燃煤電廠除塵器的應(yīng)用和選擇研究

連 平，朱 林，方愛民，李 謹

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210044;2.國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031)

燃煤電廠除塵器的應(yīng)用和選擇研究

連 平1，朱 林2，方愛民2，李 謹2

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210044;2.國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031)

0 引言

我國的能源結(jié)構(gòu)決定了燃煤電廠在電力行業(yè)中的中堅地位。據(jù)統(tǒng)計，截至2008年底，我國發(fā)電裝機容量達7.925億kW，其中火電為6.013億kW，約占總?cè)萘康?5.87%［1］。由于火電廠煤燃燒產(chǎn)生的煙塵所造成的煤煙型污染已成為了我國大氣污染的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計，2007年我國火電廠煙塵排放總量達297萬t［1］。煙塵的大量排放不僅會損害空氣質(zhì)量和人體健康，并且還會在一定程度上造成貴重材料的流失，成為制約我國經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要因素。

在除塵技術(shù)的發(fā)展過程中，電除塵器因其良好的可操作性，可靠的除塵效果及穩(wěn)定的運行表現(xiàn)得到了推廣和應(yīng)用。截至1999年底，我國燃煤電廠使用的除塵器中電除塵器占79.98%，實測除塵效率平均為98.22%［2］。但隨著《火電廠大氣污染物排放標準》(征求意見稿)的提出，燃煤電廠的煙塵排放濃度被限制在30mg/m3以下，這對于我國燃煤電廠中現(xiàn)有的傳統(tǒng)電除塵器無疑是巨大的挑戰(zhàn)，大量老機組電除塵器的改造迫在眉睫。因此，在新的形勢下，對于需要改造的老機組和新建機組，如何根據(jù)自身特點和實際選擇適合的除塵設(shè)備和工藝，將是各個電廠必須面對和考慮的問題。

1 電除塵器

1.1 電除塵器的原理和特點

電除塵器采用高壓靜電除塵原理，其除塵過程可分為氣體電離、粉塵荷電、荷電粒子的捕集、極線極板的清灰四個部分。其主要過程為:在高壓電場的作用下，放電區(qū)的氣體發(fā)生電離形成大量的正負離子，含塵氣體進入電除塵器后，與帶電離子發(fā)生碰撞從而荷電，荷電后的煙塵粒子在電場力的作用下流向陽極板和陰極線，并在極線和極板上聚集，通過機械振打?qū)⒎蹓m從極板極線上震入灰斗中，通過輸灰系統(tǒng)送至儲灰場做進一步處理。

截至2008年底，我國大多數(shù)燃煤電廠的除塵設(shè)備依然是傳統(tǒng)的電除塵器，但相當一部分電廠的煙塵排放濃度難以滿足排放標準的要求。調(diào)查顯示，以《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2003)為基準，對我國投產(chǎn)1至3個月的燃煤電廠電除塵器的排放濃度進行監(jiān)測，達到排放標準的只占30.4%，未達標排放的占 69.6%［3］。究其原因，主要有以下幾個方面:電除塵器對煤種及粉塵條件的變化較為敏感，煤的含硫量、灰分含量、飛灰比電阻及飛灰金屬含量等都會都電除塵器的除塵效果產(chǎn)生較大影響［4－7］;一般來說，在同等煙氣量下，收塵極板面積越大，除塵效率越高，但出于成本控制的考慮和設(shè)計理念的原因，在相同的排放要求下，相比于歐美等國，我國燃煤電廠電除塵器的設(shè)計比集塵面積一般偏小，導(dǎo)致我國電除塵器效率相對較低、抗煤種變化能力較差;電除塵器的除塵機理決定了其對PM10等微細粉塵粒子捕集能力的先天不足，因此其除塵效率在一定程度上取決于煙塵中微細粒子的比例［8］。若微細粒子的含量較大則其達標排放存在一定的難度。

1.2 新型電除塵器的應(yīng)用

1.2.1 移動電極電除塵器的應(yīng)用

圖1 移動電極電除塵器(MEEP)構(gòu)造示意

移動電極電除塵器是由日立公司研制的，截至2008年，已有57臺成功運行的案例，最大應(yīng)用機組為1000MW［9］。移動電極電除塵器與普通電除塵器的區(qū)別在于其收塵極是可移動的，并由若干分離開的條狀板材通過鏈條聯(lián)接而成，在極板的上部和下部設(shè)有鏈輪，通過驅(qū)動鏈輪，使收塵極板在上下鏈輪間往復(fù)移動，移動速度 0.1 ～1.5m/min［10］。在收塵極板移動到主氣流下方的灰斗區(qū)域時，由旋轉(zhuǎn)電刷將粉塵清理下來落入灰斗中。由于清灰位置無主氣流通過，不會引起二次揚塵，且可以提高高比電阻粉塵的捕集率，避免反電暈。

2006年常州廣源熱電廠2臺75t/h循環(huán)流化床鍋爐(相當于2×7MW機組)引進該技術(shù)，電除塵器采用單室三電場設(shè)計，其前兩個電場為固定極板，第三電場為移動極板。移動電極電除塵器出口濃度僅為21mg/m3，完全達到排放要求。

1.2.2 高頻電源電除塵器的應(yīng)用

高頻電源電除塵器是近年來發(fā)展的一種新型高效除塵技術(shù)。瑞典ALSTOM公司已生產(chǎn)銷售高頻電源 2000 余套，最大規(guī)格為 120kV/1.2A［4，10］。與傳統(tǒng)工頻電源相比，其主要具有以下優(yōu)勢:高頻電源運行平均電壓為工頻電源的1.3倍，運行電流為工頻電源的2倍，有利于提高除塵效率;對于高比電阻煙塵，高頻電源采用類似脈沖的“間歇供電”，利于抑制反電暈;電源轉(zhuǎn)換效率高，體積小，性價比高。

2 袋式除塵器

2.1 袋式除塵器的原理和特點

袋式除塵器是一種依靠過濾材料來實現(xiàn)分離含塵氣體中粉塵的收塵裝置，其主要過濾機理包括截留、慣性沉降、擴散沉降、重力沉降及靜電沉降幾個方面。含塵氣流進入袋式除塵器后，在濾料的作用下完成對煙塵粒子的捕集，而附著在濾料上的灰層在積累到一定的程度后可以通過清灰控制系統(tǒng)進行清除，從而實現(xiàn)含塵氣流的凈化。與電除塵器相比，袋式除塵器主要有以下優(yōu)點:對煤種和粉塵特性的適應(yīng)性強;對不同粒度的粉塵均有較高的捕集率;可同時脫除多種有害氣體。袋式除塵器不僅可實現(xiàn)對粉塵的控制，而且對燃煤排放有害氣體(如SO2、重金屬和VOCs等)有一定脫除效果［11］。

2.2 袋式除塵器的發(fā)展和應(yīng)用

袋式除塵器在發(fā)達國家起步較早，應(yīng)用較廣泛。截至2004年，澳大利亞燃煤電廠中袋式除塵器占有率達80%以上［12］。我國燃煤電廠袋式除塵器研究起源于20世紀80年代，在經(jīng)歷了短暫的失敗后［13－15］，近年又重新應(yīng)用起來。2001 年，內(nèi)蒙古豐泰發(fā)電公司2×200MW機組將原有電除塵器改造為袋式除塵器，這也是我國第一臺成功投運的大型燃煤機組袋式除塵器［16－18］。據(jù)統(tǒng)計［19－21］，截至2008年底，我國燃煤電廠中袋式除塵器已經(jīng)較多地應(yīng)用于新建的200MW和300MW機組上，而幾臺600MW機組袋式除塵器也已投入運行。

河南焦作電廠于2002年將廠內(nèi)4號爐220MW機組原三電場電除塵器改造為袋式除塵器［19，22］。該廠主要煙氣參數(shù)為［19，22］:煙氣量 1600000m3/h，排煙最高溫度165℃，灰分平均含量為20.41%，灰分成分分析顯示SiO2含量占46.799%，Al2O3含量占32.464%，飛灰粒度分布顯示PM2.5含量超過40%。改造前電除塵器出口濃度在500mg/m3以上，改造后出口濃度能夠保持在30mg/m3以下，效果良好。近些年來袋式除塵器在我國燃煤電廠的應(yīng)用越來越多，并取得了一些成功運行的經(jīng)驗。隨著煙塵排放標準的不斷嚴格，以及國內(nèi)對于袋式除塵技術(shù)研究的不斷深入，袋式除塵器必將在燃煤電廠得到更廣泛的應(yīng)用，袋式除塵器也將逐漸成為我國新建燃煤電廠煙塵治理的首選工藝。

3 電袋復(fù)合除塵器

3.1 電袋復(fù)合除塵器的原理和特點

電袋復(fù)合除塵器是一種綜合了靜電除塵和布袋除塵兩種除塵理論而提出的一種新型除塵技術(shù)［23］，按其結(jié)構(gòu)不同主要可以分為串聯(lián)式和嵌入式兩類，目前國內(nèi)外研究較多的主要是串聯(lián)式。其除塵原理為:采用常規(guī)電除塵器的第一電場作為前級處理單元，處理煙氣中70% ～80%的粗顆粒，再利用后級的袋式除塵單元處理余下的10%～20%左右的細顆粒，實現(xiàn)了顆粒的分級捕集。且結(jié)合了電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點，電除塵單元起到了粉塵預(yù)收集和預(yù)荷電的作用，同時減輕了后級袋式除塵單元的負擔，不僅起到了保護布袋的作用，也在一定程度上降低了系統(tǒng)阻力［24］，而后級的袋式除塵單元則可以充分發(fā)揮其對微細粒子收集效率高和對粉塵性質(zhì)適應(yīng)能力強的特點，輕松完成對剩余部分煙塵的捕集。電袋復(fù)合除塵器通常除塵效率極高，可以達到99.9%以上，出口濃度能夠保持在30mg/m3以下，是一種新型、高效的煙塵處理工藝。

3.2 串聯(lián)式電袋復(fù)合除塵器的應(yīng)用

我國對于電袋復(fù)合除塵器的研究和應(yīng)用起步較晚，僅對荷電后的粉塵影響布袋捕集效率的關(guān)系進行研究［25］。2004年，電袋復(fù)合除塵器第一次應(yīng)用到了燃煤電廠的改造工程中［23］，目前在火電行業(yè)中，最大的應(yīng)用機組已達到600MW。

寧夏大壩發(fā)電有限責(zé)任公司3號爐機組容量為300MW，原配套除塵器為2臺雙室三電場電除塵器［26］，但在運行多年后，由于煤種變化、設(shè)備老化及本體漏風(fēng)嚴重等問題導(dǎo)致電除塵器腐蝕、磨損嚴重，除塵效率降低，出口煙塵濃度高達705mg/m3。在對幾種改造方案進行技術(shù)和經(jīng)濟分析后決定保留原有電除塵器一電場，將二、三電場改為袋式除塵區(qū)，組成串聯(lián)式電袋復(fù)合除塵器。改造完成后實測出口煙氣濃度降低到了22.2mg/m3，且除塵器阻力特性良好，運行穩(wěn)定可靠。

3.3 嵌入式電袋復(fù)合除塵器的應(yīng)用

圖2 嵌入式電袋復(fù)合除塵器示意

嵌入式電袋復(fù)合除塵器是電袋復(fù)合除塵技術(shù)的最新研究成果，美國北達科他大學(xué)的能源與環(huán)境研究中心(EERC)在這方面做了大量的研究工作。這種先進的除塵工藝是將電除塵與袋式除塵技術(shù)緊密結(jié)合，在電除塵中嵌入濾袋，在放電極和濾袋之間布置多孔板作為收塵極，既起到有效收塵的目的，又能防止濾袋受到放電極的電損傷。而在濾袋清灰時，飛灰又能及時地被電區(qū)的極線和極板捕集，避免了二次揚塵問題，從而達到高效除塵的目的。

1999年，EERC開始對這種除塵技術(shù)進行中試試驗，從2002年10月起將該技術(shù)應(yīng)用到了意大利某水泥廠和美國南達科他州某發(fā)電廠，運行結(jié)果顯示，總顆粒物的質(zhì)量濃度由入口處的5362mg/m3降低至0.21mg/m3，除塵效率達到99.996%。運行時過濾風(fēng)速可達3.0m/min以上，是一般脈沖袋式除塵器的3倍左右。因此嵌入式電袋復(fù)合除塵器的結(jié)構(gòu)較一般袋式除塵器更加緊湊，并且可以大大減少濾袋數(shù)量，達到降低成本的目的。

我國目前對嵌入式電袋復(fù)合除塵器的研究尚處于起步階段。徐慶等人［27］對嵌入式電袋復(fù)合除塵技術(shù)的開發(fā)與工程化設(shè)計進行了一系列的研究，許秦坤等人［28］提出了一種新穎的嵌入式電袋復(fù)合除塵器結(jié)構(gòu)，但這些研究大多只停留在理論和實驗研究層面，目前尚沒有實際運行的案例。

4 結(jié)語

(1)隨著煙塵排放標準的日趨嚴格，傳統(tǒng)電除塵器已經(jīng)越來越難滿足標準的要求，大量燃煤電廠面臨著除塵器改造的問題。但由于電除塵器自身除塵機理及改造場地的限制，加寬加高電除塵器使除塵器擴容的改造方法并不能從根本上解決問題，因此不推薦采用該方案。只有煤種和粉塵條件穩(wěn)定，飛灰性質(zhì)適合電除塵器的電廠可考慮擴容。

(2)對于需要進行電除塵器改造的燃煤電廠來說，采用移動電極或高頻電源等新技術(shù)是比較好的選擇。這類改造動作小，投資省，工期短，但并不能克服電除塵器除塵機理上抗煤種波動能力差及對微細粒子捕集能力弱的缺陷，并且在國內(nèi)沒有太多的應(yīng)用實例，尚缺少一定的運行經(jīng)驗和說服力。因此，對于機組容量不大，煤質(zhì)條件較好，排放濃度超出標準不多的電廠可考慮選用。

(3)對于排放超標嚴重的電廠，建議在保留原電除塵器外殼的條件下，將電除塵器改為袋式除塵器或串聯(lián)式電袋復(fù)合除塵器。就改造費用來說，電袋復(fù)合除塵器相對袋式除塵器具有一定的優(yōu)勢，并且在保證濾袋壽命的前提下，前者的運行費用也相對較少［26］。但從以往的改造實例來看，電區(qū)和袋區(qū)的結(jié)合處氣流分布措施處理不當及濾料選用不合適容易造成電袋復(fù)合除塵器的濾袋壽命低于袋式除塵器，造成了費用的增加［2，29］。因此電廠應(yīng)該根據(jù)自身條件分析確定改造方案，在可以保證濾袋壽命的前提下，建議優(yōu)先考慮電袋復(fù)合除塵器。

(4)對于新建電廠來說，電除塵器、袋式除塵器及電袋復(fù)合除塵器都是可以考慮的選擇。但由于電除塵器除塵效率受限制因素較多且不穩(wěn)定，而電袋復(fù)合除塵器工藝相對復(fù)雜，可能給設(shè)計工作及日后的運行維護管理帶來不必要的麻煩，因此建議優(yōu)先考慮袋式除塵器。

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Study on application and selection of dust collector in coal－fired power plant

對目前我國燃煤電廠中使用較多的幾種除塵器——電除塵器、袋式除塵器及電袋復(fù)合除塵器的原理、發(fā)展及應(yīng)用進行了介紹和闡述，并結(jié)合幾種除塵器的特點和國內(nèi)外運行實例，就我國燃煤電廠除塵器的選擇提出了建議。關(guān)鍵詞:燃煤電廠;除塵器;應(yīng)用;工藝選擇

The mechanism，development and application of electrostatic precipitator，fabric bag filter and compact hybrid particulate collector which were most widely used in China＇s coal－ fired power plant were discussed.Then combined of their different characteristics and operating situation in and abroad，suggestions of coal－ fired power plant＇s dust collector selection were given.

coal－fired power plant;dust collector;application;technology selection

X701.2

B

1674－8069(2011)02－018－04

2010-12-03;

2011-02-13

連 平(1985-)，男，山東威海人，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境污染控制機理與技術(shù)。E－mail:lp－8891@163.com