超凈電袋復合除塵技術對劣質煤的適應性分析

陳奎續(xù)

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

超凈電袋復合除塵技術對劣質煤的適應性分析

陳奎續(xù)

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

闡述了我國劣質煤發(fā)電在新形勢下的發(fā)展趨勢，分析了劣質煤機組實現(xiàn)煙塵超低排放的技術及工藝路線的研究現(xiàn)狀，針對其存在的問題提出技術經(jīng)濟性更優(yōu)的超凈電袋復合除塵技術路線，并從技術角度全面分析了超凈電袋復合除塵技術對劣質煤機組超低排放的適應性，通過工程案例驗證了該技術在燃燒劣質煤的大型機組上應用的可行性和穩(wěn)定性。

劣質煤；超凈電袋復合除塵技術；超低排放

1 引言

通常，煤的低位發(fā)熱量在4500kcal/kg以下的可視為劣質煤。劣質煤的特征是灰分（Aad）含量高、固定碳含量低、無灰干燥基揮發(fā)分含量高、灰軟化溫度偏低，燃燒時產生煙塵較大、大多數(shù)易結焦。其中，低熱值煤是劣質煤中的典型代表，其是指煤矸石、煤泥、洗中煤等煤炭開采、洗選過程中產生的低熱值資源。由于其發(fā)熱量低，大多被堆棄、填埋處理。大量堆積的低熱值煤不僅會釋放有害氣體，污染環(huán)境，還占用了大量土地資源。因此，必須實現(xiàn)煤炭資源綜合高效利用，促進節(jié)能減排，解決低熱值煤的資源利用問題。目前，低熱值煤發(fā)電作為一個特殊的發(fā)電項目類型，已在山西、內蒙古等地區(qū)作為重點工作推進[1]。

在目前煤電產能過剩、國家嚴控煤電裝機規(guī)模的背景下，常規(guī)煤電項目的增長空間已十分有限，電力企業(yè)投資方向開始逐漸轉移至劣質煤發(fā)電。2015年，山西省發(fā)改委下發(fā)了《山西省低熱值煤發(fā)電“十二五”專項規(guī)劃》。2016年5月，國家發(fā)改委印發(fā)的《關于發(fā)展煤電聯(lián)營的指導意見》提出，要“重點推廣坑口煤電一體化”“繼續(xù)發(fā)展低熱值煤發(fā)電一體化”。因此，在國家和地方政策的大力推動下，低熱值煤發(fā)電將得到新一輪的快速發(fā)展[2]。

2 燃劣質煤機組超低排放技術的現(xiàn)狀

2014年8月，山西省關于推進全省燃煤發(fā)電機組超低排放的實施意見中，提出新建煤電機組排放煙塵濃度需執(zhí)行超低排放標準，包括低熱值煤電廠。2015年12月國家發(fā)改委等部門發(fā)布了《關于印發(fā)全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知，明確要求全國有條件的新建燃煤發(fā)電機組達到超低排放水平，并加快現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組超低排放改造步伐?？煽闯?，超低排放將是我國燃煤電站綠色火電發(fā)展的大方向，煤電行業(yè)已進入超低排放階段[3]。

超低排放技術率先在優(yōu)質煤電廠實施了工程示范。然而，對于劣質煤電廠而言，其燃燒的煤質灰分高、熱值低，要達到煙塵超低排放，難度較大。因此，其煙塵控制技術路線通常采用以濕式電除塵技術為二次除塵的技術路線[4]（見圖1）。但濕式電除塵器在一定程度上會增加環(huán)保投資及用電量，并存在占地面積大、改造周期長、部件易被腐蝕、廢水需二次處理等弊端。另外，如果過分依賴二次除塵，放松對一次除塵的要求，特別是對于高灰分的劣質煤，如果一次除塵設備出口的煙塵濃度過高，不但會直接影響石膏綜合利用價值，還間接影響脫硫效率和設備的使用壽命[5]。

圖1 以濕式電除塵器為基礎的工藝技術路線

因此，我國環(huán)保企業(yè)通過技術創(chuàng)新研發(fā)出超凈電袋復合除塵技術，旨在不加裝濕式電除塵器的前提下，簡化工藝，形成以超凈電袋復合除塵器為基礎且不依賴二次除塵的技術路線（見圖2），實現(xiàn)煙塵的超低排放，解決燃劣質煤電廠煙塵超低排放達標的問題[6、7]，并具有很好的技術及經(jīng)濟性。

圖2 超凈電袋復合除塵器技術路線

3 超凈電袋復合除塵技術對劣質煤的適用性

3.1 技術原理及特點

電袋復合除塵器是將靜電除塵和過濾除塵機理有機結合的復合除塵技術，其充分利用了前級電場收塵效率高和顆粒荷電的特點，大幅度降低了進入濾袋區(qū)煙氣的含塵濃度，降低了濾袋過濾負荷，避免粗顆粒對濾袋沖刷造成磨損，并利用荷電粉塵過濾機理提升了設備的綜合性能[8]。超凈電袋復合除塵器是在常規(guī)電袋復合除塵器的基礎上進一步技術創(chuàng)新、升級發(fā)展而來的，可實現(xiàn)煙塵排放濃度＜5mg/Nm3或10mg/Nm3，也是一種不上濕電而簡化煙氣系統(tǒng)的超低排放工藝技術。其具有長期穩(wěn)定低排放，運行阻力低，濾袋使用壽命長，運行維護費用低，排放濃度不受煤質、工況變化的影響等優(yōu)點。

3.2 超凈電袋復合除塵技術對劣質煤適用性分析

超凈電袋復合除塵器適用于國內大多數(shù)燃煤機組燃用的煤種，特別是高灰分、高硅、高鋁、高比電阻、低鈉的劣質煤種。

3.2.1 電區(qū)捕集效率與荷電能力的提高是保證袋區(qū)超低排放的前提

超凈電袋復合除塵器是由“電區(qū)”和“袋區(qū)”有機復合而成，而袋區(qū)的超低排放，首先與袋區(qū)的入口濃度有關。大量實驗表明，在袋區(qū)入口濃度＜10g/Nm3時，當采用優(yōu)良品質的濾料，氣布比約1m/min時可達到出口排放濃度＜10mg/Nm3的要求。當機組燃用高灰分劣質煤產生高粉塵濃度工況條件時，只要保證超凈電袋電區(qū)的除塵效率，使進入濾袋區(qū)的粉塵濃度處于較低狀態(tài)，與低灰分煤種工況一樣可實現(xiàn)超低排放。因此，超凈電袋可以較好地適應高灰分的劣質煤。

一方面，可根據(jù)粉塵濃度條件并對電區(qū)合理選型。由于要求超凈電袋電區(qū)的除塵效率低于常規(guī)電除塵，電區(qū)對煤種、灰分、粉塵比電阻值等的敏感度同比電除塵低，較容易實現(xiàn)設計的除塵效率。例如：某工程項目燃用較難收塵的煤種，煙塵濃度值高達100g/Nm3，若使用超凈電袋，要使進入濾袋區(qū)的粉塵濃度為10g/Nm3，此時要求電場區(qū)的除塵效率達90%便可，采用2個電場即可滿足。

另一方面根據(jù)煤種、灰分等煙氣工況參數(shù)，進一步優(yōu)化電場性能，根據(jù)多依奇效率和驅進速度經(jīng)驗公式[9]可知，改進兩極結構和保證兩極的供電電壓對提高電區(qū)的捕集效率和粉塵的荷電能力十分重要。超凈電袋的重要技術措施之一是通過改善電區(qū)極配型式，采用高放電性能、高場強的電區(qū)極配型式，提高顆粒荷電以及電場區(qū)除塵效率。如采用高放電性能的芒刺電極能有效增加針端放電性能，增加板電流密度，提高電場強度，增加顆粒的荷電量。

另外，超凈電袋復合除塵器采用前后小分區(qū)供電技術，提高平均工作電壓，顆粒荷電量相應也得到提高，尤其對細顆粒荷電與電凝并發(fā)揮了重要的作用。同時，小分區(qū)供電提高了電區(qū)可靠性，即使其中一個電區(qū)發(fā)生故障，另外一個電場區(qū)仍可以繼續(xù)工作。

3.2.2 細微顆粒聚并技術提高捕集PM2.5的性能

大量的測試數(shù)據(jù)表明，除塵器出口逃逸的粉塵80%以上為粒徑小于2μm的細微粉塵，這些粉塵粒徑小、質量小，極易隨氣流從除塵器中穿透逃逸。因此，要減少排放，關鍵是要提高除塵器捕集細微顆粒物的能力。

顆粒物在電場內的荷電主要有擴散荷電和場致荷電兩種方式。一般而言，大于2μm粒徑的粉塵以場致荷電為主，小于1μm粒徑的粉塵以擴散荷電為主，對于粒徑在1μm左右的細微顆粒物，兩種荷電方式對其作用都不強，所以很難被電區(qū)捕集，使得電除塵器存在一個“逃逸窗口”，從而降低了除塵效率[10]。但細微顆粒物通過電區(qū)時可發(fā)生極化作用，極化的細微顆粒物易于聚并形成大粒徑顆?；蝾w粒鏈（見圖3），超凈電袋除塵器通過電區(qū)的強化作用，增強了細微顆粒物的極化效果，對細微顆粒物凝并長大具有顯著作用，輔之以覆膜濾料或梯度濾料的協(xié)同作用，因而大大增強了電袋復合除塵器對PM2.5的捕集效果。

圖3 細微顆粒聚并形成顆粒鏈

3.2.3 高均勻的流場進一步提高除塵效率并保證排放的穩(wěn)定性

除塵器內部氣流分布優(yōu)劣直接影響電袋復合除塵器的性能。氣流分布對電袋復合除塵器的影響從電區(qū)和袋區(qū)兩部分來討論。電區(qū)氣流不均布將導致粉塵顆粒荷電不均勻，并可能產生二次飛揚，從而降低除塵效率；袋區(qū)氣流不均勻，將導致濾袋長期受到集中氣流沖刷，出現(xiàn)濾袋破損的現(xiàn)象，導致粉塵排放濃度迅速升高[11]。

因此，超凈電袋復合除塵器從電區(qū)、袋區(qū)兩部分的氣流分布著手，保證整體的流場高均勻性，從而進一步提高除塵效率，保證超低排放的穩(wěn)定性：1）從除塵器進口至電場區(qū)保證氣流沿電場斷面均勻分布，使得電場發(fā)揮最佳效果。通過合理設置和調節(jié)進口喇叭內的氣流分布板，達到幾何均方根差σ＜0.2的要求。2）氣流在袋區(qū)的合理分布，達到以下兩個指標：各袋室的流量偏差小于±5%；每個袋室內，各濾袋流量的幾何均方根差σ＜0.2。

3.2.4 袋區(qū)高精過濾濾料的應用是實現(xiàn)超低排放的重要保證

濾袋是決定電袋復合除塵器出口排放值最關鍵的部件，要保證超凈電袋出口排放濃度長期穩(wěn)定＜5mg/Nm3或10mg/Nm3，濾袋的過濾精度至關重要。大量的實驗研究表明：常用工業(yè)濾料中，過濾精度高低依次為PTFE覆膜濾料、超細纖維梯度濾料、普通濾料，其中PTFE覆膜濾料和超細纖維梯度濾料稱為高精過濾濾料。濾料過濾精度越高，電袋實現(xiàn)超低排放就越可靠，適應工況變化能力也越強，而且中長期運行阻力更低更平穩(wěn)。超凈電袋復合除塵器選用PTFE覆膜濾料或超細纖維梯度濾料，可有效實現(xiàn)超低排放。

4 超凈電袋復合除塵器在燃劣質煤大型機組的應用案例

4.1 典型案例一：河南平頂山發(fā)電分公司1號機組超低排放改造工程

4.1.1 機組情況

河南平頂山發(fā)電分公司一期工程建設2×1030MW超超臨界燃煤機組，燃用煤種為山西長治貧煤，煤質分析如表1所示，其灰分較大，高達39.78%，且飛灰中的SiO2和Al2O3含量較高，比電阻較大，是典型的劣質煤。該工程原采用三室五電場靜電除塵器，但煙塵出口排放超標。該電廠于2015年對1號和2號機組采用超凈電袋復合除塵技術進行了超低排放改造，主要技術參數(shù)如表2所示。

表1 煤質分析

4.1.2 運行效果分析

該項目的測試結果見表3。測試表明：各項性能參數(shù)滿足設計要求，除塵器出口及煙囪出口煙塵排放濃度均可滿足超低排放要求。

4.2 典型案例二：國電投河南電力有限公司開封發(fā)電分公司2號機組超低排放改造工程

4.2.1 機組情況

國電投河南電力有限公司開封發(fā)電分公司2號機組容量為630MW，燃用煤種為鄭煤集團的貧煤，煤質分析如表4所示，灰分較大，高達32.17%，且飛灰中的SiO2和Al2O3含量較高，比電阻較大，也是典型的劣質煤。該工程原采用三室四電場靜電除塵器，由于煙塵出口排放不達標，于2015年7月采用了超凈電袋復合除塵技術對原電除塵器進行超低排放改造，主要技術參數(shù)如表5所示。

4.2.2 運行效果分析

該項目測試結果見表6。測試結果表明：各項性能參數(shù)滿足設計要求，除塵器出口及煙囪出口煙塵排放濃度均滿足超低排放要求。

表2 主要技術參數(shù)表

表3 測試結果

表4 煤質分析

表5 主要技術參數(shù)表

表6 測試結果

5 結語

在我國電力發(fā)展方向逐漸轉移至劣質煤發(fā)電以及全面實施超低排放的新形勢下，燃劣質煤機組的超低排放越來越受到業(yè)內關注。超凈電袋復合除塵器不受煤質、飛灰成分變化影響，適用于國內大多數(shù)燃煤機組燃用的煤種，特別是高灰分、高硅、高鋁、高比電阻、低鈉的劣質煤種，并具有除塵效率高、能耗低、改造工期短、系統(tǒng)運行穩(wěn)定等諸多特點，該技術已在河南平頂山發(fā)電分公司1030MW機組和國電投開封發(fā)電分公司630MW機組等大型機組煙塵超低排放改造中成功應用，是燃劣質煤機組實現(xiàn)煙塵超低排放的發(fā)展方向。

[1] 盧彬．低熱值煤發(fā)電逆勢迎機遇[N]．北京：中國能源報，2016-5-19．

[2] 王浩宇，王三平，韓震，等．山西省低熱值燃煤電廠煙塵超低排放工藝技術路線探討[J]． 科技視界，2016（8）： 1-4．

[3] 鄭曉盼，高翔，鄭成航，等．基于燃煤電廠“超低排放”的海水脫硫系統(tǒng)性能評估與建議[J]．環(huán)境保護，2015（7）： 5-9．

[4] 朱法華，等．燃煤電廠超低排放技術重大進展回顧及應用效果分析[J]．環(huán)境保護，2016，44（6）： 59-63．

[5] 祁君田．煙塵濃度對濕法脫硫吸收塔的影響研究[C]．第14屆中國電除塵學術會議論文集，2011-10．

[6] 聶孝峰，李東陽，郭斌．燃煤電廠電袋復合除塵器技術優(yōu)勢[J]．電力科技與環(huán)保，2013，29（1）： 24-27．

[7] 修海明．超凈電袋復合除塵技術實現(xiàn)超低排放[J]．電力科技與環(huán)保，2015（2）： 32-35．

[8] 黃煒，林宏，修海明，等．電袋復合除塵技術的試驗研究[J]．中國環(huán)保產業(yè)，2011（7）： 30-35．

[9] 劉后啟，林宏．電收塵器[M]．中國建筑工業(yè)出版社，1987： 54．

[10] 靳星．靜電除塵器內細顆粒物脫除特性的技術基礎研究[D]．清華大學，2013．

[11] 陳奎續(xù)，等．電袋復合除塵器[M]．中國電力出版社，2015： 118-137．

Adaptability Analysis of Ultra-clean EFIP Technology on Inferior Coal

CHEN Kui-xu
(Fujian Longking Co., Ltd, Fujian Longyan 36400, China)

The paper expounds the development trend of the inferior coal power generation under the new situation in our country, analyzes the inferior coal generating set to realize the technology of ultra-low emission of flue dust and research status of the technical route. Based on the existing problems, the paper puts forward the technical route of the ultra-clean EFIP that is superior technically and economically. At the same time, from a technical point of view, the paper analyzes comprehensively adaptability of the ultra-clean EFIP technology to the ultra-low emissions of the inferior coal generating set. Finally, through the engineering cases, the paper validates the application feasibility and stability of the technology in the large-sized generating set that burns the inferior coals.

inferior coal; ultra-clean EFIP; ultra-low emission

X701

A

1006-5377（2017）04-0028-05

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）課題“燃煤鍋爐煙氣電袋復合細粒子高效捕集技術與示范”（XDB05050100）。