濕式電除塵器脫除細(xì)微顆粒物的關(guān)鍵技術(shù)研究

張海珍 李欣璇 阮炯明

摘? 要：濕式電除塵器能夠高效的脫除細(xì)微顆粒物，因此作為除塵的終端把關(guān)技術(shù)逐漸在大型燃煤機(jī)組上得到推廣應(yīng)用。目前對(duì)濕式電除塵器的研究主要集中在除塵器對(duì)細(xì)微顆粒物脫除效果的測(cè)試上，對(duì)濕式除塵器高效脫除細(xì)微顆粒物機(jī)理的研究相對(duì)較少。文章采用理論研究的方法，對(duì)影響濕式電除塵器性能的顆粒物粒徑、顆粒表面屬性、相對(duì)濕度、清灰方式等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，探索研究濕式電除塵器高效脫除細(xì)微顆粒物的機(jī)理，并提出提高濕式電除塵器除塵效果的方法。

關(guān)鍵詞：濕式電除塵器;細(xì)微顆粒物;粒徑;表面屬性;相對(duì)濕度;清灰方式;關(guān)鍵參數(shù)

中圖分類號(hào)：X701.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

隨著國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，燃煤火電廠的污染物排放壓力劇增，燃煤電廠現(xiàn)有的干式靜電除塵器對(duì)燃煤煙氣中粗顆粒的收集效率可高達(dá)99.9%乃至更高，但其對(duì)以亞微米為主要份額的細(xì)顆粒物PM2.5的捕集效率卻僅有95%～99%[1]，原因是飛灰粒徑對(duì)驅(qū)進(jìn)速度有較大影響，當(dāng)顆粒大于1μm時(shí)，粉塵驅(qū)進(jìn)速度與粒徑為正相關(guān)，當(dāng)粒徑為0.1～1μm時(shí)，粉塵的驅(qū)近速度最小，當(dāng)粒徑小于0.1μm時(shí)，粉塵的驅(qū)近速度與粒徑為負(fù)相關(guān)[2]，因此電除塵器對(duì)此粒徑范圍內(nèi)細(xì)顆粒的捕獲率較低，很難單獨(dú)依靠干式電除塵器將煙塵排放控制在5mg/m3以內(nèi)，需要新的煙塵控制技術(shù)來(lái)降低燃煤電廠煙塵排放，這在很大程度上促進(jìn)了污染物控制新技術(shù)和新工藝的推廣使用。

濕式電除塵器就是在這樣的大背景下開(kāi)始被應(yīng)用到大型燃煤火電機(jī)組上。本文依托某電廠項(xiàng)目，對(duì)濕式電除塵器的除塵關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論分析研究。

2 濕式電除塵器關(guān)鍵參數(shù)影響分析

與干式電除塵器相比，濕式電除塵器有以下特點(diǎn)：（1）粉塵粒子屬性不同，濕式除塵器安裝在濕式脫硫裝置之后，煙氣經(jīng)濕式脫硫噴淋塔，除霧器后進(jìn)入濕式電除塵器，因此進(jìn)入濕式電除塵器的含細(xì)微顆粒的煙氣是飽和的（溫度一般為50-60℃），細(xì)微顆粒被液體（主成分是水）包住，形成了以細(xì)微顆粒為核的氣溶膠，換句話說(shuō)，外面液體的電特性取代了原來(lái)細(xì)微顆粒本身的性質(zhì)，同時(shí)氣溶膠的粒徑也增加了很多;（2）清灰方式不同，濕式電除塵器為了集塵板清潔和防止高腐蝕性的氣溶膠直接沖擊到極板上，工作時(shí)有一定量的清潔水沖刷集塵板形成水膜，當(dāng)氣溶膠粒子向集塵板撞擊時(shí)會(huì)迅速放電并隨流動(dòng)的水膜除掉，不會(huì)像干式電除塵器那樣會(huì)受灰塵顆粒比電阻的影響，高比電阻灰會(huì)在集塵板上產(chǎn)生積灰，產(chǎn)生反電暈，低比電阻灰會(huì)產(chǎn)生二次揚(yáng)塵。

以下從顆粒物荷電機(jī)理、顆粒物粒徑和表面屬性、相對(duì)濕度、清灰方式等方面來(lái)分析濕式電除塵器高效脫除細(xì)微顆粒物的機(jī)理。

2.1 顆粒物荷電機(jī)理

電除塵器中的粉塵顆粒需要荷電后才能在外電場(chǎng)力的作用下遷移至集塵極并被收集，粉塵顆粒的荷電機(jī)理主要有場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電兩種。

（1）場(chǎng)荷電

場(chǎng)荷電主要是離子在電場(chǎng)力的作用下向電壓梯度大的方向運(yùn)動(dòng)，沿電場(chǎng)線方向與氣體中的粉塵顆粒碰撞，使粉塵荷電，粉塵荷電后逐漸對(duì)向其運(yùn)動(dòng)的離子產(chǎn)生排斥力，最終離子的遷移速度不足以使其運(yùn)動(dòng)至顆粒表面，從而顆粒荷電達(dá)到飽和，此時(shí)顆粒的荷電量表示：

其中：式中？著是粒子的相對(duì)介電常數(shù)，Ec是電場(chǎng)強(qiáng)度，e和Ke（9.0×109N·m/C2）是常數(shù)，dp是粒子直徑（m）。

（2）擴(kuò)散荷電

擴(kuò)散荷電是離子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)碰撞粉塵顆粒荷電，與離子和粉塵顆粒的熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、碰撞概率、粒徑大小有關(guān)，荷電過(guò)程由下式控制：

（2）

其中是離子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)速度（m/s），Ni為離子濃度（個(gè)/m3），T是溫度，k是玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），t是顆粒在電除塵器中的停留時(shí)間（s）。

場(chǎng)荷電一般主導(dǎo)大顆粒的荷電，擴(kuò)散荷電一般主導(dǎo)小顆粒的荷電，粒徑在1μm左右的顆粒一般處于兩種機(jī)制的混合區(qū)[3]。

2.2 濕式電除塵器入口粉塵粒徑特性

濕式電除塵器一般布置在濕法脫硫系統(tǒng)（WFGD）之后，對(duì)濕式電除塵入口粉塵的測(cè)試主要是在濕法脫硫出口和濕式電除塵器入口。

本文作者依托某電廠330MW機(jī)組，采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的撞擊式分級(jí)采樣器對(duì)濕式電除塵器入口粉塵粒徑進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同粒徑顆粒百分比

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，濕式電除塵器入口粉塵顆粒粒徑主要集中在小于PM2.5的范圍，比例占到90%左右。

從2.1節(jié)顆粒物荷電機(jī)理可知，粒子的荷電量多少?gòu)?qiáng)烈地依隨粒子粒徑的大小。濕法脫硫入口的粉塵顆粒大多是從干式電除塵器逃逸的細(xì)微顆粒物和由于二次揚(yáng)塵逃逸的較大顆粒物，粒徑在1～3μm左右，經(jīng)過(guò)濕法脫硫之后，較大的顆粒被WFGD系統(tǒng)捕集，WFGD出口較多的是包含水膜的細(xì)微顆粒物，細(xì)微顆粒（如PM2.5以下的微細(xì)顆粒）由水溶液膜包圍粒徑明顯增加，可使得小于1μm的細(xì)微顆粒轉(zhuǎn)變成大于細(xì)微顆粒領(lǐng)域，荷電機(jī)理可以從擴(kuò)散荷電機(jī)理（q（t）-f（dp））變成以場(chǎng)荷電機(jī)理（q（t）-f（dp2））荷電，荷電量明顯增加。

2.3 濕式電除塵器入口粉塵表面屬性

火電廠粉塵顆粒的主要成分為未燃盡碳、Al2O3、SiO2、Fe3O4等，干式電除塵中，煙氣溫度在120℃左右，為干燥狀態(tài)，粉塵的荷電量主要受粉塵本身相對(duì)介電常數(shù)的影響。濕式電除塵設(shè)置在濕法脫硫系統(tǒng)之后，煙氣經(jīng)過(guò)濕法脫硫系統(tǒng)洗滌之后，煙氣濕度很大，達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，粉塵表面被水膜覆蓋，表面屬性發(fā)生變化，此時(shí)，水溶液的性質(zhì)取代了原來(lái)飛灰的表面特性，粉塵的荷電量大小受外表面水膜的相對(duì)介電常數(shù)的影響，而不受粉塵本身的相對(duì)介電常數(shù)的影響。典型的濕式電除塵器入口煙氣溫度在50℃左右，此溫度下水的相對(duì)介電常數(shù)近70，而飛灰主成分Al2O3、SiO2的相對(duì)介電常數(shù)分別是2.5、3.5。根據(jù)式（1）可知，單獨(dú)考慮由于相對(duì)介電常數(shù)變化因素，則粉塵顆粒的荷電量增加約1.64倍。

2.4 濕式電除塵器入口相對(duì)濕度

濕式電除塵器入口煙氣相對(duì)濕度對(duì)其性能有重要影響，相關(guān)研究表明，濕度對(duì)負(fù)離子遷移率和負(fù)電暈放電特性都有重要影響。

濕式電除塵器中為了保證集塵極板的清潔，通常采用頂部噴淋的方式向電除塵空間中噴水，噴水對(duì)煙氣相對(duì)濕度的影響較小，但是會(huì)對(duì)粉塵顆粒向集塵級(jí)遷移帶來(lái)不利的影響。

本文作者對(duì)兩臺(tái)330MW機(jī)組金屬極板式濕式電除塵器調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)際噴淋水耗量達(dá)到60t/h，廢水排放量高達(dá)10-20t/h。

3 結(jié)論

本文采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，分析了影響濕式電除塵器除塵效果的關(guān)鍵因素，得到如下結(jié)論：

（1）濕式電除塵器入口的粉塵顆粒粒徑發(fā)生變化，在經(jīng)過(guò)濕法脫硫之后，粉塵表面覆蓋一層水膜，使得顆粒粒徑變大，從擴(kuò)散荷電轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)荷電，荷電量增加。

（2）濕式電除塵器入口的粉塵顆粒表面屬性發(fā)生變化，從原先的飛灰轉(zhuǎn)變?yōu)樗ぃ鄬?duì)介電常數(shù)增加，總荷電量增加。

（3）濕式電除塵器內(nèi)煙氣相對(duì)濕度較大，會(huì)對(duì)帶電離子的遷移率和起暈電壓帶來(lái)影響，相對(duì)濕度增加，負(fù)離子遷移率降低，起暈電壓降低。電暈電流受負(fù)離子遷移率和電暈電壓的綜合影響，對(duì)于目前應(yīng)用的常規(guī)電除塵器，電暈電流隨相對(duì)濕度的增大而逐漸減小。

（4）濕式電除塵器集塵級(jí)采用水膜沖洗清灰，沒(méi)有二次揚(yáng)塵問(wèn)題。

綜合四方面的影響，顆粒粒徑增大并且表面屬性發(fā)生變化，粉塵顆粒的荷電量增加，收到的電場(chǎng)力增加，能夠更有效的被集塵級(jí)收集，另外，采用水膜沖洗，無(wú)二次揚(yáng)塵，綜合四方面的影響，使得濕式電除塵器對(duì)細(xì)微顆粒物有較好的脫除效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]靳星.靜電除塵器內(nèi)細(xì)顆粒物脫除特性的技術(shù)基礎(chǔ)研究[D].北京：清華大學(xué)，2013.

[2]中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電除塵委員會(huì).電除塵器選型設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M].北京：中國(guó)電力出版社，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.