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湿电除尘器的应用

2016年08月29日 16:21  人气:19029

湿电除尘器方案

1. 湿式电除尘器的工作原理

湿式静电除尘器的主要工作原理:将水雾喷向放电极和电晕区,水雾在芒刺电极形成的强大的电晕场内荷电后分裂进一步雾化,电场力、荷电水雾的碰撞拦截、吸附凝并,共同对粉尘粒子起捕集作用,最终粉尘粒子在电场力的驱动下到达集尘极而被捕集。水在集尘极上形成连续的水膜,将捕获的粉尘冲刷到灰斗中随水排出。原理图如下

1

1.1 湿式电除尘器工作原理

静电除尘器的除尘过程可分为四个阶段:气体的电离;粉尘获得离子而荷电;荷电粉尘向电极移动;将电极上的粉尘清除。

只是湿式静电除尘脱除的对象由粉尘和雾滴,但是由于雾滴与粉尘的物理特性存在差别,其工作原理也有所差异。从原理上来讲,首先由于水滴的存在对电极放电产生了影响,要形成发射离子,金属电极中的自由电子必须获得足够的能量,才能克服电离能而越过表面势垒成为发射电子。让电极表面带水是降低表面势垒的一种有效措施。水覆盖金属表面后,将原来的“金属一空气”界面分割成“金属一水”界面和“水一空气”界面,后两种界面的势垒比前一种界面的势垒低很多。这样,金属表面带水后,将原来的高势垒分解为两种低势垒,大大削弱表面势垒对自由电子的阻碍作用,使电子易于发射。另外,水中的多种杂质离子在电场作用下,也易越过表面势垒而成为发射离子。这些都改变了电极放电效果,使之能在低电压下发生电晕放电。其次由于水滴的存在,水的电阻相对较小,水滴与粉尘结合后,使得高比电的粉尘比电阻下降,因此湿式静电除尘的工作状态会更加稳定;另外由于湿式静电除尘器采用水流冲洗,没有振打装置,所以不会产生二次扬尘。7

放电极结构和电晕场荷电示意图

1.2 影响湿式静电除尘器除尘效率的主要因素

静电电压值、水量、粉尘浓度三因素对湿式静电除尘效率的效应都为正,即除尘效率随着电压的升高、水量的增大、粉尘浓度的加大而上升。其中电压对除尘效率的影响最为显著,其次是水量,粉尘浓度的影响最小。静电和水雾相结合可显著地提高了除尘效率7

1.3 湿式静电除尘中水的作用

湿式静电除尘器中的水主要以雾化的水滴存在,根据国内研究水雾对湿式电除尘的除尘效率的提高有一系列的影响,主要机理:

l 水雾可以保持放电极清洁,使电晕一直旺盛;雾粒击打在集尘极上形成薄而均匀的水膜,它可以阻止低比电阻粉尘的“二次飞扬”对高比电阻粉尘起到调质作用而防止了“反电晕”现象的发生;对粘滞性强的粉尘又可防止粘挂电极;它还适合于收集那些易燃、易爆的粉尘。

l 水雾直接喷向放电极和电晕区,放电极还兼起雾化器的作用,采用同一电源可实现电晕放电、水的雾化、水雾和粉尘粒子荷电,实现了静电和水雾的有机结合。

l 水雾直接喷向放电极,荷电量高,这种高荷质比水雾在电场中的碰撞拦截、吸附凝并作用可大大提高除尘效率。

l 水雾击打到集尘极上形成水流流下,使集尘极始终保持清洁,省去了振打装置,同时避免了干式除尘由于振打清灰带来的一系列问题。

l 将水雾喷向放电极和电晕区使水雾进一步雾化的方法,静电并不和喷雾装置直接接触,所以几乎不存在绝缘问题。这种方法完全有别于“电晕放电使水雾化”的除尘技术,后者由于水与电直接接触,绝缘几乎不可能,实际上很难实现工业应用。

l 芒刺电极能产生很强的静电场,、同时具有很好的电晕放电能力,静电和水雾协同作用,具有很高的除尘效率。

1.4 湿式静电除尘器与干式静电除尘器比较

干式静电除尘器与湿式静电除尘器比较表8

项目

单位

干式静电除尘

湿式静电除尘

粉尘收集机理

粉尘收集机理

电晕放电库仑力

电晕放电库仑力

电极上粉尘清除方法

机械振打

冲洗

粉尘处理

干输灰或水冲灰

水冲灰

应用条件

烟气低于饱和温度

不适用

适用

烟气高于饱和温度

适用

不适用

粉尘比电阻

Ω·cm

1041012

不受限制

出口粉尘浓度的极限

mg/Nm3

520

实际低于1.0

SO2浓度的极限

mg/L

无限制

100200

其它方面

集尘面积

m2

小(占干式的1/21/3

转动部件

密封性能

较好

水处理设备

不需要

需要

寿命

一般

较长

除去污染物

PM2.5粉尘

作用有限

适用

SO3微液滴

不适用

适用

汞及氧化物

不适用

适用

2. 湿式电除尘器的分类和结构特点

100年湿式静电除尘器为冶金工业和其他行业作为一种控制烟气中硫酸、颗粒有效手段广泛应用。目前全世界范围内投入运行的湿式静电除尘器超过1000 个装置。

2

2.1 基本型式:

湿式静电除尘器在结构上有两种基本型式:管式和板式。管式静电除尘器的集尘极为多根并列的园形或多边形金属管,放电极均布于极板之间,管状湿式静电除尘器只能用于处理垂直流动的烟气。板式静电除尘器的集尘极呈平板状,可获得良好的水膜形成的特性,极板间均布电晕线,板式湿式静电除尘器可用于处理水平或垂直流动的烟气。

在相同的集尘面积时,管式静电除尘器内的烟气流速可以是设计为板式除尘器的两倍,因此在达到相同除尘效率时,管式除尘器的占地面积要远小于板式除尘器。

盐城大天力环境治理有限公司专一生产湿电除尘

2.2 湿式静电除尘器的布置方式

垂直独立布置

在化工和冶金行业应用的大型湿式静电除尘器一般为垂直烟气流独立布置,一般为模块化设计的管式设计,这种设计便于安装和解列维修,但其需要额外的布置空间。

水平独立布置:在美国的AES Deepwater电厂和日本的火力发电厂中湿式静电除尘器采用水平烟气流独立布置。9如图所示

水平布置在吸收塔后烟道

垂直组合布置:2000年以后,较早采用湿式石灰石石膏法脱硫系统的加拿大New Brunswick电力公司的DalhousieColeson Cove电厂(315MW机组)9,采用的湿式静电除尘器对吸收塔除雾器进行改造,即将湿式除尘器布置在吸收塔的上方替代原有的机械除雾器,这种方式可以使成本和运行费用也是最低的,占地面积也很小。

布置在吸收塔上方的湿式静电除雾器

2.3 水冲刷方法

常用的冲刷方法有7:自冲刷:就是利用捕集的液滴来湿润集尘极(此方法适用于捕集颗粒为液体颗粒);喷雾冲刷:雾化喷嘴采用水或空气或水和空气连续地冲刷集尘极,使雾化液滴和颗粒在集尘极表面形成一层冲刷膜;液膜冲刷:采用连续的液膜冲洗集尘极。由于液膜能充当集尘板,管状式、极式的集尘板只不过是它的支承物。因此,冲刷液是否具有导电性能极为重要。其次,液膜的物理特性和分布情况也很重要。

2.4 结构材料

影响湿式静电除尘器运行可靠性的重要因素是结构材料的选择,这是因为湿式静电除尘器通常在低于冲刷液的绝热饱和温度下运行,易引起腐蚀。因此,需合理地选择各部位的结构材料。

从结构材料上讲,壳体是湿式静电除尘器中最安全的,通常采用普通钢,为防止腐蚀,其内表面需涂有薄层防腐材料,安装时还需严格壳体内表面的易腐蚀性,如焊接点、构件连接处及盖板等。

集尘板表面需具有较强的抗腐蚀能力。同时应将易产生腐蚀的联接点减至最小,因为集尘极一旦发生故障。不仅会扰乱电场,而且会产生火花,引起除尘性能的下降。

放电极的抗腐蚀性能应高于其它部件,因为其表面易造成粉尘液结,局部腐蚀较快,因此,需有特殊的保护措施。

各种不锈钢和钛在模拟湿式电除尘中腐蚀环境下失重情况对比6

盐城大天力环境治理有限公司专一生产湿电除尘

3. 湿式静电除尘器对各种污染物去除能力

据国外相关文献表明,湿式静电除尘器对酸雾、有毒重金属以及 PM10,尤其是PM2.5的微细粉尘有良好的脱除效果。可以使用湿式静电除尘器来控制电厂的SO3酸雾,具有联合脱除的前景。根据国外湿式静电除尘器的研究和应用表明,在湿法脱硫系统后布置湿式电除尘器可以有效地去除烟气中的PM2.5粉尘、SO3和汞及氧化物等污染物。8

美国在2000年在Bruce Mansfield电厂的2#机组(835MW燃用3%高硫煤)安装了一个试验性的湿式静电除尘装置(管式安装在FGD上部),以测试湿式电除尘对多种污染物的去除率。在2003年的试验表明,湿式静电除尘器在较高的烟气流速下对污染物的去除率都达到较高水平。9

烟气流量(acfm

烟气流速(m/s

SO3酸雾

粉尘

单质汞

氧化汞

化合汞

8000

3

88%

93%

36%

76%

67%

15000

4.5

65%

70%

26%

50%

67%

3

3.1 湿式静电除尘器对PM2.5SO3的去除机理

在电除尘器中对粉尘颗粒有两种类型的荷电过程,对于直径大于1μm的颗粒来说场荷电是主要作用,颗粒碰撞沿电力线运动的负离子而带电,这时电压的强弱是影响这个过程的最主要因素。对直径大于0.5μm的颗粒来说扩散荷电是主要作用,亚微米粒子在随机运动时与负离子碰撞而带电,注入的电流密度是影响扩散放电最重要的因素。湿式静电除尘中,因放电极被水浸润后,电子较易溢出,同时水雾被放电极尖端的强大电火花进一步击碎细化,使电场中存在加上大量带电雾滴,大大增加亚微米粒子碰撞带电的机率,而带电粒子在电场中运动的速度是布朗运行的数十倍,这样就大幅度提高了亚微米粒子向集电极运行的速度,可以在较高的烟气流速下,捕获更多的微粒。

国外的研究表明,在高于露点温度以上时,烟气中的SO3205℃(400F)以下时,主要以H2SO4的微液滴形式存在9。其平均颗粒的直径在0.4μm以下,属于亚微米颗粒范畴。这也是干式静电除尘器和FGDSO3的去除率较低的主要原因。湿式静电除尘器对亚微米颗粒的高捕获率,可对SO3的微液滴起相同作用。

因此湿式静电除尘能够高效地去除亚微米粒子,雾滴,小至0.01μm的微尘,除尘效率根据运行的电场数不同一般都可达到99.9 %以上。8

3.2 湿式静电除尘对石膏粉尘和液滴作用

国外因湿式脱硫的吸收塔出口的除雾器设计的要求较高,除雾器出口所携带的液滴浓度只有20mg/Nm3,基本上没有石膏液滴带出,所以没有相关研究资料。国内已投用吸收塔的除雾器出口雾滴浓度设计为75mg/Nm3,而运行时往往还高于设计值,造成吸收塔出口有大量的石膏液滴带出,针对湿式静电除尘器对石膏以及石膏液滴的去除机理,可以作如下分析:

对于电除尘对石膏粉尘的去除机理,我们查阅了相关资料12,总结如下:

根据电除尘的除尘效率计算公式(多依奇公式)

其中S为比集尘面积,ω是粉尘在电场中的理论驱进速度,理论驱进速度是直接反映粉尘在电晕场中运动的难易程度的指标,查阅相关资料得石膏粉尘的理论驱进速度为0.16~0.2m/s,煤粉炉灰的理论驱进速度为0.1~0.14 m/s,当比集尘面积为10m2/(m3/s)条件下,可计算出电场对石膏粉尘的除尘效率为98%,煤灰为96.4%。可看出在相同条件中,石膏粉尘比煤灰更容易被捕获。因为湿式静电除尘工作原理与普通的电除尘相同,同时国外的相关资料也明确说明,这公式对湿式电除尘同样适用。因此湿式电除尘去除石膏粉尘效率要高于去除煤灰的效率。

在脱硫系统出口石膏是以CaSO4·2H2O的液滴形式存在,经过除雾器后,其粒径基本上在20μm以下。液滴的脱除一般采用湿式除尘技术,而湿式静电除尘器的水喷淋作用可以近似看作为一个重力喷雾湿式除尘。查阅相关资料,湿式除尘的效率计算公式13

其中Et湿式除尘总能量消耗,△Pg是指烟气通过湿式除尘的压力损失,△PL是指湿式除尘喷水压力,Qb是指湿式除尘的喷水流量,Qg是湿式除尘中烟气流量,其中α和β是与烟气中粉尘类型相关的常数。根据三菱提供的湿式静电除尘方案中各项数据计算可得Et=0.8,对应于石膏液滴的α和β目前还没有查到,但是当Et=0.8时对于各种酸雾(近似为微液滴),湿式除尘的效率均可达到70%以上。

虽然没有实际的测试数据说明,但是根据电除尘和湿式除尘的机理,已能说明湿式静电除尘器可有效地除去烟气中石膏粉尘和石膏液滴。

目前国外研究和运行经验表明,1电场湿式静电除尘器的除尘效率在70%左右,2电场的除尘效率在90%以上,这样湿式静电除尘器除去石膏的效率应高于除去粉尘的效率。也就是说如果吸收塔出口石膏液滴浓度在100 mg/m3时,进入1电场湿式静电除尘器后,最多不可能超过30 mg/m3(石膏粉尘浓度6 mg/m3),如果是2电场的湿式除尘器则会更低。可以达到国外吸收塔出口的水平,不会在烟囱出口出现石膏雨现象。盐城大天力环境治理有限公司专一生产湿电除尘

4. 湿式电除尘器的应用情况

1

2

3

4

4

4.1 湿式静电除尘器在北美应用情况

根据相关国外资料的介绍12,目前湿式静电除尘器在北美的火电机组中情况如下:

电厂

机组容量(MW)

主要燃料

WESP的模块和布置

WESP型式

Deepwater

155

Pet Coke

12外置于FGD

3电场垂直板式

Sherco 1&2

750

12模块内置于FGD

2电场垂直管式

Dalhousie 1&2

315total

Orimulsion

1模块内置于FGD

1电场垂直管式

Dakota Gasification

420

煤制气的废液

1模块外置于FGD

3电场水平板式

Coleson Cove

3×350

6#

2模块内置于FGD

3电场垂直管式

布置在FGD内湿式静电除雾器示意图

目前在美国正在有6台新建的燃用高硫煤的600~750MW,采用在湿法脱硫系统后加装湿式静电除尘器,作为控制SO3酸雾的措施,以替代原有在电除尘器前烟道内喷氨除SO3酸雾的方案15

4.2 日本三菱湿式静电除尘器技术

三菱湿式静电除尘器从1975年开始应用,最早是用于处理化工厂的重油锅炉产生的烟气。目前用于处理锅炉后烟气共有25台套投入运行,其中燃煤锅炉为碧南700MW机组锅炉。业绩表如下:

三菱湿式静电除尘器的主要技术特点

l 采用水平板式湿式静电除尘器设计方式,独立布置在FGD出口烟道上。除尘器内烟气流速2.4m/s

l 采用雾化效果良好的喷嘴,在冲洗时放电极和集尘极同时通电,可保证不产生有害放电现象。

l 放电极采用特殊形状和安装方法,不会因振动或腐蚀而损坏。

l 对喷嘴排列形式和集尘极板型式进行优化,可保证对极板最佳的清洗效果,同时喷出的雾化水,可以对烟气中粉尘和液滴起洗涤作用。

三菱湿式电除尘技术的主要问题

l 除尘原理与普通电除尘原理相同,喷淋水仅对集尘极板表面进行清洗作用,提高了集尘效率,但是因除尘面积较小单一电场的除尘效率在70%左右,一般采用2电场时除尘效率在90%左右。

l 循环水需加入NaOH进行中和,如果烟气中SO3含量较高时,NaOH加入量相应增大,运行成本增加,同时废水排入脱硫系统后也将加重脱硫废水处理负担。

l 湿式电除尘器壳体内表面鳞片衬里耐温只能达到80℃水平。

l 喷嘴、滤网为易损件,更换周期较短。三菱提供数据为喷嘴的寿命在5~10年。还增加了循环水泵、废水泵和加碱泵等转动机械,运行和维护费用较干式除尘器高。

三菱湿式电除尘器的系统图:

4.3 日立的湿式静电除尘技术

日立的湿式静电除尘器于2001年开始应用于中部电力的碧南电厂451000MW机组上,日立的湿式电除尘技术与三菱重工基本一致,只是在喷嘴型式和布置方式、放电极的形式、集尘极板的形式上有所不同外,其最大的差异就是极间距较小只有300mm,在对放电极进行水冲洗时必须要断电。

日立湿式静电除尘器的主要技术差异:

l 放电极采用带芒刺片的钢管制成,由于圆柱电容容量大,因而能产生强电场:芒刺尖端放电效果好,能产生强电流,即气体电离效果好。集尘板采用大平板设计,极间距300mm

l 集尘极与放电极的喷淋水由不同管道提供,在电除尘运行过程中集尘极一直保持喷淋状态,而放电极一般一天只喷淋一次,放电极喷淋时电除尘需暂时停电几分钟。

l 集尘极喷淋的喷嘴在设计上指向性较强,可避免将水喷淋到放电极上,对烟气的洗涤作用较三菱喷淋方式较弱。

l 湿式电除尘中的烟气流速较高,达到3.6m/s左右,除尘效率较低只有6070%

l 日立湿式电除尘器的壳体、喷嘴、放电极和集尘极等与烟气和水接触的部件均采用SUS317耐蚀不锈钢制作,基本上不会腐蚀现象发生。

4.4 碧南电厂湿式静电除尘器运行情况

碧南电厂1-3号机组为超临界700MW机组,4-5号机组为超临界1000MW机组,设计煤种为灰份10%左右的高发热量无烟煤;烟气排放处理方式为:1-3号机组采用锅炉出口+SCR+干式静电除尘器+烟气换热器+FGD+湿式静电除尘器+烟气换热器的方式,4-5号机组采用锅炉出口+SCR+烟气换热器+2电场固定电极和1电场转动电极的干式电除尘器+FGD+湿式静电除尘器+烟气换热器的方式,其中烟气换热器主要用高温烟气加热脱硫后的低温烟气提高排烟温度,使烟囱出口处烟气温度达到90℃左右,因烟气内含尘量极低且排烟温度高无水蒸汽凝结,烟囱排放的烟气基本透明。盐城大天力环境治理有限公司专一生产湿电除尘

碧南发电厂4-5号机组烟气排放处理流程:

碧南电厂5台机组均在湿式脱硫系统后设置湿式静电除尘器,其中1-3号机为三菱重工产品,分前后二电场,壳体为鳞片衬里,喷嘴、极板和极线均为SUS316L不锈钢,总的长度12.44米。45号机为日立公司产品,只有一个电场,壳体、喷嘴、极板和极线均采用SUS317耐蚀不锈钢,长度在9米左右。投产后运行情况良好,排放烟气中粉尘浓度长期保持2-5 mg/Nm3水平,在煤质较好情况最低达到1 mg/Nm3,运行十五年来,经介绍壳体和内件未发生严重的腐蚀问题。运行过程中循环水流量在80100t/h左右,循环泵为45KW,每台机组补水量为35t/h,每台机组每天消耗20%NaOH溶液100500Kg(根据煤中含硫量不同)。

碧南电厂污染物排放情况

机组

保证值

实测值

SOX

1-3号机

<30ppm

800ppm(锅炉出口)

28 ppmFGD出口)

4-5号机

<15ppm

871ppm(锅炉出口)

25 ppmFGD出口)

NOX

1-3号机

<28 ppm

150 ppm(锅炉出口)

30ppmSCR出口)

4-5号机

<25ppm

150 ppm(锅炉出口)

15ppmSCR出口)

烟尘

1-3号机

<5mg/Nm3

20g/Nm3(锅炉出口)

电除尘出口150 mg/Nm3

FDG出口17.5 mg/Nm3

湿式电除尘出口5 mg/Nm3

4-5号机

<5mg/Nm3

20g/Nm3(锅炉出口)

电除尘出口30mg/Nm3

FDG出口7.1 mg/Nm3

湿式电除尘出口5mg/Nm3

4.5 鞍钢第二发电厂湿式静电除尘器应用情况

2006年建成的鞍钢第二发电厂是燃气—蒸汽联合循环发电厂,总装机容量300MW(燃机183.3MW,汽机117MW)。燃料为低热值高炉煤气(约47Nm3/h)和焦炉煤气(约3Nm3/h)的混合气体,煤气从高炉、焦炉出来后已经过除尘、脱硫处理。湿式静电除尘器安装在煤气压缩机前,对煤气再进行除尘净化,除尘净化后的煤气经压缩后进入燃气轮机燃烧。湿式电除尘器、煤气压缩机、M701S(F)高炉煤气燃气轮机均由日本三菱重工提供。

湿式静电除尘器为水平板式、单电场,处理煤气量560,000Nm3/h,设计除尘效率为80%,。本体包括整流变为日本三菱重工提供,辅助系统(泵、管道)为三菱重工设计、国内采购。湿式电除尘器前后未装粉尘浓度检测装置,日本三菱重工曾经人工取样检测过湿式电除尘器前后的装粉尘浓度,但具体数据不详。

湿式电除尘器外壳材料为20G,内部构件为SUS304。气体通道数:46个,通道宽度(同极距):300mm,有效电极高度:7.6m,有效电场长度:3.299 m,喷水管:3根,喷嘴数合计:60个。循环水流量:42m3/h,压力0.25Mpa

运行后主要问题:个别放电极尖头处存在积垢现象,但不影响除尘效率。喷嘴在2009年进行了更换。电除尘器的故障主要是电场内进入异物、喷淋水雾化不良、放电极结垢等。湿式电除尘器后本体维护工作量很少,但废水坑中的灰泥每年机组检修时需进行清理,给水泵、废水泵需定期保养维护盐城大天力环境治理有限公司专一生产湿电除尘

(完)
 
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