湿式静电除尘器技术新趋势：从钢铁燃气净化到超低排放与CCS预处理

基于三菱重工机电系统公司在ICESP XIII上的WESP工程实践与新型立式结构研究

关键词
wet electrostatic precipitator, WESP, PM2.5, SO3 mist, GTCC, CCS, 静电除尘器, 湿式静电除尘, 燃煤电厂, 钢铁高炉煤气

湿式静电除尘器（Wet ESP/WESP）正从传统的钢铁、燃煤电厂末端治理设备，逐步演变为连接能源利用效率提升、PM2.5深度控制乃至CCS（二氧化碳捕集与封存）预处理的关键环节。三菱重工机电系统公司（Mitsubishi Heavy Industries Mechatronics Systems, MHI‑MS）的Nagata Chikayuki等人在ICESP XIII会议上，对其超过300台湿式静电除尘器的工程经验进行了系统总结，并首次完整披露了新型立式WESP结构和在CCS场景中的应用构想[6]。

这项研究由Nagata Chikayuki、Suzuki Shiro、Miyake Kazuaki和Tomimatsu Kazutaka联合完成，依托日本三菱重工机电系统公司长期的工业烟气治理实践，重点聚焦两类核心设备：一是应用范围最广的卧式湿式静电除尘器（Horizontal WESP），二是为解决竖向烟道和CCS预处理问题而开发的新型立式湿式静电除尘器（Vertical WESP）。在当前全球严格控制PM2.5、推动碳减排和提高能源利用效率的大背景下，这篇论文实际呈现的是一条“从传统除尘设备向系统型减排单元演化”的技术路线。

从机理上看，湿式静电除尘器与干式静电除尘器（DESP）的核心放电与荷电–迁移–捕集过程基本相同，均依赖高压电场对颗粒物（PM）进行荷电并驱动其向集尘极迁移。最大的差异在于除尘方式：DESP依靠机械振打脱灰，WESP则利用喷淋水形成连续水膜，将捕集在极板上的PM冲洗带走。这一“完全湿润表面”的设计带来几个关键行业优势：无再飞扬、基本不受粉尘比电阻影响、不存在反电晕堵性能衰减、结构中无运动部件且可允许更高烟气流速，因此特别适用于低温、湿烟气的深度净化场景。

在结构形式上，MHI‑MS将WESP分为卧式和立式两大类，其中卧式WESP技术最为成熟。典型卧式WESP沿水平烟气流向布置平板集尘极，间隔安装刚性框架式放电极，配合顶部喷淋系统持续在电场内雾化水，形成均匀水膜。水膜不仅承担粉尘、酸雾的冲刷功能，还通过维持高表面电导率来稳定电场，避免因表面干湿不均导致局部火花放电和腐蚀加剧。论文特别强调：对于高酸度工况，通过控制循环水pH并在末级区段改用一次性清水喷淋，可有效降低携带液中盐类与PM排放的叠加影响，同时保证设备寿命与出口颗粒物浓度。

在研究方法上，论文并未采用单一的实验室物理模拟，而是以长期工程运行数据为基础，辅以颗粒粒径分布、空间电荷特性和腐蚀环境的定量评估。作者通过对锅炉尾气SO3酸雾进行DMA（Differential Mobility Analyzer）实测，给出了典型工况下SO3酸雾粒径集中在0.1–1 μm的“亚微米”区间，质量中值粒径约0.075 μm、数量中值约0.3 μm，这部分颗粒完全属于PM2.5[4]。论文指出，当烟气中细粒子比重较大时，单位时间进入电场的总比表面积显著上升，导致空间电荷效应显著增强，从而抑制电晕放电、降低击穿电压，进而直接压缩WESP的有效工作电场范围。这一结果直接指向工程设计中的关键控制量——气速：在细颗粒、湿烟气工况下，必须通过降低电场气速来削弱空间电荷，但这又将推高设备体积和投资成本，因此需要在性能与成本之间寻找最优平衡点。

在工业应用方面，MHI‑MS的卧式WESP在钢铁行业和电力行业的应用数据尤具代表性。钢铁行业中，一个极具特色的应用是将卧式WESP布置在高炉煤气（BFG）–燃气轮机联合循环发电（GTCC）的燃料线上，而非传统排放烟道中。BFG热值低但量大，以往常被简单放散。通过GTCC燃用BFG可以显著提升能效，但前提是必须将燃气中的Fe2O3细尘由5–10 mg/Nm³降至1 mg/Nm³以下，以保护燃气压缩机和透平叶片免受冲蚀[6]。论文统计了自1965年以来至少44台（含在建）的BFG燃料线WESP工程案例，单台处理风量从6.1万到59.5万Nm³/h不等，且大量项目位于日本、中国、韩国和欧洲钢厂。这类系统通常运行于30–35 ℃近饱和条件下，要求设备本体严密防爆，启动和停机阶段必须通过氮气置换和空气回充，整套工艺集成了氮气与空气就地吹扫、旁通放散（bleeder）以及承受数百至超过2000 mmH₂O的内部压力设计，实际已接近“带电除尘压力容器”的工程级别。

在火电与工业锅炉领域，卧式WESP则以“湿法脱硫（FGD）后端精细除尘器”的身份出现。随着美国MATS标准以及中国“十二五”期间20–30 mg/Nm³的颗粒物排放限值提出，传统干式ESP在受制于改造空间、高SO3工况下的酸露点腐蚀和高比电阻粉尘等问题时，其升级空间趋于有限。MHI‑MS的实践路线是：保持锅炉尾端干式ESP与换热器–湿法脱硫系统基本结构不变，在湿法脱硫出口的饱和湿烟气段增设卧式WESP。这一布置带来三重效应：一是进一步降低原生粉尘；二是同步捕集FGD携带液滴和新生成的硫酸雾；三是配合合适材质与内衬设计，将整体出口颗粒物排放控制在1 mg/Nm³以内，使“看不见烟囱白羽和粉尘”在工程上可行[1–3]。论文列举了自1975年以来至少31个卧式WESP在电厂及FCC、烧结机等非锅炉湿FGD后端的商业案例，其中国内典型机组规模达到单台700 MW燃煤机组与近百万Nm³/h的油渣锅炉尾气处理项目。

在材料和防腐策略方面，作者强调了“完全湿润表面”对材料选用的积极影响。通过连续喷淋和保持极板始终处于水膜覆盖状态，可以显著减缓SO3、酸雾工况下的不均匀氧化与点蚀，将主材选用控制在316L级不锈钢即可，机壳则采用碳钢加树脂内衬的组合方案而非全面高镍合金，大幅降低了投资成本。这一思路对当前大量追求“超低排放+长寿命”的湿式电除尘改造项目具有现实参考价值。

针对传统立式WESP存在的“逆流水膜不稳、易拉弧、气速上限低、容量难放大”等共性问题，MHI‑MS在论文中提出了一种具有代表性的结构创新。新型立式WESP采用交替高压系统：在相对设置的正负极板上分别布置交错的凸点，使正极和负极侧同时产生稳定电晕放电，并在两侧集尘。这种“正负双收集”的布极方式提高了单位体积的电场利用率，有利于在有限高度内实现高效率除尘。同时，作者开发了适应竖直烟气流向的间歇喷淋系统：通过周期性水量–时间匹配，既保证极板表面保持必要湿润以控制腐蚀，又避免连续冲刷造成水膜过厚、液气两相严重对流而诱发电场不稳定和频繁放电。

论文给出了几项新型立式WESP的工程化案例，包括真空渣油锅炉和石油炼厂FCC尾气应用，单台处理风量达到32万Nm³/h，部分项目与前级“盐溶液喷淋系统（Salt Solution Spray System）”联用，实现了高SO3工况下SO3雾滴与粉尘的高效协同脱除[7–8]。在这些项目中，立式WESP不仅解决了竖直烟道和场地受限工况下的布置难题，也为后续将湿式静电除尘直接与深度脱硫、SCR出口SO3控制等系统做物理一体化预留了结构基础。

更具前瞻性的一点在于，该立式WESP的应用被直接定位为CO₂捕集装置前的“预处理单元”。当前主流胺法CO₂捕集工艺对SO2、SO3和粉尘极为敏感，酸性成分会导致胺液热稳定性下降和盐性副产物生成，粉尘则容易在吸收–再生循环中积累并诱发行程放大腐蚀与堵塞。论文设想的CCS系统路径是：通过深度FGD（Deep FGD）尽量降低SO2，再由竖流WESP进一步清除SO3雾滴和残余粉尘，为后续胺液吸收创造“接近清洁气”的入口条件。MHI‑MS已经完成了针对这一用途的实验室验证，表明在适当控制气速、电场布置和喷淋频次的前提下，新型立式WESP可在CCS预处理场景中实现稳定、高效运行。这一研究思路对于当前正在规划或升级CCS示范工程的电力和炼化企业而言，提供了一种“电除尘–脱酸雾一体化前处理”的工程化选项。

从行业视角回看这篇2013年的工作，可以发现几个持续影响当下的技术风向：其一，湿式静电除尘器从“单一除尘设备”向“燃气净化与能源梯级利用耦合单元”扩展，以BFG‑GTCC应用为代表；其二，卧式WESP在湿法FGD后端的系统化应用，将PM2.5、硫酸雾和白烟控制统一纳入“可视零排放”工程目标；其三，新型立式WESP为紧凑空间、竖直烟道和CCS预处理提供了可行路径。随着中国超低排放改造的常态化和CCUS的加速布局，这些以工程实证为基础的WESP技术路线，很可能在未来几年继续成为工业烟气治理领域的重要发力方向。

参考文献
[1] Fujishima H, Tsuchiya Y. Application of wet type electrostatic precipitators for utilities’ coal-fired boiler[C]//Joint Conference of Tenth Particulate Control Symposium and Fifth International Conference on Electrostatic Precipitation. Washington, D.C., USA, April 1993.
[2] Fujishima H, Tsuchiya Y. Application of wet type electrostatic precipitator for boiler plants[C]//Sixth International Conference on Electrostatic Precipitation. Budapest, Hungary, June 1996.
[3] Bärnthaler K, Guggenberger W, Kindlhofer W. Design and start-up of a limestone FGD for an oil fired boiler in Werndorf/Austria[C]//The Mega Symposium. Washington, D.C., USA, August 1997.
[4] Fujishima H, Nagata C. Experiences of wet type electrostatic precipitator successfully applied for SO3 removal in boilers using high sulfur content fuel[C]//Ninth International Conference on Electrostatic Precipitation. Kruger Gate, South Africa, May 2004.
[5] Nagata C, Fujitani H, Blythe GM. Wet type electrostatic precipitator successfully applied for SO3 mist removal in boilers using high sulfur content fuel[C]//Combined Power Plant Air Pollutant Mega Symposium. Washington, D.C., USA, August 2004.
[6] Nagata C, Miyake K, Suzuki S. Industrial and advanced applications of wet type electrostatic precipitator technology[C]//11th Chinese National Conference on Electrostatic Precipitation. Zhengzhou, China, October 2005.
[7] Nagata C, Miyake K, Nagasawa H, Noguchi T. Experience of systems to reduce SO3 from flue gas of combusting high sulfur content residual materials in oil refinery[C]//Twelfth International Conference on Electrostatic Precipitation. Nuremberg, Germany, May 2011.
[8] Nagata C, Miyake K, Nagasawa H, Noguchi T. Experience of systems to reduce SO3 from flue gas of combusting high sulfur content residual materials in oil refinery[J]. International Journal of Plasma Environmental Science and Technology, 2011, 5(2).

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