湿式静电除尘器在镁法脱硫烟气净化中的应用

孙玉，王会

（1.长春发电设备总厂，长春 130031；2.长春凯希环保有限责任公司，长春 130033）

湿式静电除尘器在镁法脱硫烟气净化中的应用

孙玉1，王会2

（1.长春发电设备总厂，长春 130031；2.长春凯希环保有限责任公司，长春 130033）

湿式静电除尘器是高效烟气除尘净化设备，适用于采用氧化镁湿法脱硫的燃煤锅炉烟气污染物的深度净化，能高效去除烟气中的PM10、PM2.5细微颗粒物，并能同步有效去除烟气中的SO3、重金属、水雾滴、脱硫副产物等污染物，实现燃煤锅炉烟气污染物“超低排放”，减小燃煤锅炉烟气污染物排放对环境质量的影响。

湿式电除尘器；镁法脱硫；超低排放

1 前言

随着社会的不断发展，我国对燃煤锅炉烟气污染物的排放标准日趋严格，但由于国内燃煤锅炉污染源的基数大，燃煤锅炉烟气污染物排放总量仍然相当可观，为了最大程度减少燃煤锅炉烟气污染，2014年9月国家发改委、环保部、国家能源局联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》，其中对燃煤发电锅炉污染物排放提出新的要求：“在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/立方米，支持同步开展大气污染物联合协同脱除，减少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。”与此同时，各级地方政府也据此“行动计划”纷纷出台燃煤锅炉污染物排放的地方标准，有些地方标准比国家标准更加严苛，普遍的要求是“烟尘排放浓度不高于5毫克/立方米”，这就要求煤电生产企业要对现有的除尘设施进行升级改造，以满足新的排放标准要求。

根据目前国家《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的规定，煤电锅炉粉尘排放浓度为≤30mg/Nm3（其中47个重点地区要求≤20mg/Nm3），这与新要求≤5mg/Nm3还有相当大的差距。根据理论计算，将粉尘排放浓度从30mg/Nm3降低至5mg/Nm3，需要去除烟气中83.33%的粉尘，也就是说在现有的排放标准基础上，需要增加一个效率能够达到83.33%以上的除尘设备，而干式电除尘器及布袋除尘器由于自身条件限制已无法满足这样的要求。

在上述背景下，对燃煤锅炉烟气中细微粉尘等颗粒物具有优异去除性能的湿式静电除尘器（简称WESP）得到了快速发展和应用，并取得了非常好的效果，为我国燃煤锅炉烟气深度协同治理起到了重要的作用。

2 WESP的应用情况

从1986年开始至今，WESP在全世界燃煤锅炉发电行业已有近30年的应用历史，有近50套WESP应用于美国、日本和欧洲等国家和地区的电厂，单台机组最大容量为1000MW。WESP在我国燃煤锅炉烟气治理行业应用仅有5年左右的时间，尽管时间较短，但发展迅速，目前在各种容量的燃煤发电锅炉烟气治理中应用已较普遍。根据工艺设计要求，WESP一般布置于湿法脱硫（简称WFGD）和烟囱之间，采用WESP的燃煤锅炉发电厂典型的系统工艺流程如图1所示。

图1 采用WESP的燃煤锅炉发电厂典型的系统工艺流程图

WESP作为烟气净化终端处理设备，用于深度净化从脱硫塔出来的绝热饱和湿烟气，能够高效去除烟气中的粉尘、雾滴、重金属、硫酸雾（SO3）、脱硫副产物（如石膏、硫酸镁）等污染物，而这些污染物中约有90%是PM2.5级别的超细颗粒物及气溶胶，所以WESP的应用对雾霾的治理起到了积极作用。

3 WESP原理及主要结构

湿式电除尘器的原理与干式电除尘器基本相同，都是利用粉尘等颗粒物在电场内荷电，然后在电场力的作用下将粉尘收集到阳极表面。不同之处是对于收集到的粉尘的清除方式不同，WESP采用水或水基液体冲洗方式清除收集到的粉尘，而干式电除尘器采用的是振打敲击等方式清除粉尘，从主要结构上看，湿式电除尘器主要由以下部分结构组成：

（1）阴、阳极系统：为WESP的核心结构，作用是使气体电离，使粉尘荷电并收集粉尘。

（2）供电系统：采用工频、中频或高频变压器为阴、阳极系统所构成的电场提供直流高压电源。

（3）水系统：包括超细雾化水系统、电场冲洗水系统、废水系统。

（4）热风系统：主要由风机、加热器和管路系统构成，通过吹入热空气用于保持绝缘瓷件表面干燥和绝缘件空间的温度，避免绝缘瓷件表面因湿爬电或击穿短路。

（5）气液分离器：多数用于烟气上进下出的结构中，设置在WESP出口，作用是将液滴和净化后的烟气分离，防止烟气将液滴夹带出WESP，类似除雾器作用，而对于烟气下进上出的结构多不需设置。

4 镁法WFGD脱硫后WESP的设计、调试及运行

4.1 镁法WFGD的应用及烟气特点

不同的国家和地区针对燃煤锅炉烟气所采用的脱硫方式也不尽相同，比如我国大陆地区多数采用的是石灰石-石膏法，而镁法脱硫应用很少，而在我国台湾地区有95%以上的燃煤锅炉烟气脱硫采用的是镁法。在日本有100多套镁法脱硫设备在运行，在美国、德国等国家，镁法脱硫也同样有非常成熟的应用。

与石灰石-石膏法脱硫相比，镁法脱硫有显著的优点，其最大的优点是不会发生设备结垢，所以也不会产生因结垢后引起的堵塞问题，能够保证整个系统的高效长期运行，而且由于pH值控制适当，腐蚀问题也得到了一定程度的解决。因而镁法脱硫工艺越来越受到重视，应用越来越多，针对镁法脱硫后采用WESP进行烟气深度净化治理的研究及应用案例也越来越多。

由于WESP处理的是从WFGD出来的烟气，所以WESP的设计选型及运行方式都与WFGD息息相关，不同类型及方式的WFGD出来的烟气特点也不一样，以一般造纸行业燃煤锅炉镁法脱硫后烟气为例，主要特点如下：

（1）烟气成分复杂，多种污染物共存，主要含有超细粉煤灰、水雾滴、脱硫副产物（MgSO4或MgSO3）、未反应的MgO、Hg等重金属、SO3形成的硫酸雾滴、SO2、NOx以及来自造纸污泥、轻渣燃烧产生的HF、HCl等酸性气体以及二英等。

（2）烟气腐蚀性强，进入WESP的烟气为绝热湿饱和状态，湿度高，一般含湿量约11%，而烟气温度低，一般在50℃左右，设备长期在SO3酸露点温度以下运行，加之有时燃煤中掺烧污泥产生的HF、HCl等，烟气腐蚀性更严重。

（3）烟气压力为正压：由于WESP多数布置在引风机出口，WESP内部烟气压力为1000Pa左右的正压，因此对WESP系统的密封性要求严格，一旦有烟气泄露不但会造成污染，还会对设备产生严重腐蚀。

（4）烟气中夹带的脱硫副产物为易溶于水的MgSO4和微溶于水的MgSO3，而不同于石灰石-石膏法中难溶于水的CaSO4·2H2O，所以不易在WESP内产生结垢现象，可以大大减少冲洗频率，从而降低工艺水的消耗。

4.2 WESP的设计、调试、运行

4.2.1 WESP的主要设计参数（见表1，以某厂500t/h循环流化床锅炉为例）

4.2.2 WESP高压供电设备选择

电除尘器常用的供电电源主要有两种：一种为工频变压器电源，另一种为高频变压器电源。工频电源的工作频率为当地市电50Hz或60Hz，高频电源工作频率一般在10kHz以上。同常规的工频电源相比，高频电源采用逆变工作方式，能够提供几乎无波动的直流输出，这使得湿式电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高静电除尘器的供电电压和电流，高频电源产生的 输出直流电压要比工频电源高25%～30%，可提高除尘效率10%～30%。且高频电源的转换效率可高达90%以上，比常规工频电源节能20%以上。

由于高频电源无论从节能、提高除尘效率、运行稳定方面都明显优于工频电源，所以该项目采用2台美国NWL公司生产的高频变压器对WESP的2个供电区分别进行供电，高频变压器的主要参数为：二次电流：2300mA，二次电压：70kV。

图2为高频变压器冷态空载和热态负载运行时的伏安特性曲线，从曲线可看出，在电场稳定无火花的状态下，冷态时变压器最高运行数据为50kV、2315mA，热态运行时数据最高值为57kV、2185mA（详细运行数据见表2）。

图2 高频电源冷态空载和热态负载运行时的伏安特性曲线

表2 高频电源热态运行数据表

4.2.3 WESP运行效果

WESP设备运行一年后，对其进行全面检查，结果如下：1）设备内部构件良好，未发现任何明显腐蚀之处，说明现有的防腐设计完全可以满足湿式电除尘器的运行环境；2）设备内部干净，没有任何明显积灰，说明清洗效果良好，可以进一步降低冲洗频率，减少水耗；3）自除尘器投运以来，电场运行非常稳定，包括电场冲洗期间，无拉弧，偶尔有火花，火花率SPM≤20；4）除尘效率高且性能稳定，从CEMS曲线看，出口烟尘排放浓度一直维持在2～3mg/Nm3，优于国家超低排放≤5mg/Nm3的要求。

4.2.4 WESP性能检测

WESP设备运行1年后，由专业测试单位对WESP进行了相关性能测试，测试结果各项性能指标均优于设计值（见表3）。

表3 湿式电除尘器烟尘数据（试验期间平均值）

5 WESP的特点

（1）除尘效率高，粉尘排放浓度低，只要设计参数合理，采用一级电场除尘效率可达到90%以上，粉尘的排放优于国家超低排放≤5mg/Nm3的要求。

（2）粉尘排放稳定，由于采用水冲洗方式清灰，不会产生二次扬尘，所以WESP的出口粉尘浓度排放指标能够保持长期稳定，受入口烟气条件变化的影响很小。

（3）对煤质的适应性好，除尘效率基本不受煤质变化的影响。

（4）不停电冲洗，在电场冲洗时无需关闭变压器，只要适当降低变压器的运行参数即可，冲洗时将变压器设定在额定电压或电流的50%～70%，这样就不会因为冲洗电场时变压器关闭而影响除尘效率，可以始终保持出口粉尘排放浓度值的稳定。

（5）耗水量低，由于在WESP的入口采用双流体雾化水系统，在运行时雾化水被吸收到极管和极线表面，和冷凝水一起形成自清洗水，完全可以保持阴、阳极系统表面的清洁，大大降低电场冲洗频率，减少灰水的排放量。

（6）节能效果明显，采用高频变压器作为供电电源，不但可获得理想的运行参数，提高除尘器效率，而且节能效果明显，可节能20%以上。

（7）可将变压器的运行参数和CEMS数据联锁，根据WESP出口粉尘排放浓度实时调节变压器的运行电压和电流，在保证粉尘排放达标的同时将能耗降到最低。

（8）系统自动化程度高，全自动运行，无需人员值守。

6 WESP应用展望及建议

湿式电除尘在我国燃煤锅炉烟气治理行业应用的时间相对较短，虽然其优异的性能得到了普遍认可，但有些问题还需要进一步研究和思考，比如，如何更好地处理WESP与WFGD的水系统平衡问题及废水综合处理问题，如何降低运行成本等问题。对于短时间内没有暴露出来的问题，需要继续跟踪运行效果，分析运行数据，不断完善其不足之处。

总之，WESP技术成熟，除尘效率高且稳定，对多种烟气污染物具有协同去除效果，适用于镁法脱硫WFGD后的烟气超低排放工艺路线，对减少烟尘等超细颗粒物及气溶胶类物质的排放起到积极作用，能够减轻灰霾天气对环境造成的影响，有效改善空气质量，湿式电除尘器的应用及发展前景值得关注。

[1] Richard C.etc.，The past，Present and Future of Wet Electrostatic Precipitators in Power Plant Applications，2003.

[2] NWL DSP Power Pluse Series 6 Product Manual，2014.

[3] Yasutoshi UEDA，etc.，Development of Advanced Gas Cleaning System for Sub-Micron Particle Removal，Presented at the 8th International Conference on Electrostatic Precipitation，May 14-17，2001.

[4] Fine Particulate Matter Control for Fossil Power Station，第六届中国绿色经济合作论坛报告， 29-44，2014.

[5] 黎在时.静电除尘器[M].北京：冶金工业出版社，1993，12.

[6] 童长炘，等.WBE型湿式电除尘器在火电厂的运用[J].中国环保产业，2016.

[7] 中国环境保护产业协会.电除尘行业2014年发展报告[J].中国环保产业，2015.

[8] 张强，等.湿式电除尘技术在300MW机组的应用分析[G].全国电厂燃煤节能减排升级改造解决方案经验交流会论文集，2015，6.

Application of Wet Electrostatic Precipitator in Desulphurization Flue Gas Purification by Magnesium Process

SUN Yu1, WANG Hui2

X701 文献标志码：A 文章编号：1006-5377（2017）09-0043-04