雙碳背景下電除塵器的節能減碳分析

劉含笑

（浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江省 諸暨市 311800）

0 引言

如何應對氣候變化和控制溫室氣體排放是目前全球關注的熱點話題，《聯合國氣候變化框架公約》[1]中明確規定了最大溫室氣體排放源為化石燃料燃燒所產生的CO2，因此，通過減排溫室氣體CO2應對氣候變化已逐漸成為國際共識[2-3]。《全球升溫1.5 ℃特別報告》[4]對90種模擬的發展情景進行了評估分析，幾乎所有情景都需要強制CO2捕集技術才能將全球的升溫幅度控制在1.5 ℃以內。實現碳達峰、碳中和是我國向世界作出的莊嚴承諾，各部委均為實現碳達峰、碳中和目標加緊制定行動方案，各地方政府也陸續出臺相關政策，就目前來看，節能減排和能源替代是地方實現碳達峰的兩大抓手。

我國富煤、貧油、少氣的能源稟賦決定了燃煤電廠排放CO2強度大、占比高，據統計，煤電CO2排放占全國能源利用CO2排放總量的38%[5]。但現階段，燃燒后煙氣中CO2捕集能耗和成本仍太高，據統計，中國當前的低濃度二氧化碳捕集成本為300~900元/t[6]，因此，眾多學者一致認為，當前階段節能提效才是燃煤電廠減碳的第一優選[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，環保設備的配置和運行能耗普遍偏高[9]。 而電除塵器(electrostatic precipitator，ESP)通過消耗電能實現除塵效果，高壓供電參數直接影響電除塵效率，一般高壓供電參數越高、能耗越大，則電除塵效率越高[10-13]。本文通過對電除塵器能效參數進行分析評測，探討其節能減碳空間，為后續燃煤電廠碳減排提供可借鑒技術思路。

1 電除塵器節能減碳研究方法

理論上講，電除塵器節省的高壓電耗、運行費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準煤耗換算成碳減排。計算方法可按下式進行：

式中：E1, E2, E3分別為電除塵器節省的高壓電耗、運行費用及低低溫電除塵器前置低溫省煤器回收的熱量對應的CO2年排放量；W為除塵器的電耗；T為燃煤機組有效發電時間，這里燃煤電廠統一按5 000 h計；pe、pc、po分別為廠用電價、標準煤價格、年運行費用，這里廠用電價、標準煤價格分別按0.35元/(kW?h)、600元/t計；Q為換熱器年回收的熱量；Qsc為標準煤的熱值，取29 400 kJ/kg[14]；λ為標準煤CO2排放系數。不同煤種的熱值不同，換算成標準煤的CO2排放系數也不盡相同，如圖1所示，范圍在2.767~2.966 kg/kg，這里按綜合標準煤CO2排放系數2.814 kg/kg計。

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

2 干式電除塵器節能減碳分析

分別對超低排放改造前、后的燃煤機組配套干式電除塵器開展能耗統計分析。

2.1 超低排放改造前

統計了超低排放改造前197 臺燃煤電廠配套干式電除塵器高壓供電電耗[13]，其中，300 MW級、600 MW 級、1 000 MW 級機組配套電除塵器分別為76、99、22臺。電除塵器高壓供電電耗可通過三相有功電能表直接測定，也可以根據高壓供電電源的實際運行參數計算得到，工頻、高頻電源供電時電除塵器高壓供電電耗計算方法分別按式(4)、(5)[15]計算：

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；cos?為功率因數，一般工頻電源取0.7，高頻電源取0.9。

改造前電耗(未考慮負荷變化對電除塵器電耗的影響)和CO2排放統計結果如圖2、3 所示，300 MW 級、600 MW 級、1 000 MW 級機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。計算得到300 MW級、600 MW 級、1 000 MW 級機組配套電除塵器的高壓供電電耗對應的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，可見不同機組排放數據差異較大。

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排放數據統計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，以某300 MW 級機組配套電除塵器為例[16]，不同工況下對應的除塵性能、電耗參數及其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個百分點；高壓供電電耗從368 kW?h/h升至511 kW?h/h。電除塵性能越好，對應的能耗越高，這與文獻[11-13]研究結果一致。不同工況對應的CO2年排放量在3 016~4 194 t，最高值與最低值相比，增幅達39%。

圖4 某300 MW級機組配套電除塵器能效參數Fig. 4 Energy efficiency parameters of an electric precipitator for a 300 MW unit

2.2 超低排放改造后

調研某4臺1 000 MW典型超低排放機組配套電除塵器的高壓供電電耗，并計算其對應的CO2年排放量，結果如圖5所示。這4套機組均采用低低溫電除塵技術進行改造，其高壓供電電耗在1 660~2 640 kW?h/h，對應的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降低所致。對機組3、4 進行電控優化，開啟節能模式，在保證電除塵器出口煙塵濃度<15 mg/m3的前提下，盡量降低電源運行參數。優化后電除塵器的高壓供電電耗及對應的CO2年排放量如圖6 所示，機組3、4 配套電除塵器電控方式優化后，對應的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應CO2排放數據統計Fig. 5 Power consumption of high-voltage power supply and the corresponding CO2 emission data of ESP after ultra-low emission renovation

圖6 不同電控模式時電除塵器高壓供電電耗及對應CO2排放數據統計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[17]統計了24臺燃煤電廠配套濕式電除塵器(wet electrostatic precipitator，WESP)高壓供電電耗，未考慮負荷變化對電除塵器電耗的影響，其中，300 MW 級、600 MW 級、1 000 MW 級機組配套電除塵器分別為16、2、6臺，統計計算結果如圖7 所示，300 MW 級、600 MW 級、1000 MW 級機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。計算得到300 MW 級、600 MW 級、1 000 MW 級機組配套電除塵器的高壓供電電耗對應的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，可見不同機組排放數據差異較大，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 濕式電除塵器對應CO2排放數據統計Fig. 8 Corresponding CO2 emission data of WESP

4 其他輔助設備節能減碳分析

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。據統計，低溫省煤器投運后可節省煤耗1~2 g/(kW?h)，具體節省煤耗數據與降溫幅度有關。以某630 MW 機組為例，不同負荷工況下對應的溫降、節省標準煤耗及對應CO2減排量如圖9 所示，可以看出，100%、75%、50%負荷對應的溫降分別為37、19.5、15.1 ℃，節省標準煤耗分別為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，對應的CO2減排量越大。

圖9 低溫省煤器能效數據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，用以進一步降低煙氣溫度，同時兼具一定的除塵功能[18-19]。以某280 t/h爐為例，經測試，100%和75%負荷時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，2 種負荷年運行時間各約3 500 h，年回收熱量達83 664 GJ，折合標準煤約2 846 t，相變凝聚器可年減排CO2約8 009 t。

5 技術路線經濟性分析

以低低溫電除塵技術為核心的煙氣協同治理技術路線具有較好的技術經濟性[20-21]，以某2臺基本配置相當的660 MW 機組為例，前者采用的除塵技術路線為“低低溫ESP+高效協同除塵濕法煙氣脫硫(wet flue gas desulphurization，WFGD)”，后者為“ESP+WFGD+WESP”，經估算，前者較后者運行費用可減少約70 萬元，按標準煤價格600 元/t 計，約節省1 167 t 標準煤，即可年減排CO2約3 284 t。

6 結論

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，不同機組CO2排放數據差異較大。電除塵器高壓供電電耗與電除塵性能直接相關，電除塵性能越好，對應的能耗越高。

2）超低排放改造后，1 000 MW 級機組配套電除塵器的高壓供電電耗在1 660~2 640 kW?h/h，對應的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 機組平均值相比，增加了21%，在保證出口排放的前提下對電控方式進行優化，對應的CO2年排放量可減少約62%。

3）300 MW 級、600 MW 級、1000 MW 級機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，對應的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）低溫省煤器投運后可節省煤耗2 g/(kW?h)，630 MW 機組在100%負荷下年CO2減排量為19 185 t；280 t/h 爐相變凝聚器年回收熱量可達83 664 GJ，年減排CO2約8 009 t；與濕式電除塵技術路線相比，660 MW機組以低低溫電除塵技術為核心的煙氣協同治理技術路線可年減排CO2約3 284 t。