湿式静电除尘器要点

1、湿式静电除尘器的过去、现在、未来第207页理查德.C.斯戴尔和罗纳德.J.斯考瑞 K,桑帕斯（Sam）库马尔贝克考克&威尔科克斯公司F.L.斯米德斯航空技术公司巴伯顿休斯敦，得克萨斯州俄亥俄州加力.罗斯教育署帕斯特尔纳克纽不伦瑞克省电力公司AES 深水公司弗雷德里克顿，纽不伦瑞克省，加拿大帕萨迪纳（得克萨斯州）背景湿式静电除尘器自1907年由F.G.Cottrell先生第一次介绍推广以来，已经实现了全面的商业化。然而，该设备的大多数还是面 向电力企业中的小型工业装置，并且在过去的20年里，这项技术被 专门应用于燃煤电厂。在燃烧含硫燃料的发电厂中，过去十年，烟气脱硫技术和选择 性催化还原技术已被

2、采用来控制二氧化硫和氮氧化物的排放。最近 在燃煤电厂采用的新催化还原系统表明硫酸排放的增加是由于一部 分二氧化硫在通过催化剂时被氧化所致。尽管对于电厂酸雾的排放 并没有正式的监管，但是关于此的考虑和疑问已经得到了人们广泛 的重视。焦油和一种飙含量相对较高的奥里油（飙，一种在燃烧过程中可以将二氧化硫氧化成三氧化硫的催化剂）燃烧过程会产生浓度等级更高的硫酸排放，在一些案例中，酸浓度和燃烧高含硫燃煤的电厂排放的尾气中的相当。在烟气脱硫和硫催化氧化联合使用的情况下，高含硫煤或含飙 较高的石油燃料燃烧产生的尾气中硫酸所占比例可以超过20 ppmvd（ppmvd,容积比为百万分之一）。由于亚微粒固有的光散

3、射特性， 排放的废气就造成了显著的模糊影像。酸雾的浓度即使低及510ppmvd,空气看上去也会如羽絮一般模糊不清。此文将就过去应用的湿式电除尘技术和现有的在电厂中使用的 技术进行讨论，同时从经济上对用于解决潜在的和未来的除尘问题 的技术进行分析。这些分析也将比较湿式电除尘技术和吸收剂注入 法在控制酸雾上的优缺。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

4、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一一硫酸。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） 的同时也保护飙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碑以加强生 产的硫酸的品质方面也贡献不小。在上世纪中九十年代

5、中，用于酸雾控制的典型的WESIffi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 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 F 时，铅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

6、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

7、 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%含铝量和C-276等等级的合金钢在 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 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

8、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AES深水公司，德克萨斯

9、州AES深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 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锐含量，在进入湿式烟气除硫系统前飙会 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%-30%的酸雾会被

10、捕集到。 三氧化硫的入口浓度从 35ppmvd到100ppmvd3% O2 （3% O2 , 产物中含3%的氧气）不等，这取决于锅炉内的燃烧情况和机在石油 焦的含量的多少。AES目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0.005grains/scfd,因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

11、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 .AES深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里634000 360 F交流电磁场检测下捕集效率9 7%烟气脱硫装置二氧化硫去除率9。%前置洗涤器/急冷器文丘里式，下流/平行塔气速9英尺每秒雾气去除器分两步运行，V型气体加热器1 7 5 F管路串联式蒸 汽加热业硫酸钙盐的氧化在用排出的污水密封的/、同塔中进行湿式静电除尘器气速7.7英尺每秒处理时间4 . 2秒3 0 到 1 0 0捕集率9

12、8.7% （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 C-276制造，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

13、 一组最初的集尘板被替换成由含 6%铝的钢铁合金打造的新集尘板。 AES希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。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：AES的装置的改造：. 2；放电电极收集板I,IIHY输出电流输出电压-IVADC-

14、KMJCMODULE B1Figure 2: l/V Data form AES WESPMODULE B2-hMDC-KCMODULE B3 Mft&KV图表2:电流电压数据表单元B1g 8 g 8 痴 8 5 ， 6 04 0 0。MADC8-KVDC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 750MW功率的单元。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

15、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，

16、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煨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1

17、998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 ppmvd 7% O2,同时粉尘浓度下降更明显，降到0.005grains/scfd. 这些事实静电除尘器的内部和外部结构用的都是合金900L.防腐效果非常好，在检查中又一次出现了看起来像新的一样的情况。图三：酸雾净化数据（来自西北炼油厂）oo2 Before After WESPo%z)josph6o1 9 r12tBdFigure 4: WESP Data on Parti

18、culate from Refinery in Northwest U.S.Q035 Before After WESP0.0300.0250.0200.0150,01060050.000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 1050MWD的科森恩小湾 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 5ppmvd 3% O2,飞灰颗粒控制在 0.015 lb/MBtu.为达到上

19、述标准， 捕集效率要超过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到湿式烟气脱硫装置包含三个向上通向的结构设计。和在AES深水已顺利运行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

20、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 C-276,含6%铝的不锈钢用 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

21、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。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

22、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镂颗粒从 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

23、问题， 对飞灰收集系统 也会带来影响。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

24、，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。0.1的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，0.1是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

25、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）Number of fields SO3Collectionefficiency, % （捕集效率）$/kW （每T瓦处理费用）1502028030395401 .这些数值基于原煤含6%的铝含量。2 .$/kW的数据以绿色环保建筑的耗能为基准。3 .$/kW的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，注射速率会大幅提局。Sorbent type, SQcollection efficiency,% lb/hr

26、/1000 ACFM （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%Hydrated lime 干石灰1.536Sodium bicarbonate 碳 酸氢钠35-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

27、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：1 .以电厂年发电500兆瓦。2 .一台已安装干式静电除尘器保证粉尘颗粒排放低于0.03 lb/MBtu。3 .在加入石灰吸附剂后除尘器处理时间要增加 30%。4 .粉尘处理费按10美元每吨计。5 .50%的粉尘会以每吨5美元销售。6 .在粉尘中会有、的含沥青煤灰。7 .工厂一年运行8000小时。8 .干石灰100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

28、，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1.湿式除尘器对于酸雾的捕集技术非常可靠， 理论上可以运行100年。2在使用湿式静电除尘器控制固体颗粒、酸雾排放的同时，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

29、济分析（捕集效率以百分比计；所有数字单位为美元）50 WESPLIMESodium80 WESPLIMESodium95 WESPLIMESodiumCapital costsW1520ESP Upgrade3.13.13.1Sorbent System2 52.5252.52.525Total Capital105.62.5155625205.625Total Capital Recovery10.560.251.50.560252056025(0.1 factor)Operating costs0.12016 102Sorbent0.994 951988253.9613.22Ash Los

30、s of Sale0.4250.4250425Ash Disposal0 6780.6780678Total Operating Costs0.120.99605301619893530.23.9614,303Total Costs to Own and Operate1.121.556.3031.662.549 603224 521455350wesplimesodiumCapital cost 投资资金10ESP upgrade除尘器升级3.1Sorbentsystem脱硫剂添加系统2.52.5Total capital总投资成本105.62.5Total capital recovery

31、成本回收10.560.25(0.1factor)0.1Operatingcosts运行成本0.12Sorbent脱硫剂成本0.994.95Ash loss of sale粉尘损失0.425Ash disposal粉尘处理费用0.678Total operating costs总运行成本0.120.996.053Total costs to own and operate总投资运行成 本1.121.556.303附注：1 .干石灰是每一吨100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。2 .气体流量检测单位：3300ACFM/MW。3 .静电除尘器升级费用25英镑/平方米。4 .基础：进入除尘器内气体含 6%的铝成分。 未来在废气可排放要求上，不光会有PM2.5的要求，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O 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，具运行成本经济得多。 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