超低排放改造烟气治理高效除尘技术

林欢

（永清环保股份有限公司，长沙 410330）

引言

2014年9月，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014～2020年）》，要求我国东部地区11省新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃机排放限值，即粉尘≤10mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。中部地区原则上接近或达到燃机排放限值，鼓励西部地区接近或达到燃机排放限值。同时，稳步推进东部地区现役燃煤发电机组实施大气污染物排放浓度基本达到燃机排放限值的环保改造[1]。2015年3月，十二届全国人大三次会议《政府工作报告》指出： 深入实施《大气污染防治行动计划》，推动燃煤电厂超低排放改造。2015年12月2日，国务院常务会议决定，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，大幅降低发电煤耗和污染排放。燃煤电厂积极开展超低排放改造。

目前，燃煤机组采用的烟气处理系统主要有：静电除尘器+湿法脱硫、静电除尘器+半干法脱硫+袋式除尘器（或电袋除尘器）等[2]。常用的除尘器改造有电改袋式除尘器技术、低低温电除尘器技术、高频电源技术、常规电场扩容及优化技术、改造电袋除尘器等方法[3、4]，单独改造烟尘排放浓度都很难实现小于10mg/Nm3。湿法脱硫后加装湿式静电除尘器，可以同时解决脱硫后烟气中的微细粉尘、酸性雾滴、重金属颗粒、“石膏雨”、SO3气溶胶等问题。因此，湿式静电除尘器为燃煤机组超低排放提供了可靠的技术路线。

某钢铁厂为响应提高烟气排放标准的号召，对现有2×300MW机组进行了烟气超低排放改造。针对该发电机组改造后粉尘排放浓度≤5mg/Nm3的要求，对其原有干式除尘器进行电源升级，二级吸收塔后加装湿式静电除尘器，保证出口烟气达到超低排放的要求。

1 改造前除尘情况

某钢铁厂2×300MW发电机组同步建设SCR脱硝工艺、双室五电场静电除尘器和湿式石灰石/石膏法脱硫工艺（一炉一塔），除尘效率大于99.86%。并于2010年12月底投入运营。2013年、2014年分别对2#和1#机组进行了低氮燃烧器改造及其除雾器屋脊式改造，烟气脱硫入口烟气参数如表1所示，改造后运行指标：NOx≤100mg/Nm3，粉尘出口浓度≤50mg/Nm3。SO2排放浓度≤169mg/Nm3，脱硫效率≥96.5%。四年多的运行，机组效率明显降低，整体性能有所下降，该厂对两台机组进行了改造。

表1 烟气脱硫入口烟气参数

2 改造目标

改造后的烟气污染物排放浓度达到或优于现有燃用天然气机组的排放标准，即湿式电除尘入口含尘浓度按照50mg/Nm3（标、湿、实际氧），粉尘排放浓度≤5mg/Nm3。

3 除尘改造技术分析

针对超低排放，目前国内除尘改造技术主要有电袋复合除尘器、高频电源改造、低低温电除尘器、湿式静电除尘器。

3.1 电袋复合除尘器

电袋复合除尘器是将电除尘器和袋式除尘器结合起来的除尘技术，目前主要应用于水泥、火电行业。电袋复合除尘器是利用除尘指数规律变化。应用比较多的是“前电后袋”形式，电除尘器作为一级除尘，利用电场作用收集80%左右的粗颗粒粉尘。剩余的细微颗粒被荷电后，在电荷异性相吸的作用下组成大粉尘团，袋式除尘作为二级除尘，过滤收集剩余20%左右的粉尘，从而增加细微粉尘的吸附，提高除尘效率，达到超低排放。电袋复合除尘器结合了电除尘器和袋式除尘器的优点：能去除0.01～1μm的气溶胶细微粒子；不受粉尘比电阻的影响；工作负荷低、过滤阻力小；可减少清灰频率，延长滤袋的使用寿命。但是高温高湿度的烟气环境，电袋复合除尘器会出现结露和腐蚀。电晕放电会影响布袋寿命。电袋复合除尘器装置复杂，后期维护费用增加。

3.2 高频电源改造

2014年，环境保护部《关于发布2014年国家鼓励发展的环境保护技术目录（工业烟气治理领域）的公告》中指出：与传统工频电源相比，采用高频电源后，粉尘排放减少10%以上，节电20%～40%[5]。根据除尘器效率多依奇公式可知，粉尘的驱进速度与除尘效率成正比。粉尘粒径的大小、粉尘比电阻、电场强度、烟气粘度都会影响带电粉尘在电场中的驱进速度。电场的电压越高，电场强度越强，除尘效率越高。与工频电源（50Hz）相比，高频电源的频率是工频电源频率的800倍，可达到40kHz，输出直流电压要高出30%左右。可以提高电除尘器电场供电电压和电流，提高除尘器的除尘效率。

3.3 低低温电除尘器

低低温烟气处理技术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温度由原来的130℃～150℃降至90℃左右[6]。由于烟气温度低于酸露点温度，在MGGH或低温省煤器中气态SO3冷凝形成硫酸雾，被粉尘颗粒所吸附。除尘器在收集粉尘的同时，也协同去除了烟气中的SO3。低低温电除尘器的优势：可降低粉尘的比电阻，避免“反电晕”现象发生。能协同处理烟气中大部分的SO3。节约燃料，节省标准煤耗为1.0～3.5g/kW·h。可利用余热，能耗低。但是热回收器中冷凝形成的SO3会腐蚀除尘器及下游设备。

3.4 湿式静电除尘器

湿式静电除尘器与干式静电除尘器的工作原理相近。高压放电使烟气电离，使粉尘与雾滴荷电，荷电后的粉尘、酸雾等颗粒物不断凝聚，在电场作用下，抵达收尘极。干式除尘器采用振打清灰，振打会出现二次扬尘。湿式静电除尘器采用收尘极板上形成连续水膜带走粉尘与雾滴。不但压损小、无移动部件、极板清洁容易、防止二次扬尘，还可以解决高比电阻引起的反电晕现象。对于湿法脱硫后的硫酸雾、PM2.5、重金属离子可以协同处理。布置在湿法脱硫的后端，燃煤锅炉粉尘排放浓度可≤10mg/Nm3。除尘效率高，被广泛用于火电、钢铁等行业。

4 改造技术线路

该期改造工程需要在原厂房区进行，不再另开辟其他场地，场地空间有限。入口粉尘浓度为50mg/Nm3，出口粉尘浓度为5mg/Nm3，工程难度大。项目改造时间短，工期紧张。根据除尘器效率多依奇公式：

式中：

μ——设计要求除尘效率；

ω——驱进速度，m/s；

A——收尘极计算集尘面积，m2；

Q——工况处理风量，m3/s。

比集尘面积S=A/Q，m2·s/m3。

可知，除尘效率与驱进速度、比集尘面积有关。提高驱进速度和比集尘面积可提高除尘效率。粒子驱进速度主要取决于电除尘器二次电压、二次电流、尘/雾的粒径分布、尘/SO3雾的比电阻、气体粘度、气流的分布状况等。所以改造主要通过高频电源改造和增加集尘面积来提高除尘效率。根据项目特点，具体改造路线为：

（1）保留原有电除尘器本体设备，并对双室五电场高压电源进行改造。其中一、二、三电场电源改为高频电源，四、五电场改为脉冲电源。高频电源在额定负载条件下转换效率＞92%。电除尘排尘浓度≤20mg/Nm3。系统节电率＞40%。

（2）保持原有吸收塔作为一级吸收塔，新增吸收塔为二级吸收塔。二级吸收塔后新增一台两电场的湿式静电除尘器。湿式静电除尘器的入口含尘浓度按50mg/Nm3（标准状态、湿基、实际氧），出口含尘浓度按5mg/Nm3，除尘效率按90%设计。每台除尘器两电场、四分区，配置4套高频电源。改造后技术路线如图1所示。

图1 改造后技术路线

5 改造技术分析

湿式电除尘器采用卧式结构，烟气水平进出。除尘器包含阳极集尘系统、阴极放电系统、烟气导流均布系统、冲洗水深度雾化喷淋系统、高效节能荷电系统、入口烟道、出口烟道、灰斗、壳体等结构。湿式除尘器结构原理图如图2所示。除尘器分为两个电场，四个分区。该项目对烟气系统进行了CFD计算机数值模拟和流场分析，采用比集尘面积最大化、高效喷淋系统、稳定供电方式、节能环保型水处理工艺，确保烟气排放达到超低排放标准。

5.1 比集尘面积最大化

根据设计煤种BMCR工况和实际场地情况进行方案设计。为获得足够多的集尘面积，湿式除尘器两电场、四分区。采用ZD60形式的板式集尘极，放电极采用针刺型阴极线。电场布置图如图3所示。阳极板采用悬挂式悬挂在壳体的主梁上，阴极线采用夹持式安装，并通过框架固定，不但可以保证阳极板和阴极线不能随意摆动，也解决了空间有限的难题，使通道数增加，达到集尘面积的最大化。烟气流速为2.43m/s，烟气停留时间长达3.8s，有利于粉尘的收集。比集尘面积为25.4m2·s/m3，满足比集尘面积为不小于25m2·s/m3的要求。

图2 湿式静电除尘器结构原理

图3 湿式静电除尘器电场布置

5.2 烟气系统CFD流场分析

原场地空间有限，又新增二级吸收塔和湿式除尘器，需要对原有烟道系统进行改造。如何设计烟道走向和设备布置，最大程度减少系统阻力尤其重要。根据烟道布置，利用CFD计算机数值模拟进行流场分析，模型按1∶1比例进行建模，网格数量达400万以上。电除尘器内部采用多孔介质结构处理。通过对烟道流场优化，在烟道内设置五处导流板，在进口喇叭内设置气流均布板。导流板位置如图4所示。烟气速度流线图如图5所示。整个烟道系统内烟气流动均匀且稳定。烟道和除尘器内无旋涡产生。湿式除尘器纵截面的速度分布均匀，气流分布均匀系数为0.123，满足除尘器入口烟箱法兰处丘留均布系数＜0.13的要求。

图4 烟道系统内设置的导流板位置

图5 烟气系统速度流线图

5.3 高效稳定供电方式

原除尘器改造第一、二、三电场电源改为高频电源，四、五电场改为脉冲电源。新增湿式除尘器2电场、四分区均采用高频电源。改造工程场地空间有限，高频电源布置在除尘器顶部。高频电源采用型号为72kV/2000mA。大功率高频电源的电能转换效率高达93%以上。对于复杂多变的工况，高频电源对锅炉燃烧物及灰粉适应性强，且在恒流或恒压下运行稳定。可比工频电源降低运行电耗70%以上。效率高、电源能耗低、运行维护成本低。高频电源采用数字化控制，保证即起即停的同时，在任意击穿电压下也能稳定运行。高效稳定的供电方式为高效除尘提供重要保障。

5.4 节能水处理系统

湿式除尘器水处理系统由高效喷淋系统+节能水循环系统组成。阳极板和气流均布板上方布置喷嘴，喷雾形成水膜后冲洗粉尘，灰水经灰斗到达水箱。灰水在水箱中加碱中和，达到水质标准的灰水作为系统内部水循环利用，含少量悬浮物的水外排到脱硫系统作为脱硫工艺补水，同时补充等量的工业用水。不但实现灰水的循环利用，还减少了外排灰水的二次污染，节能且环保。

5.5 除尘器设备主要技术参数

改造后的湿式静电除尘器设备主要技术参数见表2。

表2 湿式静电除尘器主要技术参数

6 改造后运行结果分析

该项目2×300MW机组超低排放改造工程2015年12月完成168h调试后投入使用，设备运行正常。对湿式除尘器烟气烟尘浓度进行检测，检测结果见表3。从检测结果可知，机组烟气系统满足净烟气烟尘排放浓度≤5mg/Nm3，烟尘脱除效率≥90%的要求。湿式除尘器同时对SO3、NOx、PM2.5有协同去除作用。至今设备已投运2年，烟气系统运行稳定，满足超低排放要求。

表3 湿式静电除尘器烟气浓度检测结果

7 结语

以某钢铁厂2×300MW燃煤机组超低排放改造为例，分析了超低排放中电袋复合除尘器、高频电源改造、低低温电除尘器、湿式静电除尘器四种除尘改造技术。确定了“对原有电除尘器电源进行改造+二级吸收塔后新增湿式静电除尘器”的改造路线。从投运运行结果来看，高频电源改造可以提高除尘效率，湿法脱硫后新增湿式静电除尘器，可实现超低排放出口粉尘排放浓度≤5mg/Nm3的要求，改造路线值得其他除尘改造借鉴。