電力行業(yè)高溫除塵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

 

粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，民眾對(duì)生存環(huán)境的要求越來(lái)越高。能源、化工、鋼鐵等行業(yè)每年都會(huì)產(chǎn)生近千萬(wàn)噸的粉塵，對(duì)人體健康、大氣環(huán)境和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)都造成了嚴(yán)重的影響。尤其燃煤電廠排放的大量煙塵幾乎都是可吸入顆粒物（PM10和PM2.5），對(duì)人體健康危害 很 大。2014年， 我國(guó) 發(fā)展改革委、環(huán)保部、能源局3部委聯(lián)合 印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，行動(dòng)計(jì)劃明確了在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/Nm3的_低排放要求，不斷收緊的環(huán)境政策給我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)帶來(lái)了巨大環(huán)保和經(jīng)濟(jì)壓力。

 

截至2016年底，已投運(yùn)火電廠煙氣脫硝機(jī)組容量約9.1億kW，占 我 國(guó)火電機(jī)組容量的86.7%，占 我 國(guó)煤電機(jī)組容量的91.7%，其中90%以上采用SCR脫硝技術(shù)。同時(shí)為了維持催化劑的高活性及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)有SCR脫硝系統(tǒng)普遍采用高塵布置方式，即：SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間。由于前端無(wú)除塵裝置，煙氣中的高濃度粉塵和Ca、Se等金屬元素對(duì)催化劑造成了損害，磨損、堵塞和中毒等問(wèn)題普遍存在，降低了催化劑的壽命及SCR系統(tǒng)的脫硝能力。同時(shí)，受燃煤供應(yīng)能力的限制，電廠燃煤煤質(zhì)有越來(lái)越劣質(zhì)的趨勢(shì)，由于高溫?zé)焿m導(dǎo)致的催化劑和空預(yù)器堵塞、磨損等問(wèn)題必將會(huì)越來(lái)越凸現(xiàn)。由此可見(jiàn)，在SCR系統(tǒng)之前進(jìn)行高溫除塵處理，減少煙氣中的粉塵顆粒濃度，以消除高濃度粉塵對(duì)催化劑和空預(yù)器等后端設(shè)備帶來(lái)的不 利影響，具有_重要 的意義。同時(shí)，采用高溫除塵技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有電廠技術(shù)的一次重大創(chuàng)新，它將有效降低現(xiàn)有污染處理設(shè)備運(yùn)行能耗和運(yùn)行成本，提高電廠運(yùn)行穩(wěn)定性，還可為我國(guó)燃煤電廠的_低排放提供一種新的技術(shù)路線。本文重點(diǎn)介紹高溫除塵技術(shù)現(xiàn)狀及在高溫條件下飛灰的性質(zhì)。

 

 

1技術(shù)及應(yīng)用占有情況

 

1.1高溫條件下飛灰性質(zhì)在高溫條件下，飛灰會(huì)發(fā)生軟化或燒結(jié)，從而引起過(guò)濾材料表面堆積1層粘性粉塵，導(dǎo)致過(guò)濾堵塞、能耗升高等問(wèn)題。通常使用膨脹計(jì)或高溫流變計(jì)測(cè)量粉塵軟化溫度。這個(gè)溫度取決于粉塵的化學(xué)成分。氯化物如NaCl、KCl或CaCl2可降低軟化溫度。酸性氧化物如SiO2、Al2lO3、TiO2等物質(zhì)的含量上升會(huì)對(duì)提高軟化溫度。隨著溫度升高，粉塵粘結(jié)力越來(lái)越強(qiáng)，會(huì)發(fā)生粉塵搭橋，搭橋程度過(guò)大，堵塞孔隙影響過(guò)濾效果。通過(guò)膨脹計(jì)、熱差分析和示差掃描量熱法研究褐煤灰的熱變性質(zhì)以及在高溫條件下的過(guò)濾特性，結(jié)果褐煤灰的不穩(wěn)地過(guò)濾發(fā)生在600°C以上，燒結(jié)出現(xiàn)在820°C以上。同時(shí)不同溫度條件下的飛灰顆粒的捕集原理不同。小于1μm的粉塵顆粒，溫度升高可提高除塵效率，在這個(gè)尺寸范圍內(nèi)，擴(kuò)散力決定了除塵效率。隨著溫度升高，顆粒運(yùn)動(dòng)加快，提高了顆粒擴(kuò)散速率和碰撞機(jī)率，增 加了顆粒被捕集的概率。因此，溫度升高時(shí)小顆粒粉塵的脫除效率升高。

 

對(duì)于一般的燃煤電廠，350～500°C溫度區(qū)間的高溫?zé)煔猓w灰性質(zhì)比較穩(wěn)定，發(fā)生燒結(jié)、軟化和搭橋現(xiàn)象可能性較小。

 

1.2高溫除塵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，能有效脫除高溫?zé)煔庵袎m粒的方法，主要有旋 風(fēng)除塵器、電除塵器、布袋除塵器、濾筒除塵器、顆粒床除塵技術(shù)、高溫陶瓷過(guò)濾技術(shù)、多孔金屬過(guò)濾技術(shù)。

（1） 旋風(fēng)除塵器。旋風(fēng)除塵器是通過(guò)含塵氣體的運(yùn)動(dòng)，使塵粒借助離心力作用而從氣體中被分離捕集的裝置。

當(dāng)含塵氣流由進(jìn)氣管進(jìn)入旋風(fēng)除塵器時(shí)，氣流將由 直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體呈螺旋形向下，朝錐體流動(dòng)，通常稱此為外旋氣流。含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生離心力，將重量較大的塵粒甩向器壁。塵粒一旦與器壁接觸，便失去慣性力而靠入口速度的動(dòng)量和向下的重力沿壁面下落，進(jìn)入排灰管。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在到達(dá)錐體時(shí)，因圓錐形的收縮而向除塵器中心靠攏，其切向速度不斷提高。當(dāng)氣流到達(dá)錐體下端某一位置時(shí)，即以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從旋風(fēng)除塵器中部，由下反轉(zhuǎn)而上，繼續(xù)作螺旋形流動(dòng)，即內(nèi)旋氣流。凈化氣經(jīng)排氣管排出旋風(fēng)除塵器外，一部分未被捕集的塵粒也隨之帶出。

 

旋風(fēng)除塵器具有良好的_性能（1000°C下），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ，造價(jià)低。旋風(fēng)除塵器對(duì)于10～20μm的粉塵，其除塵效率可達(dá)到95%以上，但對(duì)于小于10～20μm的粉塵，除塵效率只能達(dá)到60%～80%，由于其分離效率較低，達(dá)不到環(huán)保要求。因此，旋風(fēng)除塵器遠(yuǎn)不能滿足燃煤電廠的排放要求。

 

（2） 電除塵器。在高壓靜電作用下使塵粒帶有負(fù)電荷后，在電場(chǎng)力的作用下塵粒向帶有正電荷的_板方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)塵粒到達(dá)_板后放出負(fù)電荷，開(kāi)始附著在收塵_板的板面上，形成粉塵集聚物。然后由振打裝置敲擊_板，使粉塵脫落進(jìn)入灰斗。此外，靜電力作用于顆粒，因此電除塵器具有低阻力、低耗能、處理范圍大等特點(diǎn)，是目前我國(guó)燃煤電廠應(yīng)用 較 廣的除 塵技術(shù)。電除塵技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)明顯。但目前應(yīng)用的常規(guī)電除塵器造價(jià)高，同時(shí)存在電暈不穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后材料腐蝕；在高溫條件下對(duì)氣體成分性質(zhì)敏感，粉塵比電阻變化導(dǎo)致除塵效率下降等問(wèn)題。

常規(guī)電除塵器一般用來(lái)處理溫度不高于200°C的煙氣，當(dāng)前燃煤電站運(yùn)行的絕大部分電除塵器都屬于這類。常規(guī)電除塵器安裝于空氣預(yù)熱器之后，運(yùn)行煙氣溫度通常在120～160°C范圍內(nèi)；高溫電除塵器一般用于處理高于300°C的煙氣，在燃煤電站，高溫電除塵器一般安裝于空氣預(yù)熱器之前，入口煙氣溫度在300～450°C范圍內(nèi)。高溫電除塵器主要是通過(guò)采用高性能電_材料提高_(dá)性，以及高性能鋼材提高除塵器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方式，進(jìn)行高 溫電除塵。截止2006年，安裝有高溫電除塵器的燃煤電站占到了美總裝機(jī)容量的11.3% ，主要方式是“高溫電除塵器+濕法脫硫”及“高溫電除塵器+SCR+濕法脫硫”。高溫電除塵器在日本被用于大容量燃煤發(fā)電機(jī)組，主要用來(lái)保護(hù)脫硝設(shè)備中的選擇性催化還原反應(yīng)催化劑免受飛灰的機(jī)械磨損和化學(xué)毒化

 

高溫電除塵器目前主要問(wèn)題：①投資費(fèi)用高。高溫電除塵器由于其運(yùn)行溫度高，導(dǎo)致本體體積與建造所使用的鋼材品類都發(fā)生了很大的變化，對(duì)防腐與鋼材穩(wěn)定性提出了_高的要求。②與常規(guī)電除塵器相比，由于高溫電除塵器體積_加龐大，導(dǎo)致其散熱損失增加，從而降低了高溫電除塵器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。③溫度升高，氣體密度變小，電離效應(yīng)加強(qiáng)，引起起暈電壓、擊穿電壓降低，電弧電壓和電暈電壓之間的差值變小，電壓工作范圍變窄，影響電除塵器除塵效率和工作的穩(wěn)定性。④溫度升高，氣體的黏性增大，影響除塵效率。

 

目前富士電機(jī)有限公司的高溫靜電除塵器，采用的是金屬網(wǎng)過(guò)濾式靜電除塵器技術(shù)，除塵效率98%以上，粉塵出口濃度在10mg/m3以下，耐受300～400°C高溫，壓力損失在500Pa以下，多應(yīng)用于鋼鐵、玻璃、鋁業(yè)等行業(yè)。

（3） 布袋除塵器。袋式除塵器的工作原理是含塵氣體由除塵器下部進(jìn)氣管道，經(jīng)導(dǎo)流板進(jìn)入灰斗時(shí)，由于導(dǎo)流板的碰撞和氣體速度的降低等作用，粗粒粉塵將落入灰斗中，其余細(xì)小顆粒粉塵隨氣體進(jìn)入濾袋室，用纖維等材料編制物制作的袋式過(guò)濾布，在含塵氣體單向通過(guò)濾布，塵粒在繞過(guò)濾布纖維時(shí)因慣性力作用與纖維碰撞而被攔截；細(xì)微的塵粒（粒徑為1μm或_?。﹦t受氣體分子沖擊（布朗運(yùn)動(dòng)）不斷改變運(yùn)動(dòng)方向，由于纖維間的空隙小于氣體分子布朗運(yùn)動(dòng)的自由路徑，塵粒便與纖維碰撞而被分離出來(lái)；足夠多的塵粒堆積在濾布纖維 表面，形成濾餅，這種濾餅又通過(guò)篩濾等機(jī)理，得以捕集_細(xì)的塵粒。塵粒留在上游或?yàn)V布的含塵氣體側(cè)，而干凈氣體通過(guò)濾布到下游或干凈氣體側(cè)，當(dāng)塵粒沉積到程度后，借助于氣 力或機(jī)械方法，將塵粒從濾布上除去，收集并運(yùn)走。布袋除塵器能有效地捕集微細(xì)粒塵，尤 其對(duì)0.1～1μm的煙塵捕 集效果好，除塵效率 可達(dá)_以上。若同時(shí)采取輔助措施（如采用 覆膜濾料等），能有效提高PM2.5的脫除率，并協(xié)同脫除As、Se、Hg等重金屬、硫氧 化物、氮氧化物。布袋除塵器不受煙氣成份、比電阻等粉塵性質(zhì)的影響，無(wú)二次污染。

布袋除塵器也存在不足，如運(yùn)行阻力大，濾袋濾料的壽命受煙塵溫度、酸露點(diǎn)等的影響；濾袋需要清灰，但清灰必使濾袋發(fā)生激振，且過(guò)濾時(shí)大顆粒粉塵磨損濾袋，縮短濾袋壽命，一般情況下濾袋平均使用壽命不到2年，使得袋式除塵器在燃煤電廠的應(yīng)用受到了限制。同時(shí)布袋除塵器的_能力有限，常用的濾料一般適用于120～130°C范圍，玻璃纖維等濾料也需要低于250°C，不能在350～500°C高溫下使用。

（4） 濾筒除塵器 。濾筒式除塵器是20世紀(jì)80年代由美唐納森公司在袋式除塵器的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的一種新型除塵器，濾筒除塵器主要有3大部分，箱體、濾筒、清灰系統(tǒng)。

①箱體是整個(gè)除塵器的外殼，包括氣箱和灰斗，氣箱主要是提供所需的除塵空間，有利流場(chǎng)的合理分布，灰斗收集過(guò)濾下來(lái)的粉塵；②濾筒是由外層、內(nèi)層和中間層構(gòu)成，內(nèi)層和外層均為金屬網(wǎng)等材料，中間為褶型的濾料。濾筒用濾料的特點(diǎn)是，把亞微米級(jí)的薄纖維黏附在一般濾料上，該黏附層上的纖維間排列非常緊密，其間隙0.12～0.6μm，由于采用密集的折疊，使其過(guò)濾面積大為增加， 較 大的過(guò)濾面積是濾筒的突出特點(diǎn)；③清灰系統(tǒng)主要包括噴吹管、脈沖閥、氣包等。當(dāng)濾筒表面積灰達(dá)到 額定 厚度，_要進(jìn)行清灰，反吹清灰：打開(kāi)處于閉合狀態(tài)的脈沖閥，壓縮空氣直接噴入濾筒中心，對(duì)其進(jìn)行脈沖清灰。濾筒除塵器除塵效率高，阻力?。ㄒ话惴蹓m壓損小于1000Pa，粘附力較強(qiáng)粉塵壓損小于1500Pa），節(jié)能，入口 濃度和過(guò)濾風(fēng)速范圍大，處理能力強(qiáng)，具有很廣的適應(yīng)性。同時(shí)，濾筒除塵器使用壽命長(zhǎng)、投資和維護(hù)費(fèi)用低，相對(duì)布局較緊湊，節(jié)約空間，便于維護(hù)。主要缺點(diǎn)：①濾筒在使用過(guò)程中易導(dǎo)致糊袋、板結(jié)、腐蝕現(xiàn)象，_性能較差，需要開(kāi)發(fā)新型濾料，以提高其_、_等方面的性能；②因?yàn)槠漶薨櫺徒Y(jié)構(gòu)，常常導(dǎo)致其清灰 力度 不夠，同時(shí)反吹壓過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致濾料損耗。目前國(guó)外有技術(shù)廠家，通過(guò)結(jié)合新型陶瓷濾料使濾筒型除塵器應(yīng)用在生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)，在550°C高溫?zé)煔鈼l件下，粉塵去除率達(dá)到95%。

 

（5） 顆粒床除塵技術(shù)。顆粒層過(guò)濾器是利用物化性質(zhì)較穩(wěn)定的固體顆粒組成過(guò)濾層，用_的顆粒介質(zhì)作為濾料（細(xì)砂、石英砂、活性炭等），實(shí)現(xiàn)對(duì)含塵氣體的過(guò)濾，達(dá)到凈化氣體的目的。優(yōu)點(diǎn)是_、抗沖擊、耐磨損、_、除塵效率較高、性能穩(wěn)定及過(guò)濾介質(zhì)費(fèi)用低。存在的問(wèn)題是設(shè)備龐大，造價(jià)高，對(duì)細(xì)粉塵捕集效率不高，系統(tǒng)磨損等，故離工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。

移動(dòng)式顆粒層過(guò)濾技術(shù)是利用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的固體顆粒（瓷環(huán)、活性炭等），形成移動(dòng)式過(guò)濾層脫除粉塵。優(yōu)點(diǎn)是_、易控制、運(yùn)行可靠、負(fù)荷變化范圍寬，除塵效率受煙氣成分 的影響小，除塵效率高等；但在降低磨損、減小壓降以及提高對(duì)微細(xì)顆粒捕集能力等問(wèn)題上仍需做進(jìn)一步研究。

 

（6） 高溫陶瓷過(guò)濾技術(shù)。目前正在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的多孔陶瓷材 料具有_、_、耐磨損、重量輕、價(jià)格低、除塵效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為過(guò)濾式干法除塵裝置的主要材料，其主要缺點(diǎn)是陶瓷過(guò)濾材料性脆，延展性和韌性較差，難于與系統(tǒng)整體封接；還由于熱傳導(dǎo)性差，使得難以承受急冷急熱負(fù)荷波動(dòng)，即抗熱震性差；在高溫、高壓條件下，陶瓷材料的整體強(qiáng)度，操作的長(zhǎng)期性，可靠性存在不少問(wèn)題。不過(guò)，通過(guò)與其他纖維或金屬材料混合的高性能復(fù)合材料在脆性和傳熱性等方面有很大提高。

目前已研制開(kāi)發(fā)的高溫陶瓷過(guò)濾材料主要包括：①氧化物陶瓷材料，如氧化鋁/莫來(lái)石、堇青石、氧化鋯 等；②非氧化物陶瓷材料，如反應(yīng)結(jié)合碳化硅、黏土結(jié)合碳化硅、熱壓燒結(jié)氮化硅、羥基磷灰石等。其按照形狀一般分為泡沫多孔陶瓷、蜂窩多孔陶瓷和纖維多孔陶瓷。

高溫陶瓷過(guò)濾材料除塵器。多孔陶瓷過(guò)濾器通常由一個(gè)或多個(gè)起主要過(guò)濾作用的過(guò)濾單元組成，多孔陶瓷過(guò)濾單元一般分為3種：蠟燭狀、管狀、塊狀。目前商業(yè)應(yīng)用較多的是蠟燭狀和管狀過(guò)濾單元。

我國(guó)是以燃煤發(fā)電為主的能源結(jié)構(gòu)，各個(gè)燃煤電廠現(xiàn)有的煙氣除塵方式都為傳統(tǒng)方式，即煙氣首先經(jīng)過(guò)降溫再除塵，煙氣熱量沒(méi)有得到有效的回收利用。同時(shí)各個(gè)電廠對(duì)小顆粒粉塵去除率低，造成大氣污染的同時(shí)，還對(duì)后續(xù)脫硝過(guò)程中的催化劑和空預(yù)器有很大的危害，提高了煙氣凈化成本。因此，_加環(huán)保的高溫高塵煙氣除塵技術(shù)顯得尤其重要。在未來(lái)發(fā)展中，開(kāi)發(fā)以高溫陶瓷材料和多孔金屬材料為核心的過(guò)濾元件，并對(duì)目前常規(guī)高溫除塵技術(shù)進(jìn)行 有機(jī)的整合，將是實(shí)現(xiàn)我國(guó)燃煤電廠高溫除塵技術(shù)的重要發(fā)展方向。找到一條合適的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)高溫除塵技術(shù)的突破，是解決目前燃煤電廠眾多SCR系統(tǒng)問(wèn)題的關(guān)鍵，將有利于電力行業(yè)污染治理技術(shù)的革命性發(fā)展。