摘要：本文通过文献调研分析了影响我国燃煤电厂除尘方式选择的主要问题，从煤质含硫量、粉尘比电阻、粉尘粒径分布三方面进行研究，结果表明电除尘技术对我国煤种的适应性较差，无法满足严格的排放标准;另外，通过前人对比不同除尘方式协同脱汞效果和对下游设备保护作用的研究成果，结果表明袋式除尘器具有更好的协同脱汞作用，更高的除尘效率可保证湿法脱硫设备长期可靠运行。
关键字：电除尘器;袋式除尘器;比电阻;脱汞;湿法脱
2013年1月我国大范围持续出现雾霾天气，17个省数十个城市空气质量为重度污染或严重污染，受影响面积约占国土面积1/4，受影响人口约6亿人，PM2.5监测的74个城市496个点位，日均值浓度40~347μg/m³，部分点位的每小时最大值达到900μg/m³，超过PM2.5日均值标准10倍以上，如此严峻的大气污染问题引起了越来越多的关注。我国是以煤炭为主的一次能源结构的国家，燃煤产生的大量微细颗粒物向大气排放，产生了大气复合型污染问题，燃煤电厂微细颗粒物的控制主要采用高效除尘技术进行治理，面对越来越严格的排放标准，如何选择除尘方式成为当前关注的热点。为此，研究大型燃煤电厂影响除尘方式选择的若干问题成为该领域的重点课题，符合我国尽快解决微细颗粒物排放控制的要求。本文综述了我国煤质含硫量、粉尘比电阻、粉尘粒径分布等因素对除尘方式的影响，同时分析了不同除尘方式协同脱汞的差异及对下游湿法脱硫的影响，提出了袋式除尘技术为当前应对严格排放标准最佳除尘方式的观点。
1 影响我国燃煤电厂除尘方式选择的因素分析
1.1 中国燃煤含硫量分布
胡军等[1]对来自全国的290个煤样的全硫数据进行分析，其分布见图1，所有煤样中硫分算术平均值为1.18% ，硫分大多集中在0～1.25%范围以内。在所采集的样品中，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%，结果表明, 我国煤以低硫煤和超低硫煤为主，高硫煤和特高硫煤所占比例较小，这一观点与李文华[2]的研究结果基本一致;利用煤炭储量对煤中全硫含量进行加权求平均值, 得出中国煤种的全硫平均含量为0.94%，这比李文华[3]曾以《中国煤种资源数据库》为基础计算出的中国煤炭硫平均含量1.11%稍低;李瑞[4]以《中国煤种资源数据库》为基础，给出了我国不同煤种储量及其平均硫含量，通过其数据计算出全硫平均含量为0.89%，这与所计算的结果比较接近。
在煤的成分中，硫含量是对电除尘器性能影响最大的因素之一。含硫量较高的煤，烟气中含较多的SO2，SO2在一定条件下，以一定的比率转化为SO3，SO3 易吸附在尘粒表面，改变粉尘的表面导电性，含硫量愈高，工况条件下的粉尘比电阻也就越低，有利于提高静电除尘器的除尘效率。电除尘器除尘效率的高低是取决于粉尘荷电能力的大小，保持煤质比电阻的稳定性，是确保电除尘器高效率的前提，而袋式除尘器的除尘效率是由碰撞、沉降、拦截、扩散等作用共同决定，其效率不受煤质变化的影响，单这一点看，袋滤技术相对于静电技术具有更强的适应性。
1.2粉尘比电阻
由于我国燃煤电厂执行的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223)更新相对较慢，如图2所示，在2003年以前，出口排放浓度仅要求200mg/Nm3，基于排放标准的相对宽松，电除尘器在燃煤电厂占据了巨大的市场份额，随着环保标准的逐步提高，电除尘器对中国煤种的不适应就开始显现出来，除尘效率已经无法满足现行30mg/Nm3(特别地区限值20mg/Nm3)标准的要求。
如图3所示，比电阻在104Ω•cm～1010Ω•cm 之间的粉尘是静电除尘器易于收集的[5]，比电阻过高或过低都较难收集。若粉尘层比电阻超过临界值1010Ω•cm时，电晕电流通过粉尘不会受限制，这将影响粉尘粒子的荷电量、荷电率和电场强度等，最终导致电除尘器效率大幅下降;同时，沉积在电极上的电荷不易释放，粉尘层中的电压降变得很大，受静电力的影响，粉尘吸附在电极上，造成电极积灰严重，也将大幅降低除尘效率。
如前述学者研究结果表明，中国煤种含硫量平均在1.0%，属于低硫煤范畴。对于这类煤种，如图4所示，粉尘比电阻在烟气运行温度范围内，基本都高于1011Ω•cm，属电除尘器较难收集的煤种[6]，间接反映中国煤种要满足现有新标准的排放前提下，不适宜大规模使用静电除尘器。另外，粉尘比电阻对烟气温度非常敏感，如图5[7]所示，粉尘比电阻的峰值区落在温度84～200℃区间，这基本上涵盖了当前所有燃煤电厂除尘器的运行温度(包括低温电除尘器)，比电阻高于1011Ω•cm，在如此高比电阻的前提下，粉尘荷电相当困难，选择静电除尘方式无疑存在较大的不达标风险。
1.3 粉尘粒径分布
齐立强[8]研究表明，对于任何一种粉尘，粒经不同则孔隙率、充填度和比表面也不同。粒径小则堆积密度减小，从而孔隙率增大，表明空气/粒子容积比增大，粒子的导电性减弱，粉尘比电阻提高。粗颗粒由于体积大，相同距离内颗粒数少，其间气膜总厚度较薄，即粗颗粒物具有更低的孔隙率，相对空气/粒子容积比小，亦即充填率高，故容积导电性较细颗粒物更占优势，更容易导电。由此可推断，粗颗粒物容易导电，比电阻较低容易被电除尘器收集下来，而细颗粒物则容易逃逸。粒径越细的飞灰其峰值比电阻越高，如>154μm粒径段与<45μm粒径段飞灰的峰值比电阻相差六倍以上，这些因素都使得微细颗粒难以被电除尘器捕集。Yezhuang等[9]的研究结果都表明，电除尘器对亚微米级颗粒的收集有一个“穿透口”，其效率低至70%一80%，产生这种u形除尘效率曲线的原因被归咎于小粒径颗粒荷电量降低和随着粒径减小(阻力降低)颗粒运动增加进而导致颗粒荷电不均，Hanley等[10]人也认为主要是由于一小部分微细颗粒没有荷电导致其除尘效率降低。
2不同除尘方式协同脱汞及对下游湿法脱硫的影响
2.1 不同除尘方式协同脱汞作用
燃煤电厂脱汞是继脱硫、脱硝后成为电力行业的又一重点工作。大气环境中的汞有1/3来自燃煤电厂排放[11]，若有效控制电力行业的汞排放，可以缓解燃煤汞污染问题。Pavlish等[12]引用ICR的统计数据指出，不同除尘方式即静电除尘器 CS 2ESP ( cold side ESP)和布袋除尘器FF的脱汞效率分别为27%和58%，东南大学王运军[13]等人对国内5家电厂安装布袋除尘器和静电除尘器(2台布袋和3台静电)脱汞性能进行比较，如图6所示，由此可以看出，布袋除尘器更有利于脱除烟气中的汞。
中国环境科学研究院[14-15]对上海外高桥发电有限责任公司1号锅炉和湛江电力有限公司2号锅炉“电改袋”后除尘脱汞性能评估报告表明，静电除尘器改为袋式除尘器后，烟尘浓度由静电除尘器出口136.06 mg/Nm3(外高桥)和160.57mg/Nm3(湛江)降低到12.71 mg/Nm3(外高桥)和10.97mg/Nm3(湛江)，除尘效率达99.91 %(外高桥)和99.97%(湛江)。袋式除尘器对10μm以下，尤其是1μm以下的亚微米颗粒物有较好的捕集效果，脱汞效率由原来的60.46%和42.72%(湛江)提高到72.55%(外高桥)和56.39%。袋式除尘器对颗粒汞脱除率达96.38%和99.92%(湛江)，对气态汞的脱除率达35.22%(外高桥)和45.33%(湛江)。而静电除尘器对颗粒态汞脱除率只有91.43%(外高桥)和76.88%(湛江)，对气态汞的脱除率也只有24.03%(外高桥)和31.97%(湛江)。测试数据表明，釆用袋式除尘器结合湿法烟气脱硫，在燃用高汞煤时，烟气排放仍可达到《火电厂大气污染物排放标准》和美国环境保护局 (EPA)的现行汞排放标准要求。
2.2粉尘浓度对湿法脱硫的影响
国内大型燃煤电厂大都采用电除尘器加湿法脱硫工艺，有一种观点认为电除尘器出口粉尘排放高于100mg/Nm3并不影响烟囱出口粉尘排放浓度小于50mg/Nm3甚至30mg/Nm3的环保要求。这种观点认为湿法脱硫系统具有一定的“除尘作用”，效率可达38%～70%[16]。然而从工程实例发现，湿法脱硫进口烟气粉尘浓度过高对脱硫系统的影响并非上述观点所述。邹斯诣[17]研究了粉尘浓度对湿法脱硫系统的影响，结果表明，由于粉尘中Al2O3和Fe2O3的含量较高，溶解的Al3+、Fe3+与Cl-生成(FeCl4)-、(AlCl4)-络合物，这些络合物覆盖在CaCO3的表面，使能够参加反应的CaCO3减少，特别是Al3+及F-均有很强的活性，极易配对形成不溶性AlFX胶状络合物，当AlFx浓度达到一定程度时会抑制石灰石的溶解速度，降低石灰石的反应活性，即所谓“封闭”石灰石，出现脱硫“盲区”。烟气中粉尘含量过高时，粘附在除雾器板片上的烟尘也相应增加，飞灰与烟气中残留的SO2、SO3及浆液相互作用后形成硅酸盐硬垢，飞灰本身所含有的SiO2、Al2O3及可溶性盐也形成硬垢，附着在除雾器板面上，造成板片结垢和堵塞，导致除雾器局部区域烟气流速超过临界流速，撕裂板片上已经形成的液膜，使烟气中夹带的液量骤然增大，并且其中大粒径的液滴明显增多，即所谓的“二次带水”，破坏除雾器的正常工作。同时，高粉尘浓度的原烟气经过GGH换热片时，粉尘就会在换热片上沉积。随着运行时间的增长，吸附在换热片上的硬垢越积越多，最终堵塞换热片间隙，导致系统总压降上升。由于高粉尘烟气恶化了除雾器的性能，烟气中的石膏浆液颗粒无法被有效捕捉，附着在GGH换热片上，加剧了GGH结垢堵塞。同时，粉尘中80%是Al2O3和SiO2，这两种物质相当于磨具的材料，非常坚硬且表面粗糙的不规则颗粒，在高速流动中会增大对浆液泵、喷嘴、旋流子、搅拌器、浆液管道的磨损。祁君田[18]研究也表明，较高的烟尘浓度进入脱硫系统时，脱硫副产品石膏“白度”达不到综合利用要求。据统计到2008年底,，我国燃煤电厂已有3亿千瓦机组安装了湿法烟气脱硫装置，按1台300MW机组燃用含硫量为1% 的煤种，年运行5000～6000 h计算，全年燃煤电厂将产生5000～6000万t脱硫石膏, 而2012年中国脱硫装机已达6.8亿千瓦，脱硫石膏量已翻番，如此巨量的脱硫石膏堆弃将会产生严重的二次污染。袋式除尘器出口排放浓度普遍30mg/Nm3，如果设计采用水刺滤料或覆膜滤料，出口排放浓度近乎实现“零”排放[19-21]，这为下游湿法脱硫设备的安全可靠长期运行提供了强有力的保障。
3结语
尽管我国燃煤电厂除尘方式以电除尘器为主，然而由于我国煤的含硫量低、电厂燃煤来源的不稳定性以及越来越严格的排放标准等原因，电除尘器已无法适应当前燃煤电厂排放标准的要求，而袋式除尘器不受燃煤煤质变化的影响，能够长期保持高效率、安全、可靠运行，且具有高效协同脱汞的作用，对下游湿法脱硫设备长期安全稳定运行及脱硫石膏的质量保证具有关键性作用，是当前燃煤电厂达标排放首选的除尘方式，建议进行大力推广应用。
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