粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒。隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,民眾對生存環(huán)境的要求越來越高。能源、化工、鋼鐵等行業(yè)每年都會(huì)產(chǎn)生近千萬噸的粉塵,對人體健康、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),對人體健康危害 很 大。2014年, 我國 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)境政策給我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)帶來了巨大環(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 國火電機(jī)組容量的86.7%,占 我 國煤電機(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。由于前端無除塵裝置,煙氣中的高濃度粉塵和Ca、Se等金屬元素對催化劑造成了損害,磨損、堵塞和中毒等問題普遍存在,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)有越來越劣質(zhì)的趨勢,由于高溫?zé)焿m導(dǎo)致的催化劑和空預(yù)器堵塞、磨損等問題必將會(huì)越來越凸現(xiàn)。由此可見,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催化劑和空預(yù)器等后端設(shè)備帶來的不 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),從而引起過濾材料表面堆積1層粘性粉塵,導(dǎo)致過濾堵塞、能耗升高等問題。通常使用膨脹計(jì)或高溫流變計(jì)測量粉塵軟化溫度。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)對提高軟化溫度。隨著溫度升高,粉塵粘結(jié)力越來越強(qiáng),會(huì)發(fā)生粉塵搭橋,搭橋程度過大,堵塞孔隙影響過濾效果。通過膨脹計(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濾特性,結(jié)果褐煤灰的不穩(wěn)地過濾發(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)、高溫陶瓷過濾技術(shù)、多孔金屬過濾技術(shù)。
(1) 旋風(fēng)除塵器。旋風(fēng)除塵器是通過含塵氣體的運(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)簡單 ,造價(jià)低。旋風(fēng)除塵器對于10~20μm的粉塵,其除塵效率可達(dá)到95%以上,但對于小于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、長時(shí)間運(yùn)行后材料腐蝕;在高溫條件下對氣體成分性質(zhì)敏感,粉塵比電阻變化導(dǎo)致除塵效率下降等問題。
常規(guī)電除塵器一般用來處理溫度不高于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濾布,在含塵氣體單向通過濾布,塵粒在繞過濾布纖維時(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;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,有利流場的合理分布,灰斗收集過濾下來的粉塵;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,使其過濾面積大為增加, 較 大的過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:打開處于閉合狀態(tài)的脈沖閥,壓縮空氣直接噴入濾筒中心,對其進(jìn)行脈沖清灰。濾筒除塵器除塵效率高,阻力小(一般粉塵壓損小于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、投資和維護(hù)費(fèi)用低,相對布局較緊湊,節(jié)約空間,便于維護(hù)。主要缺點(diǎn):①濾筒在使用過程中易導(dǎo)致糊袋、板結(jié)、腐蝕現(xiàn)象,_性能較差,需要開發(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)反吹壓過大,會(huì)導(dǎo)致濾料損耗。目前國外有技術(shù)廠家,通過結(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)。顆粒層過濾器是利用物化性質(zhì)較穩(wěn)定的固體顆粒組成過濾層,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)對含塵氣體的過濾,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)定及過濾介質(zhì)費(fèi)用低。存在的問題是設(shè)備龐大,造價(jià)高,對細(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微細(xì)顆粒捕集能力等問題上仍需做進(jìn)一步研究。
(6) 高溫陶瓷過濾技術(shù)。目前正在開發(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、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),已成為過濾式干法除塵裝置的主要材料,其主要缺點(diǎn)是陶瓷過濾材料性脆,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,操作的長期性,可靠性存在不少問題。不過,通過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。
目前已研制開發(fā)的高溫陶瓷過濾材料主要包括:①氧化物陶瓷材料,如氧化鋁/莫來石、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。
高溫陶瓷過濾材料除塵器。多孔陶瓷過濾器通常由一個(gè)或多個(gè)起主要過濾作用的過濾單元組成,多孔陶瓷過濾單元一般分為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濾單元。
我國是以燃煤發(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)過降溫再除塵,煙氣熱量沒有得到有效的回收利用。同時(shí)各個(gè)電廠對小顆粒粉塵去除率低,造成大氣污染的同時(shí),還對后續(xù)脫硝過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。在未來發(fā)展中,開發(fā)以高溫陶瓷材料和多孔金屬材料為核心的過濾元件,并對目前常規(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。
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