節(jié)能減排：低低溫電除塵技術(shù)“技高一籌”
我國火電廠大氣污染物排放要求的提高，必將促進環(huán)保治理技術(shù)不斷創(chuàng)新和進步。低低溫電除塵技術(shù)是在借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國燃煤電廠實際情況進行創(chuàng)新開發(fā)的一種適合我國國情的環(huán)保治理新技術(shù)和新工藝。
低低溫電除塵技術(shù)將電除塵器入口煙氣溫度降至酸露點溫度以下，在大幅提高除塵效率的同時可以高效捕集SO3，保證燃煤電廠滿足低排放要求，并有效減少PM2.5排放。低低溫電除塵系統(tǒng)采用低溫省煤器時，還可以將回收的熱量加以利用，具有較好的節(jié)能效果。國內(nèi)多個燃煤電廠低低溫電除塵器的成功投運證明，這一技術(shù)可以很好地滿足最嚴格的排放標準要求，具有顯著的經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景。這一新型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，不但擴大了電除塵器的適用范圍，而且為實現(xiàn)節(jié)能減排開辟了一條新路徑。
低低溫電除塵技術(shù)何以值得關(guān)注?
電除塵器具有高效率、低能耗、使用簡單、維護費用低且無二次污染等優(yōu)點，對國內(nèi)大部分煤種具有良好的適應(yīng)性。在國內(nèi)外工業(yè)煙塵治理領(lǐng)域，特別是電力行業(yè)，電除塵一直占據(jù)主導(dǎo)地位，是國際公認的高效除塵設(shè)備，但煤種會影響其除塵性能。面對日益嚴格的排放標準，除了準確識別電除塵器對煤種的除塵難易程度、選取合適的比集塵面積外，合理選擇煙塵治理工藝路線也尤為重要。
低低溫電除塵器是指通過低溫省煤器或熱媒體氣氣換熱裝置(MGGH)將電除塵器入口煙氣溫度降至酸露點溫度以下，最低溫度滿足濕法脫硫系統(tǒng)工藝溫度要求的電除塵器。
1.這一技術(shù)能保持電除塵器的獨特優(yōu)點，大幅提高電除塵器的除塵效率，進一步擴大其適用范圍。
●將電除塵器入口煙氣溫度降低至酸露點溫度以下，使煙氣中大部分SO3冷凝形成硫酸霧，粘附在粉塵表面并被堿性物質(zhì)中和，粉塵特性得到很大改善，比電阻大大降低，從而大幅提高除塵效率。
煙氣溫度對飛灰比電阻影響較大，圖1為燃煤鍋爐飛灰比電阻隨溫度變化的典型曲線？梢，溫度低于100℃時以表面導(dǎo)電為主，溫度高于250℃時以體積導(dǎo)電為主，在100℃～250℃溫度范圍內(nèi)則表面導(dǎo)電與體積導(dǎo)電共同起作用。一般而言，飛灰比電阻在燃煤煙氣溫度為150℃左右時達到最大值，如果從150℃下降至100℃左右，比電阻降幅一般可達一個數(shù)量級以上。
●電除塵器入口煙氣溫度的降低，煙氣量減小，增大了比集塵面積，增加了粉塵在電場的停留時間，從而提高除塵效率。
●電除塵器入口煙氣溫度的降低，使電場擊穿電壓上升，從而提高除塵效率。從以下經(jīng)驗公式可以看出，排煙溫度每降低10℃，電場擊穿電壓將上升3%，從而提高電場強度，增加粉塵荷電量，提高除塵效率。
公式中：U擊—實際擊穿電壓(V)，U0—溫度為T0時的擊穿電壓(V)，Tt=上升溫度(℃)+273(K)，T0=273K。
2.可大幅減少SO3和PM2.5排放。電除塵器入口煙氣溫度降至酸露點溫度以下，氣態(tài)SO3將轉(zhuǎn)化為液態(tài)的硫酸霧。因電除塵器入口含塵濃度很高，粉塵總表面積很大，為硫酸霧凝結(jié)附著提供了良好條件。SO3去除率通？蛇_90%以上，具體與煙氣的灰硫比(D/S)，即煙塵濃度(mg/m3)與硫酸霧濃度(mg/m3)之比有關(guān)。日本研究發(fā)現(xiàn)，當灰硫比大于100時，煙氣中SO3去除率最高可達到95%以上，SO3質(zhì)量濃度將低于3.57mg/m3。
3.對于后續(xù)配套濕法脫硫系統(tǒng)的機組，煙氣溫度降低不但可提高脫硫效率，還可減少濕法脫硫的工藝耗水量并有效緩解石膏雨問題。
4.當?shù)偷蜏仉姵龎m系統(tǒng)采用低溫省煤器降低煙氣溫度時，可節(jié)省煤耗及廠用電消耗。
5.煙氣溫度降低使脫汞的化學(xué)反應(yīng)朝有利方向進行，有效提高了脫汞效率。
6.國外大量工程實踐及國內(nèi)案例證明，低低溫電除塵技術(shù)是實現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能減排的可靠技術(shù)之一。
圖2燃煤電廠煙氣治理島(低低溫電除塵)典型系統(tǒng)布置圖一
圖3燃煤電廠煙氣治理島(低低溫電除塵)典型系統(tǒng)布置圖二
能減少PM2.5排放嗎?
目前，火電廠煙囪出口經(jīng)常出現(xiàn)冒“藍煙”現(xiàn)象，對于燃燒高硫煤和安裝選擇性催化還原脫硝裝置的鍋爐，這種現(xiàn)象尤為明顯。藍煙主要是由煙氣中SO3產(chǎn)生的酸性氣溶膠造成的。酸性氣溶膠的粒徑很小，可長時間飄浮在大氣中，當與其他污染物(如氨、有機蒸氣等)碰撞或被吸附在固體顆粒物表面時，與顆粒物中的堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化，會生成硫酸鹽氣溶膠。其粒徑一般在0.01μm～1μm之間，屬于二次生成的PM2.5，影響大氣能見度，是造成霧霾天氣的“元兇”之一。
濕法脫硫系統(tǒng)雖然對SO3有一定的脫除效果，但由于SO3在吸收塔內(nèi)冷凝成粒徑很小的硫酸氣溶膠，且脫硫漿液對SO2的吸收速率遠大于SO3的吸收速率，導(dǎo)致吸收塔對硫酸氣溶膠的脫除效果不佳。有研究表明，國內(nèi)濕法脫
硫設(shè)備對SO3的脫除效率一般為30%左右，采用低低溫電除塵技術(shù)對SO3的脫除效率最高可達95%以上，可以大幅度降低SO3排放。相關(guān)研究表明，經(jīng)電除塵器和濕法脫硫系統(tǒng)后，PM2.5在總塵中的比例約為50%，低低溫電除塵技術(shù)可大幅提高除塵效率，實現(xiàn)低排放，在大量減少總塵排放的同時也減少了PM2.5排放量？傊偷蜏仉姵龎m技術(shù)通過大幅提高除塵效率，減少了PM2.5排放，并通過脫除大部分SO3，有效減少了大氣中硫酸鹽氣溶膠(二次生成的PM2.5)的生成。
低低溫電除塵技術(shù)的節(jié)能體現(xiàn)在哪里?
低低溫電除塵系統(tǒng)采用低溫省煤器降低煙氣溫度時，還具有很好的節(jié)能效果，回收的熱量可用于加熱鍋爐補給水或汽機冷凝水，提高了鍋爐系統(tǒng)的熱效率，節(jié)約煤炭消耗。
國內(nèi)大部分燃煤火電機組都可采用低低溫電除塵器來大幅提高節(jié)能效果，對實際排煙溫度比設(shè)計排煙溫度高很多的機組效果尤為顯著。以一臺600MW機組配套低低溫電除塵器為例，以煙氣降溫幅度45℃、年發(fā)電利用5800小時(100%THA、75%THA、50%THA三種工況的運行比率分別為20%、60%、20%)計算，則全年節(jié)省的運行成本主要包括：在運營期內(nèi)，按節(jié)約煤耗1.9g/kWh，標煤價按900元/噸進行計算，每年可減少電煤費用655萬元;由于電除塵效率提高，在保效節(jié)能運行模式下可節(jié)省約30%的電除塵電場運行功耗，每年可節(jié)省約40萬元;脫硫吸收塔入口煙溫降至95℃，可節(jié)約脫硫系統(tǒng)的用水量，按每小時節(jié)約36噸水(每降10度節(jié)約8噸水/小時)、水價0.8元/噸計，全年可節(jié)省水費17萬元。以上合計，每年平均可節(jié)省運行成本約712萬元。另外，脫硫輔機耗電也會相應(yīng)下降。盡管在電除塵前端增加了低溫省煤器的阻力，但由于煙氣溫度下降，引風(fēng)機處理風(fēng)量下降，實踐表明還可節(jié)省一定的風(fēng)機電耗。
效果如何?
國外如歐美日等國均有低低溫電除塵技術(shù)的應(yīng)用先例，其中，在日本較為成熟。日本自1997年開始推廣應(yīng)用低低溫電除塵技術(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計，配套機組容量累計已超過1.5萬MW。典型案例包括2003年投運的常陸那珂#1爐1000MW機組低低溫電除塵器，其入口煙氣溫度為92℃，電除塵器出口煙塵濃度小于30mg/m3，脫硫系統(tǒng)出口煙塵濃度小于8mg/m3;2001年、2002年投運的日本中部電力碧南電廠#4、#5爐1000MW機組均采用配套移動電極的低低溫電除塵器，入口煙氣溫度為80℃～90℃，出口煙塵濃度小于30mg/m3，脫硫系統(tǒng)后設(shè)置濕式電除塵器，脫硫系統(tǒng)出口煙塵濃度3mg/m3～5mg/m3;2000年12月投運的橘灣電廠#2爐1050MW機組配套低低溫電除塵器，實際運行溫度為96℃，出口煙塵濃度為3.7mg/m3。
國內(nèi)電除塵廠家從2010年開始逐步加大對低低溫電除塵技術(shù)的研發(fā)力度，正進行有益的探索和嘗試，已有600MW機組投運業(yè)績。典型案例包括：
1.國內(nèi)首臺大機組低低溫電除塵器在福建寧德電廠#4爐600MW機組燃煤鍋爐電除塵器的提效改造工程上取得突破。項目電除塵器原設(shè)計除塵效率99.6%，于2006年投運。由于電廠實際燃燒煤種與設(shè)計煤種偏差較大，造成排煙溫度比原設(shè)計溫度偏高較多，實際除塵效率較設(shè)計效率也有所偏差。總體改造采用“低溫省煤器降低煙氣溫度”及“電除塵機電升級改造”相結(jié)合的技術(shù)方案。經(jīng)測試，電除塵器出口煙塵濃度從原來的60mg/m3下降到20.2mg/m3;SO3脫除率達73.78%以上;在600MW、450MW負荷時，汽機熱耗下分別為52kJ/kWh以上和69kJ/kWh以上;本體實測阻力小于等于350Pa(含第2級換熱器)。
a.低溫省煤器將煙氣溫度降至酸露點溫度以下。針對電廠燃煤煤種情況和煙氣溫度，通過對比電阻測試，在148℃煙溫下比電阻較高(為1011～1012Ω˙cm范圍)，在90～100℃煙溫時對應(yīng)的比電阻值(為108～1010Ω˙cm)比較適宜電除塵高效工作。結(jié)合除塵效率、比電阻與低溫煙氣的性能試驗驗證及實際煙氣酸露點溫度，采用低溫省煤器將煙氣溫度降至酸露點溫度以下。根據(jù)實際場地條件，在電除塵器進口封頭和前置垂直煙道內(nèi)分別設(shè)置一套低溫省煤器，使電除塵器運行溫度由150℃下降到95℃左右。
b.電除塵機電升級改造。對原電除塵器電場氣流分布進行CFD分析與改進設(shè)計，改善電除塵器各室流量分配及氣流分布;電除塵器全面檢查殼體氣密性，加強灰斗保溫措施;考慮到煙溫降低后，進入除塵器的粉塵濃度提高，尤其在第一電場內(nèi)粉塵的停留時間延長及煙塵密度增大，對原電除塵器第一、二電場換用高頻電源;對電除塵器高低壓電控設(shè)備進行數(shù)控技術(shù)改造，并結(jié)合電除塵器控制經(jīng)驗，配套先進的煙溫調(diào)節(jié)與電除塵器減排節(jié)能自適應(yīng)控制系統(tǒng)。
2.上海漕涇發(fā)電有限公司#1爐1000MW機組配套三室四電場電除塵器，于2009年投運，電除塵器實際出口煙塵濃度約為20mg/m3。2012年4月，為進一步提高節(jié)能效果，采用降低排煙溫度的方式實現(xiàn)煙氣余熱綜合利用。通過兩級布置煙氣換熱器的方案，即第一級煙氣換器布置在電除塵器進口煙道內(nèi)，第二級煙氣換熱器布置在脫硫塔進口煙道內(nèi)，利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水系統(tǒng)。通過第一級煙氣換熱器使電除塵器的運行溫度由120℃左右降至96℃左右。2012年6月，經(jīng)測試，低低溫電除塵器出口煙塵濃度為14.05mg/m3。
3.江西新昌電廠#1爐660MW機組電除塵器提效改造，對原雙室四電場電除塵器采用“低溫省煤器降低煙氣溫度”及“電除塵器機電升級改造”相結(jié)合的改造方案，主要在電除塵器前置水平煙道處設(shè)置低溫省煤器，將電除塵器入口煙氣平均溫度降低至95℃;結(jié)合低溫省煤器和電除塵器氣流均布裝置對電除塵器的氣流分布裝置進行改造;將原電除塵器第一、二電場換用高頻電源，電除塵器電控全面升級改造;電除塵器陰陽極全面檢查與適應(yīng)性調(diào)整。初步測試表明，電除塵器出口煙塵濃度10mg/m3。
4.廣東潮州電廠一期600MW機組電除塵器提效改造，對原雙室五電場電除塵器采用“低溫省煤器降低煙氣溫度”及“電除塵器機電升級改造”相結(jié)合的改造方案，主要在電除塵器前置水平煙道處設(shè)置低溫省煤器，將電除塵器入口煙氣平均溫度降低至95℃;結(jié)合低溫省煤器和電除塵器氣流均布裝置對電除塵器的氣流分布裝置進行改造;將原電除塵器第一、二電場換用高頻電源，電除塵器電控全面升級改造;電除塵器陰陽極全面檢查與適應(yīng)性調(diào)整;電除塵器出口煙塵濃度在線監(jiān)測值為15mg/m3～21mg/m3。
5.華能長興電廠“上大壓小”工程2×660MW機組新建項目已確定采用低低溫電除塵技術(shù)，其設(shè)計煤種、校核煤種
1、校核煤種2的電除塵器入口煙氣酸露點溫度分別為103℃、101℃、117℃，要求電除塵器入口煙氣溫度為90℃，除塵器出口煙塵濃度小于等于20mg/m3。浙能臺州第二電廠1000MW新建項目也已確定采用低低溫電除塵技術(shù)，其設(shè)計煤種、校核煤種電除塵器入口煙氣酸露點溫度分別為97℃、98℃，要求電除塵器入口煙氣溫度為85℃，除塵器出口煙塵濃度小于等于15mg/m3。這兩個項目均在實施中。
低低溫電除塵技術(shù)為何既是新技術(shù)，也是新工藝?
我國低低溫電除塵技術(shù)是借鑒和吸收國外低低溫電除塵技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)燃煤電廠實際情況以及工藝，創(chuàng)新開發(fā)的新一代低低溫電除塵技術(shù)，集煙氣余熱利用和電除塵于一體。目前，國內(nèi)使用的低低溫電除塵器主要通過低溫省煤器將煙氣溫度降至酸露點溫度以下，是電除塵技術(shù)和余熱利用技術(shù)的有機結(jié)合，集高效除塵、節(jié)能、節(jié)水于一體。
在工程應(yīng)用中，將低溫省煤器與電除塵器集成優(yōu)化，可保證余熱利用及電除塵的高效運行。通過CFD等技術(shù)手段對低低溫電除塵器的余熱利用與氣流均布裝置進行組合設(shè)計和集成優(yōu)化分析，可將低低溫電除塵器的整機壓力降控制在500Pa以內(nèi)。當燃煤煤質(zhì)、煙溫、負荷等發(fā)生變化時，可充分發(fā)揮低溫省煤器與電除塵器的各自特點并相互配合，實現(xiàn)優(yōu)化運行。通過低溫省煤器，可以動態(tài)調(diào)節(jié)換熱量，與電除塵器相適應(yīng)，實現(xiàn)系統(tǒng)高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠、安全運行，并實現(xiàn)煙塵低排放，滿足國家煙塵排放標準要求。所以說，低低溫電除塵技術(shù)是一項新技術(shù)。
煙氣溫度是影響煙氣性質(zhì)的工況條件之一，從國內(nèi)現(xiàn)役燃煤電廠鍋爐系統(tǒng)工藝流程來看，鍋爐排煙溫度大部分在120℃～170℃，在此溫度范圍內(nèi)粉塵的比電阻較高，影響了電除塵器的除塵性能。而低低溫電除塵技術(shù)從整個鍋爐尾部工藝系統(tǒng)考慮，在電除塵器前端設(shè)置低溫省煤器，采用汽機冷凝水與鍋爐尾部的熱煙氣進行熱交換，使進入電除塵器的煙溫降至酸露點溫度以下，從而改善煙氣工況條件，擴大了電除塵器對煤種的適應(yīng)范圍。這種通過改變原有鍋爐工藝系統(tǒng)的布置，使電除塵器處于最佳工作溫度范圍的狀態(tài)，又稱之為電除塵新工藝。
低低溫電除塵器存在低溫腐蝕嗎?
由于煙氣溫度在低溫省煤器或MGGH中被降低至酸露點溫度以下，大部分SO3在低溫省煤器或MGGH中冷凝。關(guān)于煙氣溫度低于酸露點溫度是否引起腐蝕問題，有日本學(xué)者的研究結(jié)果顯示，合適的電除塵器入口煙塵濃度可以保證SO3凝聚在粉塵表面，不會發(fā)生設(shè)備腐蝕。三菱重工的研究結(jié)果顯示,當灰硫比大于10時，腐蝕率幾乎為零(如圖4所示)，而實際使用的低低溫電除塵器灰硫比遠大于100，已交付的火電廠低低溫電除塵器均沒有腐蝕問題。美國南方電力公司也通過灰硫比來評價腐蝕程度，如圖5所示，當?shù)偷蜏仉姵龎m器采用含硫量為2.5%的燃煤時，灰硫比在50～100可避免腐蝕，當采用含硫量更高的燃煤時，為避免腐蝕，灰硫比應(yīng)大于200。
福建寧德電廠#4爐600MW機組低低溫電除塵器投運半年后，利用電廠停爐機會，對設(shè)備進行了全面檢查，結(jié)果表明，電除塵及下游設(shè)備未見任何腐蝕及磨損異常情況。
國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)對低低溫電除塵器相關(guān)材料的低溫腐蝕測試表明：在運行溫度下，Q235和SPCC兩種材料的耐低溫腐蝕性能都較強，低溫腐蝕級別都達到5級以下;SPCC平均年腐蝕率為0.0412mm/aQ235平均年腐蝕率為0.0537mm/a。
國內(nèi)外低低溫電除塵技術(shù)的應(yīng)用案例表明，只要保證合適的灰硫比，完全可以避免低溫腐蝕問題。
圖4灰硫比(D/S)與腐蝕率的關(guān)系(三菱重工)
圖5美國某項目評價腐蝕方法(南方電力)
低低溫電除塵技術(shù)應(yīng)注意哪些問題?
由于低低溫電除塵器運行溫度處于酸露點溫度以下，粉塵性質(zhì)也發(fā)生了很大改變，由此產(chǎn)生了一些與常規(guī)電除塵器不同的問題，需要引起特別注意。
1.應(yīng)注意煤種變化和高硫煤帶來的不良影響。
燃煤含硫量越高，相對來說煙氣中的SO3濃度越高，其對應(yīng)的酸露點溫度就越高，發(fā)生腐蝕的風(fēng)險增加。特別要注意當鍋爐燃煤的收到基硫的重量百分比高于2%時對低低溫電除塵器的影響。
2.二次揚塵問題需引起高度重視。
由于煙塵性質(zhì)的改變，粉塵附著力降低，振打二次揚塵加劇。因此，低低溫電除塵器末電場宜采用移動電極電除塵技術(shù)或離線振打技術(shù)。前者采用轉(zhuǎn)刷清灰來避免二次揚塵，后者在末電場振打清灰時，阻斷清灰通道的氣流通過，達到控制二次揚塵的目的。
3.電控方式需相應(yīng)調(diào)整。
由于粉塵性質(zhì)發(fā)生了變化，特別是粉塵比電阻發(fā)生了較大變化，因此，電除塵器電控設(shè)備的控制方式和運行參數(shù)均需調(diào)整。電控設(shè)備應(yīng)具有先進的控制策略，運行方式和運行參數(shù)應(yīng)能隨著工況的改變而自動變化，達到既高效除塵又節(jié)能的目的。
4.應(yīng)防止灰斗堵灰。
由于SO3粘附在粉塵上并被堿性物質(zhì)吸收中和，收集下來的灰的流動性變差，因此灰斗卸灰角度需大于常規(guī)設(shè)計。為防止因結(jié)露引起堵塞，不僅需要較好的保溫，還需有大面積的蒸汽加熱或電加熱。
低低溫電除塵技術(shù)適合在我國推廣
低低溫電除塵技術(shù)通過將煙氣溫度降至酸露點溫度以下，在大幅提高除塵效率的同時去除煙氣中大部分SO3，當采用低溫省煤器時，還可實現(xiàn)熱量回收利用，同時達到節(jié)能減排的效果，進一步提高了電除塵器的除塵效率，擴大了電除塵器的適用范圍。目前，低低溫電除塵技術(shù)已得到業(yè)內(nèi)專家和用戶的廣泛關(guān)注，除是否存在低溫腐蝕問題之外，對煙塵排放起重要作用的二次揚塵也是一大關(guān)注點。目前，國內(nèi)廠家已掌握的移動電極電除塵技術(shù)和離線振打技術(shù)均可克服二次揚塵。國內(nèi)廠家已掌握了低低溫電除塵的核心技術(shù)。
隨著我國大氣環(huán)境污染日益嚴峻，在國務(wù)院部署大氣污染防治十條措施、新排放標準要求重點控制地區(qū)要達到特別排放限值和高度重視PM2.5治理的背景下，低低溫電除塵技術(shù)具有突出的優(yōu)勢，可作為環(huán)保型燃煤電廠的首選除塵工藝，也可與其他成熟技術(shù)優(yōu)化組合，適合在我國燃煤電廠中推廣應(yīng)用。
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