证出口粉尘浓度低于l0mg/ Nm3,在日本对湿法脱硫的除尘效率一般按 85%考虑[12]。移动极板电除尘器工艺是由日立公司新开发的一种除尘方式,这是一项能够有效地收集高比电阻粉尘的新技术,核心就是采用移动阳极板和旋转电刷来剥离粉尘。该装置己较多用于日本的700MW-1000MW机组[13]

 

3)德国

 

根据德国联邦环境污染防治法,对300MW以上机组粉尘排放控制浓度要求为20mg/ Nm3以下。针对法规要求,德国的大容量燃煤机组目前主要除尘措施是装备高效电除尘器,该类除尘器对电除尘器控制部分和烟气通道进行改进,从而提高电除尘效率,加上烟气脱硫装置的除尘作用,能将粉尘排放浓度控制在 20mg/ Nm3以下[14]。据有关资料介绍,高效电除尘器本身除尘效率实际就可达到99.99%,除尘器出口烟尘排放浓度可控制在l0mg/Nm3以下[15,16]。近年随着电除尘器技术的不断改进,欧洲的大容量机组的除尘设施仍以电除尘器为主。

 

二、提高电除尘效果的几项措施

 

我国火电行业以燃煤为主,排放的大气污染物包括烟尘、二氧化硫和氮氧化物(焦化烟囱排放物与此相似),是我国污染控制的重点行业。随着GB13223《火电厂大气污染物排放标准》不断修订,国家要求达标排放的烟尘浓度值越来越低。当前我国大中型火力发电厂烟气除尘设备仍以采用电除尘器设备为主。国内电除尘器研究单位和制造厂为应对新排放标准、煤种复杂多变、反电晕等问题,做了大量的开发研究工作,这些新技术对燃煤电厂现有电除尘器的提效改造提供了可以选择的、可以多种组合的、灵活的技术方案。

 

(1)增加电场个数(增加比集尘面积)

 

根据电除尘器效率计算多依奇公式,在烟气量一定的条件下,增加电除尘器集尘极板面积,可以提高比集尘面积,从而提高除尘效率。如果原电除尘器进、出口有场地空间,可以新增一个或两个电场,提高电除尘器的集尘面积,从而提高除尘效率。

 

(2)改为布袋除尘器

 

布袋除尘器为过滤式除尘,含尘气流均匀的进入到布袋除尘器的各室,经滤袋过滤后,灰尘粘附在滤袋的外表面,随着灰尘粘附厚度的增加,滤袋内外差压达到预先设定值时,脉冲清灰系统启动,对滤袋依次进行清灰,粉尘落入灰斗。

 

布袋除尘器的最大优点是:除尘效率不受烟气成份、含尘浓度、颗粒分散度及粉尘比电阻等烟气粉尘性质的影响,对微细粉尘捕集率一般可达99.9%以上,安装运行良好的设备排放浓度<30mg/m3甚至更小。特别是用于收集高比电阻粉尘及微细粉尘这种对于电除尘器来说难以收集的粉尘时,具有明显的技术优势。

 

(3)电袋复合除尘技术

 

电袋复合式除尘是通过前级电除尘区捕集70%80%的烟气粉尘,后级滤袋过滤区捕集少量的残余粉尘。同时利用通过前级电场区产生的荷电粉尘可有效改善沉积在滤袋表面粉尘层的过滤特性,使滤袋的透气性能、清灰性能得到大幅改善,从而达到低阻高效收尘的效果。此技术结合了电除尘和滤袋除尘的两种除尘特点,它的除尘效率不受煤种、飞灰特性的影响,与纯布袋除尘器相比,在运行过程中除尘器可以保持较低的运行阻力。

 

(4)移动极板电除尘技术

 

移动极板电除尘器收尘机理与常规电除尘器相同,由前级固定极板电场(常规电场)和后级移动极板电场组成。移动极板电场中阳极部分采用回转的阳极板和旋转的清灰刷。附着于回转阳极板上的粉尘在尚未达到形成反电晕的厚度时,就被布置在非电场区的旋转清灰刷彻底清除,因此不会产生反电晕现象并最大限度地减少了二次扬尘,增加粉尘驱进速度,大幅提高电除尘器的除尘效率,降低排放浓度,同时降低了对煤种变化的敏感性。

 

(5)低温电除尘技术

 

低温电除尘器是通过低温换热器(主要采用汽机冷凝水与热烟气通过换热器进行热交换,使得汽机冷凝水得到额外的热量,以减小汽机冷凝水回路系统中低压加热器的抽汽量),使进入电除尘器的运行温度由常温状态(120℃~160)下降到低温状态(90℃~110℃左右,一般控制在酸露点以上10),由于排烟温度的降低,进入电除尘器的烟气量减少、烟气流速降低,粉尘比电阻降低。从而实现余热利用和提高除尘效率的双重目的。

 

(6)电除尘器电源新技术

 

高频电源输出直流电压比工频电源平均电压要高约30%,因为工频电源峰值电压在电除尘器电场中触发火花,显著地限制了加在电极上的平均电压。而高频电源谐振频率为3040kHz,同常规的工频电源相比,高频电源纹波系数小于5%,在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线,高频电源提供了几乎无波动的直流输出,这使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行,从而提高了电除尘器的前电场供电电压和电流,提高了前电场除尘效率,减轻了后级电场的负担,从而使整台电除尘器粉尘排放浓度显著降低,提高了整体除尘效率。

 

三、电除尘器的工作原理和影响电除尘性能的主要因素

 

电除尘器是在两个曲率半径相差很大的金属阳极和阴极上,通过高压直流电,维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后所生成的电子,阴离子和阳离子,吸附在通过电场的粉尘上,而使粉尘获得荷电。荷电粉尘在电场力的作用下,便向电极性相反的电极运动而沉积在电极上,从而达到粉尘和气体分离的目的。当沉积在电极上的粉尘达到一定厚度时,借助于振打机构使粉尘落入下部灰斗中。尽管电除尘的类型和结构很多,但都是按照同样的基本原理设计出来的,用电除尘的方法分离气体中的悬浮尘粒,主要包括以下四个复杂而又相

 

互有关的物理过程:

 

(1)气体的电离。

 

(2)悬浮尘粒的荷电。

 

(3)荷电尘粒向电极运动。

 

(4)荷电尘粒沉积在电极上。

 

影响电除尘性能的因素很多,可以大致归纳为如下四大类:

 

1、粉尘特性:主要包括粉尘的粒径分布,真密度和堆积密度、粘附性和比电阻等。

 

2、烟气性质:主要包括烟气温度,压力、成分、温度、流速和含尘浓度等。

 

3、结构因素:主要包括电晕线的几何形状、直径、数量和线间距,收尘极的形式、极板断面形状、极间距、极板面积以及电场数、电场长度、供电方式、振打方式(方向、强度、周期)、气流分布装置、外壳严密程度、灰斗形式和出灰口锁风装置等。

 

4、操作因素:主要包括伏安特性、漏风率、气流短路、二次飞扬和电晕线肥大等。

 

四、 BE型电除尘器和高频电源的技术特点

 

BE型电除尘器是龙净环保在引进美国通用电气公司(GEESI)电除尘器技术基础之上,通过消化、吸收,在国产化过程中不断完善而开发的一种新型电除尘器。其特色技术在于:

 

(1)阴、阳极系统及气流分布装置均采用顶部电磁锤振打清灰;

 

(2)小分区供电;

 

(3)吊打分开式刚性阴极系统。

 

EHC-II 系列电除尘用高频高压电源(以下简称EHC-II)是目前国际上先进的新型电除尘器高压电源,是大维电子在EHC 一代产品基础上,斥巨资升级的高端产品,具有完全自主知识产权。

 

EHC-II 是一个高度集成的大功率开关电源,是传统变压器和高压控制柜的结合体,它为高压静电除尘器电场提供所必须的设备以及这些设备的控制系统。它由高频整流变压器及逆变箱、控制箱、散热系统等组成。采用侧高压输出线方式,安装简单,与隔离开关连接方便,可户外安装在电除尘器顶部。可通过触摸屏手操器、EHC-IPAD 无线手操器进行操作,也可以采用RS485 总线或TCP/IP 以太网在上位机进行集中管理、远程操作、参数修改、节能优化等。

 

EHC-II 与传统的SCR(可控硅调压工频单相电源)相比性能优越,具有输出波纹小、平均电压电流高、工况适应性强、体积小、重量轻、模块化结构、转换效率高、功率因素高、三相平衡等多项显著优点,是传统SCR 的革命性的更新换代产品,实现了电除尘器供电电源技术水平的质的飞跃。随着环境问题的日益严峻以及人们对环境质量要求的不断提高,新的环保标准已经提上议程,传统电除尘器变压器由于技术限制,已经无法进一步提高除尘效率,因此高频电源就成为当前新环保标准下的发展趋势。EHC-II 既能有效提高电除尘器的除尘效率,又能大幅降低电除尘器的能量消耗。

 

五、存在的问题和拟解决的方法

 

电除尘器长时间使用以后,粉尘会沉积到收尘极板上,减弱了收尘极的导电性,使电晕电流减小,影响除尘效率。为了克服粉尘的黏附性,电除尘的振打锤的设计需要科学合理,既要保证可以有效清除极板上的粉尘,又要保证不会产生二次飞扬。为了保证除尘效果,需合理调整振打时间和振打锤的振打角度。这需要大量试验来确定参数。