新排放標準情況下火電廠除塵方式的選擇

趙建民

（大唐國際發電股份有限公司福建分公司，福州 350000）

1 引言

2011年7月29日，環境保護部和國家質量監督檢驗檢疫總局發布了最新版的《火電廠大氣污染物排放標準》，標準對火電廠大氣污染物排放限值做了更為嚴格的規定，特別是煙塵排放限值由原來的50mg/m3下降至30mg/m3，重點地區為20mg/m3，該標準已經達到甚至超過發達國家的標準，對國內的除塵技術提出了新的挑戰。

目前我國燃煤電廠主要的除塵設備是電除塵器，輔以部分袋式除塵器作為補充。新標準出臺后，在除塵方式的選擇上引起了爭論，社會上甚至有觀點認為電除塵器已不能滿足新的排放限值要求，應由袋式除塵器取而代之。這種看法并不客觀。從當今發達國家電除塵器的使用情況以及國內電除塵器的應用實例來看，都充分說明：即使粉塵排放標準提高到20mg/m3甚至更高，電除塵器仍然可以是燃煤電廠的主要除塵設備和技術途徑。

2 國外燃煤電廠除塵方式的選擇

歐、美、日等國家和地區粉塵排放要求較高的燃煤電廠主要采用電除塵器，出口排放一般都在20～30mg/m3，運行情況良好。如：歐盟2001/80/EC指令中規定粉塵排放限值為30mg/m3，其電除塵器約占85%，目前西歐電除塵器的平均排放限值小于10mg/m3；美國2005年規定粉塵排放限值為20mg/m3，其電除塵器約占80%；日本大部分地方政府制定的粉塵排放標準均低于20mg/m3，其燃煤電廠全部采用電除塵器。

可以看出，歐、美、日等發達國家執行了比中國更為嚴格的排放標準，而電除塵器仍被廣泛使用。在德國和日本，電除塵器的占有率具有絕對的壓倒優勢，而特別具有諷刺意味的是日本和德國恰恰是世界上兩個最大的袋除塵器濾料纖維出口國。

發達國家燃煤質量較好，煤源穩定、熱值高、灰分低，應用電除塵器比較有利。但值得注意的是，印度、越南等發展中國家燃煤電廠也大都采用電除塵器。印度的煤種可以說是世界上最難收塵的煤種，具有高灰分、高比電阻、低熱值、低硫、低Na2O等諸多不利因素，電除塵器對粉塵的捕集比較困難，但近年來新建600MW級機組還是選擇了7～10電場，比集塵面積200～300m2/m3/s的超大型電除塵器，印度燃煤電廠90%以上采用電除塵器。可見，電除塵器許多獨特的優點為各國所共識。

國外許多研究機構就電除塵器能否適應日趨嚴格的粉塵排放標準進行了研究。比如，歐洲暖通空調協會聯盟（Rehva）/CostG3組織認為，“干式電除塵器可保證排放在10mg/m3以下，如需要可以達到5mg/m3以下。濕式電除塵器可實現小于1mg/m3的粉塵排放”。

3 國內燃煤電廠大機組電除塵器應用情況

2010年，中國環境保護產業協會電除塵委員會組織我國18位電除塵專家對電除塵器在國內的煤種適應性情況進行了分析和總結。對燃煤電廠而言，煤、飛灰成分對電除塵器性能的影響最大。通過對2006—2008年國內138個電除塵器投標項目進行研究分析得出，對電除塵器除塵“難”的煤種僅有3種，占總煤種數量的2.46%；“較難”的煤種有14種，占總煤種數量的11.48%；“一般”的煤種有40種，占總煤種數量的32.79%；“較容易”的煤種有49種，占總煤種數量的40.16%；“容易”的煤種有16種，占總煤種數量的13.11%。顯然，對于電除塵器而言，國內86%的煤種都在“容易”到“一般”的范圍內，即使放在國際視角上比較，電除塵器對我國煤種的適應性也是比較好的。

中國環境保護產業協會電除塵委員會對福建龍凈、浙江菲達、蘭州電力、浙江天潔、上海冶礦5家除塵設備生產廠的電除塵器應用情況進行了調查。調查顯示，2004—2010年間上述企業已投運并經第三方測試的600MW機組以上配套電除塵器175臺，全部達到合同規定的技術要求。值得注意的是，其中在電除塵器電場數3～4個、比集塵面積80～110m2/m3/s這一低電場數、低比集塵面積前提下，電除塵器實測排放低于50mg/m3的有83臺，占測試總數的47.4%，排放低于30mg/m3的也有22臺。這充分說明對于我國的燃煤電廠來說，在適當增加電場數量和比集塵面積的情況下，達到30mg/m3甚至20mg/m3的低排放是完全可以實現的。

4 電除塵器新技術的發展應用

近年來，國內電除塵行業加大了對新技術的研究和開發力度。低低溫電除塵技術、高頻電源、機電多復式雙區、濕式電除塵器、煙氣調質、移動電極、煙道凝聚器等等一批先進實用的新技術不但為電除塵器實現低排放創造了更好的條件，擴大了電除塵器的應用范圍，還不同程度地提高了產品的技術經濟性。目前，國內推廣應用和積極研究的新技術和產品主要有如下幾種。

4.1 低低溫電除塵技術

自1997年起，由于日本地方環保排放控制綜合要求不斷提高，對應的煙氣處理工藝促使低低溫高效煙氣處理技術在日本火電機組得到全面發展。低低溫煙氣處理技術工藝的原理是在鍋爐空預器后設置MGGH（熱媒水熱量回收系統），使進入除塵器入口的煙氣溫度由原來的130℃～150℃降低至90℃左右（日本稱為低低溫狀態），從而提高常規電除塵的收塵性能。而濕法脫硫裝置出口設置MGGH通過熱媒水密封循環流動，將從降溫換熱器獲得熱量去加熱脫硫后凈煙氣，使其溫度從50℃左右升高至80℃以上。具體工藝流程見圖1。

圖1 低低溫電除塵技術工藝流程圖

低低溫技術除塵提效的核心措施就是在傳統干式電除塵器之前布置了一級MGGH，將電除塵器的運行溫度降低至低低溫狀態，對于電除塵器來說，帶來了兩個顯著優勢：

（1）任何煙塵基本都沒有高比電阻狀態，不會發生反電暈現象，圖2是常規鍋爐飛灰比電阻值與煙氣溫度的關系曲線。一般當煙氣溫度在130℃～150℃時，煙塵比電阻值處于較高點，電除塵器易出現低電壓、大電流的“反電暈”現象，造成除塵效率下降。而在90℃～110℃區間時，煙塵比電阻值可以下降1～2個數量級，使飛灰比電阻值下降至1011以下，使得煙塵比電阻處于最適宜電除塵器收塵的比電阻范圍內，從而確保電除塵器的高效收塵，可完全杜絕“反電暈”現象的發生。

（2）煙氣溫度降低使得煙氣量減小，煙氣通過電場的流速降低，停留時間增加，相當于電除塵器的比集塵面積增加。排煙溫度每降低10℃，煙氣量減少2.5%～3%。

（3）排煙溫度降低還會使電場擊穿電壓升高，從而提高電除塵的除塵效率。根據經驗公式估算，煙溫每降低10℃，電場擊穿電壓上升約3% 。

圖2 鍋爐飛灰比電阻值與煙氣溫度的關系曲線

另外，對于整個系統來講，由于電除塵器前煙溫降低至90℃左右，煙氣中的氣態SO3會完全冷凝形成液態，從而被電除塵器前大量的粉塵顆粒所吸附，再通過電除塵器對粉塵的收集而被去除，相當于SO3調質的作用，可以大大提高電除塵器性能。同時SO3的去除避免了下游設備因SO3引起的酸腐蝕問題。這樣FGD系統基本不用專門考慮SO3的腐蝕，同時又充分發揮了脫硫后GGH的作用，把煙氣加熱到足夠溫度，滿足環保擴散要求，節省了大筆防腐投資、維修工作量和有關費用。對于濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝來說，由于進入吸收塔的煙氣降至90℃左右，可以大大減少脫硫噴淋水的耗量，并提高脫硫的反應效果，進一步降低能耗。

通過管式煙氣換熱器的煙氣不會泄露，并能有效利用回收的熱能，不僅可以將此部分熱能用于煙氣再加熱系統，還可用于加熱汽機冷凝水系統，減少煤耗或輸送給采暖供熱系統。

根據工況條件及環保節能要求的不同，低低溫煙氣處理工藝可采取如下3套布置方案：

方案一：以煙氣降溫為核心的電除塵增效、節能綜合技術方案，即在電除塵器前布置換熱器來降低煙溫至90℃～110℃，回收余熱用于加熱汽機冷凝水系統，從而減少汽機抽氣量來減少煤耗。見圖3。

圖3 低低溫煙氣處理工藝布置方案一

方案二：以煙氣降溫為核心的電除塵增效、節能、脫硫增效綜合技術方案，即在電除塵器前后各布置一套換熱器來降低煙溫，除塵器前降至90℃～110℃，除塵器后繼續降低至70℃～80℃（進入濕法脫硫吸收塔所需煙溫），回收余熱用于加熱汽機冷凝水系統，從而減少汽機抽氣量來減少煤耗，并降低脫硫工藝水耗量。見圖4。

圖4 低低溫煙氣處理工藝布置方案二

方案三：以煙氣降溫為核心的電除塵增效、節能、煙囪防腐蝕綜合技術方案，即在電除塵器前和脫硫吸收塔后各布置一套換熱器，將用除塵器前回收的余熱用于脫硫后煙溫的再熱，在節能的同時解決煙囪防腐難題。與日本電廠工藝相同。見圖5。

圖5 低低溫煙氣處理工藝布置方案三

以上三種方案的核心除塵提效技術都是利用煙溫降低至低低溫狀態來實現的，但對于余熱回收的力度和用途不盡相同。因此這三種方案需要各電廠根據實際工況條件以及各自不同的環保和節能需要靈活選用。

寧德電廠4#爐600MW機組配套電除塵器就采用了低低溫煙氣處理工藝方案進行提效改造，應用了電除塵器前增設煙氣余熱利用裝置的除塵提效方案。

（1）具體改造措施：在空預器和電除塵器之間的煙道處加裝煙氣余熱利用節能換熱裝置；對電除塵器電場內部做了常規檢修。

（2）改造效果：除塵器平均出口排放濃度由改造前的97.64mg/m3下降到24.89mg/m3。在設計凝結水用量45%的情況下，煙溫從150℃下降到95℃（降幅達到55℃），煙氣換熱降溫達到了預期效果。

（3）節能經濟性分析：節約煤耗，每發1度電節約電煤2.5g/kW·h，機組年發電利用小時數為5500h，平均煤價900元/t，則每年可降低電煤消耗費用：

60×5500×900×2.5/106=742.5萬元/a

（4）脫硫工藝水耗：根據電廠自身運行的統計數據，由于煙溫降低后，工藝用水可以節約45t/h左右，按每噸工藝用水2元計算，則每年可降低運行成本：

45×5500×2/104=49.5萬元/a

綜上，本項目合計每年至少可節省運行成本792萬元，2～3年的時間即可收回設備的全部投資費用。可見，采用低低溫電除塵器提效技術，不僅能提高電除塵器的效率，每年還能節省792萬元的運行成本，且節省的費用與電除塵的正常運行費用相當，甚至還要高些。

實踐證明，低低溫電除塵工藝在日本燃煤火電廠運行十多年來是成功的，也是一項成熟可靠的除塵工藝。同時從該技術經消化吸收改進后應用在國內的實際工程情況來看，也都十分成功，也為今后進一步的推廣應用積累了建設和運行經驗。

該技術特別適合于在煙溫較高的老機組提效改造項目以及新建機組上使用。

4.2 高頻電源

電除塵用高頻高壓供電裝置（簡稱：高頻電源）是相對于目前常規工頻（50Hz）電源而言，高頻電源的基本原理如圖6。高頻電源的頻率一般達到20k～30kHz ，特別是國內企業龍凈公司的高頻電源頻率可達40kHz，相當于常規工頻電源的800倍。高頻高壓供電技術是當今國內外電除塵器供電的前沿技術，此技術僅掌握在世界少數幾個國家，目前僅有美國、瑞典、中國等幾個國家有成功投入商業運行的實際經驗。

高頻電源的出現，對電除塵性能的提高具有十分重要的意義。從現場實際使用效果來看，高頻電源可節電20%～40%，提效可達20%～30%。

圖6 高頻電源的基本原理

高頻電源三相交流輸入整流為直流電源，經全橋逆變為高頻交流，隨后升壓整流輸出直流高壓。高頻電源工作頻率可達40kHz，主要包括三個部分：變換器（整流、逆變）、變壓器（升壓、整流）、控制器。其中全橋變換器實現直流到高頻交流的轉換，高頻變壓器/高頻整流器實現升壓整流輸出，為電除塵提供高壓電源。

（1）高頻電源優越的性能特點

高頻電源具有輸出紋波小、平均電壓電流高、體積小、重量輕、成套設備集成一體化、轉換效率與功率因數高、采用三相電源對電網影響小等顯著優點，特別是可大幅度提高除塵效率，所以它是傳統可控硅工頻電源革命性的更新換代產品。高頻電源的應用實現了電除塵器供電電源技術水平質的飛躍，極大拓展了電除塵器的適應范圍，對我國環保設備配套電源產品的產業結構調整和優化升級產生了重要的影響。

（2）高頻電源提高除塵效率的原理

高頻電源輸出直流電壓比工頻電源平均電壓要高約30%，因為工頻電源峰值電壓在電除塵器電場中會觸發火花，容易限制了加在電極上的平均電壓。而高頻電源諧振頻率為30k～40kHz，與常規的工頻電源相比，高頻電源紋波系數小于5%，在直流供電時它的二次電壓波形幾乎為一條直線，高頻電源提供了近乎無波動的直流輸出，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，提高了電除塵器的效率（見圖7）。

圖7 高頻電源提高除塵效率的原理

（3）高頻電源高效節能

高頻電源效率＞0.9，功率因數＞0.9，比工頻電源固有節能20%以上，設備運行3～5年節省的電費相當于收回全部投資。高頻電源在純直流供電的方式下，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。高頻電源在額定負載下比常規工頻電源節能約20%，在非額定輸出時節能比例更大。在通常情況下，除塵電源是沒有滿負荷輸出的，因此，高頻電源節能效果顯著。

（4）單臺高頻電源節能分析

2008年3月，河南電力試驗研究院對三門峽華陽發電有限責任公司2#爐電除塵器進行效率測試的同時，進行了高頻電源節能對比測試，測試數據見表1。

表1 除塵器右室一電場分別采用高頻電源和工頻電源對比測試

高頻輸出功率49.5kW，工頻輸出功率42kW，如果工頻電源也按49.5kW輸出功率時，假定其功率因數與效率不變，可以折算出工頻電源輸入功率為49.5/42×71.23 =83.95kVA。

折算后節能 = 83.95 - 56.68 = 27.27kVA

折算后節能比 = 27.27/83.95 = 32.5%

由實測可以看出，單臺高頻電源與單臺工頻電源節能比為32.5%，節能效果可觀。

（5）電除塵成套高頻電源節能分析

某600MW機組的電除塵配套16臺1.5A高壓電源，采用高頻電源方案與采用工頻電源方案的消耗功率對比見表2。

表2 消耗功率對比

配套高頻電源時額定總輸入有功功率比1.5A工頻電源減少398.72kW，總輸入功率降低是非常明顯的，按電除塵每年運行8000小時計算，采用高頻電源，一年可節電約318.9670萬kW·h，按每度電0.4元計算，節電費用約127.59萬元。

該技術適用于各類老機組的除塵提效和節能項目，也可在新建機組上直接使用。

4.3 機電多復式雙區

機電多復式雙區電除塵器是在電除塵器的末電場使用機電多復式的雙區電場。主要特點是在電場結構設計上，不僅可將粉塵荷電區和收塵區分開，而且能采用連續多個小雙區進行復式配置。同時，在配電上采用獨立電源分別對荷電區與收塵區供電，使荷電與收塵各區段的電氣運行條件最佳化。由于收塵區采用了高場強的圓管+板式的極配形式，實現了高電壓低電流的運行特性，可以有效提高對電除塵器末電場細微粉塵的捕集，并可以抑制高比電阻粉塵的反電暈與低比電阻粉塵的二次反彈現象，同時管式電極還可以收集荷正電的粉塵，從而提高除塵效率。機電多復式雙區電除塵器的結構見圖8。

圖8 雙區電除塵器的結構

自2004年第一臺機電多復式雙區電除塵器投運至今，在國內已有近百臺雙區電除塵，經過分析總結，末電場應用機電多復式雙區后，相當于增加10%～15%的收塵面積，特別適用于場地受限的老機組改造項目，同時也適合在一些高比電阻粉塵的新建機組上直接采用該技術。

4.4 濕式電除塵器

濕式電除塵器結構與常規電除塵器結構基本類似（見圖9），所不同的是濕式電除塵器取消了傳統的振打清灰方式，而用一套噴淋系統取代振打系統用以清灰，以此達到更高的收塵效率，脫除SO3、PM2.5等污染物的目的。

圖9 濕式電除塵器結構

濕式電除塵器克服傳統干式電除塵技術的反電暈與二次揚塵等瓶頸限制，具有極高的除塵效率。該產品一般設置于濕法脫硫后的煙氣處理，可以有效控制PM2.5細微顆粒物、SO3酸霧、氣溶膠、汞等重金屬和二英等復合污染物，達到粉塵接近零排放的目標。

濕式電除塵器在美國、日本、歐洲等發達國家和地區已經有近30年的歷史，技術已經非常成熟。該技術適用于國家排放標準或PM2.5更為敏感的重點地區的老機組改造項目和新建機組，可以達到滿意的效果。

4.5 煙氣調質

煙氣調質技術是通過向煙氣中噴入一些物質以調整煙氣的組分及某些物理特性，從而降低粉塵比電阻，提高電除塵效率。目前，普遍應用的是SO3煙氣調質技術，即向煙氣中噴入SO3氣體，利用其易冷凝和吸附于粉塵表面的特性，使得粉塵表面形成酸膜，從而形成導電通道，降低粉塵比電阻，提高除塵效率。

該技術在德國、美國應用多年，多用于老機組的提效改造，在世界范圍內運行的煙氣調質系統已經超過500套。該技術適用于粉塵比電阻高的老機組提效項目，以及設計煤和校核煤差異較大的新建機組。

4.6 移動電極

移動電極電除塵器與常規電除塵器的收塵原理完全相同（如圖10），陽極板在驅動輪的帶動下緩慢地上下移動，附著在極板上的粉塵隨極板轉移到非收塵區域，被正反兩把轉動清灰刷刷除，粉塵直接刷落于灰斗中，減少了二次揚塵。由于集塵極能保持清潔狀態且粉塵在灰斗中被清除，有效克服了困擾常規電除塵器對高比電阻粉塵的反電暈及振打二次揚塵等問題，可以提高除塵效率。

圖10 移動電極原理示意

移動電極為日本日立公司的專利產品，自1979第一臺設備投入工業應用以來，30多年的時間內共計有49臺的工程業績，其中電力燃煤鍋爐至今配套22臺/套。目前，我國個別設備廠家仿照日立結構在國內市場推出了大概6臺機組，從實際使用情況來看，效果平平，故障率較高。依目前國內除塵產品的機加工和安裝水平分析，移動電極技術并不是最佳選擇。

移動電極相比常規電除塵器轉動部件較多，發生故障的可能性相對較大。移動電極的電場比常規電除塵器少，如果有電場發生故障退出運行，對除塵效率影響較大，易對其后的脫硫系統運行造成不利影響。移動電極上的鏈條、鏈輪長期在高粉塵環境里運行，存在磨損問題。極板在清灰過程中與清灰刷摩擦較大，清灰刷與極板間的間隙容易變大，目前的生產廠家雖然設計有調整裝置，但需要在除塵器停運時進行調整。與常規電除塵相比，極板和清灰刷驅動電機消耗了額外的電功率。特別是由于運動配合部件繁多，其所需要的制造以及安裝水平也很高。另外，還增加了維護保養的難度。

4.7 煙道凝聚器

煙道凝聚器的工作原理是使含塵氣體在進入電除塵器前，利用聲、電、化學等方法使得粉塵顆粒發生凝聚，使較難收塵的細顆粒物凝聚為大顆粒后再進入電除塵器，以利于收塵。目前，通過在煙道布置擾流裝置和采用雙極荷電方式的電凝聚最為熱門，國外已進入工業應用階段，效果良好。

5 選擇除塵方式的建議

5.1 現役除塵設備

國內現有的電除塵器大多數是在近幾年建成投產的，除塵器具備一定規格（大多數比集塵面積大于或接近100m2/m3/s），除塵效率較高。在新標準出臺后，大多數除塵器與新標準差距并不大，簡單地改造成袋式除塵器勢必會造成國有資產的重大浪費。

從科學、理性的角度分析，電除塵器的改造方式切不可“千篇一律”。應從設備現狀、工況特性、現場條件等進行全面的分析，針對各電廠的不同情況，提出最具性價比、最為可靠的改造方案。

根據每個電廠不同的情況，大致分為以下3種，給出的針對性建議如下：

（1）對于燃燒煤種、工況條件適宜采用電除塵技術的項目，由于原設計標準較低、設計集塵面積比較臨界、安裝調試不到位或燃料工況變動所造成除塵器排放在100mg/Nm3左右的情況建議如下：

1）首先考慮采用余熱利用（低低溫技術方案）、高頻電源、機電多復式雙區技術、煙氣調質等技術來滿足新標準；

2）場地條件允許時，電除塵器也可采用擴容或擴容加其它特色技術組合來共同實現超低排放；

3）對于場地條件不允許并且采用電除塵器新技術仍無法滿足新標準時，可采用袋式技術改造。

（2）若原設計集塵面積過小、燃料條件過差造成除塵器現排放大于300mg/Nm3且無場地擴容的情況，推薦采用袋式除塵設備。

（3）介于以上2種情況之間，本著可靠、經濟的原則，進行詳盡的可行性分析后再確定方案。

5.2 新建機組配套除塵設備

（1）應根據煤種特點進行科學分析，由于我國86%以上的煤種都是比較適宜采用電除塵收塵的，所以對于適合電除塵器的煤種應優先選擇采用電除塵方式。

（2）對于較難收塵的煤種，優先選用電除塵并配套使用電除塵新技術等輔助手段，與袋式收塵方式做經濟性對比，擇優選取。在經濟性對比時，不能僅比較一次性投資，應考慮全周期和二次污染等環保新問題。

（3）除塵器選型時應考慮到煤種的波動性，需按較差煤種選型。規范項目招投標及評審制度，相關單位在發項目標書前應充分評估煤種參數波動對電除塵器性能的影響，并參照國外做法和經驗在標書中對電除塵技術參數提出必要約束條件，如限值最低比集塵面積、最低斷面積等。規范評標辦法，綜合評定性價比最優者中標，不保護低價中標，避免行業內惡性競爭。

6 結語

經過30多年的發展，我國的電除塵行業已經成為我國環保產業中能與國際廠商抗衡且最具競爭力的一個行業。發達國家燃煤電廠80%以上采用電除塵器，煙塵排放濃度普遍低于20mg/m3。我國燃煤電廠已經投運的大型機組電除塵器也有大量低于30mg/m3的實際案例。顯然，電除塵器是能夠滿足我國新排放標準的一種高效節能設備，同時具有良好的技術經濟性。可以預見，在新的排放標準下，電除塵器仍是我國新建大型工業項目尤其是燃煤電廠粉塵治理的主流除塵設備之一。特別是諸多的電除塵新技術的不斷涌現和發展，必將會使電除塵技術煥發新的活力，發揮更大的作用。

[1]中國環境保護產業協會電除塵委員會.高標準不是翻不過去的山[N].中國環境報，2010-11-10（5）.

[2]龍輝，王盾.低低溫高效煙氣處理技術發展應用及展望[C].中國環境保護產業協會電除塵委員會第十三屆中國電除塵學術會議論文集，2009.