高溫電除塵器在燃煤鍋爐的應(yīng)用探討

趙國欽

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

隨著燃煤發(fā)電機(jī)組環(huán)保要求的逐步提高，在燃煤鍋爐煙氣出口段安裝脫硝催化劑、除塵器、脫硫裝置等；為提高鍋爐的燃燒效率，在煙氣尾段設(shè)置有空氣預(yù)熱器及其他加熱器，以充分回收煙氣中的余熱。但由于環(huán)保政策是逐步推廣實(shí)施，沒有從初始階段就形成整套系統(tǒng)性的環(huán)保要求，造成環(huán)保設(shè)施研發(fā)、運(yùn)行過程中存在很多不可避免的問題，后續(xù)仍然須要投入大量的資金、設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)。目前鍋爐煙氣系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在的主要問題有空預(yù)器堵塞、磨損、脫硝催化劑壽命低等，發(fā)電廠要追加投資開展空預(yù)器防堵、疏通、催化劑定期檢測(cè)、診斷、更換等?？赏ㄟ^對(duì)設(shè)備重新布置來解決煙氣系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行中存在的問題。

1 鍋爐尾部煙氣設(shè)備布置現(xiàn)況

1.1 設(shè)備布置現(xiàn)狀

當(dāng)前燃煤鍋爐環(huán)保系統(tǒng)的主要設(shè)備流程布置方式為：脫硝裝置+空氣預(yù)熱器+煙氣換熱器+除塵器（+低溫加熱器）+脫硫裝置，見圖1。

圖1 鍋爐尾部煙氣設(shè)備布置

由鍋爐尾部煙道來的高溫?zé)煔猓?50～380 ℃）經(jīng)過選擇性催化還原 （Selective Catalytic Reduction，SCR）催化劑進(jìn)行脫硝處理后，進(jìn)入空預(yù)器加熱送風(fēng)，降溫后的煙氣（120～150 ℃）進(jìn)入煙氣換熱器降溫（約100 ℃），再進(jìn)入低溫電除塵器，除塵后的凈煙氣進(jìn)入脫硫系統(tǒng)吸收塔，煙氣溫度降低（50～55 ℃）；再經(jīng)過低溫?fù)Q熱器加熱升溫（80～85 ℃）后經(jīng)煙囪排放。

1.2 存在的問題

1.2.1 脫硝裝置

脫硝裝置的催化劑的主要成分為V2O5、TiO2、WO3等，催化劑在工作時(shí)需要與煙氣充分接觸，就需要增加催化劑與煙氣的接觸面積。

催化劑堵塞、磨蝕。煙氣中攜帶的細(xì)小顆粒飛灰聚集在催化劑的表面和小孔內(nèi)阻礙反應(yīng)物到達(dá)催化劑表面。飛灰中的常見堵塞物為銨鹽和硫酸鈣，硫酸鈣造成催化劑的堵塞、失活。

飛灰對(duì)催化劑本體的磨蝕效應(yīng)。在高溫、高速、高塵煙氣的沖刷下，催化劑頂端硬化段會(huì)逐漸被破壞，局部形成煙氣走廊加速附近催化劑的磨損。磨損一般可以參照管壁最大磨損厚度Ex來表示：

式中：α 為與煤灰磨損特性及管束結(jié)構(gòu)有關(guān)的磨損系數(shù)；kρ、kω為飛灰濃度與煙氣速度場(chǎng)的不均勻系數(shù)；ρ為管束計(jì)算斷面處的飛灰質(zhì)量濃度，g／m3；ω 為管束間最窄截面處的煙氣流速，m／s；kD為鍋爐額定負(fù)荷時(shí)煙速與實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷時(shí)的煙速比值；M 為管材的抗磨系數(shù)；η 為飛灰碰撞管壁的頻率因子；s1為管列部分橫向節(jié)距，m；d 為管徑，m；τ 為鍋爐運(yùn)行時(shí)間，h；R90為飛灰的顆粒細(xì)度。

在α、kρ、kω、ρ、ω、τ、kD、M、s1、d、R90等參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，催化劑的磨損與ρ、η 成正比，可以通過降低ρ、η，降低催化劑的磨損。

催化劑中毒。煙氣的飛灰中攜帶的堿金屬（K、Na）、砷、磷等附著在催化劑的表面，催化劑中Na2O、K2O、CaO、SO3、As2O3含量增加引起催化劑中毒，造成催化劑活性下降［1-2］。

1.2.2 空氣預(yù)熱器

大型燃煤鍋爐的空氣預(yù)熱器一般采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，蓄熱元件多采用波紋板式。

為提高蓄熱元件的蓄熱能力，波紋板的氣流通道一般為非直通式通道；相鄰波紋板之間的縫隙較小，一般在10 mm 左右，煙氣中含有的飛灰在經(jīng)過波紋板時(shí)比較容易產(chǎn)生堆積而堵塞通道。

空氣預(yù)熱器冷端蓄熱元件區(qū)域的煙氣溫度一般為120 ℃左右。在當(dāng)前嚴(yán)格的環(huán)保政策下，煙氣中的NOx排放質(zhì)量濃度要求低于50 mg／m3，需要在SCR催化劑前增加NH3噴射量，造成SCR 催化劑后的氨逃逸容易增加。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)較大的負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，脫硝裝置出口的氨逃逸會(huì)急劇增加。當(dāng)煙氣中的NH3含量較多、溫度低于230 ℃時(shí)，NH3與煙氣中的SO3反應(yīng)生成NH4HSO4，在185 ℃以下成為黏稠狀液體。NH4HSO4粘結(jié)在空氣預(yù)熱器的換熱板片上，吸附煙氣中的飛灰并發(fā)生與之粘結(jié)、板結(jié)、硬化，在換熱板片上產(chǎn)生板結(jié)塊而堵塞空氣預(yù)熱器流道。

1.2.3 靜電除塵器

在當(dāng)前新的環(huán)保政策要求下，常規(guī)靜電除塵器的入口煙氣溫度一般為120～150 ℃，出口粉塵質(zhì)量濃度一般控制在20 mg／m3左右，很難控制在10 mg／m3以下。燃煤機(jī)組多通過降低電除塵入口煙氣溫度以增加粉塵的濕度、降低粉塵的比電阻，提高除塵效率。粉塵濕度與比電阻關(guān)系見圖2。當(dāng)煙氣的溫度控制較低時(shí)，很容易造成粉塵在電除塵器電極板上發(fā)生黏接、堵塞排灰斗等問題。

圖2 粉塵濕度與比電阻關(guān)系

1.2.4 煙氣換熱器

為提高靜電除塵器除塵效率，一般采用降低煙氣溫度的方式來減少粉塵排放量，利用煙氣換熱器，一般為水媒介氣—?dú)鈸Q熱器（Media Gas Gas Heatexchanger，MGGH），將煙氣溫度降低至100 ℃左右。MGGH 換熱管道的外側(cè)流通的煙氣中摻雜了大量的粉塵，極易造成MGGH 的煙氣側(cè)堵塞、換熱管道沖刷泄漏等問題。

2 煙氣系統(tǒng)布局變更

鑒于上述燃煤機(jī)組煙氣系統(tǒng)問題與鍋爐尾部煙氣系統(tǒng)問題，可對(duì)整個(gè)煙氣系統(tǒng)設(shè)備重新進(jìn)行布局。由于粉塵是目前SCR 催化劑、空氣預(yù)熱器、MGGH 等設(shè)備故障、壽命降低的主要因素，通過引入高溫電除塵器，將煙氣在進(jìn)入SCR 催化劑前進(jìn)行除塵處理，充分降低煙氣中的粉塵含量，從而解決SCR 催化劑、空氣預(yù)熱器、MGGH 等設(shè)備及煙氣系統(tǒng)的主要問題。

2.1 煙氣系統(tǒng)設(shè)備布局

煙氣系統(tǒng)的設(shè)備布置采用方式：高溫電除塵器+脫硝裝置+空氣預(yù)熱器+MGGH+脫硫裝置+低溫?fù)Q熱器+濕式電除塵器，見圖3。

圖3 改型鍋爐尾部煙氣設(shè)備布置

在該系統(tǒng)布置中，脫硝裝置、空氣預(yù)熱器、煙氣加熱器、脫硫裝置等不進(jìn)行改動(dòng)，引入了高溫電除塵器設(shè)備，即將電除塵器前移并將常規(guī)電除塵器設(shè)置為高溫電除塵。為保證燃煤機(jī)組排放要求，在低溫?fù)Q熱器后安裝濕式電除塵器，在煙囪粉塵排放升高時(shí)投用濕式電除塵器。

2.2 高溫電除塵器

2.2.1 除塵效率

粉塵比電阻是兩種獨(dú)立的導(dǎo)電機(jī)理的綜合，即體積比電阻和表面比電阻。當(dāng)粉塵溫度＞225 ℃時(shí)，體積傳導(dǎo)機(jī)制起主要作用，溫度上升、粉塵比電阻減??；當(dāng)溫度＜150 ℃時(shí)，表面?zhèn)鲗?dǎo)機(jī)制主要作用，溫度上升、粉塵比電阻增大；當(dāng)溫度為150～225 ℃時(shí)，粉塵比電阻會(huì)出現(xiàn)峰值，達(dá)到1012Ω·cm 等級(jí)，見圖4［3-5］。

圖4 粉塵比電阻與溫度的關(guān)系

當(dāng)煙氣溫度超過250 ℃時(shí)，粉塵比電阻與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：ρr為比電阻，Ω·cm；A 為鐵原子百分?jǐn)?shù)；T 為煙氣溫度，K；B 為鈉和鋰原子的百分?jǐn)?shù)（在625 K、40%空隙率時(shí)）。

例如在250 ℃時(shí)，粉塵的比電阻為1011Ω·cm；當(dāng)煙氣溫度上升至380 ℃時(shí)，粉塵的比電阻降低至1.06×109Ω·cm，僅為250 ℃狀態(tài)下的1.06%。

靜電電除塵器的除塵效率與粉塵的比電阻直接相關(guān)，電除塵要求粉塵比電阻為104～1011Ω·cm。尤其當(dāng)粉塵的比電阻分布在106～1012Ω·cm 之間時(shí)，比電阻越小，除塵效率會(huì)有所升高，見圖5。

圖5 靜電除塵器除塵效率與比電阻關(guān)系

降低粉塵的比電阻可以提升電除塵器的除塵效率，對(duì)于高溫電除塵器，粉塵入口溫度達(dá)到350～380 ℃，其比電阻約降低至常規(guī)電除塵器入口溫度（約120 ℃，粉塵120 ℃時(shí)的比電阻與250 ℃的比電阻比較接近）的1%，由于比電阻的大幅度降低，高溫電除塵器的除塵效率比常規(guī)電除塵器有所升高。

2.2.2 高溫電除塵器的應(yīng)用

燃煤機(jī)組SCR 催化劑入口煙氣溫度一般為300～380 ℃，隨著煙氣溫度的升高，粉塵比電阻降低，靜電除塵器的最適宜工作比電阻為104～1010Ω·cm，電除塵運(yùn)行于更為適宜的飛灰比電阻范圍內(nèi)，更容易達(dá)到更高的除塵效率。

高溫電除塵器目前在各種行業(yè)都有比較有很廣泛的應(yīng)用，如電爐制磷、玻璃窯爐、高溫煤氣或合成氣、電力行業(yè)等。在電力行業(yè)，高溫電除塵器一般用于處理高于300 ℃的煙氣，安裝于空氣預(yù)熱器之前，入口煙氣溫度在300～450 ℃范圍內(nèi)。

高溫電除塵器主要是通過采用高性能電極材料提高耐腐蝕性，以及高性能鋼材提高除塵器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方式，進(jìn)行高溫電除塵，煙氣系統(tǒng)主要的布置方式為“高溫電除塵器+SCR+濕法脫硫”。

高溫電除塵器在日本被用于大容量燃煤發(fā)電機(jī)組，主要用來保護(hù)脫硝設(shè)備中的選擇性催化還原反應(yīng)催化劑免受飛灰的機(jī)械磨損和化學(xué)毒化。該類型的電除塵器已經(jīng)有很成功的運(yùn)行案例：日本松浦電廠1990 年商業(yè)運(yùn)行后，煙氣除塵均采用高溫靜電除塵器，主要運(yùn)行參數(shù)見表1［6］。

表1 松浦電廠機(jī)組電除塵參數(shù)

經(jīng)過高溫電除塵器處理后的高溫?zé)煔?，其中的粉塵含量大幅降低，粉塵含量降低至原煙氣的0.051%，成為高溫凈煙氣。

2.2.3 高溫電除塵器目前主要問題

1）投資費(fèi)用高。高溫電除塵器由于其運(yùn)行溫度高，導(dǎo)致本體體積增加、建造所使用的鋼材材料等級(jí)提高，對(duì)防腐與鋼材穩(wěn)定性提出了更高的要求，建設(shè)費(fèi)用相較于常規(guī)電除塵更為高昂。與常規(guī)電除塵器相比，由于高溫電除塵器體積、表面積更大，散熱損失增加，降低了高溫電除塵器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2）煙氣溫度高，氣體密度變小、電離效應(yīng)加強(qiáng)，引起起暈電壓、擊穿電壓降低，電弧電壓和電暈電壓之間的差值變小，電壓工作范圍變窄，影響電除塵器除塵效率和工作的穩(wěn)定性。

3）運(yùn)行狀態(tài)下粉塵中的主要影響比電阻的離子—鈉離子流失，會(huì)造成粉塵比電阻的升高，電除塵器的除塵效率會(huì)有所降低［7-8］。

4）由于煙氣溫度高，氣體的黏性增大，電極板振打時(shí)引起二次揚(yáng)塵、積灰，影響除塵效率［9］。

高溫電除塵器雖然存在以上的問題，但在實(shí)際應(yīng)用中，整體的高溫電除塵效率能夠維持比較高的狀態(tài)。如目前富士電機(jī)有限公司的高溫靜電除塵器，采用的是金屬網(wǎng)過濾式靜電除塵器技術(shù)，除塵效率98%以上，粉塵出口質(zhì)量濃度在10 mg／m3以下。

3 解決煙氣系統(tǒng)主要問題

采用改型后的煙氣系統(tǒng)布局，可以解決SCR 催化劑、空氣預(yù)熱器、MGGH 目前存在的主要問題，并可以為未來的環(huán)保改造如廢水零排放、汞排放等提供較好的煙氣條件。

3.1 SCR 催化劑的問題

SCR 催化劑的運(yùn)行主要由于煙氣中的粉塵磨損、堿中毒等。但當(dāng)高溫?zé)煔饨?jīng)過高溫電除塵處理后，成為高溫凈煙氣后，對(duì)SCR 催化劑的影響變化主要有：1）煙氣中的粉塵含量降低至原來的0.051%，根據(jù)式（1），當(dāng)其余條件不發(fā)生變化時(shí)，SCR 催化劑受到的磨損也降低至原來狀態(tài)0.051%；2）由于堿金屬主要來源于粉塵，當(dāng)粉塵含量降低至原來的0.051%時(shí)，進(jìn)入SCR 催化劑的堿金屬濃度也降低至原來的0.051%；3）由于進(jìn)入SCR 催化劑的粉塵含量降低至原來的0.051%，催化劑堵塞的問題也會(huì)得到解決。

當(dāng)進(jìn)入SCR 催化劑的高溫?zé)煔饨?jīng)過除塵處理后，SCR 催化劑的壽命會(huì)有大幅度的提高。在理論狀況下，現(xiàn)有催化劑的組成為V2O5、TiO2等，在高溫?zé)煔庵惺遣粫?huì)發(fā)生氧化流失的，加上磨損量可以忽略，SCR 催化劑的壽命是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前狀態(tài)，有望實(shí)現(xiàn)與機(jī)組的同壽命服役，減少催化劑定期更換的高昂費(fèi)用和處理過程的二次污染。

3.2 空氣預(yù)熱器的問題

高溫?zé)煔饨?jīng)過高溫電除塵器處理成為高溫凈煙氣，進(jìn)入空氣預(yù)熱器中加熱一次風(fēng)和送風(fēng)。由于高溫?zé)煔庵械姆蹓m含量降低至原煙氣的0.051%，可以解決以下問題：1）空氣預(yù)熱器蓄熱元件沖刷、磨損問題，與SCR 催化劑相同，由于煙氣中粉塵濃度的降低，蓄熱元件受到的磨損也降低至原來狀態(tài)0.051%，蓄熱元件的尤其是熱端蓄熱元件的使用壽命會(huì)有很大程度的提高；2）空氣預(yù)熱器冷端蓄熱元件的堵塞問題，在NH4HSO4生成量不變的情況下，相同數(shù)量的NH4HSO4粘結(jié)在冷端蓄熱元件上，吸附煙氣中的粉塵，由于粉塵濃度降低至原來的0.051%，NH4HSO4吸附的粉塵總量也會(huì)大幅降低，冷端蓄熱元件堵塞的問題會(huì)有很大程度的緩解；3）在冷端蓄熱元件由于NH4HSO4吸附粉塵形成的板結(jié)問題得到解決后，空氣預(yù)熱器的吹掃可以達(dá)到較好的清洗效果。

3.3 MGGH 的問題

在高溫凈煙氣經(jīng)過空氣預(yù)熱器降溫后進(jìn)入MGGH 后，由于煙氣中含有的粉塵濃度降低接近10 mg／m3，同樣根據(jù)式（1）的定量分析，換熱管道的表面承受的沖刷會(huì)急劇降低，換熱器沖刷泄漏的故障率會(huì)急劇降低。

在煙氣中粉塵濃度降低后，在MGGH 死角集聚的粉塵量也會(huì)降低，堵灰問題可以得到極大的緩解。

3.4 為后續(xù)環(huán)保改造提供較好條件

未來環(huán)保的要求將會(huì)逐步延伸至廢水零排放、汞排放等領(lǐng)域，以當(dāng)前燃煤機(jī)組廢水零排放的一種主流技術(shù)（高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)）為例，該技術(shù)采用空氣預(yù)熱器前的高溫?zé)煔庾鳛閺U水處理的熱源。由于高溫?zé)煔庵泻写罅康姆蹓m，在將蒸發(fā)后廢水中的固體物進(jìn)行收灰除塵的同時(shí)也收集了更多的粉塵，造成收集的固體物遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廢水中溶解的固體物，處理固體物時(shí)的成本增加，制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。目前只能將收集的固體物摻入燃煤機(jī)組的粉煤灰中，造成粉煤灰中含氯量增加、品質(zhì)降低，影響粉煤灰的處理。

如采用經(jīng)過高溫靜電除塵器除塵后的高溫凈煙氣作為高溫旁路煙氣蒸發(fā)技術(shù)的熱源，在進(jìn)行收灰除塵時(shí)收集的固體物主要為廢水中的溶解物，從煙氣中收集的粉塵少，固體物的總量會(huì)大幅降低。收集的固體物在處理時(shí)的難度降低，廢水零排放的處理成本也會(huì)降低。

4 結(jié)語

隨著對(duì)燃煤機(jī)組環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，隨之產(chǎn)生的鍋爐煙氣系統(tǒng)問題越來越多，而造成煙氣系統(tǒng)故障的重要因素為煙氣中的粉塵含量高。

降低煙氣中的粉塵含量是解決鍋爐煙氣系統(tǒng)設(shè)備問題的主要方式，可對(duì)煙氣系統(tǒng)進(jìn)行重新布局，將目前的常規(guī)電除塵器布局為高溫電除塵器，煙氣在進(jìn)入SCR 催化劑、空氣預(yù)熱器、MGGH 換熱器前進(jìn)行除塵處理，可以解決當(dāng)前煙氣系統(tǒng)設(shè)備存在的主要問題，也可以為未來環(huán)保技術(shù)的發(fā)展提供較好的煙氣條件。雖然高溫電除塵器目前仍然存在著一些問題，但隨著環(huán)保要求的提高，是燃煤機(jī)組解決煙氣系統(tǒng)問題的一種有效技術(shù)手段。