锅炉排烟温度升高对静电除尘器效率影响的探讨

王金旺，张 燕，张建中 (1.上海成信建业节能科技有限公司,上海 0110；.成信绿集成股份有限公司,福建 厦门 61006；.中国电力建设工程咨询公司，上海 0017)

0 引言

《火力发电厂设计技术规程》(CDL5000-2000)[1]中规定，当烟气温度为设计温度加10℃的条件下，静电除尘器仍能达到保证的除尘效率，即烟温不超过设计温度10℃时，除尘效率可以保证。而实际情况中，许多电厂的运行烟温较设计烟温超过得更多，参见表1中的典型示例[2-4]。

应该指出，烟温升高不但降低了锅炉效率、增大了引风机的电耗，对静电除尘器效率也会带来负面影响，电厂排放含尘量增加，但现有文献中对此报道甚少。另一方面，为了降低排烟温度以及回收吸收塔前的烟气热量，在新电厂的设计优化及老电厂技术改造中，以低温省煤器为主体的烟气余热回收系统受到了越来越多的关注，并有许多文献对烟气余热回收系统进行了探讨；而传统的烟气余热回收系统将使除尘器进口烟温升高，此时更有必要弄清烟温升高对静电除尘器效率的影响并对节煤效益与环保效益的关系进行评估。

表1 部份超临界锅炉排烟温度设计值与运行值的比较(额定负荷)

项 目东方电厂瑞金电厂江苏A厂江苏B厂河南C厂湖北D厂安徽E厂辽宁F厂芜湖电厂江苏G厂山东H厂浙江J厂机组容量/MW350350600600600600600600660100010001000设计排烟温度/℃126127122130121127130125123126125127实际排烟温度/℃148151133150132142140134136138135143烟温偏差/℃+22+24+11+20+11+15+10+9+13+12+10+16

1 烟温升高对静电除尘器效率影响机理

烟温对静电除尘器效率的影响主要因烟气及粉尘物性变化而引起，并可归纳为以下几个方面：飞灰比电阻；烟气流量；烟气粘度或驱进速度。烟温升高时，这些因素对于ESP的效率多产生负面影响。

1.1 烟温升高对飞灰比电阻及ESP效率的影响

在100℃～150℃区间内，飞灰比电阻随烟温升高呈上升趋势，如表2所示。从表中可知，在100℃～150℃区间内，飞灰比电阻均大于5×1010Ω·cm，飞灰比电阻与ESP除尘效率的关系见图1[6]，从图1可知，此时电除尘器的除尘效率随飞灰比电阻的增加而降低。

表2 典型烟煤飞灰比电阻与烟温关系[5]Ω·cm

温度/℃神木烟煤晋北烟煤大同混煤晋北混煤1002．7×10113．6×10111．29×10111．02×10111207．7×10117．2×10119．5×10113．1×101115010×10119．7×101122．9×10114×10111808．6×10112．13×101113．5×10115．8×1011

图1 飞灰比电阻和除尘效率的关系

从图1可知，飞灰比电阻在104～1010Ω·cm时，除尘效率较高。当飞灰比电阻小于104Ω·cm时，由于此时飞灰导电性好，较容易释放负电荷，形成与收尘极板上同性的电荷，由于同性相斥，收尘极板上飞灰会产生跳跃现象，而电晕电流必须通过飞灰层传导到收尘极上，故除尘效率降低。当飞灰的比电阻过大，超过临界值5×1010Ω·cm时，飞灰导电性能变差，释放电荷速度慢，电晕电流通过粉尘层就会受到限制，这将影响到粉尘粒子的荷电量、荷电率和电场强度等，严重时会产生反电晕现象，最终将导致除尘效率大幅度下降。另外，飞灰的比电阻对飞灰的粘附力有较大的影响，高比电阻导致飞灰的粘附力增大，以致清除电极上的飞灰层要增大振打强度，这将导致比正常情况下更大的二次扬尘，其最终也导致除尘效率大幅度下降。

1.2 烟温升高对烟气流量及ESP效率的影响

烟温升高对烟气容积流量的影响关系如下：

(1)

式中：T为烟气绝对温度，T2>T1，K；Q为烟气容积流量。从定性角度来说，烟气容积流量增大使比集尘面积A/Q的运行值下降，比集尘面积A/Q的运行值下降将使静电除尘器效率降低。

1.3 烟温升高对烟气粘度及驱进速度的影响

1.3.1 烟温升高对烟气粘度的影响

常压条件下气体粘度与烟温的关系如下：

(2)

式中：μ为温度为T时气体的粘度，Pa.s；A由气体特性决定的常数，对烟气可取1.5×10-6；C常数，对烟气可取为124。可知，烟温升高导致烟气粘度增大。

1.3.2 烟温升高对驱进速度ω的影响

驱进速度ω与烟温t之间的关系实际上是与介质粘度μ的关系，随介质粘度增加，驱进速度ω降低，趋近速度降低阻碍了荷电粒子沿水平方向向收尘极的运动而导致ESP效率下降。

1.3.3 温度因子对有效驱进速度ωe的影响

有效驱进速度ωe随烟气流速的增加，先增大后减小。即在较低的烟气流速范围内烟气流量对有效驱进速度ωe会产生正面影响，而超过一定流速范围后有效驱进速度ωe随烟温流量增加而明显下降，这表明了有效驱进速度与许多因素有关，P.Cooperman[7-8]等人的研究也证明ωe除了与驱进速度ω具有相似特性外与气体流速之间也存在较复杂的关系。有效驱进速度ωe与比电阻成反比。

2 烟温升高对ESP效率影响的定量分析

2.1 定量分析的理论依据

2.1.1 多依奇(Deutsh)公式

在理论上可按多依奇公式进行定量分析：

(3)

式中：η为除尘效率，%；Q为烟气流量，m3/s；A为收尘面积，m2；ω为飞灰尘粒的驱进速度，cm/s。

2.1.2 对Deutsh公式的修正

(1)以驱进速度ω为基准Deutsh修正公式：

(4)

式中：KC为修正系数，在0.4～0.6范围内，对于燃煤电厂可取0.5。

(2)以有效驱进速度ωe为基准的Deutsh-Anderson公式：

(5)

式中：ωe为有效驱进速度。按下式表示[5]：

ωe=-(10-4ε0E0P0/3μ)m(A/Q)m-1lnC

(6)

式中：ε0为真空介电常数；E0为荷电场强；EP为集电场强；μ为介质粘度，Pa.s；m为试验系数。

2.1.3 效率公式的变换

设烟温t1时的效率、流量、驱进速度、有效驱进速度等参数为η1、Q1、ω1、ωe1，烟温t2时的相应参数为η2、Q2、ω2、ωe2,则借助式(4)、(5)的变换可以求得两种工况下的效率换算关系为：

η2=1-(1-η1)n

(7)

式中n为换算系数。以w为基准时其计算公式：

(8)

以有效驱进速度ωe为基准时：

ne=[(Q1ωe2)/(Q2ωe1)]

(9)

2.2 烟温升高时ESP效率计算公式的展开

设烟气温度T1时的流量为Q1，烟气粘度为μ1，ESP效率为η1；若供电方式不变，则烟气温度升高到T2时的ESP效率公式(7)可按两种修正模式展开。

2.2.1 以驱进速度ω为基准

情况A：极细粒径尘粒(≤20μ)及低流速(≤1m/s)的层流区，即雷诺数Rep<1时：

(10)

(11)

情况B：较细粒径尘粒(≤100μ)及低流速(1m/s)的湍流过渡区，即雷诺数1

(12)

(13)

对煤粉炉来说，进入除尘器的飞灰流场特性介于情况A与情况B之间。

2.2.2 以有效驱进速度ωe为基准

此时，借助式(6)可得：

(14)

2.2.3 Deutsh两种修正模式的比较

根据国外文献对大量试验数据的整理结果，在式(4)数KC及式(6)数m,两者都是0.5，代入式(10)、(14)可知，在情况A时两种修正公式是完全等同的，可按式(11)计算除尘效率的变化。在情况B时,以公式(13)更为确切。

3 烟温升高对电除尘器效率影响计算示例

3.1 输入条件

根据某600MW机组静电除尘器试验报告，已知ESP入口烟尘浓度C0=14.09×103mg/m3，试验效率η1=99.7%，烟温T1时ESP出口烟尘浓度为C1=41.3mg/m3，电除尘器本体漏风率为1.9%。

3.2 计算目标

现对该机组锅炉装设暖风器/低温省煤器烟气余热回收系统，按热平衡数据，暖风器将空预器进口二次风温提高到80℃时锅炉排烟温度将升高25℃～30℃，试求烟温升高到150℃时的除尘效率η2、ESP出口烟尘浓度C2及烟囱入口烟尘浓度C3。

3.3 计算数据

根据标准GB/T13931-2002浓度法除尘效率计算公式[9]，按T1=120+273，130+273，140+273 这几组假定的试验烟温，所计算T2=150+273时的除尘效率及出口烟尘浓度,结果如表3所示。

表3 烟温升高到150℃时的除尘效率η2及排烟烟尘浓度C2、C3变化

3.4 计算结果

本例中以不利条件t1=120℃为基准进行理论估计，当烟温从120℃升到150℃时，按情况A估计的ESP除尘效率从99.7%下降到99.57%，除尘器出口烟尘浓度从41.3mg/m3升高到60.59mg/m3，计算结果表明烟温升高对环境效益的影响是相当明显的。虽然就允许控制标准来看，假定湿法脱硫塔中还能除掉50%烟尘，预计烟囱入口烟尘浓度为30.3mg/m3，仍优于现行环保标准要求；按情况B估计的ESP效率从99.7%下降到99.63%，除尘器出口烟尘浓度从41.3mg/m3升高到52.47mg/m3，预计的烟囱入口烟尘浓度为26.2mg/m3，可达到新的环保标准要求。

考虑到在电除尘器选型时应留有10℃的温度裕量，则烟温升高所引起的实际影响可能更小一些。但本例中的燃用煤质较好，若考虑煤质变化因素，尤其当计及飞灰比电阻随烟温升高带来的不利影响时，烟温升高就有可能成为烟尘排放浓度不达标的一个原因。

4 案例

案例1：福建某电厂135MW循环流化床3号炉，进行了低温省煤器技术改造，低温省煤器布置在电除尘器前。低温省煤器投用前，锅炉机组135MW负荷下运行时，电除尘进口烟温A侧140℃、B侧137℃；低温省煤器投用后，锅炉机组135MW负荷运行时，电除尘进口烟温A侧122℃、B侧121℃；低温省煤器投用后A侧排烟温度下降18℃、B侧排烟温度下降16℃。除尘器效率提高了0.2%，粉尘排放量由78mg/m3下降到28.5mg/m3。

案例2：福建某电厂600MW超临界燃煤机组4号炉，满负荷工况下，环境温度15℃时，除尘器入口烟温140.9℃，全年平均排烟温度达到140℃；锅炉机组实际运行的最高排烟温度可达到158℃，电除尘出口粉尘排放浓度超标。在电除尘前布置低温省煤器后，烟温可降至95℃，满负荷时，电除尘出口烟尘浓度不大于50mg/m3。

5 结语

(1)锅炉排烟温度升高不仅导致锅炉效率的下降，引风机电耗增加，还会给环境效益带来明显的负面影响。

(2)根据试验资料的理论分析结果，烟温升高对于静电除尘器效率的影响与由此引起烟气容积流量增大所产生的影响两者是不等同的，在一定流速范围内，容积流量增大对于尘粒驱进速度可能带来正面影响，因此应当采用修正的Deutsh公式作为静电除尘器性能分析的依据。

(3)实例计算结果表明，烟温升高对于静电除尘器效率、尤其对于烟尘排放浓度的影响相当敏感，烟温升高+10℃～+15℃将使静电除尘器的效率下降0.04%～0.06%，烟尘排放浓度增加4mg/m3～10mg/m3，当计及飞灰比电阻因素时，烟温升高所引起的影响幅度更大。在静电除尘器的选型设计和运行时都应重视这一问题。

(4)计算推导结果也从反面论证了降低烟气温度对于静电除尘器选型和运行带来的好处，在锅炉设计上降低排烟温度、选用低低温静电除尘器等，都是值得推荐的优化设计方案。

(5)本文系在未计及飞灰比电阻变化条件下，以修正的理论效率公式为基础进行的探讨，建议设计部门与制造厂、科研试验单位一起进行必要的试验研究，取得更加确切的验证。

[1]DL5000-2000,火力发电厂设计技术规程.[S].

[2]阎维平,董静兰.超临界机组锅炉运行排烟温度偏高原因探讨[J].热力发电,2010,(8):33-37.

[3]秦建柱.超临界350MW机组锅炉排烟温度偏高原因分析及技术改造[J].热力发电,2011,(6):49-51.

[4]孙 浩,唐 健.超超临界660MW锅炉排烟温度偏高的原因分析[J].锅炉制造,2010,(4):13-15.

[5]祁君田,党小庆,张滨渭.现代烟气除尘技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[6]胡志光,胡满银,常爱玲.火电厂除尘技术[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[7]CoopermanP.A new theory of precipitator efficiency[J].Atmospheric Environment,1971,5(7):541-551.

[8]CoopermanP.Efficiency Theory and Practic in Electrostatic Precipitation[C].Proceedings of the 4th International Clean Air Congress,1977.

[9]GB/T13931-2002，电除尘器性能测试方法[S].