通過文獻(xiàn)調(diào)研分析了影響我國燃煤電廠除塵方式選擇的主要問題，從煤質(zhì)含硫量、粉塵比電阻、粉塵粒徑分布三方面進(jìn)行研究，結(jié)果表明電除塵技術(shù)對(duì)我國煤種的 適應(yīng)性較差，無法滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn);另外，通過前人對(duì)比不同除塵方式協(xié)同脫汞效果和對(duì)下游設(shè)備保護(hù)作用的研究成果，結(jié)果表明袋式除塵器具有更好的協(xié)同脫 汞作用，更高的除塵效率可保證濕法脫硫設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

2013年1月我國大范圍持續(xù)出現(xiàn)霧霾天氣，17個(gè)省數(shù)十個(gè)城市空氣質(zhì)量為重度污染或嚴(yán)重污染，受影響面積約占國土面積1/4，受影響人口約6億人，PM2.5監(jiān)測(cè)的74個(gè)城市496個(gè)點(diǎn)位，日均值濃度40~347μg/m3，部分點(diǎn)位的每小時(shí)大值達(dá)到900μg/m3，超過PM2.5日均值標(biāo)準(zhǔn)10倍 以上，如此嚴(yán)峻的大氣污染問題引起了越來越多的關(guān)注。我國是以煤炭為主的一次能源結(jié)構(gòu)的國家，燃煤產(chǎn)生的大量微細(xì)顆粒物向大氣排放，產(chǎn)生了大氣復(fù)合型污染 問題，燃煤電廠微細(xì)顆粒物的控制主要采用高效除塵技術(shù)進(jìn)行治理，面對(duì)越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，如何選擇除塵方式成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。為此，研究大型燃煤電廠 影響除塵方式選擇的若干問題成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)課題，符合我國盡快解決微細(xì)顆粒物排放控制的要求。本文綜述了我國煤質(zhì)含硫量、粉塵比電阻、粉塵粒徑分布等因 素對(duì)除塵方式的影響，同時(shí)分析了不同除塵方式協(xié)同脫汞的差異及對(duì)下游濕法脫硫的影響，提出了袋式除塵技術(shù)為當(dāng)前應(yīng)對(duì)嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)佳除塵方式的觀點(diǎn)。

1.影響我國燃煤電廠除塵方式選擇的因素分析

1.1 中國燃煤含硫量分布

胡軍等[1]對(duì)來自全國的290個(gè)煤樣的全硫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其分布見圖1，所有煤樣中硫分算術(shù)平均值為1.18% ，硫分大多集中在0～1.25%范圍以內(nèi)。在所采集的樣品中，低硫煤和超低硫煤(St<1.0%)占67.9% , 中硫煤( 1.0%～2.5%)占11.7% , 高硫煤( St> 2.5%)占16.2% ，結(jié)果表明, 我國煤以低硫煤和超低硫煤為主，高硫煤和特高硫煤所占比例較小，這一觀點(diǎn)與李文華[2]的研究結(jié)果基本一致;利用煤炭?jī)?chǔ)量對(duì)煤中全硫含量進(jìn)行加權(quán)求平均值, 得出中國煤種的全硫平均含量為0.94%，這比李文華[3]曾以《中國煤種資源數(shù)據(jù)庫》為基礎(chǔ)計(jì)算出的中國煤炭硫平均含量1.11%稍低;李瑞[4]以《中國煤種資源數(shù)據(jù)庫》為基礎(chǔ)，給出了我國不同煤種儲(chǔ)量及其平均硫含量，通過其數(shù)據(jù)計(jì)算出全硫平均含量為0.89%，這與所計(jì)算的結(jié)果比較接近。

圖1 全國290個(gè)煤樣全硫數(shù)據(jù)分布

在煤的成分中，硫含量是對(duì)電除塵器性能影響大的因素之一。含硫量較高的煤，煙氣中含較多的SO2，SO2在一定條件下，以一定的比率轉(zhuǎn)化為SO3，SO3 易 吸附在塵粒表面，改變粉塵的表面導(dǎo)電性，含硫量愈高，工況條件下的粉塵比電阻也就越低，有利于提高靜電除塵器的除塵效率。電除塵器除塵效率的高低是取決于 粉塵荷電能力的大小，保持煤質(zhì)比電阻的穩(wěn)定性，是確保電除塵器高效率的前提，而袋式除塵器的除塵效率是由碰撞、沉降、攔截、擴(kuò)散等作用共同決定，其效率不 受煤質(zhì)變化的影響，單這一點(diǎn)看，袋濾技術(shù)相對(duì)于靜電技術(shù)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

1.2粉塵比電阻

由于我國燃煤電廠執(zhí)行的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223)更新相對(duì)較慢，如圖2所示，在2003年以前，出口排放濃度僅要求200mg/Nm3，基于排放標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)寬松，電除塵器在燃煤電廠占據(jù)了巨大的市場(chǎng)份額，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，電除塵器對(duì)中國煤種的不適應(yīng)就開始顯現(xiàn)出來，除塵效率已經(jīng)無法滿足現(xiàn)行30mg/Nm3(特別地區(qū)限值20mg/Nm3)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖2不同版本的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

如圖3所示，比電阻在104Ω?cm～1010Ω?cm 之間的粉塵是靜電除塵器易于收集的[5]，比電阻過高或過低都較難收集。若粉塵層比電阻超過臨界值1010Ω?cm時(shí)，電暈電流通過粉塵不會(huì)受限制，這將影響粉塵粒子的荷電量、荷電率和電場(chǎng)強(qiáng)度等，終導(dǎo)致電除塵器效率大幅下降;同時(shí)，沉積在電極上的電荷不易釋放，粉塵層中的電壓降變得很大，受靜電力的影響，粉塵吸附在電極上，造成電極積灰嚴(yán)重，也將大幅降低除塵效率。

圖3 靜電除塵器除塵效率與粉塵比電阻的關(guān)系

如前述學(xué)者研究結(jié)果表明，中國煤種含硫量平均在1.0%，屬于低硫煤范疇。對(duì)于這類煤種，如圖4所示，粉塵比電阻在煙氣運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，基本都高于1011Ω?cm，屬電除塵器較難收集的煤種[6]，間接反映中國煤種要滿足現(xiàn)有新標(biāo)準(zhǔn)的排放前提下，不適宜大規(guī)模使用靜電除塵器。另外，粉塵比電阻對(duì)煙氣溫度非常敏感，如圖5[7]所示，粉塵比電阻的峰值區(qū)落在溫度84～200℃區(qū)間，這基本上涵蓋了當(dāng)前所有燃煤電廠除塵器的運(yùn)行溫度(包括低溫電除塵器)，比電阻高于1011Ω?cm，在如此高比電阻的前提下，粉塵荷電相當(dāng)困難，選擇靜電除塵方式無疑存在較大的不達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 燃煤中含硫量與粉塵比電阻的關(guān)系       圖5 煙氣溫度與粉塵比電阻關(guān)系

1.3 粉塵粒徑分布

齊立強(qiáng)[8]研究表明，對(duì)于任何一種粉塵，粒經(jīng)不同則孔隙率、充填度和比表面也不同。粒徑小則堆積密度減小，從而孔隙率增大，表明空氣/粒子容積比增大，粒子的導(dǎo)電性減弱，粉塵比電阻提高。粗顆粒由于體積大，相同距離內(nèi)顆粒數(shù)少，其間氣膜總厚度較薄，即粗顆粒物具有更低的孔隙率，相對(duì)空氣/粒子容積比小，亦即充填率高，故容積導(dǎo)電性較細(xì)顆粒物更占優(yōu)勢(shì)，更容易導(dǎo)電。由此可推斷，粗顆粒物容易導(dǎo)電，比電阻較低容易被電除塵器收集下來，而細(xì)顆粒物則容易逃逸。粒徑越細(xì)的飛灰其峰值比電阻越高，如>154μm粒徑段與<45μm粒徑段飛灰的峰值比電阻相差六倍以上，這些因素都使得微細(xì)顆粒難以被電除塵器捕集。

等[9]的研究結(jié)果都表明，電除塵器對(duì)亞微米級(jí)顆粒的收集有一個(gè)“穿透口”，其效率低至70%一80%，產(chǎn)生這種u形除塵效率曲線的原因被歸咎于小粒徑顆粒荷電量降低和隨著粒徑減小(阻力降低)顆粒運(yùn)動(dòng)增加進(jìn)而導(dǎo)致顆粒荷電不均，Hanley等[10]人也認(rèn)為主要是由于一小部分微細(xì)顆粒沒有荷電導(dǎo)致其除塵效率降低。

2.不同除塵方式協(xié)同脫汞及對(duì)下游濕法脫硫的影響

2.1 不同除塵方式協(xié)同脫汞作用

燃煤電廠脫汞是繼脫硫、脫硝后成為電力行業(yè)的又一重點(diǎn)工作。大氣環(huán)境中的汞有1/3來自燃煤電廠排放[11]，若有效控制電力行業(yè)的汞排放，可以緩解燃煤汞污染問題。Pavlish等[12]引用ICR的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出，不同除塵方式即靜電除塵器 CS 2ESP ( cold side ESP)和布袋除塵器FF的脫汞效率分別為27%和58%，東南大學(xué)王運(yùn)軍[13]等人對(duì)國內(nèi)5家電廠安裝布袋除塵器和靜電除塵器(2臺(tái)布袋和3臺(tái)靜電)脫汞性能進(jìn)行比較，如圖6所示，由此可以看出，布袋除塵器更有利于脫除煙氣中的汞。

圖6袋式除塵器(FF)和靜電除塵器(ESP)脫汞性能對(duì)比

中國環(huán)境科學(xué)研究院[14-15]對(duì)上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司1號(hào)鍋爐和湛江電力有限公司2號(hào)鍋爐“電改袋”后除塵脫汞性能評(píng)估報(bào)告表明，靜電除塵器改為袋式除塵器后，煙塵濃度由靜電除塵器出口136.06 mg/Nm3(外高橋)和160.57mg/Nm3(湛江)降低到12.71 mg/Nm3 (外高橋)和10.97mg/Nm3(湛江)，除塵效率達(dá)99.91 %(外高橋)和99.97%(湛江)。袋式除塵器對(duì)10μm以下，尤其是1μm以下的亞微米顆粒物有較好的捕集效果，脫汞效率由原來的60.46%和42.72%(湛江)提高到72.55%(外高橋)和56.39%。袋式除塵器對(duì)顆粒汞脫除率達(dá)96.38%和99.92%(湛江)，對(duì)氣態(tài)汞的脫除率達(dá)35.22%(外高橋)和45.33%(湛江)。而靜電除塵器對(duì)顆粒態(tài)汞脫除率只有91.43%(外高橋)和76.88%(湛江)，對(duì)氣態(tài)汞的脫除率也只有24.03%(外高橋)和31.97%(湛江)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，釆用袋式除塵器結(jié)合濕法煙氣脫硫，在燃用高汞煤時(shí)，煙氣排放仍可達(dá)到《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和美國環(huán)境保護(hù)局 (EPA)的現(xiàn)行汞排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2粉塵濃度對(duì)濕法脫硫的影響

國內(nèi)大型燃煤電廠大都采用電除塵器加濕法脫硫工藝，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為電除塵器出口粉塵排放高于100mg/Nm3并不影響煙囪出口粉塵排放濃度小于50mg/Nm3甚至30mg/Nm3的環(huán)保要求。這種觀點(diǎn)認(rèn)為濕法脫硫系統(tǒng)具有一定的“除塵作用”，效率可達(dá)38%～70%[16]。然而從工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，濕法脫硫進(jìn)口煙氣粉塵濃度過高對(duì)脫硫系統(tǒng)的影響并非上述觀點(diǎn)所述。鄒斯詣[17]研究了粉塵濃度對(duì)濕法脫硫系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明，由于粉塵中Al2O3和Fe2O3的含量較高，溶解的Al3+、Fe3+與Cl-生成(FeCl4)-、(AlCl4)-絡(luò)合物，這些絡(luò)合物覆蓋在CaCO3的表面，使能夠參加反應(yīng)的CaCO3減少，特別是Al3+及F-均有很強(qiáng)的活性，極易配對(duì)形成不溶性AlFX膠狀絡(luò)合物，當(dāng)AlFx濃度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)抑制石灰石的溶解速度，降低石灰石的反應(yīng)活性，即所謂“封閉”石灰石，出現(xiàn)脫硫“盲區(qū)”。煙氣中粉塵含量過高時(shí)，粘附在除霧器板片上的煙塵也相應(yīng)增加，飛灰與煙氣中殘留的SO2、SO3及漿液相互作用后形成硅酸鹽硬垢，飛灰本身所含有的SiO2、Al2O3及 可溶性鹽也形成硬垢，附著在除霧器板面上，造成板片結(jié)垢和堵塞，導(dǎo)致除霧器局部區(qū)域煙氣流速超過臨界流速，撕裂板片上已經(jīng)形成的液膜，使煙氣中夾帶的液量 驟然增大，并且其中大粒徑的液滴明顯增多，即所謂的“二次帶水”，破壞除霧器的正常工作。同時(shí)，高粉塵濃度的原煙氣經(jīng)過GGH換熱片時(shí)，粉塵就會(huì)在換熱片上沉積。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，吸附在換熱片上的硬垢越積越多，終堵塞換熱片間隙，導(dǎo)致系統(tǒng)總壓降上升。由于高粉塵煙氣惡化了除霧器的性能，煙氣中的石膏漿液顆粒無法被有效捕捉，附著在GGH換熱片上，加劇了GGH結(jié)垢堵塞。同時(shí)，粉塵中80%是Al2O3和SiO2，這兩種物質(zhì)相當(dāng)于磨具的材料，非常堅(jiān)硬且表面粗糙的不規(guī)則顆粒，在高速流動(dòng)中會(huì)增大對(duì)漿液泵、噴嘴、旋流子、攪拌器、漿液管道的磨損。祁君田[18]研究也表明，較高的煙塵濃度進(jìn)入脫硫系統(tǒng)時(shí)，脫硫副產(chǎn)品石膏“白度”達(dá)不到綜合利用要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2008年底,，我國燃煤電廠已有3億千瓦機(jī)組安裝了濕法煙氣脫硫裝置，按1臺(tái)300MW機(jī)組燃用含硫量為1% 的煤種，年運(yùn)行5000～6000 h計(jì)算，全年燃煤電廠將產(chǎn)生5000～6000萬t脫硫石膏, 而2012年中國脫硫裝機(jī)已達(dá)6.8億千瓦，脫硫石膏量已翻番，如此巨量的脫硫石膏堆棄將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。袋式除塵器出口排放濃度普遍30mg/Nm3，如果設(shè)計(jì)采用水刺濾料或覆膜濾料，出口排放濃度近乎實(shí)現(xiàn)“零”排放，這為下游濕法脫硫設(shè)備的安全可靠長(zhǎng)期運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

盡管我國燃煤電廠除塵方式以電除塵器為主，然而由于我國煤的含硫量低、電廠燃煤來源的不穩(wěn)定性以及越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)等原因，電除塵器已無法適應(yīng)當(dāng)前燃煤 電廠排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，而袋式除塵器不受燃煤煤質(zhì)變化的影響，能夠長(zhǎng)期保持高效率、安全、可靠運(yùn)行，且具有高效協(xié)同脫汞的作用，對(duì)下游濕法脫硫設(shè)備長(zhǎng)期安全 穩(wěn)定運(yùn)行及脫硫石膏的質(zhì)量保證具有關(guān)鍵性作用，是當(dāng)前燃煤電廠達(dá)標(biāo)排放的除塵方式，建議進(jìn)行大力推廣應(yīng)用。