煤電機組超低排放煙塵控制集成技術分析

趙寧寧

（聊城市茌平區環境監控中心，山東 聊城 252100）

眾所周知，我國是一個多煤少油的國家，煤炭資源又是中國能源的主要組成部分。近年來，發電裝機容量中60%是煤電，發電量中約70%是煤電。另一方面，基于中國目前的科技成熟度和盈利能力，煤炭資源又是中國經濟最有力的支撐。根據最新統計數據，2017年，能源生產的煤約為42 000億千瓦時，相當于能源生產的66.7%。盡管碳能源產量略低于2016年能源產量的67.5%，但碳能源也能向高效清潔的用途轉變，因此，在未來很長一段時間內，其他能源都無法完全取代煤電。

在石化、電氣、焦炭和冶金工業中，工業鍋爐主要燃燒的是煤炭。燃煤發電廠的鍋爐以及各種工業爐的煙塵和廢氣中含有二氧化硫和一氧化氮等有害成分，形成強酸雨和大霧等，使自然環境受到破壞，嚴重影響了國民經濟的可持續發展和人們的身體健康。

1 燃煤電站大氣污染物的排放特征

1.1 燃煤電站大氣污染物的排放特征

燃煤電站的鍋爐在日常使用過程中，會排放出二氧化硫、NOx、粉塵、煙霧等大氣污染物；鍋爐的類型直接決定了所排出煙塵的特征；煤粉爐運行過程中會形成濃度為30 g/m3左右的煙塵，其中約有1/4為粒徑不超過10 μm的顆粒，約有80%左右的飛灰；流化床會形成濃度高達60 g/m3左右的煙塵。燃煤的成分直接決定了二氧化硫的生成量，燃煤鍋爐產生的二氧化硫濃度范圍在800～10 000 mg/m3，利用噴鈣技術可以有效脫硫，其脫硫率達到50%以上；流化床燃燒能夠實現85%的脫硫率。燃料和熱力型鍋爐會產生NOx，煤粉爐產生的NOx濃度范圍為221～5 070 mg/m3，通過低氮燃燒的方式能夠降低生成NOx的濃度；流化床產生的NOx濃度范圍為74～221 mg/m3。相對其他污染物而，排放出的重金屬濃度較低，然而其形態較為復雜，且種類繁多[1]。

1.2 燃煤電站超低排放的技術要求

通過分析燃煤電站鍋爐的大氣污染物排放特征發現，當顆粒物的排放濃度達到10 mg/m3時，就需要綜合除塵效率達到99%以上的煙氣控制系統，同時還對其細顆粒物的捕集能力提出較高要求；對流化床而言，需要用到綜合除塵效率為99.98%以上的煙氣控制系統。當二氧化硫的排放濃度達到35 mg/m3時，那么就需要用到綜合脫硫效率為95.6%以上的煙氣控制系統。如果用到爐內噴鈣技術，則需要用到綜合脫硫效率為90.2%以上的煙氣控制系統。燃燒脫硫的循環流化床，需要用到綜合脫硫效率為56.2%以上的煙氣控制系統。當NOx的排放濃度達到50 mg/m3，那么需要用到綜合脫硝效率為77.3%以上的煙氣控制系統。如果采用低氮燃燒技術，則需要用到綜合脫硝效率為72.8%以上的煙氣控制系統。針對流化床，需要用到綜合脫硝效率為32.4%以上的煙氣控制系統[2]。

2 現行煙氣治理存在的主要問題

盡管隨著技術的發展，煙塵技術與管理措施都較為先進，然而，根據對煙霧、灰塵和操作系統的分析，許多電氣設備仍被設計為對系統、機器質量、機器設計、安裝和損壞操作的管理。

2.1 煙塵超標問題

一些企業排放的粉塵量超出國家限定的要求，其原因還是結構所引起的。目前的電除塵器面積小于粉塵面積，而且除塵設備的除塵效率都達不到相關的標準要求?，F實碳質量與計劃碳質量不同，除塵器無法適應碳質量的變化，導致其活動減少；設備老化和早期使用維護會影響ESP的電場性能。

2.2 脫硝系統問題

基礎設施系統中也存在較多的問題，主要包括：脫硝技術國際化、失效催化劑的處置與重復利用、液氮的安全性等。

另外，低氣體負荷下選擇性催化還原技術排放的問題也有待解決。通常而言，機組負荷下，煙氣溫度降低，導致脫硝設備不能正常工作。然而，目前，實際爐內NOx的濃度大大高出實測濃度。另外，排水系統經常會堵塞進氣道。

2.3 “石膏雨”問題

取消煙氣熱交換器（GGH）后，使安裝在濕煙氣液壓系統中的煙氣發生器設置的煙氣溫度降低，易受廢液雜質的影響，導致“石膏雨”現象，在正常天氣條件下，在煙囪附近區域會滴下小水滴，這種現象通常發生在煙囪約800 m深的地方。在機組負荷大、環境溫度低的情況下，“石膏雨”現象尤為嚴重[3]。

2.4 脫硫系統問題

一些生產企業設計的燃煤硫分值出現較大偏差的問題。當前脫硫裝置普遍存在實際燃煤硫分與熱值和設計值存在較大偏差，進而引起脫硫設施入口二氧化硫及煙氣量的濃度超出標準要求。部分電力企業的實際燃煤硫分超出設計值的一倍之多。

一些電力生產企業在脫硫設施入口有較高濃度的煙塵，無法達到脫硫設施的標準要求。尤其是在老廠改建時，這種情況更加突出。脫硫塔中堆積了大量的煙塵，會導致脫硫塔的脫硫效率大大下降，使得副產物的脫水性能受到影響，進而磨損整個系統，甚至還會導致吸收漿液的品質下降，影響脫硫設備的正常運行。除此之外，由于人為操作等原因，會造成綜合脫硫效率較低的問題。

3 常用的除塵技術

3.1 電除塵器

電除塵器主要由放電極（陰極）、集塵極（陽極）及除塵裝置等組成。當灰塵顆粒進入廢氣中的電場時，它們與正極、負極和電子（或離子擴散階段的電荷）相連。熱粒子通過電磁力進入電子和離子。電極粉塵通過粉塵的開裂和聚集而塌陷，使廢氣能從電粉塵中清除[4]。電除塵具有電阻損失小、效率高、排氣處理能力強、使用壽命長等優點。缺點是除塵裝置較為復雜，且控制器的配置、使用和維護費用較高，有相應的細粉塵管理條件，對灰塵和細粉塵具有相應的選擇性。因此火力發電廠一般采用四電場或五電場電過濾器，并通過高頻電壓或低脈沖電流使除塵效果提升至99%以上，并使煙氣質量的濃度限制在30 mg/m3以內。

3.2 旋轉極板式電除塵器

電除塵器的最后階段激活旋轉極板式電除塵器的電極板。其底部有一個煙灰缸。電極板與煙氣同時放置，并用鏈條連接。當電極盤向下旋轉到電場的下端時，灰燼層在氣流中擦拭板的表面，可有效避免二次灰塵。由于徹底清除了灰塵，電極板可以長時間保持清潔。因兩次掃塵之間無法在電極板上形成連續的粉塵層，所以粉塵層上的強電場也無法確定，更不會由于粉塵層發生破裂，導致空氣感應尾桿。這類電除塵器能夠有效控制煙塵質量濃度在30 mg/m3以內。

3.3 低低溫電除塵器

低低溫電除塵器是采用低溫省煤器控制電除塵器入口的煙氣溫度，使其溫度低于酸露點的溫度，由此讓煙塵的比電阻大幅下降，除塵效率得到顯著提升。另外還可以提高捕集三氧化硫的效率，有效減少高壓煤電廠的污染排放量。此外，低溫省煤器可以重復利用熱量，節能效果較為理想。低低溫電除塵器的特點主要包括：（1）降低了煙塵溫度，使得煙氣量減少，電場風速下降，大大增加了煙塵在電除塵器中的荷電，提高了除塵效率；（2)減小了煙塵的電阻，捕集煙塵的效率得到提升。

3.4 布袋除塵器

布袋除塵器是利用過濾及相互作用、停止、棕色擴散和電恢復過濾原理。除塵效率可達99.9%以上。過濾器的壽命和耐用性是袋式過濾器經濟性的關鍵。其使用壽命取決于材料、粉塵性質、排氣溫度及成分等。另外，也會受過濾器的風速、吸入粉塵的質量、除塵速度、控制和維護的影響。

3.5 電袋復合式除塵器

真空吸塵器混合在電動袋中，由兩部分組成：電動過濾區和袋式除塵區。電除塵率適用于高粉塵回收，袋式除塵器適用于薄粉塵回收。電場回收電袋中的大部分煙氣粉塵，然后收集電氣袋中剩余的小灰塵。除塵效率對塵埃阻力和顆粒大小沒有影響，可以保持排放濃度低于30 mg/m3，并且其質量波動較小。預選效果會讓濾袋中的粉塵負荷大大減少，相應阻力也會下降，然而濾袋會收集較小的粉塵，所以會導致過濾與除塵的時間變長，進而節約除灰所需要的能源，并延長了濾袋壽命。

3.6 濕式電除塵器

濕式電除塵器一般安裝在煙氣脫硫（FGD)裝置后端。在高壓電的作用下，電除塵器的電極會電離周邊的空氣，由此形成的電場力讓粉塵開始運動至集塵極，最終通過液體膜吸附這些粉塵。濕式電除塵器不僅可以去除氣溶膠、細小粉塵，還能脫除三氧化硫酸霧，有效延緩這些物質腐蝕煙道及煙囪的進程。濕式電除塵器清理灰塵用到了液體沖刷的方式，所以粉塵的性質不會對除塵的性能產生影響，對電阻比較大、黏性較強的粉塵去除效果較好。因為工作環境的緣故，會選用具有抗腐蝕性的材料作為放電線、集成板及噴嘴。濕式電除塵器按照結構的不同可以分為兩種：一種是管式的，特點是煙氣流是垂直方向的；另一種是垂直式的，氣流方向可以是垂直的也可以是水平的。當電極的長度相等時，管式除塵器允許的煙氣流速達到板式的兩倍以上，所以，除塵效率一定的情況下，管式結構的緊湊度更高。濕式電除塵器在工程方面的布置主要有三種方式，分別為水平煙氣布置、垂直煙氣布置以及垂直煙氣與濕式脫硫整體布置。

4 煙塵超低排放改造方案

國標《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）中，明確限定燃煤火電機組煙塵排放限值為30 mg/m3，其中重點地區為20 mg/m3[5]。2010年至2014年期間，我國大力推行除塵改造項目，全國各地區的燃煤機組煙塵排放質量濃度基本達到國家標準的限定要求?，F階段，為實現煙塵排放質量濃度小于10 mg/m3，僅僅提高目前除塵裝置的除塵效率，效果難以達到預期，為此需要與脫硫超低改造結合，當前主要采用的改造方式是通過加裝濕式電除塵、除塵除霧器和除塵脫硫塔。對于煙塵排放質量濃度要求更高的地區，最穩定和可靠的方案是脫硫之后加裝濕式電除塵器。

4.1 高效除塵脫硫塔

濕法煙氣脫硫一般都會用到噴淋空塔，其除塵效率可以達到50%左右，采取加裝聚氣環合托盤的方式，可以大大提高除塵及脫硫的效率，有關實驗顯示，利用加裝兩層托盤的方式，脫硫塔可以達到85%的除塵效率。要確保脫硫率的除塵效率不發生波動，則要在脫硫塔的出口位置處安裝高效除霧器，以此實現對霧氣滴煙塵質量濃度的控制。脫硫塔入口煙塵質量濃度在30 mg/m3以內，那么將機組最終的煙塵排放質量濃度控制在10 mg/m3以內。通過這個方案能夠提高脫硫的效率。如果采用串塔的方式，具有改造難度小、工程量小等優點，且改造后的系統運行較為穩定。

4.2 加裝除塵、除霧器

除塵器、除霧器均設在高效除塵脫煙塔的上方，主要由電話電腦分離器、旋轉輪、汽缸和水泵等構成。當游離硫尾氣經過除塵工藝設備和安裝在洗滌塔上方的除霧器時，先經過旋風分離器形成渦流運動，再利用離心力將霧和灰塵移入氣缸壁。當它們移動時，會發生碰撞并凝結成大塊。當液滴被拋入氣缸內表面時，可附著在氣缸壁上，然后一起落入泥漿中，以清除液滴和灰塵。分離器之間應安裝控制輪胎，以提高氣流的離心流速，并保證氣體的均勻分布，以避免水滴的二次吸收。當進入脫硫塔的粉塵質量濃度低于30 mg/m3時，除塵器系統和除霧器可使機組尾氣污染的最終質量濃度控制在30 mg/m3以內。

4.3 加裝濕式電除塵器

通過將濕式系統的電除塵器安裝在脫硫裝置出口端，可以起到有效降低煙氣排出量的作用。除塵器在脫硫塔頂部的布置方式為煙氣下進上出，還可以安裝在脫硫塔的出口煙道處。濕式系統電除塵可以起到抑制煙塵及水霧排出的作用，達到85%以上除塵除霧的能力，此外，捕集三氧化硫的效率也比較高。若脫硫塔入口的煙氣質量濃度小于30 mg/m3時，系統可將煙氣質量濃度限制在5 mg/m3以下的水平。

5 實施超低排放煙塵工程的注意事項

一旦確定了技術路線，必須仔細監控制造、安裝和運行過程，以滿足長期穩定的超低排放要求。不僅要保持傳統的干燥、均勻的電除塵率（粉塵管理的基礎），還要采用旋轉電極、高頻電流、電除塵及高校脫硫除塵等方式。

現階段，我國擁有較為成熟的研制干式平板形電除塵器的技術，然而還是會出現瞬時超標的問題，為此需要維護人員切實執行相關的處理措施。有關數據顯示電除塵器出現振動力度不足、負荷變化過快、持續高負荷、電除塵器降壓振打設置錯誤等都會引起除塵器出現瞬時超標的問題。

針對高頻電源，不僅要考慮相關的技術參數，還要考慮到散熱的問題，尤其是要連續優化閉環控制策略對阻尼振動進行操作。圖1是某機組高頻電源控制策略優化效果對比圖（方框內為優化調整前的濁度），可以看出控制策略優化后濁度峰值的擾動明顯減少。

圖1 高頻電源控制策略優化效果對比圖

然而，設計、制造、運輸和安裝方面也面臨諸多挑戰。設計方面，旋轉陽極組的重量會傳送給內部傳動鏈條，極易出現斷裂的問題，進而引起旋轉陽極板發生坍塌，為此設計時需要對鏈條的強度進行測試，以滿足實際需要；制造方面，應該依據技術圖紙，嚴格執行相關的工藝及質量檢驗流程，加強各個核心零部件的管理與檢查工作；運輸方面，整個環節都需要詳細地規劃與包裝，確保此過程中不會影響到除塵器的旋轉電極；安裝方面，需要重視旋轉陽極板、內鏈、上下坑和清灰設備的安裝質量，安裝后要進行總體審查和調試，并在旋轉電場安裝畢后長期進行測試。

6 總結

通過科學合理地設置煙塵采樣點，可將不同的測量原理有機地結合起來，改進煙塵測量精度。按照新標準的要求，確保發電機組煙塵排放峰值達標，對發電機組的運行方式進行優化與調整，最大限度地降低瞬時煙塵量。以集成創新的手段，力爭將干式電除塵煙塵出口值控制在20 mg/m3甚至10 mg/m3，脫硫出口煙塵值達到或接近5 mg/m3以下，持續降低煙囪出口的煙塵值，為建設社會主義生態文明，保障國家能源安全提供有力支撐。