電除塵技術發展面臨的挑戰解析

劉含笑，姚宇平，酈建國，何毓忠，趙琳，許東旭，駱建友, 趙勝清，吳金

（浙江菲達環?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800）

前言

隨著電力工業的高速發展，污染物排放的增加對大氣環境造成了很大影響[11]。2014年9月國家發改委、環保部、國家能源局三部委聯合印發了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，要求嚴控大氣污染物排放[11]。

燃煤電廠排放的大氣污染物主要為煙塵、二氧化硫和氮氧化物，從燃煤電廠煙氣污染物的控制過程來看，我國的火電發展大致經歷了四個階段：煙塵控制階段（2002年以前）、煙氣脫硫的“以新帶老”階段（2003～2007年）、主動煙氣治理與“上大壓小”階段（2008～2013年）、超低排放階段（2014年至今）。超低排放在大氣污染物的煙塵治理中難度最大。

國內外燃煤電廠中采用電除塵器的占比如圖1所示。發達國家的電除塵器占比均在80%以上，日本幾乎所有燃煤電廠的除塵均是采用電除塵器。我國采用電除塵器起步較晚，20世紀90年代使用電除塵器的占比約30%，2000年達到80%，2005年以來達到95%。但隨著超低排放要求及各項標準的實施，袋式除塵和電袋復合除塵技術的應用占比增加，電除塵器所占比例減少至68%。雖然目前電除塵技術依然是我國燃煤電廠煙塵治理的主流技術，但面臨著技術、行業等發展帶來的各種挑戰。

圖1 國內外燃煤電廠中電除塵器占比

1 傳統挑戰：三大技術瓶頸

高比電阻粉塵引起的反電暈、振打引起的二次揚塵及微細粉塵荷電不充分等在很大程度上影響了電除塵器的除塵效率，也是目前電除塵器面臨的主要技術瓶頸[1～3]。

（1）高比電阻粉塵容易引起反電暈，使電除塵器的收塵性能大幅下降（見圖2）。燃煤電廠鍋爐燃用除塵性能差的煤種，電除塵器對其除塵效率低下，粉塵比電阻與除塵效率的關系如圖3所示。

圖2 反電暈

圖3 粉塵比電阻與除塵效率的關系

圖4 電除塵器振打與排放的關系

（2）電除塵器通過振打、聲波等清灰方式清理集塵極上的粉塵，在清灰過程中，一部分已被收集到的粉塵會重新返回到氣流中，最終逸出電除塵器，致使粉塵排放增加。有研究表明，在高效電除塵器出口的粉塵中，約有20%是由清灰過程中的二次揚塵造成的，如圖4所示。（3）粉塵荷電有兩種方式：電場荷電和擴散荷電。對于粒徑大于1μm的粉塵，主要以電場荷電為主；對于粒徑小于0.1μm的粉塵，主要以擴散荷電為主。介于兩者之間的粉塵，電場荷電和擴散荷電均較弱，因此電除塵器對這部分粉塵的除塵效率最低（如圖5所示）。燃煤電廠排放以PM2.5甚至亞微米級的細顆粒為主，以數量計可達到顆粒物總數的90%以上，現有各種除塵設備中細顆粒的穿透率如圖6所示。

圖5 微粒粒徑與驅進速度關系

圖6 現有各種除塵設備中細顆粒的穿透率

2 基本國情：爐型多樣、煤質和工況多變

2.1 爐型多樣

與煤粉爐相比，循環流化床采用電除塵器時，需要更大的比集塵面積，且一般循環流化床鍋爐所燒煤種多為劣質煤。實際工程中某煤粉爐與循環流化床鍋爐配套電除塵器主要參數對比如圖7所示。循環流化床鍋爐所燒煤種的Aar高達43.69%，電除塵器入口煙塵濃度達50g/m3，在達到出口煙塵濃度小于20mg/m3的要求下，所需比集塵面積為124.98m2/m3/s 。

圖7 煤粉爐與循環流化床鍋爐配套電除塵器主要參數對比

2.2 煤質復雜多變

我國的煤質水平參差不齊，據統計，目前燃用高灰劣質煤（灰分不小于25%）的電廠比例約為30%，對國內150種煤種的灰分、硫分及其飛灰的主要成分進行統計分析（如圖8、圖9），煤種中Aar從7%～45%不等，Aar從0.1%～3.5%不等；飛灰中各種成分的差異也較大，如對電除塵性能影響較大的Na2O從0.02%～3.72%不等。

圖8 國內150種煤種的灰分、硫分統計

圖9 國內150種煤種的飛灰主要成分

統計實際飛灰樣品250余種，測算其飛灰實驗室比電阻，結果如圖10所示，飛灰實驗室比電阻變化范圍較大，從106數量級到1013數量級，且在實驗溫度為120℃時，高比電阻粉塵（1011數量級以上）占有相當比例。

圖10 國內250余種飛灰的實驗室比電阻測試結果

2.3 工況多變

鑒于當前煤電產能過剩，煤電利用小時數持續下降，且受新能源發展的沖擊，火電調峰作用日益凸顯，許多機組不得不在低負荷下持續運行。以某電廠600MW機組為例，分別測定其在100%負荷、75%負荷、50%負荷條件下電除塵器的電耗（2280kW、1830kW、1240kW）及比電耗（0.000633kW·h/m3、0.000678kW·h/m3、0.000689kW·h/m3）數據。隨著負荷降低，電除塵器的比電耗升高，這主要是因為，一般電源參數通過手動調節，為保險起見，運行人員一般留有較大余量，也就是說，電除塵器在低負荷運行時，存在較大的降耗空間。

3 超低排放形勢下的新問題

3.1 低低溫電除塵技術提效明顯，但實際工程存在運行電耗偏高的問題

低低溫電除塵技術將煙氣溫度降至酸露點以下，飛灰性質發生極大變化，電除塵效率可得到大幅提升[4～10]，但在國內已投運的低低溫電除塵項目中，經實測，電除塵器的電耗卻普遍偏高。以某1000MW機組為例，其提效情況及電耗情況如圖11所示。

圖11 某1000MW機組低低溫電除塵器提效及電耗情況

3.2 濕式電除塵技術可實現極低排放，但投資及運行費用較高

濕式除塵器作為煙氣治理的終端凈化設備，已廣泛運用于各燃煤電廠[12]。濕式電除塵器可穩定實現超低排放，甚至可實現低于1mg/m3的極低排放，濕式電除塵器的收塵效率不受粉塵性質影響，能夠解決濕法脫硫后的煙塵排放達到超低排放標準，運行可靠穩定[13]。但需額外的投資及運行費用，且除了電耗外還有水耗、堿耗等。基于金屬極板濕式電除塵技術，估算入口煙氣量分別為120萬m3/h（300MW級機組）、210萬m3/h（600MW級機組）和320萬m3/h（1000MW級機組）在不同除塵效率時投資及運行費用如表1所示。

在煤質條件及排放要求相當的條件下，根據實際工程案例，對比某A電廠660MW機組（低低溫+高效WFGD方案）和B電廠660MW機組（低低溫+WESP方案）的經濟性，對比結果如表2所示。在原初步設計的除塵路線基礎上，A電廠投資費用兩臺機組需增加4500萬元，年運行費用增加8萬元；B電廠投資費用增加7900萬元，年運行費用增加160萬元。對于2臺660MW機組，“低低溫+濕式電除塵”方案比“低低溫+高效濕法脫硫”方案多投資3400萬，且運行費用高150萬/a。

表1 不同機組配套金屬極板WESP投資及運行費用估算

表2 除塵方案的經濟性比較

3.3 普通煤種較好經濟性條件下的超低排放及劣質煤超低排放

現有機組中部分項目為了追求低排放，并不計較設備投資及運行費用，是在較大的代價情況下實現的超低排放。因此需要對這類項目進行優化運行，降低運行成本，并對不同類型的技術進行技術經濟性對比，以便后續選擇技術經濟性最佳的技術或技術路線。

我國煤質水平參差不齊，現投運的超低排放機組多燃用優質煤，但仍有較多燃用劣質煤的電廠。燃煤發電的技術成熟度最高，需要提高散煤品質，而將高灰劣質煤用來發電并實現污染物的超低排放，是減少大氣污染排放的有效措施之一，也是煤炭清潔高效可持續開發利用戰略中的必然選擇和重要內容。因此，開展燃煤電站污染物的超低排放，尤其是適用于劣質煤的超低排放技術的應用及研究，具有深切的現實意義和深遠的歷史意義。

3.4 其他問題

總體來說，進一步節能降耗將是所有除塵技術關注的重點。此外，電除塵器對煤種的適應性問題也有待進一步研究，低低溫電除塵技術尚缺少準確、可靠的選型設計方法；旋轉電極電場對現場施工要求較高，部分項目存在安裝不規范引起的設備穩定性欠佳等問題。

金屬板式WESP耗水、外排水量相對較多，如直接外排，需增設廢水處理系統，如進入脫硫塔補水，則增加了脫硫廢水處理的負擔；導電玻璃鋼WESP采用非恒流源電源供電時，玻璃鋼陽極管易發生閃絡擊穿；陽極管導電層易脫落，廢舊陽極管易造成二次污染等。另外，現有除塵設備的制造、安裝及運維水平也有待提高。

4 展望

未來需對現有技術進行節能增效，發展多種污染物協同脫除技術，降低投資和運行成本，繼續推進低低溫電除塵技術等在超低排放機組中的應用，推廣節水型WESP，提高WESP的可靠性和多種污染物協同控制水平；提高設備的制造、安裝及運維水平。

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