电力行业高温除尘技术发展现状.docx

电力行业高温除尘技术发展现状.docx

《电力行业高温除尘技术发展现状.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力行业高温除尘技术发展现状.docx（5页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电力行业高温除尘技术发展现状

电力行业高温除尘技术发展现状

粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒。

随着我国经济和社会的发展，民众对生存环境的要求越来越高。

能源、化工、钢铁等行业每年都会产生近千万吨的粉尘，对人体健康、大气环境和生产经济都造成了严重的影响。

尤其燃煤电厂排放的大量烟尘几乎都是可吸入颗粒物（PM10和PM2.5），对人体健康危害极大。

2014年，国家发展改革委、环保部、能源局3部委联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，行动计划明确了在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/Nm3的超低排放要求，不断收紧的环境政策给我国以煤为主的能源结构带来了巨大环保和经济压力。

截至2016年底，已投运火电厂烟气脱硝机组容量约9.1亿kW，占全国火电机组容量的86.7%，占全国煤电机组容量的91.7%，其中90%以上采用SCR脱硝技术。

同时为了维持催化剂的高活性及运行的经济性，现有SCR脱硝系统普遍采用高尘布置方式，即：

SCR反应器布置在锅炉省煤器与空气预热器之间。

由于前端无除尘装置，烟气中的高浓度粉尘和Ca、Se等金属元素对催化剂造成了极大的损害，磨损、堵塞和中毒等问题普遍存在，极大地降低了催化剂的寿命及SCR系统的脱硝能力［1］。

同时，受燃煤供应能力的限制，电厂燃煤煤质有越来越劣质的趋势，由于高温烟尘导致的催化剂和空预器堵塞、磨损等问题必将会越来越凸现［2］。

由此可见，在SCR系统之前进行高温除尘处理，减少烟气中的粉尘颗粒浓度，以消除高浓度粉尘对催化剂和空预器等后端设备带来的不利影响，具有十分重要的意义。

同时，采用高温除尘技术是对现有电厂技术的一次重大创新，它将有效降低现有污染处理设备运行能耗和运行成本，提高电厂运行稳定性，还可为我国燃煤电厂的超低排放提供一种新的技术路线。

本文重点介绍高温除尘技术现状及在高温条件下飞灰的性质。

在高温条件下，飞灰会发生软化或烧结，从而引起过滤材料表面堆积1层粘性粉尘，导致过滤堵塞、能耗升高等问题。

通常使用膨胀计或高温流变计测量粉尘软化温度。

这个温度取决于粉尘的化学成分。

氯化物如NaCl、KCl或CaCl2可降低软化温度。

酸性氧化物如SiO2、Al2lO3、TiO2等物质的含量上升会对提高软化温度。

随着温度升高，粉尘粘结力越来越强，会发生粉尘搭桥，搭桥程度过大，堵塞孔隙影响过滤效果。

Hemmer［3］等人通过膨胀计、热差分析和示差扫描量热法研究褐煤灰的热变性质以及在高温条件下的过滤特性，结果褐煤灰的不稳地过滤发生在600℃以上，烧结出现在820℃以上。

同时不同温度条件下的飞灰颗粒的捕集原理不同。

小于1μm的粉尘颗粒，温度升高可提高除尘效率，在这个尺寸范围内，扩散力决定了除尘效率。

随着温度升高，颗粒运动加快，提高了颗粒扩散速率和碰撞机率，增加了颗粒被捕集的概率。

因此，温度升高时小颗粒粉尘的脱除效率升高。

对于一般的燃煤电厂，350～500℃温度区间的高温烟气，飞灰性质比较稳定，发生烧结、软化和搭桥现象可能性较小［4］。

目前，能有效脱除高温烟气中尘粒的方法，主要有旋风除尘器、电除尘器、布袋除尘器、滤筒除尘器、颗粒床除尘技术、高温陶瓷过滤技术、多孔金属过滤技术［5］。

（1）旋风除尘器。

旋风除尘器是通过含尘气体的旋转运动，使尘粒借助离心力作用而从气体中被分离捕集的装置。

当含尘气流由进气管进入旋风除尘器时，气流将由直线运动变为圆周运动。

旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下，朝锥体流动，通常称此为外旋气流。

含尘气体在旋转过程中产生离心力，将重量较大的尘粒甩向器壁。

尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落，进入排灰管。

旋转下降的外旋气流在到达锥体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢，其切向速度不断提高。

当气流到达锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部，由下反转而上，继续作螺旋形流动，即内旋气流。

最后净化气经排气管排出旋风除尘器外，一部分未被捕集的尘粒也随之带出。

旋风除尘器具有良好的耐高温性能（1000℃下），结构简单，造价低。

旋风除尘器对于10～20μm的粉尘，其除尘效率可达到95%以上，但对于小于10～20μm的粉尘，除尘效率只能达到60%～80%，由于其分离效率较低，达不到环保要求。

因此，旋风除尘器远不能满足燃煤电厂的排放要求。

（2）电除尘器。

在高压静电作用下使尘粒带有负电荷后，在电场力的作用下尘粒向带有正电荷的极板方向运动，当尘粒到达极板后放出负电荷，开始附着在收尘极板的板面上，形成粉尘集聚物。

然后由振打装置敲击极板，使粉尘脱落进入灰斗。

此外，静电力作用于颗粒，因此电除尘器具有高效、低阻力、低耗能、处理范围大等特点，是目前我国燃煤电厂应用最广的除尘技术。

电除尘技术是一种高效的除尘技术，其优点明显。

但目前应用的常规电除尘器造价高，同时存在电晕不稳定、长时间运行后材料腐蚀；在高温条件下对气体成分性质敏感，粉尘比电阻变化导致除尘效率下降等问题。

常规电除尘器一般用来处理温度不高于200℃的烟气，当前燃煤电站运行的绝大部分电除尘器都属于这类。

常规电除尘器安装于空气预热器之后，运行烟气温度通常在120～160℃范围内；高温电除尘器一般用于处理高于300℃的烟气，在燃煤电站，高温电除尘器一般安装于空气预热器之前，入口烟气温度在300～450℃范围内。

高温电除尘器主要是通过采用高性能电极材料提高耐腐蚀性，以及高性能钢材提高除尘器结构稳定性等方式，进行高温电除尘。

截止2006年，安装有高温电除尘器的燃煤电站占到了美国总装机容量的11.3%，主要方式是“高温电除尘器+湿法脱硫”及“高温电除尘器+SCR+湿法脱硫”。

高温电除尘器在日本被用于大容量燃煤发电机组，主要用来保护脱硝设备中的选择性催化还原反应催化剂免受飞灰的机械磨损和化学毒化［6］。

高温电除尘器目前主要问题：

①投资费用高。

高温电除尘器由于其运行温度高，导致本体体积与建造所使用的钢材品类都发生了很大的变化，对防腐与钢材稳定性提出了更高的要求。

②与常规电除尘器相比，由于高温电除尘器体积更加庞大，导致其散热损失增加，从而降低了高温电除尘器运行的经济性。

③温度升高，气体密度变小，电离效应加强，引起起晕电压、击穿电压降低，电弧电压和电晕电压之间的差值变小，电压工作范围变窄，影响电除尘器除尘效率和工作的稳定性。

④温度升高，气体的黏性增大，影响除尘效率［7］。

目前富士电机有限公司的高温静电除尘器，采用的是金属网过滤式静电除尘器技术，除尘效率98%以上，粉尘出口浓度在10mg/m3以下，耐受300～400℃高温，压力损失在500Pa以下，多应用于钢铁、玻璃、铝业等行业。

（3）布袋除尘器。

袋式除尘器的工作原理是含尘气体由除尘器下部进气管道，经导流板进入灰斗时，由于导流板的碰撞和气体速度的降低等作用，粗粒粉尘将落入灰斗中，其余细小颗粒粉尘随气体进入滤袋室，用纤维等材料编制物制作的袋式过滤布，在含尘气体单向通过滤布，尘粒在绕过滤布纤维时因惯性力作用与纤维碰撞而被拦截；细微的尘粒（粒径为1μm或更小）则受气体分子冲击（布朗运动）不断改变运动方向，由于纤维间的空隙小于气体分子布朗运动的自由路径，尘粒便与纤维碰撞而被分离出来；足够多的尘粒堆积在滤布纤维表面，形成滤饼，这种滤饼又通过筛滤等机理，得以捕集更细的尘粒。

尘粒留在上游或滤布的含尘气体侧，而干净气体通过滤布到下游或干净气体侧，当尘粒沉积到一定程度后，借助于气力或机械方法，将尘粒从滤布上除去，收集并运走。

布袋除尘器能有效地捕集微细粒尘，尤其对0.1～1μm的烟尘捕集效果好，除尘效率可达99.99%以上。

若同时采取辅助措施（如采用覆膜滤料等），能有效提高PM2.5的脱除率，并协同脱除As、Se、Hg等重金属、硫氧化物、氮氧化物。

布袋除尘器不受烟气成份、比电阻等粉尘性质的影响，无二次污染。

因此，布袋除尘器在我国燃煤电厂除尘领域占据第二市场份额［8］。

布袋除尘器也存在不足，如运行阻力大，滤袋滤料的寿命受烟尘温度、酸露点等的影响；滤袋需要清灰，但清灰必使滤袋发生激振，且过滤时大颗粒粉尘磨损滤袋，缩短滤袋寿命，一般情况下滤袋平均使用寿命不到2年，使得袋式除尘器在燃煤电厂的应用受到了限制。

同时布袋除尘器的耐高温能力有限，常用的滤料一般适用于120～130℃范围，玻璃纤维等滤料也需要低于250℃，不能在350～500℃高温下使用［9］。

（4）滤筒除尘器。

滤筒式除尘器是20世纪80年代由美国唐纳森公司在袋式除尘器的基础上生产的一种新型除尘器，滤筒除尘器主要有3大部分，箱体、滤筒、清灰系统，如图1所示。

①箱体是整个除尘器的外壳，包括气箱和灰斗，气箱主要是提供所需的除尘空间，有利流场的合理分布，灰斗收集过滤下来的粉尘；②滤筒是由外层、内层和中间层构成，内层和外层均为金属网等材料，中间为褶型的滤料。

滤筒用滤料的特点是，把亚微米级的超薄纤维黏附在一般滤料上，该黏附层上的纤维间排列非常紧密，其间隙0.12～0.6μm，由于采用密集型的折叠，使其过滤面积大为增加，极大的过滤面积是滤筒的突出特点；③清灰系统主要包括喷吹管、脉冲阀、气包等。

当滤筒表面积灰达到一定的厚度，就要进行清灰，反吹清灰：

打开处于闭合状态的脉冲阀，压缩空气直接喷入滤筒中心，对其进行脉冲清灰［10］。

滤筒除尘器除尘效率高，阻力小（一般粉尘压损小于1000Pa，粘附力较强粉尘压损小于1500Pa），节能，入口浓度和过滤风速范围大，处理能力强，具有很广的适应性。

同时，滤筒除尘器使用寿命长、投资和维护费用低，相对布局较紧凑，节约空间，便于维护。

主要缺点：

①滤筒在使用过程中易导致糊袋、板结、腐蚀现象，耐高温性能较差，需要开发新型滤料，以提高其耐腐蚀、耐高温等方面的性能；②因为其褶皱型结构，常常导致其清灰不够彻底，同时反吹压力过大，会导致滤料损耗［11］。

目前国外有技术厂家，通过结合新型陶瓷滤料使滤筒型除尘器应用在生物质发电行业，在550℃高温烟气条件下，粉尘去除率达到95%。

（5）颗粒床除尘技术。

颗粒层过滤器是利用物化性质较稳定的固体颗粒组成过滤层，用耐高温的颗粒介质作为滤料（细砂、石英砂、活性炭等），实现对含尘气体的过滤，达到净化气体的目的。

优点是耐高温、抗冲击、耐磨损、耐腐蚀、除尘效率较高、性能稳定及过滤介质费用低。

存在的问题是设备庞大，造价高，再生较困难，对细粉尘捕集效率不高，系统磨损等，故离工业应用还有一段距离［12］。

移动式颗粒层过滤技术是利用化学性质稳定的固体颗粒（瓷环、活性炭等），形成移动式过滤层脱除粉尘。

优点是耐高温、易控制、运行可靠、负荷变化范围宽，除尘效率受烟气成分的影响小，除尘效率高等；但在降低磨损、减小压降以及提高对微细颗粒捕集能力等问题上仍需做进一步研究［13］。

目前实验室已经有较多的研究，中科院过程所、宁波大学、中科院山西煤化所、日本住友株式会社等4家单位在颗粒床除尘器工业化应用领域处于领先地位。

荷兰大学delft对移动式颗粒层过滤器进行了PFBC（循环增压流化床）烟气的过滤试验，当运行温度为1000℃、压力为1MPa时，除尘效率达到98%。

（6）高温陶瓷过滤技术。

目前正在开发和应用的多孔陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、重量轻、价格低、除尘效率高、使用寿命长、易于反吹再生等优点［14］，已成为过滤式干法除尘装置的主要材料，其主要缺点是陶瓷过滤材料性脆，延展性和韧性较差，难于与系统整体封接；还由于热传导性差，使得难以承受急冷急热负荷波动，即抗热震性差；在高温、高压条件下，陶瓷材料的整体强度，操作的长期性，可靠性存在不少问题［15］。

不过，通过与其他纤维或金属材料混合的高性能复合材料在脆性和传热性等方面有很大提高［16］。

目前已研制开发的高温陶瓷过滤材料主要包括：

①氧化物陶瓷材料，如氧化铝/莫来石、堇青石、氧化锆等；②非氧化物陶瓷材料，如反应结合碳化硅、黏土结合碳化硅、热压烧结氮化硅、羟基磷灰石等。

其按照形状一般分为泡沫多孔陶瓷、蜂窝多孔陶瓷和纤维多孔陶瓷［17］。

高温陶瓷过滤材料除尘器。

多孔陶瓷过滤器通常由一个或多个起主要过滤作用的过滤单元组成，多孔陶瓷过滤单元一般分为3种：

蜡烛状、管状、块状。

目前商业应用较多的是蜡烛状和管状过滤单元［18］。

美国西屋（Westinghouse）公司生产的由氧化铝、氧化硼和氧化硅构成的AB312织状柔性多孔陶瓷过滤器，除尘效率达99%以上。

如图2所示，它由过滤单元平行排列，用花板吊挂而成。

过滤单元由很多蜡烛状过滤器组成，每个组合共用1个气室。

1个气室可装30～60个固定套，每个气室有自己的文氏管和脉冲喷吹管。

每个组合吊装在相同的支撑骨架上，形成过滤串。

蜡烛状过滤单元固定在共用气室的花板上，用卡套和高温密封垫连接。

在脉冲清灰过程中，脉冲气体从上到下导入共用气室。

该除尘器的缺点是：

在高温下长时间运行会影响其陶瓷纤维的机械强度，同时酸性气体也会有腐蚀。

在高温、高压下保持除尘器良好运行，还需进一步研究。

日本朝日玻璃公司生产的均质β-堇青石（MgO、Al2O3和SiO2的化合物晶体）管状多孔陶瓷过滤器，内径140mm，壁厚15mm，安装长度近3m（3根1m长的管接在一起，接头用陶瓷胶密封）。

多孔陶瓷过滤管孔径为40～60μm，耐1000℃高温，抗热冲击性较好，除尘效率可达99.9%以上。

如图3所示，除尘器内有3个垂直分布的过滤室，1个灰斗和反脉冲喷吹管道。

管状过滤单元靠花板固定，花板把除尘器分成几个过滤室。

过滤为内滤式，陶瓷管两端敞开。

清灰由外向内逆气脉冲喷吹，但是制作成本较高。

LLB公司开发出的LLB过滤系统，已在德国的Winkler高温气化示范装置和西班牙Puertollano300MWIGCC煤气化装置中安装、运行。

Winkler的过滤系统有578个陶瓷滤棒，Puertollano的过滤系统有两个滤罐，每个滤罐配有1036个陶瓷滤棒。

西屋公司开发的多级过滤系统在美国多个地区进行中试或示范，其中在美国俄亥俄州Brilliant70MWTiddPFBC示范装置过滤系统有384个滤棒，从1992年运行到1996年。

高温陶瓷过滤除尘技术主要应用在如整体煤气化联合循环（IGCC）发电系统的高温煤气净化、石油催化裂解装置中高温气体的过滤，以及催化剂的回收、汽车尾气净化、焚烧炉的高温废气净化等行业，但在燃煤电厂高温烟气除尘领域还没有应用。

（7）高温多孔金属过滤材料。

金属多孔材料从结构形式看主要有金属烧结丝网、金属纤维毡和烧结金属等［19］。

金属材料良好的塑性使之可拉拔成金属细丝或纤维，并进一步编织成网或铺制成毡。

多层复合金属丝网具有很高的整体强度和刚性，空隙分布均匀，再生性好，过滤元件寿命长。

金属纤维毡有很高的空隙率，因此透气性好，并具有很高的过滤精度。

烧结金属是依靠熔融金属雾化制粉后压制成型或烧结而得。

烧结金属可制成各种复杂形状，并具有较高的过滤精度。

高温多孔金属过滤材料多是金属纤维毡和烧结金属。

多孔金属过滤材料最大优势在于良好的耐高温性和优良的机械性能，并且它良好的韧性和导热性使其具有很好的抗热、抗震性。

此外，多孔金属过滤材料还具有良好的加工性能和焊接性能［20］。

金属多孔过滤除尘目前还存在一定的问题：

金属过滤材料一般在高温下会出现随着温度增加造成强度下降的现象，出现氧化、腐蚀等现象，造成内部孔隙堵塞。

因此，在使用过程中存在着最高温度的限制［21］。

但是，随着新型金属原材料的开发，目前金属多孔材料在高温条件下的强度性能也有较大的提高，比如FeCrAl、FeAl金属间化合物等具有优良的抗氧化和耐腐蚀能力，它们在600～800℃条件下工作6000h以上，仍保持完好。

Hastele110Y合金、Hayhes230、310S等材料可在800℃氧化环境下正常工作，在1000℃以上的高温时，其耐腐蚀性能与高温陶瓷材料才有较大差距［22］。

目前，国际上知名的金属过滤材料制造商有Pall公司（S-SeriesPSS系列产品）、Mott公司（Hastelloy○、Inconel○600、Nickel200和Monel400产品），以及porvair公司（SinterfloP系列产品）等。

国内的安泰科技股份有限公司、西安宝德公司等企业都形成了烧结粉末多孔材料批量化生产能力，成都易态科技有限公司也开发出拥有自主知识产权的铝系金属间化合物的高密度金属滤料。

未来金属多孔材料材质研究的发展趋势是复合化，复合化是实现功能多样化的途径之一。

包括金属-合金复合多孔材料、金属-陶瓷复合多孔材料、金属-有机物复合多孔材料等。

比如美国PALL公司开发了金属-有机物复合多孔材料，解决了特定环境下气-液、液-液分离的需求。

我国是以燃煤发电为主的能源结构，各个燃煤电厂现有的烟气除尘方式都为传统方式，即烟气首先经过降温再除尘，烟气热量没有得到有效的回收利用。

同时各个电厂对小颗粒粉尘去除率低，造成大气污染的同时，还对后续脱硝过程中的催化剂和空预器有很大的危害，提高了烟气净化成本。

因此，更加高效环保的高温高尘烟气除尘技术显得尤其重要。

在未来发展中，开发以高温陶瓷材料和多孔金属材料为核心的高效过滤元件，并对目前常规高温除尘技术进行有机的整合，将是实现我国燃煤电厂高温除尘技术的重要发展方向。

找到一条合适的技术路线，实现高温除尘技术的突破，是解决目前燃煤电厂众多SCR系统问题的关键，将有利于电力行业污染治理技术的革命性发展。