超低排放改造煙氣治理高效除塵技術(shù)

林歡

（永清環(huán)保股份有限公司，長(zhǎng)沙 410330）

引言

2014年9月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020年）》，要求我國(guó)東部地區(qū)11省新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃機(jī)排放限值，即粉塵≤10mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。中部地區(qū)原則上接近或達(dá)到燃機(jī)排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)接近或達(dá)到燃機(jī)排放限值。同時(shí)，穩(wěn)步推進(jìn)東部地區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃機(jī)排放限值的環(huán)保改造[1]。2015年3月，十二屆全國(guó)人大三次會(huì)議《政府工作報(bào)告》指出： 深入實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，推動(dòng)燃煤電廠超低排放改造。2015年12月2日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，在2020年前，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放。燃煤電廠積極開展超低排放改造。

目前，燃煤機(jī)組采用的煙氣處理系統(tǒng)主要有：靜電除塵器+濕法脫硫、靜電除塵器+半干法脫硫+袋式除塵器（或電袋除塵器）等[2]。常用的除塵器改造有電改袋式除塵器技術(shù)、低低溫電除塵器技術(shù)、高頻電源技術(shù)、常規(guī)電場(chǎng)擴(kuò)容及優(yōu)化技術(shù)、改造電袋除塵器等方法[3、4]，單獨(dú)改造煙塵排放濃度都很難實(shí)現(xiàn)小于10mg/Nm3。濕法脫硫后加裝濕式靜電除塵器，可以同時(shí)解決脫硫后煙氣中的微細(xì)粉塵、酸性霧滴、重金屬顆粒、“石膏雨”、SO3氣溶膠等問題。因此，濕式靜電除塵器為燃煤機(jī)組超低排放提供了可靠的技術(shù)路線。

某鋼鐵廠為響應(yīng)提高煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的號(hào)召，對(duì)現(xiàn)有2×300MW機(jī)組進(jìn)行了煙氣超低排放改造。針對(duì)該發(fā)電機(jī)組改造后粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的要求，對(duì)其原有干式除塵器進(jìn)行電源升級(jí)，二級(jí)吸收塔后加裝濕式靜電除塵器，保證出口煙氣達(dá)到超低排放的要求。

1 改造前除塵情況

某鋼鐵廠2×300MW發(fā)電機(jī)組同步建設(shè)SCR脫硝工藝、雙室五電場(chǎng)靜電除塵器和濕式石灰石/石膏法脫硫工藝（一爐一塔），除塵效率大于99.86%。并于2010年12月底投入運(yùn)營(yíng)。2013年、2014年分別對(duì)2#和1#機(jī)組進(jìn)行了低氮燃燒器改造及其除霧器屋脊式改造，煙氣脫硫入口煙氣參數(shù)如表1所示，改造后運(yùn)行指標(biāo)：NOx≤100mg/Nm3，粉塵出口濃度≤50mg/Nm3。SO2排放濃度≤169mg/Nm3，脫硫效率≥96.5%。四年多的運(yùn)行，機(jī)組效率明顯降低，整體性能有所下降，該廠對(duì)兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了改造。

表1 煙氣脫硫入口煙氣參數(shù)

2 改造目標(biāo)

改造后的煙氣污染物排放濃度達(dá)到或優(yōu)于現(xiàn)有燃用天然氣機(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)，即濕式電除塵入口含塵濃度按照50mg/Nm3（標(biāo)、濕、實(shí)際氧），粉塵排放濃度≤5mg/Nm3。

3 除塵改造技術(shù)分析

針對(duì)超低排放，目前國(guó)內(nèi)除塵改造技術(shù)主要有電袋復(fù)合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器。

3.1 電袋復(fù)合除塵器

電袋復(fù)合除塵器是將電除塵器和袋式除塵器結(jié)合起來的除塵技術(shù)，目前主要應(yīng)用于水泥、火電行業(yè)。電袋復(fù)合除塵器是利用除塵指數(shù)規(guī)律變化。應(yīng)用比較多的是“前電后袋”形式，電除塵器作為一級(jí)除塵，利用電場(chǎng)作用收集80%左右的粗顆粒粉塵。剩余的細(xì)微顆粒被荷電后，在電荷異性相吸的作用下組成大粉塵團(tuán)，袋式除塵作為二級(jí)除塵，過濾收集剩余20%左右的粉塵，從而增加細(xì)微粉塵的吸附，提高除塵效率，達(dá)到超低排放。電袋復(fù)合除塵器結(jié)合了電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點(diǎn)：能去除0.01～1μm的氣溶膠細(xì)微粒子；不受粉塵比電阻的影響；工作負(fù)荷低、過濾阻力??；可減少清灰頻率，延長(zhǎng)濾袋的使用壽命。但是高溫高濕度的煙氣環(huán)境，電袋復(fù)合除塵器會(huì)出現(xiàn)結(jié)露和腐蝕。電暈放電會(huì)影響布袋壽命。電袋復(fù)合除塵器裝置復(fù)雜，后期維護(hù)費(fèi)用增加。

3.2 高頻電源改造

2014年，環(huán)境保護(hù)部《關(guān)于發(fā)布2014年國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)目錄（工業(yè)煙氣治理領(lǐng)域）的公告》中指出：與傳統(tǒng)工頻電源相比，采用高頻電源后，粉塵排放減少10%以上，節(jié)電20%～40%[5]。根據(jù)除塵器效率多依奇公式可知，粉塵的驅(qū)進(jìn)速度與除塵效率成正比。粉塵粒徑的大小、粉塵比電阻、電場(chǎng)強(qiáng)度、煙氣粘度都會(huì)影響帶電粉塵在電場(chǎng)中的驅(qū)進(jìn)速度。電場(chǎng)的電壓越高，電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，除塵效率越高。與工頻電源（50Hz）相比，高頻電源的頻率是工頻電源頻率的800倍，可達(dá)到40kHz，輸出直流電壓要高出30%左右。可以提高電除塵器電場(chǎng)供電電壓和電流，提高除塵器的除塵效率。

3.3 低低溫電除塵器

低低溫?zé)煔馓幚砑夹g(shù)是在鍋爐空預(yù)器后設(shè)置MGGH（熱媒水熱量回收系統(tǒng)），使進(jìn)入除塵器入口的溫度由原來的130℃～150℃降至90℃左右[6]。由于煙氣溫度低于酸露點(diǎn)溫度，在MGGH或低溫省煤器中氣態(tài)SO3冷凝形成硫酸霧，被粉塵顆粒所吸附。除塵器在收集粉塵的同時(shí)，也協(xié)同去除了煙氣中的SO3。低低溫電除塵器的優(yōu)勢(shì)：可降低粉塵的比電阻，避免“反電暈”現(xiàn)象發(fā)生。能協(xié)同處理煙氣中大部分的SO3。節(jié)約燃料，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤耗為1.0～3.5g/kW·h。可利用余熱，能耗低。但是熱回收器中冷凝形成的SO3會(huì)腐蝕除塵器及下游設(shè)備。

3.4 濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器與干式靜電除塵器的工作原理相近。高壓放電使煙氣電離，使粉塵與霧滴荷電，荷電后的粉塵、酸霧等顆粒物不斷凝聚，在電場(chǎng)作用下，抵達(dá)收塵極。干式除塵器采用振打清灰，振打會(huì)出現(xiàn)二次揚(yáng)塵。濕式靜電除塵器采用收塵極板上形成連續(xù)水膜帶走粉塵與霧滴。不但壓損小、無移動(dòng)部件、極板清潔容易、防止二次揚(yáng)塵，還可以解決高比電阻引起的反電暈現(xiàn)象。對(duì)于濕法脫硫后的硫酸霧、PM2.5、重金屬離子可以協(xié)同處理。布置在濕法脫硫的后端，燃煤鍋爐粉塵排放濃度可≤10mg/Nm3。除塵效率高，被廣泛用于火電、鋼鐵等行業(yè)。

4 改造技術(shù)線路

該期改造工程需要在原廠房區(qū)進(jìn)行，不再另開辟其他場(chǎng)地，場(chǎng)地空間有限。入口粉塵濃度為50mg/Nm3，出口粉塵濃度為5mg/Nm3，工程難度大。項(xiàng)目改造時(shí)間短，工期緊張。根據(jù)除塵器效率多依奇公式：

式中：

μ——設(shè)計(jì)要求除塵效率；

ω——驅(qū)進(jìn)速度，m/s；

A——收塵極計(jì)算集塵面積，m2；

Q——工況處理風(fēng)量，m3/s。

比集塵面積S=A/Q，m2·s/m3。

可知，除塵效率與驅(qū)進(jìn)速度、比集塵面積有關(guān)。提高驅(qū)進(jìn)速度和比集塵面積可提高除塵效率。粒子驅(qū)進(jìn)速度主要取決于電除塵器二次電壓、二次電流、塵/霧的粒徑分布、塵/SO3霧的比電阻、氣體粘度、氣流的分布狀況等。所以改造主要通過高頻電源改造和增加集塵面積來提高除塵效率。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，具體改造路線為：

（1）保留原有電除塵器本體設(shè)備，并對(duì)雙室五電場(chǎng)高壓電源進(jìn)行改造。其中一、二、三電場(chǎng)電源改為高頻電源，四、五電場(chǎng)改為脈沖電源。高頻電源在額定負(fù)載條件下轉(zhuǎn)換效率＞92%。電除塵排塵濃度≤20mg/Nm3。系統(tǒng)節(jié)電率＞40%。

（2）保持原有吸收塔作為一級(jí)吸收塔，新增吸收塔為二級(jí)吸收塔。二級(jí)吸收塔后新增一臺(tái)兩電場(chǎng)的濕式靜電除塵器。濕式靜電除塵器的入口含塵濃度按50mg/Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、濕基、實(shí)際氧），出口含塵濃度按5mg/Nm3，除塵效率按90%設(shè)計(jì)。每臺(tái)除塵器兩電場(chǎng)、四分區(qū)，配置4套高頻電源。改造后技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 改造后技術(shù)路線

5 改造技術(shù)分析

濕式電除塵器采用臥式結(jié)構(gòu)，煙氣水平進(jìn)出。除塵器包含陽(yáng)極集塵系統(tǒng)、陰極放電系統(tǒng)、煙氣導(dǎo)流均布系統(tǒng)、沖洗水深度霧化噴淋系統(tǒng)、高效節(jié)能荷電系統(tǒng)、入口煙道、出口煙道、灰斗、殼體等結(jié)構(gòu)。濕式除塵器結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。除塵器分為兩個(gè)電場(chǎng)，四個(gè)分區(qū)。該項(xiàng)目對(duì)煙氣系統(tǒng)進(jìn)行了CFD計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和流場(chǎng)分析，采用比集塵面積最大化、高效噴淋系統(tǒng)、穩(wěn)定供電方式、節(jié)能環(huán)保型水處理工藝，確保煙氣排放達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

5.1 比集塵面積最大化

根據(jù)設(shè)計(jì)煤種BMCR工況和實(shí)際場(chǎng)地情況進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。為獲得足夠多的集塵面積，濕式除塵器兩電場(chǎng)、四分區(qū)。采用ZD60形式的板式集塵極，放電極采用針刺型陰極線。電場(chǎng)布置圖如圖3所示。陽(yáng)極板采用懸掛式懸掛在殼體的主梁上，陰極線采用夾持式安裝，并通過框架固定，不但可以保證陽(yáng)極板和陰極線不能隨意擺動(dòng)，也解決了空間有限的難題，使通道數(shù)增加，達(dá)到集塵面積的最大化。煙氣流速為2.43m/s，煙氣停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3.8s，有利于粉塵的收集。比集塵面積為25.4m2·s/m3，滿足比集塵面積為不小于25m2·s/m3的要求。

圖2 濕式靜電除塵器結(jié)構(gòu)原理

圖3 濕式靜電除塵器電場(chǎng)布置

5.2 煙氣系統(tǒng)CFD流場(chǎng)分析

原場(chǎng)地空間有限，又新增二級(jí)吸收塔和濕式除塵器，需要對(duì)原有煙道系統(tǒng)進(jìn)行改造。如何設(shè)計(jì)煙道走向和設(shè)備布置，最大程度減少系統(tǒng)阻力尤其重要。根據(jù)煙道布置，利用CFD計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行流場(chǎng)分析，模型按1∶1比例進(jìn)行建模，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)400萬(wàn)以上。電除塵器內(nèi)部采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)處理。通過對(duì)煙道流場(chǎng)優(yōu)化，在煙道內(nèi)設(shè)置五處導(dǎo)流板，在進(jìn)口喇叭內(nèi)設(shè)置氣流均布板。導(dǎo)流板位置如圖4所示。煙氣速度流線圖如圖5所示。整個(gè)煙道系統(tǒng)內(nèi)煙氣流動(dòng)均勻且穩(wěn)定。煙道和除塵器內(nèi)無旋渦產(chǎn)生。濕式除塵器縱截面的速度分布均勻，氣流分布均勻系數(shù)為0.123，滿足除塵器入口煙箱法蘭處丘留均布系數(shù)＜0.13的要求。

圖4 煙道系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的導(dǎo)流板位置

圖5 煙氣系統(tǒng)速度流線圖

5.3 高效穩(wěn)定供電方式

原除塵器改造第一、二、三電場(chǎng)電源改為高頻電源，四、五電場(chǎng)改為脈沖電源。新增濕式除塵器2電場(chǎng)、四分區(qū)均采用高頻電源。改造工程場(chǎng)地空間有限，高頻電源布置在除塵器頂部。高頻電源采用型號(hào)為72kV/2000mA。大功率高頻電源的電能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93%以上。對(duì)于復(fù)雜多變的工況，高頻電源對(duì)鍋爐燃燒物及灰粉適應(yīng)性強(qiáng)，且在恒流或恒壓下運(yùn)行穩(wěn)定?？杀裙ゎl電源降低運(yùn)行電耗70%以上。效率高、電源能耗低、運(yùn)行維護(hù)成本低。高頻電源采用數(shù)字化控制，保證即起即停的同時(shí)，在任意擊穿電壓下也能穩(wěn)定運(yùn)行。高效穩(wěn)定的供電方式為高效除塵提供重要保障。

5.4 節(jié)能水處理系統(tǒng)

濕式除塵器水處理系統(tǒng)由高效噴淋系統(tǒng)+節(jié)能水循環(huán)系統(tǒng)組成。陽(yáng)極板和氣流均布板上方布置噴嘴，噴霧形成水膜后沖洗粉塵，灰水經(jīng)灰斗到達(dá)水箱?；宜谒渲屑訅A中和，達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的灰水作為系統(tǒng)內(nèi)部水循環(huán)利用，含少量懸浮物的水外排到脫硫系統(tǒng)作為脫硫工藝補(bǔ)水，同時(shí)補(bǔ)充等量的工業(yè)用水。不但實(shí)現(xiàn)灰水的循環(huán)利用，還減少了外排灰水的二次污染，節(jié)能且環(huán)保。

5.5 除塵器設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

改造后的濕式靜電除塵器設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 濕式靜電除塵器主要技術(shù)參數(shù)

6 改造后運(yùn)行結(jié)果分析

該項(xiàng)目2×300MW機(jī)組超低排放改造工程2015年12月完成168h調(diào)試后投入使用，設(shè)備運(yùn)行正常。對(duì)濕式除塵器煙氣煙塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表3。從檢測(cè)結(jié)果可知，機(jī)組煙氣系統(tǒng)滿足凈煙氣煙塵排放濃度≤5mg/Nm3，煙塵脫除效率≥90%的要求。濕式除塵器同時(shí)對(duì)SO3、NOx、PM2.5有協(xié)同去除作用。至今設(shè)備已投運(yùn)2年，煙氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足超低排放要求。

表3 濕式靜電除塵器煙氣濃度檢測(cè)結(jié)果

7 結(jié)語(yǔ)

以某鋼鐵廠2×300MW燃煤機(jī)組超低排放改造為例，分析了超低排放中電袋復(fù)合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器四種除塵改造技術(shù)。確定了“對(duì)原有電除塵器電源進(jìn)行改造+二級(jí)吸收塔后新增濕式靜電除塵器”的改造路線。從投運(yùn)運(yùn)行結(jié)果來看，高頻電源改造可以提高除塵效率，濕法脫硫后新增濕式靜電除塵器，可實(shí)現(xiàn)超低排放出口粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的要求，改造路線值得其他除塵改造借鑒。