湿式电除尘器脱除细微颗粒物的关键技术研究

张海珍 李欣璇 阮炯明

摘  要：湿式电除尘器能够高效的脱除细微颗粒物，因此作为除尘的终端把关技术逐渐在大型燃煤机组上得到推广应用。目前对湿式电除尘器的研究主要集中在除尘器对细微颗粒物脱除效果的测试上，对湿式除尘器高效脱除细微颗粒物机理的研究相对较少。文章采用理论研究的方法，对影响湿式电除尘器性能的颗粒物粒径、颗粒表面属性、相对湿度、清灰方式等关键因素进行分析，探索研究湿式电除尘器高效脱除细微颗粒物的机理，并提出提高湿式电除尘器除尘效果的方法。

关键词：湿式电除尘器;细微颗粒物;粒径;表面属性;相对湿度;清灰方式;关键参数

中图分类号：X701.2文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0159-02

Abstract： Wet Electrostatic Precipitator （WESP） can remove fine particles， and gradually used in large coal-fired units as the terminal dust control technology. At present， the study on WESP is mainly focused on the removal of fine particles， and the mechanism of the removal of fine particles is relatively few. Through theoretical methods， this paper analyzes the key factors， such as grain， surface properties， relative humidity， cleaning mechanisms， which may affect the performance of WESP， and studies the mechanism of high efficiency removal of fine particles.

Keywords： wet electrostatic precipitator; fine particles; grain; surface properties; relative humidity; cleaning mechanisms; key parameters

1 概述

随着国家环保排放标准的日益严格，燃煤火电厂的污染物排放压力剧增，燃煤电厂现有的干式静电除尘器对燃煤烟气中粗颗粒的收集效率可高达99.9%乃至更高，但其对以亚微米为主要份额的细颗粒物PM2.5的捕集效率却仅有95%～99%[1]，原因是飞灰粒径对驱进速度有较大影响，当颗粒大于1μm时，粉尘驱进速度与粒径为正相关，当粒径为0.1～1μm时，粉尘的驱近速度最小，当粒径小于0.1μm时，粉尘的驱近速度与粒径为负相关[2]，因此电除尘器对此粒径范围内细颗粒的捕获率较低，很难单独依靠干式电除尘器将烟尘排放控制在5mg/m3以内，需要新的烟尘控制技术来降低燃煤电厂烟尘排放，这在很大程度上促进了污染物控制新技术和新工艺的推广使用。

湿式电除尘器就是在这样的大背景下开始被应用到大型燃煤火电机组上。本文依托某电厂项目，对湿式电除尘器的除尘关键技术进行理论分析研究。

2 湿式电除尘器关键参数影响分析

与干式电除尘器相比，湿式电除尘器有以下特点：（1）粉尘粒子属性不同，湿式除尘器安装在湿式脱硫装置之后，烟气经湿式脱硫喷淋塔，除雾器后进入湿式电除尘器，因此进入濕式电除尘器的含细微颗粒的烟气是饱和的（温度一般为50-60℃），细微颗粒被液体（主成分是水）包住，形成了以细微颗粒为核的气溶胶，换句话说，外面液体的电特性取代了原来细微颗粒本身的性质，同时气溶胶的粒径也增加了很多;（2）清灰方式不同，湿式电除尘器为了集尘板清洁和防止高腐蚀性的气溶胶直接冲击到极板上，工作时有一定量的清洁水冲刷集尘板形成水膜，当气溶胶粒子向集尘板撞击时会迅速放电并随流动的水膜除掉，不会像干式电除尘器那样会受灰尘颗粒比电阻的影响，高比电阻灰会在集尘板上产生积灰，产生反电晕，低比电阻灰会产生二次扬尘。

以下从颗粒物荷电机理、颗粒物粒径和表面属性、相对湿度、清灰方式等方面来分析湿式电除尘器高效脱除细微颗粒物的机理。

2.1 颗粒物荷电机理

电除尘器中的粉尘颗粒需要荷电后才能在外电场力的作用下迁移至集尘极并被收集，粉尘颗粒的荷电机理主要有场荷电和扩散荷电两种。

（1）场荷电

场荷电主要是离子在电场力的作用下向电压梯度大的方向运动，沿电场线方向与气体中的粉尘颗粒碰撞，使粉尘荷电，粉尘荷电后逐渐对向其运动的离子产生排斥力，最终离子的迁移速度不足以使其运动至颗粒表面，从而颗粒荷电达到饱和，此时颗粒的荷电量表示：

其中：式中？着是粒子的相对介电常数，Ec是电场强度，e和Ke（9.0×109N·m/C2）是常数，dp是粒子直径（m）。

（2）扩散荷电

扩散荷电是离子无规则热运动碰撞粉尘颗粒荷电，与离子和粉尘颗粒的热运动强度、碰撞概率、粒径大小有关，荷电过程由下式控制：

（2）

其中是离子无规则热运动速度（m/s），Ni为离子浓度（个/m3），T是温度，k是玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），t是颗粒在电除尘器中的停留时间（s）。

场荷电一般主导大颗粒的荷电，扩散荷电一般主导小颗粒的荷电，粒径在1μm左右的颗粒一般处于两种机制的混合区[3]。

2.2 湿式电除尘器入口粉尘粒径特性

湿式电除尘器一般布置在湿法脱硫系统（WFGD）之后，对湿式电除尘入口粉尘的测试主要是在湿法脱硫出口和湿式电除尘器入口。

本文作者依托某电厂330MW机组，采用芬兰Dekati公司生产的撞击式分级采样器对湿式电除尘器入口粉尘粒径进行了测试，测试结果如表1所示。

表1 不同粒径颗粒百分比

现场测试结果显示，湿式电除尘器入口粉尘颗粒粒径主要集中在小于PM2.5的范围，比例占到90%左右。

从2.1节颗粒物荷电机理可知，粒子的荷电量多少强烈地依随粒子粒径的大小。湿法脱硫入口的粉尘颗粒大多是从干式电除尘器逃逸的细微颗粒物和由于二次扬尘逃逸的较大颗粒物，粒径在1～3μm左右，经过湿法脱硫之后，较大的颗粒被WFGD系统捕集，WFGD出口较多的是包含水膜的细微颗粒物，细微颗粒（如PM2.5以下的微细颗粒）由水溶液膜包围粒径明显增加，可使得小于1μm的细微颗粒转变成大于细微颗粒领域，荷电机理可以从扩散荷电机理（q（t）-f（dp））变成以场荷电机理（q（t）-f（dp2））荷电，荷电量明显增加。

2.3 湿式电除尘器入口粉尘表面属性

火电厂粉尘颗粒的主要成分为未燃尽碳、Al2O3、SiO2、Fe3O4等，干式電除尘中，烟气温度在120℃左右，为干燥状态，粉尘的荷电量主要受粉尘本身相对介电常数的影响。湿式电除尘设置在湿法脱硫系统之后，烟气经过湿法脱硫系统洗涤之后，烟气湿度很大，达到或接近饱和状态，粉尘表面被水膜覆盖，表面属性发生变化，此时，水溶液的性质取代了原来飞灰的表面特性，粉尘的荷电量大小受外表面水膜的相对介电常数的影响，而不受粉尘本身的相对介电常数的影响。典型的湿式电除尘器入口烟气温度在50℃左右，此温度下水的相对介电常数近70，而飞灰主成分Al2O3、SiO2的相对介电常数分别是2.5、3.5。根据式（1）可知，单独考虑由于相对介电常数变化因素，则粉尘颗粒的荷电量增加约1.64倍。

2.4 湿式电除尘器入口相对湿度

湿式电除尘器入口烟气相对湿度对其性能有重要影响，相关研究表明，湿度对负离子迁移率和负电晕放电特性都有重要影响。

湿式电除尘器中为了保证集尘极板的清洁，通常采用顶部喷淋的方式向电除尘空间中喷水，喷水对烟气相对湿度的影响较小，但是会对粉尘颗粒向集尘级迁移带来不利的影响。

本文作者对两台330MW机组金属极板式湿式电除尘器调研发现，实际喷淋水耗量达到60t/h，废水排放量高达10-20t/h。

3 结论

本文采用理论分析和现场试验的方法，分析了影响湿式电除尘器除尘效果的关键因素，得到如下结论：

（1）湿式电除尘器入口的粉尘颗粒粒径发生变化，在经过湿法脱硫之后，粉尘表面覆盖一层水膜，使得颗粒粒径变大，从扩散荷电转变为场荷电，荷电量增加。

（2）湿式电除尘器入口的粉尘颗粒表面属性发生变化，从原先的飞灰转变为水膜，相对介电常数增加，总荷电量增加。

（3）湿式电除尘器内烟气相对湿度较大，会对带电离子的迁移率和起晕电压带来影响，相对湿度增加，负离子迁移率降低，起晕电压降低。电晕电流受负离子迁移率和电晕电压的综合影响，对于目前应用的常规电除尘器，电晕电流随相对湿度的增大而逐渐减小。

（4）湿式电除尘器集尘级采用水膜冲洗清灰，没有二次扬尘问题。

综合四方面的影响，颗粒粒径增大并且表面属性发生变化，粉尘颗粒的荷电量增加，收到的电场力增加，能够更有效的被集尘级收集，另外，采用水膜冲洗，无二次扬尘，综合四方面的影响，使得湿式电除尘器对细微颗粒物有较好的脱除效果。

参考文献：

[1]靳星.静电除尘器内细颗粒物脱除特性的技术基础研究[D].北京：清华大学，2013.

[2]中国环境保护产业协会电除尘委员会.电除尘器选型设计指导书[M].北京：中国电力出版社，2013：8-9.

[3]White HJ. Particle charging in electrostatic precipitation[J]. Transactions of the America Institute of Electrical Engineers. 1951， 70（2）：1186-1191.