雙碳背景下電除塵器的節(jié)能減碳分析

劉含笑

（浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江省 諸暨市 311800）

0 引言

如何應(yīng)對(duì)氣候變化和控制溫室氣體排放是目前全球關(guān)注的熱點(diǎn)話題，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》[1]中明確規(guī)定了最大溫室氣體排放源為化石燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2，因此，通過減排溫室氣體CO2應(yīng)對(duì)氣候變化已逐漸成為國際共識(shí)[2-3]?！度蛏郎?.5 ℃特別報(bào)告》[4]對(duì)90種模擬的發(fā)展情景進(jìn)行了評(píng)估分析，幾乎所有情景都需要強(qiáng)制CO2捕集技術(shù)才能將全球的升溫幅度控制在1.5 ℃以內(nèi)。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是我國向世界作出的莊嚴(yán)承諾，各部委均為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)加緊制定行動(dòng)方案，各地方政府也陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，就目前來看，節(jié)能減排和能源替代是地方實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的兩大抓手。

我國富煤、貧油、少氣的能源稟賦決定了燃煤電廠排放CO2強(qiáng)度大、占比高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤電CO2排放占全國能源利用CO2排放總量的38%[5]。但現(xiàn)階段，燃燒后煙氣中CO2捕集能耗和成本仍太高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國當(dāng)前的低濃度二氧化碳捕集成本為300~900元/t[6]，因此，眾多學(xué)者一致認(rèn)為，當(dāng)前階段節(jié)能提效才是燃煤電廠減碳的第一優(yōu)選[7-8]。尤其是燃煤電廠完成超低排放改造后，為了追求極低的排放指標(biāo)，環(huán)保設(shè)備的配置和運(yùn)行能耗普遍偏高[9]。 而電除塵器(electrostatic precipitator，ESP)通過消耗電能實(shí)現(xiàn)除塵效果，高壓供電參數(shù)直接影響電除塵效率，一般高壓供電參數(shù)越高、能耗越大，則電除塵效率越高[10-13]。本文通過對(duì)電除塵器能效參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)測，探討其節(jié)能減碳空間，為后續(xù)燃煤電廠碳減排提供可借鑒技術(shù)思路。

1 電除塵器節(jié)能減碳研究方法

理論上講，電除塵器節(jié)省的高壓電耗、運(yùn)行費(fèi)用及低低溫電除塵器前置低溫省煤器回收的熱量都可以通過標(biāo)準(zhǔn)煤耗換算成碳減排。計(jì)算方法可按下式進(jìn)行：

式中：E1, E2, E3分別為電除塵器節(jié)省的高壓電耗、運(yùn)行費(fèi)用及低低溫電除塵器前置低溫省煤器回收的熱量對(duì)應(yīng)的CO2年排放量；W為除塵器的電耗；T為燃煤機(jī)組有效發(fā)電時(shí)間，這里燃煤電廠統(tǒng)一按5 000 h計(jì)；pe、pc、po分別為廠用電價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格、年運(yùn)行費(fèi)用，這里廠用電價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格分別按0.35元/(kW?h)、600元/t計(jì)；Q為換熱器年回收的熱量；Qsc為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，取29 400 kJ/kg[14]；λ為標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放系數(shù)。不同煤種的熱值不同，換算成標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放系數(shù)也不盡相同，如圖1所示，范圍在2.767~2.966 kg/kg，這里按綜合標(biāo)準(zhǔn)煤CO2排放系數(shù)2.814 kg/kg計(jì)。

圖1 不同煤種熱值及CO2排放系數(shù)Fig. 1 Calorific value and CO2 emission coefficient of different kinds of coal

2 干式電除塵器節(jié)能減碳分析

分別對(duì)超低排放改造前、后的燃煤機(jī)組配套干式電除塵器開展能耗統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 超低排放改造前

統(tǒng)計(jì)了超低排放改造前197 臺(tái)燃煤電廠配套干式電除塵器高壓供電電耗[13]，其中，300 MW級(jí)、600 MW 級(jí)、1 000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器分別為76、99、22臺(tái)。電除塵器高壓供電電耗可通過三相有功電能表直接測定，也可以根據(jù)高壓供電電源的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得到，工頻、高頻電源供電時(shí)電除塵器高壓供電電耗計(jì)算方法分別按式(4)、(5)[15]計(jì)算：

式中：W為除塵器的高壓供電電耗，kW?h/h；Ii為電場i的一次電流，A；Ui為一次電壓，V；n為電場數(shù)；cos?為功率因數(shù)，一般工頻電源取0.7，高頻電源取0.9。

改造前電耗(未考慮負(fù)荷變化對(duì)電除塵器電耗的影響)和CO2排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2、3 所示，300 MW 級(jí)、600 MW 級(jí)、1 000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器的高壓供電電耗范圍分別在320~1 475、242~2 534、734~3 808 kW?h/h，平均值分別為762、1 086、1 765 kW?h/h。計(jì)算得到300 MW級(jí)、600 MW 級(jí)、1 000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器的高壓供電電耗對(duì)應(yīng)的CO2年排放量范圍分別在2 622~12 104、1 988~20 798、5 941~31 251 t，平均值分別為6 256、8 915、14 485 t，可見不同機(jī)組排放數(shù)據(jù)差異較大。

圖2 超低排放改造前電除塵器高壓供電電耗Fig. 2 Power consumption of high-voltage power supply of ESP before ultra-low emission renovation

圖3 超低排放改造前電除塵器CO2排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig. 3 CO2 emission data of ESP before ultra-low emission renovation

電除塵器高壓供電電耗與除塵性能直接相關(guān)，以某300 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器為例[16]，不同工況下對(duì)應(yīng)的除塵性能、電耗參數(shù)及其CO2排放量如圖4所示。可見，從工況1到工況4，電除塵器出口煙塵濃度從84.2 mg/m3降至46.8 mg/m3，減排了44%；除塵效率從99.55%提升至99.74%，提高了近0.2個(gè)百分點(diǎn)；高壓供電電耗從368 kW?h/h升至511 kW?h/h。電除塵性能越好，對(duì)應(yīng)的能耗越高，這與文獻(xiàn)[11-13]研究結(jié)果一致。不同工況對(duì)應(yīng)的CO2年排放量在3 016~4 194 t，最高值與最低值相比，增幅達(dá)39%。

圖4 某300 MW級(jí)機(jī)組配套電除塵器能效參數(shù)Fig. 4 Energy efficiency parameters of an electric precipitator for a 300 MW unit

2.2 超低排放改造后

調(diào)研某4臺(tái)1 000 MW典型超低排放機(jī)組配套電除塵器的高壓供電電耗，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的CO2年排放量，結(jié)果如圖5所示。這4套機(jī)組均采用低低溫電除塵技術(shù)進(jìn)行改造，其高壓供電電耗在1 660~2 640 kW?h/h，對(duì)應(yīng)的CO2年排放量范圍在13 624~20 453 t，平均值為18 229 t，與超低排放改造前1 000 MW 機(jī)組平均值相比，增加了21%，這主要是由電除塵器出口煙塵濃度指標(biāo)降低所致。對(duì)機(jī)組3、4 進(jìn)行電控優(yōu)化，開啟節(jié)能模式，在保證電除塵器出口煙塵濃度<15 mg/m3的前提下，盡量降低電源運(yùn)行參數(shù)。優(yōu)化后電除塵器的高壓供電電耗及對(duì)應(yīng)的CO2年排放量如圖6 所示，機(jī)組3、4 配套電除塵器電控方式優(yōu)化后，對(duì)應(yīng)的CO2年排放量均減少了約62%，減排效果顯著。

圖5 超低排放改造后電除塵器高壓供電電耗及對(duì)應(yīng)CO2排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig. 5 Power consumption of high-voltage power supply and the corresponding CO2 emission data of ESP after ultra-low emission renovation

圖6 不同電控模式時(shí)電除塵器高壓供電電耗及對(duì)應(yīng)CO2排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig. 6 Power consumption of high-voltage power supply and the corresponding CO2 emission data of ESP under different electric control modes

3 濕式電除塵器電耗和碳排放分析

文獻(xiàn)[17]統(tǒng)計(jì)了24臺(tái)燃煤電廠配套濕式電除塵器(wet electrostatic precipitator，WESP)高壓供電電耗，未考慮負(fù)荷變化對(duì)電除塵器電耗的影響，其中，300 MW 級(jí)、600 MW 級(jí)、1 000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器分別為16、2、6臺(tái)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如圖7 所示，300 MW 級(jí)、600 MW 級(jí)、1000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器的高壓供電電耗平均值分別為242、314、417 kW?h/h。計(jì)算得到300 MW 級(jí)、600 MW 級(jí)、1 000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器的高壓供電電耗對(duì)應(yīng)的CO2年排放量范圍分別在632~3 980、2 470~2 684、1 797~5 014 t，平均值分別為1 983、2 577、3 423 t，可見不同機(jī)組排放數(shù)據(jù)差異較大，如圖8所示。

圖7 濕式電除塵器高壓供電電耗Fig. 7 High-voltage power supply power consumption of WESP

圖8 濕式電除塵器對(duì)應(yīng)CO2排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Corresponding CO2 emission data of WESP

4 其他輔助設(shè)備節(jié)能減碳分析

4.1 低溫省煤器

低溫省煤器布置在除塵器前，用以降低煙氣溫度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，低溫省煤器投運(yùn)后可節(jié)省煤耗1~2 g/(kW?h)，具體節(jié)省煤耗數(shù)據(jù)與降溫幅度有關(guān)。以某630 MW 機(jī)組為例，不同負(fù)荷工況下對(duì)應(yīng)的溫降、節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤耗及對(duì)應(yīng)CO2減排量如圖9 所示，可以看出，100%、75%、50%負(fù)荷對(duì)應(yīng)的溫降分別為37、19.5、15.1 ℃，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別為2.066、1.296、0.601 g/(kW?h)，低溫省煤器年減排CO2分別為19 185、9 026、2 790 t。由此可見，降溫幅度越大，對(duì)應(yīng)的CO2減排量越大。

圖9 低溫省煤器能效數(shù)據(jù)Fig. 9 Energy efficiency data of low temperature economizer

4.2 相變凝聚器

相變凝聚器布置在濕法脫硫后，用以進(jìn)一步降低煙氣溫度，同時(shí)兼具一定的除塵功能[18-19]。以某280 t/h爐為例，經(jīng)測試，100%和75%負(fù)荷時(shí)相變凝聚器除塵效率分別為54.93%、71.61%，除鹽水流量按160 t/h 計(jì)，2 種負(fù)荷年運(yùn)行時(shí)間各約3 500 h，年回收熱量達(dá)83 664 GJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約2 846 t，相變凝聚器可年減排CO2約8 009 t。

5 技術(shù)路線經(jīng)濟(jì)性分析

以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[20-21]，以某2臺(tái)基本配置相當(dāng)?shù)?60 MW 機(jī)組為例，前者采用的除塵技術(shù)路線為“低低溫ESP+高效協(xié)同除塵濕法煙氣脫硫(wet flue gas desulphurization，WFGD)”，后者為“ESP+WFGD+WESP”，經(jīng)估算，前者較后者運(yùn)行費(fèi)用可減少約70 萬元，按標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格600 元/t 計(jì)，約節(jié)省1 167 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，即可年減排CO2約3 284 t。

6 結(jié)論

1）超低排放改造前，干式電除塵器高壓供電電耗在242~3 808 kW?h/h，不同機(jī)組CO2排放數(shù)據(jù)差異較大。電除塵器高壓供電電耗與電除塵性能直接相關(guān)，電除塵性能越好，對(duì)應(yīng)的能耗越高。

2）超低排放改造后，1 000 MW 級(jí)機(jī)組配套電除塵器的高壓供電電耗在1 660~2 640 kW?h/h，對(duì)應(yīng)的CO2年排放量范圍在13 624~20 453 t，平均值為18 229 t，與超低排放改造前1 000 MW 機(jī)組平均值相比，增加了21%，在保證出口排放的前提下對(duì)電控方式進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)應(yīng)的CO2年排放量可減少約62%。

3）300 MW 級(jí)、600 MW 級(jí)、1000 MW 級(jí)機(jī)組配套濕式電除塵器的高壓供電電耗平均值分別為242、314、417 kW?h/h，對(duì)應(yīng)的CO2年排放量范圍分別在632~3 980、2470~2684、1 797~5 014 t，平均值分別為1 983、2 577、3 423 t。

4）低溫省煤器投運(yùn)后可節(jié)省煤耗2 g/(kW?h)，630 MW 機(jī)組在100%負(fù)荷下年CO2減排量為19 185 t；280 t/h 爐相變凝聚器年回收熱量可達(dá)83 664 GJ，年減排CO2約8 009 t；與濕式電除塵技術(shù)路線相比，660 MW機(jī)組以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線可年減排CO2約3 284 t。