電除塵器增設SO3煙氣調質提效改造實例

陳文瑞

(福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

電除塵器增設SO3煙氣調質提效改造實例

陳文瑞

(福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

以華潤登封電廠#2爐電除塵器增設SO3煙氣調質系統作為提效改造方案為例，詳細介紹了該改造項目產生的背景，SO3煙氣調質系統的工作原理、工藝流程、改造實施過程、改造后的效果及方案的技術經濟性，對今后該技術的推廣具有借鑒作用。

電除塵器;比電阻;低硫煤;三氧化硫;煙氣調質

1 項目改造背景

華潤登封電廠地處登封市郊，離鄭州市65km，離國家著名風景名勝嵩山少林寺僅15km，環保要求非常嚴格。加之該廠新增設了濕法煙氣脫硫裝置，為保證脫硫效率和脫硫設備的正常運行，也對電除塵器出口粉塵濃度提出了要求（脫硫入口要求粉塵濃度≤160mg/Nm3）。鑒于該項目已投產發電，且電除塵器本身各部件狀況良好，業主需要采取一個技術上可行、投資低、改造工期短的決策方案，經多方考察和論證，決定采取增設SO3煙氣調質系統來提高電除塵器除塵效率的改造方案。

華潤電力登封有限公司一期2×320MW機組分別于2004年7月和9月投入運行，設計煤種為Sar=0.29%的登封石淙一礦貧煤，校核煤種為Sar=0.22%的登封天河及向陽礦貧煤，為典型的特低硫煤，設計煤種、校核煤種及實際燃用煤質和灰分分析分別見表1和表2。鍋爐預熱器出口配置蘭州電力修造廠生產的兩臺臥室雙室四電場電除塵器，型號RWD/KFH-DE-264-4×4-2，單臺電除塵器有效斷面264m2，設計除塵效率99.5%，主要技術參數見表3。

受燃煤資源供應緊張的影響，該廠鍋爐自投運以來，實際燃用煤種遠遠偏離設計煤種，從表1、表2可以看出，煤質變化對電除塵器除塵效率的不利影響。

表1 煤質分析

表2 灰分分析

表3 電除塵器主要技術參數（單臺）

（1）實際燃用煤種灰分Aar=33.46%遠高出設計煤種灰分值（19.15%），而其熱值Qnet，ar=19,100kJ/kg卻遠低于設計煤種（24,065kJ/kg）。可見，實際燃用煤種要比設計煤種差得多，實際電除塵器進口粉塵濃度達36g/Nm3，是設計值（17.987g/Nm3）的兩倍多，電除塵器嚴重超負荷運行。

（2）實際燃用煤種含硫量Sar=0.24%，雖偏離設計煤種（Sar=0.29%）不大，但同屬特低硫煤，按煤燃燒后煙氣中SO2轉換成SO3的轉化率取0.4%估算，煙氣中SO3濃度僅為0.88ppm，作為對電除塵器收塵的有利成分，單位粉塵所占SO3的比例微乎其微，粉塵比電阻大。粉塵比電阻在140℃時高達8.2×1012cm。

（3）實際煤灰中SiO2和Al2O3含量合計為87.95%（＞85%），SiO2粉塵較硬且不易荷電，而Al2O3是很細的飄塵，兩者均難以被電除塵器捕集。而作為能夠有效降低粉塵比電阻的堿金屬含量卻很低，Na2O含量僅為0.25%，K2O含量僅為1.71%，粉塵粒子活性弱，體積導電性弱。粉塵比電阻在140℃時高達7.4×1013cm。

（4）經計算，實際煤灰粉塵比電阻在140℃時達1.2×1012cm。超過電除塵器對粉塵的最佳收塵范圍：1×106～5×1010cm。從實際運行情況看，電場內部反電暈現象嚴重，表現為二次電壓大大降低，二次電流大增，伏安特性曲線出現明顯拐點，除塵效率大幅度降低。

（5）由于燃燒劣質煤，電除塵器進口實際煙氣溫度＞140℃（設計為122℃），處理煙氣量大大超標，實測煙氣量約為215×104m3/h（設計為162×104m3/h）。排煙溫度升高，使煙氣量增大，電場風速提高，除塵效率呈指數關系下降；同時電場擊穿電壓下降，粉塵比電阻增大，易形成反電暈，也使得除塵效率下降。

綜合以上分析，該電廠實際燃用煤種嚴重偏離設計煤種，實際煤種屬特低硫煤，灰分高、熱值低，電除塵器入口粉塵濃度嚴重超標，電除塵器超負荷運行；煤燃燒后產生的粉塵呈典型的高比電阻特性，電除塵器難以收集該類粉塵。以上是導致電除塵器效率下降，排放不達標的主要原因。電除塵器實際比集塵面積僅為66m2/m3/s，出口粉塵排放濃度高于500mg/Nm3，除塵效率僅為98.5%。

2 電除塵器增設SO3煙氣調質提效改造

2.1 SO3煙氣調質機理

粉塵比電阻ρ可以看成是由體積比電阻ρv和表面比電阻ρs“并聯”所成的等效電阻，其關系式為：1/ρ=1/ρv+1/ρs。當溫度大于200℃時，體積比電阻占主導作用；溫度低于150℃時，表面比電阻占主導作用。由于常溫電除塵器的工作溫度＜160℃，所以表面比電阻成為決定粉塵比電阻的主要因素。表面導電主要是通過粉塵顆粒表面吸附的水膜或化學物質（化學膜）來進行的，通常燃煤電廠煙氣中含有3%～10%的水分，當煙氣溫度較低時，這些水汽可以吸附在粉塵表面形成具有低比電阻的導電通道，這就是水調質的原理。但由于煙氣的水露點往往較低，當煙氣溫度較高時，水分吸附作用將大大降低。然而，當煙氣中出現足夠的SO3時，一方面具有SO3極強的活性，與煙氣中水分結合形成的煙酸氣溶膠極易吸附在粉塵表面，形成低電阻導電通道；另一方面，煙氣中SO3含量增加，煙氣酸露點提高，即使煙氣溫度高于露點很多，被吸附的酸膜也會沉積在粉塵表面形成表面導電通道。SO3調質的機理如圖1。SO3煙氣調質實質上是降低粉塵的表面比電阻，即將少量（5～25ppm）可控制的SO3噴射到煙氣中，SO3與煙氣中的水分結合生成硫酸氣溶膠吸附在粉塵顆粒表面，形成一個低比電阻導電通道，使粉塵更易收集，從而提高電除塵器除塵效率。

圖1 粉塵表面酸膜形成機理

當鍋爐燃燒高硫煤（Sar＞3%）時，煙氣中就會產生足夠多的SO3，此類煤中的有機硫燃燒后產生的SO3實際上本身就起到煙氣調質的效果。在我國西南地區一些燃用高硫煤的電廠，盡管電除塵器選型規格不大，但運行效果卻非常好，其原因就在于此。

2.2 SO3煙氣調質分析

根據工程實踐，當煙氣中含有10～25ppm的SO3時，粉塵高比電阻值可以降低兩個數量級以上，調質效果明顯。然而，當燃燒低硫煤時，自然產生的SO3就很少，不能產生足夠的酸膜以降低粉塵比電阻，高比電阻的飛灰就難以被電除塵器捕集。以華潤登封電廠實際煤種（Sar=0.24%，Qar.net=19.100MJ/kg）為例，當煙氣中SO2轉變SO3的轉化率為1%時，SO3濃度也僅為2.2ppm。而當假定含硫量Sar=3%、其它參數不變時，煙氣中SO3濃度可達到27.5ppm。因而可見，煤中含硫量對粉塵比電阻尤其是表面比電阻的影響非常大。

根據美國南方研究所關于煤灰比電阻的測算，得出該項目粉塵比電阻與SO3注入率及煙氣溫度的關系曲線如圖2。

從圖2可以得出，當煙氣溫度為140℃時，往煙氣中注入10ppm的SO3，粉塵比電阻可由1.2×1012cm降為2×109cm，調質效果顯著。需要說明的是，該曲線完全是根據理論公式得出的，未考慮粉塵濃度、酸膜與粉塵混合均勻性、粉塵對酸膜吸附敏感性等因素的影響。一般來說，粉塵濃度越高，需要注入的SO3也越高；SO3與粉塵的混合也不可能是絕對均勻；粉塵酸堿性不同，對SO3的敏感性也不同；同時，煙氣溫度在不同煙道支管及煙道內不同位置時也不一致，煙氣溫度越多，需要注入的量也越大。以上眾多原因導致實際SO3注入率通常要比理論計算值大。

SO3煙氣調質的效果也與飛灰親水性（浸潤性）及粉塵的酸堿度密切相關。當飛灰親水性（浸潤性）強時，對SO3吸附性好，調質效果好。本項目煤灰經酸堿度測試，平均pH值為10.64，顯弱堿性，對SO3較為敏感。在國外，比如印度和澳洲某些電廠，由于煤灰pH值呈中性或弱酸性，它們采用堿性物質NH3作為調質劑，即所謂的氨調質。

綜合以上分析認為，華潤登封電廠技改項目煤灰采用SO3煙氣調質是完全可行的。鑒于該項目已投產發電，電除塵器本身各部件狀況良好，且受場地限制，電除塵器增加電場擴容改造無法實施，故業主需要采取一個技術上可行、投資低、改造工期短的決策方案，經多方考察和論證，決定采取增設SO3煙氣調質系統作為電除塵增效改造的方案。

圖2 粉塵比電阻與SO3注入率、煙氣溫度的關系曲線

2.3 項目實施

華潤登封電廠技改項目項目電除塵器增設SO3煙氣調質系統提效改造工程由福建龍凈環保股份有限公司總承建。調質技術從德國Pentol公司引進，設計理念為設備高度集成化，減少現場安裝工作量，改造周期短；投資小；節能降耗、低運行成本。

按照工藝流程，將設備分為三大單元，三大單元均在廠家車間內生產和調試，現場只需將三大單元用管道連接起來即可，典型的現場安裝周期為10天。SO3煙氣調質設備工藝過程及主要設備見圖3。

液態儲硫罐和硫磺泵為一大單元，其作用是熔硫，儲硫罐中設有蒸氣盤管，通過蒸氣換熱將罐中的固態硫磺熔化成液態硫，然后通過硫磺泵將其送入燃硫爐中燃燒。第二大單元即高度集成的SO3生成器，包括風機、電加熱器、燃硫爐、轉化塔及電控部分，空氣由風機送入電加熱器加熱成所需的溫度，然后送入燃硫爐供燃燒液態硫，生成的SO2在催化劑轉化塔中被催化氧化成SO3。最后一個單元即注入裝置，其作用是將SO3均勻地注入到電除塵器進口與鍋爐預熱器出口之間的煙道中，與煙氣中的水分結合形成酸膜附著在粉塵表面，實現其調質作用。

由于硫磺燃燒和SO2的催化轉化均屬于發熱反應，系統充分利用該熱量，通過可控硅控制電加熱器功率形成一個閉環系統。實際運行中，系統還可以根據鍋爐負荷、濁度和煙氣溫度等信號確定最佳的SO3注入量，具有節能降耗的優點。

圖3 SO3煙氣調質工藝過程及主要設備

2.4 改造效果

2008年7月，河南電力試驗研究院對該項目改造后進行電除塵器性能測試，試驗數據如表4。

表4 改造后試驗測試數據

從試驗結果可以看出，SO3煙氣調質系統對電除塵器提效效果相當顯著。該電廠實際燃用煤種含硫量Sar=0.24%，灰分Aar=33.46%，遠遠超出設計煤種的灰分值（Aar=19.15%）。實際煙氣溫度140℃，煙氣量比設計值高出33%；入口粉塵濃度＞35g/Nm3，是設計值的兩倍多。在每臺除塵器各停一個電場、SO3注入率20ppm的條件下，測試除塵效率大于99.8%，平均排放濃度66.3mg/Nm3。通過SO3煙氣調質，有效降低粉塵比電阻，粉塵比電阻降低了2個數量級。電除塵器二次電壓平均提高15～20kV，平均電流下降300mA，可節約電耗約15%。

3 技術經濟性

3.1 電除塵器增設煙氣調質技術分析

增設煙氣調質的優點表現為：

（1）煙氣調質系統設備相對獨立，操作靈活，運行維護費用較低。運行維護費與燃用煤質緊密聯系，電除塵與煙氣調質一體化，電除塵器是基礎，調質劑投入量可靈活掌握，當機組低負荷運行或燃用易收塵煤種時，調質設備可不投用或在較低的注入率（≤10ppm）運行；當機組高負荷運行或燃用收塵困難煤種時，注入率的大小可根據煤種變化、負荷大小和濁度全自動控制，注入率的可調節性與電除塵器節能控制系統、減功率斷電振打程序控制系統相結合，可實現電除塵器與煙氣調質最節能減耗運行，實現最經濟運行。

（2）電除塵器增設煙氣調質系統，并未對原電除塵器作結構改進，故保留了原電除塵器低阻力、高可靠性、運行維護簡單等優點。

（3）節能。通過SO3煙氣調質，可有效降低粉塵比電阻，消除反電暈現象，因而電除塵器還可降低電耗。

（4）煙氣調質高集成化、施工周期短。SO3煙氣調質的主要設備在廠內集成調試完畢，現場只需連接管道。正常只需要停爐7天，在煙道中安裝注入器時甚至可以不停爐。

（5）不影響原電除塵器占地面積、不影響原風機系統。原電除塵器采用增設煙氣調質改造，是采用改變煙氣性質、降低比電阻的提效方法，無需增加原有電除塵器占地面積，無需對原風機系統進行改造。煙氣調質為老電除塵器的提效改造提供了高效、簡捷的技術手段，特別適合老電除塵器提效改造且無擴容空間場合，原電除塵器不需改造，只需增設調質設備即可大大提高除塵效率。

（6）新上機組電除塵器直接配套煙氣調質，可降低總體投資費用。新上大型機組多煤種燃煤結構可按比電阻低易除塵的煤種進行電除塵器選型，配套調質設備以應對高比電阻粉塵的煤種，可顯著降低電除塵器規格，減少投資，且適應煤種多變的工況。

煙氣調質的缺點表現為：SO3煙氣調質的效果與多種因素有關，特別是與煤灰的成分、比電阻、酸堿度、吸濕性及煙氣溫度、煙氣濕度等密切相關，故要求技術人員對煤灰、煙氣特性及原電除塵器狀況作充分的了解和把握。

3.2 電除塵器增設煙氣調質經濟性分析

一次性投資：煙氣調質作為電除塵器的提效手段，其工藝設備獨立于電除塵器。對于300MW和600MW機組，設備一次性投資總體相當，其區別表現為原料硫磺的用量不同而已，故機組容量越大，設備的相對一次性投資經濟性越高。本項目單臺爐一次性設備投資約750萬元。

運行費：煙氣調質系統的運行費主要表現在原料硫磺及電耗費用上。以本項目一臺爐320MW機組為例，按滿負荷年運行300天 ，SO3注入率取20ppm計算，硫磺耗量為40.6kg/h，年消耗硫磺為29.2t，則每年硫磺費用為29.2萬元（硫磺單價：0.1萬元/t）。煙氣調質系統正常運行時電耗為50kW，年耗電量為360000kW·h，則每年電費為9萬元（電費單價：0.25元/kW·h）。故該項目320MW機組煙氣調質系統的年運行費用為38.2萬元。

4 其它改造方案

對于電除塵器的提效改造，其它的方案措施有：1）電場擴容改造；2）改為布袋除塵器；3）改為電袋除塵。

4.1 電場擴容改造

優點：增加收塵面積即比集塵面積，保留了電除塵器低阻力、低運行費、壽命長、可靠性高、運行維護方便等優點，不必更換原有引風機系統。

缺點：改造費用大；需增加占地面積；增加高壓電源，運行費用增加；無法改變粉塵比電阻等特性，電除塵器依舊被動適應粉塵及煙氣工況。對于高比電阻粉塵，眾多電除塵器單純采用擴容改造的效果并不理想。

4.2 改為布袋除塵器

布袋除塵器優點：1）除塵效率高，可達99.9%以上，出口含塵濃度可保證50mg/Nm3甚至30mg/Nm3以下；2）附屬設備少，一次性投資較電除塵器低，技術要求沒有電除塵器那樣高；3）能捕集高比電阻粉塵及微細粉塵。

布袋除塵器缺點：1）運行阻力較大，一般壓力損失為1000～1500Pa，故運行費用高；2）濾袋作為布袋除塵器的核心，其成本約占整體成本的1/3以上，濾袋對煙氣溫度、濕度、含氧量及硫氧化物含量有一定的要求，使用條件較苛刻。濾袋壽命短，需要定期換袋，維護成本高；3）電除塵器改成布袋除塵器，原電除塵器部件利用率低，改造成本高。

4.3 改為電袋除塵器

近年來，電袋除塵器的應用呈逐漸增長的趨勢。電袋除塵器是通過電除塵器與布袋除塵器有機結合的一種新型除塵器，它充分發揮電除塵器和布袋除塵器各自的除塵優勢，彌補了電除塵器和布袋除塵器的除塵缺點。理論上，該復合型除塵器效率較高、濾袋阻力較但因布袋除塵器低，壽命也較長。但實際應用中也時常有除塵效率出現波動及破袋情況出現，一旦破袋，除塵效率急劇下降。對于電袋除塵器的大型化，也存在氣流分布不均等一些技術難點。

5 結語

（1）SO3煙氣調質能夠有效解決由于燃燒低硫高灰分煤而引起飛灰比電阻升高、電除塵除塵效率下降這一難題，調質后可使飛灰比電阻降低2～3個數量級。

（2）煙氣調質為老電除塵器的提效改造提供了高效、簡捷的技術手段，特別適合老電除塵器提效改造且無擴容空間場合，原電除塵器無需改造，只需增設調質設備即可大大提高除塵效率。相比其它改造方案，具有安裝周期短、投資小、運行成本低等特點。

（3）電除塵器增設煙氣調質，從改變粉塵比電阻等特性的源頭入手，改變了傳統電除塵器完全被動適應粉塵及煙氣工況的情況，是一種全新的除塵技術方案。

（3）本工程改造項目的成功，也從另一方面說明了對于高比電阻粉塵，“SO3煙氣調質+電除塵器”作為新上項目的除塵方案，可以大幅度降低電除塵器的設計規格，電除塵器可以按調質后易收塵粉塵作為選型依據，從而大大降低設備總體的一次性投資。

（略）

Retrofitting Project Using SO3Flue Gas Conditioning for Improving ESP’s Efficiency

CHEN Wen-rui

X701.2

A

1006-5377（2011）08-0026-05