湿式静电除尘器的发展史及设计方案

1 湿式静电除尘器的发展史及设计方案 湿式静电除尘的过去 如上文所述，湿式静电除尘技术在最近的一百年中已经被广泛地应用于冶金等工厂，以控制酸雾和微尘的排放。今天，全世界已经有超过 1000 台该种除尘器在工作了。在商业买卖中也有多种型号、设计的除尘器以供选择。湿式静电除尘器由一系列满收集电极的细管和平行平板组成。立式的只有垂直的气流通道（向上或向下），而卧式的设计则也可以满足水平而来的气流除尘。 在满足冶金工厂处理需求上，建造材料是该除尘器设计上的主要问题。比如在冶炼铜时，二氧化硫在废气中的含量通常超过百分之十，这 是由于矿石中含有较多的硫铁矿成分导致的。环保条例对减少废气中的硫含量的要求催生了一个巨大的市场，那就是将在废气中高含量的硫转变成一种可用的资源 硫酸。出人意料的，湿式静电除尘器在除去微粒和三氧化硫（三氧化硫随后将去制酸工厂）的同时也保护釩基催化氧化剂不被毒害和堵塞，它们还成为了工厂在收集酸雾方面结实耐用的机器，在除去痕量元素比如砷以加强生产的硫酸的品质方面也贡献不小。 在上世纪中九十年代中，用于酸雾控制的典型的 常采用防腐的铅作收集器和用铅包裹的高压电极（板和管子），用铅保护低炭钢的高电压支撑 系 统，以及用铅在金属框架表面烧熔并覆盖从而保护金属护板和框架不受酸性烟气流的腐蚀。由于铅的机械性能较差，加之下游制酸设备运行压力和脉冲压力导致其泄漏，这样它下 2 面的金属便会迅速地遭受严重的腐蚀。另外，在运行温度高于 150也易于加速机械故障。这些问题导致几乎在每一次停机都需要彻底的保养和维修。 最终，内置铅和衬了铅内部结构的外壳材料换成了其他替代品，比如玻璃纤维和增强塑料。这一新设计延长了除尘器的使用寿命也在最大程度上减小了对具有极高铅焊技艺的技工的需求。在同一段时间里，一些该种装置设计中开始使用塑料和 玻璃钢收集电极来进一步减少铅的使用。在 70 年代，一些设备设计开始使用特种不锈钢以代替原设计中的任何镀铅原件。铅的使用不便，结构特殊，养护的劳力需求，可靠性，维护和维修的花费，以及人们过去一段时间不断增长的对铅毒性的担忧成为了这些转变的主要推动力。 最近有一份关于冶金厂的湿式静电除尘器由于内部起火燃烧了聚丙烯管道和玻璃钢外壳而导致大量有毒气体产生的报告。类似的经历提高了人们对于使用相同装置的企业的担忧。由此可见，电力生产企业可能在它们自己的湿式静电除尘器上使用含铅或塑料元件方面会表达出合情的疑虑。在七十年代至 八十年代，合金在湿式烟气脱离装置进出口上的应用增强了人们对其在未来有广阔前景和需求的信心。今天，包括 317， 6%含钼量和 等级的合金钢在脱硫装置上的使用已成为常规。 过去在该领域的不断探索为人们积淀了一个坚实的经验基础。这个基础包含了卧式和立式两种类型的设计，它们都表现出了很高的捕集效率。湿式静电除尘装置的安置问题和如何将各种净化设备 3 有机结合起来将是做出最经济的决策的关键。 在净化过程中其中一个问题是当处理酸雾时会发生电晕抑制现象，而电晕抑制对于静电除尘来说已不是新鲜的了。生成的三氧化硫和烟道气中 的水分会在酸雾中产生超细漂浮颗粒，这样的酸雾会严重抑制操作中的电晕电流，最终降低净化效率，而湿式烟气除尘装置排出的气体（之后进入静电除尘器）中超细酸雾微滴和水雾的密度增加是导致上述问题恶化的影响因素。 上诉因素的影响能力将由于除尘装置的设计方案和电晕极形状的不适当选择而增强，最终可造成更大问题。通过选择电晕极形状使其可以在较低电压下工作和减小发射和收集电极的距离，最终在装置内部建立稳定和足够强的电晕电流。这会减少由超细颗粒所带来的负载，因此静电除尘可达到设计的最大工作效率。电晕抑制出现在很多需要除尘并用到类 似技术的地方，比如处理化工回收锅炉产生的钠盐颗粒，水泥回转窑排放的粉尘等，解决这些地方的电晕抑制问题为人们积累了相关经验。 现在的湿式静电除尘技术 水公司，德克萨斯州 水公司是一家坐落于美国德克萨斯州 帕萨迪纳市 休斯顿渔船海峡的以石油焦炭为原料的联合发电企业。它一年发电大概155 兆瓦。 这家工厂采用干式静电沉淀器来控制进入以石灰为原料，生成石膏的钙基烟气脱硫系统的颗粒粒径和未燃烧的碳的含量。另外，气体在进入烟气脱硫系统前还要通过湿式文丘里洗涤塔以去除 4 多余的固体颗粒，氢氟酸和盐酸。在这里降低颗 粒浓度是为了符合环保要求，控制未燃烧的碳含量是为了保障畅销的副产品石膏的品质。 石油焦燃料含很高的钒含量，在进入湿式烟气除硫系统前釩会促使生产三氧化硫，这种气体的猝灭作用也会催进硫酸的形成，由于酸雾雾滴的超细直径影响，大概只有 20%酸雾会被捕集到。三氧化硫的入口浓度从 35 100% 3% 产物中含 3%的氧气）不等，这取决于锅炉内的燃烧情况和釩在石油焦的含量的多少。 前有一台在美国制造中最老的湿式静电除尘器在电厂运行。表一指示了该设计的信息和需要达到 的排放标准。考虑到可凝性，对包括硫酸酸雾在内的所有微粒的浓度的最小要求是 此在硫酸微粒净化方面需要单独设置一个捕集效率超过 90%的装置来满足要求。气体通过湿式静电出除尘器后理论上净化效率可以达到 95%到 97%。不过这样的高效还得借助于干式静电除尘器和湿式文丘里洗涤器的帮助。在 1986 年这样的高效是需要的，因为在这方面的安全标准非常严格。当时德州政府要求硫酸酸雾的排放也要满足严苛的浓度标准限制，而到了今天没有哪项州政府建立的标准是为控制来自于同一源头的酸雾排放而设的。 表 一 水公司的空气污染控制系统具体参数 干式静电除尘器 进气流量 634000 360。 交 流电磁 5 场检测 下 捕集效率 烟气脱硫装置 二氧化硫去除率 前置洗涤器急冷器 文丘里式，下流平行 塔气速 英尺每秒 雾气去除器 分两步运行，型 气体加热器 管路串联式蒸汽加热 亚硫酸钙盐的氧化 在用排出的污水密封的不同塔中进行 湿式静电除尘器 气速 处理时间 到 捕集率 包括酸雾） 排放最低标准 这一湿式静电除尘器按常规包括三个电厂， 12 个向上流动系统的并行模块。收集表面是平板形状，由表面覆盖增强的热固性塑料的轻木制成。这些平面不断地被连续不停的膜状水流冲刷清洗，因为这样可以满足导电和去除收集物的需要。水流带着捕集物最后从阴沟排离。自 1986 年以来，湿式静电除尘系统的商业价值得到了充分的挖掘，微粒的粒径和废气的透明度都保持得很好，其中废气的不透明度在 10%以下。 电晕极和其他带有高压的内部装置采用合金 造，即使运行时间超过了十五年之久，这些装置看起来也跟新的一样，没有出现明显的腐蚀现象。 在 1999 年，所有的在 12 个单元组件里的第一组最初的集尘板被替换成由含 6%钼的钢铁合金打造的新集尘板。望找到一种提高净化效能又降低维护费用在未来是种热门的新技术。 6 电晕极也由最初的圆柱导线型更换为能形成更强大电晕，条带形高电压的电晕极。图一显示了由新合金平板组成的单元组件 B 的内部结构，图二显示了内外空间的即时电压关系。图表表明电晕从第一电场到第三电场会出现显著的增加，这标示了电晕抑制现象的阻抑程度，尽管不严重但由于酸雾的存在而确实存在。除尘器的净化效果已不是一个问题，如何研制出一个电极间能有更强电晕 的电极外形是现在的关键。 图一： 装置的改造 7 喷淋水管 8 放电电极 收集板 阴沟 9 10 11 气流 12 气流 13 六年的运行后，改良后的合金电极和集尘板没有一点腐蚀的痕迹，看上去跟最初是一样。 北方能源 /艾克赛尔 能源 这个工厂装备了 24 台湿式静电除尘器，每十二台组成一个750率的单元。之所以选择湿式静电除尘器是因为该厂想将它的烟道出口不透明度降到 20%以下。方法是改良上流气体通道，预先安置的外壳可以保证除尘器两个部分和颗粒洗涤器同时内置在里面。根据最初改良实验的结果，湿式静电除尘器的全面改造从 1998年开始到 2001 年结束。 艾克赛尔能源在雪邦镇的电厂主要燃烧次烟煤，大概在飞灰中含 20%的氧化钙。这些自由飘散的氧化钙能吸附废气中的三氧化硫，由于最初气体较高的热量，洗涤器无法使混合了粉尘和二氧化硫的气体的不透明度降低到 20%以下。没有干式静电除尘器，仅靠湿式静电除尘可以将烟道气不透明度降到 10%，以前是 40%，颗粒净化单元 表 2：电流电压数据表 输出电流 输出电压 14 率控制在 90%以上，而且这些结果是在气体在处理单元上的停留时间不足一秒的情况下得到。 由于飞灰中的高钙含量，第一电场收集管道的底部出现了结垢。第一电场主要捕集从经过洗涤器的上升气流夹带来的 水滴和颗粒物，这样在第二电场就可以保持相对稳定的放电状态了。每个部分每年都会进行一次彻底的脱机清洗以除去垢层，这些都需要大量的人工来完成。另外，当电厂供电紧张时，也需要用水对管路进行冲洗这样的日常维护。由于飞灰不像酸雾一样显酸性，所以 304L 可以用于制造除尘器的内部结构。实际操作告诉我们： 1、定期的清洗能解决由于粉尘堆积带来不良影响； 2、对不呈酸性的颗粒的捕集和对硫酸雾的捕集的高效是在改进除尘器用于净化硫酸雾时的重要衡量条件。 美国西北炼油厂 石油焦炭煅烧炉产生的烟气含有二氧化硫，二氧化硫通过采用具有腐蚀性 的试剂的洗涤塔被吸收，这种洗涤塔对于二氧化硫的吸收很有效，但它不能完全除去硫酸雾。自 1998 年以来，湿式静电除尘被用来捕集高浓度酸雾以消除排放烟气如羽毛般模糊的问题。三组湿式静电除尘器作为一个独立单元被使用，采用向上通气结构。图表 3和 4 呈现了除尘器对粉尘和酸雾的捕集效果。酸雾排放浓度降低到大概 1 7% 时粉尘浓度下降更明显，降到 这些事实静电除尘器的内部和外部结构用的都是合金 检查中又一次出现了看起来像新的一样的情况。 15 图三 ：酸雾净化数据（来自西北炼油厂） 16 新不列颠电厂，科森恩小湾 2002 年，新不列颠电厂决定在发电量 1050科森恩小湾站建造高效的湿式静电除尘器来处理经过以石灰为手段的湿式脱硫装置处理后的废气。这是全厂为减少电力生产成本而做的努力的一部分，该厂决定在使用奥里乳化油以降低成本的同时显著减少硫化物和颗粒的排放量。新不列颠电厂安置除尘器是希望将酸雾排放控制在5 3% 灰颗粒控制在 集效率要超过 90%。 科森恩小湾是第二个安装该捕集 装置的电力工厂。 2000 年，一个较小，独立的湿式静电除尘系统在达尔豪斯投入使用，这是 1994年该厂在使用奥里油和安装湿式脱硫装置后的又一次改变。 图 5 是科森恩两台湿式脱硫装置的布局和结构图图。从中可以看 17 到湿式烟气脱硫装置包含三个向上通向的结构设计。和在 水已顺利运行 15 年的装置很像。洗涤后的烟道气在通过烟雾消除器后会进入湿式静电除尘器的内部。 湿式除尘器里依次有三道电场，以及四条独立并增强的高电压总线穿过每个电场。这种 12 条总线被谨慎分离的设计可以保障在较小区域电压的自由增强，尤其是进行周期性清洗时可 以使排放始终达到设计要求。废气在进入除尘器顶部前会先通过一个雾沫消除器，以消除由于洗涤环节夹带来的微小雾滴，这些雾滴通过出口封头会聚集在一起变大。这样的设计可以简单地降低工厂的建造费用，否则，按通常的处理方法，在烟气脱硫塔外会单独再设立一个湿式除尘设备。 图 5：结合了湿式脱硫功能的向上流湿式静电除尘器 18 科森恩海湾工厂坐落于一片海岸线上，所以工厂的布局非常受到重视并要求土地被充分利用。因此，这种结合了脱硫和除尘的设计就显得非常合理了。内部的集尘板用的是 6%钼的不锈钢用于高电压系统 和集尘板的支撑。 2003 年的春天这种联合脱硫除尘系统投入建造， 04 年九月投入运行。未来，人们希望这种联合治污体系在化石燃料电厂会更普及同时作为一个综合处理氮化物，硫化物和粉尘，酸雾的净化器的改良选择。 19 湿式静电除尘与脱硫剂注射法的比较 科学家还研究了使用附着剂使现有空气净化器能吸附捕集因此而产生的颗粒的可能性。采用这种方法，对于像湿式净化器这类主要设备的改进就可以避免了。 一项由美国电力研究所主导，十多年前在纽约高硫测试中心开始的试验性研究紧紧围绕的主题是各种脱硫剂的吸收效率的测定和对含硫气体的不透明度的 改良表现。十多年后，该机构对在嘉文电站的硫催化装置进行了全面翻新改造并对其控制酸雾排放的效果做了全面的考察评估。这套装置同样有湿式烟气脱硫来净化二氧化硫。 下面是上述实验的总结，它会作为与其他方案在经济方面的参照： A、对电站锅炉废气的三氧化硫处理，碱性吸附剂既可以在炉膛过渡区注入也可以在干式静电除尘器前注入。 B、熟石灰、氨水和碳酸氢钠在干式静电除尘器前注入，氢氧化镁则在炉膛过渡区。 C、熟石灰的注入会使干式静电除尘器的效率降低，因为它需要自由的硫酸雾滴来减低飞灰的电阻率。由于飞灰电阻率的增大和进入除尘器 的微粒的增多，处理后的废气的浓度会成倍增长。因此，这就需要考虑除尘器扩大的花费或者也可以通过改进装置来提高净化表现。 D、当注入氨水时，氨气会与三氧化硫反应生成超细硫酸氢铵颗粒从而影响干式静电除尘器效率。这回引发电晕抑制降低进口电晕电流，另外，飞灰粘度增加也会产生效率降低和维护问题，对飞灰收集系统也会带来影响。 20 E、由于现代的多工业联合，飞灰的综合利用有了更多出路。飞灰可以作为水泥原料的替代品，在能源节约和二氧化碳减排上都有作用。但是如果粉尘中含有氨钠化合物的话，那么这些粉尘就不适宜再被利用。在一些工厂里收 集后的飞灰已经成为了很好的商品，这就出现了两个问题，一是经济上的损失，二是飞灰的处理成本上升。（这些影响在考察以钠盐为吸附剂时经济效益是会被包括在内。） F氢氧化镁吸附剂在炉膛过渡区的注入结果和石灰在除尘器前的注入结果差不多。 替换品的经济评估 下面重点考察湿式静电除尘技术和碳酸氢钠、石灰乳的经济效益比较。氢氧化镁和氨水的影响差不多，前者和石灰乳的效果相似，后者则跟碳酸氢钠相似。 湿式静电除尘器按年计算的基建费用加上预计的年运行维护费用就是湿式除尘器年使用成本。 资本回收系数用来计算年度资金成本， 对于 15 至 20 年的运行时间和利率和贴现率相差 6%的情况来说， 合理并且符合电力研究院的指导准则的。除尘器能源供应，控制器，高压绝缘加热器成本都被计算在这一评估内了。除尘器与吸附剂年成本比较，在这方面合理得纳入了除尘器扩建费和粉尘销售损失。 表二显示的是克莱森小湾电厂满足三个收集效率的湿式静电除尘器的投资建设费用。当捕集率在 50%时，只需要一个工作电场就 21 可以了，捕集率达到 80%时，两个收集电场是必须的， 90%的捕集率则是三个。 表二、三氧化硫捕集效率与湿式静电除尘器建造费用比较（ 500 兆瓦发电量） of %（捕集效率） $/一千瓦处理费用） 1 50 20 2 80 30 3 95 40 %的钼含量。 2.$/数据以绿色环保建筑的耗能为基准。 3.$/数据是对烟气脱硫和湿式静电除尘综合系统中的湿式静电除尘器而言的。 表 3 显示了干石灰和碳酸氢钠的在满足不同三氧化硫捕集率下的注射速率。显而易见，当捕集率超过 50%时，注射速率会大幅提高。 lb/000 吸附剂类型，三氧化硫吸附率 %， 1000 交流电场检测下每小时吸附剂消耗的磅数） 50% 80% 95% 石灰 6 酸氢钠 3 5 - 22 提示： 吸附剂在干式静电除尘器前注入，温度在 300 至 350 华氏度，注入过程保持干燥，吸附剂投入系统大概每发电 1 千瓦耗费 5 美元。 在吸附剂脱硫方案中，要求注入温度保持在 310 华氏度，而众所周知的是 延长吸附剂在干式静电除尘器前的停留时间有助于使废气和固体吸附剂混合充分，同时减少相关成本。不仅如此，进一步假设认为在工厂的实际运行中情况也是如此。额外的费用将会由于实际无法保持恒定温度和延长停留时间的需要导致改造通风管道而产生。 以下是分析出来的各种假设： 00 兆瓦。 0%。 0 美元每吨计。 粉尘会以每吨 5 美元销售。 、的 含沥青煤灰。 000 小时。 00 美元一吨，碳酸氢钠 250 美元一吨。 表四说明了湿式静电除尘器，干石灰脱硫和碳酸氢钠脱硫的年运行费用。这说明如果要维持粉尘销售或者保持在脱硫剂注射后的粉尘限制，湿式静电除尘器的运行费用就不得不维持在较低水平，尤其是与脱硫剂技术相比较后。在参考了上述三氧化硫捕集率是这也是正确 23 的。事实是在经济分析中湿式静电除尘器有几次的颗粒总排放量比脱硫剂方案要低的情况并没有反映在内。 在八九成情况下湿式静电除尘器的经济效益更好，这是因为更高效率的三氧化硫吸附效果降 低了脱硫剂的综合利用价值。但同时，湿式静电除尘器的固体颗粒排放量与添加吸附剂除尘相比也没有明显的优势。 结论 论上可以运行 100年。 雾排放的同时，联合使用湿式烟气脱硫装置对于电厂而言越来越有意义了。 表四、年发电量 500 兆瓦，运行 8000 小时的电厂里用于控制三氧化硫排放的方案的经济分析（捕集效率以百分比计；所有数字单位为美元） 24 50投资资金 10 尘器升级 硫剂添加系统 投资成本 10 本回收 1 行成本 25 硫剂成本 sh of 尘损失 sh 尘处理费用 运行成本 to 投资运行成本 注： 00 美元，每小时产十吨粉尘，粉尘 5 美元一吨，碳酸氢钠 250 美元一吨，粉尘 7 美元一吨。 3300W。 5 英镑 /平方米。 入除尘器内气体含 6%的钼成分。 未来在废气可排放要求上，不光会有 要求，同时也要满足三氧化硫含量和可见度的达标。湿式静电除尘技术可克服上述全部困难。 除除去三氧化硫外，湿式静电除尘器由于还可以控制粉尘排放以及控制水银含量而成为一个诱人的选择。 能源企业应该考虑到脱硫剂的使用会减少可销售的粉尘的数量同时干式静电除尘也会受到影响。 26 尽管湿式静电除尘器的建设费用较高但相较于干石灰和碳酸氢钠脱硫技术，其运行成本经济得多。 考虑到经济成本和运行费用以及工厂布局的紧凑要求，湿式烟气脱硫和静电除尘混合式吸收器相对于独立式的静电除尘 器更有优势。 参考： 克莱顿 A 和 杰布克森拉杰拉姆，“选择性催化还原系统对三氧化硫排放的影响”， 2002 年 5 月匹兹堡氮氧化物选择性催化和非选择性催