滿足新標準采用電除塵新技術改造的應用與分析

羅如生，廖增安，陳麗艷

(福建龍凈環保股份有限公司，福建龍巖 364000)

滿足新標準采用電除塵新技術改造的應用與分析

羅如生，廖增安，陳麗艷

(福建龍凈環保股份有限公司，福建龍巖 364000)

提出了現有電除塵器可采用余熱利用節能、高頻電源、雙區結構、隔離振打等新技術進行提效節能改造的思路，分析了這些新技術的技術特性，并進行了實際案例剖析，對滿足《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)煙塵排放的要求，形成現有電除塵器的新型改造模式具有重要參考價值。

新標準;電除塵改造;余熱利用;高頻電源;雙區結構;隔離振打;節能減排

0 引言

近年來，隨著我國經濟快速發展，電力需求和供應持續增長。截至2010年底，全國電力裝機容量已達9.62億kW，居世界第二位，其中火電為7.07億kW，占全國總裝機容量的73%，火電發電量約占全部發電量的80%以上，燃煤消耗量巨大。雖然目前我國的電力裝機容量已經躍居世界第二，但是人均水平僅為0.74kW，而美國為3.5kW，日本為2kW，歐盟為1.4kW，因此電力行業在我國尚有很大的發展空間。我國以燃煤為主的能源結構將較長期維持，煤炭燃燒是我國粉塵污染的主要來源之一。為更好地適應“十二五”環境保護工作的新要求，環境保護部對《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223 -2003)進行了修訂。新標準區分現有和新建火電建設項目，分別規定了對應的排放控制要求:對新建火電廠，從2012-01-01起，火電廠的大氣污染物排放限值將受到更嚴格的限制，并增設汞的排放限值;對現有火電廠，設置了兩年半的達標排放過渡期，即從2014-07-01起，現有火力發電鍋爐煙塵、二氧化硫、氮氧化物和煙氣黑度排放限值按新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)執行，給出了一定時間進行機組改造。

火電廠新排放標準的出臺，迫使現役機組中約50%需進行除塵改造，其裝機容量達3.5億kW，如按改造價格30～50元/kW估算，則需100億元。面對現役電除塵器存在煙溫高、煤質變化大、場地有限等改造特點和難點，用常規電除塵技術改造難以滿足新標準的要求，電除塵器應如何把握機遇、迎接挑戰，如何進行節能減排改造，必需有新的思路和有力的技術保障措施。

1 電除塵節能減排改造新技術應用的思路

1.1 新排放標準要求更加嚴格

新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223 -2011)提高了包括SO2濃度、NOx濃度、煙塵濃度、汞及其化合物濃度以及煙氣黑度5項指標，高于2003年版本的標準，其中燃煤電廠的煙塵排放限值從現行的200mg/m3、100mg/m3、50mg/m3，提高為30mg/m3(重點地區20mg/m3)。假設電除塵器入口煙塵質量濃度為20g/m3，則電除塵器的除塵效率應分別從99%、99.5%、99.75%提高到99.85%或99.90%，提高幅度很大。另外，我國新標準規執行難度要高于歐盟、美國、日本等國家。

1.2 采用電除塵器是否可行

電除塵器是我國電力工業應用最廣泛的除塵設備，截止2009年底，采用電除塵器的燃煤發電機組裝機容量占95%［1］。美國應用電除塵器比例約占80%，歐盟約占85%，在日本則絕大部分采用電除塵器。大量國內外實際工程應用案例證明，煙氣經電除塵器處理后煙塵排放濃度小于30mg/m3。

對于中國大多數煤種，電除塵器對國內電廠燃用煤種是適應的［2］，使用常規電除塵器就可以達到30mg/m3的煙塵排放標準，部分對電除塵器適應性差和較差的煤種，或場地條件受限時，可以考慮采用電除塵器+各種新技術等輔助措施，以擴大電除塵器適應范圍，降低電除塵器的規格，減少占地面積。

1.3 在役電除塵器存在的主要問題

目前，我國現有在役燃煤電廠應用的電除塵器主要存在以下問題:電除塵器規格偏小，按機組投產時間不同，執行2003年版標準煙塵排放限值分別有200mg/m3、100mg/m3、50mg/m3，由于歷史的原因，電除塵器普遍存在比集塵面積小，電場數少;排煙溫度偏高，我國現役火電機組中鍋爐排煙溫度很大一部分維持在130℃～150℃;燃用煤種變化大，由于受煤價市場的影響，鍋爐實際燃用煤種與設計煤種偏差大;電除塵器裕量不足，由于市場無序競爭等各種原因，設計留有裕量不足;場地受限，執行早期標準建設的有些機組已經歷擴容改造，場地已被利用過;部分機組在新建時就顯得場地緊張，電除塵器占地面積被擠壓。

1.4 電除塵減排改造新技術應用思路

針對現有機組電除塵器需改造的，單純采用常規擴容辦法來提效，沒有針對性措施來保證，而且當遇到擴容改造場地和空間受限時，面對新標準低排放很大程度上制約和影響了其改造的除塵效果。因此，靠單一的增容辦法是不能完全應，因需采用開發新技術、新工藝。

2 余熱利用節能電除塵技術

從能源利用角度看，火電廠余熱資源巨大，如果加以回收利用，不僅可以降低排煙溫度，回收煙氣余熱，提高鍋爐效率，而且還可以增加機組出力，提高電廠系統效率。

2.1 排煙溫度對電除塵器性能的影響

排煙溫度的影響主要包括:排煙溫度每增加10℃，相同發電負荷下需多耗煤1.2% ～2.4%，電場擊穿電壓下降3%;煙溫高會使粉塵比電阻增大，易形成反電暈，造成電除塵器的除塵效率下降，使電除塵器處理煙氣量增大;煙溫高會使氣體的粘滯性變大，導致煙塵顆粒在煙氣中的驅進速度減緩，造成電除塵效率下降。

2.2 余熱利用節能電除塵技術的工作原理

余熱利用節能電除塵技術的工作原理主要采用汽機冷凝水與熱煙氣通過換熱器進行熱交換，使得汽機冷凝水得到額外的熱量，以減小汽機冷凝水回路系統中低壓加熱器的抽汽量，并使得進入電除塵器的運行溫度由通常的煙溫130℃～170℃，下降到溫度90℃～100℃左右，實現余熱利用和提高除塵效率的雙重目的［2］。

2.3 余熱利用節能電除塵技術改造案例

廣東粵嘉電力2×135MW機組超高壓中間再熱循環流化床鍋爐，采用爐內添加石灰脫硫工藝，于2005年建成投運。原電除塵器設計粉塵排放濃度100mg/m3，由于實燒煤質波動大，除塵效率不夠穩定，為使電除塵器出口粉塵排放濃度滿足新的標準，2010年對6號爐實施電除塵器提效改造，即僅在電除塵進口煙道上直接加設余熱利用裝置。

改造后系統運行穩定，達到了預期目標。出口粉塵排放濃度由100mg/m3降至20～30mg/m3;電場平均運行電壓大幅上升;在70%設計冷凝水用量條件下，煙溫從138℃下降到108℃，冷凝水溫從40℃下降到76℃。

3 高頻電源技術

近年來，由于煤價波動大、煤源緊張，使得實際進入電除塵器的粉塵濃度大大增加。同時，粉塵濃度沿氣流方向是遞減分布的，在第一電場的濃度最高。當電除塵器入口含塵濃度太大時，第一電場電流通常很小，提高電流十分困難，在這種情況下，選擇高頻電源應用于前電場，可以很輕松地將電暈電流提高一倍，有效地解決電暈閉塞的問題。

3.1 粉塵濃度對電除塵器效率的影響

(1)電除塵器的入口粉塵濃度、除塵效率、所需陽極板總集塵面積三者之間存在著一定的關系，當電除塵器的出口粉塵濃度為一定限值時，則電除塵器的除塵效率需隨入口粉塵濃度值的增大而提高。在特定工況條件下，電除塵器所需的陽極板總集塵面積隨除塵效率的提高而增大。

(2)電除塵器的電暈電流一方面是由于氣體離子的運動而形成，另一方面是由粉塵子離子運動而形成。隨著煙氣中含塵濃度的增加，粉塵的離子的數量也增多，以致由于粉塵離子所形成的電暈電流雖然不大，但形成的空間電荷卻很大，接近于氣體離子所形成的空間電荷，嚴重抑制電暈電流的產生，電暈使塵粒不能獲得足夠電荷，導致除塵效率下降。

(3)與粉塵濃度有關的空間電荷效應也影響荷電狀態的穩定性。由于火花電壓隨濃度增大而降低，而維持一定的電流密度所需的電壓隨濃度增大而升高，當粉塵濃度較高時，這兩個電壓之間的節距縮短，粉塵濃度出現較大的波動，導致過度的火花放電，除塵器運行穩定性變差［3］。

3.2 高頻電源提效原理

高頻電源工況適應性強，能給除塵器提供接近純直流到脈動幅度很大的各種電壓波形，針對各種特定的工況，可以提供最合適的電壓波形，從而提高除塵效率。高頻電源純直流供電時，輸出直流電壓比工頻電源平均電壓要高約30%。而高頻電源諧振頻率為30～40kHz，同常規的工頻電源相比，高頻電源紋波系數小于3%，在直流供電時它的二次電壓波形幾乎為一條直線，高頻電源提供了幾乎無波動的直流輸出，這使得靜電除塵器能夠以次火花發生點電壓運行，從而提高了電除塵器的供電電壓和電流，增大了電暈功率的輸入，有效地解決前級電場入口粉塵濃度高而帶來的不利影響，提高了電除塵器的除塵效率［4］。

3.3 高頻電源節能原理

高頻電源的設備功率因數高，固有節能約為20%。研究表明，高頻電源在純直流供電方式下，即使在70%的額定輸出功率運行時，設備功率因數與效率維持基本不變，而工頻電源隨著輸出功率的下降，功率因數與效率下降明顯。高頻電源在前電場提高除塵效率，為整臺除塵器的節能提供空間。前電場除塵效率的提高，減輕了后電場負擔，對于后電場而言，相當于鍋爐機組降低負荷，這種節能空間是極為可觀的。在高比電阻工況條件下，當激發反電暈控制功能后，設備間根據反電暈嚴重程度自動進入間歇脈沖供電狀態并尋找、跟蹤最佳的脈沖寬度和脈沖頻度，以獲得最佳的除塵效果。同時，應用間歇脈沖供電可大量節能。

3.4 高頻電源節能提效改造案例

河南三門峽華陽發電公司2號爐，原電除塵器為雙室三電場，于2007年改造為2BEH271/2-4型雙列雙室四電場電除塵器，第一電場采用4臺高頻電源供電。2008年3月由河南電力試驗研究院進行電除塵器效率測試，其中B除塵器右室一電場分別采用高頻電源和工頻電源進行對比測試，發現B電除塵器只采用1臺高頻電源和1臺工頻電源時除塵效率為99.802%，而采用2臺高頻電源時除塵效率為99.876%，粉塵排放降低37.3%，說明采用高頻電源能增大電場荷電強度，提高除塵效率。

4 機電多復式雙區結構

機電多復式雙區結構主要是圍繞提高后級電場除塵效率、捕集細微粉塵、克服反電暈、達到極低排放要求而開發的新型本體結構。

4.1 細微粉塵對電除塵器除塵效率的影響

(1)由于電荷與粉塵粒徑的比值不同，荷電粉塵的驅進速度隨粉塵粒徑不同而異。帶電粉塵向收塵極板移動的速度與粉塵的半徑成正比。

(2)飛灰存在體積導電和表面導電兩種導電機理，這兩種導電機理均與飛灰的粒徑有關。飛灰越細，其空隙率越大，則比電阻越高。

(3)當細微顆粒粉塵較多時，荷電粉塵顆粒數量多，而荷電粉塵遷移率較低，能抑制電暈電流。空間電荷抑制效應導致伏安特性曲線偏移，對于給定的電流，伏安特性曲線偏向高電壓區，這意味著維持相同的電流，必須輸入更高的電壓。

4.2 機電多復式雙區的結構和收塵機理

機電多復式雙區的結構，根據實際項目場地大小和設計要求沿電場長度方向設置2～3組荷電區與收塵區并呈復式交錯布置，荷電區與收塵區在結構上是完全分開的，分別獨立用一套高壓電源。

在收塵機理方面，前區進行充分荷電，而后區的圓管輔助電極和陽極板構成均勻的電場，可提高電場強度和擊穿電壓，實際運行電壓可達80kV，此區的電暈電流僅為荷電區的15%左右，且分布均勻，所以不易發生反電暈，同時節能效果十分明顯。與傳統結構的電場相比，雙區電場具有捕集粉塵的平均效率比較高，能夠捕集到更為細小的荷電塵粒，擁有較大表面積的管式陰極線可以捕集荷正電的塵粒，對煙塵的適應性比較廣等優點［5］。

4.3 機電多復式雙區結構節能提效改造案例

廈門嵩嶼電廠一期2×300MW機組燃煤鍋爐電除塵器原為雙列雙室四電場結構，1996年投運，由于燃用煤種變化，運行幾年后，出口粉塵排放濃度達125mg/m3以上，電廠決定對電除塵器進行改造。由于場地限制，僅在后電場新增一個標準電場且原有設備保持不變，新增一個電場后的比集塵面積較小，為78.30m2/m3/s，在這種情況下用常規技術改造則很難滿足排放要求。為此，采用機電多復式雙區結構于2006年對其進行改造，出口粉塵濃度、除塵效率滿足并超過了設計要求。若改造成普通電場后要達到99.69%的除塵效率，需要的比集塵面積為98.34m2/m3/s，而雙區電除塵比集塵面積僅為82.48m2/m3/s。由此得出，計算雙區電除塵器的改善作用，比集塵面積節省約16%。經對比計算，雙區結構的第五電場比常規電場可減小了近50%的高壓運行功耗。

5 隔離振打技術

電除塵器的振打清灰，要選擇合適的振打機構和振打制度，振打力不宜太大、振打周期不宜太短，否則會破損機構，同時造成二次揚塵。在電場末端采用隔離振打系統，減小振打產生的二次揚塵損失，使電除塵器能夠實現更低的排放要求。

5.1 二次揚塵對電除塵器效率的影響

在第一個電場振打產生的二次飛揚粉塵，可在第二電場有再次被捕集的機會，但在最后一個電場產生二次飛揚的粉塵，必然隨氣流從煙囪排出。在后級電場粉塵粒徑越細，其附著性越強，因此吸附在電極上的細粉塵不易被振打下來，需要更強的振打力，灰產生的二次揚塵更大，這樣會使電除塵器的性能降低。這使得二次揚塵造成電除塵器無法滿足日益嚴格的粉塵顆粒物排放要求，以至于有人說，高性能、低排放電除塵器排除的粉塵，主要是振打清灰產生的二次揚塵。

5.2 隔離振打系統的工作原理

電除塵器末電場的尾部安裝一對孔板，一個固定，另外一個可以活動。在靜止狀態下，可移動孔板上的孔與固定孔板的孔一一對應，此時為打開狀態。當可移動孔板通過提升機械裝置向上移動一個孔的直徑距離后，兩塊孔板將相應的氣流通道關閉，此時為關閉狀態。孔板的關閉和極板振打的同時通過提升孔板與振打系統聯鎖來實現［6］。

5.3 隔離振打系統提效改造案例

1臺危地馬拉某燃油鍋爐的2個電場電除塵器，由于煙氣中粉塵含碳量非常高，比電阻低，振打清灰時產生的二次揚塵嚴重，導致出口粉塵排放濃度很高，除塵效率低。在電場尾部加裝了隔離振打系統后，除塵效率從62%提高到70.5%;出口粉塵排放濃度從22mg/m3降至14.75mg/m3;驅進速度提高了約11%。

6 結語

從上述分析可知，余熱利用節能電除塵技術、高頻電源、機電多復式雙區結構、隔離振打系統等新技術均可以大幅提高電除塵效率，使出口粉塵達到低排放。其中，余熱利用節能電除塵技術、高頻電源、機電多復式雙區結構三種技術還有顯著節能效果。在各種新技術應用方面，應充分地考慮各種新技術的適用范圍和各自優勢，并根據工況條件有針對性地將一種或多種技術合理地應用到電除塵器的改造方案設計中，以提高電除塵器除塵性能，擴大電除塵器對煤種的適應范圍，減少電除塵器改造所需總集塵面積，減少擴容改造占地面積，適應場地條件，取得滿意的效果。一種或多種技術合理地組合應用，將成為實現燃煤電廠在新的粉塵排放標準下達到節能減排雙重目的的新型改造模式，改造市場容量很大，市場前景十分廣闊。

［1］王志軒.我國燃煤電廠煙塵排放與控制［J］.中國電力企業管理，2010，(1):31-34.

［2］陳麗艷，謝小杰，廖增安，等.電除塵器如何滿足低排放研究報告［C］.第十四屆中國電除塵學術會議論文集.重慶:2011.

［3］黎在時.電除塵器的選型安裝與運行管理［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］黃炬彩，毛春華，盧剛.高頻電源在電除塵器中的應用特點［C］.第十四屆中國電除塵學術會議論文集.重慶:2011.

［5］章華熔，蒙 騮，郭 俊.雙區電除塵器在燃煤電廠的應用實踐［C］.第十二屆國際電除塵學術會議論文集.德國紐倫堡:2011.

［6］Stephen L Francis，Andreas B?ck，Per Johansson.Reduction of Rapping Losses to Improve ESP Performance［C］.第十一屆國際電除塵學術會議論文集.杭州:2008.

Application and analysis of new technologies on ESP emission reduction retrofit to meet new standard

It raises a brand new idea for ESP retrofit by using new ESP technologies such as LSC ESP，high frequency power supply，double-stage structure and isolated rapping system.The technical characteristics of these new ESP technologies are analyzed.The practical application cases are analyzed.It proves that flexible combination of these new technologies will achieve a new retrofit model of both energy saving and emission control for coal-fired power plants under the new Standard for Air Pollutant emission of Thermal Power Plants.

new standard;ESP retrofit;heat recovery;high frequency power supply;two-stage structure;isolated rapping;energy conservation and emission reduction

X701.2

B

1674-8069(2012)04-014-04

2012-05-14;

2012-06-12

羅如生(1966-)，男，福建龍巖人，工程師，長期從事環保行業各種除塵技術的研究及產品應用工作。E-mail: 13906972029@139.com