推动技术进步规范行业市场—电除尘行业推出燃煤电厂电除尘器选型设计指导书

2011-11-06

中国环保产业 2011年1期

编者按：电除尘行业是我国环保产业中目前能与国际厂商抗衡且最具竞争力的一个行业，多年来电除尘器一直作为各行业除尘及气体净化的主要设备。但目前我国电除尘器存在电场数量偏少、比集尘面积偏小的现象，存在部分电除尘设备投运后烟尘排放不能达标的情况。电除尘器的除尘效率是根据排放标准和工况条件等要素设计的，随着粉尘排放标准的提高，电场数量偏少、比集尘面积偏小现象越发显得突出。对此，中国环境保护产业协会电除尘委员会组织并委托浙江菲达环保科技股份有限公司编写了《燃煤电厂电除尘器选型设计指导书》。

该指导书通过分析煤、飞灰成分对电除尘性能的影响，在对电除尘器进行适应性研究、技术经济性分析基础上，结合30余年的电除尘器实际运行经验撰写而成。经业内18位专家的多次审查，通过中国环境保护产业协会电除尘委员会常委会议审核。

《燃煤电厂电除尘器选型设计指导书》是行业集体智慧及经验的结晶，值得向环保部、中电联、各大电力企业、电力规划院、电力设计院、电除尘器供货商、各相关研究机构等相关部门、组织和企业推荐。相信该指导书的推广将有助于推动和引导电除尘行业技术进步、规范行业市场、提升行业整体技术水平、保证设备性能满足排放要求。

近年来，我国电除尘技术有了长足发展，但与国际先进水平相比还有一定差距。特别是在电除尘器的选型设计方面，由于历史原因，使得我国电除尘器普遍存在电场数量偏少、比集尘面积偏小的现象，造成部分设备投运后烟尘排放不能达标的现状。有必要根据国际先进技术、国内应用实际，编制适合我国国情和特点的燃煤电厂电除尘器选型设计指导文件，规范行业科学合理地进行电除尘器选型设计，保证设备性能，满足排放要求，提升行业整体技术水平，推动和引导电除尘行业技术进步。

中国环境保护产业协会电除尘委员会组织本行业主要骨干企业和技术专家，通过分析研究我国煤种成分及其对电除尘器运行性能影响、国内投运电除尘器实情、国内外电除尘器规范，提出了电除尘器选型设计的主要流程及选型设计的指导意见，希望能为电除尘器供货商、设计建设单位及管理部门科学合理地选择电除尘器提供技术支持。

一、选型设计条件和要求及分析

为使电除尘器选型正确，首先必须掌握系统概况、燃煤性质、飞灰性质、烟气成分分析、设计参数、厂址气象和地理条件、达到保证效率的条件等选型设计用基本资料。其次要进行选型设计条件对电除尘器性能的影响分析及性能要求分析。

影响电除尘器性能的因素很复杂，对燃煤电厂而言，它不但与工况条件，即燃煤性质（成分、挥发分、发热量、灰熔融性等）、飞灰性质（成分、粒径、密度、比电阻、黏附性等）、烟气成分等有关，同时与电除尘器的技术状况，包括极配形式，结构特点，振打方式及振打力大小、气流分布的均匀性以及电场划分情况，电气控制特性等有关，还与运行条件，包括操作电压、板电流密度、积灰情况、振打周期等有关。此外，还存在着诸如飞灰物相组份、显微结构（灰粒形状、孔隙率及孔隙结构、表面状况）、浸润性等方面对电除尘器性能的影响，虽然对这些方面的系统论述和定量计算还缺乏基础，但选型时应予注意。如：灰的熔融温度与其成分有密切关系，灰中Al2O3、SiO2含量越高则灰熔融温度越高，Na2O、K2O、Fe2O3、MgO、CaO等有利于降低灰熔融温度。一般地，灰的熔融温度高，对除尘不利。在飞灰粒径方面，当粒径＞1μm时，粉尘驱进速度与粒径为正相关，当粒径为0.1～1μm时，粉尘的驱进速度最小，当粒径＜0.1μm时，粉尘驱进速度与粒径为反相关。在飞灰密度方面，当真密度与堆积密度之比＞10时，电除尘器二次飞扬会明显增大，应给予注意。飞灰的黏附性，可使微细粉尘凝聚成较大的粒子，这有利于除尘。但黏附力强的飞灰，会造成振打清灰困难，阴、阳极易积灰，对除尘不利。一般地，粒径小、比表面积大的飞灰黏附性强。

在上述因素中，煤、飞灰成分对电除尘器性能的影响最大。在煤的成分中，对电除尘器性能产生影响的主要因素有Sar、水分和灰分。飞灰包括Na2O、Fe2O3、K2O、SO3、Al2O3、SiO2、CaO、MgO、P2O5、Li2O、MnO2、TiO2及飞灰可燃物等成分。

我们通过对2006—2008年国内招标的138套电除尘器所使用的122种煤种（含9种混煤）的煤、飞灰样主要成分进行分析后，总结出影响电除尘器性能的国内煤、飞灰主要成分含量分布（见表1）。

表1 国内煤、飞灰样主要成分含量分布

研究表明，Sar、Na2O、Fe2O3、Al2O3及SiO2对电除尘器性能影响很大，其中Sar、Na2O、Fe2O3对除尘性能的发挥可起到有利影响，Al2O3及SiO2对除尘性能的发挥则有不利影响，煤、飞灰成分对电除尘器性能的影响是其综合作用的结果。

K2O、SO3、CaO、MgO、P2O5、Li2O、MnO2、TiO2及飞灰可燃物对电除尘器性能的影响相对较小（在美国南方研究所的Bickelhaupt先生的比电阻预测实验研究报告中，把Li2O和Na2O的含量之和作为一个影响因素，实验结果表明两者之和虽然很小，但其微小的变化，对粉尘比电阻的影响却很大，但国内有关专家对此观点存在异议），其中K2O、SO3、P2O5、Li2O、TiO2对除尘性能起着有利的影响，CaO、MgO对除尘性能则起着不利的影响。

水分对电除尘器性能的影响是显而易见的。炉前煤水分高，烟气的湿度就大，粉尘的表面导电性就会较好，比电阻相对较低。在燃煤含水量很高的锅炉烟气中，水分对电除尘器的性能起着十分重要的作用。

煤的灰分高低，直接决定了烟气中的含尘浓度。对于特定的工艺过程和在一般含尘浓度范围内，驱进速度将随着粉尘浓度的增加而增大。但含尘浓度过大，会产生电晕封闭。出口粉尘浓度要求相同时，其设计除尘效率的要求也越高。烟气含尘浓度高，所消耗表面导电物质的量大，对高硫、高水分的有利作用折减幅度大，综合来讲，高灰分对电除尘器的烟尘排放是不利的。

当面临高Sar煤的情况时，Sar的含量对电除尘器的性能起着主导作用，而在低Sar煤条件下，Sar的含量对电除尘器的影响相对减弱，除尘效率主要取决于飞灰中碱性氧化物的含量、烟气中水的含量及烟气温度等。

二、电除尘器适应性研究

1964年，瑞典专家S•麦兹（Sigvard Matts）对经典的电除尘器设计公式Deutsch公式进行了修正，使用了表观驱进速度ωk概念。简单地说，可以将ωk看成是一个“收尘难易参数”（Precipitation Parameter），由于它克服了众多应用中的粒径分布问题而使其使用更加方便。经验表明，相对于原始Deutsch公式中的驱进速度，常数值ωk具有更广的除尘效率范围。

正如前文所说的那样，煤、飞灰成分直接影响着电除尘器的除尘性能，且其对电除尘器除尘性能的影响是其综合作用的结果。当然，电除尘器的性能在很大程度上也依赖其电控技术。

若直接用煤、飞灰成分分析其对电除尘器性能的影响，则只能作定性的分析。

一般情况下，煤、飞灰成分直接影响着ωk值，ωk值的大小可评价电除尘器对粉尘的收尘难易程度，如表2所示。ωk值越大，电除尘器对粉尘的收集越容易。

表2 电除尘器对煤种的除尘难易性评价

我们对2006—2008年国内招标的138套电除尘器所使用的122种煤种（含9种混煤）的煤、飞灰样的ωk值进行计算，得出ωk的变化范围为20～63.11，其平均值为45.26。ωk值所对应的煤种及项目统计结果参考值如表3。

表3 ωk值所对应的煤种及项目统计结果

同时我们又对国内2004年7月至2009年12月所测试的100套300MW以上机组配套电除尘器测试结果进行统计，得出：

1）实测除尘效率达到设计保证效率的电除尘器占总数的96%；

2）在电场数量基本上为4个、比集尘面积（SCA）＜110m2/m3·s的情况下，出口粉尘浓度≤50mg/m3的电除尘器数占总数的60%，其中出口粉尘浓度≤30mg/m3的电除尘器数占总数的18%。

说明对于中国多数的煤种，在适当增加电场数量和SCA的情况下，达到50mg/m3甚至30mg/m3的低排放是完全可以实现的。

通过综合煤、飞灰成分对电除尘器性能的影响分析，国内煤、飞灰样ωk值统计结果及电除尘器实测结果分析，我们认为，在排放标准已提高的今天，电除尘器仍有着广泛的适应性，分析结果见表4、表5。

三、选型设计及修正

如何确定电除尘器的大小，以符合粉尘排放标准是电除尘器应用上的一个主要问题。选型过大，会增加成本，造成浪费；选型过小，会造成排放不达标，满足不了设计要求，后果则更为严重。

如上所述，电除尘器性能的发挥取决于多种客观因素，这些不断变化的因素，对决定电除尘器比集尘面积（SCA）大小，造成了复杂影响。

众所周知，在决定比集尘面积时，驱进速度是关键参数。在上世纪80年代初，世界上很多知名的电除尘器公司，例如美国的Lodge-Cottrell公司、西德的Lurgi公司等都认为不能用理论计算的办法来求得ωk值，因为为了选型而要精确地确定上述因素的定量关系，是非常困难的。但美国Research-Cottrell公司等另外一些公司也提出可以采用理论计算的方法，求得一个初始驱进速度，然后经专家修正后确定设计值。

Research-Cottrell公司根据多年来实际电厂的测试数据和小型电除尘器的试验结果，开发出计算表观驱进速度ωk的程序。其结果反映在以下4个煤、飞灰指标上，包括ASI（酸、碱度指数）、AI（碱性指数）、BI（表明飞灰收集难易程度的指数，数值越高表示粉尘越难以收集）、BIS（考虑了含硫量影响后的BI指数，即修正了的BI指数）。

表4 50mg/m3粉尘排放标准下电除尘器的适应性分析

表5 30mg/m3粉尘排放标准下电除尘器的适应性分析

其中的ASI（酸、碱度指数）、AI（碱性指数）这两个指数用于比较煤、飞灰的性质以及指导、估算、检验计算出的ωk理论值。当这两个指标的数值低（即碱性氧化物Na2O、Fe2O3、K2O等含量少，或者酸性氧化物含量高）时，粉尘就较难以收集。进行评价时，一般主要参考AI指标。

对我国电除尘器供货商而言，以上方法可以作为参考。在实际应用中，利用修正因数对偏差进行纠正是比较实用的。而修正因数可分为过程修正和设计修正。

过程修正需要考虑的因素包括：烟气温度及密度、烟气成分、颗粒尺寸分布、粉尘成分及比电阻、含尘量、碳氢化合物、未燃烧的低比电阻颗粒等。其中，粉尘成分及比电阻这两个因素对驱进速度的影响显著，也是选型设计的首要因素。而高的粉尘浓度本身并不是高效除尘的一个限制因素，电除尘器在含尘量超过2000g/m3时仍然可以得到成功的应用。

设计修正则需要考虑电极类型、振打、在长度上的供电分区数量、供电分区大小、长高比、烟气流速等。其中，振打形式对电除尘器的设计非常重要。在复杂工况中采取不合理振打将导致阳极板粉尘的堆积从而降低除尘效率。这些都是影响除尘性能或驱进速度的因素。

四、技术经济性分析

为客观地选择综合经济性更好的除尘设备，在选型设计完成后，有必要对电除尘器与其它燃煤电厂用高效除尘设备（如袋式除尘器、电袋复合除尘器）进行技术经济性比较。比较项目包括技术特点（除尘效率、压力损失、适用范围等）、总费用（设备初始投资费用、电耗费用、年维修费用）、安全可靠性、占地面积。通过对在达到相同除尘效率前提下，各种除尘设备的技术经济性分析可得出如下结论：

从投资角度看，对于国内大部分常用煤种，电除尘器都具有较好的技术经济性，运行管理压力也比袋式除尘器、电袋复合除尘器小。另外，电除尘器采用配套的实用技术（先进的电控设备、烟气调质、粉尘凝聚器、移动电极电除尘器、机电多复式双区电除尘技术等）会进一步扩大其适用范围。

从运行成本看，电除尘器的阻力低，风机运行能耗低，不需要更换滤料，实际能耗也不高，节能运行后能耗明显低于其它除尘设备，所以电除尘器的运行费用是比较低的。

电除尘器的技术经济性往往与燃用煤种、飞灰特性及烟气成分等有着密切的关系。客观地说，各除尘设备的投资、运行的技术经济性与项目特定的情况密切相关，具体项目应具体分析。

五、燃煤电厂电除尘器选型设计指导意见

通过综合考虑，将表观驱进速度值（即ωk值）作为基准，结合工程经验进行电除尘器选型设计是合理的。由于我国燃煤资源紧缺，部分电厂实际燃用煤种偏离设计值的情况较为突出，严重制约了这些电厂电除尘器的正常使用。为避免在这种情况下所出现的电除尘器出口粉尘浓度超标问题，电除尘器选型设计时应适当增大比集尘面积和电场数量，也可采用配套实用技术，从而最大限度地为电除尘器长期高效运行提供条件。

另外值得注意的是，国家标准所要求的粉尘排放指的是烟囱排放，而不是电除尘器的出口粉尘浓度。事实上电除尘器后续的脱硫系统具有一定的除尘效果（大机组以湿法烟气脱硫系统为主，其除尘效率一般可达60%左右）。

如前文所述，煤、飞灰成分中的Sar、Na2O、Fe2O3、Al2O3及SiO2对电除尘器性能影响最大，且其对除尘性能的影响是煤、飞灰成分综合作用的结果。因此很难直接由煤、飞灰成分对电除尘器的选型设计作出具体的指导意见，这里的定性分析可供参考。

当满足下列至少一个条件时，其煤、飞灰的除尘性能一般较好：Sar含量＞2%（如西南地区的高硫煤）；Na2O或Fe2O3的含量远高于平均值（如晋北煤）；Al2O3或SiO2的含量远低于平均值（如神府东胜煤）；Sar、Na2O、Fe2O3含量均偏高，而Al2O3、SiO2均偏低。

当满足下列至少一个条件时，其煤、飞灰的除尘性能一般很差：Sar含量＜0.3%；Na2O或Fe2O3的含量远低于平均值（如兖州煤）；Al2O3或SiO2的含量远高于平均值（如准格尔煤）；Sar、Na2O、Fe2O3含量均偏低，而Al2O3、SiO2均偏高（如大同塔山煤）。

当满足Sar含量＜0.3%、Na2O含量＜0.2%、（Al2O3+SiO2）的含量＞90%或Fe2O3含量＜2%四个条件中的一个及以上时，电除尘器的除尘性能很差，一般可称为困难状态，选型时应特别注意。

燃煤电厂电除尘器选型设计指导意见：