淺談靜電除塵系統在工業大氣污染治理中的應用

      摘要：隨著我國近年來經濟的高速發展，相對落后的發展模式帶來了嚴重的環境污染問題，持續的霧霾已經威脅到人民群眾的身體健康。根據環境保護部門的分析，目前我國氣態污染物的主要成份是可吸入顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等組成，也是形成霧霾的主要原因。在我國焦化廠及電廠是大氣污染物的主要排放源之焦化廠和電廠若實現粉塵減排對于環境的貢獻無疑將是巨大的。

      由于環保壓力大，對于煙氣中煙塵、SO2、NOx、汞及其化合物的排放濃度要求日益嚴格。在（GB13223-2011）中規定的排放限值的基礎上，要求達到煙塵排放濃度不大于5mg/Nm3，SO2排放濃度不大于35mg/Nm3，NOx排放濃度不大于50mg/Nm。

      一、國內外除塵系統發展介紹

      第一臺電除塵器于1907年投入商業運行以來，已經超過了一百年的歷史。百年來的應用實踐表明，從投資和長期運行成本綜合來看，電除塵設備的總體費用低、技術經濟性好、運行維護管理壓力小。歐美及其他發達國家目前使用的干式電除塵器，其煙塵排放濃度都低于20mg/m3 ，特別是德國和日本，一般都可以控制在10mg/m3 以下。如果采用濕式、低低溫電除塵器，煙塵排放濃度可以控制在5mg/m3以下。

      （1）美國

      隨著火電廠環保治理措施技術的發展和對環保的高度重視，美國具有主要代表性的除塵工藝是電除塵器靜電除塵工藝和布袋除塵器除塵工藝。2005 年以來，由于采用旋轉噴霧半干法煙氣脫硫工藝的增加以及美國國家對粉塵微細顆粒PM2.5排放控制要求的提高，布袋除塵器的應用逐漸增多，目前美國約有 20%以上的電廠采用布袋除塵器[8-10]。

      （2）日本

      在2000年前大容量機組主要采用常規靜電除塵設備，2000年后隨著燃煤電廠大氣污染防治技術的日益提高和公眾對環保的高度重視，日本新建大容量燃煤機組多采用最具代表的低低溫電除塵器和移動極板電除塵器工藝[11]。低低溫電除塵工藝的核心是將一套熱媒體煙氣加熱器(MGGH)加裝在電除塵器之前，利用 MGGH 熱交換作用，將進入電除塵器的煙氣溫度降低到 900 攝氏度左右，低于常規的 1300-1500攝氏度，同時降低粉塵的比電阻，提高所有煤種條件下電除塵效率，即使集塵面積不變。當入口粉塵濃度為 20g /Nm3時，也能使電除塵器出口的粉塵濃度達到30mg/ Nm3，除塵效率達到 99.85%，然后通過濕法脫硫裝置保證出口粉塵濃度低于l0mg/ Nm3，在日本對濕法脫硫的除塵效率一般按 85%考慮[12]。移動極板電除塵器工藝是由日立公司新開發的一種除塵方式，這是一項能夠有效地收集高比電阻粉塵的新技術，核心就是采用移動陽極板和旋轉電刷來剝離粉塵。該裝置己較多用于日本的700MW-1000MW機組[13]。

      （3）德國

      根據德國聯邦環境污染防治法，對300MW以上機組粉塵排放控制濃度要求為20mg/ Nm3以下。針對法規要求，德國的大容量燃煤機組目前主要除塵措施是裝備高效電除塵器，該類除塵器對電除塵器控制部分和煙氣通道進行改進，從而提高電除塵效率，加上煙氣脫硫裝置的除塵作用，能將粉塵排放濃度控制在 20mg/ Nm3以下[14]。據有關資料介紹，高效電除塵器本身除塵效率實際就可達到99.99%，除塵器出口煙塵排放濃度可控制在l0mg/Nm3以下[15,16]。近年隨著電除塵器技術的不斷改進，歐洲的大容量機組的除塵設施仍以電除塵器為主。

      二、提高電除塵效果的幾項措施

      我國火電行業以燃煤為主，排放的大氣污染物包括煙塵、二氧化硫和氮氧化物（焦化煙囪排放物與此相似），是我國污染控制的重點行業。隨著GB13223《火電廠大氣污染物排放標準》不斷修訂，國家要求達標排放的煙塵濃度值越來越低。當前我國大中型火力發電廠煙氣除塵設備仍以采用電除塵器設備為主。國內電除塵器研究單位和制造廠為應對新排放標準、煤種復雜多變、反電暈等問題，做了大量的開發研究工作，這些新技術對燃煤電廠現有電除塵器的提效改造提供了可以選擇的、可以多種組合的、靈活的技術方案。

      (1)增加電場個數（增加比集塵面積）

      根據電除塵器效率計算多依奇公式，在煙氣量一定的條件下，增加電除塵器集塵極板面積，可以提高比集塵面積，從而提高除塵效率。如果原電除塵器進、出口有場地空間，可以新增一個或兩個電場，提高電除塵器的集塵面積，從而提高除塵效率。

      (2)改為布袋除塵器

      布袋除塵器為過濾式除塵，含塵氣流均勻的進入到布袋除塵器的各室，經濾袋過濾后，灰塵粘附在濾袋的外表面，隨著灰塵粘附厚度的增加，濾袋內外差壓達到預先設定值時，脈沖清灰系統啟動，對濾袋依次進行清灰，粉塵落入灰斗。

      布袋除塵器的最大優點是：除塵效率不受煙氣成份、含塵濃度、顆粒分散度及粉塵比電阻等煙氣粉塵性質的影響，對微細粉塵捕集率一般可達99.9%以上，安裝運行良好的設備排放濃度<30mg/m3甚至更小。特別是用于收集高比電阻粉塵及微細粉塵這種對于電除塵器來說難以收集的粉塵時，具有明顯的技術優勢。

      (3)電袋復合除塵技術

      電袋復合式除塵是通過前級電除塵區捕集70%～80%的煙氣粉塵，后級濾袋過濾區捕集少量的殘余粉塵。同時利用通過前級電場區產生的荷電粉塵可有效改善沉積在濾袋表面粉塵層的過濾特性，使濾袋的透氣性能、清灰性能得到大幅改善，從而達到低阻高效收塵的效果。此技術結合了電除塵和濾袋除塵的兩種除塵特點，它的除塵效率不受煤種、飛灰特性的影響，與純布袋除塵器相比，在運行過程中除塵器可以保持較低的運行阻力。

      (4)移動極板電除塵技術

      移動極板電除塵器收塵機理與常規電除塵器相同，由前級固定極板電場（常規電場）和后級移動極板電場組成。移動極板電場中陽極部分采用回轉的陽極板和旋轉的清灰刷。附著于回轉陽極板上的粉塵在尚未達到形成反電暈的厚度時，就被布置在非電場區的旋轉清灰刷徹底清除，因此不會產生反電暈現象并最大限度地減少了二次揚塵，增加粉塵驅進速度，大幅提高電除塵器的除塵效率，降低排放濃度，同時降低了對煤種變化的敏感性。

      (5)低溫電除塵技術

      低溫電除塵器是通過低溫換熱器（主要采用汽機冷凝水與熱煙氣通過換熱器進行熱交換，使得汽機冷凝水得到額外的熱量，以減小汽機冷凝水回路系統中低壓加熱器的抽汽量），使進入電除塵器的運行溫度由常溫狀態(120℃～160℃)下降到低溫狀態（90℃～110℃左右，一般控制在酸露點以上10℃)，由于排煙溫度的降低，進入電除塵器的煙氣量減少、煙氣流速降低，粉塵比電阻降低。從而實現余熱利用和提高除塵效率的雙重目的。

      (6)電除塵器電源新技術

      高頻電源輸出直流電壓比工頻電源平均電壓要高約30％，因為工頻電源峰值電壓在電除塵器電場中觸發火花，顯著地限制了加在電極上的平均電壓。而高頻電源諧振頻率為30～40kHz，同常規的工頻電源相比，高頻電源紋波系數小于5%，在直流供電時它的二次電壓波形幾乎為一條直線，高頻電源提供了幾乎無波動的直流輸出，這使得靜電除塵器能夠以次火花發生點電壓運行，從而提高了電除塵器的前電場供電電壓和電流，提高了前電場除塵效率，減輕了后級電場的負擔，從而使整臺電除塵器粉塵排放濃度顯著降低，提高了整體除塵效率。

      三、電除塵器的工作原理和影響電除塵性能的主要因素

      電除塵器是在兩個曲率半徑相差很大的金屬陽極和陰極上，通過高壓直流電，維持一個足以使氣體電離的靜電場。氣體電離后所生成的電子，陰離子和陽離子，吸附在通過電場的粉塵上，而使粉塵獲得荷電。荷電粉塵在電場力的作用下，便向電極性相反的電極運動而沉積在電極上，從而達到粉塵和氣體分離的目的。當沉積在電極上的粉塵達到一定厚度時，借助于振打機構使粉塵落入下部灰斗中。盡管電除塵的類型和結構很多，但都是按照同樣的基本原理設計出來的，用電除塵的方法分離氣體中的懸浮塵粒，主要包括以下四個復雜而又相互有關的物理過程：

(1)氣體的電離。

(2)懸浮塵粒的荷電。

(3)荷電塵粒向電極運動。

(4)荷電塵粒沉積在電極上。

      影響電除塵性能的因素很多，可以大致歸納為如下四大類：

1、粉塵特性：主要包括粉塵的粒徑分布，真密度和堆積密度、粘附性和比電阻等。

2、煙氣性質：主要包括煙氣溫度，壓力、成分、溫度、流速和含塵濃度等。

3、結構因素：主要包括電暈線的幾何形狀、直徑、數量和線間距，收塵極的形式、極板斷面形狀、極間距、極板面積以及電場數、電場長度、供電方式、振打方式(方向、強度、周期)、氣流分布裝置、外殼嚴密程度、灰斗形式和出灰口鎖風裝置等。

4、操作因素：主要包括伏安特性、漏風率、氣流短路、二次飛揚和電暈線肥大等。

      四、 BE型電除塵器和高頻電源的技術特點

      BE型電除塵器是龍凈環保在引進美國通用電氣公司(GEESI)電除塵器技術基礎之上，通過消化、吸收，在國產化過程中不斷完善而開發的一種新型電除塵器。其特色技術在于：

(1)陰、陽極系統及氣流分布裝置均采用頂部電磁錘振打清灰；

(2)小分區供電；

(3)吊打分開式剛性陰極系統。

     EHC-II 系列電除塵用高頻高壓電源（以下簡稱EHC-II）是目前國際上先進的新型電除塵器高壓電源，是大維電子在EHC 一代產品基礎上，斥巨資升級的高端產品，具有完全自主知識產權。

     EHC-II 是一個高度集成的大功率開關電源，是傳統變壓器和高壓控制柜的結合體，它為高壓靜電除塵器電場提供所必須的設備以及這些設備的控制系統。它由高頻整流變壓器及逆變箱、控制箱、散熱系統等組成。采用側高壓輸出線方式，安裝簡單，與隔離開關連接方便，可戶外安裝在電除塵器頂部?？赏ㄟ^觸摸屏手操器、EHC-IPAD 無線手操器進行操作，也可以采用RS485 總線或TCP/IP 以太網在上位機進行集中管理、遠程操作、參數修改、節能優化等。

      EHC-II 與傳統的SCR（可控硅調壓工頻單相電源）相比性能優越，具有輸出波紋小、平均電壓電流高、工況適應性強、體積小、重量輕、模塊化結構、轉換效率高、功率因素高、三相平衡等多項顯著優點，是傳統SCR 的革命性的更新換代產品，實現了電除塵器供電電源技術水平的質的飛躍。隨著環境問題的日益嚴峻以及人們對環境質量要求的不斷提高，新的環保標準已經提上議程，傳統電除塵器變壓器由于技術限制，已經無法進一步提高除塵效率，因此高頻電源就成為當前新環保標準下的發展趨勢。EHC-II 既能有效提高電除塵器的除塵效率，又能大幅降低電除塵器的能量消耗。

      五、存在的問題和擬解決的方法

      電除塵器長時間使用以后，粉塵會沉積到收塵極板上，減弱了收塵極的導電性，使電暈電流減小，影響除塵效率。為了克服粉塵的黏附性，電除塵的振打錘的設計需要科學合理，既要保證可以有效清除極板上的粉塵，又要保證不會產生二次飛揚。為了保證除塵效果，需合理調整振打時間和振打錘的振打角度。這需要大量試驗來確定參數。