燃煤电厂烟气中PM2.5及汞脱除技术发展与应用.ppt

1,燃煤电厂烟气中PM2.5及汞脱除 技术发展与应用,江得厚 王贺岑 河南电力试验研究院 2012.8,PM10及以下的超微细粉尘，它可长期在空气中漂浮，影响大气质量和能见度。 特别是PM2.5粉尘可吸入肺部颗粒物，危害人的呼吸系统和心血管等循环器官带来和加重疾病，已引起各国的重视，制定可吸入肺部颗粒物和重金属的相关环境标准。 2011年底煤电已达到7O667万千瓦，预计2012年全国电煤消费量将比上年增加1.5亿吨左右，所以，煤电烟尘排放治理仍需加大力度，方能达到治理要求。 2012年全国实行小于30mg/m3的控制标准，长江、珠江三角洲以及京津冀重点地区将控制在 20mg/m3以下，还增加汞和PM2.5微细颗粒的控制指标。各省市根据本地的状况也会制定出更严格的地方标准。 因此，当前非常有必要研究高效脱除PM2.5和汞的除尘器，满足环境保护的要求，给人类有更好的生存空间。,2,要达到新标准的要求，同时还要考虑到即将实行更严格新的标准，对除尘器应达到以下要求： (1)烟尘排放浓度小于30mg/m3，重点地区应小于20mg/m3； (2)对汞和PM2.5超微细粉尘有较高的脱除能力； (3)要考虑到煤种多变影响除尘器效率的重要因素； (4)脱硫塔不要做除尘器使用； 上述指标不能把脱硫塔有除尘作用考虑在内，因为新的标准要求脱硫指标也同样更严，不能再将危害转嫁到脱硫系统1。 要满足以上几个苛刻条件，所以，有必要对当前的高效除尘器作分析研究。作为今后电厂降低PM2.5和汞排放的支持技术。,3,在燃煤电厂中的除尘设备可分为两大类： (1)电除尘器，其中也包括： a、常规电除尘器； b、回转电极电除尘器； C、正在研究中有前置聚并器电除尘器； D、湿式电除尘器，(在电站锅炉上尚未见使用)； E、前置低温换热器的电除尘器。 (2)袋式除尘器；又分为 a、纯袋式除尘器(包括旋转喷吹、行喷吹、反吹风等)； b、前电-后袋复合式除尘器； C、正在研究中混合型袋式除尘器。,4,常规电除尘器在电厂应用最多，也是较早应用的除尘器。它的优点；有较高的除尘效率、阻力小、耐高温。它最大的缺点易受工况条件的影响，如受烟气性质和粉尘特性的影响。对粉尘比电阻特别敏感，最适合比电阻为1061011cm，当比电阻过高或过低时，都会引起除尘效率显著下降，特别是高硅高铝这种极微细又轻的粉体大量存在时，如SiO2加Al2O3的含量超过85%时，因其又是绝缘体比电阻特别高，而且又是微细粉尘，Al2O3又有粘性易粘电极，所以，除尘效率降低更加明显2。在近年来煤种多变的情况下，除尘器一年后大多运行在9699.5之间。 另外，捕集到电极的粉尘是靠振打来收尘的，在高硅高铝又轻又细的粉尘情况下造成二次扬尘， PM2.5以下的微细粉尘又会随烟气排到大气中，电除尘很难达标排放，更不用说收集PM2.5的微细粉尘了。总之，在实施新标准后，电除尘器就是5、6电场都很难达到排放标准，因此，就出现回转电极电除尘器和聚并技术、湿式电除尘器、低低温电除尘器等。,5,从理论上说，电除尘器捕集效率也可以接近100，但由于粉尘荷电量不足或在荷电过程中互相中和、烟气流冲刷、振打清灰二次扬尘等原因，所以，除了高、低比电阻等粉尘特性影响捕集效率外，就是以上三种原因，其中又以如何减少二次扬尘是注重点2，日本首先开发回转极板式电除尘器。我国引进这种技术在小锅炉上应用和开发，目前已成功的用在三台300MW机组上应用，取得较好的效果。 回转极板一般设在电除尘器的最后一电场，极板平行烟气流动方向由链条、链轮、减速电机帶动周而复始运转。极板收集的灰不是靠振打，而是靠设置在灰斗内的旋转钢絲刷清除。由于钢丝刷在远离气流的灰斗内对极板上积灰给予彻底清除，有效地避免了二次扬尘。由于清灰彻底，极板表面洁净，不会发生反电晕现象。所以，具有较好的收集PM2.5和汞的作用。,6,极板采用骨架蒙皮结构，轻便坚固。刷毛采用不锈钢制作，经久耐用。链条采用标准链，运行平稳。由于转速很低(0.51m/s)，极板运转时不会发生颤动，不会出现异极间距改变。传动轴的轴承、链条、链轮等传动部件均设置在壳体之外，不受高温、粉尘、环境影响，实现安全稳定运行，当出现故障易发现和检修。 由于回转扱板电除尘运行才一年多，其可靠性和稳定性尚需进一步考验，特别在不同煤种运行情况下是否在排放浓度和微细粉尘的收集达到新标准的要求。 缺点：除解决二次飞外扬，可收集较多PM2.5和汞外，仍有电除尘器的缺点，当氧化铝及氧化硅较高仍粘前级电极，所以，4电场后两电场得改成移动电极，投资更高。目前，据说现投运2台再测试排放浓度已有所增加，说明稳定性仍要改进(可能与煤种变化、部件变化等有关)。,7,8,9,图3传动链条照片 图4旋转钢絲刷 图5极板传动部件照片,电除尘器对较大的飞灰颗粒（d 2.5m）的除尘效率理论上几乎接近100%，但对于0.11m飞灰颗粒的除尘效率只有65%85%。因此以颗粒数量计仍有占飞灰总数95%以上的超细颗粒物（PM2.5）进入大气中。这些细颗粒虽然所占的质量分数较小，但由于重金属在细颗粒中的富集效应以及更易被人体吸收，具有更大的危害性。如果将这些小颗粒聚并成大颗粒，电除尘器就可以很容易将其除去。基于此，将流体力学团聚和粉尘荷电凝聚等多项技术有机结合，开发出一种能有效聚合超细颗粒物的新技术3，4，5。该装置可采用模块化设计，改造时将烟道打开，将聚并装置本体放入烟道中。 微细颗粒通过不同的方式相对运动，彼此间发生碰撞接触结合成为较大颗粒的过程称为凝并(或称聚并)。凝并技术有机械、化学、声学、电磁和静电等。在电除尘器前的烟道或喇叭口处加装聚并装置，使后面电除尘器更易收尘，对PM2.5及汞都有较好的收集作用。,10,带异性电荷的粒子比带同性电荷的粒子的凝并效果好，因此，双极荷电明显优于单极荷电。采用正极、接地极、负极交替布置，构成双极性荷电区，使异性电荷的尘粒得到凝并效果，这就是双极荷电凝并器。 尽管粉尘经过双极荷电，有部分粉尘已经凝聚成大粒径颗粒，但是为了能使更多的粉尘充分凝聚，通过物理方法改变气流的流向以使带相反极性电荷的粒子混合，从而促进粒子的凝聚。而当流体处于湍流形态时，流体中当颗粒之间发生碰撞时，它们就会黏附在一起，当黏附力足够强，甚至可以避免因速度梯度存在引起的流动剪切而分开。且流体的旋转（涡旋或半涡旋）最利于大小不同、质量不等粒子的接触。涡旋中，流体方向时时变化，内外圈的流动速度迥然不同，因此兼有速度差和方向差，所以在流体中创造涡旋就会促进颗粒凝并。涡旋数量越多、旋转强度越大越能促进粒子的接触，提高粒子的凝并概率，同时涡旋越稳定、持久，越能强化粒子的凝并。从而大幅度提高聚并效率亚微细粉尘排放减少80以上，PM2.5m减少70以上，粉尘排放浓度下降30。,11,前置聚并器的电除尘器美国、澳大利亚及香港已有应用。我国有专家在一台130t/h锅炉试验排放浓度由548mg/m3下降到375mg/m3，可降低排放浓度约313。国内一些大学和研究单位也在聚并技术做过不少研究，并取得专利项目，目前了解到在一台2t/h锅炉上试验，排放浓度由40mg/m3降到20mg/m3的结果。最近收集到国内某厂家已在一台300MW机组今年4月份实现了工程应用，排放浓度下降率为32.59，PM2.5质量浓度下降率为34.111 (数据正准备正式从测)，在国内是一个突破。 缺点：烟道直管段要有10多米长，风速一般1215m/S，在氧化铝、氧化硅较高时存在磨损以及灰沉积等问题；此技术仍保留有电除尘器的部分缺点，长期运行效率可能会下降，目前在国内仍需在大机组工业试验。,12,13,14,用湿电除尘器去除许多小的难以捕获的微米以下颗粒、雾和金属等组成的污染源的一种方法。 湿式电除尘器用在燃高硫煤电站来减轻SO3和小于微米级的颗粒的含量已经有将近一个世纪历史了。然而，湿式电除尘器对于电力生产工作者来说仍然是一个不熟识的工艺。随着对微米级以下细小颗粒包括酸雾和微量半挥发性金属以及水银混合物等可溶气体排放监测标准日益严格。由于湿式电除尘技术它具有低压降和高脱除处理效果作为一个最终净化装置引起重视。 因此，对于要求去除酸性物质、雾状或者粘性颗粒以及达到PM2.5新标准，干式静电除尘器显然不是符合实际的装置。湿式电除尘器可在以下条件使用：烟气的湿度很大；烟气中含有粘性颗粒；对收集的颗粒尺寸有严格要求；烟气中含有酸性液体或者SO3；烟气的温度低于露点等。 因为湿式静电除尘器连续的冲洗收尘极表面，由此产生的稀释泥浆流入收集池作为一个循环水箱。收集板不会出现颗粒层、块，被捕捉的尘粒不会再次飞扬。此外，用于燃烧低硫煤将产生高电阻率的烟尘时也不会出现恶化。一个湿式电除尘器产生的功率很明显地高于干式电除尘器。这一特性使得湿式静电除尘器能有效地收集微小颗粒。测量结果表明70以及更多的二氧化硫被脱除，除尘器出口排放浓度可以小于30mg/m3。,15,气流分布，穿过湿式电除尘器的烟气分布是一个关键的技术。而且，材料必须能够耐烟气中的酸雾的腐蚀。组成湿式电除尘器的材料有导电玻璃纤维、碳钢、各种不锈钢、各种高端合金。也可以在前面安装一些洗涤器来消除酸性腐蚀性气体。材料选择应该按其在最差工况下来选择。同时，喷入湿式电除尘器再循环利用的水应该处理其酸性。 湿式电除尘器可以除去尺寸为0.01微米这样小的颗粒、液滴以及雾，并且工作效率可以达到99.9以上，国外一台835MW机组脱硫塔后装有两级湿式电除尘器PM2.5收集效率达到95，烟气中SO3酸雾去除90，并可收集较多汞的化学物3。 缺点：扱板液膜要均匀，极板不宜过长，阻力较高、喷嘴磨损、堵塞、设备腐蚀，结垢。另外，投入成本较高以及污水处理困难，对于高粉尘浓度或高NOx浓度的烟气条件不宜采用5。当前，电力行业尚未实际应用,16,在电除尘器前设置降低烟温的换热器，使烟温从130降到90，可大幅度降低比电阻，提高除尘器效率5，同时烟气量随之也减少，新机组设计时可减少体积和钢材，老机组改造，电除尘比集尘面积相对增加，也对提高除尘效率起作用。另外，可提高锅炉热效率。日本在90年代己开发应用(低低温电除尘)，据报道一般可以小于30mg/m3排放浓度。 缺点：投资高，300MW机组大约5000多万元，热交换器及前级设备可能产生积灰、堵塞和腐蚀，有资料介绍，在低烟温下SO3会雾化而被粉尘吸附带走，在酸露点以下运行，不会结露腐蚀，但比电阻降低，粉尘粘结力减少，会产生二次扬尘，要对振打、极板结构要进行改进等措施。还要注意含高浓度粉尘原烟气对GGH积灰，要采用特殊清灰装置，如钢球喷射清灰5。,17,它是滤袋种类和其面层上的粉尘层过滤粉尘的，所以粉尘层积累越厚，除尘效率越高，甚致可以接近零排放，但阻力很大。它对煤质要求不敏感，对煤质多变能适应。所以，适当调节高效率的去除PM2.5和排放浓度低于20mg/m3是很容易的。是目前达标最理想的除尘器。国内200MW机组已有7390个月的运行业绩，一般都可达到30000小时以上，也有少数运行不当只有25000小时左右的。 一般采用性价比较高的PPS做滤袋，它适应160烟温，氧量小于9，NOx小于15mg/m3的烟气参数长期运行。起仃时做好预喷涂，可防止油和水造成糊袋，另外，运行时要高于酸露点20以上运行，设计时注意气流分布和滤袋自平衡能力的要求，制造安装注意质量要求，特别是烟道、除尘器本体的漏风率小于1，运行中阻力维持1200Pa1500Pa运行，过分的追求低阻力运行，对寿命、除尘效率和微细粉尘去除都不利。 目前，国內已生产PTFE面层十PPS和PTFE作基布的滤袋，价格较高但使用寿命较长，设计时可根据各电厂参数选择。当前滤袋有其他型式的材料较多，可以有较宽选择余地。例如乌海电厂烟温在230用覆膜玻纤，现己运行3年多都没有破袋。,18,电-袋复合式除尘器，其构思也很简单，电除尘器保留一电场，后面攺为袋式除尘器，大部分的粉尘由电除尘除去，减轻滤袋的负担。阻力低、清灰容易，清灰周期长，使滤袋寿命得到延长，充分发挥2种除尘器的长处，是电除尘器和袋式除尘器的“最佳组合”。但实际应用中发现，其中隐含着更为难以解决的问题； (1). 不易收超微细粉尘和重金属；袋式除尘器的除尘效率与滤料种类以及滤料上附着粉尘的状况有关。过余稀薄的粉尘层会降低除尘效率和收集微细粉尘和重金属等效果，特别在过滤风速增加后，粉尘渗漏也增加同时阻力也加大。所以，在电-袋中使2.5m 及以下的微细粉尘容易进入滤布内层，逐步阻力增加，同时部分微细粉尘窜过滤袋造成超标排放。从一台300MW机组运行5个月，滤袋下部已有粉尘进入60，同时在满负荷运行时阻力到1500Pa以上(见图6)，13个月后检测细粉尘已全侵入滤袋整个截面。据当前收集到的数据，所有电-袋复合式除尘器运行一年左右阻力都达到10001200Pa，多台电-袋除尘器显镜照片均有微细粉尘进入，都说明超微细粉尘进入滤袋纤维中，也是缩短寿命和不易收集超微细粉尘的重要原因。 图6 粉尘进入滤料内显微图像(左图运行5个月，右图运行13个月),19,从2010年5月收集到l35MW以上的机组已投入运行49台电袋，已经有36台破袋更换或阻力达1500Pa，占73.4。寿命最短只有4个月，一般在1年半左右，少数最长有2年半的。 PPS耐化学腐蚀性好，但不耐氧化性酸、氧化剂、浓硫酸、浓硝酸、王水等。PPS会因氧化而降解，以致变色发脆，会破碎而脱离基布。除氧外，另一个危害PPS的因素是烟气中的NO2。烟气中NOX既有NO，也有NO2， NO大约占总NOX的95%7；前级电除尘运行中产生的臭氧，快速使烟气中的NO、SO2生成NO2、SO3等化学反应。就因在原有的基础上增加了NO2、SO3的数值，造成氧化及酸腐蚀，特别是SO3提高酸露点温度，低负荷运行时烟气在酸露点温度以下运行，加速滤袋酸腐蚀的机率，不同容量电厂的电-袋复合式除尘器运行后滤袋检测结果，都涉及到氧化腐蚀、硫酸磺化、硝化等酸腐蚀，是值得注意的重要信息。这在30多台的案例中得到证实。 现有一些电-袋除尘器使用时间稍长，究其原因一是前置有脱硝装置，或电除尘区的阴极线和阳极板已粘上一层较厚的粉尘(特别粉尘Al2O3、Si2O3大于85更易产生)，减轻产生电晕的作用，这时的电-袋已逐渐形成为纯袋运行。这就是一些所谓电-袋除尘器使用时间较长的原因(特别在50MW机组较常见)。,20,(3). 已经建成的电袋除尘器 最好是第一电场除尘作沉降室使用，尽量延长滤袋运行寿命。必要时将第一电场也改为袋式除尘； 研究高效低价适合燃煤电厂使用抗氧化的复合滤料，使袋式除尘器得到更好发展使用(如采用PPS+PTFE+PTFE基布可能有一定作用，目前有PTFE面层+PTFE与PPS混纺+PTFE基布水刺毡滤布)和采用600g/m2等增加代价的措施。 电-袋的缺点：寿命短、微细粉尘不易收集，电除尘器和袋式除尘器的缺点两者都兼有，本来纯袋式除尘器完全能做到的作用，在设计、安装、运行加强管理纯袋除尘器有较长的运行寿命，所以没有必要使用这种串联复合式电-袋除尘器。,21,电除尘器的收尘过程中，烟尘颗粒的凝并，尤其是亚微米粒子的凝并，直接影响除尘器的效率，人为电场给微细粒子造成凝并的条件是电除尘过程中一个特殊现象。上世纪70年代我国某研究所曾进行过高压交流电场的粉尘凝并试验，之后又进行预荷电袋除尘器一体化的试验，其目的是为了提高除尘效率，减少微细粉尘的排放，但只进行到半工业性试验阶段。 上世纪末，美国政府提出了减少PM2.5排放的课题，在美国能源部的资助下，美国能源与环境中心（EERC）提出了一种微粒控制的新概念，开发出一种称为“先进的混合过滤器”的设备。 由于粉尘在到达滤袋之前大部分已经被电场捕集，其余的荷电粉尘到达滤袋表面形成松散的粉尘层，在线清灰可维持较低且均匀的袋内外压力差，所以过滤风速可比传统脉冲喷吹滤袋高很多。2001年3月到4月中试阶段测试，取得了气布比3.13.7m/min、平均压力降为15001900Pa的好结果。但日后在工业实际应用中，出现了气布比过高导致设备阻力居高不下的问题。,22,23,24,电除尘器对汞的脱除主要利用飞灰的吸附性，脱汞效率一般仅24279。 袋式除尘器脱汞效率可以达到5880。由于脱汞效率与除尘效率及粉尘粒径有关，而FF几乎可以捕集0.1m以上的尘粒，对5m以上的捕集效率可达99以上，同时FF还增加气固接触时间。所以，袋式除尘器脱汞效率较高9。 在内蒙古国电能源准大发电厂2号炉，由内蒙古电力科学研究院实测报告结论：经过布袋除尘器后，气态汞的去除率较小，为13.21；颗粒态汞去除率非常大，为97.55，主要是因为布袋除尘器的除尘效率高，烟气通过布袋表面时，绝大多部分的灰以及灰上附着的颗粒汞被截留下来。 总之袋式除尘器脱汞效果比电除尘器高得多。,25,电除尘器对汞的脱除主要利用飞灰的吸附性，脱汞效率一般仅24279。 袋式除尘器脱汞效率可以达到5880。由于脱汞效率与除尘效率及粉尘粒径有关，而FF几乎可以捕集0.1m以上的尘粒，对5m以上的捕集效率可达99以上，同时FF还增加气固接触时间。所以，袋式除尘器