新排放标准情况下火电厂除尘方式的选择

赵建民

（大唐国际发电股份有限公司福建分公司，福州 350000）

1 引言

2011年7月29日，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局发布了最新版的《火电厂大气污染物排放标准》，标准对火电厂大气污染物排放限值做了更为严格的规定，特别是烟尘排放限值由原来的50mg/m3下降至30mg/m3，重点地区为20mg/m3，该标准已经达到甚至超过发达国家的标准，对国内的除尘技术提出了新的挑战。

目前我国燃煤电厂主要的除尘设备是电除尘器，辅以部分袋式除尘器作为补充。新标准出台后，在除尘方式的选择上引起了争论，社会上甚至有观点认为电除尘器已不能满足新的排放限值要求，应由袋式除尘器取而代之。这种看法并不客观。从当今发达国家电除尘器的使用情况以及国内电除尘器的应用实例来看，都充分说明：即使粉尘排放标准提高到20mg/m3甚至更高，电除尘器仍然可以是燃煤电厂的主要除尘设备和技术途径。

2 国外燃煤电厂除尘方式的选择

欧、美、日等国家和地区粉尘排放要求较高的燃煤电厂主要采用电除尘器，出口排放一般都在20～30mg/m3，运行情况良好。如：欧盟2001/80/EC指令中规定粉尘排放限值为30mg/m3，其电除尘器约占85%，目前西欧电除尘器的平均排放限值小于10mg/m3；美国2005年规定粉尘排放限值为20mg/m3，其电除尘器约占80%；日本大部分地方政府制定的粉尘排放标准均低于20mg/m3，其燃煤电厂全部采用电除尘器。

可以看出，欧、美、日等发达国家执行了比中国更为严格的排放标准，而电除尘器仍被广泛使用。在德国和日本，电除尘器的占有率具有绝对的压倒优势，而特别具有讽刺意味的是日本和德国恰恰是世界上两个最大的袋除尘器滤料纤维出口国。

发达国家燃煤质量较好，煤源稳定、热值高、灰分低，应用电除尘器比较有利。但值得注意的是，印度、越南等发展中国家燃煤电厂也大都采用电除尘器。印度的煤种可以说是世界上最难收尘的煤种，具有高灰分、高比电阻、低热值、低硫、低Na2O等诸多不利因素，电除尘器对粉尘的捕集比较困难，但近年来新建600MW级机组还是选择了7～10电场，比集尘面积200～300m2/m3/s的超大型电除尘器，印度燃煤电厂90%以上采用电除尘器。可见，电除尘器许多独特的优点为各国所共识。

国外许多研究机构就电除尘器能否适应日趋严格的粉尘排放标准进行了研究。比如，欧洲暖通空调协会联盟（Rehva）/CostG3组织认为，“干式电除尘器可保证排放在10mg/m3以下，如需要可以达到5mg/m3以下。湿式电除尘器可实现小于1mg/m3的粉尘排放”。

3 国内燃煤电厂大机组电除尘器应用情况

2010年，中国环境保护产业协会电除尘委员会组织我国18位电除尘专家对电除尘器在国内的煤种适应性情况进行了分析和总结。对燃煤电厂而言，煤、飞灰成分对电除尘器性能的影响最大。通过对2006—2008年国内138个电除尘器投标项目进行研究分析得出，对电除尘器除尘“难”的煤种仅有3种，占总煤种数量的2.46%；“较难”的煤种有14种，占总煤种数量的11.48%；“一般”的煤种有40种，占总煤种数量的32.79%；“较容易”的煤种有49种，占总煤种数量的40.16%；“容易”的煤种有16种，占总煤种数量的13.11%。显然，对于电除尘器而言，国内86%的煤种都在“容易”到“一般”的范围内，即使放在国际视角上比较，电除尘器对我国煤种的适应性也是比较好的。

中国环境保护产业协会电除尘委员会对福建龙净、浙江菲达、兰州电力、浙江天洁、上海冶矿5家除尘设备生产厂的电除尘器应用情况进行了调查。调查显示，2004—2010年间上述企业已投运并经第三方测试的600MW机组以上配套电除尘器175台，全部达到合同规定的技术要求。值得注意的是，其中在电除尘器电场数3～4个、比集尘面积80～110m2/m3/s这一低电场数、低比集尘面积前提下，电除尘器实测排放低于50mg/m3的有83台，占测试总数的47.4%，排放低于30mg/m3的也有22台。这充分说明对于我国的燃煤电厂来说，在适当增加电场数量和比集尘面积的情况下，达到30mg/m3甚至20mg/m3的低排放是完全可以实现的。

4 电除尘器新技术的发展应用

近年来，国内电除尘行业加大了对新技术的研究和开发力度。低低温电除尘技术、高频电源、机电多复式双区、湿式电除尘器、烟气调质、移动电极、烟道凝聚器等等一批先进实用的新技术不但为电除尘器实现低排放创造了更好的条件，扩大了电除尘器的应用范围，还不同程度地提高了产品的技术经济性。目前，国内推广应用和积极研究的新技术和产品主要有如下几种。

4.1 低低温电除尘技术

自1997年起，由于日本地方环保排放控制综合要求不断提高，对应的烟气处理工艺促使低低温高效烟气处理技术在日本火电机组得到全面发展。低低温烟气处理技术工艺的原理是在锅炉空预器后设置MGGH（热媒水热量回收系统），使进入除尘器入口的烟气温度由原来的130℃～150℃降低至90℃左右（日本称为低低温状态），从而提高常规电除尘的收尘性能。而湿法脱硫装置出口设置MGGH通过热媒水密封循环流动，将从降温换热器获得热量去加热脱硫后净烟气，使其温度从50℃左右升高至80℃以上。具体工艺流程见图1。

图1 低低温电除尘技术工艺流程图

低低温技术除尘提效的核心措施就是在传统干式电除尘器之前布置了一级MGGH，将电除尘器的运行温度降低至低低温状态，对于电除尘器来说，带来了两个显著优势：

（1）任何烟尘基本都没有高比电阻状态，不会发生反电晕现象，图2是常规锅炉飞灰比电阻值与烟气温度的关系曲线。一般当烟气温度在130℃～150℃时，烟尘比电阻值处于较高点，电除尘器易出现低电压、大电流的“反电晕”现象，造成除尘效率下降。而在90℃～110℃区间时，烟尘比电阻值可以下降1～2个数量级，使飞灰比电阻值下降至1011以下，使得烟尘比电阻处于最适宜电除尘器收尘的比电阻范围内，从而确保电除尘器的高效收尘，可完全杜绝“反电晕”现象的发生。

（2）烟气温度降低使得烟气量减小，烟气通过电场的流速降低，停留时间增加，相当于电除尘器的比集尘面积增加。排烟温度每降低10℃，烟气量减少2.5%～3%。

（3）排烟温度降低还会使电场击穿电压升高，从而提高电除尘的除尘效率。根据经验公式估算，烟温每降低10℃，电场击穿电压上升约3% 。

图2 锅炉飞灰比电阻值与烟气温度的关系曲线

另外，对于整个系统来讲，由于电除尘器前烟温降低至90℃左右，烟气中的气态SO3会完全冷凝形成液态，从而被电除尘器前大量的粉尘颗粒所吸附，再通过电除尘器对粉尘的收集而被去除，相当于SO3调质的作用，可以大大提高电除尘器性能。同时SO3的去除避免了下游设备因SO3引起的酸腐蚀问题。这样FGD系统基本不用专门考虑SO3的腐蚀，同时又充分发挥了脱硫后GGH的作用，把烟气加热到足够温度，满足环保扩散要求，节省了大笔防腐投资、维修工作量和有关费用。对于湿式石灰石-石膏法烟气脱硫工艺来说，由于进入吸收塔的烟气降至90℃左右，可以大大减少脱硫喷淋水的耗量，并提高脱硫的反应效果，进一步降低能耗。

通过管式烟气换热器的烟气不会泄露，并能有效利用回收的热能，不仅可以将此部分热能用于烟气再加热系统，还可用于加热汽机冷凝水系统，减少煤耗或输送给采暖供热系统。

根据工况条件及环保节能要求的不同，低低温烟气处理工艺可采取如下3套布置方案：

方案一：以烟气降温为核心的电除尘增效、节能综合技术方案，即在电除尘器前布置换热器来降低烟温至90℃～110℃，回收余热用于加热汽机冷凝水系统，从而减少汽机抽气量来减少煤耗。见图3。

图3 低低温烟气处理工艺布置方案一

方案二：以烟气降温为核心的电除尘增效、节能、脱硫增效综合技术方案，即在电除尘器前后各布置一套换热器来降低烟温，除尘器前降至90℃～110℃，除尘器后继续降低至70℃～80℃（进入湿法脱硫吸收塔所需烟温），回收余热用于加热汽机冷凝水系统，从而减少汽机抽气量来减少煤耗，并降低脱硫工艺水耗量。见图4。

图4 低低温烟气处理工艺布置方案二

方案三：以烟气降温为核心的电除尘增效、节能、烟囱防腐蚀综合技术方案，即在电除尘器前和脱硫吸收塔后各布置一套换热器，将用除尘器前回收的余热用于脱硫后烟温的再热，在节能的同时解决烟囱防腐难题。与日本电厂工艺相同。见图5。

图5 低低温烟气处理工艺布置方案三

以上三种方案的核心除尘提效技术都是利用烟温降低至低低温状态来实现的，但对于余热回收的力度和用途不尽相同。因此这三种方案需要各电厂根据实际工况条件以及各自不同的环保和节能需要灵活选用。

宁德电厂4#炉600MW机组配套电除尘器就采用了低低温烟气处理工艺方案进行提效改造，应用了电除尘器前增设烟气余热利用装置的除尘提效方案。

（1）具体改造措施：在空预器和电除尘器之间的烟道处加装烟气余热利用节能换热装置；对电除尘器电场内部做了常规检修。

（2）改造效果：除尘器平均出口排放浓度由改造前的97.64mg/m3下降到24.89mg/m3。在设计凝结水用量45%的情况下，烟温从150℃下降到95℃（降幅达到55℃），烟气换热降温达到了预期效果。

（3）节能经济性分析：节约煤耗，每发1度电节约电煤2.5g/kW·h，机组年发电利用小时数为5500h，平均煤价900元/t，则每年可降低电煤消耗费用：

60×5500×900×2.5/106=742.5万元/a

（4）脱硫工艺水耗：根据电厂自身运行的统计数据，由于烟温降低后，工艺用水可以节约45t/h左右，按每吨工艺用水2元计算，则每年可降低运行成本：

45×5500×2/104=49.5万元/a

综上，本项目合计每年至少可节省运行成本792万元，2～3年的时间即可收回设备的全部投资费用。可见，采用低低温电除尘器提效技术，不仅能提高电除尘器的效率，每年还能节省792万元的运行成本，且节省的费用与电除尘的正常运行费用相当，甚至还要高些。

实践证明，低低温电除尘工艺在日本燃煤火电厂运行十多年来是成功的，也是一项成熟可靠的除尘工艺。同时从该技术经消化吸收改进后应用在国内的实际工程情况来看，也都十分成功，也为今后进一步的推广应用积累了建设和运行经验。

该技术特别适合于在烟温较高的老机组提效改造项目以及新建机组上使用。

4.2 高频电源

电除尘用高频高压供电装置（简称：高频电源）是相对于目前常规工频（50Hz）电源而言，高频电源的基本原理如图6。高频电源的频率一般达到20k～30kHz ，特别是国内企业龙净公司的高频电源频率可达40kHz，相当于常规工频电源的800倍。高频高压供电技术是当今国内外电除尘器供电的前沿技术，此技术仅掌握在世界少数几个国家，目前仅有美国、瑞典、中国等几个国家有成功投入商业运行的实际经验。

高频电源的出现，对电除尘性能的提高具有十分重要的意义。从现场实际使用效果来看，高频电源可节电20%～40%，提效可达20%～30%。

图6 高频电源的基本原理

高频电源三相交流输入整流为直流电源，经全桥逆变为高频交流，随后升压整流输出直流高压。高频电源工作频率可达40kHz，主要包括三个部分：变换器（整流、逆变）、变压器（升压、整流）、控制器。其中全桥变换器实现直流到高频交流的转换，高频变压器/高频整流器实现升压整流输出，为电除尘提供高压电源。

（1）高频电源优越的性能特点

高频电源具有输出纹波小、平均电压电流高、体积小、重量轻、成套设备集成一体化、转换效率与功率因数高、采用三相电源对电网影响小等显著优点，特别是可大幅度提高除尘效率，所以它是传统可控硅工频电源革命性的更新换代产品。高频电源的应用实现了电除尘器供电电源技术水平质的飞跃，极大拓展了电除尘器的适应范围，对我国环保设备配套电源产品的产业结构调整和优化升级产生了重要的影响。

（2）高频电源提高除尘效率的原理

高频电源输出直流电压比工频电源平均电压要高约30%，因为工频电源峰值电压在电除尘器电场中会触发火花，容易限制了加在电极上的平均电压。而高频电源谐振频率为30k～40kHz，与常规的工频电源相比，高频电源纹波系数小于5%，在直流供电时它的二次电压波形几乎为一条直线，高频电源提供了近乎无波动的直流输出，使得静电除尘器能够以次火花发生点电压运行，从而提高了电除尘器的供电电压和电流，增大了电晕功率的输入，提高了电除尘器的效率（见图7）。

图7 高频电源提高除尘效率的原理

（3）高频电源高效节能

高频电源效率＞0.9，功率因数＞0.9，比工频电源固有节能20%以上，设备运行3～5年节省的电费相当于收回全部投资。高频电源在纯直流供电的方式下，即使在70%的额定输出功率运行时，设备功率因数与效率维持基本不变，而工频电源随着输出功率的下降，功率因数与效率下降明显。高频电源在额定负载下比常规工频电源节能约20%，在非额定输出时节能比例更大。在通常情况下，除尘电源是没有满负荷输出的，因此，高频电源节能效果显著。

（4）单台高频电源节能分析

2008年3月，河南电力试验研究院对三门峡华阳发电有限责任公司2#炉电除尘器进行效率测试的同时，进行了高频电源节能对比测试，测试数据见表1。

表1 除尘器右室一电场分别采用高频电源和工频电源对比测试

高频输出功率49.5kW，工频输出功率42kW，如果工频电源也按49.5kW输出功率时，假定其功率因数与效率不变，可以折算出工频电源输入功率为49.5/42×71.23 =83.95kVA。

折算后节能 = 83.95 - 56.68 = 27.27kVA

折算后节能比 = 27.27/83.95 = 32.5%

由实测可以看出，单台高频电源与单台工频电源节能比为32.5%，节能效果可观。

（5）电除尘成套高频电源节能分析

某600MW机组的电除尘配套16台1.5A高压电源，采用高频电源方案与采用工频电源方案的消耗功率对比见表2。

表2 消耗功率对比

配套高频电源时额定总输入有功功率比1.5A工频电源减少398.72kW，总输入功率降低是非常明显的，按电除尘每年运行8000小时计算，采用高频电源，一年可节电约318.9670万kW·h，按每度电0.4元计算，节电费用约127.59万元。

该技术适用于各类老机组的除尘提效和节能项目，也可在新建机组上直接使用。

4.3 机电多复式双区

机电多复式双区电除尘器是在电除尘器的末电场使用机电多复式的双区电场。主要特点是在电场结构设计上，不仅可将粉尘荷电区和收尘区分开，而且能采用连续多个小双区进行复式配置。同时，在配电上采用独立电源分别对荷电区与收尘区供电，使荷电与收尘各区段的电气运行条件最佳化。由于收尘区采用了高场强的圆管+板式的极配形式，实现了高电压低电流的运行特性，可以有效提高对电除尘器末电场细微粉尘的捕集，并可以抑制高比电阻粉尘的反电晕与低比电阻粉尘的二次反弹现象，同时管式电极还可以收集荷正电的粉尘，从而提高除尘效率。机电多复式双区电除尘器的结构见图8。

图8 双区电除尘器的结构

自2004年第一台机电多复式双区电除尘器投运至今，在国内已有近百台双区电除尘，经过分析总结，末电场应用机电多复式双区后，相当于增加10%～15%的收尘面积，特别适用于场地受限的老机组改造项目，同时也适合在一些高比电阻粉尘的新建机组上直接采用该技术。

4.4 湿式电除尘器

湿式电除尘器结构与常规电除尘器结构基本类似（见图9），所不同的是湿式电除尘器取消了传统的振打清灰方式，而用一套喷淋系统取代振打系统用以清灰，以此达到更高的收尘效率，脱除SO3、PM2.5等污染物的目的。

图9 湿式电除尘器结构

湿式电除尘器克服传统干式电除尘技术的反电晕与二次扬尘等瓶颈限制，具有极高的除尘效率。该产品一般设置于湿法脱硫后的烟气处理，可以有效控制PM2.5细微颗粒物、SO3酸雾、气溶胶、汞等重金属和二英等复合污染物，达到粉尘接近零排放的目标。

湿式电除尘器在美国、日本、欧洲等发达国家和地区已经有近30年的历史，技术已经非常成熟。该技术适用于国家排放标准或PM2.5更为敏感的重点地区的老机组改造项目和新建机组，可以达到满意的效果。

4.5 烟气调质

烟气调质技术是通过向烟气中喷入一些物质以调整烟气的组分及某些物理特性，从而降低粉尘比电阻，提高电除尘效率。目前，普遍应用的是SO3烟气调质技术，即向烟气中喷入SO3气体，利用其易冷凝和吸附于粉尘表面的特性，使得粉尘表面形成酸膜，从而形成导电通道，降低粉尘比电阻，提高除尘效率。

该技术在德国、美国应用多年，多用于老机组的提效改造，在世界范围内运行的烟气调质系统已经超过500套。该技术适用于粉尘比电阻高的老机组提效项目，以及设计煤和校核煤差异较大的新建机组。

4.6 移动电极

移动电极电除尘器与常规电除尘器的收尘原理完全相同（如图10），阳极板在驱动轮的带动下缓慢地上下移动，附着在极板上的粉尘随极板转移到非收尘区域，被正反两把转动清灰刷刷除，粉尘直接刷落于灰斗中，减少了二次扬尘。由于集尘极能保持清洁状态且粉尘在灰斗中被清除，有效克服了困扰常规电除尘器对高比电阻粉尘的反电晕及振打二次扬尘等问题，可以提高除尘效率。

图10 移动电极原理示意

移动电极为日本日立公司的专利产品，自1979第一台设备投入工业应用以来，30多年的时间内共计有49台的工程业绩，其中电力燃煤锅炉至今配套22台/套。目前，我国个别设备厂家仿照日立结构在国内市场推出了大概6台机组，从实际使用情况来看，效果平平，故障率较高。依目前国内除尘产品的机加工和安装水平分析，移动电极技术并不是最佳选择。

移动电极相比常规电除尘器转动部件较多，发生故障的可能性相对较大。移动电极的电场比常规电除尘器少，如果有电场发生故障退出运行，对除尘效率影响较大，易对其后的脱硫系统运行造成不利影响。移动电极上的链条、链轮长期在高粉尘环境里运行，存在磨损问题。极板在清灰过程中与清灰刷摩擦较大，清灰刷与极板间的间隙容易变大，目前的生产厂家虽然设计有调整装置，但需要在除尘器停运时进行调整。与常规电除尘相比，极板和清灰刷驱动电机消耗了额外的电功率。特别是由于运动配合部件繁多，其所需要的制造以及安装水平也很高。另外，还增加了维护保养的难度。

4.7 烟道凝聚器

烟道凝聚器的工作原理是使含尘气体在进入电除尘器前，利用声、电、化学等方法使得粉尘颗粒发生凝聚，使较难收尘的细颗粒物凝聚为大颗粒后再进入电除尘器，以利于收尘。目前，通过在烟道布置扰流装置和采用双极荷电方式的电凝聚最为热门，国外已进入工业应用阶段，效果良好。

5 选择除尘方式的建议

5.1 现役除尘设备

国内现有的电除尘器大多数是在近几年建成投产的，除尘器具备一定规格（大多数比集尘面积大于或接近100m2/m3/s），除尘效率较高。在新标准出台后，大多数除尘器与新标准差距并不大，简单地改造成袋式除尘器势必会造成国有资产的重大浪费。

从科学、理性的角度分析，电除尘器的改造方式切不可“千篇一律”。应从设备现状、工况特性、现场条件等进行全面的分析，针对各电厂的不同情况，提出最具性价比、最为可靠的改造方案。

根据每个电厂不同的情况，大致分为以下3种，给出的针对性建议如下：

（1）对于燃烧煤种、工况条件适宜采用电除尘技术的项目，由于原设计标准较低、设计集尘面积比较临界、安装调试不到位或燃料工况变动所造成除尘器排放在100mg/Nm3左右的情况建议如下：

1）首先考虑采用余热利用（低低温技术方案）、高频电源、机电多复式双区技术、烟气调质等技术来满足新标准；

2）场地条件允许时，电除尘器也可采用扩容或扩容加其它特色技术组合来共同实现超低排放；

3）对于场地条件不允许并且采用电除尘器新技术仍无法满足新标准时，可采用袋式技术改造。

（2）若原设计集尘面积过小、燃料条件过差造成除尘器现排放大于300mg/Nm3且无场地扩容的情况，推荐采用袋式除尘设备。

（3）介于以上2种情况之间，本着可靠、经济的原则，进行详尽的可行性分析后再确定方案。

5.2 新建机组配套除尘设备

（1）应根据煤种特点进行科学分析，由于我国86%以上的煤种都是比较适宜采用电除尘收尘的，所以对于适合电除尘器的煤种应优先选择采用电除尘方式。

（2）对于较难收尘的煤种，优先选用电除尘并配套使用电除尘新技术等辅助手段，与袋式收尘方式做经济性对比，择优选取。在经济性对比时，不能仅比较一次性投资，应考虑全周期和二次污染等环保新问题。

（3）除尘器选型时应考虑到煤种的波动性，需按较差煤种选型。规范项目招投标及评审制度，相关单位在发项目标书前应充分评估煤种参数波动对电除尘器性能的影响，并参照国外做法和经验在标书中对电除尘技术参数提出必要约束条件，如限值最低比集尘面积、最低断面积等。规范评标办法，综合评定性价比最优者中标，不保护低价中标，避免行业内恶性竞争。

6 结语

经过30多年的发展，我国的电除尘行业已经成为我国环保产业中能与国际厂商抗衡且最具竞争力的一个行业。发达国家燃煤电厂80%以上采用电除尘器，烟尘排放浓度普遍低于20mg/m3。我国燃煤电厂已经投运的大型机组电除尘器也有大量低于30mg/m3的实际案例。显然，电除尘器是能够满足我国新排放标准的一种高效节能设备，同时具有良好的技术经济性。可以预见，在新的排放标准下，电除尘器仍是我国新建大型工业项目尤其是燃煤电厂粉尘治理的主流除尘设备之一。特别是诸多的电除尘新技术的不断涌现和发展，必将会使电除尘技术焕发新的活力，发挥更大的作用。

[1]中国环境保护产业协会电除尘委员会.高标准不是翻不过去的山[N].中国环境报，2010-11-10（5）.

[2]龙辉，王盾.低低温高效烟气处理技术发展应用及展望[C].中国环境保护产业协会电除尘委员会第十三届中国电除尘学术会议论文集，2009.